金属液态成形简述

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第一章 金属液态成形
$ ^- J+ i4 v: N& V! K- O% j金属液态成形（铸造）：将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中，待其凝固冷却后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的方法。
液态成形的优点：
（1）适应性广，工艺灵活性大（材料、大小、形状几乎不受限制）
（2）最适合形状复杂的箱体、机架、阀体、泵体、缸体等
（3）成本较低（铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近）
8 f: [6 q2 N( }主要问题：组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低。
分类：铸造从造型方法来分，可分为砂型铸造和特种铸造两大类。
其中砂型铸造工艺如图1-1所示。
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金属液态成形工艺基础
$ ^$ o7 ]5 _4 B7 t% ~! ]一、熔融合金的流动性及充型
液态合金充满型腔是获得形状完整、轮廓清晰合格铸件的保证，铸件的很多缺陷都是在此阶段形成的。
- k) j6 W5 Y" D8 i2 N（一）熔融合金的流动性
1.     流动性  液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力，称为液态合金的流动性。
% J7 \' L; k3 I# r; Z. J流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。
流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进行补缩。
  h# t% U0 G( O! D螺旋形流动性试样衡量合金流动性，如图1-2所示。在常用铸造合金中，灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。常用合金的流动性数值见表1-1。

% M, o* X( }* O图1-2  螺旋型试样

表1-1  常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）
9 d- A* G% H) ^+ Y: Z/ F

合金种类	3 Q+ p2 E( @& Y' w铸型种类 ! o* B% T9 f. e1 ^+ G	4 l* o! f0 N+ S+ j$ l7 h浇注温度/℃ 3 w4 T. N  j/ W& e/ @2 C" z! z, [	1 u3 ~" L! R3 a, G; U- z- p螺旋线长度/㎜ 8 `0 h5 o6 k1 K3 Q# `% A5 k% Q) F; ~
铸铁  wC+Si=6.2% 4 l9 e; U- E/ \& x9 X% q  xwC+Si=5.9% wC+Si=5.2% : z% v; y6 Z% V6 r1 o) j5 R$ pwC+Si=4.2% * B! M/ u2 O' ?9 g	/ e% F; z! R$ Y# E砂型 5 |- f( z  d- K7 r3 q& s! R3 t/ h砂型 砂型 砂型	1300 0 s  ]# ^; k. \6 C$ i       1300 % Y$ Z9 [% l; X% l) C" N1300 0 e4 {2 V4 S/ v1300	1800 1300 + {- P! ~' a3 v& R; o1000 7 u3 j0 s4 ^: q, h5 ^- j& e" s600
$ B) r1 y0 x  v+ V5 Q" w7 U1 ^  N' b0 N铸钢  wC=0.4% & V- Y  c" I/ F" z ( d3 _" m) f! z  b铝硅合金（硅铝明） 镁合金（含Al和Zn） 锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%） 硅黄铜（wSi=1.5%~4.5%） 3 J# w  N  y* R% c% t. t# Z! ?* d	* K) I1 G/ T+ n6 G) K* L, f砂型 砂型 4 S3 `! M; W; g/ Z) F金属型（300℃） : s6 |. q2 G9 s3 r& L砂型 砂型 砂型	1600 1640 680~720 700 1040 1100	" l9 y% w0 `* P9 D1 \; N, t100 + [: _: ?; s! N# D% j+ k200 700~800 & @: ^" G0 P$ D7 J* A: O* [400~600 " @. Y* }+ C$ P' F# k4 c# s% H420 1000 % C, A0 |/ I! F: B4 Z4 q" g) ]: K

2.     影响合金流动性的因素
（1）   化学成份  纯金属和共晶成分的合金，由于是在恒温下进行结晶，液态合金从表层逐渐向中心凝固，固液界面比较光滑，对液态合金的流动阻力较小，同时，共晶成分合金的凝固温度最低，可获得较大的过热度，推迟了合金的凝固，故流动性最好；其它成分的合金是在一定温度范围内结晶的，由于初生树枝状晶体与液体金属两相共存，粗糙的固液界面使合金的流动阻力加大，合金的流动性大大下降，合金的结晶温度区间越宽，流动性越差。
4 G+ ?- i6 P. [( Z5 f2 U5 }7 N. ~Fe-C合金的流动性与含碳量之间的关系如图1-3所示。由图可见，亚共晶铸铁随含碳量增加，结晶温度区间减小，流动性逐渐提高，愈接近共晶成分，合金的流动性愈好。
' k$ Q2 H! \+ M7 I0 I: u9 [

& i. o* r/ E2 z7 o7 W4 w' X7 M图1-3  Fe-C合金的流动性与含碳量的关系 + L/ Z, g1 E1 h& Y% f

& T4 C# _$ f/ `/ ]9 W4 s0 i（2）   铸型及浇注条件  铸型的结构越复杂、导热性越好，合金的流动性就越差。提高合金的浇注温度和浇注速度，以及增大静压头的高度会使合金的流动性增加。浇注温度：铸钢1520~1620℃；铸铁1230~1450℃；铝合金680~780℃。
（二）影响熔融合金充型的条件
铸型的温度低、热容量大，充型能力下降；铸型的发气量大、排气能力较低时，会使合金的充型能力下降；浇注系统和铸件的结构越复杂，合金在充型时的阻力越大，充型能力下降；提高浇注速度、浇注温度和增加直浇道的高度会使合金的充型能力提高。
二、液态合金的收缩
（一）收缩的概念
- s" B$ V( k7 f液态合金在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的现象称为合金的收缩。收缩能使铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形和内应力等缺陷。
合金的收缩经历如下三个阶段，如图1-4所示。
（1）   液态收缩：从浇注温度（T浇）到凝固开始温度（即液相线温度Tl）间的收缩。
（2）   凝固收缩：从凝固开始温度（Tl）到凝固终止温度（即固相线温度Ts）间的收缩。
（3）   固态收缩：从凝固终止温度（Ts）到室温间的收缩。
合金的收缩率为上述三个阶段收缩率的总和。

图1-4  合金收缩的三个阶段 1 n% t. g5 E+ ~! `4 w' K

体收缩率：因为合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩减，故常用单位体积收缩量来表示。
线收缩率：合金的固态收缩不仅引起体积上的缩减，同时还使铸件在尺寸上减小，因此常用单位长度上的收缩量来表示。
常用合金中，铸钢的收缩率最大，灰铸铁最小。几种铁碳合金的体积收缩率见表1-2。常用铸造合金的线收缩率见表1-3。
; T) ]; |! L7 \1 ]# D8 [# D; h/ s. f表1-2  几种铁碳合金的体积收缩率

合金种类	$ h& Y6 c* p; L' E; ]含碳量 （%）	浇注温度 /℃ & F8 x1 v6 R- k& [9 ^	. N4 i) G- D. B  |液态收缩   ~/ I; Z; Q* H0 X: N（%）	, f* o' G  O! Y/ Q2 G+ q凝固收缩 （%） ' B. c* J& m' ^	( h- ?. ?( L" c) B$ I# l% L固态收缩 （%） / y$ d1 w) g1 l+ E. z! F$ K: b	总体积收缩 （%）
9 L/ `3 Q# p% e$ W; X2 f6 `+ t碳素铸钢 白口铸铁 灰 铸 铁	" D6 z! c2 {& b  \8 U0.35 3.0 $ G/ |+ `( P/ N. r1 R) `3.5	& K* o' v! V/ ^  F7 m1 [1610 1400 - r- G; `% U! [- f% Q+ o+ U7 ^1400	- [$ {1 m, U- {1 z1.6 . ~, V7 L  r) k( ?# A3 a2.4 9 m7 s) D' D% ]2 y! R! U3.5 2 d. S. F! n6 o% d	" v) H% l; R1 l3.0 4.2 0.1 , b6 K8 _. {5 z" p8 E9 l	7.86 ! J' Z, ?# S/ V5.4~6.3 & Q# k" I: a# k6 P$ C3.3~4.2	% |1 g  _" J: K1 G: o12.46 12~12.9 " b0 W! T. t3 O; H) T! C6.9~7.8   r8 t& }- P6 I, B; F

' A2 T( b8 t0 Q3 J, b  R/ m1 S表1-3  常用铸造合金的线收缩率
. }* }4 |8 P% s* B2 s! K* G% K

1 z; `  T7 a+ C合金种类	灰铸铁	可锻铸铁 8 {) E5 G* E) X* s# v, c	球墨铸铁	" p3 e" f1 T; |  L; _碳素铸钢	, G; y+ p7 l/ o4 M8 g5 k; f/ R铝合金	铜合金 . u& O8 C* Q# d* |* L& K% }
' H8 ^1 \# p1 L& g6 K. u线收缩率（%） 8 f6 G3 P! ?: V	0.8~1.0	1.2~2.0 2 u5 Q% T3 T7 e: [( u: T7 Z	( t+ J  ]) \& ]# H0.8~1.3	1.38~2.0	0.8~1.6	1.2~1.4

化学成分不同，其收缩率也略有差别。例如，碳素铸钢随含碳量的增加，其结晶温度范围变宽，凝固收缩率增大。
几种铸造碳钢的凝固收缩率见表1-4。
表1-4  铸造碳钢的凝固收缩率

6 s9 m; U. \3 v8 d含碳量（%） ' a4 ?* ~6 K6 V3 N. Q	" S- M2 Y2 q: m% C# Z0.10	" }3 @. l% t4 }8 W$ H( t5 N0.25 9 ^, M' m, k0 A, v$ p- ^	0.35	0.45   Z0 d* a+ B+ T8 S! p7 j: L( @	0.70 # b3 l4 }9 F7 H% h% ]# I
6 _; G/ l9 H$ m! R8 m' C1 p0 x& G! l# ~凝固收缩率（%）	2.0	2.5 / R$ r& E3 V) a5 _2 T	3.0	4.3 / S' \/ T" W: p2 w/ X9 C	; ?* b5 B0 ?' H" h5.3

/ g( [  f8 j# E- S( @; H
$ n2 ~* _5 I8 y9 c9 a3 k
灰铸铁在凝固时有石墨化膨胀，故随碳当量增加，凝固收缩减小，
. [% ^$ D9 V& w0 O如图1-5所示。

图1-5  灰铸铁的凝固收缩率与碳当量的关系 7 X( h. O: d) ?+ |( {6 \7 [: m9 _

% i  w0 D" R1 J* _! [（二）铸件的缩孔和缩松
! N' }1 Q5 h1 M" K1．  缩孔和缩松的形成
, _3 @' P0 ~& O7 F* p0 l若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。
( s& ]8 }' L2 }  ]# G缩孔：集中在铸件上部或最后凝固部位、容积较大的孔洞。缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙。
缩松：分散在铸件某些区域内的细小缩孔。
（1）缩孔的形成  主要出现在金属在恒温或很窄温度范围内结晶，铸件壁呈逐层凝固方式的条件下。如图1-6所示。
+ Z. x' i# ~. c

) o* ]! x  y: V  o# I. j图1-6 缩孔形成过程示意图

6 M6 ]1 p& c8 |: ?8 ~: r5 \合金的液态收缩和凝固收缩越大，浇注温度越高，铸件的壁越厚，缩孔的容积就越大。
（2）缩松的形成  主要出现在呈糊状凝固方式的合金中或断面较大的铸件壁中，是被树枝状晶体分隔开的液体区难以得到补缩所致。缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方，如图1-7所示。

图1-7  缩松示意图

+ ?, W: Q: y& v% p* q+ o7 V2．缩孔和缩松的防止
, B; q  [' M. p% r+ P  L; O防止缩孔：使铸件实现“定向凝固”。
定向凝固：在铸件可能出现缩孔的厚大部位，通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位最先凝固（图1-8I），尔后是靠近冒口的部位凝固（图1-8Ⅱ、Ⅲ），冒口本身最后凝固。按照这样的凝固顺序，先凝固部位的收缩，由后凝固部位的金属液来补充；后凝固部位的收缩，由冒口中的金属液来补充从而将缩孔转移到冒口之中。
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图1-8  定向凝固示意图 : M0 E# q. v: F+ K7 i9 g

冷铁：为了实现定向凝固，在安放冒口的同时，在铸件上某些厚大部位增设的金属材料，如图1-9所示。
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图1-9 冷铁的应用 2 X( ?& T* }3 L

热节：画“凝固等温线法”和“内切圆法”，近似找出缩孔的部位，如图1-10所示。计算机凝固数值模拟技术，可以帮助预测缩孔或缩松产生的位置。

图1-10  缩孔位置的确定 6 i) Q2 ^4 _( a& N7 V* y- j

（三）铸造应力
- e$ ~0 o4 q3 p* w" m# ~+ N/ g铸造内应力有热应力和机械应力两类，它们是铸件产生变形和裂纹的基本原因。
1．热应力的形成  由于铸件各部分冷却速度不同，以致在同一时期铸件各部分收缩不一致而引起。
0 t, j8 K6 M$ O0 O# y图1-11为框形铸件热应力的形成过程。

8 k7 v0 ?5 d% p% a! w8 ]) O: f图1-11  热应力的形成 +表示拉应力  -表示压应力

3 }9 C/ [3 x# G0 n4 T! k+ G热应力形成规律：铸件的厚壁或心部受拉应力，薄壁或表层受压应力。