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鐵型覆砂鑄造是在金屬型（稱為鐵型）內(nèi)腔覆上一薄層型砂而形成鑄型的一種鑄造工藝。由于覆砂層比較薄（4～8mm），因此采用比較貴的高質(zhì)量造型材料，在經(jīng)濟上也是合理的，其結(jié)果是使鑄件質(zhì)量大大改善和廢品顯著減少；由于鐵型覆砂鑄型剛度很好，從而顯著地提高了鑄件的尺寸精度和致密性。

德國、前蘇聯(lián)等國于60年代前后開始把鐵型覆砂鑄造應用于鑄造生產(chǎn)，主要用于生產(chǎn)球鐵曲軸、剎車轂、剎車盤、缸套、炸彈殼、坦克履帶和電機底座等30余種鑄件。我國對鐵型覆砂鑄造的應用性研究起始于70年代初，至1979年，浙江省機電設計研究院和永康拖拉機廠等單位合作，將該工藝用于S195曲軸毛坯的批量鑄造生產(chǎn)，同時，完成了對該工藝所生產(chǎn)的球鐵曲軸性能的考核評價，在疲勞強度（疲勞極限應力σ-1的比較）、斷裂強度（門檻值ΔKth的比較以及斷裂韌性K1C的比較）和使用壽命（10000h臺架耐久試驗對比）等方面，與砂型鑄造曲軸進行了大量的試驗對比，皆優(yōu)于砂型鑄造。在其后的10余年里，該工藝不斷在應用中提高完善，至90年代初,已有7家企業(yè)應用了該工藝，尤其是單缸曲軸和四缸曲軸的鐵型覆砂鑄造工藝取得了很大的成功。這段時期的代表企業(yè)是永康拖拉機廠、上虞動力機廠、望都曲軸連桿廠、皖北曲軸廠、金華內(nèi)燃機配件廠、常州柴油機廠等。1991年國家計委將鐵型覆砂鑄造批準為國家“八五”重點新技術(shù)推廣項目，并把浙江省機電設計研究院作為該項目的技術(shù)依托單位，這對于我國鐵型覆砂鑄造技術(shù)的發(fā)展起了巨大的推動作用。我院承擔了該推廣項目后，在其后的5～6年時間里基本上解決了鐵型覆砂鑄造用于批量生產(chǎn)的一系列問題。

主要是：

①設計和定型了覆砂造型機，解決了長期以來由射芯機改裝代用的問題；
②定型規(guī)范了標準的鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)線，使原來比較簡單的鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)線得到了改進，在上海球鐵廠等企業(yè)應用；
③鐵型覆砂鑄造應用擴大到鑄造工藝難度較大的一些鑄件，例如六缸曲軸和三缸曲軸等；
④將覆膜砂引入鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)中，大大提高了覆砂造型質(zhì)量；
⑤鐵型覆砂鑄造工藝設計進一步規(guī)范，設計水平也大大提高，并開發(fā)了鐵型覆砂鑄造過程的計算機模擬軟件和引入了鐵型覆砂鑄造工藝的計算機輔助設計軟件。目前，全國已有近百家企業(yè)應用了鐵型覆砂鑄造工藝生產(chǎn)球鐵曲軸、凸輪軸、平衡軸、耐壓閥體、缸套，耐磨齒盤等30余種鑄件，估計年產(chǎn)鑄件在10×104t左右。比較典型的企業(yè)有上海汽車鑄造總廠球鐵廠、沈陽曲軸廠、廣西百礦集團、宜興機械總廠、山東九羊集團、浙江曙光曲軸廠、本溪天緣曲軸廠、保定電影機械廠、山西潞城曲軸廠、河北辛集曲軸廠等。但是由于這些企業(yè)引入該工藝的方式不同：有委托我院進行設計或承建的，也有自行仿造開發(fā)的。因此他們對鐵型覆砂鑄造工藝的掌握程度相差甚遠。僅以鐵型覆砂鑄造廢品率為例，不少掌握得比較好的企業(yè)可穩(wěn)定在3%左右，取得了非常好的經(jīng)濟效益。但也有少數(shù)企業(yè)的鐵型覆砂鑄造廢品率卻高達20%左右，這大大地抵消了該工藝來該產(chǎn)生的的經(jīng)濟效益。究其原因，發(fā)現(xiàn)是由于這些企業(yè)還沒有完全掌握該工藝的設計和生產(chǎn)要領，以及疏于生產(chǎn)管理所致。

鐵型覆砂鑄造工藝設計及實際生產(chǎn)主要解決：

①鐵型壁厚和覆砂層厚度及二者的配合，以滿足不同壁厚和不同材質(zhì)鑄件對凝固和冷卻的不同要求；
②便捷和經(jīng)濟的覆砂成型方法，以滿足不同鑄件對表面質(zhì)量和尺寸精度的要求；
③工藝參數(shù)。如澆注系統(tǒng)、射砂系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等的確定；
④批量生產(chǎn)的實現(xiàn)。例如生產(chǎn)線及覆砂主機和輔機的設計定型；
⑤工藝規(guī)程的制定，例如澆注、冷卻和開箱等規(guī)程，以及鑄件成分的調(diào)整等。

2鐵型覆砂鑄造的熱交換特點

液態(tài)金屬澆入鐵型覆砂鑄型以后，“鑄件——覆砂層——鐵型”是一個不穩(wěn)定的熱交換系統(tǒng)。為了使問題簡化，假設鑄件是半元限的；并假設系統(tǒng)中各組元的溫度場按直線規(guī)律分布的。圖1表示系統(tǒng)的一部分，顯然，同樣的比熱流q通過了系統(tǒng)中各個組元：

圖1鑄件—覆砂層—鐵型的溫度分布

令分別表示鑄件與覆砂 層、鐵型與覆砂層之間熱交換強度的兩個傳熱準則。k1是鑄件熱阻與覆砂層熱阻之比；k2是鐵型的熱阻與覆砂層熱阻之比。將k1和k2結(jié)合起來考慮，隨著覆砂層厚度的變化，有以下三種實際上可能發(fā)生的“鑄件——覆砂層——鐵型”間不同的傳熱情況：

①當k≤1，k2≤1時，覆砂層在正常的厚度之內(nèi)，鑄件的冷卻速度隨著覆砂層厚度的減少而增大。
②當覆砂層的厚度超過某一厚度以后，鐵型對鑄件冷卻已不產(chǎn)生影響，這時就相當于普通的砂型鑄造或樹脂砂鑄造。由于覆砂層的導熱系數(shù)比鐵型的導熱系數(shù)小得多，所以鑄件冷卻緩慢。
③當k≧1，k2≧1時，覆砂層厚度太薄，這時就相當于金屬型鑄造了。

以上熱交換特點已為實驗所證實，當曲軸（CTЦ-14）鐵型覆砂鑄造的覆砂層厚度從4～32mm逐漸變化時，曲軸組織中的滲碳體量不斷減少，珠光體量和鐵素體量不斷增加。而當覆砂層厚度小于4mm時，鑄件的冷卻強度與金屬型（厚涂料）相近；覆砂層大于32mm時，則其冷卻強度相當于普通樹脂砂鑄造了。

當鐵型覆砂鑄造用于各種不同鑄件的生產(chǎn)時，就是通過試驗或經(jīng)驗類比，以確定不同的覆砂層厚度和鐵型厚度來控制鑄件的凝固速度。例如在490Q球鐵曲軸鐵型覆砂鑄造工藝設計中，取覆砂層厚度為5～8mm，鐵型壁厚為20～30mm，生產(chǎn)出了優(yōu)質(zhì)的無冒口鑄態(tài)球鐵，其主要原因：

①覆砂層有效地調(diào)節(jié)了鑄件的冷卻速度，一方面使鑄件不易出現(xiàn)白口，另一方面又使冷卻速度大于砂型鑄造。如圖2所示，當鐵水澆入鐵型覆砂鑄型后，經(jīng)8min鑄件溫度降到930℃左右，而砂型要降到同樣溫度，就需要24min，冷卻速度提高了3倍左右，其結(jié)果使鑄件的機械性能顯著提高。

②鐵型無退讓性，但很薄的覆砂層卻能適當減少鑄型的收縮阻力；而鐵型所具有的剛性，又有效地利用了球鐵在凝固過程中的石墨化膨脹，實現(xiàn)了無冒口鑄造；由于覆砂層薄，型腔不易變形，鑄件精度比砂型大為提高。

1-鐵型覆砂2-砂型
圖2球鐵澆注后的冷卻曲線

3鐵型覆砂鑄件的冷卻速度

影響鐵型覆砂鑄件冷卻速度的因素有鑄件壁厚、鑄件材質(zhì)、澆注溫度、覆砂層厚度、覆砂層的材料、鐵型厚度、鐵型材質(zhì)和鑄型溫度等因素。在此，僅討論鑄件壁厚（bc）、覆砂層厚度（bm）及鐵型厚度(bi)的影響。

3.1 bc、bm和bi對鑄件冷卻的影響

圖3是在下列實驗條件下做出的不同鑄件壁厚（分別是10mm、20mm、40mm、80mm）、不同覆砂層厚度（分別是4mm和32mm）以及不同鐵型壁厚（分別是32mm和8mm）對鐵型覆砂鑄件冷卻速度的影響情況：鑄件化學成分3.52%C、2.46%Si、0.80%Mn、0.18%P、0.031%S，覆砂層化學成分為：石英砂90%，粘土8%，煤粉2%，水分3%。