第一章液态成型理论基础

第一篇

金属的液态成型

俗称“铸造”指熔炼一定成分的合金，制造铸型并将熔融金属浇进铸型内，凝固后获得一定形状和性能的铸件优点：1）最经济地制造外形和内腔很复杂的零件2）适应性广3）成型件的形状、尺寸接近零件4）原材料来源广，价廉，设备投资少第一章液态成型理论基础

§1.1液态金属的凝固一、凝固组织凝固过程是一个结晶过程，是形核和长大过程凝固组织：宏观：晶粒的形态、大小、分布等微观：晶粒内部结构的形状、大小、分布等凝固组织对铸件的力学性能影响很大。二、铸件的凝固方式凝固过程中的三个区域：固相区、凝固区、液相区凝固方式是根据凝固区的宽度来划分

1）逐层凝固不存在液、固共存的凝固区，有一平滑的界面。纯金属和共晶合金的凝固方式图2）糊状凝固合金的结晶温度范围宽在凝固前沿有液、固共存区，结晶温度范围很宽的时候，共存区贯穿整个断面3）中间凝固介于两种凝固之间

影响凝固方式的因素：

1）合金的结晶温度范围

2）铸件断面的温度梯度温度梯度↑凝固区宽度↓§1.2液态金属的工艺性能称铸造性能流动性、收缩性、吸气性、偏析等

一、流动性

1.概念流动性：合金流动的能力。是最重要的铸造性能充型能力：金属液充满铸型型腔，获得轮廓清晰、形状准确的铸件的能力

流动性的测试：用螺旋形流动性试样长度在相同的铸型及浇注条件下，流动性试样长度越长，则合金的流动性越好2.影响流动性的因素1）合金成分主要影响其凝固方式，进而影响流动性凝固方式：层状凝固糊状凝固中间凝固2）铸型特点（1）铸型的蓄热能力（蓄热系数）（2）铸型形状（3）铸型温度（4）铸型中气体3）浇注条件（1）浇注温度温度↑，金属液的粘度↓，↑流动性（2）充型压力在流动方向上受到的压力↑，流动性越好二、合金的收缩1.收缩从液态→室温；尺寸减少铸件的缩孔、缩松、裂纹、变形等都于收缩有关收缩的三个阶段：收缩的三个阶段1）液态收缩液面下降

2）凝固收缩液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔、缩松的根本原因

3）固态收缩铸件的外形尺寸减小；用线收缩率产生铸造应力，变形、裂纹等的原因2.影响收缩的因素1）化学成分2）浇注温度温度高，收缩大3）铸型条件，铸件结构由于各部分冷却速度不同，使收缩相互制约而不能自由收缩3.缩孔和缩松凝固过程中由于补缩不良而产生孔洞。集中孔洞——缩孔分散孔洞——缩松（1）缩孔的形成常出现在最后凝固的部位纯金属、共晶合金、凝固范围窄的合金易产生缩孔（2）缩松的形成分散而细小的孔洞借助高倍放大镜——显微缩松影响气密性，易渗漏多发生在铸件的轴线附近和热节部位凝固温度范围越宽，越易产生缩松（3）缩孔和缩松的防止其产生使铸件的机械性能下降，甚至渗漏①采用顺序凝固原则经冒口充型向冒口和内浇道方向凝固最终将缩孔转移到冒口中可获得致密的铸件，但使铸件各部分温差大，易产生内应力。冒口增加成本用于收缩大，凝固温度范围窄的合金②合理确定浇注系统和浇注工艺浇注系统的位置影响铸型的温度分布，进而影响其凝固顺序

③合理应用冒口、冷铁、补贴目的为使铸件顺序凝固④加压补缩使铸件在压力下凝固，可显著减少缩松如压力铸造、离心铸造等4.铸造应力、变形和裂纹铸造应力——因凝固受阻产生

σs——变形

σb——开裂（1）铸造应力有热应力和机械应力①机械应力（收缩应力）在凝固收缩时，因铸型、型心、浇冒口及铸件本身结构阻碍收缩而引起的应力。机械应力是暂时存在的应力当形成应力的原因消除后便会消失但机械应力一般是拉应力或切应力，铸件在高温下强度低，若瞬间应力之和超过其抗拉强度时，就可能产生裂纹。②热应力凝固和冷却过程中，不同部位由于温差造成不均匀收缩而引起的铸造应力冷却后，热应力残留在铸件内部形成过程：三个阶段第一阶段Τ1之前粗细杆温度较高，易产生变形虽冷却速度不同收缩不一致，但产生的内应力将会引起微量变形而自行消除。

图第二阶段T1～T2之间细杆温度已较低，难于产生塑性变形，但粗杆温度仍较高两个杆冷却速度不同，收缩不一致，但产生的内应力将使粗杆产生微量的收缩而自行消除。

图

第三阶段T2之后粗细杆温度均较低，难以产生塑性变形；其中细杆已接近室温，收缩趋于停止；粗杆温度较细杆高，仍会有较大的收缩，因此将受到细杆阻碍而受拉，细杆受压图减少和消除热应力的方法●合理设计铸件的结构壁厚均匀、圆角过度等●同时凝固原则●去应力退火（2）铸件变形铸件内应力存在，铸件总是力图趋于稳定状态，故会自发地产生变形一般，受拉应力部分——内凹受压应力部分——凸出防止措施：①减少应力②增加铸件的刚性（如加强筋等）③反变形法造型时使型腔具有相反的预变形量铸件凝固后抵消变形（3）铸件裂纹有热裂和冷裂（弹性状态和塑性状态）①热裂在凝固后期或凝固后在较高温度下形成的裂纹裂纹断面严重氧化，无金属光泽，沿晶常见于铸钢件、铝合金件②冷裂在较低温度下形成的裂纹断面有金属光泽，或微氧化常见于受拉的部位，特别是应力集中处③防止裂纹的措施●减少和消除应力●控制S、P含量三.合金的吸气性一般液态金属，在高温下会吸收大量气体，若在其冷却过程中不能逸出，则在冷却后使铸件内形成气孔缺陷。气孔，减少铸件有效承载面积，降低性能特别是韧性和疲劳性能

有三种类型的气孔1.侵入气孔

大量气体侵入金属液而形成气体来源：浇注时，砂型及型心缩含水分蒸发、有机物及附加物挥发特征：位于砂型及型心表面附近呈椭圆形或梨形2.析出气孔溶解于金属液中的气体在冷却过程中，因气体溶解度下降而析出，并在铸件中残留特征：尺寸小，分布面积广，甚至遍布整个铸件截面。也称“针孔”针孔影响机械性能、气密性3.反应气孔液态金属与铸型材料、心撑、冷铁或熔渣之间发生化学反应而产生气体形成的气孔特征：分布在铸件表层1～2mm处，也称“皮下孔”§1-2合金工艺性能与铸件质量关系铸件质量：铸件本身能满足用户要求的程度包括外观质量、内在质量、使用质量①外观质量：指表面质量达到用户要求粗糙度；表面质量；尺寸公差等②内在质量：不能用肉眼检查出来的质量化学成分；物理、力学性能等③使用质量：能满足使用要求的性能在高速、磨耗、高热等条件下的工作性能；切削性能；焊接一、合金流动性与铸件质量关系

主要影响充型能力→影响质量流动性好：完整、轮廓清晰、尺寸精确流动性差：粘度大，易形成夹杂；浇不足流动性太高：温度高，吸气；