液态材料铸造成形技术过程

材料成形技术基础第一章金属液态成形1.0概述1.1金属液态成形工艺基础1.2砂型铸造1.3特种铸造1.4常用合金铸造及铸造方法选择主要内容1.0概述

金属液态成形通常称之为铸造，它是指液态金属，在重力或外力作用下充填到型腔中，凝固冷却后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的成形方法。可铸之材：金属、石蜡、塑料、石材、……液态成形（铸造）的优缺点

液态成形的优点：1）最适合形状复杂的箱体、机架、阀体、缸体等2）适应性广，工艺灵活性大(材料、大小、形状不受限制)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，导致铸件力学性能下降，特别是冲击性能较低。

分类：砂型铸造；特种铸造各类机械工业中铸件质量所占的比率机械类别比率/％机床、内燃机、重型机器风机、压缩机拖拉机农业机械汽车70～9060～8050～7040～7020～301.1金属液态成形工艺基础

123熔融合金的流动性及充型能力铸件的常见缺陷合金的收缩主要内容1.1.1熔融金属的流动性及充型能力

（一）流动性与充型能力概念1.流动性

熔融合金的流动性是指其自身的流动能力。

流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。

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。

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！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？1.1.1熔融金属的流动性及充型能力表1-1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㎜）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1040110042010001.1.1熔融金属的流动性及充型能力2.充型能力

充型能力是指液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力，不仅与合金流动性有关、还与浇注条件、铸型条件等因素有关！1.1.1熔融金属的流动性及充型能力（2）影响合金流动性与充型能力的主要因素

1.化学成分成分不同的合金具有不同的结晶特性，对合金流动性的影响最为显著。

纯金属和共晶成分的合金流动性最好；

其它成分的合金结晶温度区间越宽，流动性越差。1.1.1熔融金属的流动性及充型能力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。a）在恒温下凝固b）在一定温度范围内凝固PbSb20406080204060800流动性（cm）100200300温度（℃）01.1.1熔融金属的流动性及充型能力Fe-C合金的流动性与碳的质量分数的关系1.1.1熔融金属的流动性及充型能力（2）影响合金流动性与充型能力的主要因素

2.浇注条件包括浇注温度、浇注速度、充型压力等条件。

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℃。增大充型压力、提高浇注速度均能提高充型能力。1.1.1熔融金属的流动性及充型能力（2）影响合金流动性与充型能力的主要因素

3.铸型条件

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。1.1.1熔融金属的流动性及充型能力1.1.2合金的收缩（一）收缩的概念及主要影响因素收缩：液态合金在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的现象。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。（1）液态收缩：T浇到Tι（2）凝固收缩：Tι到Ts（3）固态收缩：Ts到室温合金的收缩率为三个阶段收缩率的总和。图1-5合金收缩的三个阶段1.1.2合金的收缩

收缩率体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。体收缩率：线收缩率：线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。合金种类体收缩率/%线收缩率/%碳素铸钢10～14.51.3～2.0白口铸铁12～141.5～2.0灰铸铁5～80.7～1.0表1.2铁碳合金的收缩率影响因素化学成分

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刚的收缩最大，灰铸铁最小。

2.浇注温度

合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。3.铸件结构与铸型条件

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。1.1.2合金的收缩（二）铸件的缩孔和缩松1．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。

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。图1-6缩孔形成过程示意图

（1）缩孔的形成

1.1.2合金的收缩1.1.2合金的收缩图1-7缩松的形成过程示意图

（2）缩松的形成1.1.2合金的收缩2．缩孔和缩松的防止（1）缩孔和缩松位置的确定

缩孔和缩松都易出现在铸件中冷却凝固缓慢的厚壁热节处。如何确定热节？1.1.2合金的收缩图1-8缩孔位置的确定

热节部位的确定：内切圆、等温线法1.1.2合金的收缩（2）“定向凝固”原则防止缩孔：使铸件实现“定向凝固”<顺序凝固>。

定向凝固：在铸件的厚大部位[热节]，安放冒口或冷铁，使远离冒口的部位最先凝固，而后是靠近冒口的部位凝固，冒口本身最后凝固。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。浇注系统Pouringsystem型腔mouldcavity冒口Riser温度距离123缩孔shrinkagecavity1.1.2合金的收缩（3）“定向凝固”原则图1-9冷铁的应用

1.1.2合金的收缩（4）其它措施1.1.2合金的收缩避免糊状凝固，选用近共晶成分或结晶温度范围较窄的合金。

加大冷速，如采用热节处安放冷铁等局部冷却方法，加大该处温度梯度，使液-固两相区的截面变窄，减少缩松。

加大结晶压力，可以破碎枝晶，增加流动性，减少缩松。（三）铸造内应力1.1.2合金的收缩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。2．机械应力的形成

机械应力是合金的线收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力。

热应力是永久性的；机械应力是暂时存在的。

1.1.2合金的收缩图1-10热应力的形成〔+拉应力-压应力〕Ⅱ细杆、先冷Ⅰ粗杆、后冷Ⅱ细杆、受压Ⅰ粗杆、受拉表面什么应力？心部什么应力？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。1.1.2合金的收缩3．减小应力的措施

在铸造工艺上采取“同时凝固原则”，尽量减小铸件各部位间的温度差，使铸件各部位同时冷却凝固。改善铸型和型芯的退让性，以及浇注后及时打箱落砂，可以有效减少机械应力及其与热应力的共同作用。

将铸件加热到550～650℃之间保温，进行去应力退火可消除残余内应力。1.1.2合金的收缩（四）铸件的变形

铸件变形：

厚薄不均匀、截面不对称及细长的杆类、板类及轮类铸件，当铸造应力超过铸件材料的屈服极限时产生翘曲变形。铸件变形防止：

减小铸造内应力或形变平衡内应力反变形法设防变形拉筋去应力退火1.1.2合金的收缩

发生期引发因素特征倾向防止措施热裂凝固高温机械应力(铸型阻力)短宽曲氧塑性区宽退让性，控制S冷裂凝固低温复合应力光滑穿晶脆性，大型壁厚均匀，控制P热裂：凝固后期因机械应力超强而产生。冷裂：继续冷却至室温形成的裂纹。（五）铸件的裂纹

裂纹是铸造内应力超过金属材料抗拉强度的产物1.1.2合金的收缩热裂示意图

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，合金的高温强度低等，都使铸件易于产生热裂纹。防止措施:

a．合理设计铸件结构；

b．改善铸型和型心的退让性；

c．限制铸钢和铸铁中的S含量；

d．选用结晶温度区间小的合金。冷裂示意图产生原因：温度下降，σ铸↑，σ铸>σb时，则产生裂纹；冷裂常出现在复杂铸件受拉应力的部位，特别是应力集中处（如尖角处、缩孔、气孔、夹渣等缺陷附近）。壁厚差悬殊，结构复杂的铸件易于发生冷裂。不同铸造合金冷裂倾向不同，灰口铸铁、白口铸铁、高锰铜等塑性差的合金较易产生。防止措施：

a．减少铸造应力；b．降低合金中P的含量；

c．去应力退火；d．设计铸件时应避免应力集中。

1.1.3铸件的常见缺陷三、铸件的常见缺陷缺陷：浇不足、冷隔、气孔、粘砂、夹砂、砂眼、胀砂。1．浇不足和冷隔

充型能力不足，或充型条件较差，在型腔被填满之前，金属液便停止流动，将使铸件产生浇不足或冷隔缺陷。

浇不足：会使铸件不能获得完整的形状；

冷隔时：铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全融合的接缝，铸件的力学性能严重受损。

防止：提高浇注温度与浇注速度。1.1.3铸件的常见缺陷三、铸件的常见缺陷缺陷：浇不足、冷隔、气孔、粘砂、夹砂、砂眼、胀砂。2．气孔在铸件内生成的孔洞类缺陷。内壁光滑，明亮或带有轻微的氧化色。气孔将会减小