铸薄壁件的方法

风雨同舟

请教铸薄壁件的设计方案，包括模具的设计、浇注的方法，水道的设计。

陆小凤

我不设计模具,但在学呢,现在从事熔炼,浇注的速度一定在快,碳当量要高.

evilwolf

温度也应该高点吧。冷却速度还要慢点

castengineer

铸不同材质的件设计要领是不一样的

阿亮

还是要根据不同的工件形状、尺寸来设计相应的工艺，不能一概而论

ajizhouji

保证薄的地方冷却要慢点,不然会出现白口现象.所以可以从熔炼\工艺方面去考虑!

刘２００９

不同的材质,可有不同的铸造方法

ywf1213

摘要
( t* t$ }$ h* B2 g& `2 F# b持续的经济和环境压力迫使铸造工作者研究一种生产壁更薄重量更轻的铸件，而铸件的性能要与以前的相当或有提高。以前的研究表明采用低密度陶粒砂作石英砂的添加剂或替代石英砂能大幅度改善砂型和砂芯的热性能，从而能够生产薄壁铸件而不牺牲冶炼或机械性能。
此文回顾了采用陶粒砂的砂型和砂芯的试验室性能，总结了高效的热性能对冷却速率及铸件性能的影响。此外还提供了采用陶粒砂在型腔中建立的热通道对浇道和充型的有效影响。
: V5 I  r7 m5 R; F2 ^' C
2 f& y5 I5 n7 P# t( L) t2 ?前言
5 Z- T& `1 |0 M6 S1 r0 x对薄壁轻量铸件的需求不断增加。汽车铸铁件或其他铸件壁厚的减少是降低铸件重量，减少铸铁件尺寸公差，提高性能，降低综合成本的主要手段。这已经导致改用重力和高压浇铸的铝铸件和镁铸件。然而如果能生产薄厚小于3mm的尺寸精度高物理和微观性能可控的高精度球铁件和蠕墨铸铁的砂型铸铁件，与其他铸造方法比具有很多优越性。
经过很多研究者的努力表明：通过采用恰当的金属化学处理、孕育处理、浇道设计、及选用合适的造型和制芯材料，完全可以采用砂型生产薄壁铸铁件。这些控制使铸件的生产过程控制严格，却不会产生无法解决的问题。这些过程是现有生产方法的延伸而不是全新的方法。然而，铸造厂迟迟不采用这些实用的方法而是采用一些没有经过证实的其它方法。
" O/ G! t) D: I# ]  `6 N
采用陶粒砂的工作回顾
文献（5）的作者的研究表明：低密度的陶粒砂可以用作型砂的添加剂或替代物来控制和改善砂型（芯）的热性能从而使生产薄壁铸铁件成为现实。陶粒砂的比重仅为石英砂的四分之一，因此其比热低，导热低。当添加量为石英砂的20%~100%（体积比），发热性能明显改变，使薄壁铸铁件具有优异的冶炼性能和物理性能。对球铁件而言，该热性能的变化减慢了其冷却和凝固速率，如图1所示。
采用陶粒砂生产薄壁铸铁件的可行性可以通过很多方法进行阐述。首先，标准的液流螺旋铸铁件可用任何比例的陶粒砂与石英砂的混合物生产。这些混合物降低了这些铸铁件的冷却和凝固速率，大大改善金属的流动性。采用标准石英砂的砂型金属的流程为71厘米，而采用40%的石英砂，60%的陶粒砂（体积比）金属的流程可以充满螺旋的末端，大约147厘米（见图2）。
薄壁平板的生产也足以说明添加陶粒砂的有效性。试验铸件为200mm×200mm×1.5mm，有两个内浇道，试验砂型采用PEP-SET工艺。原砂采用石英砂和上下型都采用100%的陶粒砂作为面砂，浇注温度为1400度。石英砂型浇注产生紊流，而采用陶粒砂作为面砂的砂型充型平稳未出现紊流和冷隔等铸铁件（见图3）。
无论多么复杂的薄壁铸件, 其砂型（芯）都可以使用陶粒砂作为面砂。排气管试验铸件长大约380mm，直径为55mm，壁厚大约为2mm（如图4）， 从三个厚截面处开内浇道。（石英砂型）浇球铁的冲型率仅为90至95%，然而当采用25%以上的陶粒砂作砂型和砂芯的面砂时，只要在横浇道最近处开一个内浇道，足以完全充型。
% ?6 l* x5 K: |9 K有的薄壁铸件采用陶粒砂可以控制冷却速率从而获得所需要的金相组织，首先从三角试块上得以证实。这些铸铁件采用不同的化学处理或孕育处理可以看出白口倾向。然而，这些也可用来说明采用陶粒砂后冷却速度降低对铸铁件金相组织的影响，尤其是对碳化物形成的影响（见图5）。
添加陶粒砂对球铁金相组织的影响从壁厚2毫米的排气管铸铁件的生产足以证实。当砂型（芯）采用100%的石英砂时，2毫米的断面上的珠光体中含有大量的碳化物。当采用50%的陶粒砂时，该断面以铁素体和珠光体为基体并有少量的石墨球，并含有少量的残留碳化物。然而当采用100%的陶粒砂时，2毫米的断面以典型的“BULLS-EYE”处含有大量的石墨球；（传统石英砂型铸件）此组织要在5毫米及以上的断面处方可获得（如图6）。
薄壁铸件的物理性能取决于冷却速率及由此产生的金相组织。对有些铸件无法解剖来测量真实断面的---硬度是衡量铸铁件强度的一个指标，对壁厚为2毫米排气管试验铸铁件，硬度与陶粒砂的百分数（体积比）的关系如图7所示，结果表明：随着陶粒砂的加入量增加，硬度大幅度下降，而塑性和延伸率大幅度提高。
Labrecque,gagne及Javaid 也从用不同陶粒砂加入量生产的薄壁球铁件上取样进行抗拉强度试验，其特征表现为：随着陶粒砂加入量的提高，试样的抗拉强度和屈服强度下降，而延伸率同步提高。

3 x* g- s" A7 S1 w  H  ^热通道
     ，与采用陶粒砂作面砂和浇口处放置陶粒砂相比，采用陶粒砂的砂芯浇注的薄壁排气管铸铁件的性能更好。陶粒砂能改善浇道的充型性能。采用陶粒砂的砂芯能减少金属的散热从而降低铸件的冷却和凝固速率，使采用陶粒砂的型腔断面如同厚大断面，形成金属流动的热通道；理论上讲，放置陶粒砂的型腔断面似乎是厚断面，而实际上铸件的壁厚较薄而且均匀。
7 p9 [9 w7 ?$ n# k- e再次选择试验铸件做浇注试验，不论浇球铁和灰铁，200mm×200mm×1.5mm的平板铸铁件正常温度浇注不可能不出现紊流。不采用特殊的技术手段根本不可能生产该种铸铁件。采用常规的自硬砂型来生产此铸铁件，在未完全充满时浇道处的金属已经冷却和凝固了（如图9所示）。
( @1 ?4 o; m; r0 Q* O. H  T当在适当的地方放置采用100%陶粒砂制成的25mm×12mm“预埋砂块”后形成热通道，采用如下四种组合方式：一个内浇道处放，两个內浇道都放，在两个预埋块之间放一个环形块，在两个预埋块之间放两块环形块。首次试验只在下型放这些预埋块，第二次试验在上下型都放如图10所示。该砂型采用材质为等级30的铸铁，浇注温度为1370度。下型放预埋块的铸型只改善金属的流动和充型性能，上下型都放预埋块的铸型铸铁件有很大的改进。试验表明通过放预埋块似乎增加了铸铁件截面，从而浇出了“不可能的”铸件如图11所示。
热通道也用来控制薄壁铸件的充型。一般来讲薄壁铸件由于模数低（体积与表面积之比）容易产生轴线收缩，而不能保证金属充型到薄壁处。采用陶粒砂的砂型（芯）改善了截面的有效模数从而改善截面的充型性能。这与传统的采用填料改善充型性能类似。在薄壁处采用陶粒砂预埋块能形成热通道，充型比较流畅，只要浇道设计得当，冒口选用合理，能够保证铸铁件顺序凝固方式，如图12所示。
4 @- N6 v+ ?5 G& ]2 p热通道的凝固模拟
; k! i2 ?, r8 `% H薄壁平板铸件采用Novaflow进行凝固模拟以示其充型和凝固模型。最初的模型砂型为一般的自硬砂表明充型从内浇道开始然后冷却产生紊流。这与图13的实际浇注铸件十分吻合。
然后在模型中加入陶粒砂预埋块，其组合与上面四种方式相同。调整预埋块的比重与热性能以示陶粒砂对充型模型的影响如图14所示。结果与实际吻合如图15所示。这说明预埋块的影响以及其在生产复杂铸铁件中的作用。
结论
9 a8 p  b' u; i        以前的工作表明陶粒砂能有效地改善砂型的热性能，能稳定地生产金相组织好，无力性能优良的薄壁件。
        陶粒砂能用来形成热通道从而改善薄壁铸铁件的流动和充型性能。这提供了薄壁铸铁件工艺设计的新思路：减少横浇道的尺寸，减少内浇道的数量，改善薄壁处的充型性。
        模拟说明了热通道的作用以及提供设计时金属充型和流动状态。

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摘要
持续的经济和环境压力迫使铸造工作者研究一种生产壁更薄重量更轻的铸件，而铸件的性能要与以前的相当或有提高。以前的研究表明采用低密度陶粒砂作石英砂的添加剂或替代石英砂能大幅度改善砂型和砂芯的热性能，从而能够生产薄壁铸件而不牺牲冶炼或机械性能。
3 d6 R; P7 L2 T+ B& h此文回顾了采用陶粒砂的砂型和砂芯的试验室性能，总结了高效的热性能对冷却速率及铸件性能的影响。此外还提供了采用陶粒砂在型腔中建立的热通道对浇道和充型的有效影响。

9 Q5 W$ d+ M  T3 H! D; L前言
1 {- p  I. c2 a$ t- i% n/ J对薄壁轻量铸件的需求不断增加。汽车铸铁件或其他铸件壁厚的减少是降低铸件重量，减少铸铁件尺寸公差，提高性能，降低综合成本的主要手段。这已经导致改用重力和高压浇铸的铝铸件和镁铸件。然而如果能生产薄厚小于3mm的尺寸精度高物理和微观性能可控的高精度球铁件和蠕墨铸铁的砂型铸铁件，与其他铸造方法比具有很多优越性。
- q. L% v* m6 u8 I) ?- J8 D经过很多研究者的努力表明：通过采用恰当的金属化学处理、孕育处理、浇道设计、及选用合适的造型和制芯材料，完全可以采用砂型生产薄壁铸铁件。这些控制使铸件的生产过程控制严格，却不会产生无法解决的问题。这些过程是现有生产方法的延伸而不是全新的方法。然而，铸造厂迟迟不采用这些实用的方法而是采用一些没有经过证实的其它方法。

采用陶粒砂的工作回顾
# a: J9 B/ v1 R文献（5）的作者的研究表明：低密度的陶粒砂可以用作型砂的添加剂或替代物来控制和改善砂型（芯）的热性能从而使生产薄壁铸铁件成为现实。陶粒砂的比重仅为石英砂的四分之一，因此其比热低，导热低。当添加量为石英砂的20%~100%（体积比），发热性能明显改变，使薄壁铸铁件具有优异的冶炼性能和物理性能。对球铁件而言，该热性能的变化减慢了其冷却和凝固速率，如图1所示。
. q2 Z( C  t" x$ K: D  u8 B1 E3 q3 ~  b采用陶粒砂生产薄壁铸铁件的可行性可以通过很多方法进行阐述。首先，标准的液流螺旋铸铁件可用任何比例的陶粒砂与石英砂的混合物生产。这些混合物降低了这些铸铁件的冷却和凝固速率，大大改善金属的流动性。采用标准石英砂的砂型金属的流程为71厘米，而采用40%的石英砂，60%的陶粒砂（体积比）金属的流程可以充满螺旋的末端，大约147厘米（见图2）。
2 g3 a5 l( N1 y% L3 q" A5 }( y) \薄壁平板的生产也足以说明添加陶粒砂的有效性。试验铸件为200mm×200mm×1.5mm，有两个内浇道，试验砂型采用PEP-SET工艺。原砂采用石英砂和上下型都采用100%的陶粒砂作为面砂，浇注温度为1400度。石英砂型浇注产生紊流，而采用陶粒砂作为面砂的砂型充型平稳未出现紊流和冷隔等铸铁件（见图3）。
无论多么复杂的薄壁铸件, 其砂型（芯）都可以使用陶粒砂作为面砂。排气管试验铸件长大约380mm，直径为55mm，壁厚大约为2mm（如图4）， 从三个厚截面处开内浇道。（石英砂型）浇球铁的冲型率仅为90至95%，然而当采用25%以上的陶粒砂作砂型和砂芯的面砂时，只要在横浇道最近处开一个内浇道，足以完全充型。
; v; X2 r& i2 y7 D! Z! }( h3 X有的薄壁铸件采用陶粒砂可以控制冷却速率从而获得所需要的金相组织，首先从三角试块上得以证实。这些铸铁件采用不同的化学处理或孕育处理可以看出白口倾向。然而，这些也可用来说明采用陶粒砂后冷却速度降低对铸铁件金相组织的影响，尤其是对碳化物形成的影响（见图5）。
添加陶粒砂对球铁金相组织的影响从壁厚2毫米的排气管铸铁件的生产足以证实。当砂型（芯）采用100%的石英砂时，2毫米的断面上的珠光体中含有大量的碳化物。当采用50%的陶粒砂时，该断面以铁素体和珠光体为基体并有少量的石墨球，并含有少量的残留碳化物。然而当采用100%的陶粒砂时，2毫米的断面以典型的“BULLS-EYE”处含有大量的石墨球；（传统石英砂型铸件）此组织要在5毫米及以上的断面处方可获得（如图6）。
薄壁铸件的物理性能取决于冷却速率及由此产生的金相组织。对有些铸件无法解剖来测量真实断面的---硬度是衡量铸铁件强度的一个指标，对壁厚为2毫米排气管试验铸铁件，硬度与陶粒砂的百分数（体积比）的关系如图7所示，结果表明：随着陶粒砂的加入量增加，硬度大幅度下降，而塑性和延伸率大幅度提高。
Labrecque,gagne及Javaid 也从用不同陶粒砂加入量生产的薄壁球铁件上取样进行抗拉强度试验，其特征表现为：随着陶粒砂加入量的提高，试样的抗拉强度和屈服强度下降，而延伸率同步提高。
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热通道
0 v1 K* z  j: U, G6 E' L; A. R     ，与采用陶粒砂作面砂和浇口处放置陶粒砂相比，采用陶粒砂的砂芯浇注的薄壁排气管铸铁件的性能更好。陶粒砂能改善浇道的充型性能。采用陶粒砂的砂芯能减少金属的散热从而降低铸件的冷却和凝固速率，使采用陶粒砂的型腔断面如同厚大断面，形成金属流动的热通道；理论上讲，放置陶粒砂的型腔断面似乎是厚断面，而实际上铸件的壁厚较薄而且均匀。
# e! z- E- z& u; \. O再次选择试验铸件做浇注试验，不论浇球铁和灰铁，200mm×200mm×1.5mm的平板铸铁件正常温度浇注不可能不出现紊流。不采用特殊的技术手段根本不可能生产该种铸铁件。采用常规的自硬砂型来生产此铸铁件，在未完全充满时浇道处的金属已经冷却和凝固了（如图9所示）。
6 o( ]) H8 L: X当在适当的地方放置采用100%陶粒砂制成的25mm×12mm“预埋砂块”后形成热通道，采用如下四种组合方式：一个内浇道处放，两个內浇道都放，在两个预埋块之间放一个环形块，在两个预埋块之间放两块环形块。首次试验只在下型放这些预埋块，第二次试验在上下型都放如图10所示。该砂型采用材质为等级30的铸铁，浇注温度为1370度。下型放预埋块的铸型只改善金属的流动和充型性能，上下型都放预埋块的铸型铸铁件有很大的改进。试验表明通过放预埋块似乎增加了铸铁件截面，从而浇出了“不可能的”铸件如图11所示。
热通道也用来控制薄壁铸件的充型。一般来讲薄壁铸件由于模数低（体积与表面积之比）容易产生轴线收缩，而不能保证金属充型到薄壁处。采用陶粒砂的砂型（芯）改善了截面的有效模数从而改善截面的充型性能。这与传统的采用填料改善充型性能类似。在薄壁处采用陶粒砂预埋块能形成热通道，充型比较流畅，只要浇道设计得当，冒口选用合理，能够保证铸铁件顺序凝固方式，如图12所示。
6 s. E: _+ O2 g9 s2 T) j- m9 [8 z热通道的凝固模拟
薄壁平板铸件采用Novaflow进行凝固模拟以示其充型和凝固模型。最初的模型砂型为一般的自硬砂表明充型从内浇道开始然后冷却产生紊流。这与图13的实际浇注铸件十分吻合。
然后在模型中加入陶粒砂预埋块，其组合与上面四种方式相同。调整预埋块的比重与热性能以示陶粒砂对充型模型的影响如图14所示。结果与实际吻合如图15所示。这说明预埋块的影响以及其在生产复杂铸铁件中的作用。
结论
/ P; F3 E3 `) i& s% U        以前的工作表明陶粒砂能有效地改善砂型的热性能，能稳定地生产金相组织好，无力性能优良的薄壁件。
        陶粒砂能用来形成热通道从而改善薄壁铸铁件的流动和充型性能。这提供了薄壁铸铁件工艺设计的新思路：减少横浇道的尺寸，减少内浇道的数量，改善薄壁处的充型性。
        模拟说明了热通道的作用以及提供设计时金属充型和流动状态。