金属液态成形简述

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第一章 金属液态成形
. d7 a# x) I! w+ N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。
6 ?2 `0 |. f" y液态成形的优点：
8 m: u, E' D8 W" P0 L7 t6 @（1）适应性广，工艺灵活性大（材料、大小、形状几乎不受限制）
9 p( |$ w* N5 T, U$ C$ e（2）最适合形状复杂的箱体、机架、阀体、泵体、缸体等
5 S; N! z8 Q5 N7 K" s, M3 g0 s（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。
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。

+ W: ]4 x: R* u5 }金属液态成形工艺基础
一、熔融合金的流动性及充型
# P$ P0 a; ?* C- @" h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。
; g& v' I! N9 X3 o4 L5 ~流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。
8 k7 k' n3 {) I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。
7 o6 b- Z  a' ]( p4 b+ d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。

图1-2  螺旋型试样 ' z+ E" I* g2 [6 C

表1-1  常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）
( ~. q  T" ~6 _( q. @3 ^# \! \

8 b# G7 s) v8 X  V0 C合金种类 . H# L7 H6 Y; d1 n  O9 r	! i3 W. `: k4 {) N! {% {5 F7 H铸型种类 1 X6 O5 q5 d% N9 g	浇注温度/℃	0 D* l7 I+ h: h) b5 F& I+ G螺旋线长度/㎜ ( K: r, c1 w$ M4 W, b
" N, p5 J7 @/ w. a8 ~( y( }铸铁  wC+Si=6.2% 1 M" @8 C- v# t& @& i' ~( |$ LwC+Si=5.9% - _, l9 b$ x# d* c$ M! R) l! O& kwC+Si=5.2% wC+Si=4.2%	砂型 2 g4 R0 R( c3 N1 C砂型 ) \. f3 O& V; V5 `& g/ y3 k) {砂型 9 y3 B1 J4 P  m- A' H, X. r砂型	1300        1300 1300 . a  r/ n" F" d3 C1300 2 R& C3 q6 L- ~	( |- r, C  i( c/ t' Y: S3 q1800 1300 3 L8 A4 u1 _5 _: B$ i1000 600
铸钢  wC=0.4% : k1 t, R5 J( H + r" \: M( l3 N# ~4 q5 w% s铝硅合金（硅铝明） 镁合金（含Al和Zn） 3 j/ N. Y& Z! N; J' b锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%） $ b8 i0 |6 v! c% f. ]1 n硅黄铜（wSi=1.5%~4.5%） 8 e" n% Y4 M6 U/ O8 P	砂型 砂型 金属型（300℃） 6 R% P6 a" r, Y" A' ?砂型 3 ^' M* _6 y# z& w砂型 ! C# m  f2 J! N砂型	0 H2 }) g7 P- a1600 5 K7 X) g' ^9 n: S) D" H9 y1640 5 Q; E7 A( W$ ~4 e; x680~720 / p. s+ D# N( H: r' i1 o700 1040 . D8 K$ p$ r- @7 E$ H1100 2 i. d  {' F, d9 m* J  [# j1 Q	. o" }+ o5 V3 Q% \" j100 8 s; K+ ]' m1 v' \7 B0 G1 p200 700~800 : N$ e; C0 J7 w; ]- I/ p400~600 420 # V4 l8 N- A8 O' }: e- t3 _8 E1000

( S9 G- S; Z1 H# d3 h8 j7 f2.     影响合金流动性的因素
5 c( z8 g3 j, T' I5 u% M  W（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。
, U% R& Z; ]# r( S$ t

图1-3  Fe-C合金的流动性与含碳量的关系 ! w; k1 r$ h+ @# j

- `" h1 K7 d. o8 h, T$ ~1 q9 {7 y（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℃。
' K# z) |4 p1 _( m& J6 T8 A（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
8 u/ |! P$ [4 ~+ o% F3 M# s8 `! Q（一）收缩的概念
: ?6 Q, P3 H' v% Z. K9 X+ W1 S7 H8 b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。
; N  P& c3 V" r6 v! Q$ S$ ]（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。
（3）   固态收缩：从凝固终止温度（Ts）到室温间的收缩。
5 |( c% W) t( q5 k  ?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 . m2 ]0 E+ P+ Q. D  `

3 |" v: N' V- M7 g3 `8 `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。
( M1 F% G- ]. w6 b$ Y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

6 }6 q: p8 y' r5 H5 ^& O. k1 M合金种类 8 P, g5 P' Y; \7 ~	含碳量 ! ^/ Y) S" a) E2 T  z（%）	& A6 j$ q, r+ }$ K0 p浇注温度 /℃	$ @' K8 ^' P' X' L! S& c液态收缩 + y  \: H# V* ~' z/ [$ \（%） $ m8 D& A* d/ n+ ?0 W! M1 G	凝固收缩 . E8 Y1 g  L, j1 O' b* _（%）	固态收缩 （%） % u% l3 X- c3 P- j	总体积收缩 （%）   B7 J; K* {/ L
" [+ e& ?' q9 q4 B; Y碳素铸钢 / B" y6 ?" M* u* Q) D白口铸铁 % g/ p) q8 L% w& q' H- K灰 铸 铁	8 g# c) t0 ~  b1 U9 R- }( M5 @5 i0.35 3.0 3.5	7 F4 }# m, x( E) [  R$ g& \- s1610 7 N  e# x4 u% W. i- w4 p3 z1400 5 O1 G0 u. Q7 w" U1 e8 _/ \1400 3 E3 J. q. L* `	# {: I6 Q; S; s$ W; L1.6 + B" P7 `* P$ b$ t8 I2.4 : `2 w2 O- K+ q) l5 L6 w3.5	3.0 - Z" Y9 g1 W3 g- S! j* p2 H) k6 ~. x4.2 0.1 ( g% U8 @! u6 O1 t. U	4 @" D' b* d3 Z2 L, ?% d7.86 5.4~6.3   E* l, N% t& t' G# U& z; T3.3~4.2 2 X) I7 \* R! H1 X1 H	12.46 & n9 m, ]) c7 M3 H; i12~12.9 6.9~7.8

; t- e* t+ x0 Z, y7 {  _表1-3  常用铸造合金的线收缩率
$ F( D3 g0 i" M9 n

合金种类	) E- ?* ]: d+ Y& U. {( x! R- a2 L灰铸铁	7 v6 w7 G/ [5 ]" l& |6 @可锻铸铁	球墨铸铁	碳素铸钢 % ~+ A+ h2 e6 t1 c) G  M: c( U5 E	1 o9 T8 U1 z# p铝合金 & X  j8 G: }+ w& }	/ l/ B+ x9 v: m6 ~6 m1 M; j铜合金 5 _* X) `1 H# z' c5 r0 Y
! {- q1 A& k: F% j3 N" E& ~线收缩率（%） 4 {% Q( T$ u5 V$ x+ ?	$ h) r% M" P. K0.8~1.0 / Y7 M& _& R1 A3 ]; c! Z' P5 y	: D- g2 t4 e, C" `1.2~2.0	$ S# z9 T6 m! m2 u& u% Y0.8~1.3	$ _* |& u9 p+ X- D1.38~2.0 7 o+ _0 u. p& _( W, A# r+ h	# F6 {; p8 O5 @0.8~1.6	! R" y4 ~# h, x/ y5 ^; |6 e1.2~1.4 * Y9 y6 }: P. P' o/ Z2 K( D

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。
. d2 z4 u1 o6 k  p表1-4  铸造碳钢的凝固收缩率
5 o+ [' d5 N8 i; \; ?1 K

含碳量（%） ) _( \- V6 ^& x* K- W" g	0.10 ' Y$ d/ B# S6 f' O% {	' n2 y% |. B6 f0.25 4 }; f9 I5 G/ K5 P6 T	. ^$ Q( V  B' n* K3 H0.35 & m. V& k, ~. G) K8 z	0.45 * L( y( k" J3 M4 N	% J- j/ P! W& a3 {3 v0.70
凝固收缩率（%） - H2 y! \4 s. M9 c) A	2.0 * M2 i7 ?" F+ M. K. L+ m) e0 n	2.5	3.0 3 E0 M/ [6 O; W  l7 m$ |	% n& {$ k" C3 j* `; w4.3	5.3 ! p1 M% e+ n; f% G

" u) N* K/ ^& Y0 ?
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，
1 z  N' d+ m( m0 k) x* Y' O如图1-5所示。

# C, H$ I# x6 G! E2 X+ o" o, [; H图1-5  灰铸铁的凝固收缩率与碳当量的关系   h: p' d5 g' `) G+ i

1 u4 O; A; e, v（二）铸件的缩孔和缩松
4 f3 g, W7 C0 d, Y2 G2 f3 t' k1．  缩孔和缩松的形成
6 ~9 z5 ?7 H* Q. |5 v1 D' N0 D2 c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。
4 W( A! Z( @7 T, C2 n（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

  v* R8 Y& X3 q9 B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。
9 A- ], n3 z: Z（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。

9 ^2 s# E# k: i: N图1-7  缩松示意图 ! h. m0 l% t9 T  o6 j

2．缩孔和缩松的防止
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。

6 n6 Z, [" E6 d6 V) P  X& {# D图1-8  定向凝固示意图 ( O- S' l) s) m

5 D8 P% L) l8 l+ N+ z" ^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

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。
0 H! L/ E+ _- j! C" `

0 `5 z4 B" ^' `$ R图1-10  缩孔位置的确定

+ u: ~7 S9 R7 D3 E1 y5 ^) C* w5 x3 P% r（三）铸造应力
& L, U2 `) T1 m8 I7 d5 O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。
% U4 a  `3 I4 _8 z, I1．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。
* N' D. ]' b; w3 O' H1 ~0 m* w图1-11为框形铸件热应力的形成过程。
& p7 `+ ~) b- `8 b

. C' @: P% e& v  e, A图1-11  热应力的形成 9 ^+ x7 y0 h3 ]' K+表示拉应力  -表示压应力 3 N! u" g' ~9 x8 L! I* u( K* 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。