第7章 金属材料的液态成形技术

一、内容提要

1．金属液态成形技术理论基础

1）铸造的成形原理、实质、工艺流程、特点与应用

铸造的成形原理：金属液态凝固成形。

铸造的实质：将熔融的金属（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的工艺方法。

铸造的工艺流程：铸造工艺方法有许多，但其基本工序及流程相同。

铸造的特点：

（1）适应性大（铸件形状、重量、合金种类都几乎不受限制）；

（2）成本较低；

（3）工序多，铸件质量不稳定，废品率高；

（4）力学性能较同样材料的锻件差。

铸造的应用：铸造毛坯主要用于受力不大，形状复杂（尤其是内腔复杂）或简单、质量较大的零件毛坯生产。

2）合金的铸造性能（液态成形性）

合金的铸造性能是合金在铸造生产中表现出来的工艺性能，主要包括流动性、收缩性、氧化吸气性等。合金的铸造性能直接影响铸件的质量，是铸造工艺设计的重要依据。

（1）流动性。合金的流动性即液态合金的流动能力，是合金本身的性能。它反映了液态金属的充型能力，但液态金属的充型能力除与流动性有关外，还与外界条件如铸型性质、浇注条件和铸件结构等因素有关，是各种因素的综合反映。

生产上要改善合金的充型能力可从以下几方面着手：

① 选择靠近共晶成分的趋于逐层凝固的合金；

② 提高浇注温度，延长金属液流动时间；

③ 提高充填压力；

④ 设置出气冒口，减少型内气体，降低金属液流动时的阻力。

（2）收缩性。这部分内容要掌握不同阶段的收缩对铸件质量的影响。弄清铸件的缩孔、缩松、内应力、变形和裂纹的形成原因及防止措施。

① 缩孔、缩松形成于铸件的液态收缩和凝固收缩的过程中。对于逐层凝固的合金，由于固液两相共存区很小甚至没有，液固界面泾渭分明，已凝固区域的收缩就能顺利得到相邻液相的补充，如果最后凝固处的金属得不到液态金属的补充，就会在该处形成集中缩孔。适当控制凝固顺序，让铸件按远离冒口部分最先凝固，然后朝冒口方向凝固，最后才是冒口本身的凝固（即顺序凝固），就把缩孔转移到最后凝固部位——冒口中去，而去除冒口后的铸件则是所要的致密铸件。

具有宽结晶温度范围，趋于糊状凝固的合金，由于液固两相共存区很宽甚至布满整个断面，发达的枝状晶彼此相互交错而把尚未结晶的金属液分割成许多小而分散的封闭区域，当该区域内的金属液凝固时，收缩得不到外来金属液的补偿，而形成了分散的小缩孔，即缩松。这类合金即使采用顺序凝固加冒口的措施也很难彻底消除缩松缺陷。因此，对于气密性要求不高，且要求内应力小的场合可采用同时凝固措施来满足要求。

② 铸件内应力主要是由于铸件在固态下的收缩受阻而引起的。这些阻碍包括机械阻碍和热阻碍。

机械阻碍引起的内应力容易理解，如型芯、铸型或浇冒口等对铸件收缩的阻碍。这样产生的应力是暂时性的，一旦机械阻碍消除，应力便自行消失。

热应力则较难理解，它与铸件结构有关。壁厚不均的铸件，冷却过程中各部分冷速不一，薄壁部分由于冷速快，率先从塑性变形阶段进入弹性变形阶段。此时，由于厚壁部分仍处于塑性变形阶段，厚、薄两部分之间不会产生应力；当厚壁部分从塑性变形阶段进入弹性变形阶段进行弹性收缩时，由于这两部分为一整体，厚壁部分的弹性收缩必然受到薄壁部分的弹性阻碍，为维持它们共同的长度，厚壁部分受到薄壁部分对它的拉应力，而薄壁部分则受到相反的力——压应力。因此，必须尽量使铸件壁厚均匀，避免金属局部积聚，以减小热应力。

铸件的内应力将导致铸件发生变形，甚至开裂。因此应正确设计铸件结构，合理地制订铸造工艺。

在这里要指出顺序凝固原则对逐层凝固合金来讲，可消除缩孔缺陷。但由于铸件各部分温差较大，而易产生热应力，因此在决定铸件结构和铸造工艺时，应抓住主要矛盾，采取相应措施。

（3）偏析和氧化吸气性。偏析和氧化吸气性也会影响到铸件质量，应有所了解。

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、经济性等等因素的影响，目前常限于在铸造性能相对较好的金属材料间进行铸件生产。

2．常用液态成形技术或铸造工艺方法

工业上实现金属材料的“液态成形”的方法或技术即铸造，其工艺方法有许多，这些铸造工艺的成形原理都相同，它们之间的不同点是在实现或完成某个或某些过程或工序（尤其是制备铸型）时的手段或方法不同而已。

1）砂型铸造（以砂质材料为主制作铸型的铸造工艺）

制作铸型即造型（制芯）是砂型铸造关键且最基本的工序，其是否合理，对铸件质量和成本有着重要的意义。

① 手工造型。手工造型方法很多，如何合理地选择造型方法？应抓住怎样“起模”这个核心问题进行类比分析。根据铸件结构特点，使用要求、批量大小及生产条件，从简化造型，保证铸件质量，降低成本等方面综合比较，分析得出造型方法的合理方案。

② 机器造型。由机器来完成紧砂和起模这两个基本操作程序称为机器造型。震压式造型机最为常用，它可获得较均匀的紧实度。

③ 铸造工艺设计。为了获得健全的合格铸件，减小铸型制造的工作量，降低铸件成本，在砂型铸造的生产准备过程中，铸造工程师必须合理科学地制订出铸造工艺方案和进行铸造工艺设计。

铸造工艺设计的内容：浇注位置、分型面选择，型芯、工艺参数确定，浇冒口及冷铁的类型及位置确定等。

a.“浇注位置”选择应考虑符合铸件的凝固方式，避免产生铸造缺陷，保证铸件质量。

b.“分型面”的选择则主要考虑便于取模，工艺简便。浇注位置和分型面的选择是制定铸造工艺方案的第一步，直接影响到铸件质量、劳动生产率和铸件成本。教材中介绍的一些原则，不应作为教条看待，当有些原则相互矛盾时，应抓住主要矛盾，最后确定合理而先进的工艺方案。

c．在“加工余量”、“拔模斜度”、“铸造圆角”和“铸造收缩率”等工艺参数的确定中，应清楚地掌握零件、铸件和模型三者之间在形状和尺寸等方面的差别与联系。这三者的形状应相近，但铸件与零件相比要考虑加工余量、拔模斜度和铸造圆角等，而模型除了这些方面的考虑外，还需考虑铸造收缩率，型芯头形状等。

铸造工艺设计的内容最终表现在一张铸造工艺图上。这张图中确定了铸件的形状和尺寸，也规定了铸件的基本生产方法和工艺过程，如浇注位置、分型面选择、型芯、工艺参数确定、浇冒口及冷铁等的类型及位置等，应认真掌握。

④ 铸件结构设计。要明确铸件结构设计是在保证铸造零件的结构符合机械设备本身的使用性能及容易机械加工的前提下，为简化铸型工艺和防止铸造缺陷的产生而进行的铸件结构的合理化工作。应抓住两项基本工作：一是审查铸造零件结构是否符合铸造生产的工艺要求，并在不影响使用要求的前提下，进行改进；二是在既定的铸件结构条件下，研究分析在铸造生产过程中可能出现的主要缺陷，以便预先采取防止措施。铸件结构设计合理与否，对铸件的质量、生产率及其成本有很大的影响。铸件结构设计具体要求如下：

a．简化铸造工艺。简化铸造工艺，关键在于造型过程中，使铸件的轮廓结构形状能够给制模、造型（如起模）、制芯、安放型芯以及其他造型工艺（如少用砂箱）等带来方便。因此重点应放在铸件的外廓形状和内腔形状的要求上。

外廓形状上要求改进妨碍起模的凸面、侧凹面、突缘和筋板结构，使分型面尽量平直并且减少分型面数目。

内腔形状上，应考虑到形成内腔的砂芯的稳固地安放、方便的排气和清理。因此为达到这样的一些目的，常常开出一些工艺孔、采用芯撑等。

b．避免产生铸造缺陷。合理的结构设计，可避免产生铸造缺陷。首先对铸造缺陷产生的原因应该有比较清楚的了解，这就要求对前面的内容，特别是有关铸造性能的内容学得扎实。为保证铸造合金有一定的充型能力以避免冷隔、浇不足缺陷，铸件应有合理的壁厚；从防止铸件产生缩孔缺陷来考虑，应避免热节，有利于金属液的补缩；为减小应力，防止铸件变形、裂纹，应使铸件各部分冷速趋于一致，各部分截面能自由收缩；为防止夹砂等缺陷形成，应避免水平方向出现较大平面等。

当然，铸件结构是否合理，除与上述因素有关外，还与铸件的产量、铸造合金的种类、铸造方法和生产条件有着密切的关系，应当综合考虑。由于各种特种铸造方法有别于砂型铸造方法，因此各种特种铸造的铸件结构也理应有别于砂型铸造的铸件结构。例如对于壁厚设计，金属型铸造要求壁厚不宜过薄；而压铸件则是在高压作用下充型并冷凝，所以它的壁厚不宜太厚，并力求均匀；离心铸造中离心力与半径平方成正比，铸件内外壁的直径不宜相差太大，否则内外壁处的离心力相差太大；熔模铸造中，应力求壁厚均匀以减少缩孔缺陷。其他方面的设计原则与砂型铸造原则有类似之处，可根据各种铸造方法的特点来对比分析，从而得出正确的设计原则。

当然，就一个合理的铸件结构而言，它应同时满足上述几方面对其结构提出的要求。因而设计铸件结构应综合分析，反复比较，使之能够简化造型工艺过程，减少或防止铸件缺陷的产生，以达到优质、高产和低成本的目的。

2）特种铸造

各种特种铸造方法的引出应在分析砂型铸造的特点后，根据砂型铸造存在的问题，从而引申出各种不同于砂型铸造的特种铸造方法。这样就能更好地掌握各种铸造方法的特点，达到合理选择铸造方法的目的。

特种铸造的成形原理和基本作业模块与砂型铸造是相同的，它们之间的不同之处是实现或完成某个或某些工艺过程或工序（尤其是制备铸型）的手段、方法不同而已，这就使特种铸造的工艺方法较多，如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造和磁型铸造等。特种铸造中铸型具有用砂较少（甚至不用砂），采用特殊工艺装备，具有铸件精度和表面质量高、铸件内在性能好、原材料消耗低、工作环境好等优点。但铸件的结构、形状、尺寸、质量、生产批量等往往受到一定限制。

如果以金属型替代砂型用于铸造就形成了“金属型铸造”。通过金属铸型与砂型的比较，突出表现为金属型导热快。一方面导致晶粒细化，力学性能提高；另一方面冷速快又使铸件易产生浇不足和冷隔缺陷，因此金属型需预热和喷刷涂料。金属铸型还能反复使用，不用砂或少用砂，从而提高了生产率，改善了劳动条件。另外，金属型没有退让性，也不透气，因此，工艺上应采取开排气槽，控制铸件在铸型停留时间等。金属型生产的铸件比砂型铸件表面光洁，尺寸精度高。所有这一切都决定了金属型铸造适用于大批量生产的、具有较高质量要求的、中等复杂程度的有色金属件。

从金属型铸造中，可知道这种铸造方法生产的铸件壁厚不能太薄，如果对金属型铸造加以改进，让金属液在压力作用下充型并冷凝，就弥补了这样的缺陷，这种铸造方法就是“压力铸造”，它适宜于有色合金薄壁小铸件的大批量生产。但由于压铸高压、高速的特点，气体来不及析出而形成一些皮下气孔，因此压铸件不宜表面加工，也不宜热处理。

“离心铸造”是通过液体金属在离心力的作用下充型结晶而获得铸件的铸造方法。从而使它成为中空旋转体铸件的主要铸造方法之一。

如果用蜡模代替模样，再在蜡模的表面制作有一定强度的硬壳，熔去硬壳内的蜡模就形成了所需的型腔。这种铸造方法就是“熔模铸造”。从它的工艺流程可知，蜡模制取和硬壳的形成是熔模铸造的两大关键工序。它的特点是无分型面，铸件复杂程度以及铸造合金不限，尺寸精度高，表面粗糙度低，因而适合于尺寸精度高和表面粗糙度低的、难切削或少切削的复杂铸件。但从它的工艺过程可知，这种方法生产工序多，周期长，铸件不宜太大。

总之，各种铸造方法都有其自身的特点，有些铸造方法之间又有联系，它们都有其优缺点，不能认为某种方法最好，也不能说某种方法（包括砂型铸造）最差，必须根据铸件的大小、形状、结构特点、合金种类、质量要求、生产批量和成本以及生产条件等进行全面综合分析才能正确地选择铸造方法。砂型铸造尽管有许多缺点，但因其适应性最强，且设备通用，因此，仍是当前最基本的铸造方法。而特种铸造方法只是在一定条件下，才显示其优越性。

3．常用合金的铸件生产特点

要获得优质铸件，除了需要良好的铸型外，还需要适当温度的优质液态铸造合金。这部分内容以灰铸铁为主，介绍几种常用合金的生产特点。

1）铸铁件生产

铸铁件包括灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁等。应抓住这几种铸铁的组织特点，去分析它们的成分、铸造工艺和熔铸设备等，重点掌握它们的生产特点。表1-7-1列出常用铸铁成分、组织、工艺、熔炼等方面的特点。

2）铸钢件和有色金属铸件

分析铸钢件生产特点时，应紧紧围绕 Fe-Fe3C相图中钢的部分来进行。从相图中可知钢的熔点高，多数钢种结晶温度范围较宽，因而流动性差，并且冷却时收缩大，易氧化吸气。这些因素决定了钢的铸造性能很差，因此在型砂、铸造工艺等方面提出了更高的要求。常用的熔炼设备主要是电弧炉、工频炉。

至于有色合金铸件，如铜、铝及其合金，由于它们在熔炼过程中易氧化和吸气，可以在铸造工艺上应采取一定的措施，如采用平稳引入金属液的底注式浇注系统，坩埚炉熔炼等。

二、本章重点

（1）掌握铸造生产的原理、实质、特点与应用；

（2）熟悉合金铸造性能的流动性和收缩性；

（3）熟悉各种铸造方法的特点；

（4）弄懂铸件结构工艺性。