第六章 金属液态成型(一-理论基础)

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。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，则倾向于糊状凝固。,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。,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。,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。,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12001380；铸钢的浇注温度为15201620；铝合金的浇注温度为680780；形状复杂或薄壁件取上限。,（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。,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,液态收缩凝固收缩固态收缩,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）,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。,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）,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。,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。,3.合金收缩造成的铸造缺陷,（1）缩孔与缩松缩孔与缩松的形成浇入铸型的液态合金在凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补充，在铸件最后凝固的部位会形成空洞，容积大而集中的是缩孔，容积小而分散的是缩松。,影响缩孔与缩松的因素化学成分结晶温度范围越小的合金，产生缩孔的倾向越大；结晶温度范围越大的合金，产生缩松的倾向越大。浇铸条件提高浇铸温度，合金的总体积收缩和缩孔倾向增大；浇铸速度很慢或冒口中不断补浇合金液，使液态和凝固收缩及时得到补偿，总体积收缩和缩孔减小。铸型材料铸件结构铸型材料对铸件冷却速度影响很大。冷却速度大，凝固区域变窄，缩松减少。,缩孔与缩松的防止控制铸件的凝固过程采用“顺序凝固”或“同时凝固”原则，在铸件最后凝固地方，设置冒口来补缩。,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。,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,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。,阶段（t0t1）：、杆都处于塑性状态，无应力产生。阶段（t1t2）：杆为塑性状态，杆为弹性状态，无应力产生。阶段（t2t3）：、杆都处于弹性状态，杆受拉，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。,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。,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。,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，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。防止：采用合理的铸件结构；改善铸型、型芯的退让性；内浇口设置应符合“同时凝固”原则；减少硫含量等。,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。,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.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