第一篇金属的液态成形 - 图文

1. 金属的液态成形(铸造)

1.0 概述

将金属材料加热到高温熔化状态，然后采取一定的成形方法，待其冷却、凝固后获得所需金属制品，这种制造金属毛坯的过程称为金属的液态成形。金属的液态成形除了铸造之外，还有液态模锻。

1.0.1铸造的定义

铸造是指将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得所需形状、尺寸和性能的毛坯或零件的金属液态成形方法。它是生产机器零件毛坯的主要方法之一。

1.0.2铸造的基本过程

铸造生产的基本过程包括以下三个步骤： ①根据零件的要求，准备一定的铸型；

②把金属液体浇满铸型的型腔； ③金属液体在铸型型腔中冷凝成形，获得一定形状和尺寸的铸件。

1.0.3铸造生产的特点

铸造的实质就是液态金属(合金)逐步冷凝成形，具有以下特点： ? 优点： ①适应性广

几乎所有金属及其合金，只要能够熔化成液态便能铸造，尤其是适合生产塑性差的材料。 ②工艺灵活性大

各种形状、尺寸(壁厚从0.5～1000mm、轮廓从几毫米至几十米)、重量(从几克～几百吨)和生产批量的铸件都能生产，能够制成如机床床身、箱体、机架、支座等具有复

杂内腔的毛坯。某些形状极其复杂的零件只能用铸造方法制造毛坯。 ③省工省料

铸件毛坯与零件形状相似，尺寸相近，加工余量小，金属利用率高，可以省工省料，精密铸件甚至不需切削加工，就可直接装配。 ④生产成本低

铸造用的原材料来源广泛，可直接利用报废的机件和切屑。造型设备投资少，易操作。 ? 缺点：

①铸件内部晶粒比较粗大，组织疏松，容易产生气孔、夹渣等铸造缺陷，机械性能和可靠性不如锻件，尤其是冲击韧性较差，不宜制造受冲击或交变载荷作用的零件。

②生产过程比较复杂，工序多且一些工艺过程难以精确控制，铸件质量不稳定，废品率较高。

③工人劳动强度大，劳动条件差。

1.0.4铸造生产的发展历史

我国是世界上最早掌握铸造生产的文明古国之一。早在三千多年前，青铜铸器已有应用，二千五百多年前，铸铁工具也已相当普遍。

我国劳动人民对世界铸造业的三大贡献(三大铸造技术)：泥型铸造(砂型铸造)、铁型铸造(金属型铸造)、失蜡铸造(熔模铸造)。新中国成立后，在型(芯)砂方面：快速硬化的水玻璃砂及各种自硬砂；在铸造合金方面：球墨铸铁及各种合金铸铁，“以铸代锻，以铁代钢”；在铸造设备方面：机械化、自动化的高压造型生产线；在新工艺、新技术方面：各种特种铸造方法及精密铸造方法广泛应用。

代表性范例：

河南安阳武官村晚商遗址出土的司母戊大方鼎(重达875kg)、湖北大冶春秋铜矿遗址、湖北随县出土的战国曾侯乙编钟(一套共65件、总重2567kg)、

山西太原晋祠铁人(北宋) 河北沧州铁狮子(后周公元953年)重约40吨

铜爵(商) 四羊樽(商) 铜斝(jia)(商)

《吕氏春秋》、《周礼2考工记》、《天工开物》(明代宋应星)、《梦溪笔谈》(北宋沈括)

1.1 液态成形基础

铸造生产中很少采用纯金属，而是使用各种合金。铸造合金除应具有符合要求的机械性能和物理化学性能外，还必须考虑其铸造性能。

液态合金充填铸型的过程，简称充型。合金的充型能力即是其铸造性能。合金的铸造性能包括流动性、收缩性、吸气性、偏析等。

铸造性能是保证铸件质量的重要因素，是衡量各种铸造合金优异的重要标志。如果合金熔化时，不易氧化，不易吸收气体；浇注时液态合金容易充满型腔；凝固时铸件不易产生缩孔，且化学成分均匀；冷却时铸件不发生变形和开裂，这样的铸造合金就被认为具有良好的铸造性能，易获得完整而优质的铸件。

1.1.1 合金的流动性

1.1.1.1 流动性的概念 流动性是指液态(熔融)金属的流动能力。它是影响液态金属充型能力的主要因素之一，也是合金的主要铸造性能之一。合金流动性越好，充型能力越强，越容易获得轮廓细致清晰、薄壁而形状复杂的铸件；同时，有利于非金属夹杂物和气体的上浮排除；还有利于对合金冷凝过程中所产生的

图1-1 测定合金流动性的螺旋试样

收缩进行补缩。流动性较差的铸造合金则易产生浇不足、冷隔及夹渣、气孔等铸造缺陷。

1.1.1.2 合金流动性的测定

合金的流动性可用螺旋试样测定法进行测定。将液态合金浇入螺旋线形的铸型型腔中，所得的螺旋试样的长度就代表其流动性的好坏。显然，在相同的铸型及浇注条件下，浇出的螺旋试样越长，则表示该合金的流动性越好。

在常用铸造合金中，铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金次之，铸钢最差。

表1-1几种铸造合金的流动性

合金种类 铸铁：wC+Si=6.2% 5.9% 5.2% 5.0% 4.2% 铸钢：wC = 0.4% wC = 0.4% 铝 硅铝明 镁合金 锡青铜ZQSn10-2 ZQSn3-7-5-1 硅黄铜 砂型 砂型 1300 铸型种类 浇注温度/℃ 螺旋线长度/mm 1800 1300 1000 800 600 100 200 400 700～800 400～600 420 195 1000 砂型 金属型 （预热300℃） 砂型 1600 1640 680 680～720 700 1040 980 1100

1.1.1.3 影响流动性的因素

影响合金流动性的因素很多，其中化学成分的影响最为显著。 ⑴ 化学成分

合金的结晶特性对流动性影响很大：结晶温度范围窄的合金流动性好，故纯金属和共晶成份合金流动性好；结晶温度范围宽的合金流动性差，故远离共晶成分的亚共晶和过共晶合金流动性差。

C、Si含量越高，越接近共晶成分，流动性越好；P也可提高流动性，但易引起冷脆；S、Mn则会降低流动性。 ⑵ 浇注条件

①浇注温度

在一定范围内，浇注温度越高，合金保持液态的时间越长，且使金属液粘度降低，其中的杂质易于上浮或溶解，减少了内摩擦。同时液态合金过热度越高，传给铸型的热量越多，铸型与金属液的温差越小，故合金流动性好，充型能力强。但浇注温度过高，液态合金收缩增大，吸收气体多，氧化严重，流动性反而会下降，铸件易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔等缺陷。因此在保证流动性的前提下，浇注温度应尽可能低一些。但对于形状复杂的薄壁件或流动性较差的合金可适当提高浇注温度，以防止浇不足、冷隔等缺陷。生产中每种合金都有一定的浇注温度范围：铸钢为1520℃～1620℃，铸铁为1230℃～1450℃，铝合金为680℃～

780℃。薄壁复杂件取上限，厚壁件取下限。 ②充型压力

液态合金在流动方向上所受压力越大，其流动性越好，充型压力也越强。砂型铸造时，可采用增加内浇口截面、直浇口高度或提高浇包位置等方法，以提高充型压力，增加合金流动性；也可采用压力铸造、低压铸造、离心铸造等人工加压的方法，提高充型能力，增加合金流动性。 ③浇注系统的结构

浇注系统的结构越复杂，流动的阻力就越大，流动性就越低。故在设计浇注系统时，要合理布置内浇道在铸件上的位置，选择适当的浇注系统结构和各部分(直浇道、横浇道和内浇道)的横截面积。 ⑶ 铸型填充条件

液态合金充型时，铸型阻力将影响合金流动速度，而铸型与合金之间的热交换又将影响合金保持液态的时间。因此，铸型的下列因素对充型能力有显著影响： ①铸型蓄热能力(导热性)

铸型材料的导热系数和比热越大，对液态合金的激冷能力越强，合金充型能力越差，流动性越差。例如，金属型中的流动性比在湿砂型中低20%～25%，而湿砂型中的流动性比干砂型中低10%～20%。 ②铸型温度(冷却速度)

在金属型铸造和熔模铸造时，可将铸型预热。由于减少了铸型和液态合金之间的温差，减缓了冷却速度，故增加了合金流动性，提高了充型能力。 ③铸型透气性

在高温液态合金的作用下，型腔中的气体膨胀，型砂中的水分汽化，煤粉和其它有机物的燃烧，将产生大量气体。若铸型的透气性差，则型腔中气体压力增加，会阻碍液态合金充型。 ⑷ 铸件结构

铸件结构如壁厚、尺寸大小、复杂程度等，对充型能力也有较大影响。当铸件壁厚过小，厚薄部分过渡面多，有大的水平面等结构时，都会降低金属液的流动性。

另外，液态合金的粘度、结晶潜热、导热系数等物理性能对流动性都有影响。

1.1.2铸件的凝固与收缩

浇入铸型型腔的液态金属在冷凝过程中，如果其液态收缩和凝固收缩得不到补充，铸件将产生缩孔或缩松缺陷。为防止上述缺陷产生，必须合理地控制铸件的凝固过程。

1.1.2.1 铸件的凝固方式及其影响因素 ⑴ 凝固方式

在铸件凝固过程中，其断面上一般存在着液相区、凝固区和固相区三个区域。其中，对铸件质量影响最大的是液固两相共存的凝固区的宽窄。 ①逐层凝固

纯金属或共晶成分合金在凝固过程中因不存在凝固区，故断面上外层的固体和内层的液体由一条界限(凝固前沿)清楚地分开。随着温度的下降，固体层不断加厚，液体层不断减少，直达铸件中心。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，且铸件的温度分布较为平坦，则在凝固的某段时间内，铸件表面并不存在固体层，而是液、固并存的凝固区贯穿整个断面。由于这种凝固方式与水泥的凝固类似，即先呈糊状而后固化，故称为糊状凝固。 ③中间凝固

大多数合金的凝固方式介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固。 铸件质量与其凝固方式密切相关。一般说来，逐层凝固时，液态合金充型能力强，便于防止缩孔、缩松等铸造缺陷；糊状凝固的铸件则容易得到粗大疏松的组织。

⑵ 影响铸件凝固方式的因素

影响凝固方式的因素主要是合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度 ①合金的结晶温度范围

合金的结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。如砂型铸造时，低碳钢因结晶温度范围窄为逐层凝固，而高碳钢因结晶温度范围宽为糊状凝固。

②铸件的温度梯度

当合金结晶温度范围一定时，凝固区域的宽窄取决于铸件内外层之间的温度梯度。如果铸件的温度梯度由小变大，则其对应的凝固区会由宽变窄。

综上所述，趋向于逐层凝固的合金(如灰口铸铁、铝硅合金等)便于铸造，应尽量选用；当必须采用倾向于糊状凝固的合金(如锡青铜、铝铜合金、球墨铸铁等)时，可考虑采用适当的工艺措施(如选用金属型铸造)，以减小其凝固区域。 1.1.2.2 铸件的收缩及其影响因素 ⑴ 收缩的定义：

收缩是指铸造合金在冷却凝固过程中所产生的体积或尺寸缩小的现象。收缩是金属及合金的物理特性。合金的收缩会给铸造工艺带来许多困难，还会导致铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形等铸造缺陷。 ⑵ 收缩的过程及收缩率

液态金属从浇注温度冷却到室温的收缩过程分为以下三个阶段：

表1-2 合金收缩的三个阶段

液态收缩（T＞T液） 凝固收缩（T液＞T＞T固） 固态收缩（T＜T固） 是产生缩孔、缩松的基本原因 是产生内应力、变形和裂纹的基本原因 ①液态收缩阶段

从浇注温度到开始凝固温度之间的收缩，即液相线以上的收缩。此阶段液态金属不发生状态和组织变化，收缩由温度下降引起，所以过热度越高，液态收缩率越大。表现为型腔内金属液面的降低。 ②凝固收缩(结晶收缩)阶段

从开始凝固温度到终止凝固温度之间的收缩，即液相线到固相线之间的、液固共存的收缩。收缩量包括：由液态转变为故态的体积收缩；从液相线到固相线温度下降引起的体积收缩；组织变化引起的体积收缩。合金的结晶温度范围越大，

凝固收缩率越大。 ③固态收缩阶段

从终止凝固温度到室温之间的收缩，即固相线以下的收缩。此阶段的收缩是由温度下降引起的体积收缩。对于凝固后有相变的合金，相变时也会引起体积变化。

以上三种收缩的总和即是合金的总体积收缩。合金的液态收缩和凝固收缩能引起铸件体积的变化，常用单位体积收缩量(即体收缩率)来表示，是造成缩孔、缩松的根本原因；而合金的固态收缩还会引起铸件外形尺寸的变化，常用单位长度上的收缩量(即线收缩率)来表示，是造成铸件内应力、变形和裂纹的根本原因。

铸造合金由高温t0降到低温t时的体收缩率和线收缩率可表示如下：

?V??L?V0?VV0L0?LL0?100%

?100%式中 V0、L0——合金在t0时的体积(cm3)和长度(mm)；

V、L——合金在t时的体积(cm3)和长度(mm)。

表1-3 几种常见合金的收缩率

材料种类 灰口铸铁 铸造有色金属 铸造碳钢 线收缩率/% 1 1.5 2 体收缩率/% 5~8 5 10~14 ⑶ 影响铸件收缩率的因素

①合金种类

不同合金具有不同的收缩率。常用铸造合金中，铸钢的收缩率最大，白口铸铁次之，灰口铸铁最小。灰口铸铁收缩很小是由于其中大部分碳以石墨形式存在，石墨的比容大，在结晶过程中石墨析出所产生的体积膨胀部分抵消了合金的凝固收缩。通常，每析出1%石墨，铸件体积将增加2%。 ②化学成分

不同元素对石墨化的影响不同。促进石墨化的元素含量越多，析出的石墨越多，收缩越小；阻碍石墨化的元素越少，则收缩越大。 ③浇注温度

合金浇注温度越高，过热度越大，液态收缩量增加。通常，每下降100℃，体积收缩量约为1.6%。所以生产中常采用“高温出炉，低温浇注”的措施来减小收缩量。 ④铸造工艺

铸型条件、铸型结构等对收缩量也有较大影响。铸件在铸型中冷却时，不仅由于各部分冷却速度不同，收缩彼此制约，产生阻力，而且还会受到铸型和型芯的阻力，所以铸件的实际收缩量小于自由收缩量。铸件的形状、尺寸和工艺条件不同，实际收缩量也不相同。

1.1.2.3 铸件中缩孔、缩松的形成及其防止措施

缩孔和缩松是因合金收缩引起的常见铸造缺陷。

⑴ 缩孔、缩松的形成原因及过程

铸件凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，致使铸件最后凝固的地方出现了一些孔洞。这些孔洞可按大小和分布情况分为缩孔和缩松，大而集中的孔洞称为缩孔，小而分散的孔洞称为缩松。

①缩孔：在铸件的上部或最后凝固部位形成的、容积较大且呈倒锥形的孔洞。通常隐藏在铸件内部，但有时呈明显凹坑，暴露在铸件上表面。缩孔形成的原因是合金的液态收缩和凝固收缩未能得到液态金属的补充所致。 缩孔产生的条件是：金属在恒温或很窄的温度范围内，以逐层凝固方式结晶。纯金属和共晶成分的合金易产生集中缩孔。

②缩松：铸件中分散在某一区域内的细小缩孔。

缩松形成的原因也是合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，使铸件最后凝固区域的收缩未能得到补偿或因合金呈糊状凝固，被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补偿而形成的。

缩松分为宏观缩松和显微缩松。宏观缩松是用肉眼或放大镜能观察到的、密集的小孔洞，多分布在铸件中轴线处或缩孔下方；显微缩松则是分布在晶粒之间的微小孔洞，用显微镜才能观察到，分布面积更为广泛。结晶温度范围越宽的合金，越易形成显微缩松；它影响铸件的气密性；显微缩松难以完全避免，一般铸件不将其作为缺陷，但有气密性或机械性能、物理化学性能要求很高的铸件则必须减少。

⑵ 影响缩孔、缩松形成的因素

①液态收缩和凝固收缩大的合金，易产生缩孔和缩松； ②浇注温度愈高，液态收缩愈大，缩孔的体积也愈大；

③纯金属、共晶合金和结晶温度范围窄的合金，容易产生集中缩孔，但缩松倾向较小，如铸造铝青铜、 铝硅合金；结晶温度范围宽的合金，易于形成缩松，如锡青铜、球墨铸铁等；

⑶ 缩孔、缩松的防止——“顺序凝固”原则

缩孔和缩松都是铸件的严重缺陷，必须根据技术要求、采取适当的工艺措施进行防止。实践证明，采用顺序凝固可以消除缩孔、缩松。

“顺序凝固”是指在铸件上可能出现缩孔的厚截面处(称为热节)，通过设置适当的补缩冒口或冷铁，控制铸件的凝固过程，使铸件上远离浇冒口的部位先凝固，浇冒口处最后凝固的铸件凝固工艺。按照这样的凝固顺序，先凝固部位的收

缩，由后凝固部位的液态金属来补充；后凝固部位的收缩由冒口中的液态金属来补充，从而使铸件各部位的收缩得到补充，将缩孔转移到冒口中。补缩冒口直径应大于热节直径，以保证冒口里的液态合金最后凝固，使缩孔转移到冒口里去。冒口与浇口一样，是铸件的多余部分，在铸件清理时将其去除。

为了实现顺序凝固，在安放冒口的同时，还可在铸件上不宜设置冒口的厚大部位(热节)增设冷铁。冷铁仅是加快某些部位的冷却速度，以控制铸件的凝固顺序，但本身并不起补缩作用。冷铁通常用钢或铸铁制成。

为了实现顺序凝固，设置补缩冒口和冷铁的特点如下： ? 优点：

①冒口补缩作用好；

②铸件组织致密，机械性能好。 ? 缺点：

①铸件各部分温差较大，冷却速度不一致，易产生铸造应力、变形和裂纹等缺陷； ②冒口和冷铁消耗金属材料，切割费事，增加铸件的加工工时和成本。

因此冒口和冷铁通常用于必须补缩的铸件上，如铸钢件、铸造铝青铜和铝硅合金件等易产生缩孔的合金铸件。

顺序凝固原则适用于收缩大的合金或壁厚差大的铸件，如铸钢、可锻铸铁。 注意：设置冒口对防止缩孔的效果较好，对防止缩松的效果不显著。适当提高铸型冷却速度或对铸型内的液态金属进行振动或搅拌，可起到细化晶粒，减少铸件产生缩松的效果。

1.1.2.4 铸造应力

⑴ 铸造应力的定义及种类

铸件在凝固之后继续冷却，还要进行固态收缩，使铸件尺寸缩小。但由于铸件各部分冷却不均匀，各部分相互牵制，固态收缩受到阻碍而引起内应力，称为

铸造应力。阻碍按形成的原因不同可分为热阻碍和机械阻碍。其中，热阻碍是指铸件各部分由于冷却速度不同、收缩量不同而引起的阻碍；机械阻碍是指铸型、型芯对铸件收缩的阻碍。由热阻碍引起的内应力称为热应力；由机械阻碍引起的内应力称为机械应力(收缩应力)。另外，还有铸件固态相变产生体积变化而引起的相变应力，该应力较小，一般很少考虑。铸造应力可能是暂时的(当引起应力的原因消除后，应力随之消失)，称为临时应力；也可能是长期存在的，称为残留应力。

⒈热应力的产生原因及防止措施

热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，存在着较大的温差，使固态铸件各部分在同一时间内收缩不同而产生的内应力。落砂清理后，热应力仍存在于铸件中，是一种残留应力。

由此可知，热应力使铸件厚壁部分或心部受拉伸，薄壁部分或表层受压缩。铸件的壁厚差别越大，热应力越大；合金的线收缩率越高，弹性模量越大，热应力也越大。

铸件产生热应力与变形的规律：

①薄壁、细小部位：冷得快，受压应力(凸出)； ②厚壁、粗大部位：冷得慢，受拉应力(凹进)。

为了防止热应力应尽量减少铸件各部分的温差，使其均匀冷却，在工艺上应采用“同时凝固”原则，其工艺是将内浇口开在铸件薄壁处，以增加该处的热量，减缓薄壁处的冷却速度；也可在铸件厚壁处安放冷铁，以加快该处的冷却速度。

同时凝固既可减少热应力，防止铸件产生变形和裂纹，又可不用冒口而省工省料。其缺点是铸件心部容易出现缩孔或缩松，主要用于灰口铸铁件、锡青铜件或者壁厚均匀的薄壁铸钢件 ⒉机械应力的产生原因及防止措施

铸件冷却到弹性状态、固态收缩时，由于受到铸型、型芯和浇冒口等的机械阻碍而产生的内应力，成为机械应力。机械应力一般为拉应力或剪应力，由于它是在铸件处于弹性状态时产生的，因而当形成应力的原因(如落砂、切除浇冒口等)消除后，应力也随之消失。因此，机械应力是一种暂时应力。但如果它与残留热应力同时作用，增大了某些部位的拉应力。当瞬时超过铸件的强度极限(σb)时，铸件将产生裂纹。铸件在有应力的情况下，如受到落砂、清理或运输中的碰撞或加热过快，也会引起裂纹，冬季尤易发生。 ⑵ 铸造应力的防止措施

①设计铸件时，尽量避免牵制收缩的结构，使各部分能自由收缩；

②采用“同时凝固”原则，减少铸件各部分的温度差； ③造型工艺上合理设置浇冒口，改善铸型、型芯的退让性； ④对铸件进行自然时效处理或去应力退火处理。对一些重要的铸件(如机床床身、刀架、变速箱等)，在粗加工后还要再次进行去应力退火。 1.1.2.5 铸件的变形与防止措施

如前所述，具有残余内应力的铸件，壁厚不同时，厚壁部分及心部受拉伸，薄壁部分及表层受压缩，但处于这种状态的铸件是不稳定的，它将自发地通过变形来减少其内应力，以趋于稳定状态。显而易见，只有受拉伸的厚壁部分及心部产生压缩变形，受压缩的薄壁部分及表层产生拉伸变形，才能减少或消除铸件中的残余内应力。

①应力状态：厚拉薄压、后拉先压 ②变形方向：受拉应力的部分向材料内部凹陷，受压应力的部分向材料外部凸起。

如图所示为车床床身，其导轨部分因较厚受拉应力，床壁部分较薄受压应力，于是朝着导轨方向发生弯曲变形，使导轨呈内凹。事实上，形状简单的铸件也会处于应力状态，因表层冷却快，受压应力；心部冷却慢，受拉应力。如一平板铸件，壁厚尽量均匀，但其中心部分因比边缘散热慢而受拉应力，边缘则受压应力。由于铸型上面比下面冷却快，于是该平板发生凸起变形。

有的铸件虽无明显变形，但经切削加工后，破坏了铸造应力的平衡，又会产生变形甚至裂纹。

铸件产生翘曲变形后，常因加工余量不够或放不进夹具，无法加工而报废。因此必须防止铸件产生变形。其主要防止措施如下：

①在铸件设计时尽可能地使铸件的壁厚均匀、形状对称；

②对于壁厚不均匀、细长易变形的杆类、板类铸件可采用反变形工艺，即在模型上预先留出相当于铸件变形量的反变形量(如机床导轨上凹)，以抵消铸件的变形；

③在铸造工艺上应采用“同时凝固”的方法，以使铸件各部分冷却均匀；

④去应力退火(时效处理) 对于不允许发生变形的重要铸件必须进行时效处理。时效处理可分为自然时效和人工时效两种。时效处理宜在粗加工之后进行，既可消除原有铸造应力，又可将粗加工产生的内应力一并消除。

1.1.2.6 铸件的裂纹与防止措施

铸件冷却过程中，当铸件中的内应力超过合金的强度极限σb时，铸件便产生裂纹。裂纹是严重的铸造缺陷，会造成铸件报废。裂纹按照形成原因可分为热裂纹和冷裂纹。 ⑴ 热裂纹

⒈热裂纹的产生原因

热裂纹是铸件在高温下产生的裂纹，多发生在固相线温度附近，在拉应力作用下，沿晶界开裂。其形状特征是：裂纹短、缝隙宽、外形曲折不规则(裂纹沿晶粒边界产生和发展)，裂纹表面呈氧化色(与空气接触)。

热裂是铸钢件、白口铸铁件和某些铝合金铸件常见的缺陷之一。在铸钢件的废、次品总数中，由热裂引起的约占20%以上。

凝固末期，合金绝大部分已成固体，但其强度和塑性很低，当铸件的固体线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统等的机械阻碍，产生的机械应力超过该温度下合金的强度极限，就能引起热裂。 ⒉热裂纹的影响因素

影响热裂纹形成的主要因素是合金性质和铸型阻力。

①合金性质 铸造合金的结晶温度范围越宽，液固两相区的绝对收缩量越大，合金的热裂倾向也越大。

在常用合金中灰口铸铁和球墨铸铁由于凝固收缩小，热裂倾向也小；而铸钢、铸铝、可锻铸铁的热裂倾向大。钢铁中的S，因可形成低熔点的共晶体，扩大了结晶温度范围，增加合金热脆性，故S含量越多，热裂倾向越大。 ②铸型阻力 铸型退让性越好，机械应力越小，热裂倾向也越小。

铸型退让性与铸型材料中粘结剂种类有关，如粘土砂高温强度大，用它制作的薄壁铸件的型芯易引起热裂；当采用有机粘结剂配制型芯砂时，因高温强度低，退让性好，热裂倾向小。为提高粘土砂的退让性，可在其中掺入少量锯末、纸屑等。

总之，合金的收缩率大、高温强度低、铸件结构不合理、铸造工艺不合理、铸型和型芯机械阻力大等都会加大热裂倾向。 ⒊热裂纹的防止措施

主要措施有：使铸件结构合理，改善铸型和型芯的退让性，减小浇冒口对铸件收缩的机械阻碍，内浇口设置应符合同时凝固原则，此外还应减少合金中的S含量等等。 ⑵ 冷裂纹

⒈冷裂纹的产生原因

冷裂纹是铸件在较低温度或室温下，处于弹性状态时产生的裂纹。其形状特征是：裂纹表面光滑，裂纹细小，呈连续直线或圆滑曲线状(穿过晶粒而发生)，裂纹表面具有金属光泽或微氧化色。

冷裂纹往往出现在形状复杂的大型工件的受拉应力部位，特别是应力集中的地方，如尖角、缩孔、气孔、夹渣等缺陷附近，有些冷裂纹是在铸件落砂清理、搬运或机械加工时受震击或碰撞才出现。 ⒉冷裂纹的影响因素

铸件的冷裂倾向与铸件内应力的大小密切相关，不同铸造合金的冷裂纹倾向不同。白口铸铁、高碳钢及某些合金钢(如高锰钢)等塑性差、脆性大的合金易产

生冷裂倾向 (塑性好的合金因内应力可通过塑性变形自行缓解，不易冷裂)；铁碳合金中P含量较高也会引起冷裂纹；机械碰撞和结构上的缺陷也会产生冷裂纹。

⒊冷裂纹的防止措施

主要措施有：设法减小铸造内应力，合理设计铸件结构，控制钢铁的P含量，减少机械碰撞。

总之，不管热裂纹或冷裂纹，其防止防止措施如下： ①设计铸件时，要求壁厚均匀，转角处采用圆角过渡； ②选择收缩倾向小的合金，严格控制S、P含量；

③提高铸型退让性，控制落砂或开型温度，减少机械应力。

1.1.3合金的吸气性与铸件的气孔

1.1.3.1吸气性的定义

吸气性是指合金在熔炼和浇注过程中吸收气体的特性。液态金属之所以吸收气体是由于金属在熔化过程中很难与气体隔离。一些双原子气体(如H2、N2、O2等)可从炉料、炉气等途径进入液态合金中。其中，氢气因不与金属形成化合物，且原子直径最小，故较易溶解于金属液中。 1.1.3.2影响吸气性的因素

①温度 合金的吸气性随着温度升高而增大，气体在液态合金中的溶解度较固态大得多，合金过热度越高，气体的溶解度越高； ②合金的种类和气体的成份。 1.1.3.3 气孔的种类

气孔是溶于液态金属中的气体未来得及逸出而在铸件中形成的孔洞，是铸件最常见的缺陷。

气孔形成的原因是溶解于液态合金中的气体，在冷凝过程中，由于溶解度降低，以气泡形式析出而上浮时，因上浮气泡遇到阻碍或因冷却合金液粘度增加使其不能上浮，就会滞留在铸件中形成气孔。

按气体的来源，气孔可分为： ①侵入气孔

侵入气孔是指由于砂型表面层聚集的气体侵入液态金属中而形成的气孔。其特征是：多位于铸件上表面附近，尺寸较大，呈椭圆形或梨形，孔的内表面被氧化。

侵入铸件中的气体主要来自造型材料中的水分、粘接剂和各种附加物。当液态金属浇入铸型型腔内，型壁表面的水分汽化，形成一层有一定厚度的水分饱和聚集区。这时气流只能从分型面、通气孔等处逸出，或者在铸型表层聚集成许多高压中心点。如果铸型排气不畅，聚集的气压就会越来越高。当气压超过液态金属的静压力时，部分气体就会侵入到金属液中，其中一部分形成气泡，穿过金属液逸出，其余留在铸件内形成气孔。 防止侵入气孔的措施主要有：降低型(芯)砂的发气量、增加铸型的排气能力。 ②析出气孔

析出气体是指溶解于液态金属中的气体在冷凝过程中，因气体溶解度下降而析出时，在铸件中形成的气孔。其特征是：分布面积较广，有时遍及整个截面，而气孔的尺寸很小。析出气孔多见于铝合金中，因其直径大多小于1mm，故常

称为“针孔”，它不仅会降低铝合金的机械性能，并将严重影响铸件的气密性，致使铸件在承受压力时产生渗漏。

防止析出气体的措施主要有：烘干和洁净炉料，使炉料入炉前不含水、锈、油等；严格执行熔炼及浇注操作工艺，减少金属液与空气接触，并控制炉气为中性气氛。 ③反应气孔

反应气孔是指浇入铸型型腔中的液态金属与铸型材料、型芯撑、冷铁或熔渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔。其特征是：多分布于铸件表层下1～2mm处，呈皮下气孔。 1.1.3.4 防止气孔的措施

①严格控制气体来源，或对液态金属进行保护； ②冶金脱气和机械脱气；

③适当降低浇注温度，让气体排出。

1.1.4合金的偏析

1.1.4.1 偏析的定义

偏析是指在铸件中出现的各部分化学成份不均匀、金相组织不一致的现象。偏析使铸件的性能不均匀，应注意防止。 1.1.4.2 偏析的分类

合金的偏析主要有晶内偏析、比重偏析等。 ①晶内偏析(枝晶偏析)：

晶内偏析是指晶粒内各部分化学成分不均匀的现象。其产生的原因是合金的凝固速度较快，原子来不及充分扩散，又开始下一阶段的结晶过程。晶内偏析对铸件质量影响不大，重要铸件可以通过扩散退火来减小或消除晶内偏析的倾向。

②区域偏析：

区域偏析是指因合金组元的比重或熔点不同，导致铸件内部区域性化学成分不均匀的现象。区域偏析可以通过浇注时充分搅拌或加快合金冷却速度来防止。

1.2 常用合金铸件的生产

表1-4铸件按材料分类

铸 件 铸铁件 铸钢件 铸铜件 轻合金铸件 其它铸件 材 料 灰铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁、特种性能铸铁(耐热铸铁、耐蚀铸铁和耐磨铸铁等) 铸造碳钢、铸造合金钢 铸造青铜、铸造黄铜 铸造铝合金、铸造镁合金 铸造锌合金、铸造钛合金、铸造轴承合金等 1.2.1 铸铁件的生产

1.2.1.1 铸铁的种类

铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。

铸铁的基体组织是铁素体(F)和珠光体(P)，按碳在铸铁中存在形式的不同，可分为：

表1-5

白口铸铁 灰口铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 碳主要以碳化物(Fe3C)形式存在 碳主要以片状石墨形式存在 碳主要以絮状石墨形式存在 碳主要以球状石墨形式存在 ⑴ 灰口铸铁

灰口铸铁是碳以片状石墨的形态存在的铸铁。 ⒈化学成份

表1-6 灰口铸铁的化学成分

C/% 2.7~3.6 Si/% 1.1~2.5 Mn/% 0.6~1.2 S/% ≤0.15 P/% ≤0.5 ⒉灰口铸铁的组织性能

表1-7 灰口铸铁的牌号、性能和用途

牌号 铸件壁厚/mm 2.5~10 HT100 10~20 20~30 30~50 2.5~10 10~20 20~30 30~50 2.5~10 10~20 20~30 30~50 4~10 10~20 20~30 30~50 10~20 HT300 20~30 30~50 10~20 20~30 30~50 抗拉强度σb /MPa 130 100 90 80 175 145 130 120 220 195 170 160 270 240 220 200 290 250 230 290 260 240 硬度/HBS 110~167 93~140 87~131 82~122 136~205 119~179 110~167 100~157 157~236 148~222 134~200 129~190 174~262 164~247 157~236 160~225 182~272 168~251 161~241 199~298 182~272 171~257 汽缸、机体、齿轮、床身、油缸、阀体、凸轮、齿轮箱、衬套、联轴器、飞轮等 承受高负荷、耐磨和要求高气密性的铸件，如重型机床床身、压力机床身、活塞环、液压件、凸轮等 承受中等载荷的重要铸件，如汽缸、齿轮、齿条、刀架、飞轮、一般机床的床身等 承受中等负荷的零件，如机座、支架、箱体、皮带轮、法兰、轴承座、泵体、阀体等 用途举例 负荷很小的不重要件或薄壁件，如防护罩、盖板、重锤等 HT150 HT200 HT250 HT350 ⒊影响灰口铸铁组织和性能的因素

Ⅰ、化学成份

①碳：是形成石墨化的元素；

②硅：是强烈促进石墨化的元素；

③硫：硫与铁的化合物在晶界上形成低熔点(985℃)的共晶体，使铸铁热脆性增加，流动性降低，收缩率增大； ④锰：可以脱硫；

⑤磷：含量超过0.3%时，将形成Fe3P与Fe的低熔点共晶体，使铸铁有冷脆性。 Ⅱ、冷却速度

铸件的冷却速度主要受铸型导热性和铸件壁厚的影响。 ⒋灰铸铁的工艺性能

①铸造性能特别好，不能锻、冲，焊接性能较差；流动性好，收缩小，缩孔、缩松倾向很小；吸气性、偏析性均较小，可用于制造各种薄壁复杂铸件。一般用同时凝固，不加冒口和冷铁，即可获得优质铸件。

②熔炼工艺特点：熔点低，对化学成份的要求不很严格，普通冲天炉即可满足熔炼要求。原材料(生铁、回炉料、废钢铁、石灰石、萤石等)价格低，来源广，铸铁成本低。

③铸型特点：普通砂型(湿砂型、少量铸件用干型)即可满足要求。 ⑵ 球墨铸铁

向一定成份的灰口铸铁铁水中加入球化剂(如稀土镁合金)和孕育剂(如硅铁)进行处理后获得具有球状石墨的铸铁。 ⒈化学成份(高碳低硅、低硫、低磷)

表1-8 球墨铸铁的化学成分

C/% 3.6~4.0 Si/% 1.4~1.8 Mn/% 0.5~0.9 S/% ＜0.04 P/% ＜0.1 ⒉组织：F、F+P、P+C

⒊球化剂：作用是使石墨结晶时呈球状析出。常用球化剂是稀土镁合金，加入量1～1.6%；

孕育剂：作用是促进碳的石墨化，防止产生白口。常用孕育剂是75硅铁，加入量是0.4～1.0%。

⒋牌号、性能和用途(GB1348-88)

表1-9球墨铸铁的牌号、性能和用途

牌号 QT400-18 QT450-10 QT500-7 QT600-3 QT700-2 QT800-2 QT900-2 基体 σb/MPa σ400 450 500 600 700 800 900 0.2/MPa δ/% 18 10 7 3 2 2 2 硬度/HBS 130~180 160~210 170~230 190~270 225~305 245~335 280~360 用途举例 受压阀门、后桥壳、牵引架、铸管、农机件 油泵齿轮、阀门、轴瓦等 曲轴、连杆、凸轮轴、水轮机主轴、缸体、缸套、农机配件 犁铧、螺旋伞齿轮 F 250 310 320 370 420 480 900 F+P F+P P P B或 回火M 表1-10几种铸铁与铸钢的屈强比

材 料 屈强比(σ0.2/σb) 铸 钢 (退火后) 0.35~0.5 可锻铸铁 0.5~0.6 球墨铸铁 铁素体基体 0.65~0.75 珠光体基体 0.7~0.8 ⒌铸造性能

①流动性比灰口铸铁差，铸件壁厚不宜太薄；应适当提高铁水出炉温度和浇注温度，增大浇口截面积，缩短浇注时间。

②收缩大(体收缩率比灰口铸铁大2～3倍)，缩孔、缩松倾向大，工艺上多采用顺序凝固加冒口补缩。要求铸件壁厚尽量均匀，避免热节，转角处应有较大的圆角。

③易产生皮下气孔

MgS+H2O→MgO+H2S↑

故应降低铸型和型芯水份，提高铸型透气性。 ④铸件易膨胀变形：

在铸件凝固后期，先凝固的铸件外壳还不结实，内部凝固时析出大量石墨，体积膨胀，降低继续冷却的速度。 ⒍熔炼工艺特点

由于球铁铸件比灰铸件的性能要求高，在熔炼工艺上应采取相应的措施，才能保证质量。

①精选炉料，严格控制原铁水的休学成份； ②适当提高炉温；

③严格控制球化处理和孕育处理工艺过程，掌握好浇注温度，浇注速度；

铁水仓内冲入球化法 型腔内球化法 ⒎球铁的热处理

①退火：可获得高韧性的铁素体球铁；

②正火：增加珠光体含量，细化基体，提高强度、硬度和耐磨性； ③调质：可获得良好的综合机械性能。如曲轴、连杆等；

④等温淬火：可获得贝氏体基体组织。韧而耐磨，螺旋齿轮等； ⑤表面淬火：在工件表面层可获得马氏体组织，硬而耐磨。 ⑶ 可锻铸铁

先铸成白口铸铁，再经高温长时间石墨化退火而得到的有较高韧性的铸铁，又称“韧性铸铁”或“马铁”。 ⒈化学成份

C：2.4～2.8%，Si：0.8～1.4% ⒉组织和性能 ①白心可锻铸铁：白口铸铁在氧化气氛中退火，产生几乎是全部脱碳的可锻铸铁，在我国极少应用；

②黑心可锻铸铁：白口铸铁在中性气氛中热理，使碳化铁分解成絮状石墨与铁素体，正常断口呈墨绒状并带有灰色外圈的 可锻铸铁。 ③铁素体可锻铸铁：基体主要为铁素体的黑心可锻铸铁； ④珠光体可锻铸铁：基体主要为珠光体的黑心可锻铸铁；

表1-11可锻铸铁的牌号、性能和用途

类别 黑心可牌号 KTH300-06 σb/MPa σ0.2/MPa —— δ/% 6 8 硬度/HBS ≤150 用途举例 机床扳手、汽车拖拉机的转向机构、后桥300 330 锻铸铁 KTH330-08 —— KTH350-10 KTH370-12 KTZ450-06 KTZ550-04 KTZ650-02 KTZ700-02 350 370 450 550 650 700 300 —— 270 340 430 530 10 12 6 4 2 2 150~200 180~230 210~260 240~290 壳体、水管零件(如三通、弯头、阀门)、农机零件等 曲轴、连杆、凸轮轴、活塞环、万向接头、棘轮、线路金属用具 珠光体可锻铸铁 ⒊铸造工艺特点

①含碳、硅量较低，熔点较高，结晶温度范围大，流动性差；为防止产生浇不足、冷隔，应适当提高炉温和浇注温度(＞1360℃)

②白口铁收缩大，缩孔、缩松和裂纹倾向大，应设置冒口补缩；要求砂型的耐火性、退让性要好。 ⑷ 稀土系球墨可锻铸铁

将一定化学成份的原铁水进行变质处理，控制其石墨化的能力，使用权其按介稳定系凝固，同时析出少量石墨，再经石墨化退火，使渗碳体分解，得到具有球状石墨组织的铸铁。

这是我国自行研究开发的一种新型铸造合金。 ⒈球墨可锻铸铁的特点 与球墨铸铁比较：

①组织均一性好，质量稳定；

②机械性能与球铁相当，低温冲击韧性优于球铁； ③抗缩松的能力优于球铁；

④导热性优于球铁，抗氧化性、抗热疲劳性等与球铁相当； ⑤对原材料的要求不如球铁严格，生产成本低于退火球铁。 与可锻铸铁比较：

①机械性能优于可锻铸铁，综合性能好

表1-12 球墨可锻铸铁与可锻铸铁的性能比较

材 料 球墨可锻铸铁 可锻铸铁 平均机械性能 抗拉强度σb /MPa 420 365 延伸率δ/% 15.12 12.75 硬度/HBS 145 124 ②碳当量可在较宽的范围内选择，允许出现麻口组织； ③铸造性能优于可锻铸铁；

④退火周期较可锻铸铁短，节约能源。 ⒊球墨可锻铸铁的应用

目前，已在汽车配件、玻璃模具、线路金具等产品上应用，取得了良好的效果。

1.2.1.2 铸铁的熔炼

在铸铁件生产中，铸铁的熔化是获得高质量铸件的一个重要环节。熔化过程中，如果铁水温度过低，则易使铸件产生冷隔、浇不足、气孔和夹渣等缺陷；如果铁水化学成分不合格，即使铸件不产生铸造缺陷，也会使铸件机械性能和物理

性能降低。因此，铸铁的熔化应满足如下要求：铁水温度要高，铁水的化学成分能严格控制(有益元素Si、Mn的烧损要少，有害杂质S、P的含量要低)，熔化生产率要高，成本要低。

熔炼铸铁的设备有：冲天炉、反射炉、电弧炉等。其中以冲天炉的应用最广泛。冲天炉的优点是设备简单，热效率高，成本较低，操作简便，熔化率高，且能连续生产。句统计，用冲天炉熔化的铸铁要占铸铁总产量的90%以上。 ⑴ 冲天炉的构造

冲天炉的结构形式很多，目前我国普遍应用的是多排小风口曲线炉膛热风冲天炉。这种冲天炉的炉膛内壁呈曲线形。

冲天炉由下列几部分组成：

①炉底 整座炉子通过炉底板由四根支柱支撑在炉基上。炉底上安装有两个半圆形的炉底门，工作时将炉底门关闭，在上面捣结上碳素材料构成炉底。熔化终了时，打开炉底门，以便清除余料和修炉。

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