金属的液态成型

第一章金属的液态成型1.1液态金属成形工艺理论1.1.1液态金属成形工艺的概念

液态金属成型是指将液态金属填充到铸型的型腔中待其冷却凝固后获得所需形状、尺寸和性能的铸件毛坯（或零件）的成型方法，即：铸造。1.1.2液态金属成形工艺特点1．可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。2．适应性强：（1）合金种类不受限制；

（2）铸件大小几乎不受限制。3．成本低：

（1）材料来源广；

（2）废品可重熔；

（3）设备投资低。4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。1.1.3合金的铸造性能概念:铸造性能是指合金铸造成形获得优质铸件的能力。合金的铸造性能指标:流动性、收缩性、偏析和吸气性等一.合金的流动性流动性概念:合金的流动性是指熔融合金的流动能力。影响因素:流动性不仅与合金本身的性质有关，而且与浇注条件、铸型材料和铸型条件等有关。测定:螺旋试样法·流动性对铸件质量的影响1)流动性好，容易获得尺寸准确，轮廓清晰的铸件。

2)流动性好的合金，有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体的上浮和排除，从而使铸件的内在质量得到保证。3)流动性好的合金，可使铸件的凝固收缩部分及时得到液态合金的补充，从而可防止铸件中产生缩孔、缩松等缺陷。二.合金的收缩(一)收缩的概念

金属由液态向固态的冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩。三个收缩阶段:液态收缩,凝固收缩,固态收缩

应用:在常用的合金中，铸钢的收缩最大，灰铸铁的最小。

(二)影响收缩的因素

化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件等1)化学成分

碳素钢随含碳量增加，凝固收缩增加，而固态收缩稍减。灰铸铁中，碳是形成石墨化的元素，硅是促进石墨化的元素，所以碳硅含量越多，收缩越小。2)浇注温度

浇注温度越高，过热度越大，合金的液态收缩也越大。3)铸件结构与铸型条件

阻碍收缩,产生内应力三.合金的偏析和吸气性

(一)合金的偏析·铸件内部化学成分不均匀的现象，称为偏析。·影响:降低力学性能,耐腐蚀性能,热裂和疲劳·种类:晶内偏析,区域偏析和比重偏析(二)合金的吸气性·合金在加热过程中不断吸收(溶解)与其相接触的

气体的性质，称为合金的吸气性。·影响:导致气孔

1.2铸造合金及熔炼1.2.1常用铸造合金材料1.铸铁2.铸钢3.非铁铸造合金1.铸铁铸铁：是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金；铸铁生产工艺简单、成本低，是使用最早、应用最广泛的材料之一。●铸铁的分类●常用铸铁的特点及应用●铸铁的分类白口铸铁：以Fe3C形式存在，无石墨，断口呈银白色；

硬而脆，少用；但可制作耐磨件或作为冶炼钢铁的原料灰口铸铁：主要以游离石墨的形式存在，断口暗灰色；

应用广泛，在我国铸铁与钢应用比例为0.46：1麻口铸铁：以Fe3C＋石墨形式存在，断口呈灰白色；

脆性大，少用按碳的存在形式普通铸铁合金铸铁（特殊性能铸铁）按化学成分

按石墨的形态(灰口铸铁分类)灰铸铁：石墨呈粗片状可锻铸铁：石墨呈团絮状球墨铸铁：石墨呈球状蠕墨铸铁：石墨蠕虫状白口灰口灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁常用铸铁的种类：灰口铸铁合金铸铁●常用铸铁的特点及应用1.灰铸铁

成分：2.5～4.0%C；1.0～3.0%Si；少量Mn、S、P等。

组织：F+片状G；F+P+片状G；P+片状G；

性能：抗压不抗拉，塑性差，铸造性能和切削加工性能好；耐磨减摩、减震性好，压力加工和焊接性能差。

用途：常利用灰铸铁的减震和抗压性能，制作机床底座、床身、

工作台、导轨、箱体等。F基体+片状G(F+P)基体+片状GP基体+片状G指石墨呈片状分布的灰口铸铁。2.可锻铸铁—玛钢牌号：如KTH300-06，表示抗拉强度≥300MPa，断后伸长率≥6％。指石墨呈团絮状的灰口铸铁，由亚共晶白口铸铁经长时间石墨化退火（900～960℃）获得。性能：抗拉强度比灰铸铁高，为碳钢的40~70%，接近于铸钢；有一定塑性和韧性。但仍不可锻造。铁素体基体黑心可锻铸铁珠光体基体可锻铸铁断口心部呈黑色3.球墨铸铁是石墨呈球状分布的灰口铸铁，简称球铁。组织：钢基体+球状G基体组织有F、P、（P+F）3种类型F基体＋球状GP基体＋球状G(P＋F)基体＋球状G牌号：QT×××-××（如QT600-03）

指大部分石墨呈蠕虫状分布的灰口铸铁。

牌号：RuT×××成分：高C、Si，低Mn、P、S性能：力学性能介于基体相同的灰铸铁和球墨铸铁之间；气密性、耐磨性比灰铸铁好；减震性比球铁好，但不如灰铸铁；铸造工艺性与灰铸铁相近，切削加工性与球铁相近。组织：钢基体+蠕虫状G生产：蠕化处理→孕育处理用途：制造汽车的汽缸盖、活塞环和制动盘，电机壳，重型机床和大型柴油机的机体。4.蠕墨铸铁

5.合金铸铁耐蚀合金铸铁：加入Si、Al、Cr、Cu、Ni等，在铸铁表面形成致密的保护膜，减少各相间的电位差；制造化工管道、阀门等。

耐磨合金铸铁：加入Cr、V、Mo、Ti、Re等；制造大型球磨机衬板等。

其它：激冷铸铁、高磷铸铁、高铬耐磨铸铁等。高强度合金铸铁：加入Cr、Ni、Cu、Mo等，增加基体中珠光体数量并细化组织，从而显著提高铸铁强度；制造曲轴、连杆等。耐热合金铸铁：加入Si、Al、Cr等，使铸件表面形成致密的SiO2、Al2O3、CrO3等氧化膜，制造加热炉的炉底板、烟道挡板等。

合金铸铁应用1.铸钢分类

1）铸造碳钢：性能特点：强度和塑性、韧性高于铸铁，但铸造工艺性差。（原因：熔点高，钢液易氧化，流动性差，收缩率大。）热处理：铸钢件必须经过退火或正火处理，改善组织和性能，消除铸造应力，才能使用，但不宜淬火处理。牌号：ZG+数字—数字例：ZG270-500铸钢代号屈服强度值抗拉强度值使用态组织：P＋F2.铸钢铸造碳钢的应用

对于形状复杂、难以用锻造成形、用铸铁又不能满足其性能要求的零件，可采用铸钢件。例如：水压机横梁、轧钢机机架、重载大齿轮等。5000吨水压机横梁

双进双出磨煤机大齿轮

2）铸造合金钢铸造碳钢+合金元素（如Mn、Si、Cr、Mo、V等）编号方法：在一般合金钢牌号前加“ZG”表示铸钢主要牌号及用途

低合金铸钢：ZG40Mn、ZG30MnSi、ZG30CrMnSi，制造齿轮、水压机工作缸、水轮机转子等；ZG40Cr常用于制造高强度齿轮、轴等重要受力零件。

高合金铸钢：合金元素的质量分数超过10%以上，属特殊性能钢。例如，ZGMn13耐磨钢主要用于制造挖掘机的斗齿、拖拉机和坦克的履带板、火车轮等；不锈钢主要用于化工、石油及医药设备的阀、泵及容器等。

常用有铜合金铸件和铝合金铸件，具有良好的物理和化学性能。铜合金、铝合金铸造特点：熔化设备：坩埚炉。熔化时，金属料与燃料不直接接触，以减少金属的损耗，并保证金属的洁净。液态下易氧化；凝固收缩率比灰铸铁高，需安放冒口使其顺序凝固，以便补缩；砂型铸造时，应选用细砂造型，以保证铸件表面光洁。电阻坩埚炉3.非铁铸造合金铸造黄铜：除含锌外，还常含有硅、锰、铝、铅等。力学性能多比青铜高，而价格较青铜低。常用于一般用途的轴瓦、衬套、齿轮等耐磨件及阀门等耐蚀件。

常用牌号：ZCuZn38（38黄铜）、ZCuZn31Al2（31-2铝黄铜）铸造铜合金种类铸造青铜

锡青铜：线收缩率低，不易产生缩孔，耐磨性和耐蚀性优于黄铜，但流动性差易产生缩松，适用于致密性要求不高的耐磨、耐蚀件。

铝青铜：具有优良的力学性能和耐磨性、耐蚀性，但铸造性能较差，仅用于重要的耐磨、耐蚀件。

常用牌号：ZCuSn10Pb1（10-1锡青铜）、ZCuAl9Mn2（9-2铝青铜）铸造铜合金铸造铝合金种类常用有：铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金。

铝硅合金：流动性好、线收缩率低、热裂倾向小、气密性好，强度高，应用最广，约占铸造铝合金总产量的50%以上，用于形状复杂的薄壁件或气密性要求较高的铸件，如内燃机气缸体、化油器、仪表外壳等。

铝铜合金：的铸造性能较差，热裂倾向大，气密性和耐蚀性较差，但耐热性较好，主要用于制造活塞、气缸头等。

一.铸铁的熔炼冲天炉的构造设备：冲天炉（图示）或感应电炉原料：焦炭、生铁、废钢、硅铁、锰铁等过程：

经底焦的燃烧，金属料预热、熔化和过热、冶金反应等过程获得所需铁液。铸铁的组织和性能通过调整硅量实现。炼铁1.2.2

铸造合金熔炼电弧炉炼钢示意图二.铸钢的熔炼主要有两种：电弧炉炼钢和感应电炉炼钢

一般，大规模生产或浇注大型铸件采用电弧炉炼钢（图示），与常规钢材生产的冶金炼钢不同，所用已是钢料，这里“炼”只是对钢的化学成分进行微调。

电弧炉是以三个石墨电极与金属炉料之间引燃电弧产生的热量来熔炼金属，常用容量（每炉所炼钢液量）为5～10吨。电弧炉可倾斜将钢液倒入钢包。1.3铸造成型工艺1.3.1砂型铸造

定义：以铸造用型砂为主要原材料制成铸型，且液态金属完全靠重力充满整个铸型型腔形成铸件的方法称为砂型铸造。铸件的形状和尺寸由铸型型腔来形成

铸型包括：外型（砂型）形成铸件的外轮廓形状和尺寸

型芯（砂芯）形成铸件的内腔形状和尺寸制造砂型简称为造型，制造砂芯简称为造芯，将砂芯装配在砂型内组成铸型的过程称为配型砂型铸造基本工艺过程程序框图一、砂型铸造的特点砂型铸造分类：普通粘土砂造型化学造型法物理造型法砂型铸造特点：

缺点：劳动条件差，铸件质量欠佳，铸型只能使用一次，生产效率低。

优点：不受零件形状、大小、复杂程度及合金种类的限制，原材料来源广，生产准备周期短，成本低。砂型铸造应用最广泛按砂箱特征分类两箱造型三箱造型二.常见的造型方法

在砂型铸造中，造型和造芯是最基本的工序。根据造型生产方法的特点，通常分为手工造型和机器造型两大类。（1）手工造型以手工造型为生产方法的砂型铸造可按砂箱特征和模样特征进行分类按模样特征分类整模造型假箱造型刮板造型分模造型挖沙造型活块造型（2）机器造型1.3.2砂型铸造工艺方案的确定1

浇铸位置的确定2

分型面的选择3

铸造工艺参数的确定4

型芯设计5

铸造工艺图的绘制砂型铸造工艺方案的确定步骤：零件结构工艺分析选择造型、造芯方法确定铸件浇注位置及分型面确定铸造工艺参数画铸造工艺图1

浇铸位置的确定重要加工表面应朝下或直立；铸件的大平面应朝下；铸件的薄壁部位应放在铸型的下部或侧面；铸件的厚大部位应放在上面或侧面。2

分型面的选择铸件全部或大部放在一个砂箱内；分型面尽量为平直面；尽量减少型芯数量；应便于下芯、合型及检查型腔尺寸。3

铸造工艺参数的确定（1）铸造收缩率（2）要求的机械加工余量（3）起模斜度（4）最小铸出孔和槽4

型芯设计垂直芯头一般安装芯头撑

一般截面大，高度小的型芯只有一个芯头。水平芯头5

铸造工艺图的绘制支架铸造工艺图1.4特种铸造特种铸造金属型铸造熔模铸造消失模铸造离心铸造低压铸造压力铸造七种常见的特种铸造方法挤压铸造1.4.1熔模铸造定义：在易熔材料（如蜡料）制成的模样上包覆若干层耐火涂料，待其干燥硬化后熔出模样而制成型壳，型壳经高温培烧后即可浇注的铸造方法。熔模（失蜡）铸造的工艺过程44主要用于生产汽轮机、水轮机上小型的叶片和叶轮、切削刀具及汽车、拖拉机、船舶、机床和风动工具上的小型零件等。（1）可生产形状复杂、轮廓清晰、薄壁铸件。（2）铸件精度高，表面质量好。（3）能够铸造各种合金铸件。（4）生产批量不受限制。但工序繁多，生产周期较长，铸件不能太长、太大，铸件成本比砂型铸件高。特点应用实例451.4.2金属型铸造定义：在重力作用下将熔融金属浇入金属型而获得铸件的方法金属型用铸铁和铸钢制成；铸件的内腔既可用金属型芯、也可用砂芯。1、金属型的结构462、金属型铸造的工艺特点金属型的导热速度快和无退让性，使铸件易产生浇不足、冷隔、裂纹等缺陷。1）预热金属型：有利于金属液的充型。生产铸铁件，金属型预热至250-350℃；生产有色金属件预热至100-250℃。47浇不足：指铸件的形状不完整。冷隔：指铸件上某处由于两股或两股以上金属液流未熔合而形成的接缝。482）型腔须喷刷耐火涂料：保护其免受金属液直接冲蚀和热击，可调节铸件各部分的冷却速度。3）浇注温度应比采用砂型高出20-30℃，铸铁件的壁厚不小于15mm，以防白口组织。白口铸铁：白口铸铁中的碳全部以渗透碳体（Fe3C）形式存在，因断口呈亮白色。故称白口铸铁，由于有大量硬而脆的Fe3C，白口铸铁硬度高、脆性大、很难加工。因此，在工业应用方面很少直接使用。1)不宜铸造结构复杂、薄壁或大型铸件；2)铸型寿命短，灰铸铁件铸造时还易于白口组织；3)成本高，周期长，需批量生产。3、金属型铸造的优缺点(1)优点：1)金属型铸造一型多铸，生产率高，劳动条件好；2)铸件的组织致密、晶粒细小，机械性能高；3)铸件精度高、表面粗糙度值低。(2)缺点：4、金属型铸造的应用：

主要用于成批生产铝、铜合金等的中、小型铸件，如活塞、缸体、液压泵壳体、轴瓦和轴套等。49501.4.3压力铸造

定义：压力铸造是指金属液在高压下高速充型，并在压力下凝固的铸造方法。51压力铸造的基本原理1、冷室压铸机压室与保温炉分开用于大型厚壁铸件的生产（a）浇入液态金属；（b）加压；（c）顶出铸件1-顶杆2-金属铸型3-加压活塞4-铸件2、压力铸造的特点1)铸件质量好，尺寸精度高；2)压铸件的强度和表面硬度较高；3)生产效率高，操作简便，易于实现自动化。1)充型速度快，型腔中的空气很难完全排出，且厚壁处也很难补缩；

2）压铸件不宜进行热处理或在高温下使用；3）可压铸的合金种类受到限制；4）设备投资大，压铸型的制造成本高3、压力铸造的适用范围：

航空航天、汽车、仪器仪表、医疗器械等，大批量生产有色合金铸件；压铸件应尽量避免机加工，以防内部孔洞外露。

优点：缺点：521.4.4低压铸造低压铸造是采用较压力铸造低的压力（一般为0.02-0.06Mpa），将金属液从铸型的底部压入，并在压力下凝固获得铸件的方法。53低压铸造的特点及应用：1、浇注及凝固时的压力容易调整、适应性强，可用于各种铸型、各种合金及各种尺寸的铸件。2、底注式浇注充型平稳，减少了金属液的飞溅和对铸型的冲刷，可避免气孔缺陷。3、铸件在压力下充型和凝固，其浇口能提供金属液来补缩，因此铸件轮廓清晰，组织致密。4、低压铸造的金属利用率高，约90%以上。5、设备简单，劳动条件较好，易于机械化和自动化。主要用来铸造一些质量要求高的铝合金和镁合金铸件，如气缸体、缸盖、和高速内燃机的铝活塞等薄壁件。

1.4.5离心铸造

定义：将金属液浇入绕水平、倾斜或立轴高速旋转的铸型，在离心力作用下充型和凝固的铸造方法。铸件的各部分冷却速度相同，壁厚均匀。主要用来生产长度大于直径的套、管类铸件。污水管55金属液的自由表面在离心力作用下呈抛物面，主要生产高度小于直径的盘、环类铸件。56铸铁管的离心铸造571、适用于旋转体铸件的生产，省去浇冒口，金属利用率提高；不用造型、制芯，节省了相关材料及设备投入。2、金属补缩效果好，铸件致密，机械性能好；3、可以实现双金属铸造，5、易产生偏析，内表面不易控制。

特点及适用范围58双金属铸造：为了满足同一铸件不同部件有截然不同的性能的要求，以及为了节约贵合金和降低成本而采用双金属铸造。它是把两种成分不同、性能各异的金属熔铸在一起的铸造方法。把第一种成分的金属液浇入铸型后，待结成外壳，在预定时间内再把第二种成分的金属液浇入，并把内部未凝的第一种金属顶出来。在离心力作用下，密度大的金属液被推往外壁。而密度小的气体、熔渣向自由表面移动1.4.6挤压铸造一、挤压铸造原理把液态金属直接浇入金属模内，然后在一定时间内以一定的压力作用于焙融或半熔融的金属液体使之成形，并在此压力下结晶和塑性流动，从而获得毛坯或零件。是介于铸、锻之间的一种少无切削工艺技术。二、挤压铸造特点及实用范围由于挤压铸造是使液态金属在高的机械压力下进行结晶，因而此工艺具有如下的特点：

（1）挤压铸造可以消除铸件内部的气孔、缩孔和缩松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密。（2）挤压铸件表面粗糙度低和尺寸精度高，其级别能达到压铸件的水平。（3）挤压铸件在凝固过程中，各部分处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生。（4）便于实现机械化、自动化，可大大减轻工人的劳动强度，改善铸造车间劳动条件。（5）挤压铸造是通过压力传递进行补缩的，工艺的应用会受到某些限制。按金属的受力状态和流动特性可将挤压铸造分为直接挤压铸造和间接挤压铸造。三.挤压铸造工艺的分类直接式挤压铸造原理

浇入到型腔中的液态金属在压头力的作用下直接成型。适合生产那些壁厚较大，形状不太复杂，性能要求较高的制件。制件有微量的塑性变形组织。间接式挤压铸造原理

浇入到压室内液态或半固态金属在压(冲）头力作用下经内浇道充满型腔（压注成型）。它适合生产那些形状更加复杂，壁厚差较均匀的零件，制件没有塑性变形组织。垂直合型挤压铸造:在液压机上，把内凹的半型（凹型）3置于液压机的工作台上，把外凸的半型（凸型）2作为金属冲压时的冲头，固定在液压机的活动横梁上，在凹型内倒入定量的金属液1，凸型垂直下移，凹型内金属液在凸型机压下充填性强，在压力下凝固成形。此时，铸型为金属型，金属液在合型后处于封闭状，铸件凝固时所受压力较大。按挤压铸型的合型方向的不同，挤压铸造可分为垂直合型和旋转合型两大类。旋转合型挤压铸造用于生产大型薄壁件:机翼、飞机的座舱底板，导弹弹翼等。1-活动板；2-动型；3-浇包；4-定型；5-金属液；6-多余金属液64消失模铸造（又称实型铸造）：

将与铸件尺寸形状相似的石蜡或泡沫模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在负压下浇注，使模型气化，液体金