第二节金属的液态成形

出气口
0.45%C 铸钢： 200mm 4.3%C 铸铁： 1800mm 铸铁和硅黄铜的流动 性最好，铸钢的流动性最 差。
螺旋形试样
影响合金流动性的因素:主要是化学成分 。
* 恒温下结晶的纯金属和共晶合金具有逐层凝固 方式，流动性好（如纯铁和共晶铸铁）。 * 宽结晶温度范围的合金呈糊状凝固方式，流动 性差（如高碳钢）。 图中表明，碳钢随着结 晶温度范围的增加而流动性 变差；亚共晶铸铁随含碳量 的增加流动性提高。
3．成本低： （1）材料来源广； （2）废品可重熔； （3）设备投资低。 4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。
铸造生产的缺点
1. 铸造组织疏松，晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、 气孔等缺陷 2. 铸件的力学性能（特别是冲击韧性）较差。
3. 铸造工序多，难以精确控制。
在各类机械产品中，铸件质量占整机质量的比重 很大，如在机床、内燃机、重型机器中为70%~90%， 在风机、压缩机中为60%~80%，在拖拉机中约为 50%~70%。
用体积收缩率表示；
是引起缩孔和缩松的主要原因
用线收缩率表示；
是引起铸造应力、变形和裂 纹的原因。
合金的总体积收缩为上述三个阶段收缩之 和，它与金属的成分、温度和相变有关。
2. 铸件的收缩 铸件的收缩要比合金的收缩复杂多，当合 金成分和温度一定时，铸件的收缩还与铸型条 件和铸件结构有关。
- 铸件的收缩会受到铸型、铸芯及其本身结构的 阻碍，导致其不能自由收缩。由于受阻，铸件的 线收缩率小于合金的自由收缩率，若按照自由线 收缩率制成模样，则铸件尺寸会大。
- 当铸件的固态收缩受阻碍时还会产生铸造应力、 变形和裂纹等缺陷。
3. 凝固收缩缺陷
液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固 收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固 的部位形成一些孔洞 。大而集中的称为缩孔，细 小而分散的称为缩松。
* 缩孔
当合金在恒温下或窄温度范围内凝固，铸 件断面呈逐层凝固方式时易形成缩孔。 缩孔产生的部位在铸件的最后凝固区域。 此外，铸件两壁相交处因金属积聚凝固较晚， 也易产生缩孔，此处称为热节。
（2）使铸件实现同时凝固
同时凝固原则 即采用相应工艺措施使铸件 各部分温度均匀，在同一时间内凝固。
冷 铁
* 同时凝固适用于各种合金的薄壁铸件。 * 对于凝固温度范围较宽，用冒口也难以消除缩 孔的合金，采用冷铁或金属型及同时凝固原则， 对防止渗漏可起到满意效果。 * 同时凝固原则不需要冒口，节约金属且工艺 简单；铸件冷却均匀，不易形成应力、变形和 裂纹等缺陷。
铸造方法
• 砂型铸造 具有适应性强、生产准备简单等优点，是目前 最主要的铸造方法。 • 熔模铸造 • 金属型铸造 • 压力铸造 • 低压铸造
• 离心铸造
• 消失模铸造 • 壳型铸造
第二节 金属的液态成形
铸件在液态成形过程中经历金属的充填、凝 固、收缩、吸气、偏析和形成非金属夹杂物等一 系列过程。
（3）铸型中的气体 如果铸型排气能力差，型 腔中的气压将增大，以致阻碍液态合金的充型。
常用合金的流动性
4. 铸件结构条件
常用铸件模数（折算厚度）来衡量，即铸 件的体积和散热表面积之比。 铸件模数大表示型腔散热面积小，合金液的 充型能力较强。模数越小不易充满。
砂型铸件的最小允许壁厚
综上所述，为提高合金的充型能力 - 应尽量选用共晶成分合金或结晶温度 范围小的合金。 - 应尽量提高金属液的质量，金属液越 纯净则所含气体、杂质越少，充型能力越好。
1、液态合金的流动性
合金的流动性：指合金本身的流动能力，是影响合金充型能 力的内在因素。与合金种类、结晶特点、粘度等有关。 * 流动性好，充型能力强，可得到形状复杂、轮廓清晰的铸 件，缺陷少，补缩好。
* 流动性差，易于产生浇不足、冷隔。
流动性用金属液在流动性试样铸型内流 动的最大长度来表示。
浇口杯
（2）铸件的变形
+ -
对于具有细长结构特点的杆、梁、板及轮 类等铸件，由于各部分冷却速度不均匀，铸造 过程中及铸后存放期间会发生变形。
铸件变形的主要原因—残留应力的存在和铸件的应 力松弛特性（应力随时间而逐渐减小的现象）。
铸件总是趋向减少残留应力而发生变形，变形 方向是：厚的部分内凹，薄的部分外凸。 有时存在残余应力的铸件虽无明显变形，但 切削加工后破坏了铸件中应力的平衡，会产生新 的变形。
充型—— 液态合金填充铸型的过程。
充型能力——液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、 轮廓清晰的成形件的能力。
充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔 等缺陷。 充型能力强的合金液，卷入其中的气体易于上浮而 被排除，有利于铸件的凝固收缩进行补缩及补合后期出 现的热裂纹，从而防止气孔、缩孔和热裂等缺陷。
- 在存放、加工甚至使用过程中铸件内的残余 应力重新分布，使铸件发生翘曲变形或裂纹。
- 它还降低铸件的耐腐蚀性。
* 减少和消除内应力的方法 - 按同时凝固原则设计铸造工艺，使铸件各部分的 温差减小。
- 在造型工艺上采取改善铸型、型芯退让性，合理 设置浇、冒口系统等措施。 - 在铸件结构上避免有牵制收缩的结构，应使壁厚 均匀，两壁连接处热节小而分散。 - 人工时效是最有效的消除应力的方法，即去应力 退火。
教学要求：
铸造是毛坯成型的主要方法之一，要 求熟悉和掌握上述教学全部内容。
重点：
铸造工艺基础和铸造方法。
难点：
铸造工艺基础所包含的内容。
第一节 概述
铸造生产的优点
1．可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的 制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。
2．适应性强：（1）合金种类不受限制； （2）铸件大小几乎不受限制。
裂、变形成为主要矛盾时，也可采用同时凝固原则。
4. 固态收缩缺陷 （1）铸造应力 铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态 收缩受到阻碍，铸件内部即将产生内应力。 * 热应力 热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却 速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不 一致而引起的应力。
热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或 表层受压缩。 热应力是永久应力。
2 、浇注条件
（1）浇注温度 力越强。 一般T浇越高，液态金属的充型能
（2）充型压力 液态金属在流动方向上所受的压 力越大，充型能力越强。 （3）浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂， 流动阻力越大，充型能力越差。
3 铸型充填条件
（1）铸型的材料 铸型材料的导热系数越大， 合金的充型能力就越差。 （2）铸型温度 铸型温度越高，液态金属与 铸型的温差越小，充型能力越强。
* 现象
如图，铸件容易在厚截面处发生失效，说明 厚壁处受到导致断裂的拉应力。
* 机械应力（收缩应力）
合金的线收缩受到 铸型、型芯、浇冒系 统的机械阻碍而形成 的内应力。
上 型
下 型
机械应力一般都是拉 应力。当形成的原因 一经消除后，应力也 随之消失。
因此，机械应力是一种临时应力。
但是如果临时拉应力和厚壁内残留的热应力 同时作用，在某瞬间超过铸件的强度极限，铸件 将产生裂纹。 * 铸造应力对铸件质量的危害性 - 它使铸件的精度和使用寿命大大降低。
同时凝固一般用于以下情况： (1) 碳硅含量高的灰铸铁，其体积收缩较小甚至 不收缩，合金本身不易产生缩孔和缩松。 (2) 结晶温度范围大，容易产生缩松的合金（如锡 青铜），对气密性要求不高时，可采用同时凝固。 (3) 壁厚均匀的铸件，尤其是均匀薄壁铸件。 (4)球墨铸铁件利用石墨化膨胀力实现自身补缩时， 则必须采用同时凝固原则。 (5)由于合金性质宜采用定向凝固原则的铸件，当热
* 液态收缩 液态时的体积收缩仅表现为 型腔内液面的降低，可以从浇注系统中获得液体 补缩，以保持型腔充满。
* 凝固收缩 大多数合金凝固时体积显著减 少，若得不到金属液的及时补充，则会形成缩 孔、缩松等缺陷。 * 固态收缩 通常表现为合金各方向线尺寸 的缩小，影响铸件尺寸精度和形状的准确性。
液态收缩 凝固收缩 固态收缩
* 防止或减少变形的方法： 1）使铸件均匀冷却，尽量减少铸件残留应力。
2）对尺寸精度稳定性要求高的铸件，采用人工时效。 3）对重要零件可放在人工时效、半精加工后进行 自然时效。 4)改进铸件结构，可有效减小变形。 5）在工艺上可采取反变形措施。
反变形法
（3）铸件的裂纹
当瞬时铸造应力超过金属的强度极限时，铸 件便形成裂纹。
* 缩松
主要产生在结晶温度范围较宽的合金和断 面温度梯度较小的铸件中。 缩松一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、 冒口根部和内浇口附近，也常分布在集中缩孔的 下方。 * 缩孔和缩松的形成
* 缩孔和缩松的防止
- 消除缩孔类缺陷的途径 （1）实现顺序凝固，用冒口补缩 顺序凝固原则适用于收缩大或 壁厚差别较大。易产生缩孔的合金 铸件。
影响铸件凝固方式的主要因素 ：
（1）合金的结晶温度范围
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 。
（2）铸件的温度梯度
在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区 域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。若铸 件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝 固区由宽变窄 。
二、液态合金的充型能力
第一章 铸 造
教学内容：
1、铸造工艺基础： 1）液态合金充型能力—合金流动性、浇铸条 件、铸型 的充填条件。 2）合金的收缩 a) 合金收缩及影响因素 b) 缩孔与缩松形成与防止 c) 铸造内应力的形成与防止 d) 铸件裂纹与防止 3）铸件常见缺陷
2、铸造方法： 1）砂型铸造—造型、造芯、机器造型工艺 特点、铸造工艺图制定。 2）特种铸造—熔模铸造、金属型铸造、压 力铸造、离心铸造、其他特种铸造方法。 3）常用铸造方法比较 3、铸件结构设计： 铸件结构与铸造工艺关系、合金铸造性能 对铸件结构要求。
* 等温面（线）
同一瞬间温度场中温度相同 的点组成的面（线）。
2. 铸件的凝固区域
铸件在凝固过程中，断面上一般都存在三个区域：
• 液相区 • 凝固区
• 固相区
3. 铸件的凝固方式——主要取决于凝固区的宽度 1. 逐层凝固方式 恒温下凝固的纯金属和共晶成分合金的凝固情况。
这种没有凝固区，固相区由表 面向中心层层发展的凝固方式即为 逐层凝固方式。合金具有良好的充 型能力和补缩条件。
对于结构复杂的铸件，从总体上实现顺序 凝固较困难时，可采用冒口、冷铁和补贴等。
暗冒口
冒口— 储存补缩用 金属液的空腔。 顺序凝固— 铸件按照 一定的次序逐渐凝固。
冷 铁
热 节
补贴
对于收缩率大的合金板件和壁厚均匀的薄壁件， 只用加大冒口的办法增加有效补缩距离,效果往往 不显著。若在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔形 厚度，可有效补缩距离。
2. 糊状凝固方式
对于凝固温度范围（TL-TS）宽的合金或温度 梯度很小的铸件。 铸件的断面上布满小晶体，将 金属液分割开，使合金液的充型 和补缩能力变差。
3. 中间凝固方式
对于很多中等凝固温度范围的合金，铸件 断面上的凝固区域介于上述两者之间。
这种凝固方式的凝固初期类似于 逐层凝固，但其凝固区较宽，并迅 速扩展至铸件中心。
1 ．热裂 是铸件在凝固末期高温下产生的。它是铸钢件、 可锻铸铁坯件和某些轻合金铸件生产中最常见的 缺陷之一。 热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、 缝内呈氧化色。
热裂通常产生于局部凝固缓慢处，如壁的 拐角，截面厚度改变处及缩孔、缩松处。
2 ．冷裂 是铸件在低温下产生的裂纹。往往出现在铸件受 拉应力（特别是应力集中）的部位。它是塑性差、脆 性大、热导系数低的合金，如白口铸铁、高碳钢和一 些合金钢最容易产生的缺陷。
三、铸造合金的收缩
1.合金的收缩
合金在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象， 使铸件产生缩孔、 缩松、裂纹、变形、内应力等。 合金的收缩分三个阶段（Ⅰ）液态收缩（Ⅱ）凝固收缩 （Ⅲ）固态收缩
t浇 温 度 （ ） ℃
铸 造 合 金 的 收 缩 阶 段
温 度 （ ）
℃
Ⅰ
A
成分（%） B
Baidu Nhomakorabea
Ⅱ
Ⅲ
体收缩率（%）
一、铸件的凝固
合金从液态转变为固态的状态变化，称为凝固。 从结晶学的角度看，凝固时合金液中的原子经 过生核、核心长大成为规则排列的晶体，所以合金 液凝固又称为一次结晶。
1. 铸件的温度场
* 温度场
合金液充满型腔后，在凝固和 冷却的某瞬间，铸件横截面上的温 度分布曲线。
* 温度梯度
温度场的变化速率称温度梯 度，即铸件的冷却速度。