常用合金的铸造性能

任务2　常用合金的铸造性能

一、合金的铸造性能

合金在熔炼、充填铸型和冷却凝固过程中所表现出来的一系列工艺性能，称为合金的铸造性能。合金的铸造性能主要包括流动性、收缩性、吸气性和偏析等。合金的铸造性能是保证铸件质量的重要因素，也是衡量各种铸造合金优劣的重要标志。

1．流动性

流动性为熔融金属的流动能力。流动性好的合金熔液，有利于充满型腔，获得轮廓完整清晰的铸件，同时还能使合金液中的夹杂物和气泡上浮，有利于填补缩孔，获得健全的铸件。

流动性的好坏，通常用螺旋试样测定，如图10－5所示。常用铸件合金的流动性如表10－3所示。

图10－5　螺旋线流动性试样

由表10－3的数值可看出，铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金次之，铸钢最差。流动性的高低不仅因合金种类不同而异，而且与合金的化学成分和铸造工艺条件有关。

（1）化学成分的影响。化学成分对流动性的影响，由合金的结晶特点所决定，结晶范围越宽，树枝状的初晶就越发达，因而对金属液的流动阻力大，流动性就越差；结晶温度越低，合金在液态下的停留时间越长，流动性就越好。从图10－6所示铅锡合金的流动性与化学成分的关系可见，共晶合金的流动性最好，亚共晶、过共晶合金离共晶点越近，流动性越好；纯金属的流动性较好，但熔点比共晶温度高，因此纯金属的流动性比共晶合金稍差一些。

表10－3　常用铸造合金的流动性

图10－6　Pb－Sn合金的流动性与凝固范围的关系

（2）工艺条件的影响。凡能减少型腔内金属液的流动阻力，延长凝固时间的因素，都能提高合金的流动性。

浇注温度较高，显然能延长合金液的凝固时间，并降低合金液的黏度，有利于夹杂物的上浮或熔解，减少内摩擦。因此，适当提高浇注温度是提高合金流动性的有效措施，但浇注温度过高，又会增加合金液的氧化、吸气和收缩，产生其他不良后果。

铸型导热能力差，吸收热量的能力小，则合金保持液态的时间长，有利于提高流动性。铸型型腔和浇注系统对合金液流动阻力小，造成合金静压力大的因素都能提高合金液的流动速度，使流动性增强。

2．收缩性

铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸缩小的现象称为收缩。通常用体积和尺寸的相对收缩量，即体积收缩率和线收缩率表示金属的收缩特性，其计算公式为

式中：v₀、v₁——合金在t₀、t₁时的体积，单位为cm³；

L₀、L₁——合金在t₀、t₁时的长度，单位为cm。

合金从浇注温度冷却到室温要经历三个相互联系的收缩阶段，即液态收缩、凝固收缩和固态收缩。合金的液态收缩和凝固收缩，主要表现为合金体积的收缩，它是铸件产生缩孔、缩松等缺陷的基本原因。合金的固态收缩，主要表现为铸件外形尺寸的缩小，它是铸件产生内应力、变形和裂纹的主要原因。

铸件收缩率的大小主要取决于合金种类、化学成分、浇注温度、铸件结构和铸件条件等。几种铸造合金的体积收缩率和线收缩率分别如表10－4、表10－5所示。

表10－4　几种铸造合金的体积收缩率

表10－5　几种常用铸造合金的线收缩率

（1）缩孔。缩孔的形成过程（见图10－7）。当液态金属浇满铸型后〔见图10－7（a）〕，由于铸件表面冷却快，先凝固成一层封闭的硬壳〔见图10－7（b）〕。温度逐渐下降，硬壳内的金属因不断凝固收缩而液面下降〔见图10－7（c）〕，液态金属全部凝固后，便在铸件上部形成缩孔〔见图10－7（d）〕。

图10－7　缩孔的形成过程

缩孔可分为集中缩孔和分散缩孔两大类。一般所说的缩孔，是指容积较大的集中孔洞，而把分散的小缩孔称为缩松。缩孔的大小及分布与合金的成分有关，图10－8所反映的是合金成分与合金状态图、缩孔及缩松之间的关系。在一固定温度下凝固的纯金属和共晶合金，主要产生缩孔，对于结晶范围大的合金，由于凝固在铸件截面较大区域内同时产生，先结晶的树枝晶相互交错，将液态金属分割成许多小而分散的封闭区，使封闭区内凝固收缩体积得不到金属液补充，因而形成许多分散的小缩孔，即缩松。

防止铸件中产生缩孔的有效方法，即在铸件的热节处（后截面处）设置适当的补缩冒口，补缩冒口的直径应大于热节直径，以保证冒口里的合金溶液最后凝固。同时，铸件各部分应符合顺序凝固原则，即凝固由远而近向冒口方向发展，使缩孔转移到冒口中去。另外，使用冷铁以控制铸件的凝固顺序和节省冒口，也是一条有效的措施，冒口和冷铁的使用情况如图10－9所示。

图10－8　合金成分与合金状态图、缩孔及缩松的关系

图10－9　冒口及冷铁的作用

（2）铸造内应力。铸件在凝固以后的继续冷却过程中，产生固态收缩使其尺寸减小，若收缩受阻，便在铸件中产生内应力，铸件内应力可分为收缩应力、热应力和相变应力三种。

收缩应力是铸件冷却收缩时，受到铸型和型芯等阻碍而引起的应力。收缩应力是一种暂时性应力，铸件一旦取出，消除机械阻碍作用，应力便自行消失。但若应力过大，超过合金此时的高温强度，将造成铸件开裂——热裂。提高铸型和型芯的退让性，可避免或减少铸件产生收缩应力。

热应力是铸件各部分冷却收缩不一致而形成的内应力。这种应力开箱后直到室温仍保持在铸件内部，是一种残留内应力，它是造成铸件变形和冷裂的主要原因。预防热应力的基本途径是尽量减少铸件各部分的温差，使其均匀地冷却。因此，设计铸件的壁厚要尽量均匀一致，并在铸造工艺上，采用同时凝固原则。

此外，在冷却过程中，铸件如有固态下的相变，若相变的时间和程度不一致，也将产生内应力，即相变应力。

3．吸气性

金属在液态时，溶解（吸收）气体的能力称为吸气性。铸造合金在熔炼和浇注过程中所吸收的气体主要是氢气、氧气、氮气等。

金属液中所吸收的气体，一部分以原子状态溶解其中，其溶解度的大小与合金的温度和压力有关。温度越高，压力越大，其溶解度也越大。氢气在铝中的溶解度如图10－10所示，当金属凝固时，气体在合金液中的溶解度有明显的变化，合金液中将析出气体。在铸件凝固前，若气体来不及从金属液中排出，则形成气孔。金属液中还有一部分气体以化合物的形式存在（如FeO、SiO₂、Al₂O₃等），一方面增加了金属液中的夹杂物，另一方面，FeO、SiO₂等还会跟碳反应析出CO，更增加了产生气孔的可能性。

图10－10　氢气在纯铝中的溶解度

气孔不仅影响铸件的气密性，减小铸件的有效承载面积，而且气孔处易引起应力集中，常成为零件断裂的裂纹源。为防止铸件中产生气孔，可采取以下措施。

（1）减少合金的吸气量。熔炼前烘干炉料和工具，适当缩短熔炼时间，在覆盖剂下或真空炉中熔炼合金等，均有利于减少合金的吸气。

（2）加热除气。在金属液中制造大量不溶入金属的气泡，使金属液中溶解的气体原子向气泡中扩散，并随气泡上升而带出液面。如向熔化后的铝液底部吹入氮气，氮气气泡在上浮过程中可带走铝液中的氢气等气体。

（3）阻止气体析出。在生产中采取快速冷却和压力下结晶，均可抑制气体的析出，以防止气孔的形成。如金属型或压力铸造生产铝合金铸件，可有效地减少铸件中的气孔。

二、铸造合金的铸造特点

铸造合金分为铸铁、铸钢和铸造非铁合金等三种。铸铁在前面已有介绍，这里主要讨论铸钢和铸造非铁合金的铸造性能及工艺特点。

1．铸钢

铸钢与铸铁相比，钢的铸造性能较差。钢的流动性较低，熔点高，因而易氧化吸气，产生氧化夹渣和气孔。线收缩和体收缩较大，容易产生缩孔和缩松。浇注温度高，易产生黏砂缺陷。这些性能决定了铸钢的铸造工艺有如下要求。

（1）造型材料。由于钢的熔点高，要求造型材料有更好的耐火性，故原砂中SiO₂的含量应低于96%，砂粒应大而均匀。在型腔表面还需涂一层以石英粉为材料的耐火材料。由于钢的收缩较大，应在造型材料中加入一些木屑，以提高其退让性。对于中、大型的铸钢件，为防止产生大量气孔，可将铸型烘干，采用干型铸造。

（2）浇注系统。由于铸钢的流动性较差，易氧化，要求快速浇注，液流平稳。一般采用大尺寸的底注式浇注系统。为避免缩孔、缩松的产生，铸钢件大多采用顺序凝固原则，并设置较大的冒口进行补缩。

（3）熔炼及浇注。铸钢常用电弧炉来熔炼，质量要求高的还要用感应电炉来熔炼。为了提高钢液的流动性，铸钢的浇注温度应比熔点高100～150℃（为1 550～1 600℃）。但也不宜过高，否则将使收缩、裂纹、偏析等倾向增加。

2．铸造非铁合金

（1）铝合金。铝合金的熔点低，具有良好的流动性，但在高温下极易氧化和吸气。氧化形成Al₂O₃的密度较铝液大，易混入铝液中成为夹杂物。铝液很容易吸收氢气，当在冷却过程中，因溶解度降低而以气泡析出时，会在铸件内形成许多小针孔。

为防止氧化和吸气，在熔炼时，可向坩埚内加入KCl、NaCl等盐类物质做熔剂，将溶液覆盖起来，使之与炉气隔离，并尽量缩短熔炼时间，预热炉料和工具，加强精炼去气。精炼去气方法很多，例如在铝液内加入六氯乙烷（C₂Cl₆）将发生以下反应

四氯乙烯（C₂Cl₄）与三氯化铝（AlCl₃）的沸点分别为121℃和183℃，因而在铝液中呈气态。当这两种气泡上浮时，将铝液中溶解的气体和Al₂O₃带出液面而除去。

另外，采用金属型压铸或低压铸造，浇注系统具备的挡渣和去气能力，以及快速平稳地充填型腔，也有利于减少铝合金中的氧化夹杂物和气体。

（2）铜合金。铜合金在熔炼过程中也有严重的氧化和吸气倾向。解决铜合金的氧化和吸气与铝合金有所不同。为防止氧化，在普通铸造车间大都采用坩埚炉来熔化铜，使金属料不与火焰直接接触，并加入玻璃或硼砂做熔剂，覆盖在铜液上进行熔炼。除此之外，还要加入总量为0．3%～0．6%液体总量的磷铜，进行脱氧和精炼，其反应为

P₂O₅不溶于铜液，一部分以气体逸出，另一部分还可能与铜液中难溶的Al₂O₃、SiO₂等夹杂物，形成液态复合化合物，易于聚集上浮到液面而除去，起到一定的精炼作用。黄铜中的锌本身就是良好的脱氧剂，所以，熔炼黄铜时不需要另加磷铜脱氧。

铜液中吸入的气体主要是氢气。它在铜液中的溶解情况与铝液中相似。去除氢气，可采用吹氮法。把氮气干燥后，用管子通入熔炼好的铜液中，吹入一定量氮气。因氮气与铜液不发生反应，氮气气泡上浮而把溶入的氢气带走。

铜合金的熔点低，流动性好，为获得表面光洁的铸件，可采用细砂造型。

多数的铜合金，尤其是铝青铜收缩较大。为此，要安置冒口和冷铁，使之顺序凝固以防止缩孔。为使金属液能平稳、快速地引入型腔，以避免氧化，多采用金属液从铸件底部引入的底注开放式浇注系统，并常设有滤渣网或集渣包，内浇口为喇叭状。图10－11所示的是铸铜齿轮的牛角式浇注系统。

图10－11　铸铜齿轮浇注系统

1—冷铁；2—冒口；3—铸件；4—集渣筒；5—直浇口；6—牛角形内浇口