金属液态成形简述

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第一章 金属液态成形
/ h0 c1 ?7 l- k( C  C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）
: Y. u2 S6 O. C( _- p' C1 G. [（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。
) |% y1 ^' W% x) l7 \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。
8 V. v, b" K  T* P/ B
金属液态成形工艺基础
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。
（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。
流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。
* C" W  ~; A; ~" O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。
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。

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㎜）
( v$ W: V2 K, M( s% [0 S

合金种类 ; T: O; U3 O: W) ^8 P0 D	铸型种类	2 f3 t! K9 A. e' `浇注温度/℃	螺旋线长度/㎜
铸铁  wC+Si=6.2% wC+Si=5.9% & f2 c; U1 @4 R7 R' B$ rwC+Si=5.2% ! |( s+ i. g. |& S9 N; @2 WwC+Si=4.2%	砂型 砂型 砂型 4 L9 V/ p6 [! S" m2 N: x& Y砂型 % P, ]! t7 I" |1 i( n7 u& ~	$ m* x, G2 t, C' c( b1300 : W" z* C9 M9 w- }4 ^       1300 6 v+ ~* |; g0 E/ @  [8 s( d* N1300 1300	1800 1300 1000 " Q# s; W0 y9 J! j+ a. E. O0 r% a* {600
铸钢  wC=0.4% ; P& P1 q9 l" G9 c1 A# @$ _- m % G' T( G  L8 c( P0 V5 f铝硅合金（硅铝明） 0 D& s# R! @, X# P6 z' h1 O3 n镁合金（含Al和Zn） 锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%） % h. S0 M* F8 G0 [+ d$ z/ M硅黄铜（wSi=1.5%~4.5%）	6 @( v9 r4 G9 Y; w/ m) A$ s( c* x) M砂型 砂型 金属型（300℃） 砂型 ! v) S' m3 I1 a; H6 M砂型 % V% }8 q+ Z$ h7 E砂型 5 o3 ^7 S" Q6 a) U% }	1600 / W, r2 j2 l; \- ]+ g' U1 ^- |1640 680~720 700 1040 4 t5 `. p/ w$ h1100 8 p" A/ W* ^4 G" f( h0 c	$ B+ `$ M! u9 ~) q( e1 b- o, _4 \- y100   J' X! u, E  B, t200 * \. m8 `: I1 \6 |700~800 400~600 + U% D; s" C3 h& u420 * M. P3 P+ }8 H4 @, {1000 6 X% u# l8 h7 f6 M3 O* z9 `; U

2 W- n1 O) ?$ M/ N3 l. [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。
9 u% S% n0 B3 `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。
, d( g/ s) G6 G

8 W& C( u9 a; w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
; ^- R. c% w; X# A, |; e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。
( \$ {0 A- N( }$ P, B$ X二、液态合金的收缩
3 k0 g6 ^4 \* u, i' n6 W（一）收缩的概念
2 `" J6 l  p$ O1 M+ H! X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。
0 X* W; X3 m- Y' w（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。
; t& |3 n0 W5 Y5 _! D（3）   固态收缩：从凝固终止温度（Ts）到室温间的收缩。
  d. @3 X- x; |# a9 i; N- o% Z合金的收缩率为上述三个阶段收缩率的总和。
! W2 J  \. y7 F

6 i- U9 e: m# p, @) i0 K图1-4  合金收缩的三个阶段 2 V; `0 ], C+ c/ t

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。
8 w0 i4 r  {" ?3 G表1-2  几种铁碳合金的体积收缩率
( X$ Z5 ]# ?. @

合金种类 4 g* s5 @4 h! j	( K: o% s! i) u, F. z5 b含碳量 （%）	' d+ I* ^3 p( U浇注温度   V: s9 z4 n5 N/℃ ( z# K2 {0 e* N6 a; w1 z1 c5 ^	- }2 f  F1 [; z1 [# J( S& F液态收缩 ' F7 E8 o9 _4 Z: h/ V' {8 g3 n（%）	# p/ a# b* v* N( l& {2 y6 c- K) ^凝固收缩 8 A0 v% T7 I! `6 T7 o（%） ) P- n, p" x' v1 R2 \. C& e  w	固态收缩 （%）	总体积收缩 $ `2 E, h. J; l（%）
碳素铸钢 , r( f+ c0 B2 {+ m0 @$ g1 A% w% l, u白口铸铁 灰 铸 铁 + A& N/ G% W, @7 M8 E4 @- S	0.35 * j- T8 }5 o! v7 k3.0 3 n) u" j( K3 C$ t) [% }% \" c. H$ ~3.5	1610 : H1 m, ]8 X' e0 i! Z$ K1400 ! n* h7 ]% Z. P. A$ o/ J, T6 j* @1400 4 y7 X- P) W$ E# E& j	1.6 2.4 3.5 2 I8 r/ `8 o% D) J2 {  [  R	) P+ J4 n2 N$ W5 s0 a( f3.0 4.2 0.1   E: k( [1 j! h3 K* `* X  Y0 Y	7.86 7 g! x" @0 p- P+ Z) n, m1 {( g  z5.4~6.3 & y# S3 D- ]9 J3.3~4.2	12.46 % ^) h  o2 s2 `( z) y  ?5 a12~12.9 4 @8 L" J+ N) T6.9~7.8

表1-3  常用铸造合金的线收缩率
6 L% K* D" Z- M" S

合金种类 ! {. ^: I6 ]' k$ U! S	1 j  a8 L. h1 h: g- H+ u5 W. k! \灰铸铁	可锻铸铁 + ~: P/ x# S, t	+ W  N4 Y* z2 O$ z7 l6 `5 L4 O球墨铸铁 # U. H: a3 U6 }  L- K	8 _+ U9 v0 B1 @# N2 o# N% V碳素铸钢	铝合金 ' i  N( o& U4 }3 N6 j2 C% I$ C	铜合金 + ~1 q2 Z# ~2 ?% p! m
3 n" Y- B" }2 s' x7 |. b线收缩率（%）	& `) W+ b. V' s! m9 b' `  z0.8~1.0	- h- O$ \, p: Y  p& o, g1.2~2.0	0.8~1.3 2 O3 }; w: j* \6 C	1.38~2.0	0.8~1.6	1.2~1.4

& r1 ?: V8 L  R' M6 K) P/ c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。
# R$ H+ \% y' V9 Z* i  K( o+ B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

含碳量（%）	& g/ q8 @- m& j. |. Y0.10	0 n2 }! C$ r9 r" i* D0.25	8 U3 w3 r( @; y) _+ m0.35 3 @5 l/ Q0 c( c* D  S# E	0.45	0.70
凝固收缩率（%） 1 w: r3 h" q% n- p5 b+ ^: {	% y0 {$ q  m+ w0 c' |. ~' U' y! f# n2.0	2.5	3.0	2 D4 |% q3 ~( Y/ S9 B4 y: g/ d4.3 & Y$ R; B- q* v0 p4 p+ K6 `  a	5.3

& n1 |1 h" F$ c0 E

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，
8 O. b, M4 W; L- P如图1-5所示。
  a5 t( J& A0 A8 ~6 W

图1-5  灰铸铁的凝固收缩率与碳当量的关系 6 V3 u' i$ ~" I/ `

（二）铸件的缩孔和缩松
* X; z$ a' C! t; Z+ E3 Y/ m. R$ g1．  缩孔和缩松的形成
# Z1 d3 O& B, _0 y/ Y# q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。
$ K+ M% G, }5 D1 V- o& ^0 J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。
7 w, H$ W* w2 O+ w0 X( M7 W

/ G) u4 v  d" p; D% U9 b5 _图1-6 缩孔形成过程示意图

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。
' v% t( b7 a8 C, [（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。

5 N! s8 {( `0 |: j* I图1-7  缩松示意图 4 J+ C5 V( m7 Y- U3 ^6 J/ f' O; y' v

2．缩孔和缩松的防止
6 ~, H; \/ v3 h/ p  d# x3 R) \% s+ v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。
, G: p" e- x5 o' V8 U

2 N  O6 Z) s( B% o: J! M' G图1-8  定向凝固示意图

# A* r" g% q0 h9 c  M# A5 u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。

图1-9 冷铁的应用 % l, L# @, |& \5 T) W

; A8 b  Q' d) c. [5 H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。
. P% W% p' b, D8 ]: _8 o, p6 @

/ P; R; j& d! r# M4 A& d图1-10  缩孔位置的确定 : z9 s  p4 H2 N2 O/ S

（三）铸造应力
: ~5 `; Q9 M0 M+ I4 K9 B1 L  U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。
* r) C5 S+ j' |3 {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。

9 Y# r. g/ W+ f图1-11  热应力的形成 1 N, W7 Y5 Q4 v9 W+表示拉应力  -表示压应力

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。