7.1 金属液态凝固成形技术理论基础
7.1.1 金属液态凝固成形原理及工艺流程
1.金属液态凝固成形原理
1)液体的形态特征
在物理特征上,液体自身有良好的流动性但没有几何形状和尺寸,它的几何参数取决于装盛液体容器的几何参数,比如用各种杯子盛水,杯子内腔的形状和大小也就是水的“形状和大小”。
2)金属液态凝固成形原理
液态凝固成形原理就是将液体注入预先制作好的“容器”内腔中,通过冷凝定形后取出,即得到所需的制品。例如日常生活中制作冰棒或冰块,就是典型的液态凝固成形例子,其对应技术即制冰技术。可见,实现液态凝固成形的基本条件为:①要有合格的液体;②准备好装盛液体的容器;③容器中液体冷凝定形。
金属材料在机械制造业中占有主导地位,工业上实现金属材料的“液态凝固成形”的方法或技术称为铸造——将金属(合金)液注入预先制作好的铸型型腔中,待其冷凝定形后开型清理,得到所需制品即铸件,具体的方式或过程称为铸造工艺。
由于大多数金属材料的熔点较高,故对装盛金属液的容器即铸型的耐热性、退让性、溃散性、回用性等要求较高。
2.铸造工艺流程
生产中铸造工艺有许多如砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、低压铸造、压力铸造、消失模铸造等,各种铸造工艺过程的基本作业模块(工艺流程)如图7-7所示。
图7-7 铸造工艺流程作业基本模块
因零件的功用、材质、批量、尤其是结构和技术要求等各不相同,加之铸造生产的成形原理属液态凝固成形,工业生产中需要控制的与铸件成形相关的因素较多,故铸造生产得到的产品——铸件绝大多数是毛坯,铸件还需经切削加工或其他处理才能成为用于装配或作为备件的零件。
由于金属(合金)呈液态时自身具有流动性,故金属液态凝固成形技术即铸造有其突出的优点,简介如下。
(1)适应性很广,工艺灵活性大 具体来说就是铸件的形状几乎不受限制,且最适合形状复杂的箱体、缸体、泵体、机架、床身、工作台等;铸件的大小几乎不受限制,重可达数百吨、轻至几克;铸件的材质几乎不受限制,尤其适宜脆性材料和低熔点材料;铸件的生产批量不受限制等。
(2)成本较低,原辅材料广泛 铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近,降低了复杂零件的成形和加工成本。
因此,铸造(生产)在国民经济中占有重要地位,从铸件在机械产品中所占比重可知其重要性:在机床、内燃机、重型机械中,铸件占70%~90%;在风机、压缩机中占60%~80%;在农业机械中占40%~70%;在汽车中占20%~30%。
铸造的主要问题为:铸造工艺过程较繁杂,在由高温液态冷凝至室温固态的过程中铸件常出现缩孔、缩松、气孔、夹渣、变形等铸造缺陷,导致铸件的品质不易控制;生产周期较长,对环境有污染,操作者的劳动环境较差等。
7.1.2 合金的铸造性能
合金的铸造性能(简称为可铸性,或称液态成形性)是指合金材料对一定铸造工艺的适应程度即获得形状完整、轮廓清晰、品质合格的铸件的能力。如果合金的可铸性差,必然带来铸造生产成本提高或无法得到合格铸件的后果。衡量合金可铸性有以下五项指标。
1.液态合金的流动性
1)流动性
合金的流动性是指液态合金充满铸型型腔,形成轮廓清晰、形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力。合金的流动性用螺旋形流动性试样测量,如图7-8所示。
图7-8 螺旋形试样
1—直浇道;2—浇口杯;3—螺旋
铸件的有些缺陷是在此阶段形成的,若合金的流动性差则铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂物等铸造缺陷。
流动性好的合金:易于充满整个型腔,有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进行补缩。
在常用铸造合金中,灰铸铁、硅黄铜的流动性最好,铸钢的流动性最差。常用合金的流动性数值见表7-1。
表7-1 常用合金的流动性(砂型,试样截面8mm×8mm)
2)影响合金流动性的因素
(1)化学成分 这是合金自身的性质,不同种类及不同含量的金属材料其流动性各有差异(见表7-1),但化学成分的变化对流动性的影响有其规律性:纯金属和共晶成分的合金,由于是在恒温下进行结晶,液态合金从表层逐渐向中心凝固,固液界面比较光滑,对液态合金的流动阻力较小,同时,共晶成分合金的凝固温度最低,可获得较大的过热度,推迟了合金的凝固,故流动性最好;其他成分的合金是在一定温度范围内结晶的,由于初生树枝状晶体与液体金属两相共存,粗糙的固液界面使合金的流动阻力加大,合金的流动性大大下降,合金的结晶温度区间越宽,流动性越差。
铁-碳合金的流动性与碳含量之间的关系如图7-9所示。由图可见,亚共晶铸铁随碳含量增加,结晶温度区间减小,流动性逐渐提高,愈接近共晶成分,合金的流动性愈好。
(2)铸型及浇注条件 这是外界因素,如铸型的发气量大、排气能力较低,铸型的结构越复杂、热容量大、导热性越好,浇注系统的结构越复杂等,则对液态合金的流动阻碍和温度下降就越大,使合金的流动性下降;提高合金液的浇注温度(如铸钢1 520~1 620℃,铸铁1 230~1 450℃,铝合金680~780℃)和浇注速度,增大静压头的高度等会增加合金的流动性。
图7-9 Fe-C合金的流动性与状态图的关系
2.合金的收缩性
1)收缩的概念
液态合金在凝固和冷却过程中,体积和尺寸减小的现象称为合金的收缩。收缩可能使铸件产生缩孔、缩松、内应力、变形和裂纹等铸造缺陷。
合金在液态凝固成形过程中的收缩要经历如下三个阶段,现用共晶图(见图7-10)说明。
图7-10 合金收缩的三个阶段
m—有一定结晶温度范围的合金;n—在恒温下凝固的合金
(1)液态收缩(Ⅰ阶段) 从浇注温度(T浇)到凝固开始温度(即液相线温度Tl)间的收缩。
(2)凝固收缩(Ⅱ阶段) 从凝固开始温度(Tl)到凝固终止温度(即固相线温度Ts或T固)间的收缩。
(3)固态收缩(Ⅲ阶段) 从凝固终止温度(Ts)到室温间的收缩。
由于合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩减,故常用单位体积收缩量来表示,即体收缩率;合金的固态收缩不仅引起体积上的缩减,同时还使铸件在尺寸上减小,因此,常用单位长度上的收缩量来表示,即线收缩率。
合金的收缩率为体收缩率及线收缩率的总和。
常用铸造合金中,铸钢的收缩率最大,灰铸铁最小。几种铁-碳合金的体积收缩率见表7-2;常用铸造合金的线收缩率见表7-3。
化学成分、凝固特征不同,合金的收缩率也有差别。例如,碳素铸钢随碳含量的增加,其结晶温度范围变宽,凝固收缩率增大;灰铸铁在凝固时有石墨化膨胀,故随碳含量(C%+1/3Si%)增加,凝固收缩减小等。
表7-2 几种铁-碳合金的体积收缩率
表7-3 常用铸造合金的线收缩率
铸造碳钢的凝固收缩率见表7-4。
表7-4 铸造碳钢的凝固收缩率
2)体收缩对铸件的影响
若铸件的体收缩(液态收缩和凝固收缩)所缩减的体积得不到足够的补偿,则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分布,将其分为缩孔和缩松两类铸造缺陷:缩孔——集中在铸件上部或最后凝固部位、容积较大的孔洞,缩孔多呈倒圆锥形,内表面粗糙;缩松——分散在铸件某些区域内的细小孔洞。
(1)缩孔和缩松的形成过程 缩孔的形成主要出现在合金在恒温或很窄温度范围内结晶,铸件壁呈逐层凝固方式的条件下,其形成过程如图7-11所示。
图7-11(a)所示为金属液充满型腔,降温时发生液态收缩,此时浇注系统中的金属液可补偿液态收缩;图7-11(b)所示为当铸件表面散热条件相同时,表面层先凝固结壳,此时内浇口被“冻结”;图7-11(c)所示为继续冷却时,内部液体发生液态和凝固收缩,使液面下降。同时,外壳进行固态收缩,使铸件外形尺寸缩小。如果两者的减少量相等,则凝固外壳仍和内部液体紧密接触,若金属液的收缩超过外壳的固态收缩,则金属液将与硬壳顶面脱离;图7-11(d)所示为硬壳不断加厚,液面不断下降,当铸件全部凝固后,在上部形成一个倒锥形缩孔;图7-11(e)所示为继续降温至室温,整个铸件发生固态收缩,缩孔的绝对体积略有减小,但相对体积不变;图7-11(f)所示为如果在铸件顶部设置冒口,缩孔将移至冒口中;铸件清理后将冒口部分去掉,就得到没有缩孔的铸件。
图7-11 缩孔形成过程示意图
1—凝固层;2—空穴;3—缩孔;4—冒口
合金的液态收缩和凝固收缩越大,浇注温度越高,铸件的壁越厚,缩孔的容积就越大。
缩松的形成主要出现在呈糊状凝固方式的合金中或截面较大的铸件壁中,是被树枝状晶体分隔开的液体区难以得到补缩所致。缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇道附近或缩孔下方等,如图7-12所示。
(2)缩孔和缩松的防止 铸件的体收缩是客观存在的,只有掌握了铸件体收缩的特征和规律,才能合理地防止铸件在凝固过程中产生缩孔和缩松。
①针对合金的体收缩特点,在进行铸造工艺设计时,合理确定内浇道位置、应用冒口、冷铁等技术措施控制铸件的凝固方向,使之实现顺序凝固。
顺序凝固即铸件的冷凝是从远离冒口的部分先开始,冒口最后凝固(见图7-13)。在铸件可能出现缩孔缩松的厚大部位,通过安放冒口、冷铁等工艺措施,使铸件上远离冒口的部位最先凝固(见图7-13Ⅰ),随后是朝着靠近冒口的部位凝固(见图7-13Ⅱ、Ⅲ),冒口本身最后凝固。按照这样的凝固顺序,在先凝固部位收缩时,其缩减的体积由后凝固部位的金属液来补充;后凝固部位的收缩,由冒口中的金属液来补充,从而将缩孔缩松转移到冒口之中。顺序凝固虽可防止铸件产生缩孔缩松尤其是缩孔,但使铸件各部分的温差加大对减小热应力不利。
冒口不是铸件的组成部分,它是铸造中实现顺序凝固防止铸件产生凝固缩孔缩松的一项工艺措施,铸件在开箱清理时或清理后要将冒口去除。
图7-12 缩松示意图
图7-13 顺序凝固示意图
1—纵向温度分布曲线;2—冒口;3—内浇道
图7-14 冒口和冷铁
1—顶冒口;2—侧冒口;3—冷铁
冷铁也不是铸件的组成部分,它是为了实现顺序凝固,在砂型铸造工艺中安放冒口的同时,在铸件上某些较厚大部位增设的金属块(因金属材料的导热好、蓄热大,可提高铸件安置冷铁部位的冷却速度,以加快该处的凝固),如图7-14所示。冷铁的使用可减少冒口的数量或体积,节约材料消耗等,且铸件在开箱清理后,冷铁不会损坏,还可反复使用。
冒口、冷铁等的综合运用是防止(或消除)铸件在凝固过程中产生缩孔、缩松较有效的措施。
②合理的浇注条件,采用加压补缩、离心浇注等技术防止(或消除)铸件在凝固过程中产生缩孔和缩松。
总之,了解金属的凝固过程并掌握其有关规律,对于控制铸件品质、提高金属零件的性能,特别是其使用性能等,是铸造技术发展十分重要的内容。
3)线收缩对铸件的影响
若铸件的线收缩在铸件固态冷却中受到阻碍,则会在铸件内产生铸造内应力。铸造内应力有热内应力和机械内应力两类,它们是铸件产生变形和裂纹的基本原因。
(1)热内应力(简称热应力)的形成 由于铸件各部分冷却速度不同,以致在同一时期铸件各部分冷却收缩不一致,即冷却快的先收缩,冷却慢的后收缩,造成铸件各部分相互制约从而引起热应力。
现用图7-15所示的应力框(铸件)来说明热应力的形成过程。由应力框的结构知:1部分壁较厚,2部分壁较薄,故在应力框铸件因固态冷却而进行线收缩时,厚壁的1部分蓄热相对多,故其冷却慢,这样线收缩滞后;薄壁的2部分蓄热相对少,冷却快则其先收缩,造成在一个铸件上各个部分冷却收缩不一致而各部分相互制约,导致铸件在弹性阶段厚壁冷却收缩完毕后其内形成拉应力,而薄壁受压应力。
图7-15 应力框(铸件)热应力的形成过程
1—粗杆;2—细杆;3—横梁;t—合金线收缩温度
热应力形成规律:铸件的厚壁或心部部分即冷却慢的部分,冷却完毕后其内受拉应力;薄壁或表层部分即冷却快的部分其内受压应力。
在铸件生产中,由于铸件各部分(如厚壁处与薄壁处,表层与心部,与内浇道、冒口连接处和非连接处等)的蓄热和散热几乎是不可能达到一致,因此铸件的线收缩也不可能一致,这样导致铸件各部分在固态冷却的线收缩过程中相互制约,使其内不可避免地产生热应力。
(2)机械应力的形成 机械应力是合金在线收缩时受到铸型或型芯、浇冒口系统等的机械阻碍而形成的内应力,如图7-16所示。这就是为什么型砂尤其是芯砂要有足够的退让性的原因。
机械应力使铸件产生拉伸或剪切内应力是暂时存在的,当机械阻碍去除后这种内应力便可自行消除,如铸件在落砂清理之后机械应力也就消除了。
可见,铸件在生产过程中难免会出现内应力,当铸造内应力超过铸件当时的材料屈服强度(σ内>σs)时,铸件产生变形,尤其是厚薄不均匀、截面不对称及细长的杆类、板类及轮类等刚度较差的铸件易产生翘曲变形,如图7-17所示的框架型铸件和图7-18所示的T形梁铸钢件,若变形过大,铸件则可能报废;当铸造内应力超过铸件当时的材料强度极限(σ内>σb)时,铸件则可能产生裂纹,造成铸件报废。
内部存在铸造内应力的铸件是一个不稳定的系统,它会自行地向减小或松弛内应力状态发展,如刚度较差的铸件通过“热凹冷凸”,即产生冷得慢的部分下凹,冷得快的部分突出的变形,来减小或松弛内应力,但不会消除,故铸件内总是存在着残余的铸造内应力。
(3)减小内应力防止变形的措施 合金的线收缩来自于其本身,又受制于其他因素,因此减小内应力和防止变形的工艺措施也因铸件而异。
图7-16 受砂型和砂芯机械阻碍的铸件
图7-17 框架铸件变形示意图
图7-18 T形梁铸钢件变形示意图
①对体收缩较小的合金,在铸造工艺上采取“同时凝固原则”,即尽量减小铸件各部位间的温度差,使铸件各部位同时冷却凝固。
②合理地设计铸件结构,尽可能地减小壁厚差异,增加铸件刚度。
③反变形法是指在铸造较大的平板类、床身类等铸件时,由于冷却速度的不均匀性,铸件冷却缓慢的部分受拉应力而产生内凹变形,冷却较快的部分受压应力而发生外凸,使整个铸件产生翘曲,为解决此问题,在制造模样时,按铸件可能产生变形的相反方向做出反变形模样,使铸件冷却后变形的结果正好将反变形抵消,这种在模样上做出的预变形量的工艺方法称为反变形法。如图7-19所示的车床床身。反变形法可有效地防止变形的产生,但判明铸件的变形方向和确定反变形量是应用反变形法的关键。
图7-19 床身导轨面的翘曲变形
1—导轨面正确位置;2—模样反挠度
(4)防止裂纹的措施 如上所述,当铸造内应力超过金属材料的抗拉强度时,铸件便产生裂纹,根据铸件所处温度的不同,裂纹可分为热裂和冷裂两种。
①热裂 高温下的金属强度很低,如果金属的线收缩受到铸型或型芯的阻碍,机械应力超过该温度下金属的强度,便产生热裂。
特征:热裂纹尺寸较短、缝隙较宽、形状曲折、缝内呈严重的氧化色。
影响热裂因素主要是合金性质(合金的结晶特点和化学成分)和铸型阻力(铸型、型芯的退让性)。
防止热裂的方法:合理的铸件结构;良好的型砂和芯砂的退让性;严格限制钢和铸铁中硫的含量(特别是后者,因为硫能增加钢和铸铁的热脆性,使合金的高温强度降低)等。
②冷裂 低温形成的裂纹称为冷裂。
冷裂纹特征:表面光滑,具有金属光泽或呈微氧化色,贯穿整个晶粒,常呈圆滑曲线或直线状。脆性大、塑性差的合金,如白口铸铁、高碳钢及某些合金钢最易产生冷裂纹,大型复杂铸铁件也易产生冷裂纹。冷裂往往出现在铸件受拉应力的部位,特别是应力集中的部位。
防止冷裂的方法:减小铸造内应力和降低合金的脆性。如铸件壁厚要均匀;增加型砂和芯砂的退让性;降低钢和铸铁中的磷含量(因为磷能显著降低合金的冲击韧度,使钢产生冷脆。如铸钢的磷含量大于0.1%、铸铁的磷含量大于0.5%时,因冲击韧度急剧下降,冷裂倾向明显增加)。
(5)铸件残余内应力的消除 将铸件加热到550~650℃之间,保温数小时,进行去应力退火可消除铸件内的(残余)内应力。另外,也可用自然时效消除铸件内的(残余)内应力。
3.合金的氧化吸气性
合金呈液态与空气中的氧发生氧化,氧化不仅耗损金属且若形成的氧化物不及时清除,则在铸件中就可能出现夹渣缺陷。夹渣的形状通常不规则,孔眼内充满熔渣。夹渣对铸件外表、抗冲击性和抗疲劳性、致密性、耐蚀性等均有不良影响。
合金呈液态时,溶解(吸收)气体的能力称为吸气性。如果合金液态时吸气多,则所吸气体在铸件凝固结壳之前若来不及逸出,就可能在铸件中出现气孔、白点等缺陷。气孔的内壁光滑,明亮或带有轻微的氧化色。铸件中产生气孔后,将会减小其有效承载面积,且在气孔周围会引起应力集中而降低铸件的抗冲击性和抗疲劳性;气孔还会降低铸件的致密性,致使某些要求承受水压试验的铸件报废;另外,气孔对铸件的耐蚀性和耐热性也有不良的影响。
影响氧化吸气的主要因素是合金的化学成分和合金液温度。化学性质活跃则易氧化也易吸气;合金液的温度高,溶解(吸收)气体的能力也就大,也易氧化。
4.合金的偏析性
铸件凝固后各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。铸件中偏析分为枝晶(又称微观)偏析和区域(又称宏观)偏析。
(1)枝晶(微观)偏析 是指铸件中各晶粒内部的化学成分不均匀。合金在冷却凝固过程中,熔点较高的组元先凝固,较多地集中在初晶轴线上,熔点较低的组元后凝固,填充于晶轴线空隙间,而在凝固完毕后又来不及扩散均匀,就出现了枝晶偏析。
在实际铸造生产中由于合金在凝固过程中冷却速度一般都较快,且在固态下原子扩散又很困难,致使晶粒内部的原子扩散来不及充分进行,造成铸件产生枝晶偏析。枝晶偏析对铸件的品质影响较小,加之消除枝晶偏析的扩散退火耗能费时,故大多数铸件不进行扩散退火;对于枝晶偏析严重的铸件,因枝晶偏析会降低铸件的塑韧性和耐蚀性,故需将铸件加热至低于固相线100~200℃的高温并较长时间保温,即进行扩散退火,使偏析原子充分扩散,以达到晶粒内化学成分均匀化。
(2)区域(宏观)偏析 是指铸件各部分的化学成分不均匀现象。例如,铅锡合金、铅青铜等由于铅与其他组元之间比重相差较大,先凝固出的晶体与剩余液相间的密度相差较大,引起铅相的聚集和粗化,造成铸件上、下部分产生严重的比重偏析。
严重的区域(宏观)偏析会恶化铸件的性能,加之其范围大,不能用扩散退火的方法消除。主要靠在合金呈液态时及凝固过程中加强搅拌和采取快速冷却进行预防或减轻。
5.常用铸造合金的可铸性
由于铸造是液态凝固成形,从原理上讲只要能将金属材料熔化为液体,都可进行铸件生产。但在实际工业生产中,因金属材料的性质、生产条件和技术、零件的几何参数和品质要求、生产纲领、经济性等因素,目前大都限于用铸造性能相对较好的金属材料进行铸件生产。常用铸造合金的可铸性比较如表7-5所示。
表7-5 常用铸造合金的可铸性比较
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