第一节金属液态成形工艺基础

第一章金属液态成形本章内容：铸造成形工艺基础；铸造方法；铸件结构的工艺性。本章重点：铸造基础知识，即合金的铸造性能。液态材料铸型模腔凝固固态毛坯浇注金属的铸造工艺陶瓷的注浆成形塑料的注射成形

材料的液态成形，与材料的固态塑性变形、连接成形以及粉末冶金成形是制造业获得毛坯件的主要手段。液态成形方法§1-1金属液态成形工艺基础金属铸造（foundry,casting）

1.定义：将熔炼好的液态金属浇注到与零件形状尺寸相适应的铸型型腔（moldcavity）内,待其冷却凝固后,获得毛坯或零件的方法。

2.优点：适应性强，金属种类、铸件尺寸、形状不受限制；成本低；尤其适于制造内腔复杂的大型箱体件。

缺点：铸件内部组织疏松、晶粒粗大，易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷；铸件外部易产生粘砂、夹砂、砂眼等。由此，与同样材料的锻件相比，铸件的力学性能低，特别是冲击韧性。又由于铸造工序多，难以精确控制，使铸件品质不够稳定。3.铸造方法：按生产方法分类，可分为砂型铸造和特种铸造。按合金种类分类可分为铸铁、铸钢、铝合金铸造、铜合金铸造、镁合金铸造、钛合金铸造等。砂型铸造基本工艺过程配制的型砂模样砂型配制的芯砂芯盒砂芯合箱熔化的合金浇注检验冷却落砂清理合格的铸件一、熔融合金的流动性及充型能力“金属液充型能力”定义：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，称为液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力。

充型能力差→浇不足（shortrun）、冷隔（coldshuts）、气孔（pore）、夹杂（inclusion）

影响因素：包括金属液的流动性、性质、浇注条件及铸型条件等。金属液的流动性指液态合金自身的流动能力。流动性好，则充型能力强。

流动性不好：不能充满型腔，不能形成符合要求的优质铸件。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。说明不同的合金具有不同的流动性特点。在进行铸件设计和铸造工艺制定时，必须考虑合金流动性。那么，我们怎样衡量合金的流动性呢？金属流动性试样流动性的测试通常用螺旋形试样来衡量，

l，流动性在相同的浇注工艺条件下，将金属液浇入铸型中，测出其实际螺旋线长度。浇出的试样愈长，合金的流动性愈好！合金种类：灰口铸铁，硅黄铜，流动性最好，l1000mm

。铸钢的流动性最差，

l200mm；成分：共晶合金的流动性最好；结晶特征：结晶间隔越小，则流动性越好；

粘度：粘度越大，流动性越差；结晶潜热：结晶潜热越小，流动性越差。影响流动性因素：合金铸型浇注温度/℃螺旋线长度/mm铸铁：w(C+Si)=6.2%w(C+Si)=5.9%w(C+Si)=5.2%w(C+Si)=4.2%砂型1300130013001300180013001000600铸钢：w(C)=0.4%砂型16001640100200铝硅合金金属型()680～720700～800镁合金（Mg-Al-Zn）砂型700400～600锡青铜：w(Sn)=9%～11%w(Zn)=2%～4%硅黄铜：w(Si)=1.5%～4.5%砂型104011004201000灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。（砂型，试样截面8㎜×8㎜）2.浇注（pouring）条件T浇

→粘度→充型能力；但T浇→粘砂（sandadherence）、缩孔（shrinkagecavity）、气孔（blowhole）、粗晶（graincoarsening）等缺陷浇注温度指的是浇注时熔融合金的温度，一般要求比它的液相线温度高，即存在过热度，推迟它的凝固时间，以保持良好的流动性。但是也不能太高，否则造成氧化，吸气，过收缩，粘砂，胀砂等不良后果。所以，每种合金有自己的合理浇注温度范围。浇注温度：铸钢1520~1620℃；铸铁1230~1450℃；铝合金680~780℃充型压力

液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越强。3.铸型特性铸型的导热能力

，T液

，充型能力；铸型的温度

，充型能力

，所以金属型要预热；铸型的排气能力，流动阻力，充型能力；最小壁厚（wallthickness）折算厚度折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。铸件复杂程度铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就困难。

二、合金的凝固（solidification）特性合金从液态变为固态，称为凝固或一次结晶（crystal-lization）。金属的凝固，一般均是在常温、常压(重力)情况下进行的。压铸等技术除外。金属凝固时应满足的热力学条件是：只有当体系所处的温度低于熔点温度(液相线温度)Tm时，才能发生凝固现象。液－固两相自由能差是凝固过程能保持继续进行的驱动力。金属的凝固包括晶核的形成及晶体的长大两个过程。在此过程，易产生缺陷：缩孔、缩松（po-rosity）、气孔、夹杂（inclusion）、热裂（hottear）、偏析等。1.铸件的凝固方式

铸件断面上有三个区域：固相区、液相区、凝固区。逐层凝固：纯金属或共晶成分合金凝固过程中不存在液、固并存现象，其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，液固界限清楚分开，称为逐层凝固。常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。体积凝固（糊状凝固）：合金的结晶温度范围很宽，温度分布较平坦(内、外温度较小)，整个断面内均为液固并存，先呈糊状而后固化，称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。中间凝固：大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。合金的凝固方式影响铸件质量。逐层凝固的合金产生缺陷的倾向小。（2）铸件的温度梯度在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。增大温度梯度，可以使合金的凝固方式向逐层凝固转化；反之，铸件的凝固方式向糊状凝固转化。影响铸件凝固方式的主要因素：（1）合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固。如两条相线之间的距离很大，则趋于糊状凝固；如两条相线间距离较小，则趋于中间凝固方式。S1S2T1T2T液T固LL+αα表面中心温度梯度对凝固区域的影响三、合金的收缩1.收缩及其影响因素合金的收缩：铸件在凝固和冷却过程中，其体积或尺寸减少的现象称为收缩。包括：缩孔，缩松应力，变形，裂纹成分(%)

T

①②③①液态收缩（体收缩率）浇注温度—液相线②凝固收缩（体收缩率）液相线—固相线③固态收缩（线收缩率）固相线—室温影响铸件收缩的主要因素：化学成分：不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造合金中铸钢的收缩最大，灰铸铁最小。浇注温度：合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。铸件结构：壁厚不均匀→收缩受阻→收缩率小；铸型条件：铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越小。2.收缩导致的铸件缺陷（1）缩孔与缩松（体积缩减得不到补充）

缩孔：缩孔是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大部位及最后凝固部位形成一些容积较大的孔洞。出现在铸件上部或最后凝固部位,倒锥形,容积较大.产生原因：先凝固区域堵住液体流动的通道，后凝固区域收缩所缩减的容积得不到补充。缩松：铸件最后凝固区未得到补缩形成分散细小的孔洞.

逐层凝固合金易形成缩孔，糊状凝固合金易产生缩松，

缩松严重影响铸件的气密性。产生原因：

当合金的结晶温度范围很宽或铸件断面温度梯度较小时，凝固过程中有较宽的糊状凝固两相并存的区域。随着树枝晶长大，该区域被分割成许多孤立的小熔池，各部分熔池内剩余液态合金的收缩得不到补充，最后形成了形状不一的分散性孔洞即缩松。另外，缩松还可能由凝固时被截留在铸件内的气体无法排除所致。不过，缩松内表面应该是光滑，近似球状。

缩孔和缩松易出现在冷却缓慢的厚壁热节处。热节位置确定：“内切圆法”和“凝固等温线法”定向凝固：在厚大部位安放冒口、冷铁和补贴，使薄壁→厚壁→冒口

顺序凝固，让缩孔移入冒口。顺序凝固用于收缩率较大必须补缩的场合(铝青铜、铸钢)，不能预防显微缩松。缩孔和缩松防止:浇注系统Pouringsystem型腔mouldcavity冒口Riser温度距离123缩孔shrinkagecavity

其他防止缩松的措施选用近共晶成分或结晶温度范围较窄的合金加大结晶压力，破碎枝晶，减少对金属的流动阻力加大铸件的冷却速度，使液固两相区的截面变窄（2）铸造应力、变形和开裂铸造内应力在固态收缩阶段产生，是铸件变形、开裂的根本原因。铸造应力相变应力热应力机械应力铸件收缩受到机械阻碍铸件因V冷却、壁厚、温度不同，各部位收缩不一致产生铸件组织发生相变时，因温度差异出现体积变化不一致铸造应力：厚拉薄压铸件厚壁或心部受拉应力，薄壁或表层受压应力1)热应力：铸件壁厚不均或各处冷速不同，导致各处收缩不同步引起的应力。残余应力

+-+--++表示拉应力-表示压应力铸件因壁厚不均匀，或铸件中存在着较大的温差，在同一时间内铸件各部分收缩不同，先冷却的部位阻碍了后冷却部位的收缩，在其内部产生了内应力。+框架结构+-T型梁结构内应力薄压厚拉变形方向恰相反——铸件产生热应力与变形的规律：①薄壁、细小部位：冷得快，受压应力（凸出）；②厚壁、粗大部位：冷得慢，受拉应力（凹进）。2）相变应力铸件冷却过程中，有的合金要经历固态相变，比容发生变化。下表为钢的各种组织的比容。钢的组成相铁素体渗碳体奥氏体w(C)=0.9%珠光体马氏体比容/cm3·g-10.12710.13040.12750.12860.13103)机械应力：

铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡等外力阻碍而产生的应力称为机械应力。收缩应力使铸件产生拉应力或切应力，并且是暂时的。但是如果在某一瞬间收缩应力和热应力同时作用超过了铸件的强度极限时，铸件将产生裂纹。防止和减小铸造应力的措施

①合理设计铸件结构铸件的形状愈复杂，各部分壁厚相差愈大，冷却时温度愈不均匀，铸造应力愈大。因此，在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀。②尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。③采用同时凝固的工艺所谓同时凝固是指采取一些工艺措施，使铸件各部分温差很小，几乎同时进行凝固，如下图所示。因各部分温差小，不易产生热应力和热裂，铸件变形小。同时凝固：同时凝固的具体工艺是将内浇口开在铸件的薄壁处，以减缓其冷却；再在铸件厚壁处放置冷铁，以加快其冷却。总之，同时凝固原则可降低铸件产生应力、变形和裂纹的倾向；这种工艺因不设冒口，使工艺简化、并节约了金属材料。只是铸件的心部会产生缩孔和缩松缺陷，所以同时凝固原则只用于普通灰铸铁和锡青铜等铸造性能好的铸件的生产。适用于普通灰铸铁和锡青铜以及壁厚均匀的薄壁件。

④合理设置浇冒口，缓慢冷却，以减小铸件各部分温差；采用退让性好的型、芯砂。⑤若铸件已存在残余应力，可采用人工时效、自然时效或振动时效等方法消除。受拉部位趋于缩短，受压部位趋于伸长。内应力超过材料的屈服点s时，将造成铸件变形。

铸件的变形预防变形措施：使铸件壁厚均匀或截面形状对称；同时凝固原则；反变形法；设置防变形拉筋切削加工前退火等。床身导轨面的翘曲变形去应力退火实践证明，铸件变形后其残余应力并未彻底消除。这种铸件经机械加工后，内应力将重新分布，使零件缓慢地变形，丧失原有的加工精度。为此，对不允许发生变形的铸件，必须进行时效处理。时效处理可分为自然时效和人工时效两种。自然时效是将铸件置于露天场地半年以上，使其缓缓地发生变形，从而使残余应力消除或减少，人工时效是将铸件加热到550~650℃进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较为彻底，故应用广泛。铸件裂纹：裂纹产生的原因：内应力

>b抗拉强度热裂：裂纹短而宽，内呈氧化色。外形曲折，沿晶裂。凝固末期，金属的高温强度较低，其线收缩受阻，机械应力超过高温强度产生热裂纹。Fe+FeS熔点只有898℃。结晶温度宽，凝固收缩量大的铸钢容易产生热裂纹热裂示意图

热裂纹是铸钢件和铝合金铸件常见的缺陷。凝固末期，结晶出来的晶体已形成完整的骨架，开始固态收缩，但晶粒之间还有少量液体金属，形成液膜，强度很低。如果固态收缩受到砂型和砂芯的阻碍，机械应力超过次时金属液膜的抗拉强度，即发生热裂。很明显，零件结构不合理、合金的收缩率高、型砂或芯砂的退让性差，合