金属液态成形简述

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第一章 金属液态成形
3 j- Z0 @. |, y9 J0 {/ f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。
4 a( j0 O. K; a1 i& p: N: X液态成形的优点：
' q5 l) v  W9 V) X0 E. W: p1 ?（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
- `' O/ }3 J, K( |+ L（3）成本较低（铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近）
' K* {. p, c! F$ H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。
- u3 a$ E5 E3 t" H1 H1 G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。
  u5 L! n6 ^+ s0 u$ U7 c* m其中砂型铸造工艺如图1-1所示。

7 D0 ~$ n7 G1 ]1 ^金属液态成形工艺基础
( p. h& ?; W; S: f3 O一、熔融合金的流动性及充型
7 j& O1 F0 G  p8 c- b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。
9 \2 [! q% B1 f( {, ~  q- T5 M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。
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。
0 [# @  S0 p7 k+ n

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㎜）
& W1 B& A: r9 f0 W7 C; N  D$ F

合金种类 ! S, B& q5 h; B0 S) A+ e	铸型种类	3 J9 E/ ^2 F- L5 W4 w2 R  H6 ?浇注温度/℃ - ^- \+ Y$ S" Y. O4 F	; E  c% r9 p2 X6 R螺旋线长度/㎜
铸铁  wC+Si=6.2% wC+Si=5.9% : \7 M0 `! N. Y8 S+ F2 R) }wC+Si=5.2% wC+Si=4.2%	. B3 q4 X2 z; b- L1 ^' b% O3 u砂型 砂型 ' G4 g: i; n, d& ~4 e) w( R3 F砂型 ( U/ g! u& J- z- w, B4 h" f砂型 & p$ L( E2 `2 B# H	! @( W" B* D: |- v, j1300        1300 1300 1300 7 C' T4 k5 T) X& T	1800 $ t) g, a1 ?5 ?; @2 ^9 x- h' L1300 ) J, O( e; r& e( t1000 ) V3 ~1 X7 P* w* ^( j600
铸钢  wC=0.4% 2 V/ g4 C5 j# e' [3 R# ^6 i$ Y' A铝硅合金（硅铝明） 镁合金（含Al和Zn） 0 O0 M( A) ^5 ^; @. ^, A4 R6 l, H锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%） 硅黄铜（wSi=1.5%~4.5%） ; y& O' r9 e+ U% z" q3 i" |	/ @2 n0 `- q9 O5 E, o0 B! C* t9 v砂型 ' u, A- I2 P1 l$ E砂型 6 H- `0 y% c! b2 x金属型（300℃） $ R1 F+ s; y7 d# u3 f砂型 砂型 砂型 ; W7 ]6 v5 R9 L: _  l: S% R	4 V, _  ?, {) P1600 1640 " z  N  M: ^# o9 e# ~9 L680~720 700 % u; b$ x5 Z4 C5 V+ m0 l1040 / A: _. l, O% b& B& z" D" W; c0 c1100	0 X! h+ x  F7 G: y* }) {3 X. d$ E100 6 w2 |( N" x3 f1 v3 y! z: b* |200 2 w% `2 y8 O( G* e+ y700~800 400~600 / O. r% t" x  M3 r2 [6 \2 ?420 2 l" S; H& ?: B( O) X0 n7 W1000

+ ~- X6 h4 m0 u  M, B1 a2.     影响合金流动性的因素
, l8 |5 n" q% U8 x' Z+ Q2 H（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。
. S7 z( B2 Z" c# q* E- @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。

图1-3  Fe-C合金的流动性与含碳量的关系

5 g7 a# X0 y& |: N. O（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℃。
; v6 v: d& X# C, F; D（二）影响熔融合金充型的条件
% E# O5 _) Z2 W+ P' w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
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。
. s+ g4 N/ M8 C6 \1 m（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。
6 g+ A* Q, ]4 e（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 : {2 d9 S; _' }7 _6 r

9 T3 U+ c7 {3 |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。
. u$ d7 q+ k! E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。
9 A) K1 `; ], E) }$ F8 O表1-2  几种铁碳合金的体积收缩率

合金种类 # v; d2 o- f) P* H6 c3 _  L# Y	) F0 O, a/ v$ A6 r. U# l) @- D* X含碳量 （%） - e: M8 ~% v0 C. v2 Y	2 I3 h0 R0 N& Q+ M浇注温度 /℃ % B4 q( d3 N- y1 p' w	液态收缩 3 G4 O' ^. }# y+ |2 |（%）	凝固收缩 6 ^. N0 A/ t9 B; P" R1 h! d（%） ( H; t+ k. q4 H  e! `5 Z	( z4 ~$ K9 }8 G  U3 ]+ D, k5 i3 Z/ r固态收缩 : S' `' F  ?% f* m. P4 h（%）	+ p  K$ z9 m" o! p: T$ r& Q8 e总体积收缩 * ~$ T9 S$ S( U+ |" Z3 S1 H（%） 2 S2 {. }9 @: w( G# y
5 U# k# s# o6 J$ C8 V0 q/ d碳素铸钢 " Y4 a5 Z1 \$ r) H白口铸铁   D: C4 X' w9 p, f! A灰 铸 铁	. y3 q% d  \$ [/ @7 _. d0.35 3.0 9 j0 [. r6 _5 i, M: d* B4 }3.5 5 I1 {+ U4 L3 V( X$ W6 u	$ d* |9 D' J5 q4 Z1610 1400 1400	& b7 H% h, u+ q" R5 q3 p1.6 ' M; p2 R( ^, h3 V) p( R2.4 - b! f% J! g0 l- M8 ?* C3.5 % c% D; G$ l7 n" K	3.0 4.2 0.1	7.86 # F7 G+ |$ r# p4 ]* W5.4~6.3 3.3~4.2 : N; L( s& q1 u	12.46   Y* {+ {; b$ H12~12.9 6.9~7.8 9 G; A. [3 |: x9 K+ M; _

6 c- x  u( F2 `# w3 u表1-3  常用铸造合金的线收缩率

) P+ i) }2 Z9 h- x9 z+ X合金种类 ; k* H+ C( @4 v6 j0 w) c& m	灰铸铁	% v, f3 [/ f% O) k可锻铸铁	球墨铸铁	碳素铸钢 7 c! p* ^, v8 @+ J7 C	铝合金	铜合金 7 O5 l. T- }- ~& [: p2 P$ H# E, u
线收缩率（%）	/ }, C' e# J- a6 G  V0.8~1.0	1.2~2.0 / H9 A# ~: S( |# J  e' K1 p	0.8~1.3	1.38~2.0 8 H7 |8 {) A" F7 m" b$ u0 i$ \	0.8~1.6	1.2~1.4

0 E; `' O% u& [) O" i( C# m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。
2 G3 A5 |# c' p: M# h1 s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

o3 F; c. f) {含碳量（%） / H9 B: e" ?, I( T0 ?/ d  k$ g	+ q0 ]# h3 N7 ?4 J0.10 ! q7 }- B  z9 r( U5 O$ I- \6 M	0.25 9 _4 [/ ?* r# ~$ A	0.35 5 R$ H5 n' n0 v	0.45	/ r/ n' D, ^' ~# V0.70
凝固收缩率（%）	1 _6 T8 P' Y' v& X2.0 ; z  F% F$ M' y+ p/ F	3 C2 j  C$ x( S9 O, }* g& p: K! w, N2.5 6 y8 ~+ g& B" M! k, Q. E" v1 d	0 R, y) O, n( ^7 U/ q4 H/ V+ T  Y% P3.0	* t* O' T" t; b2 E  n; e( [4.3	5.3 / T7 S/ @1 {3 ~. i1 d; @

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，
6 w- m& n$ j4 N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

（二）铸件的缩孔和缩松
1．  缩孔和缩松的形成
# i; U4 ~5 P6 a9 H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。
  C7 h( q0 w6 |/ f3 E, q4 O1 t6 m3 b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。

/ k# g4 p" ^) W* r3 h% B& i+ H图1-6 缩孔形成过程示意图

" L1 N( H. C& W7 Z" e4 b9 I) t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。
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5 X" n) w1 }3 T; ^' f; G图1-7  缩松示意图 4 [* z3 l4 @& K2 L4 q- X; m

2．缩孔和缩松的防止
防止缩孔：使铸件实现“定向凝固”。
  C0 N3 B. k. c' E8 Q5 I2 [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

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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p3 q( ~! x# q0 e图1-9 冷铁的应用

8 n- _1 z' v4 _% k2 N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。

' L% @* Z  k9 y" m图1-10  缩孔位置的确定 ! Y4 l- a! O/ W& ^7 a* |7 R

2 H$ y  ?9 f! z* p* M; p: O1 k4 D. }5 q2 Y（三）铸造应力
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。
9 i8 e. P. d; M2 Y图1-11为框形铸件热应力的形成过程。
/ j- O$ e2 c; y+ S! a

4 d' _' ]: p. a- w+ b4 T% n6 |图1-11  热应力的形成 6 |( v; A( \) b+表示拉应力  -表示压应力

+ x; j2 t7 [2 w7 P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。