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。
7 Z- V0 Q" H5 o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）
! p* t$ |+ i  b. ]2 n( r2 Z2 |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。

; e0 p1 r8 J- {7 W/ d9 T金属液态成形工艺基础
# R& z1 w/ C: Y. s$ b6 n5 r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。
8 a" }8 q$ y" I; l（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。
* \+ J6 i8 J8 c8 s' G: U9 {流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。
4 j/ W  L' ]4 c9 t% R) J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。

5 C% O0 C1 Y5 y0 n( i' ^* z, l3 V图1-2  螺旋型试样 + y, L8 y7 P% G8 X

表1-1  常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）
% R2 Z1 t, M$ j* m

O* ^, ?( z5 X' |1 l; X( W+ V$ }合金种类 & ~& \! P2 Y0 O( C' t# w0 {4 c	) E* U+ f1 O$ p: d" D0 C3 M铸型种类 $ p* ]' A) Y" ~	" Q+ ~( J( o# F' P8 T7 b浇注温度/℃ " ?  ~0 f: o8 n! z: x0 q: u, u	螺旋线长度/㎜ , L8 T, i3 F3 p& }% n* i9 ^  E, u
铸铁  wC+Si=6.2% $ ~% |) a: t8 i/ Q- p% O0 I0 mwC+Si=5.9% wC+Si=5.2% ) W! t) x2 ]  E4 y: ~wC+Si=4.2%	4 A% Y3 q" J6 a# |砂型 砂型 砂型 砂型 : U$ z" z2 \9 U" K5 m$ _4 p	# t" {. z- d/ _1300        1300 1300 1300	7 W  K7 N4 W( U) f4 [1800 ( W1 x5 D7 K7 C1300 9 s2 B- ^, l6 j  {1000 / a/ o5 h& ]( ^600
2 ?/ Z2 Z, h# S# s2 [7 U铸钢  wC=0.4% ( E9 O# {7 ^8 l铝硅合金（硅铝明） 镁合金（含Al和Zn） 锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%） ) H4 d4 z2 v1 b! ~+ L7 F硅黄铜（wSi=1.5%~4.5%） 8 R1 q0 v; T, O9 D! ~4 x: ]	砂型 砂型 1 G( I0 c0 F/ g$ j, P金属型（300℃） 砂型 砂型 砂型 ! k# d# ]( o3 V8 x	1600 % [" y  x; Q. g1640 7 l/ k% s# b' c: }680~720 1 b- I+ n0 f2 w700 1040 6 A" w0 ]0 D. @0 f1100	100 200 700~800 400~600 420 1000 8 L  P; k- m8 P3 c! w& b

, Q8 k: D  I, v' ?6 |/ v: j2.     影响合金流动性的因素
# g3 h( L) k9 M1 `（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。
) t$ F3 v0 [1 t8 b$ r4 P

0 m& {- F% e1 u图1-3  Fe-C合金的流动性与含碳量的关系 9 }' N' ~1 i8 A$ N$ t# a

（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℃。
( U4 U* m$ j% o（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
5 D$ Q+ {/ [) p6 u2 S7 @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。
; j3 Z3 F3 Q1 p. K: n3 `# s: s' c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。
" D4 ?0 L$ U8 t0 [（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。
1 z$ Z8 q# j! W8 M2 m/ O（3）   固态收缩：从凝固终止温度（Ts）到室温间的收缩。
( I/ Z) J" C7 D- w4 R: e合金的收缩率为上述三个阶段收缩率的总和。
& C) y2 y) A. x: |5 t

图1-4  合金收缩的三个阶段

. _& I3 W, i' s, @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

合金种类 - ?6 O+ w8 X; T& F7 M- \. E	含碳量 5 T" c! r7 X  q* k（%）	* m) ^  ?: W5 h* p# c+ w浇注温度 $ i/ _. h' }3 _3 I! A/℃   [! u/ a: ?2 F# U* s; P	# L+ n, u" [1 W- a$ {液态收缩   I: u0 x0 `" w' Q+ I3 C. i) x（%） 7 F$ @  P) k( J2 `9 `# X' Y$ H$ s	+ O: p# l" p. A( O凝固收缩 3 R8 i" g. a1 Z  q8 Z（%） 3 N: _: `6 p9 O- @	固态收缩 （%） + k. F- }+ J) _' d9 U6 m	总体积收缩 （%）
' a8 a! ?8 }6 c( s5 k碳素铸钢 白口铸铁 灰 铸 铁	6 a" K7 l6 F! e0.35 3.0 3.5	: Z3 d3 {  X3 _& P/ }& r1610 % C8 w* X: X' J1400 1400 * a4 d9 s* N" }0 Y. A9 l	1.6 5 d  }6 V' _: l6 T0 `' W5 I  `2.4 3.5	3.0 4.2 & M4 Z) S8 m. U, T4 D0.1	8 P4 J0 e6 g9 Q/ g+ c/ h7.86 . b$ }" C' t* N  ]+ w$ A5.4~6.3 # m. O" Z* _9 I3 q( G3 z+ |3.3~4.2 - X* m4 ]: o: c* s( H	( o! M% {3 ^3 N. t1 K12.46 12~12.9 % t6 y  Q  n5 L5 Y  Q* N6.9~7.8

表1-3  常用铸造合金的线收缩率
4 a6 s, a9 S, z

合金种类 4 f* t* {& K5 j7 |% ]2 v	% ], Y, x: Y+ q/ O0 J" r/ \6 f灰铸铁 % H5 n2 C% t9 k. D- j8 u	* [; R- y, j+ X  P, b1 H/ ]可锻铸铁 " y' j+ z, q' @, X6 P% @7 @	! ~/ [$ b) u+ Q/ x1 |0 j球墨铸铁 # I: A/ w+ w1 T) M5 \	碳素铸钢	铝合金	8 v. O2 X: D6 f7 U# w铜合金 9 D/ b% L' X# v! j1 W: `3 U: X
, d# Z( V) D$ v% J- K5 W+ W5 h线收缩率（%）	0.8~1.0 1 N, T0 }7 E* y' z	1.2~2.0	4 N/ D) F/ ?- ^  c' D* W* y1 p0.8~1.3	1.38~2.0	0.8~1.6 - T1 @& q  f8 v) |- q  \& i/ v	1.2~1.4

6 [+ U( B, D% V" P) o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。
% k& T9 {9 Q& S; L* v' 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
" {- k$ o8 n1 h& U  q( u

含碳量（%） % M$ p6 ^& F2 F4 [	0.10	0.25 ( H, i  C0 E8 G( Z- R' K	* U1 ~" H- N0 \. }" l/ ^; v" k$ @+ R0.35	. k3 a: Y& p" F0.45	0.70 / @2 y5 g! O2 g" r
凝固收缩率（%） 2 Y; r3 R$ t! r2 @$ R	2.0 7 f; A2 \6 K) P  ~1 J	2.5	3.0	4.3 ' _4 g& ~% b, d  i' n	2 ~# {9 X) L# j7 q# ?9 [( g- V5.3

, X1 K  i8 @' f2 J1 B
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，
$ u* i* O* \+ X% m# f( D  f如图1-5所示。

K6 k7 m% d1 ?) b2 @9 }- }图1-5  灰铸铁的凝固收缩率与碳当量的关系

" ?% k( T# h% N7 i（二）铸件的缩孔和缩松
1．  缩孔和缩松的形成
% ?; o8 }6 ^2 W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。
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。
5 Z6 W' E+ N- q" b7 H! 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。
: @0 \0 P$ x9 h" _, f( E' e  F

0 A9 G+ A6 ]8 R图1-6 缩孔形成过程示意图

6 l8 |; d) b, w; e" T8 i* W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。
4 _0 E  E* d6 b% @0 U' K4 |0 L（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。

4 @' S( k& [- p5 d: ]/ U8 E图1-7  缩松示意图

2．缩孔和缩松的防止
: P' G! }6 r2 V8 d" _( n防止缩孔：使铸件实现“定向凝固”。
' y" F* `' M4 f  X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 $ u, J0 L' E! O' x

2 \2 F0 M0 g; \1 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。
+ N  q4 h* O* h" d

图1-9 冷铁的应用 2 h- u+ B; u2 B2 J- j( j) L5 B4 E

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。
, F# A0 F3 I' `' _0 K2 x1 S

图1-10  缩孔位置的确定 4 D: `% x1 t7 g

2 ^& ^0 d* V4 k# F% C4 q（三）铸造应力
( n8 P8 x) W2 p9 m1 M9 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。
图1-11为框形铸件热应力的形成过程。

2 m% D- t% k- p& e6 x图1-11  热应力的形成 +表示拉应力  -表示压应力 4 @# v; D" a; C4 v

- P6 g2 W, R2 W) J+ w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。