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1、第四章 金属材料的液态成形工艺本章教学学时：46本章学习指南：本章的重点内容：铸造工艺基础部分。要求学生掌握应掌握合金成分 工艺条件对液态合金充型能力、合金收缩性、吸气性等铸造性能的影响， 以便能够分析不同合金获得优质铸件的难易程度，并分析应采取的工艺措 施。难点内容：有些防止铸件缺陷的工艺措施是相互矛盾的，如高温浇注 有利于金属液充型，但易产生粘砂缺陷；铸件顺序凝固有利于补缩，但易 产生热应力，等。因此，应要提醒学生综合考虑铸件合金、结构等因素， 先解决主要矛盾，再采取措施解决其他问题。本章的教学方式：讲课与学生自学相结合。主要教学内容：第一节 金属铸造工艺简介金属铸造是指将固态金属熔炼成液
2、态， 浇入与零件形状相适应的铸型型腔中，冷凝 后获得铸件的工艺过程。根据造型材料不同，可将铸造方法分为 砂型铸造和特种铸造两类。砂型铸造是以型 砂作为主要造型材料的铸造方法；而特种铸 造是指砂型铸造以外的所有铸造方法的总 称。常用的特种铸造方法有熔模铸造、金属 型铸造、压力铸造、低压铸造和离心铸造等 图 4-1 所示为砂型铸造工艺过程示意 图。图 4-1 砂型铸造基本工艺过程第二节 铸造工艺基础知识合金在铸造生产过程中表现出来的工艺性能称为合金的铸造性能，如流动 性、收缩性、吸气性、偏析性（即铸件各部位的成分不均匀性）等。一、液态金属的充型能力 液态金属的充型能力是指液态金属充满铸型型腔，获得
3、形状完整、轮廓清晰 铸件的能力。1金属液的流动性液态金属的流动性是指金属液的流动能力。流动性越好的金属液，充型能力 越强。流动性的好坏，通常用在特定情况下金属液浇注的螺旋形试样的长度来衡图 4-2 金属流动性试样量，如图 4-2 所示。图 4-3 Fe-C 合金流动性与含碳量关系1-试样；2-浇口；3-冒口；4-试样凸点图 4-3 为铁碳合金的流动性与成分的关系。2浇注条件 提高浇注温度，可使液态金属粘度下降，流速加快，还能使铸型温度升高， 金属散热速度变慢，并能增加金属保持液态的时间，从而大大提高金属液的充型 能力。但浇注温度过高，容易产生粘砂、缩孔、气孔、粗晶等缺陷。因此在保证 金属液具有
4、足够充型能力的前提下，浇注温度应尽量降低。增加金属液的充型压力，如压铸、提高直浇道高度等，会使其流速加快，有 利于充型能力的提高。3铸型特性 铸型结构和铸型材料均影响金属液的充型。为改善铸型的充填条件，在设计 铸件时必须保证其壁厚（Wall Thickness）不小于规定的“最小壁厚”（如表4-1所示）。表4-1一般砂型铸造条件下，铸件的最小壁厚（:mm)铸件尺寸（mm）铸钢灰口铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金铜合金200X20084665335200X200500X50010 12610128468二合金的凝固特性 合金从液态到固态的状态转变称为凝固或一次结晶。1逐层凝固 纯金属、二元共晶成分合金
5、在恒温下结晶时，凝固过程中铸件截面上的凝固 区域宽度为零，截面上固液两相界面分明，随着温度的下降，固相区由表层不断 向里扩展，逐渐到达铸件中心，这种凝固方式称为“逐层凝固”如图4-4a。如 果合金的结晶温度范围很小，或铸件截面的温度梯度很大，铸件截面上的凝固区 域就很窄，也属于逐层凝固方式。2体积凝固 当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸件凝固的某段 时间内，其液固共存的凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件截面，这种凝固方式称 为“体积凝固”（或称糊状凝固），如图 4-4c。3中间凝固 金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度梯度大，铸件 截面上的凝固区域宽度介于逐层
6、凝固与体积凝固之间，称为“中间凝固”方法， 如图 4-4b。温度i話度成分表层申心b)温度_液相线固相线我忌中，條表层 中心图 4-4 铸件的凝固方式愈倾向于逐层凝固；对于一定成合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄 分的合金，结晶温度范围已定，凝固方式取决于铸件截面的温度梯度，温度梯度 越大，对应的凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固，如图 4-5。三、合金的收缩性1. 收缩及其影响因素铸件在冷却过程中，其体积和尺寸缩小 的现象称为收缩，它是铸造合金固有的物理性质。金属从液态冷却到室温，要经历三个相互联系的收缩阶段： 液态收缩从浇注温度冷却至凝固开始温度之间的收缩。 凝固收缩从凝固开始温度冷却到凝固
7、结 图 4-5 温度梯度对凝固区域的 影响束温度之间的收缩。 固态收缩从凝固完毕时的温度冷却到室温之间的收缩。 影响铸件收缩的主要因素有化学成分、浇注温度、铸件结构与铸型条件等。不同成分合金的收缩率不同，表 4-2 列出几种铁碳合金的体积收缩率。4-2 几种铁碳合金的收缩率合金种类碳素铸钢白口铸铁灰口铸铁球墨铸铁体收缩率(%)1014121458线收缩率(自由状态)()2.172.181.080.812收缩导致的铸件缺陷(1) 缩孔和缩松 铸件在凝固过程中，由于金属液态收缩和凝固收缩造成的 体积减小得不到液态金属的补充，在铸件最后凝固的部位形成孔洞。缩孔常集中 在铸件的上部或厚大部位等最后凝固
8、的区域，如图4-6 所示。缩松常分布在铸件 壁的轴线区域及厚大部位，如图 4-7所示。h)cl图 4-6 缩孔形成示意图a) 金属液充满型腔b)铸件表层凝固 c)液面下降d)缩孔形成图 4-7 缩松形成示意图a) 凝固初期 b) 宽的固液共存区c) 中心线缩松形成防止铸件产生缩孔、缩松的基本方法是采用顺序凝固原则，即针对合金的凝 固特点制定合理的铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，尽可能 使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在最后凝固的部位，在此部位设置冒口补缩。 使铸件的凝固按薄壁厚壁冒口的顺序先后进行，让缩孔移入冒口中，从 而获得致密的铸件，如图 4-8 所示。(2) 铸造应力、变形
9、和裂纹铸造应力按其形成原因的不同，分为热应力、机械应力等。图 4-8 顺序凝固示意图图 4-9 同时凝固示意图减少铸造应力就应设法减少铸件冷却过程中各部位的温差，使各部位收缩一 致，如将浇口开在薄壁处，在厚壁处安放冷铁，即采取同时凝固原则，如图 4-9 所示。铸造应力是导致铸件产生变形和开裂的根源。图4-10为“T”形铸件在热应 力作用下的变形情况，虚线表示变形的方向。当铸造应力超过材料的强度极限时，铸件会产生裂纹，裂纹有热裂纹和冷裂 纹两种。图 4-10 热应力引起的变形 四、合金的吸气性及气孔 液态金属在熔炼和浇注时能够吸收周围气体的能力称为吸气性。气孔是铸件 中最常见的缺陷。1. 析出性
10、气孔溶入金属液的气体在铸件冷凝过程中，随温度下降，合金液对气体的溶解度 下降，气体析出并留在铸件内形成的气孔称为析出性气孔。2. 侵入性气孔 造型材料中的气体侵入金属液内所形成的气孔称为侵入性气孔。3. 反应性气孔 反应性气孔主要是指金属液与铸型之间发生化学反应所产生的气孔。 五、常用铸造合金的铸造性能特点1铸铁(1)灰口铸铁灰铸铁中的碳当量(C.E=C%+ Si%/3)接近共晶成分，熔点较低，属于中间 凝固方式，铁水流动性好，可以浇注形状复杂的大、中、小型铸件。由于石墨化 膨胀使其收缩率小，故灰口铸铁不容易产生缩孔、缩松缺陷，也不易产生裂纹。 因而灰口铸铁具有良好的铸造性能。孕育铸铁是铁水经
11、硅铁等孕育剂处理后获得的高强度灰口铸铁。与普通灰口 铸铁相比，它的流动性较差，收缩率较高。故应适当提高浇注温度，在铸件热节 处设置补缩冒口。(2) 球墨铸铁 球墨铸铁的铸造性能比灰口铸铁差但好于铸钢。其流动性与灰口铸铁基本相同。但因球化处理时铁水温度有所降低，易产生浇不足、冷隔缺陷。为此，必 须适当提高铁水的出炉温度，以保证必需的浇注温度。球墨铸铁的结晶特点是在凝固收缩前有较大的膨胀(即石墨化膨胀)，当铸型 刚度小时，铸件的外形尺寸会胀大，从而增大缩孔和缩松倾向，特别易产生分散 缩松。应采用提高铸型刚度，增设冒口等工艺措施，来防止缩孔、缩松缺陷的产 生。(3) 可锻铸铁 可锻铸铁是先浇注出白口
12、铸坯，再通过长时间的石墨化退火获得的石墨呈团絮状的铸铁。其碳、硅含量较低，熔点比灰铸铁高，凝固温度范围也较大，故铁 水的流动性差。铸造时，必须适当提高铁水的浇注温度，以防止产生冷隔、浇不 足等缺陷。可锻铸铁的铸态组织为白口组织，没有石墨化膨胀阶段，体积收缩和线收缩 都比较大，故形成缩孔和裂纹的倾向较大。在设计铸件时除应考虑合理的结构形 状外，在铸造工艺上应采取顺序凝固原则，设置冒口和冷铁，适当提高砂型的退 让性和耐火性等措施，以防止铸件产生缩孔、缩松、裂纹及粘砂等缺陷。2铸钢 铸钢的铸造性能差。铸钢的流动性比铸铁差，熔点高，易产生浇不足、冷隔 和粘砂等缺陷。生产中常采用干砂型，增大浇注系统截面
13、积，保证足够的浇注温 度等措施，提高其充型能力。铸钢用型（芯）砂应具有较高的耐火性、透气性和 强度，如选用颗粒大而均匀、耐火性好的石英砂制作砂型，烘干铸型，铸型表面 涂以石英粉配制的涂料等。铸钢的收缩性大，产生缩孔、缩松、裂纹等缺陷的倾向大，所以，铸钢件往 往要设置数量较多、尺寸较大的冒口，采用顺序凝固原则，以防止缩孔和缩松的 产生，并通过改善铸件结构，增加铸型（型芯）的退让性和溃散性，增设防裂筋， 降低钢水硫、磷含量等措施，防止裂纹的产生。3铸造有色金属常用的有铸造铝合金、铸造铜合金等。它们大都具有流动性好，收缩性大， 容易吸气和氧化等特点，特别容易产生气孔、夹渣缺陷。有色合金的熔炼，要求 金属炉料与燃料不直接接触，以免有害杂质混入以及合金元素急剧烧损，所以大 都在坩埚炉内熔炼。所用的炉料和工具都要充分预热，去除水分、油污、锈迹等 杂质，尽量缩短熔炼时间。不宜在高温下长时间停留，以免氧化和过多地吸收气 体。浇注前常需对金属液进行特殊处理，减少熔液中的气体和熔渣。
