第六章 金属液态成型(一-理论基础)

合理应用冒口、冷铁等工艺 措施 冒口一般设置在铸件厚 壁和热节部位，尺寸应保证 比补缩部位晚凝固，并有足 够的金属液供给，形状多为 园柱形。 冷铁通常是用铸铁、钢 和铜等金属材料制成的激冷 物，与冒口配合，可扩大冒 口的有效补缩距离。
（2）铸造应力、铸件的变形与裂纹
① 铸造应力：铸造应力分为热应力和机械应力 铸造应力的形成 热应力：由于铸件壁厚不均，各部分的冷却速度 不同而导致各部分收缩不一致引起的铸件内部 应力。
防止措施：减少砂型和砂芯的发气量；在铸型表 面刷涂料，使之与金属液隔开。 2. 析出气孔：溶解于金属液中 的气体在冷凝过程中，因气体 溶解度的下降而析出，铸件因 此而形成的气孔。 防止措施：降低熔炼温度，以 减少合金的吸气量；提高冷却 速度；使铸件在压力下凝固。 3. 反应气孔：浇入铸型中金属 液与铸型材料、型芯撑、冷铁 或熔渣间，因化学反应产生气 体而形成的气孔。
冷裂
产生：在较低的温度下，由于热应力和机械应力 的综合作用，使铸件的应力大于金属的强度极 限而产生冷裂。冷裂往往出现在铸件受拉应力 的部位，尤其是应力集中处。
防止：尽量减小铸造内应力；降低材料的脆性， 主要是减少S、P的含量；。
四. 合金的偏析和吸气性
1. 合金的偏析 铸件凝固时出现化学成分、金相组织不均匀 的现象称为合金的偏析。偏析造成了铸件性能的 不均匀，使铸件整体的机械性能下降，并影响铸 件的耐蚀性、气密性和切削加工性。 （1）晶内偏析：同一个支晶内支杆和支叶的化 学成分不均匀。 产生：结晶温度范围较大合金，结晶时，熔点较 高的成分先结晶，形成树枝晶的枝干，而熔点较 低的成分则存于枝叉的空隙内或晶界上后结晶。
Ⅰ阶段（t0～t1）：Ⅰ、 Ⅱ杆都处于塑性状态，无 应力产生。 Ⅱ阶段（t1～t2）：Ⅰ杆 为塑性状态，Ⅱ杆为弹性 状态，无应力产生。 Ⅲ阶段（t2～t3）：Ⅰ、 Ⅱ杆都处于弹性状态，Ⅰ 杆受拉， Ⅱ杆受压。
机械应力：铸件冷却到
弹性状态后，由于受到 铸型、型芯和浇、冒口 等的机械阻碍而产生的 铸件内部应力。一般都 是拉应力。
凝固收缩 液态金属凝固，体积显著减小。（与
合金结晶的温度范围有关）
固态收缩 固态金属继续冷却，体积减小。一般
直接表现为铸件外型尺寸的变小。
合金的总收缩为上述三种收缩的总和。其中 液态收缩和凝固收缩形成铸件的缩孔和缩松，固 态收缩使铸件产生内应力、变形和裂纹。
合金的收缩量可用体收缩率和线收缩率来表示。 体收缩率：单位体积的变化量。 线收缩率：单位长度的变化量。 液态收缩时，合金从 浇注温度冷却到液相 线温度。（体收缩） 凝固收缩时，合金从 液相线温度冷却到固 相线温度。（体收缩） 固态收缩时，合金从 固相线温度冷却到室 温。 （线收缩）
将通过变形来减小内应力，逐渐趋于稳定。
防止铸件变形的方法：
• 尽量减少铸件内应力； • 使铸件结构对称，内应力互相平衡而不易变 形； • 采用反变形法以补偿铸件变形； • 在铸件上设置拉筋来承受一部分应力，待铸 件经热处理后再去掉。
铸件的裂纹
热裂
产生：凝固末期，金属的强度和塑性都很低，若 铸件收缩受阻产生的很小应力也能超过该温度 下金属的强度，即发生热裂。热裂分布在应力 集中部位或热节处。 防应符合“同时凝固”原则； 减少硫含量等。
2.浇注条件
（1）浇注温度
浇注温度愈高，合金的粘度下降，金属液的流动阻 力减小；且因过热度高，金属液的流动时间长，所以流 动性好。 但浇注温度过高，铸件易产生缩孔、缩松、粘砂、 气孔等缺陷。因此在保证足够流动性的前提下，浇注温 度不易过高。通常遵循“高温出炉，低温浇注”的原则。 通常灰铸铁的浇注温度为1200～1380℃； 铸钢的浇注温度为1520～1620℃； 铝合金的浇注温度为680～780℃； ＊形状复杂或薄壁件取上限。
铸造应力使铸件的精度和使用寿命大大降 低。在存放、加工或使用过程中铸件内部的残余 应力将重新分布，使铸件发生变形或裂纹。
＊
减少和消除铸造应力的方法 采用“同时凝固”原则； 改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇、冒 口等； 采用能自由收缩的铸件结构（形状简单，壁 厚均匀）； 对铸件进行时效处理，消除内应力。
二. 合金的充型能力
合金在液态成型过程中表现出的工艺性能称为 铸造性能。它包括液态合金的充型能力，合金 的凝固与收缩、铸造应力与裂纹，吸气与偏析 等。
液态合金填充铸型型腔的过程称为充型。 充型能力是使液态金属充满型腔并使铸件形状 完整、轮廓清晰的能力。它首先与合金本身的 流动性有关，同时浇注条件、铸形填充条件、 铸件结构等对充型能力也有影响。
2.影响合金收缩的因素
（1）化学成分 不同种类的合金，收缩率不同；同类合金， 化学成分不同，收缩率也不同。 C、Si：强烈促进铸铁石墨化，铸铁体收缩减 小； S：强烈阻碍铸铁石墨化，铸铁收缩增大； Mn：可抵消对S石墨化的阻碍作用，适量的Mn 可使铸铁收缩减小。
（2）浇注温度
合金的浇铸温度越高，过热度越大，液态收 缩也越大，总收缩也越大。因此在满足足够流动 性的前提下，尽量采用低的浇注温度。遵循“ 高 温出炉，低温浇铸 ”的原则。 （3）铸件结构与铸型条件 由于铸件各部分冷速不同，铸型和型芯对铸 件收缩的阻力，因此铸件的实际线收缩率比合金 自由收缩率小。
三. 合金的收缩性能
1.合金收缩的概念 液态合金在液态、凝 固态和固态过程中所发生 的体积和尺寸减小的现象 叫做收缩。 收缩是铸件中许多缺 陷（如：缩孔、缩松、热 裂、应力、变形和裂纹） 等产生的基本原因。
合金收缩的三个阶段
液态收缩 金属液温度下降，液面降低，液态金
属体积减小。（与浇注温度有关）
中间凝固：多数合金的凝固介于两者之间，为中 间凝固方式。
三种凝固方式示意图
铸件质量与其凝固方式密切相关。一般，逐层凝
固时，合金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松；糊 状凝固，则难以获得结晶紧密的铸件。
影响凝固方式的因素
合金的结晶温度范围 合金的结晶温度范围愈小, 凝固区愈窄，愈倾向于逐层凝 固；反之，则倾向于逐层凝固。 铸件的温度梯度 当合金成分已确定，凝固 区的宽窄，取决于其内外层的 温度梯度。铸件的温度梯度愈 大，凝固区愈窄，愈倾向于逐 层凝固。铸件的温度梯度愈小 ， 凝固区愈宽，愈倾向于糊 状凝固。
（２）影响流动性的因素
合金的种类 不同合金，其浇注温度和 凝固温度范围均不相同。 如： 铸铁 — 导热性差，不易散 热，凝固慢，流动性好； 铸钢 — 熔点高，散热快， 凝固快，流动性差； 铝合金 — 导热性好，散热快， 流动性差； 等等。
合金的成分 不同成分的铸造合金主要是由于其结晶特点的不同 而影响其流动性的。 纯金属及共晶合金在恒温下结晶，结晶时液态金属 从表层逐层向中心凝固，对金属液的流动阻力小，流动 性好。 其它合金的结晶是在一定温度范围内凝固，固态的 树枝状晶体对金属液的流动阻力大，流动性差。
顺序凝固原则适用于收缩大或壁厚差别较大，易 产生缩孔的铸件。其缺点是：铸件各部分温差大， 会引起较大的热应力，此外，由于要设置冒口， 增大了金属的消耗及切除毛口的工作量。 同时凝固原则适用于收缩小或壁厚均匀的薄壁铸 件，采用同时凝固原则，铸件热应力小，但在铸 件中心往往产生缩松。
对结构复杂的铸件，既要避免产生缩孔和缩松， 又要减小热应力，防止变形和裂纹，这两种凝固 原则可同时采用。
（2）浇注压力
液态合金在流动方向上所受到的压力越大，充型能 力愈好。
3.铸型特点
（1）铸型蓄热能力（铸型从熔融合金中吸收和传 递热量的能力） （2）铸型温度 （3）铸型结构 （4）铸型中的气体 ＊总之，铸型中凡能增加金属流动阻力、降低 流速、加快冷却速度的因素，均能降低合金的流 动性；反之，则可提高合金的流动性。
1.合金的流动性
（1）慨念： 指液态金属的流 动能力，在铸造过程中即表现 为液态金属充填铸型的能力。 合金流动性的大小，通常以螺 旋形试样的长度来衡量。 合金的流动性愈好，充型能力愈强，流动性良 好时，不仅易于铸造出轮廓清晰、薄而复杂的铸 件，而且有助于合金在铸型中收缩时得到补充， 有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体的上浮 与排除。若流动性不足，则铸件易产生浇不足、 冷隔、缩孔、气孔、夹渣等缺陷。
影响： • 晶粒内机械性能不均匀，降低使用寿命； • 晶粒内化学性能不均匀，降低抗蚀性； 消除方法： • 使铸件缓慢冷却； • 对铸件进行长时间高温扩散退火。 （2）密度偏析（又称区域偏析） ：在凝固过程 中，先结晶部分的密度与剩余液体的密度不同， 化学成分不均匀。 消除方法： • 浇注时进行搅拌，使各部分密度均匀。
② 铸件的变形与裂纹 铸件的变形 由于铸件冷却快的
部分受拉应力，冷却慢 的部分受压应力，因此，铸件厚的部 分向内凹，薄的部分向外凸。如：床 身铸件的变形。 对厚薄均匀的平板铸件，中心部 位冷却慢受拉应力，周边受压应力， 且上面比下面冷却快，因此中间向外 凸。
变形的原因：处于应力状态的铸件不稳定，
防止措施：使芯撑、冷铁表面保持干燥，无油无 锈。
第六章 金属的液态成型
金属液态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。
§6.1 合金的液态成型工艺理论基础
一. 凝固方式 金属的液态成型实际上就是熔融金属在 铸型中的凝固过程。
三种凝固方式
逐层凝固：纯金属或共晶成分的合金是恒温凝固， 凝固区宽度几乎为零，凝固前沿清楚地将液、固 相分开，由表层逐层向中心凝固。 糊状凝固：合金的结晶温度范围很宽，且铸件的 温度分布较为平坦，凝固时，铸件表面并不存在 固体层，而液、固并存的凝固区贯穿整个断面， 先呈糊化而后再固化。
2. 吸气性：合金在熔炼和浇注时吸收气体的性 能。 气体在铸件中形成的的孔洞是气孔。它破坏 了金属的连续性，减少了有效承载面积，并且在 气孔附近引起应力集中，从而降低了铸件的机械 性能，尤其是冲击韧性和疲劳强度。弥散性气孔 还促使显微缩松的形成，降低了铸件的气密性。 （1）侵入气孔：由砂型 表面的气体侵入金属液 中而形成的气孔。