本发明涉及金属铸造方法及铸造设备，尤其涉及黑色金属的铸造方法和铸造设备。

黑色金属的冶炼和铸造，在我国已有四五千年的历史了，也曾有过光辉的成就，字迹和图案清晰、音质清越的古代巨钟和巨鼎就是有力的物证。在世界进入工业时代后，由于公知的历史原因，我国的铸造技术相对地落后了，高精度、高机械性能的大型铸件（如：高精度机床床身、耐磨矿山机械、内燃机用的缸体和缸盖等）的铸造技术仅为少数工业发展国家所掌握。然而，就这些少数工业发展国家而论，他们的铸造技术也远远落后于其它工业，不能满足其它工业的需要，他们至今也未能完全掌握具有亚共晶结构的、大面积、高精度薄壁铸件的铸造技术。

机械压力铸造方法，可以获得尺寸精确、表面光洁、宏观缺陷少的铸件，但其应用范围至今只限于有色金属的铸造，因为大多数有色金属熔点较低，在熔融状态下具有较高的流动性，其金相结构也不十分复杂，用于压铸的型芯、型膜等取材和加工也较方便。然而，黑色金属熔点较高，用来压铸的型芯、型模的取材和加工都较困难，尤其是黑色金属这类灰铸铁的金相结构难以掌握，故压铸技术至今还未能应用于灰铸铁，特别是未能用来压铸高精度、高机械性能的亚共晶铸件。

本发明旨在提供一种黑色金属压力铸造方法和压铸设备，实现迄今尚未解决的大面积薄壁铸件的铸造，尤其是具有亚共晶结构的铸件 的铸造。

本发明是通过下述压铸方法和压铸设备实现上述目的的。

本发明的黑色金属金力铸造方法和压铸设备分为二种：（一）单纯的内压压铸法和相应的内压铸设备;（二）内压和外压并用的双压压铸法和相应的双压式压铸设备。这二种压铸方法和压铸设备均适用于一般黑色金属铸造，也适用于过共晶灰铸铁和亚共晶灰铸铁的铸造，因亚共晶铸铁的铸造需要更严格的技术条件，故在专节（三）中叙述具有亚共晶结构的铸件的铁水制备及铸造。为叙述清楚，今分叙如下：

一、单纯的内压压铸法和内压式压铸设备（参见图1）

内压压铸方法是：将按照技术要求指定的黑色金属加热熔化，使成流动性良好的熔体（铁水），将铁水注入可以迅速密封的铁水包或保温电炉，在密封后将气体充入铁水包或保温电炉，将铁水经深底管、缓冲石墨导块的通道、砂型铁水通道，压入不设冒口的由砂型和型芯构成的型腔，铁水依靠压力将型腔中的空气经可透气的型砂间隙排入大气，并充满型腔，凝固后即成定型铸件。为了保证砂型、型芯不因过高的压力而破坏或者变形，故在铁水包密封盖上设一可调节上限气压的排气安全阀，使包内的气压不高于砂型、型芯的承压强度。

本发明的单纯内压式压铸机是由压力机、铁水包、铁水包密封盖、包括砂型和型芯的砂箱，安全罩五大部分构成的，其结构如下：

压力机：它处于压铸机的最下部，用来升降铁水包，使铁水包与密封盖快速密封并提供一个选定的向上压力的压力机，最好选择可调节压力的由缸体（1）、活塞（2）和压缩机等构成的液压机或者气压机。

铁水包：它是铸造工业常用的由铁外壳（5）、内壁设有耐火衬里（6）的铁水包。为了适应压铸，铁水包外壳（5）应用较厚的低碳钢 制造;为了保证密封，铁水包上口缘应在同一平面上并且有较高的平整度;为了使铁水包长期在高温下工作而不变形或发生金相变化，最好在铁水包外壳（5）的外壁上设置一个有入水管（P1）、出水管（P2）的冷却套（5）;为了使铁水保温，最好在铁水包的耐火衬里（6）的外缘加设一个高频或工频加热线圈（3）。

密封盖：它是由用加强筋（如工字钢等）联成一体的上层（L1）和下层（L2）构成的。在下层（L2）的下面设有直径略小于铁水包口缘直径的耐火衬里（6′），耐火衬里（6′）的外缘设有放置石墨石棉密封圈（7）的环形槽。在上下两层之间，设有冷却套以及开口于下层（L2）的带有阀门（v1）的进气管（8）和带有可调限定压力的安全排气阀（v2）的排气管（9）;在密封盖中部有用耐火材料（如，石墨或氮气硼等）制造的可插入铁水包底部的深底管（P0），深底管（P0）是用压环（L3）挤压石墨石棉密封圈（7′）密封固定在下层（L2）上的，深底管（P0）的顶端设有高度略高于上层（L1）的石墨石棉圈（15），以便与砂箱（10）内嵌装的缓冲石墨导块（14）作密封连接。密封盖上层（L1）是放置砂箱（10）和防护罩（17）的。

砂箱：与现铸造业中常用的砂箱一样，它是由可以对合的二个部分（上箱和下箱）构成的，下箱底部开有一个孔径大于深底管顶端石墨石棉密封圈（15）的孔，该孔的外周有一个带肩的半环形卡（16），以便嵌入缓冲石墨导块（14）并通过石墨石棉圈（15）将砂箱（10）与深底管（P0）构成密封连接。砂箱内包括铁水通道，砂型（11），砂芯（12）和型腔（13），为了加强型腔承压强度，最好在型砂上表面加一个强度较高的多孔盖板或者在加强的 箱底部打若干孔。

防护罩：用作安全保护的防护罩（17）是用金属板或金属网制成的，放在密封盖上层（L1）上面的，将整个砂箱（10）罩在其内，以防万一事故发生时物料横飞。

操作：把注入了铁水的铁水包放在可以平动的压力机活塞上，升起铁水包，使铁水包与密封盖紧压密封，将气充入铁水包，使铁水通过深底管等压入与密封盖紧压密封的砂箱型腔制成铸件。在铁水包或保温电炉与密封盖制成一个整体的条件下，可在铁水包或保温电炉的上部或“密封盖”顶部留置一个可以迅速密封的铁水入口，在注入铁水并密封后充气施压，把铁水经深底管等压入型腔，制成铸件。

二、内压加外压的双压压铸法和双压式压铸设备（参见图2）：

鉴于上述单纯内压压铸法所用的压铸压力（强）是以砂型的强度为上限的，而在铸造表面精度很高的铸件时需要更高的压铸压力，特此提出了双压压铸法。本法是在内压压铸法的基础上的改进，把内压法的与大气相通的砂箱密闭在密封罩和铁水包密封盖之间，而密封罩上设有带阀门的进气管与带有可调上限压力的排气安全阀的排气管，把罩内压力调节到预定值，然后把铁水通过深底管、铁水通道压入型腔并成形。因为砂型是透气的，型腔内的气压与罩内气压相同。而当铁水充满型腔后，铁水压力升高，由于铁水界面除了受到型腔壁的力之外还受到一个大小等于罩内气压的压力。把压铸压力极限从砂型承压强度提高到砂型承压强度与密封罩充气气压之和。

所以，双压式压铸设备是在如图1所示的单纯内压压铸设备的密封盖。上面增设一个如图2所示的带有进气阀（v3）的进气管和带有可调限压的安全排气阀（v4）的排气管的密封罩（17′）和一个密封 圈（18）将砂箱密封在密封罩与铁水包密封盖之间。

三、具有亚共晶结构的铸件的铁水制备及铸造。

众所周知，属于类铸铁的过共晶灰铸铁（如：球墨铸铁、蠕墨铸铁）具有优良的韧性。但是，由于其中的石墨晶体较大，其刚性较低耐磨性和散热性较差，不宜制造精密的大型机械或受力较大的零部件;而亚共晶灰铸铁，不仅有良好的韧性，而且有优良的刚性、耐磨性和散热性，是最理想的机械用材。但是，获得亚共晶灰结构铸件的工艺条件是十分苛刻的，其成败取决于铁水成份、温度、孕育条件和铸造条件，而铁水成份的稳定与原料及配料的规格密切相关，为说清诸因素，故详述如下：

（一）合格铁水的制备（参见图3）

MaUter对黑色金属铸造的研究有精湛的造诣和成就，图3的碳、硅在石墨化过程中的影响曲线就是他给出的，该图清楚地显出了获得灰口铸铁的一般条件，它对掌握亚共晶铸铁的条件有重要的指导价值。本人从事铸造工作已四十多年，从铸造亚共晶结构铸件的经验证明：把铁水的总碳量控制在2.8～3.1%、铁水温度控制在1450～1550℃是必要的，铁水的最佳温度是1500～1550℃。未还原的微量金属氧化物在铁水中的存在有害于亚共晶团的形成，必须在冲天炉中将其还原物金属态，才能确有把握地获得亚共晶铸铁，铁水硅含量最好掌握在0.8～2.0%。实践还证明：铁水中的总碳含量、硅含量、各种微量金属的还原与原料、配料的规格密切相关，也与冲天炉的冶炼条件密切相关，任何条件的不符往往会导致失败。

（一）原料、配料的规格

①生铁（高炉冶炼生铁）是化学成份符合国家标准的一级生灰铁，其块度最好不大于60×120×30（单位：毫米）。

②再生回收生铁（废铸件）：宜用磷、硫含量不大于0.3%，锑含量不大于0.01%的铸铁，用前必须粉碎到块度不大于40×100×120（单位：毫米）。

③焦碳：必须用含碳量高的冲天炉焦或者符合国家标准的冲天炉焦（铸造焦），其块度以大于150×150×200（单位：毫米）的为佳。

④石灰石：必须用高钙含量的石灰石，其块度以40～60立方毫米的为佳。

⑤钢：用来调节灰铸铁中含碳量的钢，其含碳量以小于0.45%的为佳，其块度以小于20×30×50（单位：毫米）的为佳。

⑥硅铁：在炉后进行熔化以补充铁水硅含量的硅铁，其含硅量以45～60%的为佳。

⑦锰铁：目的在于除硫和适当增加锰含量，用一般锰铁即可，其块度小于20×30×50（单位：毫米）的为佳。

⑧硅铁：炉前用于孕育的专用硅铁以硅含量75%的为佳。

（二）冲天炉的冶炼条件：

用冲天炉冶炼亚共晶铸铁与冶炼普通铸铁相同，将焦碳、石灰石的混合物与生铁、废钢、锰铁、硅铁的混合物一层夹一层地加入，而生铁与废钢的比例是根据各自的各碳量和要求的总碳量2.8～3.1%计算出来的;锰铁的加入量根据生铁含硫量和增补确定;硅铁的加入在于补充冶炼过程中的硅损失，使硅含量维持在0.8～2.0%。

由于亚共晶铸铁之获得最好在1500～1550℃时孕育，铁水只有在1500～1550℃才有较好的流动性，故铁水必须保持在1500～1550℃的温度。由于确保微量金属的还原和把总碳量稳 定在2.8～3.1%，硅含量控制在0.8～2.0%，最好使用冲天炉，鼓入的热风至少先预热到260～300℃。在一定的风量下（与冲天炉的容量等有关，故不能指定）风压必须不低于240～300毫米汞柱，并使一氧化碳充满冲天炉，故直筒式冲天炉是不适用的。最简单易用的多风眼密筋炉胆冲天炉是较适用的，要求设计的冲天炉必须是有弯气道的、有窄出气口的，以便拢住一氧化碳。

（二）孕育：

将获得的总碳量为2.8～3.1%、含硅量为0.8～2.0%微量金属呈金属态的温度为1500～1550℃的合格铁水缓缓倒入已已置入重量为铁水重0.3～0.8%的硅铁的铁水包（硅铁的硅含量以75%为佳），使铁水在1500～1550℃下孕育，孕育时间为2～35分钟，其中孕育时间以8～30分钟为佳，硅铁的加入量根据待铸铸件厚度而定，厚度小于4毫米的就取其上限（0.8%）厚度大的就适量少加，但不要少于0.3%。必须说明，在铸造薄铸件时，孕育前的铁水的硅含量不宜高于1.4%。

（三）铸造

鉴于亚共晶铸铁具有吸热性差、散热性好、凝固快的特点，故铸造必须在10～40秒钟内完成，这个任务一般不是普通浇铸法所能完成的，而压铸法则能完成。铸造用的砂箱用含氮较高的气氛笼罩为佳，尤以纯氮气气氛为最佳。铸造时，可用普通黑色金属铸造的型砂最好用呋喃树脂砂。

将由冲天炉所得之合格铁水，经过几分钟孕育之后，投以三角试块，测定试块的白点大小在1～3毫米（此为最佳铁水）时，才能把铁水用浇铸法或上述压铸法（较大铸件或薄铸件只能用压铸法）充入型腔、 凝固即成亚共晶铸件。

附图说明：

图1-单纯内压式压铸设备示意图。

图2-内、外压并用的双压式压铸设备示意图，其中：

1-压力机缸体;2-压力机活塞;3-高频式或工频加热线圈;4-铁水包外壳;5-铁水包冷却水套;P1-铁水包冷却水套进水管;P2-铁水包冷却水套出水管;6-铁水包耐火衬里;L1-铁水包密封盖上层;L2-铁水包密封盖下层;7、7′-石墨石棉密封圈;L3-压环;8-进气管;v1-进气管阀门;9-出水管;v2-排气安全阀;P0-铁水包深底管;10-砂箱;11-型砂;12-型芯;13-型腔;14-铁水缓冲石墨导块;15-石墨石棉圈;16-半环形卡;17-防护罩;17′-密封罩;v3-密封罩进气阀;v4-密封罩排气安全阀;18-密封圈。

图3-MaUrer给出的碳、硅在石墨化过程中的影响曲线，其中：

Ⅰ-白口区;Ⅱ-珠光体区;Ⅲ-铁素体区;ⅡB-灰白点区;Ⅰb-珠光体-铁素体区。

实施例与效果：

例1，在1963～1971年间，本人在冲天炉上用焦碳、石灰炭石、生铁、废钢、锰铁、硅铁进行了几十次条件试验，对铸造亚铁晶结构铸件的原料规格、冶炼风温、风压、孕育条件等作了系统试验，从而得出了上述的原料、配料要求。在当时条件下。我使用的冲天炉中以多风眼密筋炉胆冲天炉为最佳，因为它能提供温度为240～300℃的热风，热风风压为240～300毫米汞柱，具有能笼住一氧化碳的 炉体结构，基本满足获得上述合格的铁水，并取得了亚共晶铸件。

例2，在例1所述的基础上，本人把设有砂型砂芯、型腔的砂箱用铁筒密封起来，只将与砂箱密封连接的石墨管留在筒外，将石墨管抽入铁水，然后将铁筒抽真空，使铁水压入型腔，获得了φ150×300mm的共晶团个数达350的细晶石墨铸件。

例3，本人用石墨石棉作密封圈，用铁板作盖，对铁水包进行耐压试验，结果是：在气压达20kg/cm2，铁水包没有损坏，密封圈也不漏气。后来由于公知的社会因，实验未能继续。

但是，从上所述多次成功的结果可以肯定：黑色金属的压铸法是完全可行的，具有亚共晶结构的铸件的获得也是确有把握的。本发明的优点是：①铁水成份稳定（铸造快）而且纯净;②铁水从上而下不易产生气泡或铸件缺陷;③在加高压时可将几个砂箱墨置压铸，只要铁水包中之铁水能在20分钟内用完，铸件质量基本上可保证一致。