第三章合金的铸造性能

第三章合金的铸造性能合金的铸造性能主要指合金的流动性能和收缩性能等。第一节合金的充型能力液态合金充满铸型、获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，称为液态合金的充型能力。充型能力不足，会使铸件产生浇不足或冷隔缺陷。所谓浇不足是指铸件的形状不完整；冷隔是指铸件上某处由于两股或两股以上金属液流未熔合而形成的接缝。影响充型能力的主要因素有：1．合金的流动性合金的流动性是指液态合金自身的流动能力，属于合金的一种主要铸造性能。良好的流动性不仅易于铸造出薄而复杂的铸件，而且也利于铸件在凝固时的补缩以及气体和非金属夹杂物的逸出和上浮。反之流动性差的合金，易使铸件上出现浇不足、冷隔、气孔、夹渣和缩孔等缺陷。（1）合金流动性的衡量通常用浇注的螺旋形试样的长度来衡量合金的流动性。如图3.1所示的螺旋形试样，其截面为等截面的梯形，试样上隔50mm长度有一个凸点，以便于计量其长度。合金的流动性愈好，其长度就愈长。（1）影响流动性的因素影响流动性的因素有很多，如合金的种类、成分和结晶特征及其它物理量等。1）合金的种类不同，其流动性不同，如表3.1列出了一些常用铸造合金的流动性值，可看出铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金的次之，铸钢的最差。表3.1常用合金的流动性（砂型，试样截面8×8mm）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1300130013001300180013001000600铸钢C=0.4%铝硅合金（硅铝明）镁合金（含A1及Zn）锡青铜（Sn≈10%,Zn≈2%）硅黄铜（Si=1.5~4.5%）砂型金属型（300℃）砂型砂型砂型1600680~72070010401100100700~800400~60042010002)合金的成分和结晶特征对流动性的影响最为显著。共晶成分的合金，其结晶同纯金属一样，是在恒温下进行的。从铸型表面到中心，液态合金逐层凝固，如图3.2a），由于已凝固层的内表面光滑，对液态合金的流动阻力小。而且，由于共晶成分合金的凝固温度最低，相同浇注温度下其过热度最大，延长了合金处于液态的时间，故流动性最好。此外，其它成分的合金均是在一定宽度的温度范围内凝固的，即在其已凝固层和纯液态区之间存在一个液固两相共存的区域，使得已凝固层的内表面粗糙如图3.2b）。所以非共晶成分的合金流动性变差，且随合金成分偏离共晶点愈远，其结晶温度范围愈宽，流动性愈差，如图3.3为铁—碳合金流动性与含碳量的关系图。由此看出，亚共晶铸铁的成分愈接近共晶成分，其流动性愈好；铸钢的流动性比铸铁差。这是因为，一方面铸钢的熔点高，所以钢液的过热度较小、维持液态流动的时间短；，另一方面由于钢液的浇注温度较高，在铸型中散热很快，迅速结晶出的树枝晶会使钢液很快失去流动能力。3）液态合金的粘度、结晶潜热和导热系数等物理参数对流动性也有影响。一般的粘度愈大、结晶潜热愈小和导热系数愈小，其流动性愈差。2．浇注条件（1）浇注温度浇注温度对合金充型能力的影响极为显著。在一定范围内，提高液态合金的浇注温度能改善其流动性，因而提高其充型能力。因为浇注温度高，液态合金的过热度大，在铸型中保持液态流动的能力愈强，且使液态合金的粘度及其与铸型之间的温度差都减小，从而提高了流动性。因此，对薄壁铸件或流动性较差的合金可适当提高浇注温度，以防产生浇不足和冷隔。但是浇注温度过高，又会使液态合金吸气严重、收缩增大，反而易使铸件产生其它缺陷，如气孔、缩孔、缩松、粘砂和晶粒粗大等。故在保证液态合金流动性足够的前提下，浇注温度应尽可能低。通常灰铸铁浇注温度为1200～1380℃；铸钢为1520～1620℃；铝合金为680～780℃。薄壁复杂件取上限温度值，厚件则取下限。（2）充型压力液态合金在流动方向上所受压力愈大，其充型能力愈好。砂型铸造时，是由直浇道高度提供静压力作为充型压力，所以直浇道的高度应适当。3．铸型的充型条件在铸型凡能增大液态合金流动阻力、降低流速和加快其冷却的因素，均会降低其充型能力。如铸型型腔过窄、预热温度过低、排气能力太差及铸型导热过快等，均使液态合金的充型能力降低。4．铸件的结构铸件的壁愈薄、结构形状愈复杂，液态合金的充型能力愈差。应采取适当提高浇注温度、提高充型压力和预热铸型等措施来改善其充型能力。第二节铸件的凝固与收缩1．铸件的凝固方式铸件凝固过程中，在其断面上存在三个区域，即已凝固的固相区、液固两相并存的凝固区和未开始凝固的液相区。其中凝固区的宽窄对铸件质量影响较大，如图3.4b）中S区，其宽窄决定着铸件的凝固方式。（1）逐层凝固纯金属或共晶成分的合金，凝固时铸件的断面上不存在液、固两相并存的凝固区，如图3.4a），已凝固层与未凝固的液相区之间界限清晰，随着温度的下降，已凝固层不断加厚，液相区逐渐减小，一直到铸件完全凝固，这种凝固方式称为逐层凝固。（2）糊状凝固如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件断面的温度梯度较小，则在开始凝固的一段时间内，铸件表面不会形成坚固的已凝固层，而是液、固两相共存区贯穿铸件的整个断面，如图4.4c）。这种凝固方式先呈糊状，然后整体凝固，故称为糊状凝固。（3）中间凝固大多数铸造合金的凝固方式介于逐层凝固和糊状凝固之间，如图3.4b）所示，即在凝固过程中，铸件断面上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区，称为中间凝固方式。铸件采取何种凝固方式主要取决于该合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度。（1）铸造合金的结晶温度范围如图3.4所示，合金的结晶温度范围愈窄，铸件的凝固区域就愈窄，愈倾向于逐层凝固。如砂型铸造时，低碳钢的凝固为逐层凝固，而高碳钢的结晶温度范围较宽成为糊状凝固。（2）铸件的温度梯度铸造合金的成分一定时，铸件凝固区域的宽窄就取决于其断面的温度梯度，如图3.5所示，随温度梯度由小变大，则相应的凝固区会由宽变窄。铸件的温度梯度主要取决于：1）铸造合金的性质。如铸造合金的导热性愈好、结晶潜热愈大，则铸件均匀温度的能力愈强，温度梯度就愈小。2）铸型的蓄热能力和导热性愈好，对铸件的激冷能力愈强，使铸件的温度梯度愈大。3）提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从而降低铸件的温度梯度。总之，合金的结晶温范围愈小，铸件断面的温度梯度愈大，铸件愈倾向于逐层凝固方式，也愈容易铸造；所以铸造倾向于糊状凝固的合金铸件时，如锡青铜和球墨铸铁等，应采用适当的工艺措施，减小其凝固区。2．铸造合金的收缩从浇注、凝固、直至冷却至室温的过程中，铸造合金的体积或尺寸会缩减的现象为收缩，收缩是合金的物理属性。但铸造合金的收缩给铸造工艺带来许多困难，是形成缩孔、缩松、变形和裂纹等多种铸造缺陷的根本原因。铸造合金从浇注到铸型开始到冷却至室温，经历了三个收缩阶段：（1）液态收缩液态合金从浇注温度冷却到液相线温度之间的收缩为液态收缩。其表现为铸型内液态合金的液面下降。（2）凝固收缩从液相线温度到固相线温度之间的收缩为凝固收缩。共晶成分的合金或纯金属，是在恒温下结晶，凝固收缩较小。而有一定结晶温度范围的合金，随其结晶温度范围的增大，凝固收缩增大。以上两个阶段的收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。（3）固态收缩自固相线温度至室温间的收缩为固态收缩。总之，以上三个阶段收缩之和为铸造合金总收缩。由于液态收缩和凝固收缩主要表现为合金体积的缩减，常用体收缩率，即单位体积的收缩量来表示。而合金的固态收缩主要表现铸件各方向上尺寸的缩小，常用线收缩率，即单位长度上的收缩量来表示。3．缩孔与缩松（1）缩孔和缩松的形成浇入铸型中的液态合金，在随后的冷却和凝固过程中，若其液态收缩和凝固收缩引起的容积缩减得不到补充，则在铸件上最后凝固的部位形成一些孔洞。其中容积较大的孔洞叫缩孔，细小且分散的孔叫缩松。1）缩孔一般出现在铸件上部或最后凝固的部位，形状多呈倒圆锥形，内表面粗糙，通常隐藏在铸件的内层，如图3.6e）所示。结晶温度范围愈窄的铸造合金，愈倾向于逐层凝固，也就愈容易形成缩孔。如图3.6a）所示。首先液态合金充满铸型，由于铸型的冷却作用，使靠近铸型表面的一层液态合金很快凝固，而内部仍然处于液态如图3.6b）所示；随着铸件温度的继续下降，外壳的厚度不断加厚，内部的液态合金因自身的液态收缩和补充外壳的凝固收缩，使其体积减小，从而引起液面下降，使铸件内部出现空隙如图3.6c）所示。如此下去，铸件逐层凝固，直到完全凝固，在其上部形成缩孔如图3.6d）所示；继续冷却至室温，固态收缩会使铸件的外形尺寸略有缩小，如图3.6e）所示。总之，铸造合金的液态收缩和凝固收缩愈大，缩孔的体积就愈大。2）缩松缩松是铸件最后凝固的区域没能得到液态合金的补造成的分散、细小的缩孔。根据的分布形态，缩松分为宏观缩松和微观缩松两类：i）宏观缩松指用肉眼或放大镜可以看到的细小孔洞。通常出现在缩孔的下方，如图3.7所示。ii）微缩缩松是指分布在枝晶间的微小孔洞，在显微镜下才能看到。这种缩松的分布面更大，甚至遍及铸件整个截面，也很难完全避免。对于一般铸件也不作为缺陷对待，除非一些对致密性和机械性能要求很高的铸件。总之，倾向于逐层凝固的合金，如纯金属、共晶成分的合金或结晶温度范围窄的合金，形成缩孔的倾向大，不易形成缩松；而另一些倾向于糊状凝固的合金如结晶温度范围宽的合金，产生缩孔的倾向小，却极易产生缩松。因此缩孔和缩松可在一定范围内互相转化。（2）缩孔和缩松的防止采用适当的工艺措施，使铸件实现“顺序凝固”，即可获得无缩孔的铸件。所谓顺序凝固是指，采用一些适当的工艺措施，使铸件远离冒口或浇口的部位最先凝固，如图3.8中的部位I，其次是铸件部位II和部位III相继凝固，最后是冒口自身的凝固。这样，铸件最先凝固部位I的由冷却和凝固引起的体积缩减，可由较后凝固的部位II的液态合金补充；部位II的收缩由部位III的液态合金补充；最后部位III的收缩由冒口中的液态合金来补充，使铸件各部位的收缩均能得到补充，将缩孔转移至冒口中。去除冒口，获得致密的铸件。为了实现顺序凝固，除在铸件的厚大部位安放冒口外，还可以采用其它一些辅助措施，如：i）安放冷铁如图3.9所示，由于铸件上容易产生缩孔的厚大部位即热节不止一个，仅靠铸件顶部的冒口补缩，难以保证铸件底部厚大部位不出现缩孔。为此，在该处设置冷铁，以加快其冷却速度，使其最先凝固，以实现自下而上的顺序凝固。由此可知，冷铁的作用是加快铸件某处的冷却速度，以控制或改变铸件的凝固顺序。冷铁通常采用钢、铸铁或铜等制成。正确地确定铸件产生缩孔或缩松的位置，是合理安放冒口和设置冷铁的依据。通常采用“凝固等温线法”和“内切圆法”近似地确定缩孔的位置，如图3.10所示。凡是等温线未穿过的区域和内切圆的直径最大处，即为易出现缩孔的热节。ii）设置补贴对于一些壁厚均匀的铸件，如图3.11所示，采用顶部设冒口和底部安放冷铁的工艺措施后，也难以保证其垂直壁上不出现缩孔和缩松。因此，需在其立壁上增加补贴即一个楔形厚度，使其形成一个从下而上递增的温度梯度，才能实现该铸件的顺序凝固。注意：安放冒口、增设冷铁和补贴，使铸件实现顺序凝固，可有效地防止铸件产生缩孔和缩松，但由于顺序凝固扩大了铸件各部分的温度差，增大了铸件产生变形和裂纹的倾向。因此顺序凝固主要应用于必须补缩的场合，如铝青铜件和铸钢件的生产上。而结晶温度范围很宽的合金，倾向于糊状凝固，发达的树枝晶布满了整个截面，使冒口的补缩通道严重受阻，即使采用顺序凝固也很难避免显微缩松的产生，因此应尽量采用近共晶成分或窄结晶温度范围的合金来生产铸件。第三节铸造内应力、变形和裂纹铸件完全凝固后便进入了固态收缩阶段，若铸件的固态收缩受到阻碍，将在铸件内部产生应力，称为铸造应力。它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。1．铸造应力的形成按照应力产生的原因，将铸造应力分为热应力和机械应力两种。（1）热应力热应力是由于铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同，使铸件各部分的收缩不同步而引起的。它在铸件落砂后仍然存在于铸件内部，是一种残留应力。1）残留热应力的形成现以框形铸件为例，分析残留热应力的形成过程。如图3.12中1)图所示的框形铸件