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1、本章学习目的与规定 金属液态成形是机械制造业的重要构成部分，是先进制造技术的重要内容。机械、汽车、电力、冶金、石化、航空航天、国防、造船及家电等行业都离不开液态成形，其对国民经济的发展起着重要作用。本章重要简介金属液态成形工艺基本理论、成形合金及熔炼和金属液态成形的多种措施。学完本章内容后学生应熟悉液态成形的基本工艺原理和多种特种液态成形措施，理解成形合金的液态成形性能特点，掌握产生偏析、气孔、非金属夹杂、缩孔、缩松、热裂、应力、变形的因素以及消除和避免这些缺陷的基本措施。第一章 金属液态成形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金属液态成形或金属浇注成形，又称之为锻造，
2、它是指把熔炼好的符合一定化学成分规定的金属液体浇注到预制的铸型中使之在重力场或外力场的作用下冷却、凝固而形成铸件(零件)的一种工艺措施。该工艺过程一般涉及金属的熔炼、造型、浇注和冷却凝固等过程，所铸出的毛坯或零件称为铸件。对于毛坯铸件，一般需要通过机械加工后才干成为多种机器零件；少数铸件的尺寸精度和表面粗糙度等能达到使用规定，而作为零件直接应用。对于液态金属凝固成形的工艺措施有如下几种方面：根据金属液充填进铸型措施的不同可分为：重力锻造（液态金属靠自身重力充填型腔)、低压锻造、挤压锻造、压力锻造(液态金属在一定的压力下充填型腔）等。根据形成铸型材料的不同，可分为一次型（如砂型锻造、陶瓷型锻造、
3、壳型锻造）和永久型（如金属型锻造）。对于砂型锻造，根据型砂粘结剂的不同，有粘土砂、树脂砂、水玻璃砂等。根据造型措施不同有手工造型和机器造型。此外，对于某些特殊的凝固成形件，还可采用持续锻造（等截面长铸件）、离心锻造（筒形铸件）、实型锻造、熔模锻造等措施。液态金属成形在国民经济中占有极其重要的地位，铸件在机床、内燃机、重型机器中约占70%90%；在风机、压缩机中约占60%80%；在汽车、拖拉机、农业机械中约占30%60%；总的来说一般占各类机器质量的45%80%。它广泛应用于机械制造、矿山冶金、能源与运送设备、航天航海、轻工纺织等各个领域。1.1.2 液态金属成形工艺特点在材料的热加工成形措施中
4、，液态金属成形具有如下特点：合用范畴广，能生产形状复杂的毛坯或零件，如内燃机的汽缸体与汽缸盖、机床的箱体与机架、螺旋桨、多种阀体等，锻造壁厚最小可达0.3mm，工业中常用金属材料的加工一般都可用液态金属成形的措施加工成型；尺寸精度高，铸件一般比锻件、焊接件尺寸精确，且能节省材料，提高加工效率；成本低廉，液态金属成形易实现机械化、半自动化生产，可运用废旧零件和再生材料，尺寸精度高，加工余量少，加工工时较小，故生产成本低；液态金属成形存在的局限性，如成形件组织的内部晶粒粗大，常有缩孔、缩松、气孔、砂眼和成分偏析等锻造缺陷，故力学性能不如锻件高；液态金属成形中的某些工艺过程难以精确控制，且工序繁多，
5、有时导致废品率高；锻造生产的工作条件差。1.1.3 合金的锻造性能合金的锻造性能一般涉及锻造合金的流动性，凝固与收缩特性，以及偏析与裂纹倾向性。合金的锻造性能是衡量锻造合金优劣的标志之一，是保证铸件质量的重要因素。在此重要讨论锻造合金的流动性及铸件内部产生缩孔、疏松和冷热裂纹等缺陷的倾向性。这些性能对于获得高质量铸件是非常重要的。1.1.3.1 合金的流动性（1）合金的流动性 合金的流动性是指熔融液态锻造合金自身的流动能力。合金的流动性与合金的化学成分、温度、杂质含量及其物理性质有关，流动性好，易于布满薄而复杂的型腔，可避免浮现冷隔、浇局限性等缺陷，易于获得形状完整、轮廓清晰的铸件；流动性好,
6、有助于液态合金中气体、夹杂物及时浮出，从而减少气孔和夹渣缺陷的产生；流动性好，有助于充填和弥合铸件在凝固期间产生的缩孔或因收缩受阻产生的裂纹缺陷。（2）锻造合金流动性的测试措施与影响因素 在工程上和科学实验中，合金的流动性一般用浇铸“流动性试样”的措施来测试，流动性试样一般有螺旋线形、球形、U形等，其中螺旋线形试样在工程上应用最普遍，如图1-1所示，可根据浇注后金属所形成的螺旋线长度拟定某种合金流动性的好坏，螺旋线长度越长，流动性就越好，表1-l为用螺旋线形措施测得的几种常用合金的流动性。影响锻造合金流动性的重要因素有:合金的物理性质、化学成分、结晶特点等。合金的物理性质比热容（c）、密度（）
7、和热导率（）： 若合金的比热容（c）和密度（）较大，热导率（）较小，因自身具有较多的热量，而散图1-1 螺旋线形流动性试样热较慢，因此，流动性就好；反之，流动性就差；在相似条件下，合金的表面张力越大，流动性就差；反之，则流动性就越好；液态合金的粘度越大，流动性就越差，而粘度越小，流动性就越好。表1-1 常用合金的流动性合金种类及化学成分铸型种类铸型温度/螺旋线长度/mm灰铸铁砂型130018001000铸钢 砂型16001640100200锡青铜砂型1040420铝硅合金金属型/680720700800注:表达质量分数合金的化学成分 合金的化学成分不同，它们的熔点及结晶温度范畴不同，其流动性也
8、不同，Fe-C合金的流动性与含碳量的关系如图1-2所示，共晶成分的合金流动性最佳，凝固时从表面逐级向中心凝固，已凝固的硬壳内表面较光滑，阻碍尚未凝固合金液体流动的阻力小，流动性好。例如灰口铸铁、硅黄铜等，因而成型能力强。图1-2 含碳量与Fe-C合金流动性的关系随着结晶温度范畴的扩大，初生树枝晶已使凝固的硬壳内表面参差不齐而阻碍金属的流动，因此，从流动性考虑，选用共晶成分或结晶温度范畴较窄的合金作锻造合金为宜。人们从研究Pb-Sn合金的流动性中也证明了这点，随着含Sn量的不同，其流动性发生规律变化，如图1-3所示，对于纯金属、共晶成分类型的合金，流动性浮现最大值；而具有一定结晶温度范畴的合金，
9、一般状况下，结晶温度范畴宽的合金，流动性最差，如图1-4（a）所示，纯金属流动性好，如图1-4（b）所示。图1-3 Pb-Sn合金的流动性与化学成分的关系 图1-4 金属在结晶状态下流动虽然铸铁的结晶温度范畴一般比铸钢宽，但铸铁的流动性却比铸钢要好，这重要是由于铸钢的熔点高，不易过热。此外，铸钢的温度高，与铸型之间的温差大，激冷大，在铸型中散热快，使钢液的流动能力削弱。表1-2和表1-3列举了常用锻造合金的流动性数据。表1-2 某些合金的流动性（砂型螺旋形试样）合 金浇注温度/螺旋形试样长度/mm铸 铁C+Si=6.2%13001800C+Si=5.9%13001300C+Si=5.2%130
10、01000C+Si=4.2%1300600铸 钢C0.4%1600100C0.4%1640200镁合金(Mg-Al-Zn)700400600锡青铜(Sn10%、Mn2%)1040420硅黄铜(Si3%)11001000表1-3 几种铸铁的流动性比较流 动 性稀土球铁一般球铁球铁原铁液灰铸铁浇注温度/螺旋线长度/mm127011071250750128010821295380铸铁中的其她合金元素也影响流动性。如图1-5所示，磷含量增长，铸铁的流动性增大，这重要是由于液相线温度下降，粘度下降，同步由于磷共晶增长，固相线温度也下降。但一般不用增长含磷量的措施提高铸铁的流动性，以防使铸铁变脆，对于艺术
11、品铸件规定轮廓清晰，花纹清晰，而又几乎不承受载荷，故可合适增长含磷量，以提高铁液的充型能力。在铸铁中硅的作用和碳相似，硅量增长，液相线温度下降，故在同样过热温度下，铸铁的流动性随硅量的增长而提高，如图1-6所示。图1-5 铸铁（c =3，即Si2）的流动性与含硅量的关系（浇铸温度分别为1400，1300） 图1-6 铸铁（c =3，P0.05）的流动性与含磷量的关系（浇铸温度分别为1400，1300）合金的结晶特点 一般来说在合金的结晶过程中放出潜热越多，则液态合金保持时间就越久，流动性就越好。对于纯金属和共晶成分的合金，因其结晶潜热多，提高流动性的作用比结晶温度范畴较宽的合金大。结晶晶粒的形
12、状对流动性也有影响，例犹如在固定温度下结晶的三种Al-Cu合金，中间化合物AlCu(Cu=54)、A1+A1Cu共晶（Cu33）和纯A1（Al100），由于前两种合金形成球状及规则形状的晶粒，其流动性就比形成树枝状晶粒的纯铝好。1.1.3.2 锻造合金的凝固与收缩特性（1）合金的凝固特性 锻造合金在一定温度范畴内结晶凝固时，其断面一般存在三个区域，即固相区、液固共存区和液相区，其中液固共存区对铸件质量影响最大，一般根据液固共存区的宽窄将铸件的凝固方式分为逐级凝固方式、中间凝固方式和体积凝固方式。逐级凝固方式。对于纯金属或共晶成分合金在凝固过程中不存在液、固相共存的凝固区，如图1-7（a）所示，
13、故断面上外层的固体和内层的液体由一条界线清晰地分开。随着温度的下降，固体层不断加厚，液体层不断减少，固体和液体始终保持接触，直到中心层所有凝固，这种凝固方式称为逐级凝固。纯铜、纯铝、灰铸铁、低碳钢等合金均属于逐级凝固。中间凝固方式。介于逐级凝固和体积凝固之间的凝固方式称为中间凝固，如图1-7（b）所示。大多数合金均属于中间凝固方式，例如，中碳钢、白口铸铁等。体积凝固方式。合金的凝固温度范畴很宽，或铸件断面温度分布曲线较为平坦时，其凝固区在某段时间内，液、固共存的凝固区贯穿整个铸件断面，如图1-7（c）所示。高碳钢、球墨铸铁、锡青铜等合金均为体积凝固。图1-7 铸件的凝固方式不同合金的结晶过程不
14、同，导致液态合金具有不同的凝固特性。对于逐级凝固又可分为内生壳状凝固和外生壳状凝固，如碳素钢金属液凝固时，结晶从铸型壁开始，外生晶粒形成的凝固前沿比较光滑，凝固前沿向铸件中心的液相逐级推动，当互相面向的凝固前沿在铸件中心会合时，凝固结束，这种凝固有光滑的凝固前沿，属于外生壳状凝固方式，见表14。凝固开始形成的外生壳承载能力高，凝固时液相补缩通道畅通，铸件接受补缩（受补）能力高；灰口铸铁液态金属及有色金属液凝固时，按内生生长方式结晶，即晶粒在金属液内部形核、长大。但在铸型壁处的晶粒由于热量能迅速传出，故形核、长大、结晶速度快，形成固体外壳，有粗糙的凝固前沿，属于内生壳状凝固，一般窄凝固温度范畴合金中的共晶成分灰铸铁、共晶成分铝基合金均属于内生壳状凝固方式。表1-4 三种锻造合金的不同凝固特性合金种类碳素钢灰口铸铁球墨铸铁示意图凝固方式逐级凝固 体积凝固外生壳状凝固 内生壳状凝固（2）锻造合金的收缩特性 锻造合金的收缩特性是指将具有一定过热度的锻造合金液体浇入铸型，合金从高温液态冷却到固态的某一温度时所发生的体积和尺寸减小的现象称为收缩。收缩是锻造合金的物理本性，是铸件产生缩孔、缩松、热应力、变形及裂纹等锻造缺陷的基本因素。因此收缩特性也是锻造合金的重要锻造性能之一。锻造合金由液态到常温的收缩若用体积变化量来表达，称为体收缩。合金在固态时的收缩，若用线尺寸变化量来
