金属材料的液态成型

第一章金属材料的液态成形

1.1概述

金属的液态成型常称为铸造，铸造成形技术的历史悠久。早在5000多年前，我们的祖先就能铸造红铜和青铜制品。铸造是应用最广泛的金属液态成型工艺。它是将液态金属浇注到铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。在机器设备中液态成型件所占比例很大，在机床、内燃机、矿山机械、重型机械中液态成型件占总重量的70%~90%；在汽车、拖拉机中占50%~70%；在农业机械中占40%~70%。液态成型工艺能得到如此广泛的应用，是因为它具有如下的优点：

（1）可制造出内腔、外形很复杂的毛坯。如各种箱体、机床床身、汽缸体、缸盖等。

（2）工艺灵活性大，适应性广。液态成型件的大小几乎不限，其重量可由几克到几百吨，其壁厚可由0.5mm到1m左右。工业上凡能溶化成液态的金属材料均可用于液态成型。对于塑性很差的铸铁，液态成型是生产其毛坯或零件的唯一的方法。

（3）液态成型件成本较低。液态成型可直接利用废机件和切屑，设备费用较低。同时，液态成型件加工余量小，节约金属。

但是，金属液态成型的工序多，且难以精确控制，使得铸件质量不够稳定。与同种材料的锻件相比，因液态成型组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷。其机械性能较低。另外，劳动强度大，条件差。

近年来，随着液态成型新技术、新工艺、新设备、新材料的不断采用，使液态成型件的质量、尺寸精度、机械性能有了很大提高，劳动条件到底改善，使液态成型工艺的应用范围更加广阔。

液态材料铸造成形技术的优点：

（1）适应性强，几乎适用于所有金属材料。

（2）铸件形状复杂，特别是具有复杂内腔的铸件，成形非常方便。

（3）铸件的大小不受限制，可以由几克重到上百吨。

（4）铸件的形状尺寸，组织性能稳定。

（5）铸造投资小、成本低，生产周期短。

液态材料铸造成形技术也存在着某些缺点：

如铸件内部组织疏松，晶粒粗大，易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷；而外部易产生粘砂、夹砂、砂眼等缺陷。另外铸件的力学性能低，特别是冲击韧性较低。铸造成形工艺较为复杂，且难以精确控制，使得铸件品质不够稳定。

铸造成形技术的发展：

（1）提高尺寸精度和表面质量；

（2）先进的造型技术及自动化生产线；

（3）高效、节能，减少污染；

（4）降低成本，改善劳动条件。

1.2 钢铁的生产过程

钢铁的生产过程是一个由铁矿石炼成生铁、再由生铁炼成钢液并浇注成钢锭的过

1.2.1 炼铁

炼铁在高炉中进行，其过程为：将铁矿石、焦碳和石灰石等按一定比例配成炉料，由加料车送入炉内，形成料柱，加料完毕，将炉顶关闭。被热风炉加热到900～1200℃的热风，由炉壁上的风口吹入高炉下部，使焦碳燃烧，产生大量的炉气。炙热的炉气在炉内上升，加热炉料，

并与之发生化学反应，如图所示为钢铁生产过程。

图1.1 钢铁生产过程示意图

高炉中发生的冶金反应有：

（1）还原反应：将氧化铁中的铁还原。

（2）造渣反应：生成低熔点炉渣。

（3）渗碳反应：生成碳含量较高，熔点较低的铁液。

炉渣的密度小，浮在铁液之上，炉渣和铁液分别从高炉下部的出渣口和出铁口排除炉外炼铁的产品有：

炼钢生铁—用来炼钢

铸造生铁—用来铸造

1.2.2 炼钢

炼钢的主要任务是将生铁中多余的碳和其它杂质氧化成氧化物，并使其随炉气或炉渣一起去除。

间接氧化是炼钢的主要反应形式，即氧首先与铁液发生氧化反应，生成FeO，然后再通过FeO来氧化其它元素。

钢的熔炼方法有：电炉炼钢、转炉炼钢和平炉炼钢。

炼好的钢液，部分浇入连续铸锭机，铸成“钢坯”直接用来轧制钢材；部分浇注到钢锭模内铸成一定形状和尺寸的钢锭。

1.3 铸造金属熔炼

熔炼是液态金属铸造成形技术过程中的一个重要环节，与铸件的品质、生产成本、产量、能源消耗以及环境保护等密切相关。

1.2.1 金属的熔炼

在熔炼中，多种固态金属的炉料（废钢、生铁、回炉料、铁合金、有色金属等）按比例搭

配装入相应的熔炉中加热熔化，通过冶金反应，转变成具有一定化学成分和温度的符合铸造成形要求的液态金属。

熔炼的要求：

（1）保证金属液的化学成分和材质性能。

（2）保证金属液有足够的温度(过热)。

（3）保证金属液的数量(质量)。

（4）保证低能耗、低成本。

（5）保证低噪声、低污染。

1.熔炼的分类

（1）按熔炼金属分：铸铁熔炼、铸钢熔炼和有色金属熔炼。

（2）按熔炉分：冲天炉熔炼、电弧炉熔炼、感应电炉熔炼、坩埚炉熔炼。

2.熔炼过程和熔炼炉

在高温中熔炼，用耐火材料做熔炉的炉衬，用熔渣覆盖在液态金属表层，以防止液态金属的氧化及溶入气体。

炉衬分为：酸性炉衬和碱性炉衬。

酸性炉衬——耐火粘土、石英砂组成。酸性炉衬坚固和便宜，能量消耗低且产量较高。熔炼过程中造酸性渣，不能脘硫和脱磷。

碱性炉衬——镁砂筑成。熔炼过程中造碱性渣，具有一定的脱磷和脱硫能力。

（1）冲天炉熔炼

应用极为广泛，具有结构简单、设备费用少、电能消耗低、生产率高、成本低、操作和维修方便，并能连续进行生产等特点。

常用的为用焦（焦碳）冲天炉，也有非焦冲天炉(油、天燃气等)。

图1.2 冲天炉

用焦冲天炉是由：底焦燃烧→热量交换→冶金反应，三个基本过程组成。

金属与炉气、焦炭、炉渣相互接触，发生一系列物理化学变化——冶金反应，引起金属液化学成分的变化。

图1.3 焦碳冲天炉

图1.4 冲天炉工作过程原理图

（2）电弧炉熔炼

电弧炉是利用电极与金属炉料之间电弧产生的热能，通过辐射、传导和对流传递给炉料，加热、熔化固体炉料，并使金属液过热，从而实现熔炼目标的一种设备，主要用于钢、铸铁的熔炼。