1．概述——歷史與現(xiàn)狀

用金屬型生產鐵基合金鑄件始于中國?？脊虐l(fā)現(xiàn)我國鑄鐵件用鐵型（古稱“范”）生產始于戰(zhàn)國（距今2200～2300年），用銅范鑄造鐵器最早為漢代（距今1800年），到清代（距今200～300年）鐵范鑄鐵技術不斷完善，用鐵范鑄造鐵炮。龔振麟著《鑄炮鐵模圖說》是世界發(fā)現(xiàn)最早的系統(tǒng)論述金屬型鑄造鑄鐵件的專著。美國Eaton公司最早獲鐵基合金金屬型（Ferrous Permanent mold-FPM）工藝專利已是 1932年。近幾十年全世界FPM不斷發(fā)展。歐洲FPM鑄件占6％～8％，有報道蘇聯(lián)1980年FPM鑄件占鑄鐵件9.7％，歐、美、日等FPM件主要用于汽車、機床、空氣壓縮機和液壓件等；近年中國由日本引進空調壓縮機鑄件FPM生產線；印度、加拿大、巴西、馬來西亞等國也都引進過FPM生產線。1994年日本本田公司開發(fā)投產了年產近4000t優(yōu)質球墨鑄件轎車轉向節(jié)的FPM自動生產線，使FPM技術應用進入一個新階段。

2．金屬型鑄鐵技術特點及關鍵

FPM與非鐵合金金屬型鑄造主要區(qū)別和難點在于：鑄鐵是金屬-非金屬共晶合金，急冷下鑄態(tài)金相組織更難控制，澆注溫度高，金屬型設計和生產更難，且金屬型壽命更短，生產率又不易滿足大量生產需要。無論鑄態(tài)還是熱處理后使用，金屬型鑄鐵件鑄態(tài)金相組織控制對鑄件性能都至關重要。

金屬型冷卻速度是砂型的數(shù)十倍到數(shù)百倍，直接影響鑄鐵形成獨特組織。控制高冷卻速度下鑄態(tài)金屬型鑄鐵組織的因素很多，綜合解決好以下這些因素除獲預期鑄態(tài)金相組織外，可大大提高生產率和金屬型壽命從而降低成本、增加效益并擴大金屬型鑄鐵應用范圍，是發(fā)展金屬型鑄鐵技術的關鍵。

（1）鑄鐵化學成分 表1為金屬型灰鑄鐵和球墨鑄鐵典型化學成分、金相組織和性能。碳當量（CE）：尤其薄壁又高冷卻速度下金屬型鑄鐵的CE宜高（4.9％～5.0％），但為防止低溫冷脆及有利強化孕育，原鐵液中Si應控制在2.2％～2.8％（質量分數(shù)，余同）且直取下限，絕不能高于3.5％。也有薄壁球鐵件原鐵液低C（ 2.7％）低Si（2.0％）的成功實例。

表1 典型金屬型鑄鐵化學成分、組織與性能

注：1. 表中化學成分含量百分數(shù)皆指質量分數(shù)。
2. 凈化球墨鑄鐵液，控制Ti、Pb、S、Mn、Cu等元素對金屬型球鐵件質量也十分重要。
① Mg：高冷卻速度（銅）型薄壁件低硫鐵液加Mg0.01%即可使石墨完全球化。過高殘Mg是造成多種金屬型球墨鑄鐵件廢、次品的主因。
② P：增加流動性，又可防熱裂，有的回到3.6%。還加到Sb0.02%～0.04。磷加于爐料中的效果比加于鐵液中明顯。
③ Ti對灰鑄鐵可增加鐵液過冷度，促進生成D型石墨。低CE作用明顯。為保護機加工刀具Ti＜0.075%。
④ 指體積分數(shù)。

（2）金屬型鑄鐵件澆注溫度與成分、壁厚、型溫和孕育技術等諸多因素有關。為控制鑄態(tài)金相組織和延長型壽命，應盡量降低澆注溫度并快速充型。而薄壁件當采用隨流孕育或型內孕育時為使孕育劑充分熔化，一般澆注溫度在1300～1400℃之間。

（3）金屬型鑄鐵孕育

金屬型冷卻速度越快，鑄件壁超薄，用感應爐熔化鐵液以及球墨鑄鐵件，越要強化孕育?？刹捎脻舶笤杏?、隨流或型內孕育等方法。孕育劑粒度為過30（目）篩到300（目）篩以上，要充分干燥、預熱。此外，降低金屬型澆注系統(tǒng)部分的導熱性并提高其溫度和加過濾器等是強化孕育的重要措施。低CE特別是低Si鐵液孕育效果更好。為防金屬型薄壁球墨鑄鐵件鑄態(tài)出現(xiàn)釘狀（spiking）組織，強化孕育尤其是重要工藝措施。孕育劑多用75％的Fe-Si，有時加少量Ba、RE或Sb以減少白口或強化基體。型內孕育用85％
的Fe-Si為宜。

（4）金屬型材質、厚度及結構

1）金屬型材質。鐵液與金屬型相互熱作用是決定FPM鑄件質量和型壽命的重要因素。金屬型要有高導熱性、耐熱和熱沖擊、抗氧化、耐磨、與涂料易結合、成形加工性好并能修補。金屬型材質一般用均勻 A型石墨灰鑄鐵。有的加 Cr0.5％～1.0％， Mo（0.6±0.1）％；過共晶或低硫灰鑄鐵可抗熱沖擊、提高金屬型壽命?；诣T鐵金屬型用于中、小件，一般型壽命2000～5000次。在鑄件成本中金屬型成本一般占10％。此外，還可采用薄鋼金屬型外焊水冷系統(tǒng)，壽命可較長。Cu-Zr合金作金屬型，很有前途。

2）金屬型厚度。增加厚度可加速鐵液冷卻和提高金屬型剛度。金屬型壁厚與鑄件厚度成正比，如圖1。一般型厚：件厚＝3：1。又有人得出型重量與鑄件重關系，如圖2。一般中小件金屬型重約是鑄件重的20倍。

3）金屬型成形。鑄鐵型一般砂鑄后加工；銅型、鋼型有鍛坯加工的。金屬型是易耗工模具，以近凈成形精鑄為最好，既可保證工藝要求又減輕重量，減少加工，延長壽命，降低成本。

4）金屬型結構。宜采用組合式結構，即型腔部分、澆注系統(tǒng)和夾持機構用不同的材質、成形方法、涂料和溫控系統(tǒng)。既可保證鑄件工藝要求，同時還可提高型壽命、降低成本、增加生產靈活性（只更換型腔部分），并擴大金屬型技術應用范圍。

（5）FPM涂料與輕合金不同，F(xiàn)PM金屬一般用兩層涂料。①基層涂料（絕緣涂料）：要求與金屬型粘著性好，耐熱沖擊性能優(yōu)越?；鶎油苛虾穸戎苯佑绊懶屠鋮s速度、鑄件材質和外觀質量以及型壽命。一般0.2～0.3mm，每班噴涂幾次。優(yōu)質淺色基層涂料國產化仍是課題。②表層涂料：一般用乙炔炭黑，每一澆注循環(huán)噴涂一次。

最近發(fā)展趨勢是采用一層薄涂料（如乙炔炭黑）以提高效率、提高鑄件尺寸精度和性能。前提是：①金屬型導熱性和耐熱性、②提高金屬型鑄鐵鑄態(tài)金相組織控制水平（鐵液成分、澆注溫度和強化孕育等）和③先進工藝控制技術（如型溫檢測控制系統(tǒng)和鑄件高溫離型控制系統(tǒng)等）。

（6）FPM型溫控制 金屬型溫度是影響鐵液流動性和鑄件金相組織的重要因素。金屬型溫度根據(jù)鑄件材質、壁厚、重量、預期金相組織和性能以及設定的循環(huán)時間來確定和控制。一般設定在200～450℃之間。薄、小鑄件，型溫控制高些。

型溫控制主要靠分區(qū)、分階段溫度連續(xù)檢測和強制水冷、風冷或加熱及其控制系統(tǒng)。正常運轉條件下，除個別區(qū)域及澆注系統(tǒng)外，強制降溫是保證質量、縮短循環(huán)時間、提高生產率的關鍵。以預防為主，生產過程中減少型溫升高并保持穩(wěn)定（如選導熱性好的材質，增加型厚度，強制冷卻，尤其采用鑄件高溫下盡快離型先進工藝等）是值得推廣的技術。

（7）離型時間控制 離型時間直接影響鑄件冷卻速度、鑄態(tài)組織、鑄件質量、型溫控制、型壽命、金屬型流水線循環(huán)時間、生產率、能耗和生產成本。

最近FPM一大趨勢是增加金屬型冷卻速度并使鑄件熱態(tài)盡快離型。

在具體實施時，要注意以下幾點：①離型時間根據(jù)每個件的材質、壁厚、形狀等分別設定和控制；②要有適用的檢測控制工藝裝備；③離型溫度越高，則型利用率和壽命越高，鑄件的余熱利用率越高，效益也越好。但要防止過早出型，灰鑄鐵宜≤1120℃，球鐵則要求＜1100℃（如1050～1000℃）出型，以防球墨鑄鐵“糊狀”凝固，外殼薄時內部石墨化膨服造成“脹殼”。

（8）金屬型鑄鐵件熱處理 從質量管理角度，除厚壁或特殊鑄件外，F(xiàn)PM鑄件都應徹理，尤其在不斷提高金屬型冷卻速度的趨勢下熱處理更顯必要。

熱處理可消除鑄態(tài)白口，獲得預期組織和力學性能并改善機加工性能，目前 FPM鑄件普遍采用退火工藝生產。包括D型石墨灰鑄鐵和細小球墨的球鐵，基體都為鐵素體。也可既需要為獲不同的基體而采用正火、退火或等溫淬火等工藝。

近年來FPM球鐵鑄件通過高溫離型，充分利用余熱，進行熱態(tài)矯形、切澆冒口和自熱退火技術得到重視和發(fā)展。

（9）金屬型鑄鐵件缺陷及防止 金屬型鑄鐵工藝本身及鐵液溫度高等都易形成特有的缺陷，各種缺陷、原因及防止措施如表2所示。

表2 金屬型鑄鐵件缺陷、原因及預防

3．金屬型鑄鐵技術優(yōu)點及局限性

（1）優(yōu)點

1）鑄件可保證致密無氣孔、縮孔、縮松，工藝出口率高。
2）鑄件尺寸精度高，表面光潔，加工量少且易加工（退火后）。
3）結晶細，性能高，球墨鑄鐵生產可大大減少球化劑用量。
4）無砂，杜絕了砂類缺陷及清砂工序。
5）節(jié)省型、芯砂運輸、處理、再生等全套系統(tǒng)，節(jié)省造型、芯等高技術工序。
6）縮短生產循環(huán)時間，占地面積較砂型小50％。
7）便于集成化、自動化生產和應用先進檢、控技術和科學管理手段。
8）有害工序減少59％，利于環(huán)境保護和改善勞動條件（廢料：粉塵、有害氣體等排放減少76%，噪聲少），便于清潔生產。
9）生產率高（砂型機械化每月1.2t/m2；金屬型每月7～8t/m2）。

（2）金屬型鑄鐵局限性

1）尚不能生產太復雜的鑄件。
2）冷卻速度快，組織難控制，易出白口，絕大部分需熱處理，延長生產周期，增加能耗和成本。
3）金屬型設計、制造難度大，費用高。
4）鑄件重量、生產批量等都有局限，比機械化潮砂型及樹脂砂型綜合競爭力弱。

4．金屬型鑄鐵技術發(fā)展方向和先進實例

（l）金屬型覆砂（Lined permenent mold——LPM）技術及裝備 為克服金屬型上述局限性，在金屬型與鑄件外形間覆薄砂層，形成砂型膠。優(yōu)點是金屬型與熔體不直接接觸，冷卻速度和金相組織易于控制，可生產鑄鋼件，提高金屬型壽命，鑄件形狀可較復雜。我國已用于生產汽車發(fā)動機鑄態(tài)球鐵曲軸、鑄鐵凸輪軸和液壓閥等。一些獨聯(lián)體國家用LPM技術，每年生產鑄鐵和鑄鋼件約45000t。一般生產中普遍用預熱型吹入樹脂覆膜砂（熱固法）。日本1985年開發(fā)冷金型覆砂（冷固法），較熱固法鑄體尺寸精度高，壁薄[（3±0.25）mm]、生產環(huán)境好、節(jié)能。1990年成功地大量生產球鐵轎車懸掛支撐臂以代替鋼板沖-焊件，為LPM開辟新途徑。但金屬型覆砂仍未完全取消砂，冷卻速度慢，生產效率低，不便于集成化和大規(guī)模生產，且有些技術難題尚未解決，如連續(xù)生產的型溫控制，熱法提高固化速度，冷法提高型砂流動性等等。

（2）FPM先進成套實例 日本本田公司開發(fā)的轎車轉向節(jié)球鐵件FPM工藝、技術和裝備，圖3為其流水線立面、平面及與傳統(tǒng)流水線對比。

該FPM球鐵生產線匯集了以下先進關鍵技術：

l）高熱導率Cu-Zr合金型，單層薄涂料，鑄件高溫離型（澆注后4s、鐵型15～20s、砂型＞900s）。
2）用精密傳感系統(tǒng)和計算機自動控制重要工藝參數(shù)；金屬型型腔與澆注系統(tǒng)分體組裝和型溫分區(qū)控制等先進技術，如圖4。

3）球墨鑄鐵液每型一次球化、孕育、處理技術，球化率比傳統(tǒng)處理提高8％；球化率偏差比傳統(tǒng)減少64％。金相組織與砂型對比如圖5。

4）鑄件余熱充分利用。熱矯形和切澆口（加工量減少50％、切斷時間是冷切的1／10、砂輪壽命延長7倍）；余熱利用連續(xù)熱處理（節(jié)電250kw／t、節(jié)能56％）。
5）集成化，縮短、簡化工序40％；關鍵工序全自動化；節(jié)省生產面積近50％。
6）鑄件球化率和內部缺陷 100％在線無損檢測。
7）由于鑄件4s離型，減輕了金型受熱升溫，便于穩(wěn)定控制型溫并延長銅型壽命。

典型化學成分、金相組織和力學性能見表1。