1-合金的铸造性能

§1合金的铸造性能合金的铸造性能:是表示合金在铸造生产中所表现出来的工艺性能。铸造性能:是合金的流动性、收缩性、偏析性和吸气性等性能的综合体现。其中流动性和收缩性对铸件的质量影响最大。一、合金的流动性和充型能力（一）合金的流动性1概念：熔融金属的流动能力。流动性好的合金：a易于充满薄而复杂的铸型型腔，便于浇注出轮廓清晰的铸件，减少浇不到、冷隔等缺陷；b有利于液体金属中气体和非金属夹杂物的上浮和排出，减少气孔、夹杂缺陷的产生；c有利于对合金冷凝过程中所产生的收缩进行补缩，减少铸件中诸如缩孔、缩松及凝固后期所产生的热裂纹等铸造缺陷。2流动性的度量：（螺旋形流动性试样）铸铁的流动性最好，试样长度可达1000mm；铝硅合金的流动性次之，试样长度可达800mm；铸钢的流动性最差，其试样长度仅为200mm。3流动性的影响因素：a合金的种类；铸铁流动性最好，硅黄铜、铝硅合金次之，铸钢的流动性最差。b合金的化学成分和结晶特征：（1）纯金属和共晶成分的合金流动性好；凝固由铸件壁表面向中心逐层推进，凝固后的表面较平滑，对未凝固合金液体的流动阻力较小，流动性好。(如图1-2a所示)（2）结晶温度范围越宽，流动性越差在一定凝固温度范围内结晶的亚共晶合金，凝固时铸件壁内存在一个较宽的既有液体又有树枝状晶体的两相区。凝固温度范围越宽，则枝状晶体越发达，对金属流动的阻力越大，金属的流动性越差。(如图1-2b所示)粘度、结晶潜热、热导率等。c合金的物理性能：（a）纯金属（b）结晶温度范围宽的合金如：高铬耐热钢钢液因含较多的Cr2O3,使粘度显著增大，流动性很差。图1-2不同结晶特征的合金的流动性（二）合金的充型能力1充型能力：液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。2充型能力的影响因素：合金的流动性；铸型填充条件；浇注条件；铸件结构。（1）合金的流动性对充型能力的影响最大，流动性越好，充型能力越强；（2）铸型填充条件对充型能力有着显著的影响；1）铸型的蓄热能力：铸型从金属液中吸收和储存热量的能力。铸型的热导率和质量热容越大，对液态合金的激冷作用越强，合金的充型能力就越差。如：金属型铸造较砂型铸造容易产生浇不到等缺陷。2）铸型的温度：提高铸型温度，减少铸型和金属液之间的温差，减缓了冷却速度，可提高合金液的充型能力。3）铸型中的气体：在金属液的热作用下，型腔中的气体膨胀，型砂中的水分汽化，有机物燃烧，都将增加型腔内的压力，如果铸型的透气性差，将阻碍金属的充填，导致充型能力下降。（3）浇注条件：浇注温度；充型压力；浇注系统结构1）浇注温度：对合金的充型能力有着决定性的影响。一定温度范围内，温度↑充型能力↑适宜的浇注温度：铸铁1230～1380℃铸钢1520～1620℃铝合金680～780℃2）充型压力：液态合金在流动方向上所受到的压力越大，其充型能力越好。砂型铸造时，增加直浇道的高度可有效地提高充型能力；直浇道高度应大于200mm；特种铸造时，采用人为加压的方法使充型压力增大，充型能力提高。浇注系统结构：浇注系统结构越复杂，流动阻力越大，充型能力就越低。（4）铸件结构：对充型能力有着相当的影响。铸件壁厚过小，壁厚急剧变化，结构复杂，有大的水平面时，都会影响合金的充型能力。3提高充型能力的措施：设计铸件时，尽量选用流动性好的合金；提高浇注温度，加高直浇道，扩大内浇口截面积；烘干铸型，增大出气口；改进铸件结构。二、合金的凝固与收缩浇入铸型的金属液在其后的冷却凝固过程中，体积将会缩减，如果这种收缩得不到及时地补足，将在铸件中产生缩孔或缩松缺陷。铸件中的热裂、析出性气体、偏析、非金属夹杂等缺陷也都与合金的凝固过程有着密切的关系。（一）铸件的凝固方式及影响因素KAGPSECFFe3CFeQ00.772.114.36.69WC（%）℃温度LAFPLdL+AL+Fe3CA+FD凝固：金属和合金由液态转变为固态的过程。凝固是晶体在液体中从无到有，由小变大的过程。凝固亦称结晶。结晶过程是一个由生核和长大两个过程交错重叠组合而成的过程。A+Fe3C1.铸件的凝固方式：铸造合金大都在一定温度范围内（状态图中的液相线到固相线之间）结晶凝固。凝固过程中，一般存有三个区域，即液相区、固相区和液固两相区（又称凝固区）。其中液固两相区对铸件质量的影响最显著。根据液固两相区的宽窄划分铸件的凝固方式逐层凝固方式糊状凝固方式中间凝固方式凝固方式的影响因素：合金凝固温度范围；铸件温度梯度铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。收缩是铸造合金的物理性能，是多种铸造缺陷（缩孔、缩松、残余内应力、变形、裂纹）产生的基本原因。（二）铸造合金的收缩收缩的形式和度量：铸造合金从浇注、凝固、冷却到室温的过程中，其收缩经历三个阶段：液态收缩凝固收缩固态收缩1.液态收缩：金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。液态收缩表现为型腔内液面的降低，合金液体的过热度越大，则液态收缩也越大。为减小合金的液态收缩及吸气，兼顾充型能力，铸造合金的浇注温度一般控制在高于液相线50℃-150℃。液态收缩是铸件产生缩孔缩松的基本原因之一。(1)(2)图中的AB段，从浇注温度到开始凝固温度。ABCD时间℃此阶段的收缩通常用体积收缩率()来表示：2.凝固收缩：熔融金属在凝固阶段的体积收缩。•图中的BC段，从凝固开始温度到凝固结束温度。•凝固收缩通常也用体积收缩率()来表示。•纯金属及恒温结晶的金属，其凝固收缩单纯由于液-固相变引起；•具有一定结晶温度范围的合金，除了液-固相变引起的收缩之外，还有因凝固阶段温度下降产生的收缩。ABCD时间℃凝固收缩也是铸件产生缩孔缩松的基本原因之一。3.固态收缩：金属在固态由于温度降低而发生的体积收缩。•图中的CD段，即从凝固终了冷却到室温的收缩。•固态收缩通常用线收缩率()来表示。•液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔缩松的基本原因；•固态收缩（固态体积收缩）表现为三个方向线尺寸的缩小，即三个方向的线收缩。•线收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。ABCD时间℃•合金的总体积收缩为液态收缩、凝固收缩和固态收缩之和。灰铸铁的收缩最小，而铸钢和白口铸铁的收缩最大。（三）影响收缩的因素：主要有合金的化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件。1.化学成分：不同成分的合金其收缩率也不相同。原因：灰铸铁结晶时所含碳大多以石墨形态析出，石墨质量体积大，使铸铁体积膨胀（每析出质量分数为1%的石墨，铸铁的体积约增加2%），因而抵消了一部分收缩。因此，凡有利于石墨形成的元素都将减小铸铁的收缩。2.浇注温度：合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。3.铸件结构和铸型条件：铸件冷却收缩时，因形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，所以，铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越小。（四）收缩对铸件质量的影响1.缩孔和缩松：铸件凝固过程中，其液态收缩和凝固收缩所减少的体积如果得不到及时的补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中的孔洞叫缩孔；细小而分散的孔洞叫缩松。缩孔和缩松的形成，降低了铸件的力学性能和气密性，严重时可能使铸件成为废品。（1）缩孔的形成：缩孔总是出现在铸件上部或最后凝固的部位。外形特征：内表面粗糙，形状不规则，多近于倒圆锥形。通常缩孔隐藏于铸件的内部，有时经切削加工才能暴露出来。纯金属和接近共晶成分的金属易形成缩孔。圆柱形铸件缩孔形成过程如图1-6所示图a所示，液态金属充满铸型型腔，降温时发生液态收缩，其减小的体积可以从浇注系统中得到补偿。图b所示，由于铸型的吸热，靠近型腔表面的金属率先凝固结壳，此时内浇道被冻结。图c所示，体系向外界散失热量，凝固层加厚，但封闭于硬壳内的液态金属因液态收缩和补充凝固层的凝固收缩，体积减小，液面下降，硬壳内出现空隙。图d所示，铸件凝固依次进行，硬壳层逐渐加厚，液面不断下降。此时若下降的液面得不到液体金属的补足，当铸件全部凝固后，在其上部形成一个倒圆锥形的孔洞——缩孔。图e所示，已形成缩孔的铸件继续冷却到室温时，由于固态收缩，铸件的外形轮廓有所减小，缩孔的体积也有所减小，但缩孔体积与铸件体积的比值保持不变，缩孔被保留下来。缩孔形成的主要原因是液态收缩和凝固收缩。（2）缩松的形成：缩松是分散在铸件某区域内的细小孔洞，可分为宏观缩松和显微缩松两种，如图1-7所示。宏观缩松多分布在铸件最后凝固的部位。显微缩松存在于晶粒之间的微小孔洞。宏观缩松多分布在铸件最后凝固的部位，如铸件的中心轴线处或缩孔的下方，用肉眼或借助于放大镜可以看出；显微缩松则是存在于晶粒之间的微小孔洞，这种缩松的分布面积更为广泛，有时遍及整个截面，只有借助显微镜才能观察出来。缩松的形成过程是在铸件结晶后期，其厚大截面的内部，尤其是凝固温度范围较宽的合金有一个较宽的液固两相区，继续凝固时，晶体不断长大，直到互相接触的固体将液相分割成许多封闭的小区，封闭区内的金属液凝固收缩时无法得到补充，最后形成一个个微小的分散孔洞，即缩松。缩松形成的主要原因也是液态收缩和凝固收缩。不同的铸造合金形成缩孔和缩松的倾向不同：•纯金属和共晶成分的合金倾向于逐层凝固方式，容易产生集中的缩孔；•凝固温度范围较宽的合金，如白口铸铁，则倾向于糊状凝固方式，容易产生分散的缩松。(3)缩孔、缩松的防止措施：1)采用定向凝固的原则使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。因为铸件中的缩孔总是出现在最后凝固的部位，采取工艺措施，在铸件最后凝固的部位加设冒口。使铸件从远离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部位向冒口的方向定向地凝固，如图1-8所示。冒口是指铸型中储存供补缩用熔融金属的空腔，也指该空腔中充填的金属图1-9冒口、冷铁的作用冷铁冷铁冒口冒口•为了实现定向凝固，在设置冒口的同时还可在铸件的某些厚大部位设置冷铁，加大局部冷却速度，从而控制整个铸件的凝固顺序，使可能产生的缩孔向冒口方向转移，如图1-9所示。2)合理确定铸件的浇注位置、内浇道位置及浇注工艺•铸件的浇注位置要符合铸件的凝固原则；当铸件的壁厚不均匀，需要补缩时，应从定向凝固的原则出发，将铸件的厚大部位放到上面或侧面，以便安放冒口进行补缩。•内浇道的位置对铸件各部分的温度分布影响极大，应尽量使内浇道开设在铸件的厚壁处或靠近冒口，以加强铸件的定向凝固和冒口的补缩作用；•合理选择浇注温度和浇注速度。在不增加其它缺陷的前提下，尽量降低浇注温度和浇注速度，以减少金属的液态收缩量。2.铸造应力、变形和裂纹：在铸件的凝固以及以后的冷却过程中，随温度的不断降低，收缩不断发生，如果这种收缩受到阻碍，就会在铸件内产生应力，引起变形或开裂，这种缺陷的产生，将严重影响铸件的质量。（1）铸造应力的产生（铸造应力按其产生的原因可分为三种）1）热应力：铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。若铸件的各部分壁厚不均匀，则各部分的冷却速度不同，在同一时期内铸件各部分的收缩不一致。但铸件各部分彼此相连，相互制约，不能自由收缩，因而产生热应力。铸造热应力形成过程分析：图1-10所示框形铸件由中间的粗杆Ⅰ、两侧完全相同的细杆Ⅱ以及联系它们的上下横梁所组成（图1-10b）。厚杆产生拉应力，薄杆产生压应力。第一阶段（t0～t1）：塑性阶段不产生应力第二阶段（t1～t2）:弹塑性阶段不产生应力第三阶段（t2～t3）：弹性阶段产生应力Tk表示金属弹、塑性转变的临界温度，合金温度大于Tk处于塑性状态，小于Tk则处于弹性状态。热应力性质：横截面积较大的厚大部分受到拉伸（冷却慢）：产生拉应力；横截面积较小的细薄部分受到压缩（冷却快）：产生压应力。分析如图所示铸件所产生的热应力T型梁铸件圆柱铸件+-+--练习题2）固态相变应力:铸件由于固态相变，各部分体积发生不均衡变化而引起的应力。铸件在凝固以后的冷却过程中如果有固态相变发生（例如钢和铸铁的共析转变），则晶体的体积就会发生变化。若此时铸件各部分温度均