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1、,第一节 金属液态成形原理一 液态合金的充型能力 充型:液态合金填充铸型的过程.充型能力:液态合金充满铸型型腔,获得形状完整,轮廓清晰的铸件的能力 若充型能力不足，易产生:1）浇不足:不能得到完整的零件.2）冷隔:没有完整融合的缝隙或凹坑,机械性能下降.,一）合金的流动性 合金流动性:是指熔融金属(液态金属)本身的流动能力，是金属本身的属性。,1 测定流动性的方法:以螺旋形试件的长度来测定:如 灰口铁:浇铸温度 1300，试件长1800mm.铸钢:1600，100mm,2 影响流动性的因素 主要是化学成分:1)纯金属流动性好:一定温度下结晶,凝固层表面平滑,对液流阻力小；2)共晶成分流动性好:
2、恒温凝固,固体层表面光滑,且熔点低,过热度大；3)非共晶成分流动性差:结晶在一定温度范围内进行,初生树枝状晶阻碍液流。常用铸造合金中，铸铁的流动性最好，铸钢的流动性最差。,不同成分合金流动性,逐层凝固（好）,糊状凝固（差）,铁碳合金流动性与相图关系,碳钢,铸铁,结晶温度范围越窄，流动性越好。,（过热度）,碳钢随着结晶温度范围的增加而流动性变差；亚共晶铸铁随含碳量的增加流动性提高。,3 流动性对铸件质量影响 1)流动性好,易于浇出轮廓清晰,薄而复杂的铸件.2)流动性好,有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体上浮,排除.3)流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行补缩.因此，合金流动性好能有效
3、防止铸件出现冷隔、浇不足、气孔、夹渣、缩孔等缺陷。,二)浇注条件 1 浇注温度:t 合金粘度下降,过热度高.合金在铸件中保持流动的时间长,t 提高充型能力.但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故不宜过高 2 充型压力:液态合金在流动方向上所受的压力 充型能力 如 砂形铸造-直浇道,静压力.压力铸造,离心铸造等充型压力高.三)铸型条件 1 铸型导热能力:导热 金属降温快,充 如金属型 2 铸型温度:t 充 如金属型预热 3 铸型中气体:排气能力 充 减少气体来源,提高透气性。少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜,减少流动阻力,有利于充型.4 铸型结构:若不合理,如铸型壁厚小,直浇口低,浇口小等
4、充.,2 铸件复杂程度：铸件结构复杂，流动阻力大，铸 型的充填就困难。,四)铸件结构条件,1 折算厚度：折算厚度也叫当量厚度或铸件模数，为铸件体积与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就好；折算 厚度越小则越不易充满。在设计铸件结构时，铸 件的壁厚必须大于规定的最小允许壁厚值。,铸件的最小允许壁厚：,二 铸件的凝固和收缩 一）铸件的凝固 1 铸件的温度场(梯度)及凝固区域:1)铸件的温度场(梯度):铸件横断面上(截面上)的温度分布曲线.2)铸件的凝固区域:铸件凝固过程中,其断面上一般分为三个区:1固相区 2凝固区 3液相区 2 凝固方式:对凝固区影响较大的是凝固区的宽窄,依此划分凝固方
5、式。1)逐层凝固:纯金属,共晶成分合金在凝固过程中没有凝固区,断面液,固两相由一条界限清楚分开,随温度下降,固相层不断增加,液相层不断减少,直达中心。2)糊状凝固 合金结晶温度范围很宽或温度梯度很小的铸件,在凝固某段时间内,铸件表面不存在固体层,凝固区贯穿整个断面,先糊状,后固化.故3)中间凝固 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间.,铸件的温度梯度,凝固区域及凝固方式,（a）纯金属及共晶合金,（b）其他成分合金,铸件的温度场及某瞬间的凝固区域,1）铸件温度场,2）铸件的凝固区域,铸件横断面温度分布曲线,液相区凝固区固相区,铸件的凝固方式,1)逐层凝固纯金属和共晶成份的合金，结晶温度是一
6、固定值。凝固过程由表面向中心逐步进行。合金结晶温度范围很小，或铸件断面的凝固区域很窄，也属于逐层凝固方式。有良好的充型能力和补缩条件。,温度,表层,中心,固,液,铸件的凝固方式,2)糊状凝固结晶温度范围很宽的合金，从铸件的表面至心部都是固液两相混存。铸件断面上布满小晶体，将金属液分割开，致充型和补缩能力变差。,温度,表层,中心,固,液,铸件的凝固方式,3)中间凝固大多数合金属于这种方式。,温度,表层,中心,固,液,决定凝固方式的因素：（1）结晶温度范围（2）铸件断面温度场分布变化,3 影响铸件凝固方式的因素 1)合金的结晶温度范围 范围小:凝固区窄,愈倾向于逐层凝固 如:砂型铸造,铸铁,低碳钢
7、 逐层凝固,高碳钢 糊状凝固 2)铸件的温度梯度 合金结晶温度范围一定时,凝固区宽度取决于铸件内外层的温度梯度.温度梯度愈小,凝固区愈宽.(内外温差大,冷却快,凝固区窄),二）合金的收缩 液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体积和尺寸减少的现象-.是铸件许多缺陷(缩孔,缩松,裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因.1 收缩的几个阶段 1)液态收缩（T浇 T液）:从金属液浇入铸型到开始凝固之前.液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝固的温度的温差成正比.2)凝固收缩（T液 T固）:从凝固开始到凝固完毕.同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如:35钢,体积收缩率3.0%,45钢 4
8、.3%。3)固态收缩（T固 T室）:凝固以后到常温.固态体积收缩直观表现为铸件各方向线尺寸的缩小，影响铸件尺寸精度及形状的准确性,故用线收缩率表示.,2 影响收缩的因素 主要受化学成分影响:铸铁中促进石墨形成的元素增加,收缩减少.如:灰口铁 C,Si,收.这是由于石墨比容大,体积膨胀,抵销部分凝固收缩.所以常用合金中，铸钢收缩率最大，灰铸铁收缩率最小（下页表格）。,三）铸件的收缩,铸件的收缩要比合金的收缩复杂得多。不但和合金成分及温度有关，还与铸型条件和铸件结构有关。,铸件的收缩,合金成分和温度,铸型、型芯结构,铸件结构,常用铸造合金的收缩率,铸造合金从浇注，凝固直到至冷却到室温的过程中，其体
9、积或尺寸缩减的现象，称为收缩。收缩是铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形的根源。液态收缩凝固收缩固态收缩,铸件的收缩会受到铸型、型芯及本身结构的阻碍，因此铸件的线收缩率小于合金的自由收缩率。例如，某铸钢直杆件的收缩属自由收缩，其线收缩率为2.4%;若两端加横杆成为字形，则其收缩受到约束，受阻线收缩率为0.92%。铸件的固态收缩受到阻碍时还会产生铸造应力、变形和裂纹等铸造缺陷。,三 合金铸件的收缩缺陷及防止一）凝固收缩缺陷-缩孔和缩松及防止:1.缩孔及缩松的形成1)缩孔：液体金属浇注到铸型中后，经过液态收缩和凝固收缩，体积会缩减。若其收缩得不到液体金属的及时补充，则在铸件最后凝固部位形成孔洞，这种孔洞
10、称为缩孔.缩孔是容积较大而集中的孔洞.通常隐藏在铸件上部或最后凝固的部位。其外形特征为倒锥形，内表面不光滑.假设下面圆柱体铸件是逐层凝固：,圆柱体铸件中缩孔形成示意图,缩孔形成示意图,浇口,2）缩松 缩松是分散在铸件最后凝固部位的细小缩孔。形成原因：由于结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，先析出的枝晶把液体分隔开，使其收缩难以得到补充所致。形成过程如下图。,缩松一般分布于铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附近。,宏观缩松（肉眼可见）多分布在铸件最后凝固的部位，显微缩松（显微镜下可见）则是存在于在晶粒之间的微小孔洞。,1）顺序凝固：就是采取一定措施，使铸件按规定的方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。冒
11、口和冷铁的合理使用，可造成铸件按次序凝固，有效地消除缩孔、缩松。,顺序凝固示意图,冒口 储存补缩用金属液的“水库”。冷铁 用来控制铸件凝固顺序的激冷物，加大某一部分得冷却速度。用铸铁、钢或铜制成。,（缩孔部位）,纵向温度分布曲线,2.缩孔、缩松的防止措施：实现顺序凝固，用冒口补缩。,寻找热节的方法,等温线法,内切圆法,顺序凝固特点:开设冒口补缩。缺点：一是冒口浪费金属；二是铸件内应力大，易于变形和开裂。主要用于凝固收缩大，凝固温度范围较宽的合金或壁厚差别较大的合金铸件。如铸钢、高牌号灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和黄铜等。,同时凝固 整个铸件几乎同时凝固。,纵向温度分布曲线,2）同时凝固:采用厚壁
12、处放置冷铁，薄壁处开浇口等工艺措施使铸件各部分温度均匀，在同一时间内凝固。,同时凝固特点:不需冒口，节约金属且工艺简单；铸件均匀冷却，减小热应力,不易形成内应力、变形和裂纹等缺陷，但心部缩松有时难以避免,故用于收缩小的合金和各种合金的薄壁铸件。如灰铸铁，锡青铜，铝硅合金等。（1）这是由于薄壁铸件的铸型冷却作用强，薄壁断面温度梯度大，倾向于逐层凝固。因此收缩小的灰铸铁可消除缩孔，获得致密铸件；而收缩较大的薄壁铸钢、有色合金铸件会出现轴线缩松，但其表层组织致密。,（2）锡青铜，铝硅合金等凝固温度范围较宽的合金，倾 向于糊状凝固，用顺序凝固也难以消除缩松，采用 冷铁（或金属型铸造）及同时凝固原则，可
13、保证其 表层组织致密。,1、铸造应力及减少措施,2、铸件的变形及防止,3、铸件的裂纹及防止,1）热应力和机械应力,2）减小铸造应力的措施,1）热裂及防止,2）冷裂及防止,二）固态收缩缺陷-铸造内应力及其引起的变形和裂纹及防止:,凝固之后的继续冷却过程中,其固态收缩若受到阻碍,铸件内部就发生内应力,即铸造应力。内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因。按阻碍收缩的原因分为：1）热应力2）机械应力,1、铸造应力及减少措施：,（塑弹性临界转变温度）,受热应力的铸件,热应力分布规律：（1）厚壁及冷却慢的部位拉应力（2）薄壁及冷却快的部位压应力,+,+,+,+,t0t1:,t1t2：,t2t3：,1）热应力
14、：热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，收缩不一致而引起的应力。,塑性状态:金属在高于再结晶温度以上的固态冷却阶段,受力变形,产生加工硬化,同时发生的再结晶将硬化抵消,内应力自行消失.(简单说,处于屈服状态,受力变形无应力)弹性状态:低于再结晶温度,外力作用下,金属发生弹性变形,变形后应力继续存在。,a)t0 t1:凝固开始,粗 细处都为塑性状态,无内应力 两杆冷速不同,细杆快,收缩大,受粗杆限制,不能自由收缩,相对被拉长,粗杆相对被压缩,结果 两杆等量收缩.b)t1 t2:细杆冷速大,先进入弹性阶段,而粗杆仍为塑性阶段,随细杆收缩发生塑性收缩,无应力.c)t2 t3:细杆收缩先停止
15、,粗杆继续收缩,压迫细杆,而细杆又阻止粗杆的收缩,至室温,粗杆受拉应力(+),细杆受压应力(-)。由此可见,各部分的温差越大,热应力也越大,冷却较慢的部分形成拉应力,冷却较快的部分形成压应力.,上型,下型,机械应力是暂时应力,是拉应力。,收缩受机械阻碍的铸件,2）机械应力：合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统的 机械阻碍而形成的内应力。,机械应力与热应力共同作用,可能使某些部位增加了裂纹倾向.,3）减小铸造应力的措施：,采用同时凝固原则-薄处设浇口,厚处放冷铁。优点:省冒口,省工,省料。缺点:心部易出现缩孔或缩松,应用于灰铸铁、锡青铜，因灰铸铁缩孔、缩松倾向小，锡青铜糊状凝固，用顺序凝固也难以
16、有效地消除其显微缩松。改善铸型、型芯退让性铸件结构合理，壁厚均匀，热节小自然时效或人工时效（去应力退火）,2、铸件的变形与防止 1）铸件的变形铸件有通过自由变形来松弛内应力的自发过程.举例:平板铸件 平板中心散热慢,受拉力.平板下部冷却慢.发生如图所示变形,反变形法,变形规律：厚壁内凹，薄壁外凸；壁厚均匀铸件，散热慢的表面内凹，散热快的表面外凸。,2）防止变形的方法：,1）采用同时凝固原则,使铸件均匀冷却；,2）人工时效、自然时效-低温退火,550650，消除残余应力；,4）使铸件壁厚尽可能均匀,并改进铸件结构，采用对称结构、空心截面提高刚度，减少变形。,3）采用反变形法(长件,易变形件)。见
17、上图。,热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折（裂缝沿晶粒边界通过）、缝内呈氧化色。多发生在应力集中或局部凝固缓慢处，如拐角、厚度变化及缩孔缩松处。,热裂的防止：,应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合 金，严格控制S的含量；应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力；改善铸件结构。,3、铸件的裂纹与防止 铸件内应力超过强度极限时,铸件便发生裂纹.1）热裂纹:高温下形成裂纹,原因:(1)凝固末期,合金呈完整骨架+液体,强,塑(还有一种液膜理论）；(2)含S热脆;(3)退让性不好.,冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。易发生在复杂大工件受拉应力部位和应力集中处。,冷裂的防止：,1）使铸件壁厚尽可能均匀；,2）减少铸造应力；,3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的含量，防止冷脆性。,2）冷裂纹:低温下裂纹,原因:材料塑性差;P冷脆,
