1. 介绍
重力铸造, 也称为 永久模具铸件, 使用重力（不是外部压力）用熔融合金填充可重复使用的金属模具.
尽管工匠早在17世纪就开始使用金属模具, 现代重力模具铸造出现在19世纪末和20世纪初，以及铁和钢制实践的进步.
今天, 这个过程每年产生数百万的高融合组件, 从汽车发动机块到艺术质量雕塑.
它持久的受欢迎程度源于 维度的准确性, 表面饰面, 和 成本效率, 使其成为在中等数量的行业中的中流台.
2. 什么是重力铸造?
基本原则
以其核心, 重力铸造依赖 重力 将熔融金属吸入霉菌腔.
与众不同 压力铸造, 使用液压或机械力, 重力铸造只需将液态金属倒在浇口上，让重力进行工作.
重力在霉菌填充中的作用
通过消除高压注入, 重力铸造最小化 湍流 和 空气夹带, 改善健全性.
例如, 倒铝 700 °C 进入预热的钢模具 (< 300 °C) 创建层流流，可保留合金清洁度并降低孔隙率.
霉菌类型: 消耗性vs. 永恒的
- 消耗性 (沙/石膏) 模具: 当设计师需要复杂的几何形状或非常低的体积时使用.
- 永恒的 (金属) 模具: 用钢或铸铁制造, 这些模具承受数百至数千个周期. 相比之下, 砂霉通常只提供一张镜头.
门控系统
有效的登陆 - 昂贵, 跑步者, 大门，并且在战略上放置 立管 控制填充速率和固化.
例如, 设计良好的铝制外壳可能会使用 底部的浇口 带有锥形跑步者以达到填充时间 2 秒, 然后是圆柱升起，以补偿收缩.
3. 重力铸造过程步骤
重力模具铸造通过六个紧密控制的阶段将熔融金属转化为精确组件.
通过依靠重力而不是高压注入, 这个过程提供了极好的部分完整性, 可重复的尺寸, 和精细的表面饰面.
图案和霉菌制备
工程师首先设计了一个两部分模具 H13工具钢, 合并 1–3°草稿角 促进零件弹射.
他们可以精确 大门, 跑步者, 和立管, 校准以补偿 1–2 % 铝合金典型的线性收缩.
现代CAD/CAM系统优化这些功能，以确保均匀填充和定向固化.
霉菌预热和涂料
在每个演员之前, 技术人员 预热 模具 200–300°C, 稳定初始金属皮肤并减少热冲击.
然后他们稀薄 石墨或基于锆石的难治涂层 (10–30 µm厚). 这个涂层:
- 促进流畅的细节流畅
- 控制冷却速率以保持一致的微观结构
- 保护霉菌表面, 将死亡的生命延长到 到 2,000 周期
金属熔化和温度控制
铸造厂在电炉或燃气炉中融化合金, 在内部倾泻温度 ± 5 °C:
- 锌合金: 420 ± 5 °C
- 镁合金: 650 ± 5 °C
- 铝合金: 700 ± 5 °C
严格的温度调节可确保最佳流动性 (粘度〜 6 mpa·s用于铝 700 °C) 并防止 冷关 或误导.
浇注技术和流量
熔融金属（通常是铝或其他非有产性合金）倒入 浇筑盆地 或者 跑步系统 直接导致腔.
金属仅在重力下流动, 因此 ”重力铸造.透明
通过控制倾率和门控几何形状, 铸造厂最大程度地减少湍流和空气夹带, 导致更高质量的铸件.
从盆地的底部或通过倾斜的设置填充，可以使金属的弯月面平稳地升起, 通过通风口驱动空气并在整个腔中保持层流.
凝固, 摇晃, 和清洁
一旦充满, 模具在凝固间隔内保持关闭 - 5 秒 用于薄壁锌零件, 到 30 秒 对于较厚的铝制部分.
在这段时间, 金属从模具墙向内冷却, 由钢的高热电导率驱动.
达到安全处理温度后 (〜 150 °C), 液压夹释放, 和喷射器引脚免费推动铸件. 然后，铸造厂:
- 卸下门, 跑步者, 和立管
- 执行射击 或者 CNC修剪 清除沙子, 规模, 和闪光灯
- 检查 关键维度 (±0.1-0.5毫米) 和表面质量
修剪和最后的完成
在最后阶段, 技术人员修剪剩余的弹簧，并使用 乐队锯, 割草机, 或者 气动nibblers, 回收 90 % remelt的废料. 然后他们:
- Deburr 通过翻滚或手动工具的边缘
- 机器 高精度功能 - 例如钻孔, 法兰, 和密封表面 - 公差与 ± 0.02 毫米
- 应用表面处理 (例如。, 阳极氧化, 珠子爆炸) 要实现指定的饰面 (RA 0.8-3.2 µm)
- 进行无损测试 (X -Ray, 染料渗透剂) 对于关键航空航天或汽车零件
4. 重力铸造材料
选择正确的合金位于成功重力铸造操作的核心.
每种金属都带来独特的特性 - 丰富性, 冻结范围, 导热率 - 决定模具设计, 过程参数, 最终, 零件性能.
铝合金
流行成绩: A356, A380, B319
- 融化范围: 600–650°C
- 流动性: 高的; 容易流入薄部分 (< 3 毫米)
- 收缩: 〜 1.2 % 线性
- 应用领域: 汽车住房, 散热器, 泵主体
主要考虑因素:
- 铝的出色导热率 (〜 180 w/m·k) 缩短凝固时间，但有可能倒入倒数滞后的风险关闭.
- 添加 7 % 硅 (A356) 提高流动性并降低孔隙率.
- 预热模具至200–300°C可防止过早冻结复杂的特征.
锌合金
流行成绩: 负载 3, 负载 5
- 熔点: 〜 385 °C
- 冻结范围: 狭窄的 (〜 5 °C), 产生出色的流动性
- 收缩: 0.5–0.7 % 线性
- 应用领域: 精密连接器, 装饰硬件, 小型齿轮空白
主要考虑因素:
- 锌的低倾倒温会降低霉菌磨损和能耗.
- 狭窄的冻结范围使忠实的细节忠实地再现 (< 0.5 毫米).
- 设计师可以指定非常瘦的跑步者 (5–10mm²) 最小化废料.
镁合金
流行成绩: AZ91D, AM60
- 浇注温度: 650–700°C
- 密度: 1.8 g/cm³ (最轻的结构金属)
- 抗拉强度: 200–260 MPA
- 应用领域: 电子外壳, 结构航空航天组件
主要考虑因素:
- 镁迅速氧化; 铸造厂必须采用惰性大气或通量盖.
- 高热膨胀 (26 µm/m·k) 要求更大的图案津贴 (到 2.5 %).
- 终身通常运行500–1 000 由于腐蚀性熔体而引起的循环.
铜和铜合金
流行成绩: C95400 (铝青铜), C36000 (自由安排 黄铜)
- 浇注范围: 1 050–1 200 °C
- 导热率: 110–400 W/m·K。 (取决于合金)
- 应用领域: 海洋泵叶轮, 阀成分, 建筑硬件
主要考虑因素:
- 铜合金的高熔点需要强大的模具材料 (H13钢) 和耐火涂层.
- 与高铝级相比，具有狭窄冷冻范围的合金（例如硅青铜）更容易播放.
- 设计师必须考虑2–2.5 % 收缩并掺入慷慨的立管.
钢和铸铁
流行成绩: A216 WCB (碳钢), A217 WC6 (合金钢), ASTM A536 65-45-12 (延性铁)
- 融化范围: 1 370–1 520 °C
- 冷却率: 慢的; 粗粒和种族隔离的风险
- 应用领域: 泵外壳, 阀体, 重型机械零件
主要考虑因素:
- 高倾倒温度要求预热的模具 (350–450°C) 和高级涂料以防止金属 - 二进制反应.
- 截面厚度应超过 15 毫米以避免热点和热裂.
- 肋骨插件有助于管理厚部分的定向凝固.
5. 重力铸造的优势
高维准确性和可重复性
重力模具铸造最突出的好处之一是它提供的出色维度准确性.
因为该过程使用 加工, 可重复使用的金属模具, 与诸如沙子铸造之类的可消耗性模具相比，零件始终达到更紧密的公差.
- 典型的公差: 小特征±0.1 mm; 更大尺寸的±0.3毫米
- 可重复性: 长期相同组件的理想选择
这种可重复性减少了对施工后加工的需求，并确保了组件的兼容性 - 至关重要的汽车, 航天, 和精确设计的零件.
优质的机械性能
重力模具铸造产生的组件 密集, 更多均匀的微观结构 由于固化和相对较慢的填充速率.
这可以最大程度地减少气体夹层和冷关.
- 更高的强度比率
- 改善伸长率和抗疲劳性
- 与沙子或压力铸造相比，孔隙率降低
例如, 通过重力铸造产生的铝合金铸件可以实现 180–280 MPa的拉伸强度,
取决于合金和过程控制, 通常超过等效砂铸件的特性20–40％.
增强的表面饰面
金属模具的光滑内部表面（尤其是用石墨或基于陶瓷的释放剂涂层时）生产 清洁和顺畅的表面.
- 表面粗糙度: 通常在 RA 1.5-3.2 µm
- 在许多应用中减少了打磨或抛光的需求
- 更好的涂料基础, 电镀, 或绘画
这对于需要密封表面或精确拟合的装饰组件和应用特别有益.
中型生产的成本效率
与投资或沙子铸造相比, 重力铸造提供 更快的周期时间 和 降低劳动力强度 一旦工具摊销.
- 周期时间: 2–6分钟, 取决于尺寸和壁厚
- 霉菌寿命: 1,000–10,000个周期，具体取决于合金和护理
用于生产以上运行 1,000 单位, 降低的单位成本开始抵消初始霉菌投资, 经常导致 30–50％降低每一部分成本 在整个生产周期中.
环保过程
重力模具铸造产生 浪费少 比许多铸造替代品:
- 可重复使用的模具减少了对沙子或蜡等可消耗材料的需求.
- 金属产量更高 (高达90-95％), 最小化废料.
- 现在许多铸造厂使用电炉, 减少碳足迹.
此外, 与有机粘合剂或蜡倦怠的沙子或投资相比.
多功能性部分设计
虽然在复杂的几何形状方面比压力铸造更有限, 重力铸造仍然支持广泛的零件类型:
- 壁厚 3 MM TO 50 毫米
- 诸如老板之类的功能, 肋骨, 和底切 (与核心)
- 霉菌插入物和多个空腔以提高效率
该方法还容纳多种合金, 包括高强度铝, 铜, 和基于镁的配方.
较短的回报时间
一旦开发了模具, 重力铸造过程的可重复性使制造商可以快速响应重新订购需求.
重复生产的交货时间可能是 减少到 50% 与一次性模具工艺相比.
6. 重力铸造的缺点
高初始工具成本
也许重力铸造的最重要的缺点在于 预先投资工具.
永久金属模具, 通常由耐热工具钢制成, 需要高精度的加工和健壮的结构以承受重复的热循环.
- 典型的霉菌成本: $5,000 - 50,000美元，具体取决于复杂性和零件大小
- 工具的交货时间: 4–8周或更长时间用于复杂的霉菌
为了 低体积或原型生产, 这笔费用可能会过时, 制作诸如沙子或投资铸造更经济的替代方法.
有限的设计灵活性
重力模具施加 更多的几何约束 比其他一些铸造过程:
- 零件需要 草稿角 (通常为1–3°) 促进弹药.
- 不使用的底切割和复杂的内部几何形状很难或昂贵 沙子或可溶芯.
- 薄壁或复杂的特征 (<3 毫米) 可能无法完全填充, 特别是在流动性差的合金中.
不适合所有合金
而重力模具铸造效果很好 铝, 镁, 和基于铜的合金-这是 对于具有较窄固化范围或低铸性的材料而言并不理想:
- 钢铁铁 由于其高熔点和侵略性氧化而很少是重力铸造, 会导致霉菌损伤和快速磨损.
- 合金容易撕裂或气孔孔隙率 (例如。, 高硅铜) 可能需要先进的门控和通风系统, 提高成本和复杂性.
生产率慢于压力铸造
尽管重力模具铸造速度比沙子或投资铸造快, 这是 比高压铸造明显慢得多 (HPDC):
- 周期: 2–6分钟，重力铸造
- 周期: 20HPDC的–60秒 (铝/锌)
因此, 重力模具铸造并不总是最好的选择 非常大量的生产, 尽管机器和工具成本更高，但压力铸造可能会提供更好的规模经济.
限于某些零件尺寸
尽管重力模具铸造可以产生中等到大零件, 通常是 不适合极大的组件 (>30 公斤或 >1 m在维度),
由于霉菌处理的局限性, 夹紧力, 并仅通过重力填充均匀的填充.
在这种情况下, 沙子铸造或低压铸造可能更有效.
7. 重力施法的应用
汽车行业
这 汽车部门 是最大的重力消费者之一铸件组件, 由行业对轻质的需求驱动, 耐用的, 和几何精确的部分.
常见应用包括:
- 发动机组件: 气缸盖, 定时盖, 阀体
- 传输外壳 和离合器外壳
- 悬架零件 和转向指关节
- 括号 传感器和组件的坐骑
航空航天和航空
在 航空航天部门, 重力模具铸造用于必须在极端压力和温度变化下保持性能的结构成分.
典型的重力航空航天零件:
- 支持支架 和飞机结构的铰链
- 泵外壳 和压缩机盖
- 耐热盖 用于发动机配件
工业设备和机械
工业制造商利用重力模具铸造 耐用性, 可靠性, 和生产效率 当制造中等体积的机械零件运行时.
示例包括:
- 泵主体 和叶轮
- 阀壳, 歧管, 和管道配件
- 液压外壳 和执行器安装座
- 电动机外壳 和风扇刀片
海洋和淡化设备
这 海洋产业 有利于重力铸造用于生产需求的零件 耐腐蚀和强度, 盐水环境.
重力铸造海洋零件包括:
- 热交换器 和水冷发动机零件
- 泵组件 和流体控制设备
- 螺旋桨叶片 和喷嘴
- 甲板配件 和齿轮外壳
电子和电气系统
对于需要的电气系统 导电性和导电性, 重力铸造可以生产具有最小内部缺陷和高维度的组件的生产.
典型的应用:
- 公共汽车酒吧 和电终端
- 连接器块
- 配电单元的外壳
- 冷却板 用于电力电子
建筑和装饰硬件
重力模具铸造非常适合 观赏和结构元素 审美质量和维度一致性至关重要的地方.
常见的建筑用途:
- 栏杆, 栏杆, 和门把手
- 照明固定装置 和灯外壳
- 水龙头 和装饰配件
8. 与其他形式的铸造相比，重力模具铸造
了解重力铸造的优势和局限性, 将其与其他广泛使用的铸造方法进行比较至关重要: 压力铸造, 投资铸造, 离心铸件, 并挤压铸造.
每种方法都根据设计复杂性提供不同的目的, 机械性能, 成本, 和生产量.
重力模具铸造与. 压力铸造
基本差异:
- 重力铸造 仅依靠重力来填充模具.
- 压力 压铸 在高压下将熔融金属熔化到模腔中 (通常为10–150 MPa).
比较:
| 标准 | 重力铸造 | 压力铸造 |
|---|---|---|
| 霉菌类型 | 永久金属模具 | 钢铁 (通常更复杂) |
| 金属流 | 重力喂养 (低湍流) | 压力强 (快点, 可能是动荡的) |
| 合金适合性 | 铝, 铜, 镁 | 锌, 铝, 镁 (不适合铜) |
| 零件完整性 | 更好的冶金质量 (孔隙率较小) | 较高的孔隙率 |
| 表面处理 | 良好, 但不如压力铸造那么光滑 | 优秀的表面质量 |
| 成本 | 中等工具和周期成本 | 高工具成本，但周期很快 |
| 典型的应用 | 中体积的结构组件 | 高量, 薄壁精密零件 |
结论:
重力模具铸造是中等批量生产的理想选择，在表面或速度上优先考虑较高的结构完整性.
压力模具铸造西服高批量, 复杂的几何零件需要紧密的公差和优越的饰面.
重力模具铸造与. 熔模铸造 (失去蜡)
基本差异:
- 重力铸造 使用可重复使用的金属模具.
- 熔模铸造 使用围绕蜡模式形成的一次性陶瓷模具.
比较:
| 标准 | 重力铸造 | 熔模铸造 |
|---|---|---|
| 细节繁殖 | 一般, 受到金属模具加工的限制 | 优秀 - 复杂, 复杂的设计可能 |
| 表面处理 | 良好 (RA≈3-6μm) | 优越的 (RA≈1.5-3μm) |
| 工具成本 | 中等初始死亡成本 | 每个部分的高模式/工具成本 |
| 生产量 | 最适合中度至高量 | 最适合中低量 |
| 公差 | ±0.3–0.5毫米典型 | ±0.1-0.3 mm可实现 |
| 合金灵活性 | 铝, 铜, 镁 | 包括钢在内的大多数金属, 超级合金 |
结论:
重力模具铸造对于中等至大型生产的且复杂性的大型生产速度更具成本效益. 投资铸造更适合高精度和细节的小型运行.
重力模具铸造与. 离心铸件
基本差异:
- 重力铸造 使用固定模具并用重力填充.
- 离心铸件 旋转霉菌将金属向外迫使腔内.
比较:
| 标准 | 重力铸造 | 离心铸件 |
|---|---|---|
| 最佳几何形状 | 平坦的, 棱柱形, 或中等复杂的零件 | 圆柱形, 对称零件 |
| 孔隙率水平 | 低的 (尤其是底部填充) | 非常低 - 爆裂被推到中心 |
| 机械性能 | 良好的谷物结构 | 优秀的谷物细化和密度 |
| 应用领域 | 住房, 括号, 泵主体 | 衬套, 管道, 戒指, 衬里 |
结论:
使用重力模具铸造用于多功能形状和中等至高产量的量. 选择离心铸造以旋转对称零件要求出色的结构完整性.
重力模具铸造与. 挤压铸造
基本差异:
- 挤压铸造 在凝固过程中结合了高压铸造.
- 重力铸造 不使用任何施加的压力.
比较:
| 标准 | 重力铸造 | 挤压铸造 |
|---|---|---|
| 固化控制 | 一般 | 优秀 - 压力可降低孔隙度 |
| 机械强度 | 良好 | 很高 - 良好的质量 |
| 工具复杂性 | 中等的 | 高 - 需要精确控制压力 |
| 合金类型 | 主要是有色人种 | 铝, 镁, 复合材料 |
| 成本 | 降低 | 设备和周期成本更高 |
结论:
重力模具铸造更经济，更容易实施. 当需要出色的强度和延展性时，选择挤压铸造, 经常更换锻造组件.
9. 结论
重力模具铸造仍然是 多才多艺的, 成本效益, 和 可靠的 中等复杂金属零件的中等体积生产技术.
通过利用重力的温柔流动, 精确的模具设计, 和量身定制的过程控件, 制造商实现了令人信服的组合 表面质量, 尺寸精度, 和 机械完整性.
作为高级模拟, 混合成型, 和新的合金开发获得了吸引力, 重力模具铸造将继续发展，从而确定其在高价值制造中的核心作用.
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常见问题解答
重力铸造与高压铸造有何不同?
与高压铸造不同, 使用液压迫使熔融金属进入霉菌, 重力模具铸造仅依赖于重力进行模具填充.
因此, 重力模具铸造在低压下运行, 填充率较慢, 通常导致孔隙率相关的缺陷较少.
然而, 与高压铸造相比，它不适合高度复杂或薄壁的零件.
重力死了多长时间?
死亡寿命根据合金铸件和模具材料而变化. 用于铝, 高质量的钢 (例如。, H13) 可以持续 10,000 到 100,000 周期.
适当的维护, 霉菌涂层, 预热可以大大延长寿命.
重力铸件可以进行热处理吗?
是的. 重力模具铸造比高压铸造的关键优势之一是铸件通常没有内部气体夹层, 使其适用于铝合金T6（例如T6）.
