第二章液态材料铸造成形技术过程_材料成型技术基础

第二章 液态材料铸造成形技术过程

概述

液态材料成形技术通常称为铸造，是材料成形技术之一。铸造成形技术几乎能用所有金属材料制造极为复杂的零件，主要担负着毛坯成形及改性的功能，将原材料加工成尽量接近产品（零件）最终形状尺寸，并保证其组织，性能符合要求，安全可靠。铸造具有投资小，技术过程灵活性大和生产周期短等优点，而被广泛应用于机械制造，矿山冶金，交通运输，石化通用设备，农业技术，能源，轻工纺织，土建工程，电力电子，航天航空，国防军工等领域。

铸造成形也会带来某些缺陷，如铸造内部组织疏松，晶粒粗大，易产生缩孔，缩松，气孔等缺陷；而外部易产生粘砂，夹砂，砂眼等缺陷。由此，铸件力学性能低，特别是冲击韧性，比同样材料锻件的力学性能低。正如铸件工序多，且难以精确控制，使得铸件品质不够稳定。

铸造成形技术的方法很多，按生产方法分为：砂形铸造和特种铸造。按冶金分类可分为：铸铁，铸钢，

铝合金，铜合金，镁合金，钛合金。

2—1铸造成形技术过程特征及理论基础

一 液态金属的充形能力

1 液态金属的充形能力与流动性

（1）液态金属充满铸形形腔，获得形状完整，轮廓清晰的铸件的能力，称为液态金属冲填铸形的能力，简称液态金属的充形能力。

实践证明，同一种金属用不同铸造方法，所能铸造成形的铸件最小壁厚不同；同样的铸造方法，不同的金属，所能得到的最小壁厚也不同。

因此，液态金属的充形能力主要取决于金属自身的流动性，还受外部条件，如铸件性质，浇注条件，铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合放映。

（2）液态金属自身的流动能力称为“流动性”，是金属的液态铸造成形的性能之一，与金属的成分，温度，杂质含量及其物理性质有关。

金属的流动性通常用浇注螺旋形式样来衡量。由于影响液态金属充形能力的因素较多，很难对各种金属在不同的铸造条件下的充形能力进行比较。因此尽管液态金属的充形能力与流动性是两个不同的概念，但通常采用在相同条件下所测得的金属流动性来表示金属的充形能力。 2 影响液态金属充形能力的因素 影响因素主要有四个方面：

（1）金属的性质：包括金属的种类，成分，结晶特性及其他物理性能等。决定金属自身的流动能力——流动性。

（2）铸形性质：铸形的阻力影响金属液态的充形速度，铸形与金属的热交换强度影响金属液保持流动的时间。铸形蓄热系数大，铸形的激冷能力就越强，充形能力下降。

（3）浇注条件：浇注温度对液态金属的充形能力有决定性的影响，温度越高，充形能力越好，浇注系统结构越复杂，流动阻力越大，液态金属充形能力越低；液态金属在流动方向上所受压力越大，充形能力就越好。

（4）铸件结构：衡量铸件结构的因素是铸件的折算厚度R(R=铸件体积/铸件散热表面积=V/S)和复杂程度。 如果铸件体积相同，在同样的浇注条件下，R大的铸件，由于与铸形的接触表面积相对较小，热量散失比较缓慢，则充形能力较高。铸件的壁薄；R越小，则充形能力较弱 。

二 铸件的收缩

1 收缩的基本概念

铸件在液态，凝固和固态下继续冷却过程中所产生的体积减小现象称为收缩。收缩是铸件的许多缺陷，如缩孔，缩松，热烈，应力变形和冷裂产生的基本概念。为衡量铸件的收缩有两个指标： （1）体积收缩率；（2）线收缩率；

液态金属浇入铸形后，从浇注温度冷却到保温都经历了三个互相关联的收缩阶段。 （1）液态收缩阶段金属体积收缩表现为形腔内液面的降低 ；

（2）凝固收缩阶段取决于结晶温度范围。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因 （3）固态收缩阶段通常表现为铸件外形尺寸的减少，一般用线收缩率表示。它对铸件的形状和尺寸精度很大，也是铸件产生应力，变形和裂纹等缺陷的基本原因。 金属的总体收缩为上述三个阶段收缩之和。 2 铸件的实际收缩

前面所说的收缩为自由收缩，它只考虑了金属自身的成分，温度和相变的影响，实际铸件是受阻收缩，它还受到以下几种阻力： （1）铸形表面的摩擦阻力；

（2）热阻力，铸件各部分收缩时彼此制约产生的阻力。 （3）机械阻力，铸件收缩时，受到铸形和形芯的阻力。

因此，生产中采用的收缩率是铸造收缩率（或称铸件线收缩率）是包括了各种阻力在内的实际收缩率。 3 铸件的缩孔和缩松

液态金属在凝固过程中，由于液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现大而集中的孔洞，称缩孔；细小而分散的孔洞称为分散性缩孔，简称缩松。

（1） 缩孔：形成的基本条件是金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件由表及里逐层凝固。 （2）缩松：形成的基本原因是金属的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。基本条件是金属的结晶温度范围较宽，呈体积凝固方式（也称为糊状凝固方式）。 （3）影响缩孔，缩松形成因素： 1）金属的成分；

2）浇注条件和铸形性质； 3）补缩压力和铸件结构；

（4）缩孔，缩松的防止方法： 1）控制凝固方式；

2）内浇口位置； 3）冒口，补贴和冷铁；

三 铸造热力

铸件在凝固和随后的冷却过程中，收缩受到阻碍而引起的内应力，称为铸造应力。阻碍按形成的原因不同，铸造应力也就相应分为热应力，相变应力和机械阻碍应力。 1 热应力

热应力是由于铸件壁厚不均，各部分冷却速度不同，收缩量不同而产生的热阻碍所产生的。落砂清理后热应力仍存在于铸件内，是一种残余铸造应力。 2 相变应力

铸件冷却过程中，有的合金要经历固态相变，比容发生变化。当铸件各部位温度不同时，固态相变不同时发生，新旧两相的比容差越大，相变应力越大。 3 机械阻碍应力

铸件在冷却过程中因收缩受到箱带，形芯，浇注系统和冒口等的机械阻碍而产生的应力为机械阻碍应力。

4 铸造应力对铸件质量的影响： （1）易使铸件产生变形；

（2）冷裂，冷裂是铸件在低温时形成的裂纹。

脆性大，塑性差的金属，如白口铸铁，高碳钢及某些合金钢铸件易产生冷裂。大形复杂铸件也易形成冷裂纹，防止的方法是尽量减小铸造应力。

四 金属的吸气性

金属在熔炼过程中溶解气体，在浇注过程中因浇包未烘干，铸形浇注系统设计不当，铸形透气性差以及浇注速度控制不当，或形腔内气体不能及时排出，都会使气体进入金属液，增加金属中气体的含量，这就构成了金属的吸气性 1 金属液吸收气体的过程 1）气体分子撞击到金属液表面；

2）在高温金属液表面上气体分子理解为原子状态

3）气体原子根据与金属元素之间的亲和力大小，以物理吸附方式或化学吸附方式吸附在金属表面； 4）气体原子根据扩散进入金属液内部 ；

前三个过程是吸附过程，最后一个是扩散过程。金属液温度越高，以达到饱和浓度以前，气体与金属接触时间越长，吸收气体就越多，一直达到该状态下饱和浓度为止。 2 气体在金属液中的溶解度

在一定温度和压力条件下，金属吸收气体的饱和浓度，称为该条件下气体的溶解度。常用每100克金属含有的气体在标准状态下的体积来表示，有时也用溶解气体对金属的质量分数来表示。

影响气体在金属液中的溶解度的因素是：温度

金属化学成分和气体在金属液面上的平衡分压。如温度对气体在金属中溶解度的影响是随温度增高而增大。 3 气体的析出与气孔

溶解于金属液中的气体，随温度下降则不断析出。

1）气体以原子态扩散到金属表面，然后脱离吸附。这要在非常缓慢条件下才能充分进行，在实际生产条件下往往难于实现。

2）与金属内某些元素形成化合物，以非金属夹杂物形式排除；

3）以气泡形式从金属液中逸出。当铸件表面已凝固，气泡来不及排出而保留，致使铸件产生析出性气孔。 4）气体对铸件品质的影响

气孔不仅会减少铸件的有效截面积，而且能使局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源，尤其是形状不规则的气孔，如裂纹状气孔和尖角形气孔不仅增加缺口的敏感性，使金属强度下降，而且会降低零件的疲劳强度。

五 铸件的化学成分偏析

铸件的凝固后，截面上不同部位，以在晶粒内部，产生化学成分不均匀的现象，称为偏析。 偏析，主要是由于合金在结晶过程中溶质再分配的结果。

晶体在生产过程中，由于结晶速度大于溶质的扩散速度，使得初次析出的固相与液相的浓度不同，先析出的晶体与后析出的晶体的化学成分也不同，甚至同一个晶粒内先结晶出来的部分和后结晶出来的部分也有差异，这样就形成了铸件各部分化学成分的不均匀性。

偏析可大体分为两大类：微观偏析和宏观偏析。微观偏析指微小范围内的化学成分不均匀现象，一般在一个晶粒尺寸范围左右，包括晶内偏析和晶界偏析。宏观偏析也称为区域，其成分不均匀现象表面在较大的尺寸范围。主要包括正偏析和逆偏析。

实际上铸件在凝固时，由于合金的类形不同，冷却条件的差异，等轴晶的产生，结晶游离的存在，使铸件断面成分变的极为复杂，因此对具体的铸件应做具体分析。

2—2铸件的结构设计及几何形状特征

在铸件成形技术中，铸件的结构设计及几何形状是否合理，对铸件零件的品质，生产率及成本有较大影响。应尽量符合液态金属铸造性能的需求，以避免出现如浇不足，冷隔，缩孔，缩松，变形，裂纹，气孔和偏析等缺陷，以及尽量使生产技术中的制模，造形，制芯，合形和清理等环节简化，省时，省工，省材，提高尺寸精度和形状精度，防止废品产生。

一 铸件结构设计的一般原则 二 铸件的结构要素设计

1 铸件的最小壁厚 2 铸件的临界壁厚

由于厚壁铸件易产生缩孔，缩松，晶粒粗大，偏析等缺陷，从而使铸件的力学性能下降。这对于各种铸件合金来说均存在一个临界壁厚，如果铸件壁厚超过临界壁厚，铸件的承载能力并不按比例的随着铸件厚度的增加而增加，而是显著的下降，所以，设计厚大件时，要避免以增加壁厚来提高强度。砂形铸件各种铸造合金铸件的临界壁厚可按其最小壁厚的3倍来考虑。 3 铸件的内壁厚度

砂形铸造时，散热条件差的铸件内壁，即使内壁厚度与外壁厚度相等由于它的凝固速度比外壁慢，力学性能往往比外壁的要低。同时在铸件过程中易在内壁，外壁交接处产生热应力致使铸件产生裂纹，对于凝固收缩大的铸件内壁厚度小于外壁厚度。

4 铸件壁的过渡和连接

图2-15 铸件壁的连接示意图

5 肋： 为了增加铸件的力学性能和减轻铸件的质量消除缩孔和防止裂纹，变形，夹砂等铸件结构设计中大量采用肋。 6 铸造斜度

作加工面上的铸件壁的内，外两侧，沿起模方向应设计适当的斜度，即结构斜度。

三 适宜铸造技术的铸件结构设计及几何形状特征

铸件结构和几何形状特征不仅应有利于保证铸件品质，而且应考虑模形制造，造形，制芯，合形和清理等操作方便，以利简化液态铸造成形技术过程，稳定产品品质，提高生产率和降低成本。

四 适宜铸造合金性能的铸件结构设计几何形状特征

2—3 金属的熔炼（自学） 2—4 浇注与冷凝（自学）

2—5 铸造成形技术过程

在铸造成形技术过程中，近些年来有各种新的铸形材料和造形方法不断问世并获得较大发

展；单以黏土啥为主要铸形材料的普通砂形铸造在铸造生产中仍然居主导位置。它是一种应用于广泛而重要的铸造技术方法。世界各国使用砂形铸造生产的铸件约占铸件总产量的 80%——90%。它的特点是：适应性大，技术灵活性大，不受零件的形状，大小复杂程度及合金种类的限制。生产准备较简单，但生产的铸件其尺寸精度较差及表面粗糙度高铸件内部品质也较低；所以在砂形铸造的基础上，通过改变铸形的材料，浇注方法，液态金属充形的形式或铸件凝固条件等因素，又形成了多种铸造成形过程有别于砂形铸造的技术方法——“特种铸造”。它包括：熔模铸造，金属形铸造，压力铸造，离心铸造，低压铸造，实形铸造等。

特种铸造的特点：铸件的尺寸精度较高，表面粗糙度低，在生产一些结构特殊的铸件时，具有较高的技术经济指标，生产过程易与实现机械化，自动化，适用于大批大量生产。

各种铸造方法的应用范围：

一 砂形铸造

以形砂为主要造形造形材料制备铸形的铸造技术方法叫砂形铸造。常用的砂形有湿形，干形，表面干形和各种化学自硬砂。

二 特种铸造技术方法

1 熔模铸造

也叫失蜡铸造，精密铸造。主要由蜡模铸造，铸形形壳的制取，金属浇注，铸件清理四个主要过程组成。蜡料：50%+50%硬蜡酸

2 金属形铸造

金属形铸造又称硬模铸造，永久形铸造。其铸形是采用金属材料制成的 。

3 压力铸造

压力铸造是液态或半液态金属在高压作用下以较高的速度充填压铸形形腔，并在压力作用下结晶凝固而获得铸件的铸造方法。常用的压射力为几十至几百个大气压，充填速度为0.5——50m/s。

4 离心铸造

离心铸造是将液态金属浇入旋转的铸件中，使金属液在离心力的作用下充填铸形结晶凝固而获得铸件的一种铸造方法。

离心铸造特点：液态金属中的气体，非金属夹杂物在离心力作用下，密度较小而集中在铸件内表面。铸件凝固由表及里顺序凝固，其组织细密，气孔，缩孔，夹渣等缺陷少，力学性能较好。

5 磁形，实形铸造：利用聚苯乙烯泡沫塑料制成带有浇注系统的模形。

6 陶瓷形铸造：造形过程原理图

7 低压铸造

低压铸造是将保温炉中的液态金属在0.02——0.07MPa的气体压力作用下通过升液管由下而上的充填铸形形腔，并在压力下结晶凝固而获得铸件的一种铸造方法。

铸件在一定压力下，自上而下顺序凝固，系统补缩效果好，组织细密，力学性能好。铸件成形性好，轮廓清晰，表面光洁。主要适用与有色合金铸造。

另外还有挤压铸造连铸等。

分形面选择 假箱造形 三箱造形 挖沙造形 活块造形

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