液态合金的工艺性能

1.1.2　液态合金的工艺性能

液态合金的工艺性能是指液态合金符合某种生产工艺要求所需要的性能。就液态成形而言，其工艺性能表征为其铸造性能，通常是指合金的流动性、收缩性、吸气性及偏析等性能，它们对获得合格的铸件有很大的影响。因此，合金铸造性能是选择铸造金属材料，确定铸件的铸造工艺方案及进行铸件结构设计的依据。

1.1.2.1　充型能力

液态合金填充铸型的过程，简称充型。

液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成形件的能力，称为充型能力（mold filling capacity）。充型能力不足时，铸件会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。

充型能力首先取决于金属本身的流动性（流动能力），同时又受铸型性质、浇注条件和铸件结构等因素的影响。

1.合金的流动性对充型能力的影响

合金流动性（fluidity）是指液态合金本身的流动能力。合金的流动性用浇注流动性试样的方法来衡量。流动性试样的种类很多，如螺旋形试样、球形试样、平板α形试样、真空试样等等。

图1-1　螺旋形标准试样

1—浇口杯　2—内浇道3—出气口　4—试样凸台

如图1-1所示为测定合金流动性的螺旋形标准试样，螺旋段为等截面的梯形或半圆形，总长度为1.5m，螺旋段上每隔50mm有一个凸台，用于计量长度。将合金液浇注到试样铸型中（一般用砂型铸造），冷凝后测出充满型腔的试样长度。浇出的试样愈长，说明合金的流动性愈好。常用合金的流动性如表1-1所示。

表1-1　部分铸造合金的流动性

2.合金流动性对充型能力的影响因素

（1）合金的种类　不同种类的合金具有不同的流动性。由表1-1可知，灰铸铁流动性最好，而铸钢的流动性最差。

（2）化学成分　在同种合金中，成分不同的合金具有不同的结晶特点，其流动性也不同。例如，纯金属和共晶成分合金的结晶是在恒温下进行，结晶过程从表面开始向中心逐层推进，因而凝固层的内表面比较平滑，对尚未凝固的液态合金流动的阻力小（见图1-2a），有利于合金充填型腔。此外，在相同浇注温度下，共晶成分合金凝固温度最低，相对来说，液态合金的过热度（即浇注温度与合金熔点温度之差）较大，凝固时间较迟，因此共晶成分合金的流动性最好。其他成分合金的结晶是在一定温度范围内进行，即结晶区域为一个液相和固相并存的两相区。在此区域，初生的树枝状枝晶使凝固层内表面参差不齐，阻碍液态合金的流动。而且因固态晶体的导热系数大，液体冷却速度快，故流动性差（见图1-2b）。合金结晶温度范围愈宽，液相线和固相线距离愈大，凝固层内表面愈参差不齐，则流动阻力愈大，流动性也愈差。因此，选择铸造合金时，在满足使用要求的前提下，应尽量选择靠近共晶成分的合金。

图1-2　不同结晶特性合金的凝固状态

a）在恒温下凝固　b）在一定温度范围内凝固

合金成分中凡能形成低熔点化合物、降低合金液的粘度和表面张力的元素，均能提高合金的流动性，如铸铁中的磷。凡能形成高熔点夹杂物的元素，都会降低合金的流动性。例如铸铁中硫和锰化合生成的MnS，熔点为1 620℃，成为固态夹杂物悬浮在铁液中，阻碍了铁液的流动，使其流动性降低。

3.浇注条件对充型能力的影响

（1）浇注温度　浇注温度对液态金属的充型能力有决定性影响。浇注温度愈高，液态金属的粘度愈小，而且过热度高，金属液内含热量多，保持液态时间长，故充型能力愈强。但浇注温度过高，会增加合金的总收缩量，吸气增多，易产生缩孔、缩松、粘砂和气孔等缺陷。因此，在保证流动性的条件下，浇注温度应尽量低些，生产中力争做到“高温出炉，低温浇注”。例如，灰铸铁件的浇注温度一般为1 200～1 380℃，对于壁厚小于10mm的复杂薄壁铸件，其浇注温度一般为1 340～1 430℃。

（2）充型压力　液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压力。充型压力越大，充型能力就越强。但充型压力过大或充型速度过高时，会发生喷射和飞溅现象。

（3）浇注系统　浇注系统的结构越复杂，则流动阻力越大，充型能力越差。

4.铸型充填条件对充型能力的影响

液态合金充型时，铸型的阻力将影响合金的流动速度，而铸型与合金的热交换又将影响合金保持流动的时间。因此，铸型的如下因素对充型能力均有显著影响：

（1）铸型蓄热系数　铸型的蓄热系数表示铸型从金属中吸取热量并储存的能力。蓄热系数越大，铸型的激冷能力就越强，则金属保持液态的时间越短，充型能力越弱。

（2）铸型温度　铸型温度越高，则液态金属与铸型的温差越小，充型能力越强。

（3）铸型的发气和透气能力　铸型在浇注时产生气体，能在金属液与铸型间形成气膜，减小摩擦阻力，有利于充型。但在铸型的发气能力过强而铸型的透气能力又差时，若浇注速度太快，则型腔中的气体压力增大，金属的流动会受到阻碍。

5.铸件结构对充型能力的影响

衡量铸件结构特点的因素是铸件的折算厚度和铸件的复杂程度。

（1）折算厚度　折算厚度也叫当量厚度或模数，是铸件体积与铸件表面积之比。折算厚度越大，热量散失越慢，充型能力就越好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。

（2）复杂程度　铸件结构越复杂，流动阻力就越大，铸型的充填就越困难。

1.1.2.2　液态金属的凝固与收缩

1.铸件的凝固方式

在铸件凝固过程中，其截面上一般存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区。对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。铸件的凝固方式就是依据凝固区的宽窄（如图1-3b中d所示）来划分的。

图1-3　铸件的凝固方式

a）逐层凝固　b）中间凝固　c）糊状凝固

（1）逐层凝固　纯金属和共晶成分的合金在凝固过程中不存在液固并存的凝固区，如图1-3a所示，故截面上外层的固体和内层的液体有一条清楚的分界线（凝固前沿）。随着温度的下降，固体层不断加厚，液体不断减少，直到铸件全部凝固。这种凝固方式称为逐层凝固（skin-forming solidification）。

（2）糊状凝固　如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件的温度分布曲线比较平缓，则在凝固的某段时间内，铸件表面并不存在固体层，而液固并存的凝固区贯穿整个截面，如图1-3c所示。这种凝固方式称为糊状凝固（musky solidification）。

（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，如图1-3b所示，这种凝固方式称为中间凝固（middle solidification）。

铸件质量与其凝固方式密切相关。一般说来，逐层凝固时，合金的充型能力强，有利于防止缩孔和缩松；糊状凝固时，易产生缩松，难以获得致密的铸件。

2.影响凝固的主要因素

影响铸件凝固方式的主要因素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，则越倾向于逐层凝固。如在铁碳合金中，普通灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固。

（2）铸件的温度梯度　在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决于铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其凝固区相应由宽变窄。

3.合金的收缩

在合金从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象，称为收缩。收缩是合金的物理本性。合金的收缩给液态成形工艺带来许多困难，会造成许多铸造缺陷（如缩孔、缩松、裂纹、变形等）。

合金的收缩过程可划分为三个互相联系的阶段，如图1-4所示。

图1-4　合金的收缩阶段

Ⅰ—液态收缩　Ⅱ—凝固收缩　Ⅲ—固态收缩

1）液态收缩（liquid contraction）　从浇注温度到凝固开始温度阶段的收缩。

2）凝固收缩（solidification contraction）　从凝固开始到凝固终止温度阶段的收缩。

3）固态收缩（solid contraction）　从凝固终止温度到室温阶段的收缩。所以，合金的总收缩率为上述三种收缩的总和。

合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的减小，常用单位体积收缩量即体收缩率（ε_V）来表示。它导致铸件产生缩孔或缩松。合金的固态收缩不但表现为合金体积的减小，而且也表现为铸件三个方向线尺寸的减小，常用单位长度的收缩量即线收缩率（ε_L）来表示。收缩量过大会导致铸件产生应力变形和裂纹缺陷。

4.影响收缩的因素

（1）化学成分　不同种类的合金，其收缩率不同。在常用合金中，铸钢的收缩率最大，灰铸铁的收缩率最小。同类合金中，化学成分不同，其收缩率也不同。例如，碳素纲的体收缩率为10%～14.5%，线收缩率为1.6%～2.0%；灰铸铁的体收缩率为5%～8%，线收缩率为0.7%～1.0%。

（2）浇注温度　浇注温度主要影响液态收缩。浇注温度愈高，液态收缩愈大。一般，浇注温度每提高100℃，体收缩增加1.6%左右。

（3）铸件结构与铸型条件　由于铸件在铸型中各部分冷却速度不同，铸件各部分相互制约，对其收缩产生阻力。又因铸型和型芯对铸件收缩产生机械阻力，因而其实际线收缩率比自由线收缩率小。所以在设计模样时，必须根据合金的种类，铸件的形状、尺寸等因素，选取适宜的收缩率。

5.缩孔与缩松

液态合金在冷凝过程中，若其体积收缩得不到补充，将在铸件最后凝固的部位形成孔洞。大而集中的称为缩孔，细小而分散的则称为缩松。缩孔、缩松会导致铸件的力学性能、气密性和物化性能大大降低，严重时会导致铸件报废。

（1）缩孔的形成　缩孔（shrinkage cavity）是集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的孔洞，多呈倒锥形，内表面粗糙。缩孔又分为集中缩孔和分散缩孔两类。其形成条件是：合金在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件以逐层凝固的方式凝固。

如图1-5所示为缩孔形成过程。液态合金充满铸型型腔后，由于铸型的吸热，靠近型腔表面的金属很快凝固成一层外壳，而内部仍然是高于凝固温度的液体。温度继续下降，外壳加厚，但内部液体产生液态收缩和凝固收缩，体积缩减，液面下降，铸件内部出现了空隙。由于空隙得不到补充，待金属全部凝固后，在金属最后凝固的部位形成一个大而集中的孔洞——缩孔。铸件完全凝固后，随着温度的下降，固态收缩时铸件的体积会不断缩小，直到室温为止。合金的液态收缩和凝固收缩愈大，浇注温度愈高，铸件愈厚，缩孔的容积就愈大。

图1-5　缩孔的形成过程

（2）缩松的形成　分散在铸件某区域内的细小缩孔称为缩松（shrinkage porosity），如图1-6所示。缩松又分为宏观缩松和显微缩松。缩松的形成原因也是由于铸件最后凝固区域的液态收缩和凝固收缩得不到补充，当合金以糊状凝固的方式凝固时就易形成分散性的孔洞——缩松。缩松一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内浇道附近，也常分布在集中缩孔的下方。

图1-6　缩松的形成过程

6.缩孔和缩松的防止

缩孔和缩松都降低了铸件的有效承载面积，使铸件的力学性能降低。缩松还会导致铸件因渗漏而报废。因此，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加以预防。防止缩孔和缩松常用的工艺措施是控制铸件的凝固次序，使其实现定向凝固。

所谓定向凝固，是指在铸件可能出现缩孔的热节处，通过增设冒口和安放冷铁等一系列工艺措施，使铸件远离冒口的部位先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口本身最后凝固，如图1-7所示。在铸件的热节处安放冷铁，可局部加快热节处的冷却速度，使铸件按照一定次序逐层凝固。按此原则进行凝固，能使缩孔集中到冒口中，最后将冒口切除，从而可以获得致密的铸件。如图1-8所示的阀体铸件，增设冒口和冷铁后，铸件实现了定向凝固，防止了缩孔。

图1-7　铸件的定向凝固

1—温度分布曲线　2—铸件　3—冒口　4—浇注系统

图1-8　阀体铸件

1—明冒口　2—暗冒口　3—铸件　4—外冷铁　5—热节

正确地估计铸件上缩孔或缩松可能产生的部位是合理安放冒口和冷铁的重要依据。在实际生产中，常以画“凝固等温线法”或“内切圆法”近似地找出缩孔的部位，如图1-9所示。等温线未曾通过的心部和内切圆直径最大处，即为可能出现缩孔的热节。

图1-9　缩孔位置的确定

a）等温线法　b）内切圆法

安放冒口和冷铁，实现定向凝固，虽可有效地防止缩孔和宏观缩松，但却耗费许多金属和工时，增加了铸件成本。同时，定向凝固扩大了铸件各部分的温差，加大了铸件变形和裂纹的倾向。因此，它主要用于必须补缩的铸件，如铝青铜、铝硅合金铸件和铸钢件等。

结晶温度范围宽的合金由于倾向于糊状凝固，结晶开始后，发达的树枝状骨架布满了整个截面，冒口的补缩通道严重受阻，因而难以避免显微缩松的产生。对此，应选用共晶成分或结晶温度范围较窄的合金生产铸件。

1.1.2.3　液态成形内应力、变形与裂纹

铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻碍，铸件内部将产生内应力。按阻碍收缩原因的不同，液态成形内应力分为机械应力和热应力。液态成形内应力是液态成形件产生变形和裂纹的基本原因。

1.热应力

热应力（thermal stress）是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。

固态金属在再结晶温度以上的较高温度时处于塑性状态。此时，在较小的应力下就可产生塑性变形，变形之后应力可自行消除。在再结晶温度以下时，金属呈弹性状态，此时，在应力作用下将产生弹性变形，而变形之后应力继续存在。

现在以框形铸件为例分析说明残留热应力的形成过程。如图1-10a所示，铸件由一根粗杆（杆Ⅰ）和两根细杆（杆Ⅱ）组成。两根细杆冷却速度和收缩完全一致。

图1-10　热应力的形成

a）框形铸件　b）杆Ⅰ受压　c）内应力消失　d）杆Ⅰ受拉，杆Ⅱ受压　e）杆的固态冷却曲线

＋表示拉应力　-表示压应力

假设凝固后杆Ⅰ和杆Ⅱ从同一温度TH开始冷却，最后冷却到同一温度T0，其固态冷却曲线如图1-10e所示。当铸件处于高温阶段（t₀～t₁），杆Ⅰ和杆Ⅱ均处于塑性状态，尽管其冷却速度不同，收缩不一致，但瞬时的应力可通过塑性变形而自行消失。继续冷却后（t₁～t₂），冷却较快的杆Ⅱ已进入弹性状态，而杆Ⅰ仍处于塑性状态。由于杆Ⅱ冷却快，收缩大于杆Ⅰ，所以杆Ⅱ受拉伸，杆Ⅰ受压缩（见图b），形成了瞬时内应力。但这个内应力随之便通过杆Ⅰ的塑性变形（压缩）而消失（见图c）。当进一步冷却到更低温度时（t₂～t₃），杆Ⅰ和杆Ⅱ均处于弹性状态。此时，尽管其长度相同，但所处的温度不同。杆Ⅰ的温度较高，会形成较大的收缩；杆Ⅱ的温度较低，收缩已趋停止。因此杆Ⅰ的收缩必然受到杆Ⅱ的强烈阻碍，于是，杆Ⅰ受拉伸，杆Ⅱ受压缩。冷却至室温，便形成了双向残余内应力（见图d）。

热应力使铸件的厚壁或心部（缓冷部位）拉伸，薄壁或表层（速冷部位）受压缩。

由此可知，热应力是由于尺寸差别较大的两杆的自由收缩受到阻碍而引起的。铸件的壁厚差别愈大，合金的线收缩率愈高，弹性模量愈大，其热应力就愈大。

预防热应力的途径就是根据其产生的原因，通过减小铸件各部位间的温差，使其均匀地冷却。具体措施有：在设计上，要求铸件壁厚均匀；在铸造工艺上，要使铸件按同时凝固原则凝固。如图1-11所示的阶梯铸件，可将浇道开在薄壁处，而在远离浇道的厚壁处放置冷铁，这样因薄壁处被高温金属液加热而冷速减慢，厚壁处被冷铁激冷而冷速加快，铸件各处的温度趋于一致，实现同时凝固。在实际生产中，使铸件同时凝固是减小铸造内应力，防止铸件变形和裂纹的有效措施之一。

图1-11　铸件的同时凝固

1—浇注系统　2—温度分布曲线　3—铸件　4—冷铁

图1-12　机械应力

2.机械应力

机械应力是指合金的线收缩受到铸型、型芯、浇注系统和冒口的机械阻碍作用而形成的内应力，如图1-12所示。铸件在冷却收缩时，其轴向受砂型阻碍，径向受型芯阻碍，铸件产生机械应力。显然，机械应力将使铸件产生拉伸或剪切应力，其大小取决于铸型及型芯的退让性。当铸件落砂后，这种内应力便可自行消除。然而，若机械应力在铸型中与热应力共同起作用，将增大铸件某些部位在铸型中的内应力，增大铸件产生裂纹的倾向。

3.铸件的变形与防止

前面已经指出，具有残余热应力的铸件，厚壁部分受拉伸，薄壁部分受压缩，而且这种残余热应力处于一种非稳定状态，将自发地通过铸件变形来减缓其应力，以回到稳定的平衡状态。铸件变形总是力图减小或消除残余内应力。实际上，铸件变形多以“杆”件和“板”件上的弯曲变形最为明显。如图1-13所示的床身铸件，其导轨较厚，冷却速度较慢，容易形成内部残留拉应力；床腿较薄，容易形成内部残留压应力；最后床身导轨产生内凹的挠曲变形。如图1-14所示的平板铸件，尽管其壁厚均匀，但其中心比边缘冷却慢而受拉，边缘则受压，且铸型上部又比下部散热冷却快，于是平板产生如图所示方向的变形。

图1-13　车床床身铸件的变形

为了防止铸件变形，除减小应力外，在设计上要求铸件的结构对称，使其内应力互相平衡而不易变形。在铸造工艺上应采用同时凝固原则，以便冷却均匀。对于长而易变形的铸件，还可采用“反变形”工艺。反变形法是在统计某类铸件变形规律的基础上，在模型上预先作出相当于铸件变形量的反变形量，以抵消铸件的变形。如长度大于2m的床身铸件的反变形量为每米放大1～3mm的挠度或更多。

图1-14　平板铸件的变形

实践证明，尽管变形后铸件的内应力有所减缓，但并未彻底消除，这样的铸件经机械加工后，由于内应力的重新分布，还将逐渐缓缓地发生微量变形，使零件丧失应有的精度，严重时会使零件报废。为此，对于要求装配精度稳定性高的零件（如机床导轨、变速箱、刀架等）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。自然时效是将铸件置于露天场地半年以上，使其在自然的气压和温度作用下，逐渐缓慢地变形，从而消除内应力。人工时效是将铸件加热到550～650℃进行去应力退火，它比自然时效节省时间和场地，且内应力去除较为彻底，故应用较为普遍。时效处理宜在粗加工之后进行，这样既有利于原有内应力的消除，又可将粗加工过程中产生的应力一并消除。20世纪70年代以来，出现了振动去应力的新技术。它是在零件上设置合理的振动点，并对振动点施加恰当的频率和振幅进行振动，在室温下就可高效释放内应力。

4.铸件的裂纹与防止

当铸件的内应力超过金属的抗拉强度时，铸件将产生裂纹。裂纹是铸件的严重缺陷，常导致铸件报废。根据裂纹产生的原因，裂纹可分为热裂和冷裂两种。

（1）热裂　热裂是铸件在凝固后期接近固相线的高温下形成的。合金的线收缩并不是在完全凝固后开始的，在凝固后期，结晶出来的固态物质已形成了完整的骨架，开始了线收缩，但晶粒间还存有少量液体，故金属的高温强度很低。例如，w（C）＝0.3%的碳钢，室温强度σ_b≥480MPa，而在1 300～1 410℃时的高温强度σ_b≤0.75MPa。在高温下铸件的线收缩若受到铸型、型芯、浇注系统和冒口的阻碍，机械应力超过了其高温强度，即发生热裂。热裂的形状特征是：裂纹短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈氧化色。

防止热裂的措施有：①尽量选择凝固温度范围小、热裂倾向小的合金。②提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。③合理设计浇注系统。④对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，防止热脆性。

（2）冷裂　冷裂是在较低温度下，由于热应力和收缩应力的综合作用，铸件内应力超过合金的抗拉强度而产生的。冷裂多出现在铸件受拉应力的部位，尤其是具有应力集中处（如尖角、缩孔、气孔以及非金属夹杂物等的附近）。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。

铸件的冷裂倾向与热应力的大小密切相关。铸件的壁厚差别愈大，形状愈复杂，愈易产生冷裂纹。薄壁大件尤其如此。不同铸造合金的冷裂倾向不同。灰铸铁、白口铸铁、高锰钢等塑性差的合金较易产生冷裂；塑性好的合金因内应力可通过其塑性变形来自行缓解，故冷裂倾向小。铸钢中含磷量愈高，铸件冷裂倾向愈大。

凡是减小铸件内应力或降低合金脆性的因素均能防止冷裂。

1.1.2.4　液态成形件的质量与控制

由于液态成形工序繁多，影响铸件质量的因素复杂而不易控制，因此铸件缺陷难以完全避免，废品率较其他加工方法多。同时，许多铸造缺陷隐藏在铸件内部，难以发现和修补，有些则是在机械加工时才暴露出来。这不仅浪费了机械加工工时，增加制造成本，有时还延误了整个生产任务的完成。因此，进行铸件质量控制、降低废品率是非常重要的。表1-2所示为常见铸件缺陷及特征。

铸件缺陷的产生与铸造工艺、造型材料、模具、铸造合金的选择、合金的熔炼与浇注、铸件结构设计、技术要求的设计是否合理等各个环节密切相关。因此，应从以下几个方面控制铸件质量：

表1-2　常见铸件缺陷及特征

1.合理选定铸造合金和铸件结构

在设计选材时，在保证铸件使用性能要求的前期下，应尽量选用铸造性能好的合金。同时，还应根据合金种类合理设计铸件结构。

2.合理制定铸件的技术要求

具有缺陷的铸件并不都是废品。在合格铸件中，允许存在一些铸造缺陷，其存在的程度，应在零件图或有关的技术文件中做出具体规定，作为铸件质量要求的依据。

3.铸件质量检验

铸件质量检验是控制铸件质量的重要措施。铸件检验的目的是依据铸件缺陷存在的程度，确定和分辨合格铸件、待修补铸件及废品。同时，通过缺陷分析寻找缺陷存在的原因。

铸件检验的项目有：铸件外观质量，包括铸件表面缺陷、表面粗糙度、重量公差和尺寸公差等；铸件内在质量，包括铸件内部缺陷、化学成分、金相组织和材质性能等；铸件使用性能，包括铸件在强力、高速、耐蚀、耐热、耐低温等不同条件下的工作能力。

铸件质量检验最常用的是宏观法。它是通过肉眼观察（或借助尖嘴锤）找出铸件的表面缺陷和皮下缺陷，如气孔、砂眼、夹渣、粘砂、缩孔、浇不足、冷隔和尺寸误差等。对于内部缺陷则要用仪器检验，如着色渗透检验、超声波探伤、射线探伤、磁粉探伤、荧光探伤、耐压试验等。此外，若有必要还应对铸件进行解剖检验、金相检验、力学性能检验和化学成分分析等。