金属液态成形简述

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第一章 金属液态成形
' Q% L& }' i$ x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）
1 ~& d! T" x. B& w3 [) n（2）最适合形状复杂的箱体、机架、阀体、泵体、缸体等
2 ~  _* g  E7 a* S' ^/ T（3）成本较低（铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近）
! g! W5 k" E) q3 }9 T/ g2 g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。
' J- K( t6 D+ f. q% a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。
4 P$ i4 w. z5 ~! Y0 f/ m其中砂型铸造工艺如图1-1所示。

5 k+ k( \; R: x& G4 i金属液态成形工艺基础
& b# Z9 l, i7 a( z% ^1 o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 ]3 w0 ?$ O% B1.     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。
+ D" S) s' l$ v4 S$ Z7 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。
3 O* g+ k* |' V% C- t  L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。

2 f* W5 e1 v  e* W' ?  K. A图1-2  螺旋型试样

6 ]0 i& X2 D; }! H, w表1-1  常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）
9 b$ ?2 f  z6 W& i

/ A- h! r( |6 {% j' y0 g& c/ G合金种类 % F6 L# m3 P4 P8 V% ]0 `" }; u	3 W3 q: u! f, p  e7 G! @铸型种类 2 f  G. A( {9 k$ \% w	! f! X% ~  ]2 D7 u% N7 N浇注温度/℃	2 p& L1 V3 R  }! d$ a% Q7 g螺旋线长度/㎜ 8 {% \$ P! B1 T# C$ E2 ?- M" ~
铸铁  wC+Si=6.2% ( S/ F: F3 ]; T- d- f9 F4 Q; ZwC+Si=5.9% + Z: O" p, e' D4 C; Z- KwC+Si=5.2% wC+Si=4.2%	砂型 1 J* T& b6 v; R5 d8 q  s砂型   {. d1 E, d& x砂型 砂型	1300        1300 ! }3 P1 E" I2 @1300 1300 2 l: o) ?1 a" d0 x# ?" }	$ X5 q+ `# S9 B5 I1 H( P2 D3 @1800 . e$ Y/ l5 |) p/ l1300 1000 , o2 n3 T8 Y, P% Q( K0 C600 7 q5 c9 k+ @& e# Q9 t* P
3 S. M6 y8 \4 U# `. q$ _; _' i. j4 L铸钢  wC=0.4% 铝硅合金（硅铝明） 镁合金（含Al和Zn） 锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%） 硅黄铜（wSi=1.5%~4.5%） 0 x' }" f1 L; g$ o- R0 O3 U	- O8 J/ p* ]- j* h1 l0 u- H砂型 砂型 3 k) O% B4 F6 I0 z7 p" j金属型（300℃） 砂型 1 n- v) w7 s- l9 I# Y$ |砂型 2 _1 s' P0 p5 c  d砂型	1600 1640 680~720 ( y6 l3 S. ]& `( ]4 O# H% i700 1040 ) i$ x, a" H! U' `0 T' {1100 / \& U5 X/ {% v% {6 i# U8 S	7 w1 F/ F: r' _+ z100 200 700~800 400~600 420 1000 $ S% U4 S* r1 `* Q

2.     影响合金流动性的因素
" h: x: m- K& w- u7 H; ^0 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。
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。

, g/ f3 X; j+ o( ^$ r, a3 l图1-3  Fe-C合金的流动性与含碳量的关系 / F7 ?! W+ R% S  e, O! H

# J" r& L0 N8 q# k, b3 p（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℃。
% m, I' b; L% u2 Z7 c( A) e7 Y+ e（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
. F" E7 o. i0 B- v) I9 }7 d# J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。
2 @0 g6 V; v+ l" l合金的收缩经历如下三个阶段，如图1-4所示。
0 ~& h1 I' \  ~2 g（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。
+ S9 a7 U, P% k1 R3 f/ }（3）   固态收缩：从凝固终止温度（Ts）到室温间的收缩。
+ o8 k0 c1 Z6 l# T, f合金的收缩率为上述三个阶段收缩率的总和。
8 x, _* m, I) o; V5 {

6 j! k# o5 c8 D3 g4 Z图1-4  合金收缩的三个阶段 . L0 Q  o1 w/ n; d

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。
/ L0 a/ B  g# o. [: A. c' u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。
* ^$ u1 Z' G) K1 k8 J表1-2  几种铁碳合金的体积收缩率
+ ?& p. {' N) H, w

合金种类 / G. M' f# a3 S2 i, z	/ I; q) t; _: G# l3 u. `4 w2 B含碳量 + j3 M2 o4 U+ f3 |) S6 l3 z! j（%） & T2 Y( [" P" Q- G/ y. b6 i6 a	, o9 }2 \! Z3 Q* X7 t: K1 O浇注温度 /℃ * y5 J4 ]- W7 H4 Y" `	( ^  O" h; w( L3 a液态收缩 （%） * z8 E4 e$ B7 C" \" B) t	凝固收缩 " W! j9 Q8 L/ m& [& g2 T3 T（%）	固态收缩 （%） + C" H9 ^( E0 L; `6 Z' K9 m" q	) o: I+ j$ w9 j+ O9 ~8 I: @总体积收缩 （%）
碳素铸钢 白口铸铁   W1 \$ a  t$ j3 U0 V; g% n灰 铸 铁 , J* R  Q2 D6 C7 M* @0 p; u	; b  W( i8 P% O  q$ [0.35 3.0 ( ?- l) S! E) \0 E3.5 ' T* I7 f: k" G9 V4 m9 d7 F	1610 ! p: V2 _2 s* _  ~" B$ D. P1400 1400 # h8 h" }6 n& M' i. t7 d: Y+ V	1.6 # \* X' \# U, m2.4 3.5	9 t& S. R8 F% l) Q8 U: x3.0 ' {% L8 X6 A, N' F2 {# k4.2 0.1 6 C$ N6 h5 r3 ~4 S% g& b3 [	7.86 ' V: c+ h- @( n* g) c5.4~6.3 ; O; z8 p1 M" L3.3~4.2 ' b5 m; \& X: c7 H: ]4 k, N	2 p$ l- A$ C2 i# V$ _12.46 12~12.9 6.9~7.8

7 a9 |7 Q- [# a表1-3  常用铸造合金的线收缩率

合金种类 " |5 t; o- I, g	灰铸铁	可锻铸铁 ; Q- q; u0 F/ a1 F7 k	球墨铸铁	碳素铸钢	X! b( ?: O( d$ t' n/ O铝合金	" n  n7 ]) S! C* r0 v" K  E, V铜合金 . N9 t* ?1 m- N+ f
- h3 o+ ?% V/ W线收缩率（%）	0.8~1.0 & l; s$ j% A- n4 X$ w6 D' c	1.2~2.0 ) A  C9 d) r% S! X. m$ i	- M$ x/ Z9 T6 s  w% `/ N2 R; a4 o3 `0.8~1.3 3 p) N3 w/ Q8 _	1.38~2.0 1 Z$ W& }& [8 {6 @0 G	0.8~1.6	1 f$ l7 X7 k5 \: C2 g: n7 T1.2~1.4 ' p' B2 m  B. U/ m* K+ D" V

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

9 F5 v7 A- w/ G8 c" h3 h含碳量（%）	: j/ H7 @$ A0 O3 Y0.10	0.25	0.35 7 g! n( D+ d! W% J3 U5 ^- v	' M2 ^2 u$ q  y/ x+ |0.45	, v6 \9 [% ~: P2 |  T8 c3 j! ^0.70 * j$ x- d# w( Z' m+ Z
$ A- P) Q# C' J% G& T; _! w凝固收缩率（%） / I5 m6 F' `' L2 T; v+ C5 j	2.0	2.5	3.0	& h" H- M. ~" x# g. V+ g: E9 A; O4.3 ) L% D) I5 X8 _+ _# \	2 ]6 w* f8 ?/ T& D5.3 1 }& M; D) r; F

) X7 }6 M" F" c
" |, G  N# A+ B3 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，
  B  V0 a4 E- u* c) U如图1-5所示。
$ Y, ]9 s# j$ f; ^' w/ j4 W7 h

( d. G+ @3 F! c2 U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
( v7 V! Q; f) u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。
7 f9 o5 O8 _. D% e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。
, l: j- s9 P0 C（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。

% |6 `9 I3 k2 l: W$ W, h% M$ |) O图1-6 缩孔形成过程示意图 1 ]  i! O0 Q+ ^+ s4 {- B3 h

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。
% A; R. q, L( u/ Q/ g7 @1 E% r

图1-7  缩松示意图

  ?' E0 ^) R7 l; r# O9 R, Y. L2．缩孔和缩松的防止
" K5 B' l1 N+ b7 S0 h防止缩孔：使铸件实现“定向凝固”。
, F# ]& l3 e9 z! t8 ?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 8 d0 T+ o! M6 l6 n* E  j

/ a4 v- u5 O7 Q5 h0 X4 S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

% g5 ~2 q9 n  a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。

4 ]. m5 x  ~: v9 {6 w* l/ s1 j图1-10  缩孔位置的确定 8 f- n$ f( X- M; j. v$ x, l

（三）铸造应力
1 x- ~$ ]" [$ g/ Q. J5 P3 B+ W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。
5 o4 l) H* L; r' [1 j/ U' 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。

# I: N. @8 g* P9 T1 J图1-11  热应力的形成 +表示拉应力  -表示压应力

4 X* z8 Z' V! v! E) s: H: @, @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。