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。
3 A2 W* j5 N8 S. U6 D& B液态成形的优点：
6 {; k9 j, D3 B3 o6 i（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）
7 {. U4 H9 F0 M# M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。
; G( B$ D, s: ]/ W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。
6 @' w8 F( A3 _' Y
金属液态成形工艺基础
/ l9 z/ p0 t$ t( A/ u/ v一、熔融合金的流动性及充型
) F0 K- d# P' y8 c  k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
6 z" ?0 q6 g! [5 f4 E1.     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。
" b' ?9 v2 ~- A# \5 n6 `流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。
9 U' E* w% L7 A$ q8 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。
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。
, A0 R5 Z" B! [& j, x7 X

8 S* S6 N, \0 H( n图1-2  螺旋型试样 : f2 x# q/ x8 h$ a0 R9 z6 `+ ^6 U% c

表1-1  常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）
  J) f) U9 T$ E% O/ B( [; z  A

合金种类 4 n6 _5 \) Y$ a* B2 R) R	* b/ u' C! n+ t& r铸型种类	4 t& Q6 j. y' O8 y浇注温度/℃ " v6 ?2 a5 _9 X# K/ x	- s% \% X8 n( }. z螺旋线长度/㎜ 6 |0 B$ `9 o7 b4 y
铸铁  wC+Si=6.2% wC+Si=5.9% 8 f5 m3 f/ o5 z- ?* W' L6 _wC+Si=5.2% wC+Si=4.2%	# E! w1 M9 F, n; s0 {. v0 u砂型 0 M7 L: c# ^3 m砂型 砂型 5 Q# ~; B. c3 u) ?' k& y: y砂型	1300        1300 1300 1300	1800 & k) ^' o0 Q9 @7 G5 f1300 * {' U8 }7 p+ N" J' l1000 ) N" K8 \% n; h9 b5 l; n600
' k) H+ ~/ v: ~) x铸钢  wC=0.4%   f: H1 }9 J' R/ A) R. G 铝硅合金（硅铝明） - K) s2 D: z7 S. V  S5 ?镁合金（含Al和Zn） & A) u# K- q' Z9 C锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%） 硅黄铜（wSi=1.5%~4.5%） 6 S8 d/ ~, @) K' w! \6 m( Z5 B; W	砂型 / G/ K& w1 z+ u8 z砂型 金属型（300℃） 砂型   ?3 Q, m6 G. j" d砂型 8 b. k$ q8 d: W3 s9 ]0 B9 Z# h砂型	: b, L: _8 v3 O" |) w1600 0 ?3 n+ k8 b2 ~0 D8 v# a1640 6 h+ Y2 \/ R5 [/ r# q680~720 700 % w( y2 Y# l2 T- c) M$ k1040 1100 9 |4 r& }- J: Q9 G4 _	100 ; f" q3 d9 ^0 b0 t# Q; d200 - L! ~2 k+ F$ v700~800 # t! |" V6 g" Y! _1 w6 h400~600 8 `2 {& h. Z) ?4 z9 Z- w420 ' x2 \1 }' @" u1000

' n2 @. r* U3 X, ~5 t2.     影响合金流动性的因素
0 R; e: k; J; G1 Z4 p5 w& J（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。

图1-3  Fe-C合金的流动性与含碳量的关系 $ ~5 ^6 f) H# ?5 E2 W

  {! C$ J( a, y- b（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℃。
（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
) r$ y  M0 ]# R1 J6 ?（一）收缩的概念
! s8 W1 k3 D# G2 `  h  \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。
8 z8 P' f8 @; W, g( Q" H: t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。
, X+ N+ b# l. T. n; F4 m（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。
0 G2 V$ M/ l6 X) Q（3）   固态收缩：从凝固终止温度（Ts）到室温间的收缩。
* r& O) j6 P$ c5 Q, |8 |合金的收缩率为上述三个阶段收缩率的总和。
2 I( T, {( V3 D

图1-4  合金收缩的三个阶段

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。
+ F) a* {) {) @. e5 F6 C% @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。
! ~  K7 k2 B1 ^; }0 U3 v+ O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

; q6 ^' L! {: R& \0 P合金种类	含碳量 - X& J; t" S; {* n3 J# r（%）	4 O3 e; M( R+ j, w3 [2 M浇注温度 /℃	液态收缩 （%）	凝固收缩 （%）	3 X& j$ \- n3 W1 q: r* w8 B( k固态收缩 # j2 E' |% v* G, ?/ D  b- {（%）	总体积收缩 ( U7 t3 w4 j; v1 q; O- }（%）
5 l# z- H9 O% B1 C3 Q1 N碳素铸钢 % F5 y  r! ~5 h* ^1 y+ S7 ?  X# Y+ D# j白口铸铁 灰 铸 铁 " f' x, }4 J% V! o4 r2 M+ G	0.35 ! r; B; ~* [2 W; B! C3.0 3.5	1610 1400 9 ~6 [# m' f; n5 }3 F9 S* H! B0 }1400 / y2 ^) n2 j- C6 B	4 {5 ?9 D% W( \7 k5 e# @8 `1.6 2.4 3.5	3.0 4.2 1 Z+ w- N3 Q2 |9 j" ~2 u* p0.1 ( O# ]2 ]6 G/ V. R4 P% s) S6 w	4 j, a3 W8 D* ]: `7.86 9 n/ M' ^7 J  R/ G8 Y0 h. Y  q5 T5.4~6.3 3.3~4.2 ) ]! q6 g5 G0 v	1 ~- `8 C: K. l* a  U2 V$ m12.46 12~12.9 8 f% P% g; }5 [# T4 T& O6.9~7.8

表1-3  常用铸造合金的线收缩率
3 p5 p& j- Y2 o3 W+ e

合金种类 ) M. L# `# Y) @- B  ~$ M	5 k. ?9 k' b* z: D灰铸铁	; }6 y8 C4 P# z可锻铸铁	, J6 p* ~) ~1 J  R7 c! _8 m球墨铸铁 , q" k, t8 Z5 F	碳素铸钢 9 C. k7 `1 c0 ?# ?# ]4 |; ?	铝合金	) {- o3 ^- q2 N4 i3 Z& ~铜合金 # M+ N9 }! T8 j% J& K! V& W( u( `, F. U
线收缩率（%）	0.8~1.0	8 u0 l6 d- n# A1 H( b% ^1 x' n/ c1.2~2.0 7 L; O/ L# e6 `) ]	9 F8 y4 X& Z/ w$ N' M0.8~1.3	1.38~2.0	( M0 J1 x! I9 ^4 A$ m% D0.8~1.6 1 t+ C- g, T8 Z7 F2 R# [	1 {( b/ b, H( f! E; K) m4 v* c2 \, p1.2~1.4

$ c' W* M+ v/ y; u, W6 e" W5 I# c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。
$ e7 k, @& m  R' ?: U/ |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
- X8 U) B: }% H

含碳量（%） ( s  O8 x: r+ S	4 ~+ C: q1 [" P2 F0.10 9 Q5 ^) G7 N; Y8 K0 C: O% k  Z	0.25	# X$ D& q% w9 D3 Y) m+ W, K0 o0.35	0.45	0.70 ! @5 f4 s' T6 L$ K4 D! t
Z/ z: q$ X6 F- Q1 M凝固收缩率（%）	2.0 & l. ^3 `; X% k	% H$ i* \8 n1 D  K2 ?2 a3 q& N7 R- ~$ W2.5	. F# s; O* k% U# f$ x" I' m3.0 : o# |$ g! G% k& s	1 `5 t' G" |+ `4.3	5.3 ' f# W! q: G, v* o

) \! z0 Q4 _$ ?5 H
0 ^" K( Y( I1 j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，
- B5 {* G: I1 J4 B* w$ L如图1-5所示。
, [; J8 j/ S3 k, |- C7 S

1 M; ~. j0 I0 [图1-5  灰铸铁的凝固收缩率与碳当量的关系 3 O8 g4 E0 N$ M1 }, M! K2 x

（二）铸件的缩孔和缩松
% ?+ r$ G0 `. C  s1．  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。
, b* ?+ f* w( F6 Q% ^& D, u3 L4 p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。
（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 `2 [. R( a$ j8 _1 Q图1-6 缩孔形成过程示意图 % s9 x; o0 _# N: c

: x% u1 N) ]; k! o7 v+ A7 ~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。
+ Q9 U: }' ^# r4 T! f/ |

图1-7  缩松示意图 ! {9 C, k; W6 p) }, o

$ W5 Q- u' w3 I8 r. `; A2．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。

图1-8  定向凝固示意图

  m4 Y7 W/ t& }# T/ v9 j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。
& v& b3 }5 d/ T

! g  _' o( Y( H. F; T图1-9 冷铁的应用 7 ?! |7 E6 W: V( L

$ V- Z5 \; ?- }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 B- `/ X5 x; Y5 w& M: m图1-10  缩孔位置的确定

（三）铸造应力
, Z% O* G- R0 k# p; h0 w+ 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。
' ~* `6 c  X1 _! L( U6 N/ d) P9 E% p1．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。

& f. o& R' p& ]) U% C图1-11  热应力的形成 / r- \' T6 L1 k' d8 q, |+表示拉应力  -表示压应力 , a- d0 I( y. {' k* X, C; x

2 _+ _7 `. \) w, Y9 `% 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。