第二章 液态成型

2液态材料铸造

成形技术过程概念金属液态成形——液态金属在铸型中冷却、凝固形成零件。

通常称为：铸造熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法称为液态成形。简称铸造。液态成形是机械制造中生产机器零件或毛坯的主要方法之一。

基本工艺过程制作模样配制型砂制作芯盒制作芯砂}砂型铸型凝固、落砂、清理、检验铸件型芯烘干造型下芯浇注液态金属选配炉料熔炼造芯}铸造工艺的特点适用范围广，可以制造各种合金铸件；投资小，技术灵活，生产周期短，成本低廉；可以生产形状复杂的零件；易产生各种缺陷，力学性能较差；工序多，难以精确控制，质量不够稳定；砂型铸造成形生产劳动强度大，生产条件差。四羊方尊（公元前13～11世纪）青铜此尊造型简洁优美，采用线雕、浮雕手法，把平面图象与立体浮雕，器物与动物形状有机地结合起来。整个器物用块范法浇铸，一气呵成，鬼斧神工，显示了高超的铸造水平。秦皇铜车马（公元前221～206年），

长317cm，高106.2cm

永乐大钟（1368～1644）锡青铜，46.5t

水轮机轧钢机机架（铸钢，400吨）

汽车发动机

各类机械工业中铸件质量比机械类别比率％机床、内燃机、重型机器风机、压缩机拖拉机农业机械汽车70～9060～8050～7040～7020～30铸造成形技术的方法种类繁多。按生产方法分类，可分为砂型铸造和特种铸造。按合金分类可分为铸铁、铸钢、铝合金、铜合金、镁合金、钛合金铸造等。从制造系统工程的角度出发，铸造技术与自动化、计算机、新能源、新材料等高新技术相结合，以达到净形或近似净形成形为目标，以精化、强化毛坯件为核心，兼顾高效、节能节材，少无污染的综合效果，正逐步摆脱传统模式而形成精密成形技术。铸造技术的发展在铸型材料方面，推广了快速硬化的水玻璃砂及其各类自硬砂，成功地用树脂砂快速制造高强度砂型和砂芯。在铸造合金方面，发展了高强度、高韧度的球墨铸铁和各类合金铸铁，成功地用球墨铸铁件代替某些锻钢件。在铸造设备方面，已建立起先进的机械化、自动化高压造型生产线。在新技术方面，各种各样特种铸造或精密铸造方法得到发展和应用。所有这些都提高了铸件的品质、节能节材。生产效率不断提高，生产成本不断降低，劳动条件不断改善，增强了企业的竞争力。2.1金属及合金的铸造成形

技术过程特征及理论基础2.1.1液态金属的充型能力

(1)液态合金的充型能力与流动性

液态金属充型一般是纯液态下充满或边充型边结晶

充型能力：液态合金充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力。

衡量充型能力可用所能形成的铸件最小壁厚

不同金属和铸造方法铸造的铸件最小壁厚／mm砂型金属型熔模壳型压铸灰铸铁3>40.4～0.80.8～1.5——铸钢48～100.5～12.5——铝合金33～4————0.6～0.8充型能力的好与差，首先取决于铸造合金的流动性；同时又受到外界条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。流动性：液态铸造合金本身的流动能力。

衡量流动性一般采用螺旋试样长度合金铸型浇注温度/℃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(300℃)680～720700～800镁合金（Mg-Al-Zn）砂型700400～600流动性与液态金属的充型能力是两个不同的概念，要注意两者的差别。1）金属性质（影响充型的内因）金属的种类、成分、结晶特征及其它物理性能，决定了流动性。(2)影响合金充型能力的主要因素金属在结晶状态下流动合金成分对流动行的影响Fe-C合金流动性与状态图的关系总的来说，流动性好的合金在多数情况下其充型能力都较强；流动性差的合金其充型能力较差。但也可以通过改善其它条件来提高充型能力（如提高熔炼质量、浇注温度和浇注速度，改善铸型条件及铸件结构等），以获得健全铸件。

2）铸型性质铸型的阻力影响充型速度；液态金属与铸型的热交换强度影响保持流动的时间。

3）浇注条件浇注温度对充型有重要影响，T↑，充型愈好。流动方向所受压力（压头）↑，充型愈好。浇注系统愈复杂，流动阻力愈大，充型愈差。(2)影响合金充型能力的主要因素(2)影响合金充型能力的主要因素

4）铸件结构

铸件结构折算厚度↓，散热↑，充型变弱；结构愈复杂，厚薄部分过渡面多，则型腔结构复杂，流动阻力大，充型能力弱。衡量铸件结构因素采用铸件的折算厚度R（R=铸件体积/散热面积）2.1.2铸件的收缩(1)收缩的基本概念

收缩：金属液态、凝固及固态冷却过程中发生体积减少的现象。

收缩是铸件许多缺陷产生的原因。收缩率：单位体积（长度）的相对变化量

体收缩率

线收缩率

a)合金状态图b）具有结晶温度c）共晶合金范围合金（m成分）（n成分）的收缩过程的收缩过程合金的收缩经历三个相互联系的阶段

液态收缩阶段（I）

（型腔内液面降低）过热度↑，收缩率↑

凝固收缩阶段（Ⅱ）

（缩孔缩松产生的原因）纯金属或共晶成分，凝固收缩只是状态改变；具有结晶温度范围的合金，收缩由状态改变和温度下降引起。

固态收缩阶段（Ⅲ）

（影响精度，产生应力、变形和裂纹）固相线冷却到室温引起的收缩。

金属收缩不仅决定于成分、温度和相变，还与外界阻力有关。铸件在铸型中所受外界阻力有：

1）铸型表面的摩擦力

2）热阻力

3）机械阻力

只受到1）阻碍称为自由收缩，受到2）、3）阻碍为受阻收缩（2）铸件的实际收缩

铸件在冷却和凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的地方出现孔洞。

容积大而比较集中的孔洞称为缩孔；细小而分散的孔洞称为缩松。

缩孔和缩松降低力学性能、气密性，是铸件中常见的缺陷之一，在生产中必须设法防止。（3）铸件的缩孔和缩松缩孔与缩松形成分析缩孔形成条件金属在恒温或较窄的温度范围内结晶，铸件由表及里逐层凝固。

缩孔产生在最后结晶部位，如壁的上部或中心处、壁厚较大处、内浇口附近、两壁相交等热节处缩孔与缩松形成分析缩松形成条件金属结晶温度范围较宽，呈体凝固方式（糊状凝固）。

缩松产生的部位：铸件壁的中心区域、厚大部位、冒口根部和内浇道附近。合金的凝固方式（a）逐层凝固 b)中间凝固 c)糊状凝固1-凝固层2-液相3-铸件中心4-固-液相区影响缩孔、缩松形成的因素

1）金属的成分

结晶温度范围小，缩孔↑反之，缩松↑

2）浇注条件和铸型性质

T浇注↑缩孔↑，浇注速度↓缩孔↓，冷却速度↑，凝固区间变窄，缩松↓

3）补缩压力和铸件结构

压力↑缩松↑缩孔↓；高压下可获得致密铸件①

制定正确的技术方法，控制铸件的凝固方式

顺序凝固：采用各种措施保证在铸件上远离冒口或浇道的部分到冒口或浇道件之间建立一个递增的温度梯度，按照远离冒口的部分最先凝固，然后是靠近冒口部分，最后才是冒口本身凝固的次序进行。缩孔和缩松的防止方法顺序凝固方式示意图 顺序凝固的优缺点优点：冒口补充效果好，可防止缩孔和缩松，铸件致密

对收缩大、结晶温度范围小、厚壁构件，采用此法可保证铸件质量缺点：各部分温差大，冷却不一致易生产铸造应力、变形及裂纹；冒口消耗金属多，切割费工同时凝固：采取工艺措施保证铸件各没有温差或温差很小，使各部分同时凝固。同时凝固方式示意图同时凝固的优缺点优点：铸件不易生产裂纹、应力及变形；不用冒口或冒口较小，节约金属。缺点：中心往往出现缩松，铸件不致密缩孔和缩松的防止方法②

合理确定内浇口位置及浇注方法

内浇口引如位置对铸件温度分布有明显影响；浇注温度和速度对收缩有影响。缩孔和缩松的防止方法③

合理应用冒口、冷铁和补贴技术

冒口有效补缩区=冒口区+末端区

（实际铸件的高度或长度>补缩区，则中间区域出现轴线缩松）

补贴造成向冒口递增的温度梯度，形成人为的补缩通道，可延长补缩距离，消除轴线缩松；对部分热节进行补缩。

冷铁为激冷物，加快铸件某处冷却速度2.1.3铸件应力铸件在凝固以后的冷却过程中，由于温度下降而产生收缩，有些合金还会发生固态相变而引起膨胀或收缩，这些都使铸件的体积和长度发生变化，若这些变化受到阻碍（热阻碍、外力阻碍等），便会在铸件中产生应力，称为铸造应力。铸造应力分为热应力、相变应力、机械阻碍应力。铸造应力的种类

铸造应力按其产生的原因可分为三种：热应力、相变应力和收缩应力

临时应力：产生应力的原因消除以后，应力即告消失；

剩余（残余）应力：产生应力的原因消除以后，应力依然存在于铸件中。

在铸件冷却过程中，两种应力可能同时起作用，冷却至常温并落砂以后，只有剩余应力对铸件质量有影响。热应力

热应力是铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。影响热应力大小的因素1)热应力大小与弹性模量成正比，值愈大，热应力也愈大。球铁的热应力就比灰铁大。2）线膨胀系数愈大，则热应力也愈大。3）壁厚差愈大，冷却时厚薄两部分温差也就愈大；导热性能较小，温差就愈大；蓄热系数愈大，或低浇注温度，铸件的冷却速度就愈快，引起的温差也就愈大，产生的热应力也增大。相变应力由于固态相变，各部分体积发生不均衡变化而引起的应力。如铸铁的共折转变，由奥氏体转变为珠光体或铁素体加石墨，及钢的共折转变，都会使铸件的体积膨胀。相变应力的方向可能与热应力方向相同，也可能相反，前者使应力叠加，加剧应力对铸件质量的不利影响，后者则减轻其不利影响。相变应力可以是临时应力，也可能是剩余应力。收缩应力铸件固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口等外力的阻碍而产生的应力称为收缩应力。收缩应力通常表现为拉应力和压应力。铸件落砂后形成应力的原因即消除，应力也随之基本消失。因此，收缩应力是一种临时应力。但若在落砂前与剩余应力方向相同时，两种应力相互叠加，有时会使铸件产生冷裂。若与剩余应力方向相反，则可相互抵消。铸造应力是热应力、相变应力和收缩应力三者的矢量和。在不同情况下，三种应力有时相互抵消，时相互叠加；有时是临时的，有时是剩余的。但在实际生产中，对于不同形状的铸件，其铸造应力的大小分布是十分复杂的。铸件中各种应力与产生部位的关系（1）易使铸件产生变形

铸件厚薄不均、截面不对称，细长杆、板及轮类结构，当残余应力>屈服强度，产生翘曲变形。铸造应力对铸件品质的影响铸件的变形由于铸造应力的缘故，处于应力状态（不稳定状态）下的铸件能够自发地发生变形以减少内应力而趋于稳定状态，快冷部分凸起，慢冷部分凹下。防止或减少变形的产生1）降低和消除铸件内的剩余应力2）从工艺上采取措施如大型铸件采取反变形法；具有一定塑性的薄壁铸件可进行校直，设拉肋等，以减小变形。（2）易使铸件产生裂纹热裂纹、冷裂纹铸造应力对铸件品质的影响热裂纹

一般认为，热裂是在凝固的末期，固相线附近出现的。此时，由于铸件中结晶的骨架已经形成并开始收缩，但晶粒间还有一定量的液相存在，且这时铸件强度和塑性极低，收缩稍受阻碍即可开裂。热裂的特征断面严重氧化，无金属光泽，裂口沿晶粒边界产生和发展，外观形状曲折而不规则（铸钢件裂口表面近似黑色，铝合金则呈暗灰色）。影响热裂倾向的因素合金凝固温度范围宽和结晶时形成粗大树枝晶易产生热裂，凡是扩大合金凝固温度范围和加大合绝对收缩量的元素（如钢中的S、P等）都促使热裂产生；铸件凝固收缩时受型、芯的阻力愈大，产生应力的倾向也愈大，且易开裂；浇冒口布置不合理，使铸件在浇冒口部位因温度高、冷却慢易产生裂纹；浇注温度和浇注速度对热裂形成的影响比较复杂，要综合考虑；铸件结构设计不合理（如两截面相交处成直角，十字交叉截面等）也是产生热裂纹的原因之一。冷裂纹冷裂往往出现在铸件受拉伸的部位，特别是应力集中的地方，铸造应力超过合金的强度极限时而产生的。因此，铸件产生冷裂的倾向与铸件形成的应力大小密切相关。冷裂纹特征外形呈连续直线状或圆滑曲线，而且常常是穿过晶粒延伸到整个断面，裂口处表面干净，具有金属光泽或呈轻微氧化色。这说明是在较低温度下温度下形成的，故称为冷裂。冷裂产生的原因及影响因素冷裂与铸件应力的大小密切相关，因此与影响铸造应力的因素基本一致。合金的化学成分（如钢中的合金的化学成分的C、Cr、Ni等元素，虽提高合金的强度，但降低钢的热导率，含量高时，冷裂倾向增大）和杂质状况（如P高时，冷脆性增加；S及其它夹杂物富集在晶粒边界，易产生冷裂）对冷裂的形成影响很大，降低合金的塑性和冲击韧性，使形成冷裂的倾向增大。（1）合理选择材料和设计铸件的结构

在满足铸件使用性能的前提下，选择弹性模量E和收缩系数α小的铸造合金（2）采用各种工艺措施减少铸件各部分温差及改善铸型和型芯的退让性（3）对铸件进行时效处理

采用人工时效、自然时效、振动时效等减小和消除铸造应力的方法2.1.４金属的吸气性金属在熔炼过程中溶解气体；在浇注过程中因浇包未烘干、铸型浇注系统设计不当、铸型透气性差以及浇注速度控制不当、或型腔内气体不能及时排出，都会使气体进入金属液，增加金属中气体的含量这就构成了金属的吸气性。（1）气体分子撞击到金属液表面（2）在高温金属液表面上气体分子离解为原子状态（3）气体原子根据与金属元素之间的亲和力大小，以物理吸附方式或化学吸附方式吸附在金属表面（4）气体原子扩散进入金属液内部金属液吸收气体的过程气体在金属液中的溶解度在一定温度和压力条件下，金属吸收气体的饱和浓度，称为该条件下气体的溶解度。

描述溶解度的方式常用和溶解气体对金属的质量分数来表示气体析出的三种方式：（1）以原子态扩散到金属表面，然后脱离吸附；（2）与金属内某元素形成化合物，以非金属夹杂物形式排出。（3）以气泡形式从金属液中逸出。

气体的析出与气孔气孔种类析出性气孔：气泡形核→长大→上浮→上浮逸出受阻凝固于铸件中而形成析出性气孔。反应性气孔：金属液与铸型、熔渣相互作用或金属内部某些组元发生化学反应产生的气体形成的气孔。侵入性气孔：由于铸型产气量大且透气性差，导致外界气体压力超过临界值，气体侵入金属液而未上浮逸出，形成的气孔。（1）气孔不仅会减少有效截面积，而且能使局部造成应力集中成为零件断裂的裂纹源，尤其是开关不规则的气孔，使金属强度下降，而且会降低零件的疲劳强度。（2）以固溶体形式存在的气体，虽然危害较小，但会降低铸件的韧度。（3）金属液含有气体也会影响到它的铸造性能。气体对铸件品质的影响2.1.5铸件的化学成分偏析偏析：铸件（尤其是厚壁铸件）凝固后截面上不同部位，以至晶粒内部，产生化学成分不均匀的现象。偏析产生的原因是由于各种铸造合金在结晶过程中发生了溶质再分配的结果。在晶体长大过程中，由于是在铸造条件下，结晶速度大于溶质的扩散速度，从而使先析出的固相与液相的成分不同，先结晶与后结晶晶体的化学与液相的成分不同，甚至同一晶粒内各部分的成分也不一样。（1）微观偏析：微小（晶粒）尺寸范围内各部分的化学成分不均匀现象。

晶内偏析（枝晶偏析）和晶界偏析（2）宏观偏析：较大尺寸范围内化学成分不均匀的现象。

正偏析、逆偏析和重力偏析铸件偏析分类晶内偏析晶界偏析2.2

铸件的结构设计

及几何形状特征铸件的结构及几何形状（结构技术）对铸造零件的品质、生产率及成本有较大影响结构不合理，给生产带来困难很难成形或很难保证质量铸件结构需满足使用性能和加工要求；满足铸造性能和技术要求：应尽量符合液态金属铸造性能要求，避免出现各种缺陷，应尽量使生产工艺简化、省工、省时、省材，提高尺寸精度、形状精度，防止废品发生。通过优化结构设计达到技术简单、经济、快速地生产合格铸件的目的。2.2.1铸件设计的一般原则1必须针对不同的铸造合金的性能、铸造方法产品多少和生产条件，综合考虑合理的结构。2铸件壁厚的变化对金属的力学性能均有影响。3铸件的最小壁厚必须结合零件的复杂程度、尺寸大小、材料以及制造技术来确定；4简化模型设计；5易于造型及合理确定分型面，尽量避免或减少采用型芯，便于落砂清理；6考虑浇注的特点；7充分考虑材料的不同特性。2.2.2铸件的结构要素设计1铸件的最小壁厚；2铸件的临界壁厚；3铸件的内壁厚度；4铸件壁的过渡和连接；5肋；6铸造斜度；7凸台。合适的铸件壁厚均匀壁厚和园角过渡2.2.3适宜铸造技术的

铸件结构设计及几何形状特征1简化或减少分型面的铸件结构设计及几何形状特征；2减少型芯总数量的铸件结构设计及几何形状特征；3方便起模的铸件结构设计及几何形状特征；4有利于型芯的固定和排气的铸件结构设计及几何形状特征；5避免变形和裂纹的铸件结构设计及几何形状特征；6有利于防止夹渣、气孔产生的铸件结构设计及几何形状特征；7有利于铸件清理的铸件结构设计及几何形状特征。示意图壁厚比b≤2aB＞2a2.3金属的熔炼熔炼：固态炉料按比例装入熔炉加热熔化，通过一系列冶金反应，转化成具有一定化学成分和温度符合铸造成形要求的液态金属。熔炼是液态金属成形技术过程的一个重要环节，与铸件的质量、产量、生产成本、能源消耗及环境保护密切相关。熔炼应满足的要求1）熔炼出符合要求的金属液，且化学成分波动尽量小；2）过热金属达到所需要的温度；3）有充足的金属液供应；4）低能耗和费用；5）噪声和污染物排放控制在法定范围内。2.3.1金属化学冶金学金属熔炼的目的之一获取一定成分的金属，熔化金属的最终成分决定于原材料及在熔化期间和熔化以后发生的全部变化。熔化过程可以分两类：

1、无精炼熔化

2、精炼熔化选择合适的浇注温度和熔炼温度，可以避免产生浇不足（温度过低）、粘砂、夹砂和气孔（温度过高）及其他缺陷。2.3.2

熔炼温度熔炼时熔融的金属液体被耐火炉衬和熔渣所包围，依据炉衬的种类，熔化技术可分为酸性熔炼和碱性熔炼。

2.3.3熔炼过程及熔炼炉

熔炼炉举例1、冲天炉2、电弧炉3、感应电炉4、坩埚炉冲天炉熔炼特点：

1）铁水化学成分变化大

2）铁水过热困难炉内最高温度1700～1800℃

出炉铁水温度1380～1420℃

3）熔化效率高炉内径为600，2.5～3吨/h感应炉熔炼特点：1）铁水化学成分变化小2）铁水温度高3）熔化率低，成本高坩埚炉其它加热炉2.4浇注与冷凝金属熔化后，液态金属通过浇注系统充填铸型型腔的过程称为浇注过程。2.4.1液态金属的浇注过程浇注系统浇注系统：铸型中液态金属流入铸型型腔的通道。浇注系统的主要功能：1）铸型型腔与浇包的连接通道，平稳地导入液态金属；2）挡渣及排除铸型中的气体；3）调节各部分温度分布，控制凝固顺序；4）保证充型，减少氧化，有足够压头和液态金属的上升速度。浇口杯浇口杯挡渣直浇道横浇道和内浇道2.4.2金属的冷凝金属由液态转变为固态的过程——凝固过程。不同凝固条件得到的组织和性能不同，对铸件的使用和后续加工及其过程均有较大影响。

凝固的条件：体系所处温度＜熔点Tm，即⊿G=Gl-Gs＜0凝固（结晶）的规律：形核与长大通常过冷度（冷却速度）愈大，形核率↑和长大速度↑，且形核率的增加比长大速度的增加快，晶粒