延性铁壳铸造: OEM现代铸造厂

1. 介绍

延性铁壳铸造 代表了一种精密铸造技术，将球墨铸铁的卓越机械性能与壳模技术的尺寸精度和表面质量融为一体.

随着各行业对复杂几何形状的需求日益增加, 更严格的公差, 和具有成本效益的生产方法, 这一过程在汽车等领域得到了重视, 液压, 机械, 和电气设备.

2. 什么是球墨铸铁？

组成和微观结构

延性铁 是铁合金, 碳, 和硅, 碳含量通常从 3.0% 到 4.0% 和周围的硅 1.8% 到 3.0%.

球墨铸铁的定义特征是其球状石墨结构.

在铸造过程中, 少量镁 (通常 0.03% - 0.06%) 或者将铈添加到铁水中.

这些元素使石墨片发生转变, 灰铸铁的特性, 成球形结节. 石墨形态的这种变化对材料的性能产生深远的影响.

关键机械性能

• 高力量: 球墨铸铁可以达到的抗拉强度范围为 400 MPA (适用于 ASTM A536 等等级 60-40-18) 结束 800 MPA (如 ASTM A536 120-90-02).
  这种强度使其适合重负载下结构完整性至关重要的应用.
• 延性: 它表现出显着的延展性, 伸长率值可达 18% 在某些年级.
  这使得球墨铸铁部件能够在应力下变形而不会破裂, 提高动态负载条件下的可靠性.
• 冲击阻力: 球状石墨结构在基体中充当微小的减震器. 因此, 球墨铸铁具有良好的抗冲击性能, 远远优于灰铸铁.
  此属性对于组件可能受到突然冲击或振动的应用至关重要.

通用标准

• ASTM A536: 广泛应用于北美, 本标准规定了不同牌号球墨铸铁的要求.
  例如, 年级 60-40-18 表示最小拉伸强度 60 KSI (414 MPA), 最小屈服强度 40 KSI (276 MPA), 和最小伸长率 18%.
• EN-GJS: 在欧洲, EN-GJS系列标准定义了球墨铸铁的性能和特性.
  本标准中的每个等级还规定了其机械性能要求, 确保整个行业的质量一致.
• ISO 1083 – 球墨铸铁的全球名称

3. 什么是壳型铸造?

壳型铸造基础知识

壳型铸造是一种使用树脂覆膜砂形成铸型的一次性模具铸造工艺. 该过程从加热的金属图案开始, 通常由铝或铸铁制成.

将模型加热到以下范围内的温度 200 – 300°C. 树脂覆膜砂, 通常是细硅砂和热固性酚醛树脂的混合物, 然后引入加热模式.

模型产生的热量导致树脂熔化并将沙粒粘合在一起, 形成坚硬的, 图案周围的薄壳. 一旦外壳变硬, 它已从图案中删除.

模具通常由两半组成, 称为“应对”和“阻力”, 将它们组装起来以形成将熔融金属倒入其中的腔体.

球墨铸铁壳型铸造分步工艺流程

模型准备:

金属模型经过精确设计，以匹配最终铸件所需的形状.
收缩余量, 通常在周围 1.5% - 2.5% 用于球墨铸铁, 纳入图案设计以考虑凝固过程中金属的收缩.
拔模角度, 通常在0.5° – 1°范围内, 添加以确保轻松从模型中去除外壳.

壳形成:

将预热的模型放置在涂有树脂涂层砂的机器中.
这可以通过将模型浸入沙斗中或使用喷砂技术将沙子喷到模型上等方法来完成.
模型产生的热量使内部树脂固化 10 - 30 秒, 形成厚度通常介于 3 - 10 毫米.

模具组件:

两个半壳 (应对和拖动) 仔细对齐并连接在一起. 这可以使用粘合剂来实现, 机械紧固件, 或通过夹紧.
对于复杂零件, 将由相同的树脂涂层砂制成的附加芯插入模具中以形成内部空腔或特征.

金属倒:

熔融延性铁, 加热至约 1320 – 1380°C, 倒入组装好的模具中.
壳模光滑的内表面可有效填充型腔, 最大限度地减少湍流和孔隙或夹杂物等缺陷的形成.

冷却和精加工:

浇注后, 让铸件在模具内冷却.
壳模的高导热率 (大约 1 - 2 w/m·k) 加速冷却过程, 可以从任何地方取 5 - 15 小零件的分钟.
一旦冷却, 脆壳被去除, 通常通过振动或鼓风. 然后铸件可以进行铸后处理.

铸后处理:

这可以包括热处理等操作, 加工, 和表面饰面.
热处理, 例如退火 600 – 650°C, 可以进一步提高球墨铸铁的机械性能.
可能需要机械加工才能达到最终尺寸和表面光洁度, 尽管与其他铸造方法相比，机械加工的需要显着减少.

壳型铸造的特点

4. 为什么球墨铸铁采用壳型铸造?

在生产需要高尺寸精度的球墨铸铁部件时，壳型铸造具有显着的优势, 出色的表面饰面, 和卓越的机械完整性.

该工艺弥补了传统砂型铸造和熔模铸造之间的差距，以更高的效率和一致性提供近净形结果.

尺寸准确度和精度

壳型铸造提供 严格的尺寸公差, 通常在范围内 ±0.2 至 ±0.5 毫米, 明显优于传统湿型砂铸造 (±1.0–2.0 mm).

这种精度水平减少了二次加工的需要, 尤其是安装孔等关键功能, 密封表面, 和复杂的配合几何形状.

上表面饰面

壳模提供了 光滑的型腔表面 赋予铸件良好的光洁度, 通常 RA 3.2-6.3微米.

这减少或消除了表面研磨或抛光的需要, 在大批量生产中可能是劳动密集型且成本高昂.

复杂的几何形状和薄壁

由于外壳的刚性和细砂粒尺寸, 该工艺非常适合铸造 错综复杂的形状, 薄壁 (低至 2.5–4 毫米), 和尖锐的内部特征.

凝固过程中的尺寸稳定性

刚性壳模可在金属浇注和凝固过程中抵抗变形, 减少翘曲等常见缺陷, 肿胀, 或模具移位.

流程效率和废物减少

壳模铸造高度兼容 自动化 和 群众生产, 特别适用于零件称重 ≤30–50公斤.

5. 球墨铸铁壳型铸造的局限性和挑战

尺寸和重量限制

壳模通常仅限于零件称重 重达 30–50 公斤 由于壳体结构相对较薄以及模具本身的机械强度.

较大或较重的部件在搬运或金属浇注过程中存在模具损坏的风险.

初始模具和模型成本较高

与传统砂型铸造相比, 壳型铸造需要精密加工的金属模型，并且必须能够承受重复的加热循环 (200–300°C).

树脂覆膜砂和自动化设备的使用也增加了前期资本支出.

热限制和热点形成

薄壳模具的热质量有限, 这可能导致冷却速率不均匀和局部热点, 特别是在铸件的厚截面中. 这可能会导致诸如以下的缺陷:

• 热撕
• 凝固不完全
• 内应力增加
• 影响: 铸造具有可变壁厚的复杂零件的挑战.
• 减轻: 先进的模具设计, 控制冷却, 和门控优化至关重要.

外壳厚度控制

太瘦了 (≤3毫米) 并且在浇注过程中外壳可能会破裂; 太厚 (≥10毫米) 并且冷却速度减慢, 粗化结节.

解决方案: 优化树脂含量 (3-4%) 和图案加热时间 (60-90 秒) 达到统一的 5-8 毫米炮弹.

模具可重复使用性有限

外壳模具有 一次性使用 铸造后必须将其折断.

虽然树脂覆膜砂通常可以回收和循环利用, 模具部件不能重复使用, 增加材料消耗.

6. 壳型铸造中的材料行为

冶金方面的考虑

• 结节计数和形状控制: 壳型铸造中的快速冷却会影响球墨铸铁的球墨数和形状.
  确保有足够数量的形态良好的结节 (旨在 15 - 25 结节/mm²),
  仔细控制接种过程是必要的. 孕育剂, 比如硅铁, 添加到铁水中以促进石墨球的形成.
  需要优化孕育剂添加量和时间，以适应壳型铸造更快的冷却速率.
• 避免碳化物形成: 在某些情况下, 高冷却速率会导致球墨铸铁基体中形成碳化物.
  碳化物是硬而脆的相，会降低材料的延展性. 防止碳化物形成, 合金元素如镍可以添加到铁水中.
  镍有助于在冷却过程中稳定奥氏体相, 减少碳化物沉淀的可能性.
• 确保适当的接种和镁处理: 镁的添加对于球墨铸铁中石墨的球化至关重要.
  壳模铸造, 需要仔细控制镁处理，以确保铁水中存在正确数量的镁.
  镁太少可能导致球化不完全, 而太多可能会导致其他缺陷.
  相似地, 适当的接种对于促进细粒的形成至关重要, 石墨球分布均匀.

薄壳中的凝固行为

薄壳模具对球墨铸铁凝固行为的影响. 壳体的高导热性使熔融金属从表面向中心快速凝固.

这可以在铸件表面附近形成更细的晶粒结构. 凝固速率还影响球墨铸铁中铁素体-珠光体基体的形成.

更快的冷却速度往往会促进更多珠光体的形成, 它可以增加材料的强度，但可能会稍微降低其延展性.

传热动力学及其对晶粒结构的影响

从熔融球墨铸铁到壳模的热传递对于确定铸件的晶粒结构起着至关重要的作用.

壳型铸造中的快速传热导致熔融金属和铸型之间出现陡峭的温度梯度.

这种梯度导致铸件表面附近形成柱状晶粒结构, 晶粒垂直于模具表面生长.

随着距表面距离的增加, 晶粒结构变得更加等轴.

晶粒组织对球墨铸铁的力学性能有显着影响, 更细的晶粒通常会提高强度和韧性.

7. 球墨铸铁壳型铸件的应用

球墨铸铁壳模铸件结合了球墨铸铁优异的机械性能与壳模技术的尺寸精度和表面光洁度.

这种协同作用使它们成为需要严格公差的应用的理想选择, 复杂的几何形状,
以及在机械应力或热循环下的高性能.

汽车行业

• 括号 & 坐骑: 悬挂支架, 转向指关节, 和交流发电机支架需要强度,
  疲劳性抗性, 和精度——球墨铸铁壳模铸件提供的品质.
• 传播 & 传动系统外壳: 具有复杂几何形状和内部通道的铸件受益于壳模出色的表面光洁度和尺寸精度.
• 排气歧管 (高镍球墨铸铁): 在涡轮增压发动机系统中可承受高达 600°C 的热循环.

优势: 通过近净形设计实现轻量化, 减少后加工, 由于精确的公差，提高了燃油效率.

液压和流体动力系统

• 阀体 & 住房: 对于控制高压环境中的流体流动至关重要 (例如。, 3000+ 磅/平方英寸液压系统).
• 泵组件: 叶轮, 卷轴, 和齿轮泵壳体受益于出色的内表面光洁度和尺寸重复性.

优势: 防漏配件, 流畅的流动路径, 耐高压, 并最大限度地减少铸造孔隙率.

工农业机械

• 磨损件 & 衬里: 具有耐磨球墨铸铁牌号的壳体铸件用于土壤耕作等磨蚀性环境, 矿业, 和施工.
• 精密齿轮毛坯 & 滑轮: 需要同心度和平衡来实现旋转稳定性——通过壳模公差来实现 (通常为 ±0.3 毫米或更好).

优势: 长期使用寿命, 一致的几何形状, 和高负载的适用性, 高磨损条件.

电气和电力设备

• 发动机 & 发电机外壳: 要求两者电磁兼容 (EMC屏蔽) 和机械坚固性.
• 开关柜框架 & 母线支架: 铸造复杂部件，极少需要二次加工.

优势: 无火花, 热稳定, 和耐腐蚀 (具有适当的涂层或合金变体).

8. 球墨铸铁壳型铸件的质量控制与检测

非破坏性测试 (NDT)

• 影像学测试: 该方法利用X射线或伽马射线穿透铸件，检测气孔等内部缺陷, 裂缝, 或夹杂物.
  通过分析射线照片, 可以识别和评估铸件内的任何缺陷.
• 超声测试: 超声波通过铸件传播, 并对反射进行分析以检测缺陷.
  该技术对于检测铸件厚截面的内部缺陷特别有用.
• 染料渗透剂测试: 将彩色染料涂在铸件的表面. 是否有任何表面破损缺陷, 染料会渗入裂缝中.
  去除多余染料后, 裂纹中残留的染料可以揭示缺陷的存在.

维度检查

• 协调测量机 (CMM): CMM 用于精确测量铸件的尺寸.
  通过将测量尺寸与设计规格进行比较, 任何偏差都可以被识别.
  CMM 的精度可以达到 ±0.01 mm 范围, 确保铸件满足许多应用中所需的严格公差.
• 光学扫描: 该技术使用激光或结构光创建铸件的 3D 模型.
  然后可以将 3D 模型与零件的 CAD 模型进行比较，以检测任何尺寸变化. 光学扫描是检查复杂几何形状的快速有效的方法.

冶金分析

• 显微组织检查: 铸件样品经过抛光和蚀刻以显示微观结构.
  通过在显微镜下检查微观结构, 结节计数, 结节形状, 并可测定基体中铁素体和珠光体的比例.
  该信息有助于评估球墨铸铁的质量及其是否符合所需标准.
• 硬度测试: 硬度测试, 例如布氏硬度计, 罗克韦尔, 或维氏测试, 用于测量铸件的硬度.
  硬度与材料的力学性能有关, 与预期硬度值的偏差可能表明存在热处理不当或合金成分不当等问题.
• 拉伸测试: 拉伸试样由铸件加工而成并进行测试以确定拉伸强度, 产生强度, 和材料的伸长率.
  这些机械性能对于确保铸件能够承受其应用中的预期载荷至关重要.

铸造缺陷预防和解决策略

防止铸造缺陷, 严格控制工艺参数至关重要. 这包括在壳形成过程中仔细监测温度, 浇注, 和冷却.

树脂覆膜砂和铸造用金属的质量也需要严格控制.

如果检测到缺陷, 重熔和重铸等策略, 或使用焊接等技术进行局部修复, 可能会被雇用.

然而, 预防始终优于修复，以确保最高质量的铸件.

9. 壳模与. 其他铸造方法 (用于球墨铸铁)

10. 球墨铸铁壳型铸造的最大零件尺寸是多少?

这 最大零件尺寸 为了 球墨铸铁壳模铸造 通常取决于 铸造厂的能力, 但总的来说:

• 重量范围: 到 20–30公斤 (44–66 磅) 常见于外壳成型.
• 方面: 零件通常仅限于 小到中尺寸, 通常与 最大尺寸大约 500 毫米 (20 英寸) 每面, 尽管一些铸造厂可能会处理稍大的零件.
• 壁厚: 壳模成型擅长生产具有 薄壁和精致的细节, 通常 2.5 MM TO 6 毫米 厚的.

为什么有这个限制?

壳型铸造用途 树脂覆膜砂型 烘烤到加热的金属模型上.

该工艺可提供较高的尺寸精度和表面光洁度，但由于以下原因在处理大量熔融球墨铸铁时存在局限性：:

• 模具强度: 薄壳模具在大型铸件的重量下可能会破裂或变形.
• 热应力: 较大的零件会产生更多的热量, 增加出现热裂或夹杂物等缺陷的风险.
• 处理 & 浇注物流: 壳模设备针对较小的部件进行了优化.

11. 结论

球墨铸铁壳模铸造弥合了精度和强度之间的差距.

它非常适合需要高精度和一致质量的几何复杂部件的中批量生产.

虽然模具成本较高, 长期节省机械加工费用, 材料使用, 和质量保证使其成为在适当情况下具有成本效益的解决方案.

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常见问题解答

壳型铸造如何影响球墨铸铁部件的成本?

壳型铸造的前期模具成本较高 ($5,000–20,000) 与砂型铸造相比，由于更好的表面光洁度和公差，加工成本降低了 50-70%.

对于卷 >10,000 部分, 总生命周期成本通常比砂型铸造低 10-15%.

壳型铸造球墨铸铁可以热处理吗?

是的. 常见的热处理包括退火 (600–650°C) 提高延展性和等温淬火 (320–380°C) 生产高强度ADI (奥斯特延延延性铁) 有拉伸力量 1,200 MPA.

壳型铸件冷隔的原因是什么, 以及如何预防它们?

当熔融金属分流流动且无法熔化时，就会发生冷隔, 通常是由于浇注温度低或浇注不当造成的.

预防措施包括将浇注温度保持在 1,320–1,380°C 并设计湍流最小的浇注系统 (速度 <1.5 多发性硬化症).

壳型铸造适用于耐腐蚀球墨铸铁件吗?

是的, 但耐腐蚀性取决于合金, 不是铸造方法.

在球墨铸铁中添加 1–3% 的镍可提高在淡水中的耐腐蚀性, 涂层时 (例如。, 环氧树脂) 海洋环境需要.

壳型铸造如何影响球墨铸铁部件的疲劳寿命?

壳模中的快速冷却可细化石墨球 (5–10μm) 并减少孔隙率, 与砂型铸造相比，疲劳强度提高 10-15%.

壳模铸件通常在 10⁷ 周期内达到 250–350 MPa 的疲劳强度, 适用于齿轮等动态应用.