金属液态成形简述

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第一章 金属液态成形
; Y. l/ F1 ]! d! w' K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）
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。
3 w9 |' t. l9 L( {其中砂型铸造工艺如图1-1所示。

3 t$ M" L% E; R金属液态成形工艺基础
一、熔融合金的流动性及充型
" b: P/ W/ s: f7 ]' B% j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。
# z5 a$ m( q/ Y. ~6 h) X! R（一）熔融合金的流动性
, N% l" X! @( e8 o) c3 R1.     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。
流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。
* x5 @, C" E4 }. {& C7 d2 n3 z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。
, y. q( x: o- t5 D0 N- p- r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。
# `  L% A4 i& X5 ~# l( f4 C

; N8 _7 T# }& @) _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㎜）

合金种类 & j- N) s7 }, i/ R( y) X	铸型种类	浇注温度/℃ 5 c' j% H$ K" s4 E* f* I( {' \	螺旋线长度/㎜
% R% C7 z# }5 x0 J0 a铸铁  wC+Si=6.2% wC+Si=5.9% 0 L5 h; d4 g! y/ S- [8 RwC+Si=5.2% : G6 U2 `: e# o$ c, W0 k3 h1 C2 m* RwC+Si=4.2%	- a9 c( B5 G( w9 c砂型 , m0 l* R- [  k  u4 j砂型 砂型 , i$ c% K9 @- h; D! ~, q" d3 P. D砂型 : Q3 F7 d. B& D, q	; y5 U6 _4 Q0 m* F  Z  i8 {1300 . M* B8 C2 V% G1 i       1300 1300 3 a' q+ u0 Q! l! R1 P1300 ! W' w# `% z) N  O0 F# M% g( V4 v	1800 1300 1000 600
: y" i4 i+ B. E7 p, r铸钢  wC=0.4% 铝硅合金（硅铝明） 镁合金（含Al和Zn） , q* d) _' L; F, X% @0 z% n锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%） 7 C) K+ F8 Y' e1 b. R1 l硅黄铜（wSi=1.5%~4.5%） 7 w3 W. A0 V) A9 d# t3 W	砂型 $ `# z. X& H# T砂型 金属型（300℃） 砂型 1 O( O( B0 f/ a. r/ m砂型 7 w, s. F0 q3 P砂型 3 b$ D0 z* r% M' ~" ?; ]$ e	, ^3 E! j2 u+ O. v) b! ]: n) k1600 & J+ l7 b  _$ @" ^1640 680~720 700 1040 ! Y% l2 \' K; h6 `# H1100 % M7 x) @! Y) x5 t. J	100 0 e( J) A) R$ t) ^9 X% x4 i+ z200 - H% }; C3 H  w9 q; B700~800 400~600 420 , \0 _# h, g# O, B1000 ( t: i( n: U# D4 ^' z4 w5 m

2.     影响合金流动性的因素
3 W; D  x7 [1 Z* K/ ^. c（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。
& y% Y# ]  r+ M% P0 O, fFe-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。
$ c9 ?$ N1 f% i" J1 D$ B1 J

图1-3  Fe-C合金的流动性与含碳量的关系

（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
% k/ U: ?6 V; z; ~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。
2 \  g2 s5 n5 N# M; n# \% g二、液态合金的收缩
（一）收缩的概念
0 w" Q6 S- w1 Y' P0 U, e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。
, k3 s# _, q- C6 W合金的收缩经历如下三个阶段，如图1-4所示。
  ?8 ~, _. j* M9 q$ T（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。
6 N. R" q$ c& j合金的收缩率为上述三个阶段收缩率的总和。

- y- D" n1 s' h% E* \图1-4  合金收缩的三个阶段 ; z  a1 T0 a; T8 Q) g7 h

  M+ r# q2 Q- N7 x1 b9 Z  D2 x1 o* N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。
# p. \! d% d" `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。
表1-2  几种铁碳合金的体积收缩率

合金种类	5 N6 Y2 k1 X  I& H2 A6 t/ e4 {- V含碳量 （%） , ^0 S4 e; K2 y1 ^2 W$ |- \& Q) R4 S	9 K3 ?& t* U6 N- r浇注温度 ! h1 n7 x, D! e6 T. t8 b/℃ 2 O5 g# f4 C  n; H! y* ]# N" a	; N. ]* b/ W. `1 B液态收缩 （%）	凝固收缩 （%） # T1 u5 I: n% i2 @0 y6 B	2 o0 r$ d, \* P8 G# ^* m- r固态收缩 （%）	* F: u/ y0 R# T9 E总体积收缩 （%） ; R' j; j. d% \8 Q
& e) o- \- o3 C0 s8 d5 f碳素铸钢 白口铸铁 , x, F% [% o( M0 F) m灰 铸 铁 4 c" v  u5 s3 }	0.35 5 b$ G; M/ @7 w+ e3.0 3.5	0 p" E% ?5 p. V3 m$ o1610 0 \) z( J' _% W0 W  ^# j0 x1400 $ e6 g6 c3 o* p0 G' r/ A1400	1.6 2.4 ) ~( F) L# D+ a0 {" w3.5	3.0 0 q& t- e7 X4 q* l- P- X8 W4.2   ^  l% c. j; U" P' L0.1   M' D0 T& E" R	7.86 # c- j" p7 I' M9 z9 b5.4~6.3 , {! P; {3 l0 N( r1 ~0 f2 k' k8 p* Q3.3~4.2	12.46 * j9 Q% w% t: `( l- ?* A; H12~12.9 $ U# P/ p$ W: n& i  ?6.9~7.8

* K/ y& J# W1 W& B表1-3  常用铸造合金的线收缩率

合金种类	( e  D6 \" Z  }# ?7 u灰铸铁 0 [- C0 r+ z# D+ y, `0 V	可锻铸铁   U3 @0 Q, n5 @" \. u	球墨铸铁 1 Y& `1 q: F$ J$ M	碳素铸钢	- x/ A: V: D/ A; r7 N铝合金 , P! _1 S  J! [; i: p% {. f	+ K/ N; M9 Q8 F% ]! ?铜合金 " |# B/ y4 N0 H& @
/ a3 J3 d: _0 n4 M( q; q# R" D线收缩率（%）	0.8~1.0 . Z  a& Z5 F: P2 o9 H" |3 Q2 |- w4 k	1.2~2.0 1 _% n# g, y' t; O	$ o/ f/ Q( V" S$ ^" W0.8~1.3	+ c/ ?' R6 @# L' F- {" _0 B! G! y1.38~2.0	q7 L& a3 }6 ]0.8~1.6 9 {' u* d. r$ _: \: U2 r, l3 D	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。
" m* p3 V0 O1 Q2 L: g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
& e( H5 B% u, Y8 q

& U8 M4 j$ Z: S- K含碳量（%） . M( E& g9 r, k0 P	0.10 $ x! Q% `8 ~" c5 w9 g, Z5 o	7 t& |; H- X% E: u: {) [" O0.25 ' v+ A" x1 G6 B0 @: l. c	" Z0 m! s, g! N2 U& c! w0.35	# d3 B* e3 o' w6 k4 S0.45 - F( e  [  T: \; B3 c1 _	0.70   P$ R/ B9 O$ t: i7 W4 v  w+ S
. S* I! z% D3 n/ k凝固收缩率（%）	& h: l4 [2 |( O) [3 |& B2.0 7 q/ j5 b0 F" F# o  V! W) L& f	6 @  ~% r, s4 y6 U  F' w- O2.5 6 N/ }9 B4 V9 R" A/ K) t  R! d	3.0	* \. ]: z/ ]) Q* k$ l$ z4.3 ( v  m( l- W, w# U: V	$ B$ r; X, ?' O4 y+ w3 E4 H5.3

5 R* {3 ?3 W* X/ X0 F8 @+ {0 a
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，
0 f8 O, }5 K$ f! V如图1-5所示。

1 ]6 f/ Z8 f( y% {, y8 p图1-5  灰铸铁的凝固收缩率与碳当量的关系 8 F% }* t+ c. ^* k! H- D0 o

7 {- v+ x9 |/ W, r! Q（二）铸件的缩孔和缩松
1．  缩孔和缩松的形成
/ h" i! j& Q- j: o( R) I+ A3 j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。
' f" [, G6 O) I, R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。
& l2 j+ c8 U  e: I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。
6 g' F% w# L2 C( i

图1-6 缩孔形成过程示意图

$ c% q1 U( H+ m: I: Z' f. k# n  F7 o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。
3 j3 L; C& g, X' Z. f8 d& V（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。

! q5 P0 p% f! E, k9 w图1-7  缩松示意图

2．缩孔和缩松的防止
! i7 b3 z/ Z, ^1 p# ?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。

9 U. o! U% F7 V5 {6 s+ J图1-8  定向凝固示意图

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。
: \) D( _; T. z4 m$ Q$ D' q( `/ ]

9 V2 k2 R7 e2 b9 l( b: t图1-9 冷铁的应用

# Y- f& U6 t3 ~' ?" c0 p, X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。

9 |$ m$ P! f* N图1-10  缩孔位置的确定

（三）铸造应力
& x0 ~9 _5 y! \# n# c# T! ~6 m4 E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。
图1-11为框形铸件热应力的形成过程。
$ N1 P' R5 j8 I$ V! o2 G

& ^  Y5 m% N6 t1 y图1-11  热应力的形成 $ _3 x" ], _) m5 q+表示拉应力  -表示压应力 3 d# u) \( f1 M3 C, ~; F2 c" n

# f6 f/ R% T  w; W# T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。