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。
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）
/ _, ?% d8 C5 ]2 `7 I（2）最适合形状复杂的箱体、机架、阀体、泵体、缸体等
, Y2 {! P  ?, U$ k（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。
5 i! {4 i3 ?) d% L6 e2 K' f/ 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。
; s1 R7 d1 ~- f, i1 ~7 o: ~+ S# k其中砂型铸造工艺如图1-1所示。

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
3 }0 Q" H- }# g4 i' D  q  ~- z1.     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。
5 n6 e1 [1 Y' {$ U; ]# a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。
$ |- N2 A# N( P% _

图1-2  螺旋型试样 / }" P; k" b2 _# R6 o1 J& R" C

表1-1  常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）

合金种类 1 h9 X3 C5 h8 W5 q8 A$ h9 R, G# k	* E* {+ I. L7 l5 \+ v铸型种类 4 o9 u3 S& i1 V7 L+ _8 K3 w4 R	+ @, l& P* F/ N) o3 B5 M+ A4 u浇注温度/℃	螺旋线长度/㎜ 9 c5 h) o! E- I
; N3 m7 h) e! p, k( W) ?! k铸铁  wC+Si=6.2% wC+Si=5.9% wC+Si=5.2% wC+Si=4.2% & _$ C- _) P* a; f	: Q) q+ _5 B; \5 Q; h7 q砂型 砂型 砂型 砂型 * A' y  G  N8 _, g0 r3 L' y	1300        1300 * p: K" U! y! U% T- f* Y1300 1300 6 Y, F) I( b! ?8 m, G9 [	4 u0 `' A: t! e+ ~3 b1800 1300 7 o! ~; v, g+ n& N$ Z$ W& z1000 600 / Z- F$ P" l8 R1 z# ?# U8 A" ~
7 Z* W0 G- O1 o2 X* L铸钢  wC=0.4%   g/ _: E* N8 J5 ~ & ]. U2 X) f( r$ O& v铝硅合金（硅铝明） 镁合金（含Al和Zn） 锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%） % q/ y  l6 X: q硅黄铜（wSi=1.5%~4.5%） % {% H1 t4 m( G8 |( E! W	% O* L2 v3 z# d7 [4 H& o$ l砂型 砂型 金属型（300℃） 砂型 $ H, J3 R* p  B/ f砂型 砂型 " s+ y/ n6 P" Z3 l	$ s, d/ o( E. }1600 : M" f/ S9 U$ w$ K1 d; m) p1640 680~720 700 1040 1100 4 s# y% a0 V3 C7 v4 t  r6 L4 G2 `* e- J	100 6 F; O. U% o+ d- i6 c- X( h+ |200 7 N: r3 l; \! A( M. H3 j' H% }700~800 400~600 420 % ?5 j9 Q  i& ]5 I$ ~+ Q1000 . F" n. p" _$ C

8 ~" g% P& y6 o! w7 J2.     影响合金流动性的因素
4 x9 H6 {' }. R$ x（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。
- F8 m2 K9 U: SFe-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 $ I1 n8 `7 W3 |/ @  r5 B

6 I1 }8 `3 P0 D6 u5 C1 {（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℃。
6 N- i& U8 O; S（二）影响熔融合金充型的条件
+ ~' O9 v; b# ]( W0 R0 P8 ]5 F% y4 U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
, C, L2 v! p. \7 z& I（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。
: r1 ^( Y6 B* H# K合金的收缩经历如下三个阶段，如图1-4所示。
7 F7 W! j" W" q: |, R+ i( A% u- k（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。
* t5 [/ G' S/ C/ }（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。
9 D: Q$ r& G1 X% B. S合金的收缩率为上述三个阶段收缩率的总和。
4 \. }/ a% m( a

5 P1 x2 ?2 I9 z9 t图1-4  合金收缩的三个阶段 8 J* f! [# ?' }& h) {- V

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。
5 _$ K* d% b) i. a* Z# Q4 o& n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。
7 |; H  }+ t: ?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

! r, B% J% M5 w5 ]9 S$ h合金种类 " ?" E; C  g  h/ @! ?	含碳量 （%）	. a7 }) G( X. Q$ g3 _. W浇注温度 /℃ ) i  g: l$ \/ ?1 e3 k	液态收缩 （%） 5 b4 Q) O& c0 o: g	( ?! u' q9 v' }! D8 N9 K: U凝固收缩 （%）	固态收缩 （%）	& q* }" P% Y, D- C/ ^总体积收缩 （%） 5 X; v  ^. @5 T" O/ f; u
碳素铸钢 白口铸铁 灰 铸 铁 8 [6 J* c  M5 W+ _0 z	0.35 3.0 : a4 k5 h/ c! J% p* G: H% `3.5 7 O" ?. P% v+ S6 T4 ~	1610 & v- j& h: [9 G% k9 A' V1400 1400 ) P5 s+ V7 o5 P# E3 B	1.6 - l2 w8 ~- ]& [+ T4 R0 w) f0 W2.4 4 c; U9 H% p- h% F2 B& B* v* q3.5	3.0 4.2 # ?. D9 a9 x1 i7 @0.1 , e, O1 m7 Z0 m0 N2 X, R	7.86 5.4~6.3 3.3~4.2	% P8 [, B  l( \7 G( e0 k. \  I12.46 12~12.9 6.9~7.8 7 Q. B. n# _9 p$ g

表1-3  常用铸造合金的线收缩率
% c: x5 q% w+ X3 a* y+ D

) @3 b5 w1 Y7 H2 W合金种类 2 k, l2 C6 E; n5 F; G4 J	% H* V/ m: ]- f2 g3 d灰铸铁 ! u1 g( s* z4 x2 {0 _; M! w5 Y	8 T/ O9 a) @) v8 r可锻铸铁 1 c6 n8 [7 }( E	6 H+ _! ?( ^# ~3 C球墨铸铁	碳素铸钢 $ T. h% |6 Q/ |9 t# {2 J	; X2 s9 b  n+ k  {. ]' X8 y7 ~8 I铝合金	6 H( m8 D; F* J* Y/ x1 @铜合金
8 Z+ S3 K5 U2 H' K8 v线收缩率（%）	% X6 F" D/ G. `% P0 ~# R* f0.8~1.0	$ X' f% z+ g  N/ M$ ?2 {+ o: ~: j1.2~2.0	0.8~1.3	( [' D+ ~* n; V0 X1.38~2.0 8 Z" Q' v: d2 u3 q% j7 E% q	0.8~1.6	: O) E9 x# y  R1.2~1.4

% i0 t/ `1 v% G" Z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。
" a! ], ?9 m: ^7 c+ X% q- r表1-4  铸造碳钢的凝固收缩率
" p, u8 \$ ]. g7 ?8 k

含碳量（%）	2 U: J% W- `5 ^* y0.10 ! C/ ~7 M! x; w" f# s# u	0.25	0.35 3 g2 B# c" f8 u5 A	* e  e# H3 U" G: x0.45 * k+ g0 r6 `" E2 J% {8 p$ c5 J	( g% P9 F2 Y/ P1 F9 i& }0.70
凝固收缩率（%） - F% Y2 C7 J! S2 g7 j& |! I7 I	2.0 , j) L' \+ k# U/ l2 k2 Q	2.5	3 U! s: ?. h4 ^3 @  a3 a3.0 9 G4 c: p1 _" O1 Q8 T0 w7 r( v: I	6 u( [! o4 V3 R# n4.3	5.3

  g5 ^# I; l! e5 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，
! H5 m" g+ M( H- p& ~6 P8 S) e如图1-5所示。

/ O5 b& Y& G7 w图1-5  灰铸铁的凝固收缩率与碳当量的关系

  B, ]" b1 r) x# z5 `（二）铸件的缩孔和缩松
1．  缩孔和缩松的形成
6 i' P! O" G6 B8 M% F) g; }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。
8 }8 f: c' }& i+ O. b* K（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。

* w. g6 D4 B! s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。
- w7 c) a1 y6 F4 N（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。

图1-7  缩松示意图 ; x* _/ M7 p: E/ l5 m9 Z! _, t! l

2．缩孔和缩松的防止
' s: l/ t  y$ o1 Z& Y. ?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。
; w; P8 g8 ~; h' X# b

. U6 r/ y1 q: l* @3 G; z/ i# ~图1-8  定向凝固示意图 & H& [  R% T' H: S- O$ f, B  D

  G3 \6 n9 N/ b3 i/ j; H3 v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 % a) S7 J: W" X( r* p' 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。
8 G8 n+ T& W4 Q% g9 h2 e8 p. J

图1-10  缩孔位置的确定

（三）铸造应力
& v7 M) ^3 y0 y9 O4 q6 Y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。

4 E* t% x* L+ Y; O: V' e7 e图1-11  热应力的形成 % V! S  A' c6 m& \, l( b+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。