金属材料的液态成形工艺(铸造)

第四章金属材料的液态成形工艺

本章教学学时：4~6

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

量，如图4-2所示。

图4-2金属流动性试样图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）

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凝固与体积凝固之间，称为“中间凝固”方法，如图4-4b。

图4-4 铸件的凝固方式

合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固；对于一定成分的合金，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(%) 10~14 12~14

5~8

1.08 —

线收缩率（自由状态）(%) 2.17 2.18 0.81

2．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。

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.析出性气孔