金属液态成形简述

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第一章 金属液态成形
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。
0 y' b7 S1 n  k: ^液态成形的优点：
2 L$ W8 y3 W4 F$ @$ K/ N( D2 ^（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
5 P! k* Z/ U( [（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。
+ L# k8 V6 U1 z/ t8 |6 Q6 S; ?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。
, d* s6 n- ~- ^2 ]% |, U" W2 G其中砂型铸造工艺如图1-1所示。
! d# k% D# {. t5 h4 D
$ X9 A8 D5 k  C# b9 y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。
' `0 J5 o+ D7 Q5 ]（一）熔融合金的流动性
& |/ M/ P/ r9 X1.     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。
4 r' v4 ]0 V2 M% j2 ^. l流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。
( E/ e( V) h& g# B/ a; n; o& d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。

|( ?6 i5 T: K% `# V/ C7 B+ ?图1-2  螺旋型试样 # J. `; L  [+ i' R# y' ~2 \

表1-1  常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）
4 [9 b9 }* |" A* }

) a0 F0 j0 }! t+ |' I3 [2 Q2 u! j合金种类 - q/ C* v0 e7 X3 @8 W0 }) L	5 V6 b4 G: ^" v; A& s* j% J铸型种类 " o4 t0 M8 }- v2 X% {	# f9 @/ x8 R, L$ [" a$ X" F浇注温度/℃	, V# `3 M! s4 z螺旋线长度/㎜
铸铁  wC+Si=6.2% 0 Q( ]! Z" p/ LwC+Si=5.9% 7 V  B: @+ v0 ~& z7 v; nwC+Si=5.2% wC+Si=4.2% # Z& ?8 B* d6 V8 \" `3 }	) S, o* G: P" i$ o4 i1 n* j6 d砂型 ( h$ e1 A/ X. e. i! T$ h( ~砂型 9 e( I! N6 ^1 |+ R4 {: E( s砂型 ' O' B4 C, H: d& t7 V5 K$ w/ s( y砂型 # c3 \& j' }  m. C7 O! T	1300        1300 1300   a7 P! _5 [. h6 ?5 p: ^1300   C/ \  x# C! P3 k4 X/ V	1800 1300 1000 7 g  q2 L! A+ [4 a+ I+ M600
" p+ M# [9 ~; P: A铸钢  wC=0.4% 铝硅合金（硅铝明） 8 p0 m5 _' v" x2 P1 n7 I镁合金（含Al和Zn） 锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%） + Z1 d/ d$ Y! z4 l  g硅黄铜（wSi=1.5%~4.5%） : X. s8 @2 X( [+ w% v; Q	砂型 5 M( }! d' h3 X, f% ?7 J! k砂型 金属型（300℃） 0 U' w/ X/ H7 S1 v, I砂型 砂型 , S! s+ Z0 d" |+ q7 T; Z" K砂型 " E9 v3 ^3 y' d0 G* Y	1600 1640 7 D* M! v- \/ I4 `4 U0 A$ t& C680~720 700 1040 1100	100 . s7 z6 R) b2 ~& k' L200 700~800 7 u# L* g, U7 {400~600 / i8 ]0 n2 w/ j* _" ?420 ! b! e$ Q) G1 y6 G. S9 \7 C) h1000 8 @9 Q' {! Y7 k- e9 o1 Q

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。
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。

, i- U# H. d. V& A图1-3  Fe-C合金的流动性与含碳量的关系 : x* d, I3 j' R1 t- v$ H: R

* S2 c- {3 \( e* O2 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℃。
3 b3 U( W. D4 u: l3 \（二）影响熔融合金充型的条件
. i; d4 e6 P4 F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 V; g, |* e; o# a; @8 ^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。
（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。
  A  Q! e: e; M" T. M! C' G（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 z+ O9 p# P2 q/ \合金的收缩率为上述三个阶段收缩率的总和。
: ]+ T( ^8 @$ T5 i! q, }

% G: ~5 U% P  S6 A6 \图1-4  合金收缩的三个阶段 2 i& A/ K& P4 I

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。
表1-2  几种铁碳合金的体积收缩率

' i* X+ d3 H' a: |' x! v. Q合金种类 5 N7 C$ X, a9 |9 Q8 G( ~	) g+ p( X, w8 U  |0 M" J含碳量 （%） 7 `8 ~9 T- \- [3 o	浇注温度 /℃ + B" t6 J+ s) Q+ q: N; G	6 _8 X# `9 I2 ?液态收缩 / @. p2 l0 p/ u5 ]1 g% R（%）	凝固收缩 - E8 x) e- B+ H; p（%）	+ W8 f0 M1 |" y5 O3 o固态收缩 : m5 F  `( `0 \（%） ' s1 s5 b8 k, @2 }8 N" S	总体积收缩 ; F- o% O# |) [6 @. I/ c（%）
碳素铸钢 白口铸铁 - e. D5 ]0 I$ |/ F, V灰 铸 铁 " o* i6 j+ ~9 |+ V' I% S5 ~' B8 Q	/ \  H5 v! [9 ~" L' o! u7 g0.35 3 Y- _9 M. N1 x; D3.0 3.5 & \" Y( h7 e' C1 u$ S	7 A4 A! z' q, o( v; j/ \3 q1610 * M: m% j+ b$ A1400 6 m/ H# B3 C# s  Z/ i8 [, e2 ?1400 - H) \0 m# r8 ^  n' x	1.6 2.4 3.5	3.0 + T( h/ x+ B5 p# C" I4.2 0.1 2 m, x7 S# k" s6 k3 J7 C# \  t4 O	; {/ {7 a1 r, a7.86 5.4~6.3 6 W* d! F, U3 O$ Y3.3~4.2	12.46 12~12.9 9 b' w5 p( @# B( P, K) P6.9~7.8

: N8 R0 B6 W3 `9 _5 e0 @表1-3  常用铸造合金的线收缩率
6 Y1 P7 o, ]/ a( Z# l  o

4 q, F: m: I8 X6 I6 y9 N% D# N7 U合金种类 - U; A- M3 M/ K	灰铸铁 # E4 t( N$ {) {( f; k+ M8 e' r	- V' F! K1 s- x: `, W; ]/ m9 t可锻铸铁 / N8 U: b* h0 |: a	球墨铸铁 5 u; @  g( @: p6 T4 L	- R- J) G" u/ g( N碳素铸钢 7 ^) r5 A1 W- _5 U8 b  A9 h	, T+ i5 v$ F- ?% o1 X3 I铝合金	3 I& L4 d. E6 C' i/ f7 y/ h铜合金 4 F% t5 K0 f( B2 P' `
线收缩率（%） $ C+ R% I0 m3 J2 q  B& b. C9 Z	0.8~1.0 1 _9 C# d( d" E  S	3 s9 i1 ?2 Y( w1.2~2.0	; N, r; K) C+ M9 Y0.8~1.3	, k2 l  Y5 x, b$ K1.38~2.0	- E, M" G# v; E1 [0.8~1.6	1 ?2 q4 G1 ^: `1 u7 |( m1.2~1.4

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
. r" u6 p. E6 g/ ^$ z1 f" o: ?

3 [/ Z- t6 `: w, a2 S" ~含碳量（%） , N& e/ H$ Y& `' v5 k2 T" o	% A9 }, e) n0 X+ I$ ?* o' X0.10	9 @2 n+ ~' v# j  k  l$ u9 Y- q( g0.25	$ v) Q' t& z& x# m6 \  L0.35	0.45 $ Q, D1 Z/ e) p' x; J) r	0.70 1 {5 M) H  y9 ^9 _. F5 b
凝固收缩率（%）   i7 k6 _- \: X8 I( U" c# w6 r- n+ n	2.0	: n( m  K0 E# a" K6 v+ `2.5	$ C! d8 _' K/ T* N4 R3.0	% g% G/ q' T3 Q$ B* z2 @% O4.3 ( s) r) m9 D) ~	5.3

% A( ]4 |" w+ Y/ \/ D5 C

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，
; M7 e3 W( x7 e. |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

! |" j% G9 r4 E+ u. s（二）铸件的缩孔和缩松
( ^( b" \( d$ w! n' [! M: x: Y( d# Z1．  缩孔和缩松的形成
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。
  q" B2 ^# \' F4 f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。
# y" f/ `- p$ `5 w/ ^4 l（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。

图1-6 缩孔形成过程示意图 9 z) [+ l3 y9 g! j, ^

0 X8 S  P3 ?  o- z+ x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。
2 o: f8 i: J- C8 C! j  z2 m1 b

8 j: J) `9 @' ~; R: o, K图1-7  缩松示意图 - ?0 _* f/ |! n: a; h9 K$ d  M: l

2．缩孔和缩松的防止
6 m" N- G4 J3 T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。

图1-8  定向凝固示意图

  f6 }2 T$ |9 Z0 v: |: _8 V, e% u9 l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。

0 Z( H  N# M" S图1-9 冷铁的应用

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

（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。
$ B- _: k! T2 f8 `- Z1 `3 B$ o1．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。

图1-11  热应力的形成 9 V, F9 r0 d# H$ e; G8 a; J+表示拉应力  -表示压应力

2 T7 F1 Q! _% ^# 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。