铝合金件金属型铸造工艺及设备

1．概述 

   铝合金件金属型铸造方法由于其生产率高、劳动环境清洁、铸件表面光洁和内部组织致密等优点而被广泛应用。尤其是汽车发动机部件，日、美、英、德和意等工业发达国家很多采用金属型重力浇注方法生产汽车发动机铝缸体、铝缸盖和铝活塞。近几年，我国许多厂家也引进先进金属型设备或自制设备生产汽车发动机缸盖、进气管和活塞等铝铸件。金属型铸铝技术也广泛应用于航空、航天、高压电器、电力机械以及仪器仪表等行业。铝合金件金属型铸造与其他一些铸造方法（压铸、低压铸造和砂型铸造等）相比主要具有如下几方面的优势： 

1）几何尺寸和金相组织等综合质量好。 
2）较低压及高压铸造工艺灵活，可生产较复杂铸件。 
3）更有利于大批量生产，实现高度自动化和简化维修；在同等生产规模下，与高、低压铸造相比，铸造设备和金属型等工装的一次性投资更低。 

2．铝合金件金属型铸造工艺技术 

  （1）铝合金件金属型铸造工艺设计 金属型铸造工艺设计关键是铸件浇注位置的确定、浇冒系统的设计和模具工作温度的控制和调节。 

   l）铸件浇注位置。它直接关系到金属型型芯和分型面的数量、金属液导入位置、排气的通畅程度以及金属型结构的复杂程度等，从而决定金属型加工和操作的难易程度以及铸件冷却温度分布，进而影响铸件的生产效率，尺寸精度等内、外质量。因此，铸件浇注位置是铸造工艺设计首先考虑的重要环节。 

   2）浇冒系统。铸件浇冒系统设计决定铸件内、外质量。浇冒系统应具有撇渣、排气和补缩功能，同时应保证铸件合理的凝固、冷却温度场。正确、合理的浇冒系统除凭经验估算外，附算机数值模拟可直观地预测铸件凝固过程温度场，显示铸件可能产生缩松（孔）的危险部位，从而指导工艺设计，并通过调整浇冒系统结构和尺寸、金属型结构、控制冷却速度或调整涂料层厚度等手段调节温度场、消除铸造缺陷，如采用底注式浇注的汽车发动机铝缸盖的毛坯，尽管采取在上部设置几乎超过铸件重量的大冒口和底部强制通水冷却的工艺措施也难以调整合理的顺序凝固的温度场，难以消除底部内浇口周围过热而造成的缩松缺陷。某厂引进法国Sifa公司铝合金金属型铸造机正是采用这种浇冒系统，生产工艺不稳定。百分之百的缸盖需浸渗，对于缩松严重的缸盖即使浸渗也满足不了耐压要求；而从冒口直接注入铝液，铝液经过陶瓷过滤器净化后进人型腔，保证了铸件合理的冷却梯度，即自下而上的顺序凝固方式，消除了缩松缺陷，缸盖成品率显著提高。英国Foseco公司曾对两种浇注方法做过详细的研究和对比试验工件，并称后者为DYPUR法。该法使型简化、紧凑，节省铝液，铸件成品率高。采用该法即使由于铝液有较高落差造成的少量夹杂缺陷，对铸件的力学性能和气密性影响也不大。当然，浇冒系统的开设位置、结构和尺寸大小除考虑铸件凝固温度场外，还需兼顾型复杂程度，金属液充型是否平稳，是否具有撇渣和排气等功能。

3）金属型工作温度。同样，金属型工作温度和各部分的温差对铸件的冷却温度场有着重要的作用。对金属型局部过热区域强制水冷和风冷是为了保证该区域保持正常的工作温度，提高生产效率，同时消除过热，保证正常的冷却温度场。金属型工作温度控制比较先进和有效手段是控制冷却水出口温度，出口温度靠冷却循环水循环速度调节。如意大利Fata公司和法国Sifa公司设计制造的金属型都有先进的水、风冷却装置。此外，对于局部厚大热节部位还可镶嵌热导率高或蓄热量大的金属嵌块或调节涂料层厚度和涂料种类以保证铸件形成合理的冷却温度梯度，消除局部缩松（孔）缺陷。 

  （2）铝合金金属型设计及材料 

   1）金属型设计及制造。好的金属型设计和制造技术是满足工艺设计、适应大批量、高质量铸件生产的关键。金属型设计主要包括金属型结构、排气系统、锁紧机构，冷却系统、连接机构以及铸件顶出机构。合理的铸造工艺和金属型设计只有通过先进的金属型加工制造技术来体现。 

   2）金属型材料。适宜制造金属型的材料应具有足够的高温强度、一定的热稳定性和热疲劳强度以及足够的强韧性。国内一般用铸铁、铸钢和铜合金作为铝合金金属型模具材料，平均寿命10000～50000次左右；发达国家普遍采用美国钢铁学会（AISI）分类的H-13，相当于国内4CrMoVSi钢。这种钢具有较高的热强度和硬度，还具有较高的耐磨性和韧性，用它作模具，其铸件尺寸稳定、模具寿命长，一般大于100000次。当然，模具的寿命除与材质有关外，还与模具结构、铸造合金的材料、操作和管理等因素有关。 

3．铝合金金属型铸造设备及自动化 
  （1）金属型铸造设备 金属型铸造机按用途可分为专用金属型铸造机和通用金属型铸造机；按动力可分为手动、气动、电动和液压金属型铸造机。国外一些铸造设备厂按产品和用户的要求研制出许多专用金属型铸造机，如铝缸盖、铝缸体、铝活塞、铝进气歧管等金属型铸造机。制造铝合金金属型铸造机著名的有意大利的Fata公司，法国的Sifa公司等。中国近几年有二十多个厂家陆续从国外引进铝合金金属型铸造机和工艺技术，为国内外配套生产汽车铝合金铸件。上海汽车有色铸造总厂引进Fata公司金属型铸造机生产桑塔纳轿车发动机铝缸盖，一汽轻型发动机厂引进Sifa公司设备生产CA488型汽车发动机缸盖。 

  （2）金属型铸造自动化生产线 金属型铸造自动化生产线包括：金属液熔化及传送设备、浇注机、金属型铸造机、下芯和取件机械手、金属型涂料涂敷机、铸件传输及浇冒口切除机、热处理设备和炉前快速检测仪器等。自动化生产线适用于专业化生产，可高效清洁地生产大批量优质铸件。