第一節(jié)金屬液態(tài)成形工藝基礎(chǔ)

第一章金屬液態(tài)成形本章內(nèi)容：鑄造成形工藝基礎(chǔ)；鑄造方法；鑄件結(jié)構(gòu)的工藝性。本章重點：鑄造基礎(chǔ)知識，即合金的鑄造性能。液態(tài)材料鑄型模腔凝固固態(tài)毛坯澆注金屬的鑄造工藝陶瓷的注漿成形塑料的注射成形

材料的液態(tài)成形，與材料的固態(tài)塑性變形、連接成形以及粉末冶金成形是制造業(yè)獲得毛坯件的主要手段。液態(tài)成形方法§1-1金屬液態(tài)成形工藝基礎(chǔ)金屬鑄造（foundry,casting）

1.定義：將熔煉好的液態(tài)金屬澆注到與零件形狀尺寸相適應(yīng)的鑄型型腔（moldcavity）內(nèi),待其冷卻凝固后,獲得毛坯或零件的方法。

2.優(yōu)點：適應(yīng)性強，金屬種類、鑄件尺寸、形狀不受限制；成本低；尤其適于制造內(nèi)腔復(fù)雜的大型箱體件。

缺點：鑄件內(nèi)部組織疏松、晶粒粗大，易產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔等缺陷；鑄件外部易產(chǎn)生粘砂、夾砂、砂眼等。由此，與同樣材料的鍛件相比，鑄件的力學(xué)性能低，特別是沖擊韌性。又由于鑄造工序多，難以精確控制，使鑄件品質(zhì)不夠穩(wěn)定。3.鑄造方法：按生產(chǎn)方法分類，可分為砂型鑄造和特種鑄造。按合金種類分類可分為鑄鐵、鑄鋼、鋁合金鑄造、銅合金鑄造、鎂合金鑄造、鈦合金鑄造等。砂型鑄造基本工藝過程配制的型砂模樣砂型配制的芯砂芯盒砂芯合箱熔化的合金澆注檢驗冷卻落砂清理合格的鑄件一、熔融合金的流動性及充型能力“金屬液充型能力”定義：液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力，稱為液態(tài)金屬充填鑄型的能力，簡稱液態(tài)金屬的充型能力。

充型能力差→澆不足（shortrun）、冷隔（coldshuts）、氣孔（pore）、夾雜（inclusion）

影響因素：包括金屬液的流動性、性質(zhì)、澆注條件及鑄型條件等。金屬液的流動性指液態(tài)合金自身的流動能力。流動性好，則充型能力強。

流動性不好：不能充滿型腔，不能形成符合要求的優(yōu)質(zhì)鑄件。流動性好：易于充滿型腔，有利于氣體和非金屬夾雜物上浮和對鑄件進(jìn)行補縮。說明不同的合金具有不同的流動性特點。在進(jìn)行鑄件設(shè)計和鑄造工藝制定時，必須考慮合金流動性。那么，我們怎樣衡量合金的流動性呢？金屬流動性試樣流動性的測試通常用螺旋形試樣來衡量，

l，流動性在相同的澆注工藝條件下，將金屬液澆入鑄型中，測出其實際螺旋線長度。澆出的試樣愈長，合金的流動性愈好！合金種類：灰口鑄鐵，硅黃銅，流動性最好，l1000mm

。鑄鋼的流動性最差，

l200mm；成分：共晶合金的流動性最好；結(jié)晶特征：結(jié)晶間隔越小，則流動性越好；

粘度：粘度越大，流動性越差；結(jié)晶潛熱：結(jié)晶潛熱越小，流動性越差。影響流動性因素：合金鑄型澆注溫度/℃螺旋線長度/mm鑄鐵：w(C+Si)=6.2%w(C+Si)=5.9%w(C+Si)=5.2%w(C+Si)=4.2%砂型1300130013001300180013001000600鑄鋼：w(C)=0.4%砂型16001640100200鋁硅合金金屬型()680～720700～800鎂合金（Mg-Al-Zn）砂型700400～600錫青銅：w(Sn)=9%～11%w(Zn)=2%～4%硅黃銅：w(Si)=1.5%～4.5%砂型104011004201000灰鑄鐵、硅黃銅的流動性最好，鑄鋼的流動性最差。（砂型，試樣截面8㎜×8㎜）2.澆注（pouring）條件T澆

→粘度→充型能力；但T澆→粘砂（sandadherence）、縮孔（shrinkagecavity）、氣孔（blowhole）、粗晶（graincoarsening）等缺陷澆注溫度指的是澆注時熔融合金的溫度，一般要求比它的液相線溫度高，即存在過熱度，推遲它的凝固時間，以保持良好的流動性。但是也不能太高，否則造成氧化，吸氣，過收縮，粘砂，脹砂等不良后果。所以，每種合金有自己的合理澆注溫度范圍。澆注溫度：鑄鋼1520~1620℃；鑄鐵1230~1450℃；鋁合金680~780℃充型壓力

液態(tài)金屬在流動方向上所受的壓力越大，充型能力越強。3.鑄型特性鑄型的導(dǎo)熱能力

，T液

，充型能力；鑄型的溫度

，充型能力

，所以金屬型要預(yù)熱；鑄型的排氣能力，流動阻力，充型能力；最小壁厚（wallthickness）折算厚度折算厚度也叫當(dāng)量厚度或模數(shù)，為鑄件體積與表面積之比。折算厚度大，熱量散失慢，充型能力就好。鑄件壁厚相同時，垂直壁比水平壁更容易充填。鑄件復(fù)雜程度鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動阻力大，鑄型的充填就困難。

二、合金的凝固（solidification）特性合金從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，稱為凝固或一次結(jié)晶（crystal-lization）。金屬的凝固，一般均是在常溫、常壓(重力)情況下進(jìn)行的。壓鑄等技術(shù)除外。金屬凝固時應(yīng)滿足的熱力學(xué)條件是：只有當(dāng)體系所處的溫度低于熔點溫度(液相線溫度)Tm時，才能發(fā)生凝固現(xiàn)象。液－固兩相自由能差是凝固過程能保持繼續(xù)進(jìn)行的驅(qū)動力。金屬的凝固包括晶核的形成及晶體的長大兩個過程。在此過程，易產(chǎn)生缺陷：縮孔、縮松（po-rosity）、氣孔、夾雜（inclusion）、熱裂（hottear）、偏析等。1.鑄件的凝固方式

鑄件斷面上有三個區(qū)域：固相區(qū)、液相區(qū)、凝固區(qū)。逐層凝固：純金屬或共晶成分合金凝固過程中不存在液、固并存現(xiàn)象，其斷面上固相和液相由一條界線清楚地分開，液固界限清楚分開，稱為逐層凝固。常見合金如灰鑄鐵、低碳鋼、工業(yè)純銅、工業(yè)純鋁、共晶鋁硅合金及某些黃銅都屬于逐層凝固的合金。體積凝固（糊狀凝固）：合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，溫度分布較平坦(內(nèi)、外溫度較小)，整個斷面內(nèi)均為液固并存，先呈糊狀而后固化，稱為糊狀凝固。球墨鑄鐵、高碳鋼、錫青銅和某些黃銅等都是糊狀凝固的合金。中間凝固：大多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間，稱為中間凝固方式。中碳鋼、高錳鋼、白口鑄鐵等具有中間凝固方式。合金的凝固方式影響鑄件質(zhì)量。逐層凝固的合金產(chǎn)生缺陷的傾向小。（2）鑄件的溫度梯度在合金結(jié)晶溫度范圍已定的前提下，凝固區(qū)域的寬窄取決與鑄件內(nèi)外層之間的溫度差。增大溫度梯度，可以使合金的凝固方式向逐層凝固轉(zhuǎn)化；反之，鑄件的凝固方式向糊狀凝固轉(zhuǎn)化。影響鑄件凝固方式的主要因素：（1）合金的結(jié)晶溫度范圍合金的結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固。如兩條相線之間的距離很大，則趨于糊狀凝固；如兩條相線間距離較小，則趨于中間凝固方式。S1S2T1T2T液T固LL+αα表面中心溫度梯度對凝固區(qū)域的影響三、合金的收縮1.收縮及其影響因素合金的收縮：鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積或尺寸減少的現(xiàn)象稱為收縮。包括：縮孔，縮松應(yīng)力，變形，裂紋成分(%)

T

①②③①液態(tài)收縮（體收縮率）澆注溫度—液相線②凝固收縮（體收縮率）液相線—固相線③固態(tài)收縮（線收縮率）固相線—室溫影響鑄件收縮的主要因素：化學(xué)成分：不同成分的合金其收縮率一般也不相同。在常用鑄造合金中鑄鋼的收縮最大，灰鑄鐵最小。澆注溫度：合金澆注溫度越高，過熱度越大，液體收縮越大。鑄件結(jié)構(gòu)：壁厚不均勻→收縮受阻→收縮率??；鑄型條件：鑄件冷卻收縮時，因其形狀、尺寸的不同，各部分的冷卻速度不同，導(dǎo)致收縮不一致，且互相阻礙，又加之鑄型和型芯對鑄件收縮的阻力，故鑄件的實際收縮率總是小于其自由收縮率。這種阻力越大，鑄件的實際收縮率就越小。2.收縮導(dǎo)致的鑄件缺陷（1）縮孔與縮松（體積縮減得不到補充）

縮孔：縮孔是指金屬液在鑄模中冷卻和凝固時，在鑄件的厚大部位及最后凝固部位形成一些容積較大的孔洞。出現(xiàn)在鑄件上部或最后凝固部位,倒錐形,容積較大.產(chǎn)生原因：先凝固區(qū)域堵住液體流動的通道，后凝固區(qū)域收縮所縮減的容積得不到補充?？s松：鑄件最后凝固區(qū)未得到補縮形成分散細(xì)小的孔洞.

逐層凝固合金易形成縮孔，糊狀凝固合金易產(chǎn)生縮松，

縮松嚴(yán)重影響鑄件的氣密性。產(chǎn)生原因：

當(dāng)合金的結(jié)晶溫度范圍很寬或鑄件斷面溫度梯度較小時，凝固過程中有較寬的糊狀凝固兩相并存的區(qū)域。隨著樹枝晶長大，該區(qū)域被分割成許多孤立的小熔池，各部分熔池內(nèi)剩余液態(tài)合金的收縮得不到補充，最后形成了形狀不一的分散性孔洞即縮松。另外，縮松還可能由凝固時被截留在鑄件內(nèi)的氣體無法排除所致。不過，縮松內(nèi)表面應(yīng)該是光滑，近似球狀。

縮孔和縮松易出現(xiàn)在冷卻緩慢的厚壁熱節(jié)處。熱節(jié)位置確定：“內(nèi)切圓法”和“凝固等溫線法”定向凝固：在厚大部位安放冒口、冷鐵和補貼，使薄壁→厚壁→冒口

順序凝固，讓縮孔移入冒口。順序凝固用于收縮率較大必須補縮的場合(鋁青銅、鑄鋼)，不能預(yù)防顯微縮松?？s孔和縮松防止:澆注系統(tǒng)Pouringsystem型腔mouldcavity冒口Riser溫度距離123縮孔shrinkagecavity

其他防止縮松的措施選用近共晶成分或結(jié)晶溫度范圍較窄的合金加大結(jié)晶壓力，破碎枝晶，減少對金屬的流動阻力加大鑄件的冷卻速度，使液固兩相區(qū)的截面變窄（2）鑄造應(yīng)力、變形和開裂鑄造內(nèi)應(yīng)力在固態(tài)收縮階段產(chǎn)生，是鑄件變形、開裂的根本原因。鑄造應(yīng)力相變應(yīng)力熱應(yīng)力機械應(yīng)力鑄件收縮受到機械阻礙鑄件因V冷卻、壁厚、溫度不同，各部位收縮不一致產(chǎn)生鑄件組織發(fā)生相變時，因溫度差異出現(xiàn)體積變化不一致鑄造應(yīng)力：厚拉薄壓鑄件厚壁或心部受拉應(yīng)力，薄壁或表層受壓應(yīng)力1)熱應(yīng)力：鑄件壁厚不均或各處冷速不同，導(dǎo)致各處收縮不同步引起的應(yīng)力。殘余應(yīng)力

+-+--++表示拉應(yīng)力-表示壓應(yīng)力鑄件因壁厚不均勻，或鑄件中存在著較大的溫差，在同一時間內(nèi)鑄件各部分收縮不同，先冷卻的部位阻礙了后冷卻部位的收縮，在其內(nèi)部產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。+框架結(jié)構(gòu)+-T型梁結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力薄壓厚拉變形方向恰相反——鑄件產(chǎn)生熱應(yīng)力與變形的規(guī)律：①薄壁、細(xì)小部位：冷得快，受壓應(yīng)力（凸出）；②厚壁、粗大部位：冷得慢，受拉應(yīng)力（凹進(jìn)）。2）相變應(yīng)力鑄件冷卻過程中，有的合金要經(jīng)歷固態(tài)相變，比容發(fā)生變化。下表為鋼的各種組織的比容。鋼的組成相鐵素體滲碳體奧氏體w(C)=0.9%珠光體馬氏體比容/cm3·g-10.12710.13040.12750.12860.13103)機械應(yīng)力：

鑄件在固態(tài)收縮時，因受到鑄型、型芯、澆冒口、箱擋等外力阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為機械應(yīng)力。收縮應(yīng)力使鑄件產(chǎn)生拉應(yīng)力或切應(yīng)力，并且是暫時的。但是如果在某一瞬間收縮應(yīng)力和熱應(yīng)力同時作用超過了鑄件的強度極限時，鑄件將產(chǎn)生裂紋。防止和減小鑄造應(yīng)力的措施

①合理設(shè)計鑄件結(jié)構(gòu)鑄件的形狀愈復(fù)雜，各部分壁厚相差愈大，冷卻時溫度愈不均勻，鑄造應(yīng)力愈大。因此，在設(shè)計鑄件時應(yīng)盡量使鑄件形狀簡單、對稱、壁厚均勻。②盡量選用線收縮率小、彈性模量小的合金。③采用同時凝固的工藝所謂同時凝固是指采取一些工藝措施，使鑄件各部分溫差很小，幾乎同時進(jìn)行凝固，如下圖所示。因各部分溫差小，不易產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱裂，鑄件變形小。同時凝固：同時凝固的具體工藝是將內(nèi)澆口開在鑄件的薄壁處，以減緩其冷卻；再在鑄件厚壁處放置冷鐵，以加快其冷卻?？傊瑫r凝固原則可降低鑄件產(chǎn)生應(yīng)力、變形和裂紋的傾向；這種工藝因不設(shè)冒口，使工藝簡化、并節(jié)約了金屬材料。只是鑄件的心部會產(chǎn)生縮孔和縮松缺陷，所以同時凝固原則只用于普通灰鑄鐵和錫青銅等鑄造性能好的鑄件的生產(chǎn)。適用于普通灰鑄鐵和錫青銅以及壁厚均勻的薄壁件。

④合理設(shè)置澆冒口，緩慢冷卻，以減小鑄件各部分溫差；采用退讓性好的型、芯砂。⑤若鑄件已存在殘余應(yīng)力，可采用人工時效、自然時效或振動時效等方法消除。受拉部位趨于縮短，受壓部位趨于伸長。內(nèi)應(yīng)力超過材料的屈服點s時，將造成鑄件變形。

鑄件的變形預(yù)防變形措施：使鑄件壁厚均勻或截面形狀對稱；同時凝固原則；反變形法；設(shè)置防變形拉筋切削加工前退火等。床身導(dǎo)軌面的翹曲變形去應(yīng)力退火實踐證明，鑄件變形后其殘余應(yīng)力并未徹底消除。這種鑄件經(jīng)機械加工后，內(nèi)應(yīng)力將重新分布，使零件緩慢地變形，喪失原有的加工精度。為此，對不允許發(fā)生變形的鑄件，必須進(jìn)行時效處理。時效處理可分為自然時效和人工時效兩種。自然時效是將鑄件置于露天場地半年以上，使其緩緩地發(fā)生變形，從而使殘余應(yīng)力消除或減少，人工時效是將鑄件加熱到550~650℃進(jìn)行去應(yīng)力退火，它比自然時效節(jié)省時間，殘余應(yīng)力去除較為徹底，故應(yīng)用廣泛。鑄件裂紋：裂紋產(chǎn)生的原因：內(nèi)應(yīng)力

>b抗拉強度熱裂：裂紋短而寬，內(nèi)呈氧化色。外形曲折，沿晶裂。凝固末期，金屬的高溫強度較低，其線收縮受阻，機械應(yīng)力超過高溫強度產(chǎn)生熱裂紋。Fe+FeS熔點只有898℃。結(jié)晶溫度寬，凝固收縮量大的鑄鋼容易產(chǎn)生熱裂紋熱裂示意圖

熱裂紋是鑄鋼件和鋁合金鑄件常見的缺陷。凝固末期，結(jié)晶出來的晶體已形成完整的骨架，開始固態(tài)收縮，但晶粒之間還有少量液體金屬，形成液膜，強度很低。如果固態(tài)收縮受到砂型和砂芯的阻礙，機械應(yīng)力超過次時金屬液膜的抗拉強度，即發(fā)生熱裂。很明顯，零件結(jié)構(gòu)不合理、合金的收縮率高、型砂或芯砂的退讓性差，合