铁型覆沙铸造工艺

铁型覆砂铸造技术在国外早有研究应用，1955年由美国铸铁管公司研究成功并用mono—cast法生产离心铸管。后来我国一些科研单位和工厂也相继研采用铁型覆砂铸造工艺生产球铁曲轴， 凸轮轴，阀体，水泵壳等铸件取得成功并广泛应用。铁型覆砂工艺是利用铸造粗成形的铁型内腔(芯铁)表面覆上一层很薄的树脂砂衬所形成的铸型生产铸件的工艺。这一工艺主要优点是铁型表面覆上一层树脂砂衬后的铸型，在浇注时的工作条件大为改善，能够有效地承受高温铁液的热冲击，型内的最高温度可由600％降低到2oo℃左右，铁型厚度方向上的温度梯度也大为降低，铁型的热应力明显降低，这对提高铁型的使用寿命非常有利，使用寿命可高达十几万次。同时由于铁型覆砂的铸型有足够的强度和刚度，覆砂层硬度高(9O以上)，可避免铸件出现胀砂、砂等缺陷，可生产重量较大的铸件。对于球铁可充分利用铁液凝固时石墨膨胀的特性，消除缩孔、缩松等缺陷。本工艺是在覆砂造型机上对准铁型射砂孔射砂造型，在0．4MPa压缩空气下，利用颗粒动力学原理气砂两相的动能作用，使射砂筒内射人铁型内腔的砂流连续、稠密，在短时间受热硬化。因此覆砂层的硬度大且均匀，浇注后可获得比普通砂型铸件表面光洁、(粗糙度可达尺．12．5左右)尺寸精确(CT6—7级)、内部组织致密的铸件。而且由于覆砂层的绝热性能，型腔又有一定的预热温度，完全可以在铁型覆砂条件下生产符合国际标准的铸态铁素体管件。此工艺可与树脂砂和消失模铸造相媲美，可比水玻璃砂刮板造型提高生产效率lO倍以上，降低废品率10％以上，在标准允许的情况下可减轻铸件重量10％ 以上，减少工人25％～30％ ，降低生产成本10％ 以上，管件后处理工作量减少70％ ，型砂用量减少80％ ，水压试验合格率高达98％ 以上。由于大大减少了型砂处理量，车间的环境粉尘污染明显改善，是一项先进的绿色环保铸造技术。

铁型覆砂铸造是在金属型（称为铁型）内腔覆上一薄层型砂而形成铸型的一种铸造工艺。由于覆砂层比较薄（4～8mm），因此采用比较贵的高质量造型材料，在经济上也是合理的，其结果是使铸件质量大大改善和废品显著减少；由于铁型覆砂铸型刚度很好，从而显著地提高了铸件的尺寸精度和致密性。

德国、前苏联等国于60年代前后开始把铁型覆砂铸造应用于铸造生产，主要用于生产球铁曲轴、刹车毂、刹车盘、缸套、炸弹壳、坦克履带和电机底座等30余种铸件。我国对铁型覆砂铸造的应用性研究起始于70年代初，至1979年，浙江省机电设计研究院和永康拖拉机厂等单位合作，首次将该工艺用于S195曲轴毛坯的批量铸造生产，同时，完成了对该工艺所生产的球铁曲轴性能的考核评价，在疲劳强度（疲劳极限应力σ-1的比较）、断裂强度（门槛值ΔKth的比较以及断裂韧性K1C的比较）和使用寿命（10000h台架耐久试验对比）等方面，与砂型铸造曲轴进行了大量的试验对比，皆优于砂型铸造。在其后的10余年里，该工艺不断在应用中提高完善，至90年代初,已有7家企业应用了该工艺，尤其是单缸曲轴和四缸曲轴的铁型覆砂铸造工艺取得了很大的成功。这段时期的代表企业是永康拖拉机厂、上虞动力机厂、望都曲轴连杆厂、皖北曲轴厂、金华内燃机配件厂、常州柴油机厂等。1991年国家计委将铁型覆砂铸造批准为国家“八五”重点新技术推广项目，并把浙江省机电设计研究院作为该项目的技术依托单位，这对于我国铁型覆砂铸造技术的发展起了巨大的推动作用。我院承担了该推广项目后，在其后的5～6年时间里基本上解决了铁型覆砂铸造用于批量生产的一系列问题。

主要是：

①设计和定型了覆砂造型机，解决了长期以来由射芯机改装代用的问题；

②定型规范了标准的铁型覆砂铸造生产线，使原来比较简单的铁型覆砂铸造生产线得到了改进，在上海球铁厂等企业应用；

③铁型覆砂铸造应用扩大到铸造工艺难度较大的一些铸件，例如六缸曲轴和三缸曲轴等； ④将覆膜砂引入铁型覆砂铸造生产中，大大提高了覆砂造型质量；

⑤铁型覆砂铸造工艺设计进一步规范，设计水平也大大提高，并开发了铁型覆砂铸造过程的计算机模拟软件和引入了铁型覆砂铸造工艺的计算机辅助设计软件。

目前，全国已有近百家企业应用了铁型覆砂铸造工艺生产球铁曲轴、凸轮轴、平衡轴、耐压阀体、缸套，耐磨齿盘等30余种铸件，估计年产铸件在10×104t左右。比较典型的企业有上海汽车铸造总厂球铁厂、沈阳第一曲轴厂、广西百矿集团、宜兴机械总厂、山东九羊集团、浙江曙光曲轴厂、本溪天缘曲轴厂、保定电影机械厂、山西潞城曲轴厂、河北辛集曲轴厂等。但是由于这些企业引入该工艺的方式不同：有委托我院进行设计或承建的，也有自行仿造开发的。因此他们对铁型覆砂铸造工艺的掌握程度相差甚远。仅以铁型覆砂铸造废品率为例，不少掌握得比较好的企业可稳定在3%左右，取得了非常好的经济效益。但也有少数企业的铁型覆砂铸造废品率却高达20%左右，这大大地抵消了该工艺来该产生的的经济效益。究其原因，发现是由于这些企业还没有完全掌握该工艺的设计和生产要领，以及疏于生产管理所致。

铁型覆砂铸造工艺设计及实际生产主要解决：

①铁型壁厚和覆砂层厚度及二者的配合，以满足不同壁厚和不同材质铸件对凝固和冷却的不同要求；

②便捷和经济的覆砂成型方法，以满足不同铸件对表面质量和尺寸精度的要求； ③工艺参数。如浇注系统、射砂系统、排气系统等的确定；

④批量生产的实现。例如生产线及覆砂主机和辅机的设计定型；

⑤工艺规程的制定，例如浇注、冷却和开箱等规程，以及铸件成分的调整等。

2铁型覆砂的热交换特点

液态金属浇入铁型覆砂铸型以后，“铸件——覆砂层——铁型”是一个不稳定的热交换系统。

为了使问题简化，假设铸件是半元限的；并假设系统中各组元的温度场按直线规律分布的。图1表示系统的一部分，显然，同样的比热流q通过了系统中各个组元：

图1铸件—覆砂层—铁型的温度分布

令分别表示铸件与覆砂 层、铁型与覆砂层之间热交换强度的两个传热准则。k1是铸件热阻与覆砂层热阻之比；k2是铁型的热阻与覆砂层热阻之比。将k1和k2结合起来考虑，随着覆砂层厚度的变化，有以下三种实际上可能发生的“铸件——覆砂层——铁型”间不同的传热情况：

①当k≤1，k2≤1时，覆砂层在正常的厚度之内，铸件的冷却速度随着覆砂层厚度的减少而增大。

②当覆砂层的厚度超过某一厚度以后，铁型对铸件冷却已不产生影响，这时就相当于普通的砂型铸造或树脂砂铸造。由于覆砂层的导热系数比铁型的导热系数小得多，所以铸件冷却缓慢。

③当k≧1，k2≧1时，覆砂层厚度太薄，这时就相当于金属型铸造了。

以上热交换特点已为实验所证实，当曲轴（CTЦ-14）铁型覆砂铸造的覆砂层厚度从4～32mm逐渐变化时，曲轴组织中的渗碳体量不断减少，珠光体量和铁素体量不断增加。而当覆砂层厚度小于4mm时，铸件的冷却强度与金属型（厚涂料）相近；覆砂层大于32mm时，则其冷却强度相当于普通树脂砂铸造了。

当铁型覆砂铸造用于各种不同铸件的生产时，就是通过试验或经验类比，以确定不同的覆砂层厚度和铁型厚度来控制铸件的凝固速度。例如在490Q球铁曲轴铁型覆砂铸造工艺设计

中，取覆砂层厚度为5～8mm，铁型壁厚为20～30mm，生产出了优质的无冒口铸态球铁，其主要原因：

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