第一篇金属的液态成形-图文1.金属的液态成形(铸造)1.0概述将金属材料加热到高温熔化状态，然后采取一定的成形方法，待其冷却、凝固后获得所需金属制品，这种制造金属毛坯的过程称为金属的液态成形。
金属的液态成形除了铸造之外，还有液态模锻。
1.0.1铸造的定义铸造是指将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得所需形状、尺寸和性能的毛坯或零件的金属液态成形方法。
它是生产机器零件毛坯的主要方法之一。
1.0.2铸造的基本过程铸造生产的基本过程包括以下三个步骤：①根据零件的要求，准备一定的铸型；②把金属液体浇满铸型的型腔；③金属液体在铸型型腔中冷凝成形，获得一定形状和尺寸的铸件。
1.0.3铸造生产的特点铸造的实质就是液态金属(合金)逐步冷凝成形，具有以下特点：优点：①适应性广几乎所有金属及其合金，只要能够熔化成液态便能铸造，尤其是适合生产塑性差的材料。
②工艺灵活性大各种形状、尺寸(壁厚从0.5～1000mm、轮廓从几毫米至几十米)、重量(从几克～几百吨)和生产批量的铸件都能生产，能够制成如机床床身、箱体、机架、支座等具有复杂内腔的毛坯。
某些形状极其复杂的零件只能用铸造方法制造毛坯。
③省工省料铸件毛坯与零件形状相似，尺寸相近，加工余量小，金属利用率高，可以省工省料，精密铸件甚至不需切削加工，就可直接装配。
④生产成本低①铸件内部晶粒比较粗大，组织疏松，容易产生气孔、夹渣等铸造缺陷，机械性能和可靠性不如锻件，尤其是冲击韧性较差，不宜制造受冲击或交变载荷作用的零件。
②生产过程比较复杂，工序多且一些工艺过程难以精确控制，铸件质量不稳定，废品率较高。
③工人劳动强度大，劳动条件差。
1.0.4铸造生产的发展历史我国是世界上最早掌握铸造生产的文明古国之一。
早在三千多年前，青铜铸器已有应用，二千五百多年前，铸铁工具也已相当普遍。
我国劳动人民对世界铸造业的三大贡献(三大铸造技术)：泥型铸造(砂型铸造)、铁型铸造(金属型铸造)、失蜡铸造(熔模铸造)。
新中国成立后，在型(芯)砂方面：快速硬化的水玻璃砂及各种自硬砂；在铸造合金方面：球墨铸铁及各种合金铸铁，“以铸代锻，以铁代钢”；在铸造设备方面：机械化、自动化的高压造型生产线；在新工艺、新技术方面：各种特种铸造方法及精密铸造方法广泛应用。
代表性范例：河南安阳武官村晚商遗址出土的司母戊大方鼎(重达875kg)、湖北大冶春秋铜矿遗址、湖北随县出土的战国曾侯乙编钟(一套共65件、总重2567kg)、山西太原晋祠铁人(北宋)河北沧州铁狮子(后周公元953年)重约40吨铜爵(商)四羊樽(商)铜斝(jia)(商)《吕氏春秋》、《周礼2考工记》、《天工开物》(明代宋应星)、《梦溪笔谈》(北宋沈括)1.1液态成形基础铸造生产中很少采用纯金属，而是使用各种合金。
铸造合金除应具有符合要求的机械性能和物理化学性能外，还必须考虑其铸造性能。
液态合金充填铸型的过程，简称充型。
合金的充型能力即是其铸造性能。
合金的铸造性能包括流动性、收缩性、吸气性、偏析等。
铸造性能是保证铸件质量的重要因素，是衡量各种铸造合金优异的重要标志。
如果合金熔化时，不易氧化，不易吸收气体；浇注时液态合金容易充满型腔；凝固时铸件不易产生缩孔，且化学成分均匀；冷却时铸件不发生变形和开裂，这样的铸造合金就被认为具有良好的铸造性能，易获得完整而优质的铸件。
1.1.1合金的流动性1.1.1.1流动性的概念流动性是指液态(熔融)金属的流动能力。
它是影响液态金属充型能力的主要因素之一，也是合金的主要铸造性能之一。
合金流动性越好，充型能力越强，越容易获得轮廓细致清晰、薄壁而形状复杂的铸件；同时，有利于非金属夹杂物和气体的上浮排除；还有利于对合金冷凝过程中所产生的图1-1测定合金流动性的螺旋试样收缩进行补缩。
流动性较差的铸造合金则易产生浇不足、冷隔及夹渣、气孔等铸造缺陷。
1.1.1.2合金流动性的测定合金的流动性可用螺旋试样测定法进行测定。
将液态合金浇入螺旋线形的铸型型腔中，所得的螺旋试样的长度就代表其流动性的好坏。
显然，在相同的铸型及浇注条件下，浇出的螺旋试样越长，则表示该合金的流动性越好。
在常用铸造合金中，铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金次之，铸钢最差。
表1-1几种铸造合金的流动性合金种类铸铁：wC+Si=6.2%5.9%5.2%5.0%4.2%铸钢：wC=0.4%wC=0.4%铝硅铝明镁合金锡青铜ZQSn10-2ZQSn3-7-5-1硅黄铜砂型砂型1300铸型种类浇注温度/℃螺旋线长度/mm180013001000800600100200400700～800400～6004201951000砂型金属型（预热300℃）砂型16001640680680～720700104098011001.1.1.3影响流动性的因素影响合金流动性的因素很多，其中化学成分的影响最为显著。
⑴化学成分合金的结晶特性对流动性影响很大：结晶温度范围窄的合金流动性好，故纯金属和共晶成份合金流动性好；结晶温度范围宽的合金流动性差，故远离共晶成分的亚共晶和过共晶合金流动性差。
C、Si含量越高，越接近共晶成分，流动性越好；P也可提高流动性，但易引起冷脆；S、Mn则会降低流动性。
⑵浇注条件①浇注温度在一定范围内，浇注温度越高，合金保持液态的时间越长，且使金属液粘度降低，其中的杂质易于上浮或溶解，减少了内摩擦。
同时液态合金过热度越高，传给铸型的热量越多，铸型与金属液的温差越小，故合金流动性好，充型能力强。
但浇注温度过高，液态合金收缩增大，吸收气体多，氧化严重，流动性反而会下降，铸件易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔等缺陷。
因此在保证流动性的前提下，浇注温度应尽可能低一些。
但对于形状复杂的薄壁件或流动性较差的合金可适当提高浇注温度，以防止浇不足、冷隔等缺陷。
生产中每种合金都有一定的浇注温度范围：铸钢为1520℃～1620℃，铸铁为1230℃～1450℃，铝合金为680℃～780℃。
薄壁复杂件取上限，厚壁件取下限。
②充型压力液态合金在流动方向上所受压力越大，其流动性越好，充型压力也越强。
砂型铸造时，可采用增加内浇口截面、直浇口高度或提高浇包位置等方法，以提高充型压力，增加合金流动性；也可采用压力铸造、低压铸造、离心铸造等人工加压的方法，提高充型能力，增加合金流动性。
③浇注系统的结构浇注系统的结构越复杂，流动的阻力就越大，流动性就越低。
故在设计浇注系统时，要合理布置内浇道在铸件上的位置，选择适当的浇注系统结构和各部分(直浇道、横浇道和内浇道)的横截面积。
⑶铸型填充条件液态合金充型时，铸型阻力将影响合金流动速度，而铸型与合金之间的热交换又将影响合金保持液态的时间。
因此，铸型的下列因素对充型能力有显著影响：①铸型蓄热能力(导热性)铸型材料的导热系数和比热越大，对液态合金的激冷能力越强，合金充型能力越差，流动性越差。
例如，金属型中的流动性比在湿砂型中低20%～25%，而湿砂型中的流动性比干砂型中低10%～20%。
②铸型温度(冷却速度)在金属型铸造和熔模铸造时，可将铸型预热。
由于减少了铸型和液态合金之间的温差，减缓了冷却速度，故增加了合金流动性，提高了充型能力。
③铸型透气性在高温液态合金的作用下，型腔中的气体膨胀，型砂中的水分汽化，煤粉和其它有机物的燃烧，将产生大量气体。
若铸型的透气性差，则型腔中气体压力增加，会阻碍液态合金充型。
⑷铸件结构铸件结构如壁厚、尺寸大小、复杂程度等，对充型能力也有较大影响。
当铸件壁厚过小，厚薄部分过渡面多，有大的水平面等结构时，都会降低金属液的流动性。
另外，液态合金的粘度、结晶潜热、导热系数等物理性能对流动性都有影响。
1.1.2铸件的凝固与收缩浇入铸型型腔的液态金属在冷凝过程中，如果其液态收缩和凝固收缩得不到补充，铸件将产生缩孔或缩松缺陷。
为防止上述缺陷产生，必须合理地控制铸件的凝固过程。
1.1.2.1铸件的凝固方式及其影响因素⑴凝固方式在铸件凝固过程中，其断面上一般存在着液相区、凝固区和固相区三个区域。
其中，对铸件质量影响最大的是液固两相共存的凝固区的宽窄。
①逐层凝固纯金属或共晶成分合金在凝固过程中因不存在凝固区，故断面上外层的固体和内层的液体由一条界限(凝固前沿)清楚地分开。
随着温度的下降，固体层不断加厚，液体层不断减少，直达铸件中心。
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，且铸件的温度分布较为平坦，则在凝固的某段时间内，铸件表面并不存在固体层，而是液、固并存的凝固区贯穿整个断面。
由于这种凝固方式与水泥的凝固类似，即先呈糊状而后固化，故称为糊状凝固。
③中间凝固大多数合金的凝固方式介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固。
铸件质量与其凝固方式密切相关。
一般说来，逐层凝固时，液态合金充型能力强，便于防止缩孔、缩松等铸造缺陷；糊状凝固的铸件则容易得到粗大疏松的组织。
⑵影响铸件凝固方式的因素影响凝固方式的因素主要是合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度①合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。
如砂型铸造时，低碳钢因结晶温度范围窄为逐层凝固，而高碳钢因结晶温度范围宽为糊状凝固。
②铸件的温度梯度当合金结晶温度范围一定时，凝固区域的宽窄取决于铸件内外层之间的温度梯度。
如果铸件的温度梯度由小变大，则其对应的凝固区会由宽变窄。
综上所述，趋向于逐层凝固的合金(如灰口铸铁、铝硅合金等)便于铸造，应尽量选用；当必须采用倾向于糊状凝固的合金(如锡青铜、铝铜合金、球墨铸铁等)时，可考虑采用适当的工艺措施(如选用金属型铸造)，以减小其凝固区域。
1.1.2.2铸件的收缩及其影响因素⑴收缩的定义：收缩是指铸造合金在冷却凝固过程中所产生的体积或尺寸缩小的现象。
收缩是金属及合金的物理特性。
合金的收缩会给铸造工艺带来许多困难，还会导致铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形等铸造缺陷。
⑵收缩的过程及收缩率液态金属从浇注温度冷却到室温的收缩过程分为以下三个阶段：表1-2合金收缩的三个阶段液态收缩（T＞T液）凝固收缩（T液＞T＞T固）固态收缩（T＜T固）是产生缩孔、缩松的基本原因是产生内应力、变形和裂纹的基本原因①液态收缩阶段从浇注温度到开始凝固温度之间的收缩，即液相线以上的收缩。
此阶段液态金属不发生状态和组织变化，收缩由温度下降引起，所以过热度越高，液态收缩率越大。
表现为型腔内金属液面的降低。
②凝固收缩(结晶收缩)阶段从开始凝固温度到终止凝固温度之间的收缩，即液相线到固相线之间的、液固共存的收缩。
收缩量包括：由液态转变为故态的体积收缩；从液相线到固相线温度下降引起的体积收缩；组织变化引起的体积收缩。
合金的结晶温度范围越大，凝固收缩率越大。
③固态收缩阶段从终止凝固温度到室温之间的收缩，即固相线以下的收缩。
