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铸铁件金属型铸造技术
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 点击:
1．概述——历史与现状
用金属型生产铁基合金铸件始于中国。考古发现我国铸铁件用铁型（古称“范”）生产始于战国（距今2200～2300年），用铜范铁器最早为汉代（距今1800年），到清代（距今200～300年）铁范铸铁技术不断完善，用铁范铸造铁炮。龚振麟着《铸炮铁模图说》是世界发现最早的系统论述金属型铸造铸铁件的专着。美国Eaton公司最早获铁基合金金属型（Ferrous Permanent mold-FPM）工艺专利已是 1932年。近几十年全世界FPM不断发展。欧洲FPM铸件占6％～8％，有报道苏联1980年FPM铸件占铸铁件9.7％，欧、美、日等FPM件主要用于汽车、机床、空气压缩机和液压件等；近年中国由日本引进空调压缩机铸件FPM生产线；印度、加拿大、巴西、马来西亚等国也都引进过FPM生产线。1994年日本本田公司开发投产了年产近4000t优质球墨铸件轿车转向节的FPM自动生产线，使FPM技术应用进入一个新阶段。
2．金属型铸铁技术特点及关键
FPM与非铁合金金属型铸造主要区别和难点在于：铸铁是金属-非金属共晶合金，急冷下铸态金相组织更难控制，浇注温度高，金属型设计和生产更难，且金属型寿命更短，生产率又不易满足大量生产需要。无论铸态还是热处理后使用，金属型铸铁件铸态金相组织控制对铸件性能都至关重要。
金属型冷却速度是砂型的数十倍到数百倍，直接影响铸铁形成独特组织。控制高冷却速度下铸态金属型铸铁组织的因素很多，综合解决好以下这些因素除获预期铸态金相组织外，可大大提高生产率和金属型寿命从而降低成本、增加效益并扩大金属型铸铁应用范围，是发展金属型铸铁技术的关键。
（1）铸铁化学成分 表1为金属型灰铸铁和球墨铸铁典型化学成分、金相组织和性能。碳当量（CE）：尤其薄壁又高冷却速度下金属型铸铁的CE宜高（4.9％～5.0％），但为防止低温冷脆及有利强化孕育，原铁液中Si应控制在2.2％～2.8％（质量分数，余同）且直取下限，绝不能高于3.5％。也有薄壁球铁件原铁液低C（ 2.7％）低Si（2.0％）的成功实例。
（3）金属型铸铁孕育
金属型冷却速度越快，铸件壁超薄，用感应炉熔化铁液以及球墨铸铁件，越要强化孕育。可采用浇包后孕育、随流或型内孕育等方法。孕育剂粒度为过30（目）筛到300（目）筛以上，要充分干燥、预热。此外，降低金属型浇注系统部分的导热性并提高其温度和加过滤器等是强化孕育的重要措施。低CE特别是低Si铁液孕育效果更好。为防金属型薄壁球墨铸铁件铸态出现钉状（spiking）组织，强化孕育尤其是重要工艺措施。孕育剂多用75％的Fe-Si，有时加少量Ba、RE或Sb以减少白口或强化基体。型内孕育用85％
的Fe-Si为宜。
（4）金属型材质、厚度及结构
1）金属型材质。铁液与金属型相互热作用是决定FPM铸件质量和型寿命的重要因素。金属型要有高导热性、耐热和热冲击、抗氧化、耐磨、与涂料易结合、成形加工性好并能修补。金属型材质一般用均匀 A型石墨灰铸铁。有的加 Cr0.5％～1.0％， Mo（0.6±0.1）％；过共晶或低硫灰铸铁可抗热冲击、提高金属型寿命。灰铸铁金属型用于中、小件，一般型寿命2000～5000次。在铸件成本中金属型成本一般占10％。此外，还可采用薄钢金属型外焊水冷系统，寿命可较长。Cu-Zr合金作金属型，很有前途。
2）金属型厚度。增加厚度可加速铁液冷却和提高金属型刚度。金属型壁厚与铸件厚度成正比，如图1。一般型厚：件厚＝3：1。又有人得出型重量与铸件重关系，如图2。一般中小件金属型重约是铸件重的20倍。
4）金属型结构。宜采用组合式结构，即型腔部分、浇注系统和夹持机构用不同的材质、成形方法、涂料和温控系统。既可保证铸件工艺要求，同时还可提高型寿命、降低成本、增加生产灵活性（只更换型腔部分），并扩大金属型技术应用范围。
（5）FPM涂料与轻合金不同，FPM金属一般用两层涂料。①基层涂料（绝缘涂料）：要求与金属型粘着性好，耐热冲击性能优越。基层涂料厚度直接影响型冷却速度、铸件材质和外观质量以及型寿命。一般0.2～0.3mm，每班喷涂几次。优质浅色基层涂料国产化仍是课题。②表层涂料：一般用乙炔炭黑，每一浇注循环喷涂一次。
最近发展趋势是采用一层薄涂料（如乙炔炭黑）以提高效率、提高铸件尺寸精度和性能。前提是：①金属型导热性和耐热性、②提高金属型铸铁铸态金相组织控制水平（铁液成分、浇注温度和强化孕育等）和③先进工艺控制技术（如型温检测控制系统和铸件高温离型控制系统等）。
（6）FPM型温控制 金属型温度是影响铁液流动性和铸件金相组织的重要因素。金属型温度根据铸件材质、壁厚、重量、预期金相组织和性能以及设定的循环时间来确定和控制。一般设定在200～450℃之间。薄、小铸件，型温控制高些。
型温控制主要靠分区、分阶段温度连续检测和强制水冷、风冷或加热及其控制系统。正常运转条件下，除个别区域及浇注系统外，强制降温是保证质量、缩短循环时间、提高生产率的关键。以预防为主，生产过程中减少型温升高并保持稳定（如选导热性好的材质，增加型厚度，强制冷却，尤其采用铸件高温下尽快离型先进工艺等）是值得推广的技术。
（7）离型时间控制 离型时间直接影响铸件冷却速度、铸态组织、铸件质量、型温控制、型寿命、金属型流水线循环时间、生产率、能耗和生产成本。
最近FPM一大趋势是增加金属型冷却速度并使铸件热态尽快离型。
在具体实施时，要注意以下几点：①离型时间根据每个件的材质、壁厚、形状等分别设定和控制；②要有适用的检测控制工艺装备；③离型温度越高，则型利用率和寿命越高，铸件的余热利用率越高，效益也越好。但要防止过早出型，灰铸铁宜≤1120℃，球铁则要求＜1100℃（如1050～1000℃）出型，以防球墨铸铁“糊状”凝固，外壳薄时内部石墨化膨服造成“胀壳”。
（8）金属型铸铁件热处理 从质量管理角度，除厚壁或特殊铸件外，FPM铸件都应彻理，尤其在不断提高金属型冷却速度的趋势下热处理更显必要。
热处理可消除铸态白口，获得预期组织和力学性能并改善机加工性能，目前 FPM铸件普遍采用退火工艺生产。包括D型石墨灰铸铁和细小球墨的球铁，基体都为铁素体。也可既需要为获不同的基体而采用正火、退火或等温淬火等工艺。
近年来FPM球铁铸件通过高温离型，充分利用余热，进行热态矫形、切浇冒口和自热退火技术得到重视和发展。
（9）金属型铸铁件缺陷及防止 金属型铸铁工艺本身及铁液温度高等都易形成特有的缺陷，各种缺陷、原因及防止措施如表2所示。
（1）优点
1）铸件可保证致密无气孔、缩孔、缩松，工艺出口率高。
2）铸件尺寸精度高，表面光洁，加工量少且易加工（退火后）。
3）结晶细，性能高，球墨铸铁生产可大大减少球化剂用量。
4）无砂，杜绝了砂类缺陷及清砂工序。
5）节省型、芯砂运输、处理、再生等全套系统，节省造型、芯等高技术工序。
6）缩短生产循环时间，占地面积较砂型小50％。
7）便于集成化、自动化生产和应用先进检、控技术和科学管理手段。
8）有害工序减少59％，利于环境保护和改善劳动条件（废料：粉尘、有害气体等排放减少76%，噪声少），便于清洁生产。
9）生产率高（砂型机械化每月1.2t/m2；金属型每月7～8t/m2）。
（2）金属型铸铁局限性
1）尚不能生产太复杂的铸件。
2）冷却速度快，组织难控制，易出白口，绝大部分需热处理，延长生产周期，增加能耗和成本。
3）金属型设计、制造难度大，费用高。
4）铸件重量、生产批量等都有局限，比机械化潮砂型及树脂砂型综合竞争力弱。
4．金属型铸铁技术发展方向和先进实例
（l）金属型覆砂（Lined permenent mold——LPM）技术及装备 为克服金属型上述局限性，在金属型与铸件外形间覆薄砂层，形成砂型胶。优点是金属型与熔体不直接接触，冷却速度和金相组织易于控制，可生产铸钢件，提高金属型寿命，铸件形状可较复杂。我国已用于生产汽车发动机铸态球铁曲轴、铸铁凸轮轴和液压阀等。一些独联体国家用LPM技术，每年生产铸铁和铸钢件约45000t。一般生产中普遍用预热型吹入树脂覆膜砂（热固法）。日本1985年开发冷金型覆砂（冷固法），较热固法铸体尺寸精度高，壁薄[（3±0.25）mm]、生产环境好、节能。1990年成功地大量生产球铁轿车悬挂支撑臂以代替钢板冲-焊件，为LPM开辟新途径。但金属型覆砂仍未完全取消砂，冷却速度慢，生产效率低，不便于集成化和大规模生产，且有些技术难题尚未解决，如连续生产的型温控制，热法提高固化速度，冷法提高型砂流动性等等。
（2）FPM先进成套实例 日本本田公司开发的轿车转向节球铁件FPM工艺、技术和装备，图3为其流水线立面、平面及与传统流水线对比。该FPM球铁生产线汇集了以下先进关键技术：
l）高热导率Cu-Zr合金型，单层薄涂料，铸件高温离型（浇注后4s、铁型15～20s、砂型＞900s）。
2）用精密传感系统和计算机自动控制重要工艺参数；金属型型腔与浇注系统分体组装和型温分区控制等先进技术，如图4。3）球墨铸铁液每型一次球化、孕育、处理技术，球化率比传统处理提高8％；球化率偏差比传统减少64％。金相组织与砂型对比如图5。4）铸件余热充分利用。热矫形和切浇口（加工量减少50％、切断时间是冷切的1／10、砂轮寿命延长7倍）；余热利用连续热处理（节电250kw／t、节能56％）。
5）集成化，缩短、简化工序40％；关键工序全自动化；节省生产面积近50％。
6）铸件球化率和内部缺陷 100％在线无损检测。
7）由于铸件4s离型，减轻了金型受热升温，便于稳定控制型温并延长铜型寿命。
典型化学成分、金相组织和力学性能见表1。
用金属型生产铁基合金铸件始于中国。考古发现我国铸铁件用铁型（古称“范”）生产始于战国（距今2200～2300年），用铜范铁器最早为汉代（距今1800年），到清代（距今200～300年）铁范铸铁技术不断完善，用铁范铸造铁炮。龚振麟着《铸炮铁模图说》是世界发现最早的系统论述金属型铸造铸铁件的专着。美国Eaton公司最早获铁基合金金属型（Ferrous Permanent mold-FPM）工艺专利已是 1932年。近几十年全世界FPM不断发展。欧洲FPM铸件占6％～8％，有报道苏联1980年FPM铸件占铸铁件9.7％，欧、美、日等FPM件主要用于汽车、机床、空气压缩机和液压件等；近年中国由日本引进空调压缩机铸件FPM生产线；印度、加拿大、巴西、马来西亚等国也都引进过FPM生产线。1994年日本本田公司开发投产了年产近4000t优质球墨铸件轿车转向节的FPM自动生产线，使FPM技术应用进入一个新阶段。
2．金属型铸铁技术特点及关键
FPM与非铁合金金属型铸造主要区别和难点在于：铸铁是金属-非金属共晶合金，急冷下铸态金相组织更难控制，浇注温度高，金属型设计和生产更难，且金属型寿命更短，生产率又不易满足大量生产需要。无论铸态还是热处理后使用，金属型铸铁件铸态金相组织控制对铸件性能都至关重要。
金属型冷却速度是砂型的数十倍到数百倍，直接影响铸铁形成独特组织。控制高冷却速度下铸态金属型铸铁组织的因素很多，综合解决好以下这些因素除获预期铸态金相组织外，可大大提高生产率和金属型寿命从而降低成本、增加效益并扩大金属型铸铁应用范围，是发展金属型铸铁技术的关键。
（1）铸铁化学成分 表1为金属型灰铸铁和球墨铸铁典型化学成分、金相组织和性能。碳当量（CE）：尤其薄壁又高冷却速度下金属型铸铁的CE宜高（4.9％～5.0％），但为防止低温冷脆及有利强化孕育，原铁液中Si应控制在2.2％～2.8％（质量分数，余同）且直取下限，绝不能高于3.5％。也有薄壁球铁件原铁液低C（ 2.7％）低Si（2.0％）的成功实例。
表1 典型金属型铸铁化学成分、组织与性能
注：1. 表中化学成分含量百分数皆指质量分数。
2. 净化球墨铸铁液，控制Ti、Pb、S、Mn、Cu等元素对金属型球铁件质量也十分重要。
① Mg：高冷却速度（铜）型薄壁件低硫铁液加Mg0.01%即可使石墨完全球化。过高残Mg是造成多种金属型球墨铸铁件废、次品的主因。
② P：增加流动性，又可防热裂，有的回到3.6%。还加到Sb0.02%～0.04。磷加于炉料中的效果比加于铁液中明显。
③ Ti对灰铸铁可增加铁液过冷度，促进生成D型石墨。低CE作用明显。为保护机加工Ti＜0.075%。
④ 指体积分数。
（3）金属型铸铁孕育
金属型冷却速度越快，铸件壁超薄，用感应炉熔化铁液以及球墨铸铁件，越要强化孕育。可采用浇包后孕育、随流或型内孕育等方法。孕育剂粒度为过30（目）筛到300（目）筛以上，要充分干燥、预热。此外，降低金属型浇注系统部分的导热性并提高其温度和加过滤器等是强化孕育的重要措施。低CE特别是低Si铁液孕育效果更好。为防金属型薄壁球墨铸铁件铸态出现钉状（spiking）组织，强化孕育尤其是重要工艺措施。孕育剂多用75％的Fe-Si，有时加少量Ba、RE或Sb以减少白口或强化基体。型内孕育用85％
的Fe-Si为宜。
（4）金属型材质、厚度及结构
1）金属型材质。铁液与金属型相互热作用是决定FPM铸件质量和型寿命的重要因素。金属型要有高导热性、耐热和热冲击、抗氧化、耐磨、与涂料易结合、成形加工性好并能修补。金属型材质一般用均匀 A型石墨灰铸铁。有的加 Cr0.5％～1.0％， Mo（0.6±0.1）％；过共晶或低硫灰铸铁可抗热冲击、提高金属型寿命。灰铸铁金属型用于中、小件，一般型寿命2000～5000次。在铸件成本中金属型成本一般占10％。此外，还可采用薄钢金属型外焊水冷系统，寿命可较长。Cu-Zr合金作金属型，很有前途。
2）金属型厚度。增加厚度可加速铁液冷却和提高金属型刚度。金属型壁厚与铸件厚度成正比，如图1。一般型厚：件厚＝3：1。又有人得出型重量与铸件重关系，如图2。一般中小件金属型重约是铸件重的20倍。
3）金属型成形。铸铁型一般砂铸后加工；铜型、钢型有锻坯加工的。金属型是易耗工，以近净成形精铸为最好，既可保证工艺要求又减轻重量，减少加工，延长寿命，降低成本。
4）金属型结构。宜采用组合式结构，即型腔部分、浇注系统和夹持机构用不同的材质、成形方法、涂料和温控系统。既可保证铸件工艺要求，同时还可提高型寿命、降低成本、增加生产灵活性（只更换型腔部分），并扩大金属型技术应用范围。
（5）FPM涂料与轻合金不同，FPM金属一般用两层涂料。①基层涂料（绝缘涂料）：要求与金属型粘着性好，耐热冲击性能优越。基层涂料厚度直接影响型冷却速度、铸件材质和外观质量以及型寿命。一般0.2～0.3mm，每班喷涂几次。优质浅色基层涂料国产化仍是课题。②表层涂料：一般用乙炔炭黑，每一浇注循环喷涂一次。
最近发展趋势是采用一层薄涂料（如乙炔炭黑）以提高效率、提高铸件尺寸精度和性能。前提是：①金属型导热性和耐热性、②提高金属型铸铁铸态金相组织控制水平（铁液成分、浇注温度和强化孕育等）和③先进工艺控制技术（如型温检测控制系统和铸件高温离型控制系统等）。
（6）FPM型温控制 金属型温度是影响铁液流动性和铸件金相组织的重要因素。金属型温度根据铸件材质、壁厚、重量、预期金相组织和性能以及设定的循环时间来确定和控制。一般设定在200～450℃之间。薄、小铸件，型温控制高些。
型温控制主要靠分区、分阶段温度连续检测和强制水冷、风冷或加热及其控制系统。正常运转条件下，除个别区域及浇注系统外，强制降温是保证质量、缩短循环时间、提高生产率的关键。以预防为主，生产过程中减少型温升高并保持稳定（如选导热性好的材质，增加型厚度，强制冷却，尤其采用铸件高温下尽快离型先进工艺等）是值得推广的技术。
（7）离型时间控制 离型时间直接影响铸件冷却速度、铸态组织、铸件质量、型温控制、型寿命、金属型流水线循环时间、生产率、能耗和生产成本。
最近FPM一大趋势是增加金属型冷却速度并使铸件热态尽快离型。
在具体实施时，要注意以下几点：①离型时间根据每个件的材质、壁厚、形状等分别设定和控制；②要有适用的检测控制工艺装备；③离型温度越高，则型利用率和寿命越高，铸件的余热利用率越高，效益也越好。但要防止过早出型，灰铸铁宜≤1120℃，球铁则要求＜1100℃（如1050～1000℃）出型，以防球墨铸铁“糊状”凝固，外壳薄时内部石墨化膨服造成“胀壳”。
（8）金属型铸铁件热处理 从质量管理角度，除厚壁或特殊铸件外，FPM铸件都应彻理，尤其在不断提高金属型冷却速度的趋势下热处理更显必要。
热处理可消除铸态白口，获得预期组织和力学性能并改善机加工性能，目前 FPM铸件普遍采用退火工艺生产。包括D型石墨灰铸铁和细小球墨的球铁，基体都为铁素体。也可既需要为获不同的基体而采用正火、退火或等温淬火等工艺。
近年来FPM球铁铸件通过高温离型，充分利用余热，进行热态矫形、切浇冒口和自热退火技术得到重视和发展。
（9）金属型铸铁件缺陷及防止 金属型铸铁工艺本身及铁液温度高等都易形成特有的缺陷，各种缺陷、原因及防止措施如表2所示。
表2 金属型铸铁件缺陷、原因及预防
（1）优点
1）铸件可保证致密无气孔、缩孔、缩松，工艺出口率高。
2）铸件尺寸精度高，表面光洁，加工量少且易加工（退火后）。
3）结晶细，性能高，球墨铸铁生产可大大减少球化剂用量。
4）无砂，杜绝了砂类缺陷及清砂工序。
5）节省型、芯砂运输、处理、再生等全套系统，节省造型、芯等高技术工序。
6）缩短生产循环时间，占地面积较砂型小50％。
7）便于集成化、自动化生产和应用先进检、控技术和科学管理手段。
8）有害工序减少59％，利于环境保护和改善劳动条件（废料：粉尘、有害气体等排放减少76%，噪声少），便于清洁生产。
9）生产率高（砂型机械化每月1.2t/m2；金属型每月7～8t/m2）。
（2）金属型铸铁局限性
1）尚不能生产太复杂的铸件。
2）冷却速度快，组织难控制，易出白口，绝大部分需热处理，延长生产周期，增加能耗和成本。
3）金属型设计、制造难度大，费用高。
4）铸件重量、生产批量等都有局限，比机械化潮砂型及树脂砂型综合竞争力弱。
4．金属型铸铁技术发展方向和先进实例
（l）金属型覆砂（Lined permenent mold——LPM）技术及装备 为克服金属型上述局限性，在金属型与铸件外形间覆薄砂层，形成砂型胶。优点是金属型与熔体不直接接触，冷却速度和金相组织易于控制，可生产铸钢件，提高金属型寿命，铸件形状可较复杂。我国已用于生产汽车发动机铸态球铁曲轴、铸铁凸轮轴和液压阀等。一些独联体国家用LPM技术，每年生产铸铁和铸钢件约45000t。一般生产中普遍用预热型吹入树脂覆膜砂（热固法）。日本1985年开发冷金型覆砂（冷固法），较热固法铸体尺寸精度高，壁薄[（3±0.25）mm]、生产环境好、节能。1990年成功地大量生产球铁轿车悬挂支撑臂以代替钢板冲-焊件，为LPM开辟新途径。但金属型覆砂仍未完全取消砂，冷却速度慢，生产效率低，不便于集成化和大规模生产，且有些技术难题尚未解决，如连续生产的型温控制，热法提高固化速度，冷法提高型砂流动性等等。
（2）FPM先进成套实例 日本本田公司开发的轿车转向节球铁件FPM工艺、技术和装备，图3为其流水线立面、平面及与传统流水线对比。该FPM球铁生产线汇集了以下先进关键技术：
l）高热导率Cu-Zr合金型，单层薄涂料，铸件高温离型（浇注后4s、铁型15～20s、砂型＞900s）。
2）用精密传感系统和计算机自动控制重要工艺参数；金属型型腔与浇注系统分体组装和型温分区控制等先进技术，如图4。3）球墨铸铁液每型一次球化、孕育、处理技术，球化率比传统处理提高8％；球化率偏差比传统减少64％。金相组织与砂型对比如图5。4）铸件余热充分利用。热矫形和切浇口（加工量减少50％、切断时间是冷切的1／10、砂轮寿命延长7倍）；余热利用连续热处理（节电250kw／t、节能56％）。
5）集成化，缩短、简化工序40％；关键工序全自动化；节省生产面积近50％。
6）铸件球化率和内部缺陷 100％在线无损检测。
7）由于铸件4s离型，减轻了金型受热升温，便于稳定控制型温并延长铜型寿命。
典型化学成分、金相组织和力学性能见表1。
