砂型铸造：工艺和特性 |行业 |冶金

在本文中，我们将讨论砂型铸造的工艺和特点。

砂铸工艺：

随着科学研究在铸造工业领域带来了大量的应用和适应，砂型铸造的重要性日益增加。这可能是为金属赋予所需形状的最简单、最方便的方法。

沙子是最常用的材料，因为它可以很容易地填充成任何形状，具有高渗透性和耐高温性。因此，可以使用砂模轻松铸造复杂的形状，否则可能无法实现。为了确保最佳的成本和质量收益，应适当考虑以下设计细节。

图 3.41 显示了砂型铸造过程的流程图。

自动浇注系统：

为了实现更低的材料和劳动力成本、提高生产率、更好的质量和更好的工作条件，整体铸造自动化是趋势。最近，已经对自动感应浇注系统进行了尝试。

自动浇注系统充当模具制造和熔化之间的接口。这些系统保持熔融金属准备浇注，并根据需要将熔融金属倒入模具中。

感应浇注炉，使用受控塞子将熔融金属直接倒入模具或按剂量倒入中间浇注包，用于此目的，它们具有以下特点 - 在整个过程中保持熔融金属的温度和化学成分恒定保持和倾倒；从浇注的熔融金属中去除夹渣；在正确的时间以精确计量的数量添加接种物和合金材料；调整浇注速度以适应模具的进料量；准确测量浇注金属的重量。

这种浇注炉由带有耐火衬里的圆柱形外壳、压力密封盖、法兰通道感应器、塞子和压力控制系统组成。灌装和浇注是通过虹吸形管道，其底端位于炉子底部，以确保几乎无渣浇注。

加压气体通过塞子迫使熔融金属进入熔炉的浇注嘴。无论熔炉中的金属量如何变化，加压气体还可以保持喷嘴中熔融金属的液位恒定。金属浇注速度由塞子的运动控制。

气动伺服缸根据浇注程序连续调整塞子行程。

由于浇注位置并不总是相同，因此熔炉能够相对于造型设备沿两个方向（纵向和横向）移动。液压倾翻装置允许炉子完全排空。

成角度的感应器通过法兰连接到炉子的底部。法兰是水冷的。由于较热的金属有上升的趋势，喉咙周围的区域基本上没有结壳形成，因此可以进行机械清洁。感应器本身很容易从炉子的外面接触到。由于其整体高度相对较低，该炉不必放置在坑内，而可以安装在铸造厂的地板上。

灌装和倾倒虹吸管也易于机械清洁。在虹吸管中产生的悬浮氧化物颗粒，特别是当用镁处理熔融金属时，会沉积在耐火衬里上。因此，灌装和倾倒虹吸管的上部带有法兰以便于清洁。

感应浇注炉消除夹渣，确保所需的浇注速度，准确测量熔融金属的重量，并在浇注过程中保持熔体温度恒定。熔融金属的浇注速度必须与模具的入口容量相匹配。

铸造厂的最新进展包括浇注过程的电子监控，它可以使用示教原理进行开环控制，也可以通过调节模具浇口水平进行闭环控制。

当浇注过程有特殊要求时，可以使用中间钢包作为倾斜系统或塞子控制装置来显着提高生产率。

现代化的自动化浇注系统通过始终保持熔融金属准备浇注并确保其完全按照要求浇注到模具中，从而实现连续铸造操作。

门限规定：

砂型铸造是通过一个叫做“浇口”的端口将熔融金属倒入模具中。 常规做法是将浇口定位在分型线或铸件的最下部。

浇注系统（包括浇注盆、浇道、流道、浇口等）实现了 以下目的：

(i) 以最小的湍流将熔融金属导入模具。过度的湍流会导致吸入空气并形成浮渣。

(ii) 完全填充模具系统。 （它应该以最少的干扰进行，从而提高清洁度并减少氧化）。

(iii) 以最小的扰动分布金属，​​以减少模具材料的侵蚀和随之而来的夹砂。

(iv) 撇渣或分离渣滓或其他异物，即当金属流经浇注系统时，应通过撇渣动作防止松散的砂、氧化物和熔渣进入模具型腔。 （最好不要使用阻碍金属流动的附属物。在设计中也避免使用在受到热金属时可能剥落的薄芯或分隔壁）。

较重的部分必须通过头部和冒口注入足够的热金属以补偿收缩余量。

理想浇口系统的要求：

如前所述，浇注系统包括浇注盆、浇道、流道、立管和浇口。浇注系统应促进有利于定向凝固的温度梯度。金属的进入速度应最小且无湍流，以避免侵蚀模具和型芯表面。浇注系统应与模腔一样硬或比模腔更硬。

浇注系统各部分应圆润、光滑、流线型，以防止湍流和侵蚀。应避免氧化物和其他浮渣的形成，并保持无松散的砂粒，并防止它们进入铸件。流道应延伸到最后一个浇口之外的一段距离，以捕获第一次金属流中的任何渣滓。钢包中存在的浮渣和炉渣不应带入模腔。

浇注系统应避免在通过金属时将空气/气体夹带或吸收到金属中。过热度过高的金属可能会增加金属的含气量，并可能产生更多的浮渣并对定向凝固产生不利影响。浇口应将金属引导至铸件较重的部分，最好在冒口下方或通过冒口。最后浇口应该是可行且经济的。

浇注系统：

铸件浇注系统设计需要考虑的重点是：

(i) 液体流动不应损坏（侵蚀）模具壁。

(ii) 液体不应带砂或毛进入铸件。

(iii) 应避免将气体吸入熔融金属流中。

(iv) 以最小的温度损失浇注金属，并在模具表面和金属内部建立温度梯度，以帮助朝向冒口的定向凝固。

所有这一切都可以通过适当设计浇注系统和适当的穿孔系统来实现。

为了使液态金属在浇口的向下通道上不吸收空气，浇口的形状应使浇口通道中任何点的液体压力不低于大气压。当向下浇口的侧面在截面中制成双曲面时，这是可能的。

由于双曲线形状难以制造，顶部直径较大底部直径较小的锥形截面可以达到此目的。在实际操作中，浇注盆设置在顶部，金属通过锥形垂直浇口和短水平浇口进料，如图 3.43 所示。这种布置最大限度地减少了氧化并减少了对模具型腔的损坏，因为进入的金属的力降低了。

浇道横截面可以是圆形、方形或矩形。浇口的尺寸通常从小型铸件（12 公斤以下）的 10 平方毫米到重型铸件的约 20 平方毫米不等。浇口的尺寸要足够大，在整个浇注过程中保持饱满，金属不会高速进入模腔，造成飞溅和湍流。

如果直浇道有尖角，则会发生严重的吸入，导致金属出现湍流。如果浇道是锥形的、圆角的、提供浇道井和制成坝型浇注盆，则吸入可以忽略不计，没有湍流。

浇注盆还减少了直接来自熔炉的液态金属流的侵蚀作用，有助于保持恒定的浇注头。可以在浇口的顶部放置一个陶瓷过滤器以去除熔渣。

可以在浇道底部放置陶瓷飞溅芯，以减少液态金属流的侵蚀力。可以提供放置在水平浇口中的撇渣器，以防止较重和较轻的杂质进入模具。

门控设计：

浇口定义为从流道（将金属供应到多个型腔的常用通道）到模具的开口。浇口的大小和位置应能保证模具快速充填，金属在模具型腔内的分布速度合适，无过多的温度损失，湍流，对模具的侵蚀最小，不夹带气体和夹渣，不产生冷却时开裂，浇口容易拆除，不损坏铸件。

为防止松散的砂子和浮渣进入型腔，使金属以小流的形式下落，在浇口冒口的顶部设置了一个大尺寸的浇注盆，或者在浇注器中安装过滤芯。盆地。

如果将金属非常缓慢地倒入模具型腔中，则可能在它甚至没有完全填满时就开始凝固。如果浇注非常快，高速会侵蚀模具表面。因此，最佳浇注速度至关重要。

浇口，根据它们的位置可能是顶部、分型和底部类型。在顶部浇口的情况下，熔融金属从顶部或冒口倾倒。因此，应通过制作坚硬的模具来确保金属掉落对模具的侵蚀。在这种情况下，铁水保留在顶部，因此建立了适当的温度梯度，以实现朝向冒口的定向凝固。顶门可用作立管。

顶浇口通常仅限于使用耐腐蚀材料制成的小型简单模具或较大的铸件。顶部浇注不适用于铝和镁等轻质和易氧化金属，因为担心由于湍流浇注而被夹住。

在分型线浇注系统中，金属进入与模具接头或分型线相同水平的模具型腔。浇道通过水平方向的浇口与铸件相连。因此，可以提供撇渣器或撇渣门来捕获金属中的任何炉渣或沙子。作为限制的扼流圈控制流速。

在底部浇注系统中，熔融金属在拖曳过程中从模具型腔底部流下，并从铸件底部进入，并在模具内和型芯周围缓慢上升。底浇口最适合大型铸钢件。在这种情况下，湍流和模具侵蚀最少。但是，填充模具所需的时间更长。

在底部浇注中很难实现定向凝固，因为金属继续将热量散失到模腔中，当它到达冒口时，金属变得更冷。

吸入效应：

在有缺陷的模具设计中，金属速度可能很高，因此压力可能低于大气压，并且来自有机化合物烘烤的气体可能会改变熔融金属流，从而产生多孔铸件。

在模具中可能出现负压的两种情况。一种是浇口设计，另一种是流动方向发生突然变化。参考图 3.47，可以看出点 1 和 3 的压力是大气压。

根据伯努利定理，如果浇道如虚线所示，则压力为 2 时为负。为了克服这个问题，浇道应该是锥形的，最好是1和2之间的实线所示的曲线。

其他情况如图 3.48 所示，其中由于金属流动方向的变化，出现了静脉收缩效应。为避免该区域出现负压，模具的形状应符合静脉收缩轮廓。

门控比：

浇口比定义为浇道面积与总流道面积与总浇口面积之比。 4 :3 :2 的浇口比导致加压系统。在该系统中，浇道、流道和浇口截面积的比例如此安排，以便通过浇口处的流体膜限制在浇注系统上保持背压。该系统适用于钢、铁、黄铜等金属。

加压浇注系统保持充满金属。由于浇口处的限制而产生的背压趋向于将金属从模具壁拉离从而吸入空气的危险降至最低。对于给定的金属流速，加压系统的体积通常比未加压系统小。

因此，浇注系统中留下的金属更少，铸件产量更高。然而，除非采用仔细的流线型设计，否则可能会在交汇处和拐角处发生严重的湍流。高速和湍流会导致夹带、浮渣形成和模具腐蚀。

在未加压系统的情况下，对流体的主要限制是在或非常靠近浇口。像 1:3:3、1:2:2 这样的门控比率将产生一个未加压的系统。这种系统适用于轻质、可氧化的金属，如铝和镁，通过减慢金属流动的速度来最小化湍流。

在非加压系统的情况下，需要仔细设计以确保它们在浇注过程中保持填充。阻力流道和上型浇口有助于保持完整的流道，但仔细的流线型对于消除分离效应和随之而来的空气吸入至关重要。

定向凝固：

当模具中的熔融金属冷却时，它会凝固并收缩体积。由于铸件的所有部分由于不同的截面、相邻模具壁的不同热损失率等而不会以相同的速度冷却，因此在铸件的某些区域容易形成空隙和空腔。

在良好的铸件设计中，这些空隙被来自铸件仍为液态的部分的液态金属填充。因此，凝固应从最先凝固的最薄部分向立管逐渐进行，立管应该是最后凝固的。这个过程被称为“定向凝固”，旨在生产良好的铸件。

通过正确设计和定位浇注系统和冒口，通过使用填料增加铸件某些部分的厚度，在冒口中或铸件某些部分周围的面砂中使用放热材料，可以确保定向凝固，使用在模具中冷却。

注意以下几点可以防止杂质进入铸件：

(i) 提供足够尺寸的浇注盆有助于在熔融金属流从钢包中浇注时分解其侵蚀力。适当的浇注盆设计可以调节金属进入的速度，使金属能够顺畅地流入浇口并防止湍流。

(ii) 在直浇道中设置陶瓷过滤器有助于防止钢包中的渣滓进入铸件。

(iii) 在垂直浇道的底部感受到最大的冲击，沙子很可能被侵蚀并进入模具。这可以通过在垂直浇道底部提供陶瓷飞溅芯来防止。

(iv) 金属流道中的尖角应为流线型，以避免出现湍流和死穴（参见图 3.46）。

(v) 提供撇渣器有助于捕获流向铸件的较重和较轻的杂质。

截面厚度：

各种金属可浇注的最小截面厚度因凝固温度和流动性的不同而受到限制。必须使用可提供必要强度或重量且无需过高温度以确保运行的最小截面厚度。

简单设计铸件的最小厚度正常值为铸铁 3 mm，可锻铸铁为 2.25 mm，钢为 6 mm，黄铜和青铜为 2.25 mm，铝为 3 mm。如果流动长度更长，则必须提供比上面给出的值更大的厚度。如果模具型腔复杂，获得完好铸件的最小厚度值会很高。

凸台和凸耳与铸件主体之间的金属截面应尽可能均匀，以便使凸台或凸耳充分进料。

上升：

冒口是在上模中切割或模制的孔，以允许熔融金属上升到铸件的最高点以上。它提供了一种目视检查，以确保填充模腔。

它用作将熔融金属送入主铸造型腔以补偿收缩的送料器。冒口的设计应使其在铸件内建立温度梯度，从而使铸件朝着冒口定向凝固。它还有助于在用熔融金属填充模具时轻松地从模具型腔中排出蒸汽、气体和空气。

为了获得更好的稳固性，在铸件薄截面的情况下，可以使用多个冒口。为了提高效率，冒口必须是铸件最后凝固的部分。

立管规定：

模具填满后，金属进入冒口。冒口充当储层和热梯度调节器，并提供必要的液态金属以补偿液态金属和凝固收缩。立管通常位于进料段的最上部。

根据铸造的金属，它们的体积保持在铸件的 25% 到 55% 之间。重要的是要注意，立管的位置合适，这样就不需要过度去除金属来产生成品轮廓。冒口通过称为浇口的金属颈部连接到铸件，这使得冒口在凝固后可以很容易地从铸件中移除。

立管设计：

如果在铸造过程中不设置冒口，凝固将从壁开始，中心的液态金属将被凝固的壳包围，收缩的液体将向铸件中心产生空隙。中心固体的进一步冷却会在铸件中产生不希望有的应力。

冒口的设置克服了这些问题，因为这些冒口为凝固铸件供应熔融金属。为此，冒口必须足够大以在铸件凝固后保持液态，并且必须包含足够的金属以提供收缩损失。此外，它们的位置应使其在整个凝固期间继续供应金属。

立管的设计和定位：

一定尺寸的冒口的最有效形状是使热损失最小的形状，从而保持热并尽可能长时间地保持金属处于熔融状态。换句话说，冒口应设计成尽可能小的体积，同时保持比铸件慢的冷却速度。

实现上述目标的一般铸件的最佳形状是圆柱体。冒口的高度应足够高，以便在其中形成的任何管道都不会穿透铸件。高径比通常从1:1到3:2不等。

给定铸件的最佳冒口直径可以通过以下规则获得：

(a) Chvorinov 规则：

它指出冻结时间

(b) 凯恩的方法：

这种方法是根据铸件和冒口的相对凝固时间来确定的。它定义了铸件和冒口的相对冻结时间。

它定义了完全凝固的相对凝固时间为铸件表面积÷铸件体积之比：冒口表面积÷冒口体积。

根据凯恩的说法，（1）如果铸件无限快速凝固，冒口（冒口）的体积应该等于铸件的凝固收缩率，（2）如果冒口和铸件以相同的速度凝固，冒口应该是无限大。

图。 3.49 显示了相对冻结时间和相对体积之间的这种双曲线关系。

此外，对于具有低 A/V 比的铸件，如立方体和球体的情况，一个中央冒口可能能够供给整个铸件。然而，当 A/V 比很高时，如在条形和平板的情况下，需要一个以上的立管。在这种情况下，立管的正确位置至关重要。

对于 100 mm 厚的钢板，如果最大进料距离距冒口边缘小于 4.5 t，则一个中央冒口就足够了[参见图 3.51 (a)]。如果需要更多的立管，立管的两个最近边缘之间的距离应小于 4 t [参见图 3.51 (6)]。

对于边长为50—200mm的方形截面棒材，如果距离边缘的最大进料距离为30√s，并且两个冒口（最近的边缘）之间的距离应小于1.2s，则中心冒口是好的。

立管的进料距离可以通过使用冷却器来增加，这提供了急剧的热梯度并降低了进料阻力。单立管时，冷气应置于末端，多于一个立管时，应置于两立管中间。

冒口的正确放置同样重要，因为它应该能够有效地供给凝固的铸件。如果铸件是立方体或球形（即 Ac/Vc 值低的块状铸件），则单个冒口足以在铸件凝固时进料。然而，当 Ac/Ac 值很高时（如棒状和板状铸件），可能需要不止一个冒口。

如果在这种情况下只使用单个冒口，那么凝固前的泥浆状态可能会限制金属从单个冒口流出并导致中心线收缩。根据经验，对于12-100mm厚的钢板，如果进料长度小于板厚的4.5倍，可以说单冒口就足够了。

对于尺寸（边）为 50-200 mm 的方形钢筋，中央立管可用于小于 6 倍 V 形钢筋尺寸的距离。通过使用冷却器，可以实现比上述更长的进给距离，从而提高冷却速度并降低中心线进给阻力。如果合金具有比钢更高的中心线进给阻力，则必须使用冷硬来确保铸件的那些需要最大强度的部分的坚固性。

有时在冒口中使用放热材料通过产生热量产生定向凝固。它们由粉末形式的铁、铬、镍或铜和铝等金属的氧化物组成。

这些化合物可以在浇注后立即添加到冒口中熔融金属的表面，或者可以将这些添加到冒口壁的砂中。由于与熔融金属接触产生大量热量而发生化学反应。因此，提升管中的金属变得过热，并在较长时间内保持熔融状态。

在立管周围提供绝缘垫和套管有助于节省热量。在所需位置提供合适的冷却装置也有助于促进定向凝固。

固化影响：

浇铸段的设计应使冒口能够满足供应铁水和控制定向凝固的需要。例如，在图 3.52 中，熔融金属将通过逐步凝固从金属模具界面向内凝固。

在适当的温差条件下，逐渐冻结的交叉点将向上移动到最热点的位置，该位置应该在立管内。这称为“定向凝固” .

如果任何截面的高度与其横截面相比太大，那么渐进凝固速度将超过定向凝固，并导致细的中心线孔隙甚至更大或一系列大腔。为了避免这种情况，横截面向下逐渐变细，顶部较大而底部较小是必不可少的。

部分比例：

如果可以充分供给截面，截面配比的限制并不像接头的设计那么重要。需要注意因温度梯度差异很大而引起的收缩应力。对于远离冒口的截面变化，在截面厚度不小于相邻截面的 80% 或大于 120% 的情况下，通常可以在不依赖冷硬的情况下生产铸件。

连接和收缩：

定向凝固不当引起的缩孔最容易出现在 L、T、Y、X 截面以及大截面与小截面的突然连接处。在这些部分发生的情况是，与腿相比，连接点处的质量更大，连接点区域成为热点，定向冻结向热点前进，这反过来又向腿进给并形成缩孔.

可以通过使截面更均匀或在较大质量的截面附近使用冷却剂来消除热点（参见图 3.53）。尽管必须尽一切努力防止隔离可能成为“热点”的重截面，但有时这会变得很困难。

在这种情况下，铸造人员可以通过以下方式控制冻结：

(i) 模具冒口位置的特殊操纵，

(ii) 控制浇注速度，

(iii) 利用冒口中的铁水，

(iv) 使用不同热特性的模具材料。

圆角：

在所有交叉点处有足够的圆角可显着提高铸件的强度和稳定性。圆角的尺寸取决于所使用的金属、壁截面的形状和厚度以及铸件的尺寸。圆角半径不应大于截面厚度。

消除热泪：

在铸件中，热裂是由温度梯度引起的，在凝固过程中产生不同的收缩率，因此，由于砂的阻力足以引起断裂，从而引起应力。这些可以通过采用良好的设计来最小化，即避免截面的突然变化、锐角和连接到法兰的不均匀腹板。

消除铸件中的气体：

铸件中的气体可能表现为气孔（大孔，数量少，分布在铸件多处）、针孔（小孔，在铸件顶部附近数量多）、针孔（小孔分布于铸件各处） ）。适当的冒口设计和可渗透模具的充分通风对于避免这些缺陷至关重要。

另一个气体来源是高温下液态金属中溶解的气体，冷却时会释放出这些气体。真空熔炼和真空脱气（将液态金属放入低压室以去除溶解的气体）可用于减少熔体中的气体。

砂型铸件的特性：

1、由于金属的凝固处于非平衡状态，如果设计不当，铸件容易产生冷却裂纹。收缩问题可以通过使用锥形促进定向凝固、模具壁中的金属冷硬和减少均匀截面连接处的热点来解决。

2. 凝固金属光洁度差。表面受图案光洁度、砂结构、模具修整、模具排气以及模具闭合前清理松散砂粒的影响。

3. 砂铸件有足够的孔隙，因此不能用于耐压容器（一般使用高达 10 kg/cm ² ）。

4、砂型铸造得到的组织松散，因此不比锻造产品强。

5、由于晶粒不紧密，铸件密度较低，强度较差。

6、成型加工得到的铸件具有良好的硬度。可以通过避免尖角和物理约束来消除内部应力。

7、砂型铸件延展性差。

8. 该成型方法适用于中等和特别大的铸件，不适用于较薄的截面。

9、砂型铸件的适用性在于熔融金属的熔点高。

10、砂型铸件成本较低，因为砂型成本较低。

11. 通过在凝固过程中尽量减少气体逸出和在浇注过程中避免湍流，可以确保铸件的内部完好性。应防止身体束缚，因为它会导致热撕裂。