铸造合金材料及其铸造性能

金 属 工 艺 学 铸 造 基 础史 晓 帆 第 一 节 概 述 第 二 节 铸 造 的 工 艺 基 础第 三 节 砂 型 铸 造第 四 节 砂 型 铸 造 的 缺 陷第 二 章 铸 造 司 母 戊 鼎 是 中 国 目 前 已 发现 的 最 重 的 青 铜 器 。 司 母戊 鼎 含 铜 84.77 、 锡 11.64 、 铅 27.9 。 充 分 显 示出 商 代 青 铜 铸 造 业 的 生 产规 模 和 技 术 水 平 。 秦 陵 铜 车 马 严 格 按 真 车 马 的 制 作 。 造 型精 美 ， 比 例 恰 当 ， 装 饰 华 丽 ， 工 艺 精 湛 ， 形 体 庞大 ， 所 以 很 多 专 家 学 者 把 它 称 之 为 “ 青 铜 之 冠 ”。 马 踏 飞 燕1969年 ， 在 甘 肃 武 威 出 土 。 中国 雕 塑 史 上 的 不 朽 之 作 。1984年 ， 定 为 中 国 旅 游 标 志 图形 。2002年 ， “ 马 踏 飞 燕 ” 的 仿 制品 作 为 国 礼 赠 布 什 。 铸 造 的 生 产 特 点 ： 形 状 相 似 、 尺 寸 相 近 复 杂 外 形 、 复 杂 内 腔 尺 寸 、 重 量 几 乎 不 受 限 制 手 工 造 型 适 应 单 件 或 小 批 量 生 产 机 器 造 型 适 应 批 量 生 产 铸 造 的 生 产 特 点 铸 造 生 产 的 缺 点 ： 生 产 过 程 复 杂 、 废 品 率 高 铸 件 晶 粒 粗 大 硬 度 低 ， 塑 性 、 韧 性 差 缩 孔 、 缩 松 、 变 形 、 裂 纹 多 铸 件 的 生 产 过 程 钢 铁 生 产 过 程 铸 造 金 属 熔 炼 液 态 合 金 的 工 艺 特 性 缩 孔 与 缩 松 铸 造 应 力 、 变 形 、 裂 纹 钢 铁 生 产 过 程 钢 铁 的 生 产 过 程 是 一 个 由 铁 矿 石 炼 成 生 铁 、 再 由 生 铁 炼 成 钢 液 并 浇 注 成 钢 锭的 过 程 。1 炼 铁 炼 铁 在 高 炉 中 进 行 ， 其 过 程 为 ： 加 料 、 加 热 、 化 学 反 应 炼 铁 的 产 品 有 ： 炼 钢 生 铁 用 来 炼 钢 铸 造 生 铁 用 来 铸 造2 炼 钢 将 生 铁 中 多 余 的 碳 和 其 它 杂 质 氧 化 成 氧 化 物 ， 并 使 其 随 炉 气 或 炉 渣 一 起 去 除 。 炼 好 的 钢 液 ， 部 分 浇 入 连 续 铸 锭 机 ， 铸 成 “ 钢 坯 ” 直 接 用 来 轧 制 钢 材 部 分 浇 注 到 钢 锭 模 内 铸 成 一 定 形 状 和 尺 寸 的 钢 锭 炉 渣 的 密 度 小 ， 浮 在 铁 液 之 上炉 渣 和 铁 液 分 别 从 高 炉 下 部 的 出 口 排 出比 例 配 成 炉 料 ， 由 加 料 车 送 入 炉 内 ， 形 成 料 柱900 1200 的 热 风 ， 使 焦 碳 燃 烧 铸 造 金 属 熔 炼 熔 炼 是 液 态 金 属 铸 造 成 形 技 术 过 程 中 的 一 个 重 要 环节 ， 与 铸 件 的 品 质 、 生 产 成 本 、 产 量 、 能 源 消 耗 以 及 环境 保 护 等 密 切 相 关 。 在 熔 炼 中 ， 多 种 固 态 金 属 的 炉 料 （ 废 钢 、 生 铁 、 回炉 料 、 铁 合 金 、 有 色 金 属 等 ） 按 比 例 搭 配 装 入 相 应 的 熔炉 中 加 热 熔 化 ， 通 过 冶 金 反 应 ， 转 变 成 具 有 一 定 化 学 成分 和 温 度 的 符 合 铸 造 成 形 要 求 的 液 态 金 属 。 金 属 熔 炼 的 几 种 生 产 方 式冲 天 炉 ！ 利 用 电 极 与 金 属 炉 料 之 间 电 弧 产 生 的 热 能 ， 通 过 辐 射 、 传 导 和 对 流 传 递 给 炉料 ， 加 热 、 熔 化 固 体 炉 料 ， 并 使 金 属 液 过 热 ， 从 而 实 现 熔 炼 目 标 的 一 种 设 备 ，主 要 用 于 钢 、 铸 铁 的 熔 炼 。 （ 高 熔 点 ） 电 弧 炉 熔 炼 感应电炉熔炼 感 应 线 圈 通 以 交 变 电 流 ， 则 因 交 变 磁 场 的 作 用 ， 使 短 路 连 接 的 金 属 炉 料 产 生强 大 的 感 应 电 流 ， 电 流 流 动 时 ， 为 克 服 金 属 炉 料 表 层 的 电 阻 面 产 生 热 量 ， 致使 金 属 炉 料 加 热 熔 化 。 坩 埚 炉主 要 用 于 有 色 金 属 的 熔 炼 ， 如 铜 合 金 、 铝 合 金 、 镁 合 金 、 低 熔 点 轴 承 合 金 等 。 浇 注 金 属 熔 化 后 ， 液 态 金 属 通 过 浇 注 系 统 充 填 铸 型 型 腔 的 过 程 称 为浇 注 过 程 。1.浇 注 压 力 （ 1） 高 压 2 15MPa， 适 用 于 薄 的 截 面 且 对 品 质 要 求 高 的 铸 件 （ 2） 低 压 0.12 0.3MPa， 金 属 型 铸 件 。 （ 3） 重 力 （ 常 压 ） 普 通 铸 件2.浇 注 系 统 浇 注 系 统 是 铸 型 中 液 态 金 属 注 入 铸 型 型 腔 的 通 道 。 浇 注 系 统 的主 要 功 能 ： （ 1） 将 金 属 液 由 浇 包 导 入 型 腔 。 （ 2） 挡 渣 及 排 除 铸 型 型 腔 中 的 空 气 及 其 它 气 体 。 （ 3） 调 节 温 度 分 布 ， 控 制 凝 固 顺 序 。 （ 4） 保 证 充 型 时 间 、 压 力 、 速 度 。 浇 注 系 统 的 组 成直 浇 道 ： 锥 度 以 保 证 流 速 ， 排 出 空 气横 浇 道 ： 将 直 浇 道 的 金 属 液 分 配 至 内 浇 道内 浇 道 ： 将 金 属 液 引 入 型 腔 浇 口 杯 ： 缓 解 金 属 液 冲 蚀 ， 阻 挡 熔 渣 金 属 液 导 入 型 腔 的 位 置 ， 浇 注 系 统 可 分 为 底 注 式 、 顶 注 式 、 中 注 式、 阶 梯 式 等 ， 见 下 图 。 浇 注 的 不 同 形 式 浇 注 后 的 冷 凝 浇 注 入 铸 型 型 腔 的 液 态 金 属 ， 随 温 度 的 降 低 ， 将 经 历 由 液 态 向 固 态 的转 变 过 程 ， 即 冷 凝 过 程 。 金 属 的 凝 固 过 程 ： 晶 核 的 形 成 和 晶 粒 的 长 大 。 金 属 的 冷 凝 的 缺 陷 ： 溶 液 体 积 收 缩 是 导 致 铸 件 在 最 后 凝 固 部 分 产 生 缩孔 、 缩 松 的 基 本 原 因 ； 而 固 态 收 缩 是 铸 件 变 形 、 产 生 内 应 力 和 裂 纹 的 主 要原 因 。 避 免 缩 孔 、 缩 松 措 施 ： 合 理 放 置 冒 口 和 冷 铁 以 保 证 铸 件 质 量 。 液 态 合 金 的 工 艺 性 能工 艺 性 能 ： 指 符 合 某 种 生 产 工 艺 要 求 所 需 要 的 性 能 。铸 造 性 能 ： 液 态 合 金 在 铸 造 生 产 过 程 中 所 表 现 出 来 的 工 艺 性 能 。 铸 造 性 能 是 表 示 合 金 铸 造 成 形 获 得 优 质 铸 件 的 能 力 。 铸 造 性 能 常 用 流 动 性 、 收缩 性 等 来 衡 量 。液 态 合 金 的 流 动 性 ： 液 态 合 金 充 满 型 腔 ， 形 成 轮 廓 清 晰 、 形 状 完 整 的 优 质 铸 件 的 能力 ， 又 称 做 “ 充 型 能 力 ” 。液 态 合 金 的 流 动 性 愈 好 ：易 于 铸 造 出 轮 廓 清 晰 ， 薄 而 形 状 复 杂 的 铸 件 有 助 于 液 态 合 金 在 铸 型 中 收 缩 时 得 到 补 充 ， 有 利 于 液 态 合 金 中 的 气 体 及 非 金 属 夹杂 物 上 浮 与 排 除 ， 否 则 易 产 生 浇 不 足 、 冷 隔 、 气 孔 、 夹 渣 和 缩 松 等 缺 陷 。 螺 旋 形 试 样 常 用 铸 造 合 金 中 ， 灰 铸 铁 、 硅 黄 铜 的 流 动 性 最 好 ， 铸 钢 最 差 在 相 同 的 浇 注工 艺 条 件 下 ，将 金 属 液 浇 入铸 型 中 ， 测 出其 实 际 螺 旋 线长 度 。 浇 出 的试 样 愈 长 ， 合金 的 流 动 性 愈好 ！ 常 用 合 金 的 流 动 性 （ 砂 型 ， 试 样 截 面 8 8m m ）合 金 种 类 铸 型 种 类 浇 注 温 度 （ ） 螺 旋 线 长 度 （ mm）铸 铁 C+Si=6.2% C+Si=5.9% C+Si=5.2% C+Si=4.2% 砂 型砂 型砂 型砂 型 1300130013001300 180013001000600铸 钢 C=0.4% 砂 型砂 型 16001640 100200 铝 硅 合 金 （ 铝 硅 明 ）镁 合 金 （ 含 Al及 Zn）锡 青 铜 （ Sn=10%,Zn=2%）硅 黄 铜 （ Si=1.5 4.5%） 金 属 型 （ 300 ）砂 型砂 型砂 型 680 72070010401100 700 800400 6004201000 材 料 浇 注 条 件 铸 型 条 件 浇 注 温 度充 型 压 力铸 型铸 型 温 度铸 型 中 气 体影 响 液 态 合 金 流 动 性 的 因 素结 晶 越 慢 ， 流 动 性 越 好 。 铁 碳 合 金 随 C 上 升 ， 流 动 性 越 好温 度 上 升 ， 粘 度 下 降 ， 充 型 能 力 强薄 壁 铸 件 、 或 流 动 性 较 差 合 金 ，浇 注 温 度 提 高 ， 或 充 型 压 力 提 高材 料 ： 导 热 快 ， 冷 却 快 ， 流 动 性 差壁 厚 ： 铸 件 的 壁 厚 必 须 大 于 规 定 的 最小 允 许 壁 厚 值 形 状 ： 力 求 形 状 简 单 提 高 流 动 性 的 方 法铸 型 的 特 点 ： 1 材 料 铸 型 材 料 的 导 热 快 ， 液 态 合 金 的 冷 却 速 度 快 ， 流 动 性 差 液 态 合 金 在 金 属 型 中 的 流 动 性 比 在 砂 型 中 差 ；2 壁 厚 、 形 状 铸 件 壁 厚 过 小 ， 形 状 复 杂 ， 会 增 加 液 态 合 金 的 流 动 阻 力 ， 流 动 性 差 设 计 铸 件 时 ， 铸 件 的 壁 厚 必 须 大 于 规 定 的 最 小 允 许 壁 厚 值 ， 并 力 求 形 状 简 单浇 注 条 件 ： 型 砂 含 水 分 多 或 铸 型 透 气 性 差 ， 会 使 浇 注 时 产 生 大 量 气 体 且 又 不 能 及 时 排 出 ， 造成 型 腔 内 气 体 压 力 增 大 ， 使 液 态 合 金 流 动 的 阻 力 增 加 ， 从 而 降 低 合 金 的 流 动 性 。 因 此 提 高 铸 型 的 透 气 性 ， 减 少 型 砂 的 水 分 ， 多 设 出 气 口 等 ， 有 利 于 提 高 液 态 合 金的 流 动 性 。 提 高 流 动 性 的 方 法浇 注 温 度 浇 注 温 度 愈 高 ， 液 态 合 金 的 粘 度 愈 低 ， 液 态 合 金 的 流 动 性 提 高 。提 高 浇 注 温 度 是 生 产 中 减 少 薄 壁 铸 件 的 浇 不 足 、 冷 隔 等 缺 陷 的 重 要 措施 。 但 浇 注 温 度 过 高 ， 铸 件 易 产 生 缩 孔 、 缩 松 、 粘 砂 、 气 孔 、 粗 晶 等缺 陷 。 在 保 证 铸 件 薄 壁 部 分 能 充 满 的 前 提 下 ， 浇 注 温 度 不 宜 过 高 。 各 种合 金 的 浇 注 温 度 范 围 是 ： 铸 铁 为 12301450 ； 铸 钢 为 15201620 ；铝 合 金 为 680780 。 薄 壁 复 杂 件 取 上 限 ， 厚 大 件 取 下 限 。充 型 不 足 合 金 收 缩 的 概 念 合 金 从 浇 注 、 凝 固 直 至 冷 却 到 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 ， 是 铸 件 中 缩 孔 、 缩 松 、 裂 纹 、 变 形 、 残 余 应 力 等 缺 陷 产 生 的 主 要原 因 。液 态 金 属 从 浇 注 温 度 冷 却 到 常 温 ， 其 收 缩 过 程 如 图 所 示 的 三 个 阶 段 ： 凝固收缩浇 注 温 度液 相 线 固 相 线固态收缩液态收缩缩 孔 、 缩 松 内 应 力 、 变 形 和 裂 纹 合 金 的 收 缩 的 影 响 因 素合 金 的 收 缩 与 其 化 学 成 分 、 浇 注 温 度 、 铸 件 结 构 和 铸 型 条 件 有 关 。（ 1） 化 学 成 分 碳 钢 随 含 碳 量 增 加 ， 凝 固 温 度 范 围 扩 大 ， 收 缩 量 随 之 增 大 。（ 2） 浇 注 温 度 浇 注 温 度 愈 高 ， 过 热 度 愈 大 其 液 态 收 缩 量 增 加（ 3） 铸 型 条 件 和 铸 件 结 构 1 铸 件 在 铸 型 中 是 铸 型 和 型 芯 阻 碍 影 响 收 缩 受 阻 收 缩 2 铸 件 壁 厚 不 同 ， 壁 在 型 内 所 处 的 位 置 不 同 ， 其 冷 却 速 度 也 不 同 。 3 冷 凝 时 ， 铸 件 各 部 分 相 互 制 约 也 会 产 生 阻 力 。 缩 孔 和 缩 松 液 态 金 属 在 冷 凝 过 程 中 ， 由 于 液 态 收 缩 和 凝 固 收 缩 的 结 果 ， 会 在 铸 件 最 后 凝固 的 部 位 形 成 孔 洞 。 容 积 大 而 集 中 的 孔 洞 称 为 缩 孔 ； 细 小 分 散 的 孔 洞 称 为 缩 松（ 1） 缩 孔 的 形 成 缩 孔 常 产 生 在 铸 件 的 厚 大 部 位 或 上 部 最 后 凝 固 部 位 ， 常 呈 倒 锥 状 ， 内 表 面 粗 糙 先 凝 固 区 域 堵 住 液 体 流 动 的 通 道 ， 后 凝 固 区 域 收 缩 所 缩 减 的 容 积 得 不 到 补 充 。 缩 松 的 形 成 结 晶 温 度 范 围 宽 的 合 金 易 形 成 缩 松 ， 其 形 成 的 基 本 原 因 与 缩 孔相 同 ， 也 是 由 于 铸 件 最 后 凝 固 区 域 得 不 到 补 充 而 形 成 的 。 缩 松 形 成 过 程 示 意 图 缩 孔 和 缩 松 的 防 止 缩 孔 和 缩 松 都 使 铸 件 的 机 械 性 能 下 降 ， 缩 松 还 可 是 铸 件 因 渗 漏 而 报废 。 因 此 ， 缩 孔 和 缩 松 都 属 铸 件 的 重 要 缺 陷 ， 必 须 根 据 技 术 要 求 、 采 取适 当 的 工 艺 措 施 予 以 防 止 。 使 铸 件 实 现 “ 顺 序 凝 固 ” ， 尽 管 合 金 的 收 缩较 大 ， 也 可 获 得 没 有 缩 孔 的 致 密 铸 件 。 缩 孔 的 厚 大 部 位通 过 安 放 冒 口 等 工 艺措 施 ， 使 铸 件 从 远 到近 （ 冒 口 ） 部 位 依 次凝 固 ， 后 凝 固 部 位 的 收 缩 ， 由 冒 口 中 的 金属 液 来 补 充 。 冒 口 的 作 用 铸 型 中 能 储 存 一 定 金 属 液 ， 补 偿 铸 件 收 缩 以 防 止 产 生 缩 孔 和 缩 松缺 陷 的 空 腔 称 为 冒 口 。 先 远 后 近 ： 在 铸 件 的 厚 大 部 位 安 放 冒 口 ， 使 铸 件 远 离 冒 口 的 部 位 先 凝 固 缩 孔 和 缩 松 的 防 止 冷 铁 冷 铁 加 快 某 些 部 位 的 冷 却 速 度 ， 控 制 铸 件 的 凝 固 顺 序 。 铸 件 上 某 些 厚 大 部 位 增设 冷 铁 。 由 于 冷 铁 加 快 了 该 处 的 冷 却 速 度， 使 厚 度 较 大 的 凸 台 反 而 最 先 凝固 ， 从 而 实 现 了 自 下 而 上 的 顺 序凝 固 ， 防 止 了 凸 台 处 缩 孔 、 缩 松的 产 生 。 先 下 后 上 ： 在 铸 件 的 底 部 安 放冷 铁 ， 使 铸 件 远 离 冒 口 的 部 位先 凝 固 缩 孔 产 生 的 部 位 正 确 地 估 计 铸 件 上 缩 孔 或 缩 松 可 能 产 生 的 部 位 是 合 理 安设 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 ” 和 “ 内 切 圆 法 ” 近 似 地 找 出 缩 孔 的 部 位 ，等 温 线 未 曾 通 过 的 心 部 和 内 切 圆 直 径 最 大 处 ， 易 出 现 缩 孔 顺 序 凝 固 的 应 用 范 围 安 放 冒 口 和 冷 铁 ， 实 现 顺 序 凝 固 ， 虽 可 有 效 的 防 止 缩 孔 和 缩 松 ， 但 却 耗费 许 多 金 属 和 工 时 ， 加 大 了 铸 件 成 本 。 同 时 ， 顺 序 凝 固 扩 大 了 铸 件 各 部 位 的 温度 差 ， 促 进 了 铸 件 的 变 形 和 裂 纹 倾 向 。 因 此 ， 主 要 用 于 必 须 收 缩 率 大 的 合 金 ，如 铝 青 铜 、 铝 硅 合 金 和 铸 钢 件 等 。 对 于 结 晶 温 度 范 围 甚 宽 的 合 金 ， 结 晶 开 始 之 后 ， 发 达 的 树 枝 状 骨 架 布 满 了整 个 截 面 ， 使 冒 口 的 补 缩 道 路 严 重 受 阻 ， 因 而 难 以 避 免 显 微 缩 松 的 产 生 。 显 然， 选 用 近 共 晶 成 分 或 结 晶 温 度 范 围 较 窄 的 合 金 生 产 铸 件 是 适 宜 的 。 c1 缩 孔 的 形 成 -动 画 c2 定 向 凝 固 -动 画 铸 件 的 变 形 对 于 厚 薄 不 均 匀 、 截 面 不 对 称 及 具 有 细 长 特点 的 杆 件 类 、 板 类 及 轮 类 等 铸 件 ， 当 残 余 铸 造 应力 超 过 铸 件 材 料 的 屈 服 强 度 时 ， 产 生 翘 曲 变 形 。框 形 铸 件 变 形 T形 梁 铸 钢 件 变 形措 施 ： 对 长 而 易 变 形 的 铸 件 ， 预 先 露 出 变 形 量 的 反 变 形 量 第 三 节 铸 造 内 应 力 、 变 形 和 裂 纹铸 件 内 应 力 ：热 应 力 原 因 ： 铸 件 壁 厚 不 均 匀 、 各 部 分 冷 却 速 度 不 同 避 免 办 法 :减 少 铸 件 各 部 分 温 度 差 ， 均 匀 冷 却 措 施 ： 1. 浇 口 开 在 薄 壁 处 ， 避 免 冷 凝 过 快 2. 厚 壁 放 冷 铁 ， 提 高 冷 却 速 度机 械 应 力 原 因 ： 受 到 铸 型 、 型 芯 、 浇 冒 口 等 的 机 械 阻 碍 而产 生 热 应 力 的 形 成塑 性 状 态 弹 性 状 态 同 时 凝 固定 义 ： 将 浇 口 开 在 铸 件 的 薄 壁 处 ， 厚 壁 处 放 冷 铁 ， 尽 量减 少 铸 件 个 部 位 的 温 度 差 ， 使 其 均 匀 冷 却 。 残 余 内 应 力解 决 方 法 ：1.铸 件 壁 厚 均 匀 、 形 状 对 称 （ 内 应 力 ）2.铸 造 工 艺 遵 循 同 时 凝 固 原 则 ， 使 冷 却 均 匀 （ 内 应 力 ）3. 反 变 形 ， 抵 消 最 终 变 形 ；4. 彻 底 消 除 内 应 力 ： 时 效 处 理时 效 处 理 自 然 时 效 人 工 时 效