铸造特点及应用

第1章　铸造成型工艺基础

1.1　铸造基础知识

1.1.1　概述

铸造是指将熔化的金属液浇注到与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却、凝固后，形成具有一定形状与性能的铸件的生产方法。

铸造按生产方式不同，可分为砂型铸造和特种铸造。特种铸造又可分为熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造等。

1.1.2　铸造特点及应用

与其他成形工艺相比，铸造是金属液态成形，因此可生产形状十分复杂，尤其是具有复杂内腔的各种尺寸规格的毛坯或零件。铸件的大小、重量及生产批量不受限制，比较灵活。生产成本低，节省资源，材料的利用率高，故应用十分广泛。在机床、汽车、拖拉机、动力机械等制造业中，25%～80%的毛坯采用铸造。

但是，铸件的力学性能不如相同化学成分的锻件好，同时由于铸造生产工序多、投料多，控制不好时，铸件质量不够稳定，废品率也相对较高，劳动条件也较差。

1.2　金属的铸造特性

合金的铸造性能是合金在铸造生产中所表现的综合性能，良好的合金铸造性能是保证铸件质量的主要因素，也是衡量各种铸造合金优劣的重要标志。它主要包括充型能力、收缩性、吸气性等。

1.2.1　液态金属的充型能力与流动性

（1）基本概念

液态金属的充型能力是指其充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。它主要受金属本身的流动能力、铸型性质、铸件结构及浇注条件的影响。

由于影响液态金属充型能力的因素较多，很难对各种金属在不同的铸造条件下的充型能力进行比较。一般采用在相同条件下所测得的金属流动性来表示金属的充型能力。通常，液态金属的充型能力与流动性是成正比存在的。

金属的流动性，是金属的铸造性能之一，它体现了金属本身的流动能力，与金属的成分、温度和物理性质有关。

衡量金属或合金的流动性，常用如图2.1.1所示的“螺旋形试样”浇注后得到的长度值来衡量。在相同的铸型及浇注条件下，铸出的螺旋形试样越长，该金属或合金的流动性便越好。流动性好的金属或合金，充填铸型的能力就强，易于获得轮廓清晰的复杂薄壁铸件；易于补缩，防止产生缩孔或缩松；易于使液体中的气体与夹杂物上浮和排除，可防止气孔和渣眼等缺陷形成。

图2.1.1　螺旋形试样
1—试样　2—浇口杯　3—冒口　4—试样凸点

常用合金的流动性见表2.1.1。从表中可见，铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金次之，铸钢最差。

表2.1.1　常用铸造合金流动性

（2）影响液态金属流动性的因素

凡能影响合金流动速度及合金保持流动时间长短的因素，均会影响合金的流动性。其中主要是合金的化学成分、浇注温度、铸型性质和铸件结构等。

1）合金成分

不同种类的合金流动性不同。即使同种合金，成分比例不同，其流动性也有差异。合金成分中，凡能够形成高熔点夹杂物的元素，均会降低合金的流动性；凡能形成低熔点化合物，降低液态合金黏度的元素，均能提高合金的流动性，如硅和磷可提高铁液的流动性，而硫则使铁液的流动性降低。

2）浇注温度

合金的浇注温度越高，流动性越好。适当提高浇注温度还有利于防止铸造缺陷的产生。但是过高的浇注温度会使液态金属吸气增多，氧化严重，增加产生缩孔、缩松、粘砂和裂纹等铸造缺陷的几率。因此，在保证流动性足够的前提下，尽可能采用“高温出炉，低温浇注”的原则。一般铸钢的浇注温度为1 520～1 620℃，铝合金为680～780℃。

3）铸型性质

铸型中若能降低金属冷却速度和减小液态合金流动阻力，就可以增加其流动性。例如，液态合金在砂型中的流动性大于金属型；而干砂型中又大于湿砂型。型砂的水分越低、透气性越好，合金的流动性也越好。在铸型中设置出气口，增加内浇道的截面积，提高直浇道的高度等，均能提高合金的流动性。

4）铸件结构

铸件结构越复杂，散热面积越大，合金的流动性就会越低。因此，在进行铸件设计时，在满足使用要求的前提下，铸件的形状应力求简单。

1.2.2　合金的收缩性

（1）收缩的基本概念

铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩。金属从浇注温度冷却到室温要经历3个互相联系的收缩阶段，即液态收缩、凝固收缩、固态收缩。

①液态收缩　从浇注温度冷却到凝固开始温度（液相线温度）的收缩；

②凝固收缩　从凝固开始温度冷却到凝固终止温度（固相线温度）的收缩；

③固态收缩　从凝固终止温度冷却到室温的收缩。

合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金的体积缩小，通常用体积收缩率表示；合金的固态收缩，虽然也是体积变化，但它只引起铸件外部尺寸的变化，因此，通常用线收缩率来表示。

不同的合金其收缩率不同。通常用合金中，铸钢收缩率较大，灰口铸铁较小。几种铁碳合金的体积收缩率见表2.1.2。

表2.1.2　几种铁碳合金的体积收缩率

（2）影响铸件收缩的因素

①化学成分　碳素钢随含碳量增加，凝固收缩增加，而固态收缩略减。灰口铸铁中，碳是形成石墨的元素，硅是促进石墨化的元素，所以碳硅含量越多，收缩越小。硫能阻碍石墨的析出，使铸铁的收缩率增大。

②浇注温度　浇注温度越高，过热度越大，液态收缩越大。

③铸件结构与铸型条件　合金在铸型中并不是自由收缩，而是受阻收缩。其阻力来源于如下两个方面：a.铸件的各个部分冷速不同，因互相制约而对收缩产生的阻力；b.铸型和型芯对收缩的机械阻力。显然，铸件的实际线收缩率比合金的自由线收缩率小。因此，在设计模型时，必须根据合金的种类，铸件的具体形状、尺寸等因素，选取合适的收缩率。

1.3　铸造常见缺陷及其防止

1.3.1　缩孔与缩松

液态金属在铸型内凝固过程中，由于液态收缩和凝固收缩，体积缩减，若其收缩得不到补充，在铸件最后凝固的部分将形成孔洞，容积大而集中的孔洞称为缩孔；细小而分散的孔洞称为缩松。

（1）缩孔的形成

缩孔的形成过程如图2.1.2所示。液态金属充满了型腔后（图2.1.2（a）），通过型壁向外散热，从而使铸件截面上形成了自中心向外逐渐递减的温度梯度。随着热量的不断传出，液态合金将产生体积收缩，但它将从浇注系统得到补充，故在此期间，型腔总是充满着液态合金。

当铸件外缘的温度降到固相线以下时，铸件表面即凝固成一层硬壳。如果这时内浇口已凝固，所形成的硬壳就像一个封闭的容器（图2.1.2（b））。

图2.1.2　圆柱体铸件中缩孔形成示意图

当进一步冷却时，壳内的金属液一方面因温度继续降低而发生液态收缩；另一方面由于硬壳增厚而产生凝固收缩，这两者的收缩因得不到补足而使液面降低。与此同时，固态硬壳同样因温度降低发生固态收缩而使铸件外表尺寸缩小。假如壳内体积缩减等于铸件壳外体积缩减，则已凝固的外壳仍将与内部液态合金紧密接触，而不产生缩孔。但是，由于壳内合金的液态收缩和凝固收缩大大超过外壳的固态收缩，因此在重力作用下，液面将与外壳的顶面脱离（图2.1.2（c））。随着凝固继续进行，硬壳不断加厚，液面将不断下降，待液态合金全部凝固后，在铸件内部就形成一个倒锥形的缩孔（图2.1.2（d））。如果硬壳内的液态合金含气量很小，那么当液面和硬壳顶面脱离时，缩孔内就会形成真空，上表面的薄壳在大气压作用下就可能向缩孔方向陷进去。因此缩孔包括外面的缩凹和内部的缩孔两部分。

（2）缩松的形成

缩松与缩孔的成因基本相同，即铸型内合金的液态和凝固收缩大于固态收缩，同时在铸件最后凝固的区域得不到液态合金的补充，或者由于合金的凝固范围较宽，最后倾向于糊状凝固，使分散的小缩孔难于得到补充所造成。

缩松按其分布形态可分为宏观缩松和显微缩松两类。宏观缩松一般出现在铸件最后凝固的部位，或在铸件缩孔的下方，如图2.1.3所示，断面切开后，通常用肉眼即可看出密集的孔洞，表面很粗糙。显微缩松是用显微镜才能观察出来的晶粒间的微小孔洞。显微缩松在铸件中或多或少都存在着，因此对一般铸件来说，往往不把它作为一种缺陷来看待，而仅着重于消除宏观缩松。只有当铸件要求具有高气密性和高机械性能时，才考虑减轻铸件的显微缩松。

（3）缩孔与缩松的防止方法

图2.1.3　缩孔下方的缩松

防止铸件产生缩孔和缩松，需要根据合金特性和铸件结构，制订合理的铸造工艺，建立良好的补缩条件，尽可能使缩松转化为集中缩孔，并使它移向铸件最后凝固的地方。一般坚持顺序凝固和同时凝固原则，其中顺序凝固原则采用较多。

1）顺序凝固原则

所谓“顺序凝固”，就是从工艺上采取措施，使铸件凝固时从远离冒口或浇口的部分到冒口或浇口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，如图2.1.4所示。远离冒口的薄的部分先凝固，然后按顺序向着冒口或浇口的方向凝固，冒口最后凝固，从而实现铸件粗厚部分补缩细薄部分，而冒口又最后补缩粗厚部分，将缩孔移入冒口中，最终获得致密的铸件。

图2.1.4　铸件顺序凝固示意图

图2.1.5　铸件的同时凝固

2）同时凝固的原则

所谓“同时凝固”，就是从工艺上采取措施，使铸件各部分之间的温差尽量减小，以达到各部分几乎同时凝固，如图2.1.5所示。铸件如按同时凝固原则凝固，则各部分温差较小，不易产生热裂，冷却后残留应力和变形也较小，而且不必设置冒口，可以简化工艺，节省金属。但是这种凝固原则往往使铸件中心出现分散的缩松，影响铸件的致密性。因此，同时凝固原则主要适用于靠石墨化膨胀实现自身补缩的，碳硅含量较高的灰铸铁和球墨铸铁。

1.3.2　铸造内应力、变形和裂纹

铸造内应力是铸件产生变形、冷裂和热裂等缺陷的主要原因。它是铸件在线收缩阶段受到阻力时，产生的内部应力。这种内应力有时是冷却过程中暂存的，有时一直残留到室温，后者称为残余内应力。

（1）铸造内应力

铸造内应力按产生原因不同可分为两种：机械应力和热应力。

1）机械应力

机械应力又称收缩应力，它是当铸件外形有突出部分或内腔有型芯或两者兼有时，液态金属在收缩过程中，受到铸型和型芯的阻碍而产生的应力，如图2.1.6所示。当应力超过此时金属的高温强度极限时，将产生裂纹，如图中A所示。铸件的圆筒部分收缩时，受到型芯的阻碍，也将产生拉应力。

图2.1.6　铸件产生机械应力示意图

2）热应力

铸件在冷却过程中，由于各部分冷却速度不一致，在同一期间各部分收缩量也就不同，但铸件各部分是联成的一个整体，彼此间相互制约，其结果便产生了应力，这种应力称为热应力。

图2.1.7所示为框形铸件热应力形成过程。

①框形铸件刚凝固完毕，处于高温状态。尽管粗杆和细杆冷速不同，收缩不一致，但均处于塑性状态，不产生内应力。

图2.1.7　热应力形成过程图解

②当开始固态收缩时，细杆部分冷却快，收缩快，它的收缩受到粗杆部分的阻碍，因此细杆受拉应力，粗杆受压应力。

③粗杆部分温度较高，屈服强度较低，在压力作用下，发生微量塑性变形而被压短。

④粗杆部分继续降温收缩，而细杆部分的收缩逐渐终止，于是粗杆的收缩受到了阻碍。到室温时，粗杆受拉应力，细杆受压应力，框形铸件就发生了变形。

⑤当应力大于杆的抗拉强度时，杆的应力集中之处就会被拉裂或拉断。

通过以上分析可知，铸造内应力的产生，主要是由于铸件各部分冷却速度不一致以及铸型和型芯等阻碍收缩的结果。

（2）变形和冷裂

铸件总是力图从应力状态下恢复到平衡状态。如果弹性拉伸部分发生压缩变形，受弹性压缩部分发生拉伸变形，则应力就局部全部消失；而铸件产生挠曲变形时，后冷却部分凹入，先冷却部分凸出，如图2.1.8所示。

图2.1.8　铸件的挠曲变形

图2.1.9　平板铸件的变形

截面均匀的铸件在冷却速度不均匀时，也会发生挠曲变形，如图2.1.9所示，平板铸件中心部分比边缘冷却得慢些，产生拉伸应力，而边缘部分产生压缩应力，发生挠曲变形。

冷裂是铸件处于弹性状态时，铸造内应力超过合金的强度极限而产生的。冷裂往往出现在铸件受拉伸的部位，特别是在有应力集中的地方，如内尖角处和缩孔、非金属夹杂物等的附近。图2.1.10为皮带轮和飞轮的冷裂。

图2.1.10　轮形铸件的冷裂