第三章 合金的铸造性能.doc

第三章 合金的铸造性能 合金的铸造性能主要指合金的流动性能和收缩性能等。 第一节 合金的充型能力 液态合金充满铸型、获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，称为液态合金的充型能力。充型能力不足，会使铸件产生浇不足或冷隔缺陷。所谓浇不足是指铸件的形状不完整；冷隔是指铸件上某处由于两股或两股以上金属液流未熔合而形成的接缝。 影响充型能力的主要因素有： 1 合金的流动性 合金的流动性是指液态合金自身的流动能力，属于合金的一种主要铸造性能。良好的流动性不仅易于铸造出薄而复杂的铸件，而且也利于铸件在凝固时的补缩以及气体和非金属夹杂物的逸出和上浮。反之流动性差的合金，易使铸件上出现浇不足、冷隔、气孔、夹渣和缩孔等缺陷。 （1）合金流动性的衡量 通常用浇注的螺旋形试样的长度来衡量合金的流动性。如图3.1所示的螺旋形试样，其截面为等截面的梯形，试样上隔50mm长度有一个凸点，以便于计量其长度。合金的流动性愈好，其长度就愈长。（1） 影响流动性的因素 影响流动性的因素有很多，如合金的种类、成分和结晶特征及其它物理量等。 1） 合金的种类不同，其流动性不同，如表3.1列出了一些常用铸造合金的流动性值，可看出铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金的次之，铸钢的最差。 表3.1 常用合金的流动性（砂型，试样截面88mm） 合金种类 铸型种类 浇注温度（） 螺旋线长度（mm） 铸铁 C+Si=6.2% C+Si=5.9% C+Si=5.2% C+Si=4.2% 砂型 砂型 砂型 砂型 1300 1300 1300 1300 1800 1300 1000 600 铸钢 C=0.4% 铝硅合金（硅铝明） 镁合金（含A1及Zn） 锡青铜（Sn10%,Zn2%） 硅黄铜（Si=1.54.5%） 砂型 金属型（300） 砂型 砂型 砂型 1600 680720 700 1040 1100 100 700800 400600 420 1000 2)合金的成分和结晶特征对流动性的影响最为显著。共晶成分的合金，其结晶同纯金属一样，是在恒温下进行的。从铸型表面到中心，液态合金逐层凝固，如图3.2a），由于已凝固层的内表面光滑，对液态合金的流动阻力小。而且，由于共晶成分合金的凝固温度最低，相同浇注温度下其过热度最大，延长了合金处于液态的时间，故流动性最好。 此外，其它成分的合金均是在一定宽度的温度范围内凝固的，即在其已凝固层和纯液态区之间存在一个液固两相共存的区域，使得已凝固层的内表面粗糙如图3.2b）。所以非共晶成分的合金流动性变差，且随合金成分偏离共晶点愈远，其结晶温度范围愈宽，流动性愈差，如图3.3为铁碳合金流动性与含碳量的关系图。 由此看出，亚共晶铸铁的成分愈接近共晶成分，其流动性愈好；铸钢的流动性比铸铁差。这是因为，一方面铸钢的熔点高，所以钢液的过热度较小、维持液态流动的时间短；，另一方面由于钢液的浇注温度较高，在铸型中散热很快，迅速结晶出的树枝晶会使钢液很快失去流动能力。3）液态合金的粘度、结晶潜热和导热系数等物理参数对流动性也有影响。一般的粘度愈大、结晶潜热愈小和导热系数愈小，其流动性愈差。2浇注条件（1） 浇注温度 浇注温度对合金充型能力的影响极为显著。在一定范围内，提高液态合金的浇注温度能改善其流动性，因而提高其充型能力。因为浇注温度高，液态合金的过热度大，在铸型中保持液态流动的能力愈强，且使液态合金的粘度及其与铸型之间的温度差都减小，从而提高了流动性。因此，对薄壁铸件或流动性较差的合金可适当提高浇注温度，以防产生浇不足和冷隔。但是浇注温度过高，又会使液态合金吸气严重、收缩增大，反而易使铸件产生其它缺陷，如气孔、缩孔、缩松、粘砂和晶粒粗大等。故在保证液态合金流动性足够的前提下，浇注温度应尽可能低。通常灰铸铁浇注温度为12001380；铸钢为15201620；铝合金为680780。薄壁复杂件取上限温度值，厚件则取下限。 （2） 充型压力 液态合金在流动方向上所受压力愈大，其充型能力愈好。砂型铸造时，是由直浇道高度提供静压力作为充型压力，所以直浇道的高度应适当。 3铸型的充型条件 在铸型凡能增大液态合金流动阻力、降低流速和加快其冷却的因素，均会降低其充型能力。如铸型型腔过窄、预热温度过低、排气能力太差及铸型导热过快等，均使液态合金的充型能力降低。 4铸件的结构 铸件的壁愈薄、结构形状愈复杂，液态合金的充型能力愈差。应采取适当提高浇注温度、提高充型压力和预热铸型等措施来改善其充型能力。第二节 铸件的凝固与收缩 1 铸件的凝固方式 铸件凝固过程中，在其断面上存在三个区域，即已凝固的固相区、液固两相并存的凝固区和未开始凝固的液相区。其中凝固区的宽窄对铸件质量影响较大，如图3.4b）中S区，其宽窄决定着铸件的凝固方式。（1） 逐层凝固 纯金属或共晶成分的合金，凝固时铸件的断面上不存在液、固两相并存的凝固区，如图3.4a），已凝固层与未凝固的液相区之间界限清晰，随着温度的下降，已凝固层不断加厚，液相区逐渐减小，一直到铸件完全凝固，这种凝固方式称为逐层凝固。 （2） 糊状凝固 如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件断面的温度梯度较小，则在开始凝固的一段时间内，铸件表面不会形成坚固的已凝固层，而是液、固两相共存区贯穿铸件的整个断面，如图4.4c）。这种凝固方式先呈糊状，然后整体凝固，故称为糊状凝固。（3） 中间凝固 大多数铸造合金的凝固方式介于逐层凝固和糊状凝固之间，如图3.4b）所示，即在凝固过程中，铸件断面上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区，称为中间凝固方式。 铸件采取何种凝固方式主要取决于该合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度。（1） 铸造合金的结晶温度范围 如图3.4所示，合金的结晶温度范围愈窄，铸件的凝固区域就愈窄，愈倾向于逐层凝固。如砂型铸造时，低碳钢的凝固为逐层凝固，而高碳钢的结晶温度范围较宽成为糊状凝固。（2） 铸件的温度梯度 铸造合金的成分一定时，铸件凝固区域的宽窄就取决于其断面的温度梯度，如图3.5所示，随温度梯度由小变大，则相应的凝固区会由宽变窄。 铸件的温度梯度主要取决于：1）铸造合金的性质。如铸造合金的导热性愈好、结晶潜热愈大，则铸件均匀温度的能力愈强，温度梯度就愈小。2）铸型的蓄热能力和导热性愈好，对铸件的激冷能力愈强，使铸件的温度梯度愈大。3）提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从而降低铸件的温度梯度。 总之，合金的结晶温范围愈小，铸件断面的温度梯度愈大，铸件愈倾向于逐层凝固方式，也愈容易铸造；所以铸造倾向于糊状凝固的合金铸件时，如锡青铜和球墨铸铁等，应采用适当的工艺措施，减小其凝固区。2 铸造合金的收缩 从浇注、凝固、直至冷却至室温的过程中，铸造合金的体积或尺寸会缩减的现象为收缩，收缩是合金的物理属性。但铸造合金的收缩给铸造工艺带来许多困难，是形成缩孔、缩松、变形和裂纹等多种铸造缺陷的根本原因。 铸造合金从浇注到铸型开始到冷却至室温，经历了三个收缩阶段：（1） 液态收缩 液态合金从浇注温度冷却到液相线温度之间的收缩为液态收缩。其表现为铸型内液态合金的液面下降。（2） 凝固收缩 从液相线温度到固相线温度之间的收缩为凝固收缩。共晶成分的合金或纯金属，是在恒温下结晶，凝固收缩较小。而有一定结晶温度范围的合金，随其结晶温度范围的增大，凝固收缩增大。 以上两个阶段的收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。（3） 固态收缩 自固相线温度至室温间的收缩为固态收缩。 总之，以上三个阶段收缩之和为铸造合金总收缩。由于液态收缩和凝固收缩主要表现为合金体积的缩减，常用体收缩率，即单位体积的收缩量来表示。而合金的固态收缩主要表现铸件各方向上尺寸的缩小，常用线收缩率，即单位长度上的收缩量来表示。3 缩孔与缩松（1） 缩孔和缩松的形成 浇入铸型中的液态合金，在随后的冷却和凝固过程中，若其液态收缩和凝固收缩引起的容积缩减得不到补充，则在铸件上最后凝固的部位形成一些孔洞。其中容积较大的孔洞叫缩孔，细小且分散的孔叫缩松。1） 缩孔 一般出现在铸件上部或最后凝固的部位，形状多呈倒圆锥形，内表面粗糙，通常隐藏在铸件的内层，如图3.6e）所示。 结晶温度范围愈窄的铸造合金，愈倾向于逐层凝固，也就愈容易形成缩孔。如图3.6a）所示。首先液态合金充满铸型，由于铸型的冷却作用，使靠近铸型表面的一层液态合金很快凝固，而内部仍然处于液态如图3.6b）所示；随着铸件温度的继续下降，外壳的厚度不断加厚，内部的液态合金因自身的液态收缩和补充外壳的凝固收缩，使其体积减小，从而引起液面下降，使铸件内部出现空隙如图3.6c）所示。如此下去，铸件逐层凝固，直到完全凝固，在其上部形成缩孔如图3.6 d）所示；继续冷却至室温，固态收缩会使铸件的外形尺寸略有缩小，如图3.6e）所示。 总之，铸造合金的液态收缩和凝固收缩愈大，缩孔的体积就愈大。2）缩松 缩松是铸件最后凝固的区域没能得到液态合金的补造成的分散、细小的缩孔。 根据的分布形态，缩松分为宏观缩松和微观缩松两类：i） 宏观缩松 指用肉眼或放大镜可以看到的细小孔洞。通常出现在缩孔的下方，如图3.7所示。ii）微缩缩松 是指分布在枝晶间的微小孔洞，在显微镜下才能看到。这种缩松的分布面更大，甚至遍及铸件整个截面，也很难完全避免。对于一般铸件也不作为缺陷对待，除非一些对致密性和机械性能要求很高的铸件。 总之，倾向于逐层凝固的合金，如纯金属、共晶成分的合金或结晶温度范围窄的合金，形成缩孔的倾向大，不易形成缩松；而另一些倾向于糊状凝固的合金如结晶温度范围宽的合金，产生缩孔的倾向小，却极易产生缩松。因此缩孔和缩松可在一定范围内互相转化。（2） 缩孔和缩松的防止 采用适当的工艺措施，使铸件实现“顺序凝固”，即可获得无缩孔的铸件。所谓顺序凝固是指，采用一些适当的工艺措施，使铸件远离冒口或浇口的部位最先凝固，如图3.8中的部位I，其次是铸件部位II和部位III相继凝固，最后是冒口自身的凝固。这样，铸件最先凝固部位I的由冷却和凝固引起的体积缩减，可由较后凝固的部位II的液态合金补充；部位II的收缩由部位III的液态合金补充；最后部位III的收缩由冒口中的液态合金来补充，使铸件各部位的收缩均能得到补充，将缩孔转移至冒口中。去除冒口，获得致密的铸件。 为了实现顺序凝固，除在铸件的厚大部位安放冒口外，还可以采用其它一些辅助措施，如：i） 安放冷铁 如图3.9所示，由于铸件上容易产生缩孔的厚大部位即热节不止一个，仅靠铸件顶部的冒口补缩，难以保证铸件底部厚大部位不出现缩孔。为此，在该处设置冷铁，以加快其冷却速度，使其最先凝固，以实现自下而上的顺序凝固。由此可知，冷铁的作用是加快铸件某处的冷却速度，以控制或改变铸件的凝固顺序。冷铁通常采用钢、铸铁或铜等制成。 正确地确定铸件产生缩孔或缩松的位置，是合理安放冒口和设置冷铁的依据。通常采用“凝固等温线法”和“内切圆法”近似地确定缩孔的位置，如图3.10所示。凡是等温线未穿过的区域和内切圆的直径最大处，即为易出现缩孔的热节。ii）设置补贴 对于一些壁厚均匀的铸件，如图3.11所示，采用顶部设冒口和底部安放冷铁的工艺措施后，也难以保证其垂直壁上不出现缩孔和缩松。因此，需在其立壁上增加补贴即一个楔形厚度，使其形成一个从下而上递增的温度梯度，才能实现该铸件的顺序凝固。 注意：安放冒口、增设冷铁和补贴，使铸件实现顺序凝固，可有效地防止铸件产生缩孔和缩松，但由于顺序凝固扩大了铸件各部分的温度差，增大了铸件产生变形和裂纹的倾向。因此顺序凝固主要应用于必须补缩的场合，如铝青铜件和铸钢件的生产上。而结晶温度范围很宽的合金，倾向于糊状凝固，发达的树枝晶布满了整个截面，使冒口的补缩通道严重受阻，即使采用顺序凝固也很难避免显微缩松的产生，因此应尽量采用近共晶成分或窄结晶温度范围的合金来生产铸件。 第三节 铸造内应力、变形和裂纹 铸件完全凝固后便进入了固态收缩阶段，若铸件的固态收缩受到阻碍，将在铸件内部产生应力，称为铸造应力。它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。1 铸造应力的形成 按照应力产生的原因，将铸造应力分为热应力和机械应力两种。（1） 热应力 热应力是由于铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同，使铸件各部分的收缩不同步而引起的。它在铸件落砂后仍然存在于铸件内部，是一种残留应力。1）残留热应力的形成 现以框形铸件为例，分析残留热应力的形成过程。如图3.12中 1) 图所示的框形铸件，由一根粗杆I和两根细杆II组成。假设铸件完全凝固后，两杆从同一温度T固开始冷却，最后达到同一温度T0，两杆的固态冷却曲线如图3.12中2) 图所示。Tk 为临界温度，在此温度以上铸件处于塑性状态。在此状态下，较小的应力可使铸件发生塑性变形，变形之后应力可自行消除；在Tk温度以下，铸件处于弹性状态，在应力作用下将产生弹性变形，变形之后应力还继续存在。 下面用图3.12中图2)所示的冷却曲线来分析热应力的形成过程。当铸件处于高温阶段（t0-t1）时，两杆都处于塑性状态，尽管此时两杆的冷速不同、收缩也不同步，但瞬时的应力可通过塑性变形来自行消失，在铸件内无应力产生；继续冷却，冷速较快的杆II进入弹性状态，粗杆I仍然处于塑性状态（t1-t2），此时由于细杆II的冷速较快、收缩较大，所以细杆II会受到拉伸，粗杆I会受到压缩（图b），形成暂时内应力，但此内应力很快因粗杆I发生了微量的受压塑性变形而自行消失（图c）；当进一步冷至更低温度时（t2-t3），两杆均进入了弹性状态，此时由于两杆的温度不同、冷却速度也不同，所以二者的收缩也不同步，粗杆I的温度较高，还要进行较大的收缩，细杆II的温度较低，收缩已趋于停止，因此粗杆I的收缩必定受到细杆II的阻碍，使其收缩不彻底，在部产生拉应力；而杆II则受到杆I因收缩而施与的压应力（图d）。直到室温，残留热应力一直存在。 总之，铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同使铸件的厚壁处或心部受拉应力、薄壁或表层受压应力，且随着铸件壁厚差的增大、各部分冷却速度差的不同、铸造合金线收缩率的提高、以及其弹性模量的增大，铸件的热应力增大。2）残留热应力的预防 预防铸件产生热应力的基本措施是减小铸件各部分之间的温度差，使其均匀冷却。具体为：i）选择弹量模量较小的合金作为铸造合金；ii）设计铸件结构时，力求使其壁厚均匀；i） 采用合理的铸造工艺，使铸件的凝固符合同时凝固原则。如图3.13为同时凝固原则示意图。具体方法是将内浇口开在铸件的薄壁处，以减缓其冷却速度；而在铸件的厚壁处放置冷铁，以加快其冷却速度。总之，铸件采用同时凝固原则可减小其产生应力、变形和裂纹的倾向；且不必设置冒口，使工艺简化，并节约了金属材料。采用同时凝固的缺点是在铸件的心部会产生缩孔或缩松缺陷，所以一般只用于普通灰铸铁和锡青铜铸件的生产。因为灰铸铁产生缩孔和缩松的倾向小；而锡青铜倾向于粗状凝固，即使采用顺序凝固原则也难于避免缩松缺陷；此外，壁厚均匀的薄壁件也常采用同时凝固原则。3）残留热应力消除 消除铸件残留热应力的方法是对其进行去应力退火处理。即将此铸件加热到塑性状态，保温一定时间后，缓慢冷却至室温，可基本消除其残留铸造应力。（2） 机械应力 机械应力是因铸件的收缩受到铸型或型芯等的机械阻碍而形成的应力，如图3.14所示。 这种应力是暂时的，在铸件落砂后或机械阻碍消失后会自行消失。2 铸件的变形与防止（1）变形的产生 如前所述，具有残留内应力的铸件，厚的部位受拉应力、薄的部位受压应力。处于这种状态的铸件是不稳定的，将自发地变形以减小其内应力，以趋于稳定状态。变形的结果是受拉应力的部位趋于缩短变形、受压应力的部位趋于伸长变形，以使铸件中的残余应力减小或消除。如图3.15a)为床身铸件，其导轨部分较厚，受拉应力；其床壁部分较薄，受压应力，于是床身发生朝着导轨方向的弯曲，使导轨下凹。 图3.15b)为一平板铸件，其中心部位散热较边缘要慢，所以受拉应力；边缘处则受压应力，且平板的上表面比下表面冷却得快，于是平板发生了如图所示的变形。（2）变形的防止 为防止变形，应尽可能使铸件的壁厚均匀或使其截面形状对称，如图3.16中的c）；在铸造工艺上应采取相应措施，力求使其同时凝固；有时，对细长易变形的铸件，在制造模型时，将模型制成与变形方向正好相反的形状以抵消其变形，这种方法为反变形法。3 铸件的裂纹与防止 当铸造内应力超过铸件的强度极限时，铸件便产生裂纹。裂纹是铸件的严重缺陷，必须设法防止。按照裂纹的形成温度不同，将裂纹分为热裂和冷裂两种。（1） 热裂 1）热裂的产生 热裂是在铸件凝固末期的高温下形成的。其形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内金属呈氧化色；且裂纹沿晶界产生，外形曲折。因为在凝固末期，铸件绝大部分已凝固成固态，但其强度和塑性较低，当铸件的收缩受到铸型、型芯和浇注系统等的机械阻碍时，将在铸件内部产生铸造应力，若铸造应力的大小超过了铸件在该温度下的强度极限，即产生热裂。热裂是铸钢件、可锻铸铁件以及一些铝合金铸件的常见缺陷，一般出现在铸件的应力集中部位，如尖角、截面突变处或热节处等。2）热裂的防止 防止热裂的方法有：i）选择结晶温度范围窄的合金生产铸件，因为结晶温度范围愈宽的合金，其液、固两相区的绝对收缩量愈大，产生热裂的倾向也愈大。如灰铸铁和球铁的凝固收缩很小，所以热裂倾向也；但铸钢、铸铝和可锻铸铁的热裂倾向较大。ii）减少铸造合金中的有害杂质，如减少铁-碳合金中的磷、硫含量，可提高铸造合金的高温强度。iii）改善铸型和型芯的退让性。退让性愈好，机械应力愈小，形成热裂的可能性愈小。具体措施是采用有机粘结剂配制型砂或芯砂；在型砂或芯砂中加入木屑或焦炭等材料可改善退让性。iv）减小浇、冒口对铸件收缩的阻碍，内浇口的设置应符合同时凝固原则。（2） 冷裂 冷裂是铸件在较低的温度下，即处于弹性状态时形成的裂纹。其形状特征是：裂纹细小、呈连续直线状、裂纹表面有金属光泽或呈微氧化色。冷裂纹是穿晶而裂，外形规则光滑，常出现在形状复杂的、大型铸件的、受拉应力的部位，尤其易出现在应力集中处。此外，一般脆性大、塑性差的合金，如白口铁、高碳钢及一些合金钢等也易产生冷裂纹。防止冷裂的方法是设法减小铸造应力和降低铸造合金的脆性。如尽量减小铁-碳合金中的磷含量，可降低其脆性；且铸件在浇注之后，也勿过早落砂。第四节 铸件中的偏析 所谓铸造偏析就是液态合金在铸型中凝固以后，铸件断面上各个部分及晶粒与晶界之间存在化学成分的不均匀现象。它有三种类型：即晶内偏析、区域偏析和比重偏析。有时铸件上只存在某一种类型的偏析，有时则几种类型同时并存。由于偏析的存在，铸件断面上或晶粒与晶界处的机械性能也不一致，从而会影响到铸件的使用寿命。为此，在铸件的生产中，应尽量防止偏析的产生。1 晶内偏析 晶内偏析，又叫树枝晶偏析。其特征是在一个晶粒范围内，晶内和晶界处的化学成分不一致，熔点高的组元往往多分布于晶内，而熔点低的组元则往往多分布于晶界。如锡青铜铸件，晶粒内含铜多，而晶界处含锡多。 一般的产生晶内偏析，有两个条件：（1） 具有一定结晶温度范围的合金；（2） 在凝固过程中，合金原子的扩散速度小于结晶速度。 因为合金的结晶温度范围愈宽、铸件的冷却或结晶速度愈快，则晶内偏析愈严重。为防止晶内偏析，可以采用细化晶粒的措施，以缩短原子的扩散距离；或适当提高浇温，以延缓冷却速度，以达到延长原子的扩散时间等。对已产生晶内偏析的铸件，可通过长时间的扩散退火来减轻晶内偏析。2 区域偏析 区域偏析是指在铸件的整个断面上，各部位的成分不一致的现象。主要因合金进行选择凝固所引起。区域偏析又分正向偏析和逆向偏析两类。（1）正向偏析 所谓正向偏析是指铸造合金中，熔点较低的组元集中分布在铸件的中心或上部区域，其含量从铸件的先凝固区到其后凝固区逐渐递增。而逆向偏析则正好相反，熔点较低的组元集聚在铸件边缘。如硅黄铜铸件易出现正向偏析，即铸件中心含硅量较高；锡青铜件则易产生逆向偏析，即铸件表层中锡含量较多。 一般的，具有一定结晶温度范围的合金，均会产生一定程度的区域偏析，只是结晶温度范围较小的合金，倾向于产生正向偏析；而结晶温度范围较宽的结晶时形成发达的树枝晶的合金，则易产生逆向偏析。如锡青铜件表面的“锡汗”，就是当锡青铜表面先凝固一层硬壳后，由于某种应力的作用，硬壳出现裂纹，壳内未凝固的低熔点组元（锡）占多数的液态合金被挤出壳外而停留在铸件表面形成的。 即使采用均匀化扩散退火也无法消除区域偏析，因为偏析元素需经长距离的扩散，故区域偏析应以预防为主，一般有以下措施：（1） 选择成分合适的合金；（2） 合理的铸件结构，即避免厚大断面；（3） 正确控制冷却速度。3 比重偏析 由于合金中组元比重的不同所引起的偏