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。
4 x$ Y* ^) l- q8 ~; M8 r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）
7 {( [0 _& ~/ V! G（2）最适合形状复杂的箱体、机架、阀体、泵体、缸体等
( U4 b; b# L  h8 d, W+ B3 O  q/ Y. b6 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。
: b( i) X( {/ E# q1 a2 b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。

金属液态成形工艺基础
5 e6 M# f5 L) v- i/ m7 j) F# N' h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.     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。
( @, v9 ]. [9 }- O* a7 W4 i; M% |流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。
, N6 D1 h* S. ]. o' A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。
+ G3 s5 R! N6 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。
3 d0 ?) f/ p3 U/ i

图1-2  螺旋型试样

表1-1  常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）
7 X: E  P$ E8 q0 ]* @' G- M

, I( q2 V- E$ M# \; }合金种类	铸型种类	0 E9 G  I0 H6 F5 K+ W浇注温度/℃   j4 B. X! p, p+ @	1 }0 y: k% E- N2 T$ B螺旋线长度/㎜ 4 S5 G2 ~- t, _
铸铁  wC+Si=6.2% wC+Si=5.9% 5 m# _1 D4 S0 e7 [5 EwC+Si=5.2% wC+Si=4.2% / c1 ^' I* {1 O5 w+ h; D- N	砂型 4 Q3 w& G; q% ]2 u  B砂型 砂型 砂型	]& `6 K2 _6 n& |9 k4 W1300 0 g# `8 V1 t, s       1300 1300 + ~8 l: |" G+ w: w1300	8 g8 v7 x1 m  S5 F; L' \1800 1300 1000 600
% C6 W5 D8 _6 a9 `6 y+ K铸钢  wC=0.4% ' r; o! s7 t# L: N$ Y铝硅合金（硅铝明） % s/ i4 N% C: B6 \$ `1 D2 g) K镁合金（含Al和Zn） 锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%） 8 h2 L/ v/ _( u  Q; G' Q& H硅黄铜（wSi=1.5%~4.5%）	6 h- Z: x9 V, o1 s% @& ~) }0 R砂型 砂型 ( r8 K& E4 e3 o& M+ M金属型（300℃） 砂型 砂型 ; v$ O5 n( Y' v- \* J+ ]砂型 . G( Y5 Z0 x& J3 l	1600 1640 680~720 * _: w6 v  e7 J. ?: q$ w) ?+ j700 1040 ! R( t$ x3 e! |. m0 i3 r" @  D1100	100 200 9 {6 k" j% D) k$ C- U$ s700~800 400~600 420 1000 ; W  k& g0 K. f$ j# g( Z3 B

. r% N6 L2 A' O. ^2.     影响合金流动性的因素
（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。
9 P% b0 _2 |# `- s. i  xFe-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。
6 r* t: W+ P$ R; N5 P

2 L& y+ W" Y! p% M8 `图1-3  Fe-C合金的流动性与含碳量的关系 . A/ T7 ^% U5 B! ^/ w9 V

) f" R3 V: {  [: W（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
( H8 g3 `! h' X" N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。
# z6 X: x: o# v二、液态合金的收缩
（一）收缩的概念
; J5 i0 I$ S" T; ]- U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。
( g: K  i5 P# v7 e0 U# v合金的收缩经历如下三个阶段，如图1-4所示。
6 _3 L1 d1 g1 F! C（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。
8 k! a& C4 O; v( m% L. T（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。
# F: o4 {. f1 \+ j+ J# x- |: O  Q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   y) y( \5 k; O/ R' N) h& h" }; J% N

" f5 E2 H2 u: {% {3 N! M5 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。
6 C) p+ e/ k# A. t" g1 P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。
' A8 j; X, m5 W& _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。
& G$ ~- T0 Z  X3 X表1-2  几种铁碳合金的体积收缩率

% L' u( n9 \, p# @! ]; ~# w6 G合金种类	8 l. M4 i6 T( |) ^' e含碳量 ) ^* O% F& y0 w0 P" |4 T1 C（%） 9 y! H, i1 X. A. B1 t/ M	浇注温度 2 e/ l) z1 k9 a' s5 f. O/℃ 7 e0 k0 o. j2 @1 I( a8 V	液态收缩 7 s3 n. y* D7 j6 z* [: O（%）   N- Q; k4 p' H- O- i	凝固收缩 - K# l3 ?" A3 u（%） ) ]) w0 t1 ~8 l	固态收缩 （%） 0 y# q- E- O) J6 o* X' Q1 z	总体积收缩 ( ?1 N1 Q  G# U& R9 n4 X（%）
6 r* r7 [6 `) L, u" i4 d. U1 N碳素铸钢 + ^0 R9 a/ A  d: y! |1 h白口铸铁 灰 铸 铁	0.35 3.0 ) m2 F, w$ Z: l  b8 H) C3.5	% W" P: L, x; i& {+ C, V1610 1400 . O; h9 L* N3 q1400	1.6 2.4 5 ^" y& E; D! n% i# Q3.5 + `) ?4 N9 U, Y7 J( r% y0 s	3.0 4.2 7 w7 a# r& s+ e7 `; i% o9 t0.1	]( o* k  W% E* X8 [! k. @7.86 ( P, j& f0 V1 o# V) H5.4~6.3 ! b: u6 \2 B1 E3.3~4.2	! \" s* V. Z; {12.46 12~12.9 6.9~7.8 7 ~1 g% g$ Y& R& Z% d

$ e  [2 V- _( L1 L2 {表1-3  常用铸造合金的线收缩率
! s' ]$ I3 I% B& R3 Q+ F

# Z$ n% A3 D! S* O$ v4 ^% |0 U, w. S合金种类 . l1 H( n: h- B8 i	/ ?9 o$ z4 G/ ], y6 W1 I; ]1 e灰铸铁 7 L; |) M% S- \5 H0 C" |3 n$ y	可锻铸铁	球墨铸铁	碳素铸钢	铝合金 - g- \( `1 P( F) G/ k	: w1 f3 d+ p, l$ T/ B+ H$ Y铜合金
/ b- f5 i& J7 `7 A2 B  u线收缩率（%）	0.8~1.0 / p- d/ t4 d0 J6 I2 t4 J	3 r( W! u* q+ u7 r- w1.2~2.0	$ S+ S+ b5 |( t3 g8 j0.8~1.3 , q! n' B, ]. m# d. H3 y6 a	4 b% k8 A3 `3 c# H$ R# n1.38~2.0	0.8~1.6	1.2~1.4 5 g  ~& Z; q: I! ?/ D

+ \0 |" ]& P$ c9 s" [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。
, V' O, t5 j$ K" Q1 u$ e6 B; D( \  g6 n几种铸造碳钢的凝固收缩率见表1-4。
6 X5 Y- k/ z' U4 E. `% i7 x表1-4  铸造碳钢的凝固收缩率

: F: R: I. M8 _. i+ \9 a0 n含碳量（%） 0 ]; h& R4 d; a' S% `+ W' S	0.10 # U* J, v& x8 s0 E# k/ Q2 f- I4 K* T	z3 p! U0 B5 C) X& K0.25 * R! D2 m; J4 V  w5 K; A	/ c( ]' B9 `6 {. `& k0 i0.35 " g# v' x7 V/ K. W. o- k/ w	/ s; A* i; H' J; l2 p8 l0.45	# b/ r) S$ V8 ?2 O! \0.70 " L4 G2 W) a6 H% {! y' }
凝固收缩率（%） ! Z" t7 T& f( h) P+ A& g	2.0 / b- d! W# x! F	- A4 N1 K& h: m2.5	# d6 Y% G) _$ m8 h) G3.0	4 _5 @6 W# H* Z! ]4.3 " l6 \8 V# p3 W# l  d! J. q; H5 i0 u	5.3 * Y, Z0 ~0 u2 V

6 j1 [! @' a$ Y  p. c) f

9 A0 b9 G! _( R. c- R3 e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，
如图1-5所示。

& c' v: r% L/ w9 w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
4 h3 f6 E6 B; L1．  缩孔和缩松的形成
5 G2 V/ t) `7 T0 @& g* @8 {( a' `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。
（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 k- ]9 x" U  p0 B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。
（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 + b+ f- I4 j: R$ S  O+ @

. V* ^$ i, h  u2．缩孔和缩松的防止
8 [" t2 j! k8 G7 D防止缩孔：使铸件实现“定向凝固”。
5 r! N3 A5 U' {/ n' y9 z0 d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。
) H( Y' Z1 _0 c- T- u  ~

图1-8  定向凝固示意图 0 `+ a" ]1 O8 u

$ `8 y( G5 J( J6 ~" H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 2 M6 t" \4 d. \) t- D

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。
) O  Z- A. B. i4 @" ~& f! }

图1-10  缩孔位置的确定

（三）铸造应力
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。

1 z; g/ J7 i/ j9 z9 N图1-11  热应力的形成 * i& j% ]) Q: o' U& z+表示拉应力  -表示压应力

0 l8 e7 f; U: r8 L0 |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。