金屬材料的液態(tài)成型

1、第一章 金屬材料的液態(tài)成形1.1概述金屬的液態(tài)成型常稱為鑄造，鑄造成形技術(shù)的歷史悠久。早在5000多年前，我們的祖先就能鑄造紅銅和青銅制品。鑄造是應(yīng)用最廣泛的金屬液態(tài)成型工藝。它是將液態(tài)金屬澆注到鑄型型腔中，待其冷卻凝固后，獲得一定形狀的毛坯或零件的方法。在機(jī)器設(shè)備中液態(tài)成型件所占比例很大，在機(jī)床、內(nèi)燃機(jī)、礦山機(jī)械、重型機(jī)械中液態(tài)成型件占總重量的70%90%；在汽車、拖拉機(jī)中占50%70%；在農(nóng)業(yè)機(jī)械中占40%70%。液態(tài)成型工藝能得到如此廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗哂腥缦碌膬?yōu)點(diǎn)：（1）可制造出內(nèi)腔、外形很復(fù)雜的毛坯。如各種箱體、機(jī)床床身、汽缸體、缸蓋等。（2）工藝靈活性大，適應(yīng)性廣。液態(tài)成型件的大

2、小幾乎不限，其重量可由幾克到幾百噸，其壁厚可由0.5mm到1m左右。工業(yè)上凡能溶化成液態(tài)的金屬材料均可用于液態(tài)成型。對(duì)于塑性很差的鑄鐵，液態(tài)成型是生產(chǎn)其毛坯或零件的唯一的方法。（3）液態(tài)成型件成本較低。液態(tài)成型可直接利用廢機(jī)件和切屑，設(shè)備費(fèi)用較低。同時(shí)，液態(tài)成型件加工余量小，節(jié)約金屬。但是，金屬液態(tài)成型的工序多，且難以精確控制，使得鑄件質(zhì)量不夠穩(wěn)定。與同種材料的鍛件相比，因液態(tài)成型組織疏松、晶粒粗大，內(nèi)部易產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔等缺陷。其機(jī)械性能較低。另外，勞動(dòng)強(qiáng)度大，條件差。近年來(lái)，隨著液態(tài)成型新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料的不斷采用，使液態(tài)成型件的質(zhì)量、尺寸精度、機(jī)械性能有了很大提高，勞動(dòng)條

3、件到底改善，使液態(tài)成型工藝的應(yīng)用范圍更加廣闊。液態(tài)材料鑄造成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：（1）適應(yīng)性強(qiáng)，幾乎適用于所有金屬材料。（2）鑄件形狀復(fù)雜，特別是具有復(fù)雜內(nèi)腔的鑄件，成形非常方便。（3）鑄件的大小不受限制，可以由幾克重到上百噸。（4）鑄件的形狀尺寸，組織性能穩(wěn)定。（5）鑄造投資小、成本低，生產(chǎn)周期短。 液態(tài)材料鑄造成形技術(shù)也存在著某些缺點(diǎn)： 如鑄件內(nèi)部組織疏松，晶粒粗大，易產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔等缺陷；而外部易產(chǎn)生粘砂、夾砂、砂眼等缺陷。另外鑄件的力學(xué)性能低，特別是沖擊韌性較低。鑄造成形工藝較為復(fù)雜，且難以精確控制，使得鑄件品質(zhì)不夠穩(wěn)定。 鑄造成形技術(shù)的發(fā)展：（1）提高尺寸精度和表面質(zhì)量； （2）先進(jìn)

4、的造型技術(shù)及自動(dòng)化生產(chǎn)線； （3）高效、節(jié)能，減少污染； （4）降低成本，改善勞動(dòng)條件。 1.2 鋼鐵的生產(chǎn)過(guò)程鋼鐵的生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)由鐵礦石煉成生鐵、再由生鐵煉成鋼液并澆注成鋼錠的過(guò) 1.2.1 煉鐵 煉鐵在高爐中進(jìn)行，其過(guò)程為：將鐵礦石、焦碳和石灰石等按一定比例配成爐料，由加料車送入爐內(nèi)，形成料柱，加料完畢，將爐頂關(guān)閉。被熱風(fēng)爐加熱到9001200的熱風(fēng)，由爐壁上的風(fēng)口吹入高爐下部，使焦碳燃燒，產(chǎn)生大量的爐氣。炙熱的爐氣在爐內(nèi)上升，加熱爐料，并與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如圖所示為鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程。圖1.1 鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程示意圖高爐中發(fā)生的冶金反應(yīng)有： （1）還原反應(yīng)：將氧化鐵中的鐵還原。 （2）造渣反應(yīng)：

5、生成低熔點(diǎn)爐渣。 （3）滲碳反應(yīng)：生成碳含量較高，熔點(diǎn)較 低的鐵液。爐渣的密度小，浮在鐵液之上，爐渣和鐵液分別從高爐下部的出渣口和出鐵口排除爐外 煉鐵的產(chǎn)品有： 煉鋼生鐵用來(lái)煉鋼 鑄造生鐵用來(lái)鑄造1.2.2 煉鋼 煉鋼的主要任務(wù)是將生鐵中多余的碳和其它雜質(zhì)氧化成氧化物，并使其隨爐氣或爐渣一起去除。 間接氧化是煉鋼的主要反應(yīng)形式，即氧首先與鐵液發(fā)生氧化反應(yīng)，生成FeO，然后再通過(guò)FeO來(lái)氧化其它元素。 鋼的熔煉方法有：電爐煉鋼、轉(zhuǎn)爐煉鋼和平爐煉鋼。 煉好的鋼液，部分澆入連續(xù)鑄錠機(jī)，鑄成“鋼坯”直接用來(lái)軋制鋼材；部分澆注到鋼錠模內(nèi)鑄成一定形狀和尺寸的鋼錠。1.3 鑄造金屬熔煉 熔煉是液態(tài)金屬鑄造成

6、形技術(shù)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，與鑄件的品質(zhì)、生產(chǎn)成本、產(chǎn)量、能源消耗以及環(huán)境保護(hù)等密切相關(guān)。 1.2.1 金屬的熔煉 在熔煉中，多種固態(tài)金屬的爐料（廢鋼、生鐵、回爐料、鐵合金、有色金屬等）按比例搭配裝入相應(yīng)的熔爐中加熱熔化，通過(guò)冶金反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成具有一定化學(xué)成分和溫度的符合鑄造成形要求的液態(tài)金屬。 熔煉的要求： （1）保證金屬液的化學(xué)成分和材質(zhì)性能。 （2）保證金屬液有足夠的溫度(過(guò)熱)。 （3）保證金屬液的數(shù)量(質(zhì)量)。 （4）保證低能耗、低成本。 （5）保證低噪聲、低污染。 1.熔煉的分類 （1）按熔煉金屬分：鑄鐵熔煉、鑄鋼熔煉和有色金屬熔煉。 （2）按熔爐分：沖天爐熔煉、電弧爐熔煉、感應(yīng)電爐

7、熔煉、坩堝爐熔煉。 2.熔煉過(guò)程和熔煉爐 在高溫中熔煉，用耐火材料做熔爐的爐襯，用熔渣覆蓋在液態(tài)金屬表層，以防止液態(tài)金屬的氧化及溶入氣體。 爐襯分為：酸性爐襯和堿性爐襯。 酸性爐襯耐火粘土、石英砂組成。酸性爐襯堅(jiān)固和便宜，能量消耗低且產(chǎn)量較高。熔煉過(guò)程中造酸性渣，不能脘硫和脫磷。 堿性爐襯鎂砂筑成。熔煉過(guò)程中造堿性渣，具有一定的脫磷和脫硫能力。 （1）沖天爐熔煉 應(yīng)用極為廣泛，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備費(fèi)用少、電能消耗低、生產(chǎn)率高、成本低、操作和維修方便，并能連續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)等特點(diǎn)。 常用的為用焦（焦碳）沖天爐，也有非焦沖天爐(油、天燃?xì)獾?。 圖1.2 沖天爐 用焦沖天爐是由：底焦燃燒熱量交換冶金反應(yīng)，

8、三個(gè)基本過(guò)程組成。 金屬與爐氣、焦炭、爐渣相互接觸，發(fā)生一系列物理化學(xué)變化 冶金反應(yīng)，引起金屬液化學(xué)成分的變化。 圖1.3 焦碳沖天爐圖1.4 沖天爐工作過(guò)程原理圖 （2）電弧爐熔煉電弧爐是利用電極與金屬爐料之間電弧產(chǎn)生的熱能，通過(guò)輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流傳遞給爐料，加熱、熔化固體爐料，并使金屬液過(guò)熱，從而實(shí)現(xiàn)熔煉目標(biāo)的一種設(shè)備，主要用于鋼、鑄鐵的熔煉。圖1.5 電弧爐熔煉 （3）感應(yīng)電爐熔煉常用為無(wú)芯感應(yīng)電爐，其電流頻率為：工頻(50Hz)、中頻(75010000Hz)、高頻(10000Hz)。無(wú)芯感應(yīng)電爐工作時(shí)，爐襯外的感應(yīng)器線圈相當(dāng)于變壓器的原繞組，爐襯內(nèi)的金屬爐料相當(dāng)于副繞組，當(dāng)感應(yīng)線圈通以交

9、變電流時(shí)，則因交變磁場(chǎng)的作用，使短路連接的金屬爐料產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電流，電流流動(dòng)時(shí)，為克服金屬爐料表層的電阻面產(chǎn)生熱量，致使金屬爐料加熱熔化。 圖1.6 感應(yīng)電爐 （4）坩堝爐 坩堝爐分為：燃油、燃?xì)?、焦碳和電阻坩堝爐。主要用于有色金屬的熔煉，如銅合金、鋁合金、鎂合金、低熔點(diǎn)軸承合金等。 圖1.7 坩堝爐 常用的鑄鐵： （1）灰鑄鐵灰鑄鐵是因斷口呈灰色而得名，灰鑄鐵生產(chǎn)方便，成品率高，生產(chǎn)成本低，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種鑄鐵。在各種鑄鐵總產(chǎn)量中，灰鑄鐵占80%以上?；诣T鐵的組織特點(diǎn)是在基體上分布著片狀石墨。 （2）可鍛鑄鐵 可鍛鑄鐵又稱瑪鋼，是由鑄態(tài)白口鑄件經(jīng)熱處理而得到的一種高強(qiáng)度鑄鐵，其塑性

10、比灰鑄鐵好，其組織為鐵素體（或珠光體）基體上分布著團(tuán)絮狀石墨。可鍛鑄鐵實(shí)際上并不能鍛造。 （3）球墨鑄鐵 球墨鑄鐵的石墨呈球狀。其生成工藝是向鐵水中加入一定量的球化劑（如Mg、稀土元素等）進(jìn)行球化處理，并再加入少量的孕育劑（硅鐵）而制得。由于石墨呈球狀，它對(duì)基體的縮減作用和造成應(yīng)力集中都很少，使球墨鑄鐵具有很高的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性，并且鑄造性能好，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便，成本低廉，獲得廣泛的應(yīng)用。 1.3.2 澆注金屬熔化后，液態(tài)金屬通過(guò)澆注系統(tǒng)充填鑄型型腔的過(guò)程稱為澆注過(guò)程。1.澆注壓力 （1）高壓215MPa，適用于薄的截面且對(duì)品質(zhì)要求高的鑄件。 （2）低壓0.120.3MPa，金屬型鑄件。 （

11、3）重力（常壓）普通鑄件 2.澆注系統(tǒng)澆注系統(tǒng)是鑄型中液態(tài)金屬注入鑄型型腔的通道。澆注系統(tǒng)的主要功能： （1）將金屬液由澆包導(dǎo)入型腔。 （2）擋渣及排除鑄型型腔中的空氣及其它氣體。 （3）調(diào)節(jié)溫度分布，控制凝固順序。 （4）保證充型時(shí)間、壓力、速度。 澆注系統(tǒng)的組成: 澆口杯緩解金屬液沖蝕，阻擋熔渣。 直澆道有一定錐度以保證流速，排出空氣。 橫澆道將直澆道的金屬液分配至內(nèi)澆道。 內(nèi)澆道將金屬液引入型腔。 圖1.8 澆注系統(tǒng)圖1.9 澆注的形式 3.澆注后的冷凝 澆注入鑄型型腔的液態(tài)金屬，隨溫度的降低，將經(jīng)歷由液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程，即冷凝過(guò)程。冷凝是金屬材料一種重要的相變過(guò)程。 金屬的凝固過(guò)程包

12、括：晶核的形成和晶粒的長(zhǎng)大。 金屬的冷凝過(guò)程中，熔液體積收縮是導(dǎo)致鑄件在最后凝固部分產(chǎn)生縮孔、縮松的基本原因；而固態(tài)收縮是鑄件變形、產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和裂紋的主要原因。 在鑄型中，合理放置冒口和冷鐵以保證鑄件質(zhì)量，如圖所示。圖1.10 冒口的類型鑄型中能儲(chǔ)存一定金屬液，補(bǔ)償鑄件收縮以防止產(chǎn)生縮孔和縮松缺陷的空腔稱為冒口。 冒口的作用：補(bǔ)縮、集渣、通氣、排氣。 冒口的要求：凝固時(shí)間鑄件；金屬液足夠補(bǔ)縮量；補(bǔ)縮通道暢通。 1.4液態(tài)合金的工藝性能液態(tài)合金的工藝性能是指符合某種生產(chǎn)工藝要求所需要的性能。液態(tài)合金在鑄造生產(chǎn)過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的工藝性能，常稱為鑄造性能，鑄造性能是表示合金鑄造成形獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力

13、。鑄造性能是一個(gè)非常重要的工藝性能，對(duì)鑄件質(zhì)量、鑄造工藝及鑄件結(jié)構(gòu)有顯著的影響，通常用流動(dòng)性、收縮性等來(lái)衡量。合金的流動(dòng)性1. 流動(dòng)性的概念 液態(tài)合金充滿型腔，形成輪廓清晰、形狀完整的優(yōu)質(zhì)鑄件的能力，稱為液態(tài)合金的流動(dòng)性又叫做“充型能力”。液態(tài)合金的流動(dòng)性愈好，不僅易于鑄造出輪廓清晰，薄而形狀復(fù)雜的鑄件，而且有助于液態(tài)合金在鑄型中收縮時(shí)得到補(bǔ)充，有利于液態(tài)合金中的氣體及非金屬夾雜物上浮與排除。若流動(dòng)性不好，則易使鑄件產(chǎn)生澆不足、冷隔、氣孔、夾渣和縮松等缺陷。液態(tài)合金流動(dòng)性的好壞，通常以螺旋形流動(dòng)性試樣的長(zhǎng)度來(lái)衡量。如圖所示，將液態(tài)合金注入螺旋形試樣鑄型中，冷凝后，測(cè)出其螺旋線長(zhǎng)度。為便于測(cè)量，

14、在標(biāo)準(zhǔn)試樣上每隔50mm做出凸點(diǎn)標(biāo)記，在相同的澆注工藝條件下，測(cè)得的螺旋線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，合金的流動(dòng)性越好。常用合金的流動(dòng)性如表1所示。其中灰鑄鐵、硅黃銅的流動(dòng)性最好，鋁合金次之，鑄鋼最差。圖1.11 螺旋形標(biāo)準(zhǔn)式樣表1 常用鑄造合金的流動(dòng)性2. 影響流動(dòng)性的因素影響流動(dòng)性的因素很多，其中主要是合金的種類及化學(xué)成分、澆注溫度和鑄型的填充條件。（1）合金的種類及化學(xué)成分不同的合金，其流動(dòng)性有很大差異（見(jiàn)表1）對(duì)同種合金而言，化學(xué)成分不同，其流動(dòng)性不同。純金屬和共晶成分的合金是在恒溫下進(jìn)行結(jié)晶的，此時(shí)由鑄件斷面的表層向中心逐層凝固，以結(jié)晶固體層與剩余液體的界面比較清晰、平滑，對(duì)中心未凝固的液態(tài)金屬的流動(dòng)

15、阻力小，故流動(dòng)性最好。其它成分的合金是在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶的，即經(jīng)過(guò)液、固兩相共存區(qū)。該區(qū)中液相與固相界面不清晰，其固相為樹(shù)枝晶，它使固體層內(nèi)表面粗糙，增加了對(duì)液態(tài)合金流動(dòng)的阻力，因而流動(dòng)性差。合金的結(jié)晶溫度范圍愈寬，則液固兩相共存的區(qū)域愈寬，液態(tài)合金的流動(dòng)阻力愈大，故流動(dòng)性愈差。顯然，合金成分愈接近共晶成分，流動(dòng)性愈好。圖1.12所示為鐵碳合金的流動(dòng)性與含碳量的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，亞共晶鑄鐵隨含碳量的增加，結(jié)晶溫度范圍減小，流動(dòng)性提高。圖1.12 Fe-C合金流動(dòng)性與含碳量的關(guān)系（2）鑄型的特點(diǎn)鑄型材料的導(dǎo)熱速度愈大，使液態(tài)合金的冷卻速度加快，從而使流動(dòng)性變差。如液態(tài)合金在金屬型中的流動(dòng)性比在砂

16、型中差；鑄件壁厚過(guò)小，形狀復(fù)雜，會(huì)增加液態(tài)合金的流動(dòng)阻力，故會(huì)降低合金的流動(dòng)性。因此設(shè)計(jì)鑄件時(shí)，鑄件的壁厚必須大于規(guī)定的最小允許壁厚值。并力求形狀簡(jiǎn)單。型砂含水分多或鑄型透氣性差，會(huì)使?jié)沧r(shí)產(chǎn)生大量氣體且又不能及時(shí)排出，造成型腔內(nèi)氣體壓力增大，使液態(tài)合金流動(dòng)的阻力增加，從而降低合金的流動(dòng)性。因此提高鑄型的透氣性，減少型砂的水分，多設(shè)出氣口等，有利于提高液態(tài)合金的流動(dòng)性。（3）澆注條件澆注溫度愈高，液態(tài)合金的粘度愈低，保持液態(tài)的時(shí)間愈長(zhǎng)，故液態(tài)合金的流動(dòng)性提高。提高澆注溫度是生產(chǎn)中減少薄壁鑄件的澆不足、冷隔等缺陷的重要措施。但澆注溫度過(guò)高，鑄件易產(chǎn)生縮孔、縮松、粘砂、氣孔、粗晶等缺陷，在保證鑄件

17、薄壁部分能充滿的前提下，澆注溫度不宜過(guò)高。各種合金的澆注溫度范圍是：鑄鐵為12301450；鑄鋼為15201620；鋁合金為680780。薄壁復(fù)雜件取上限，厚大件取下限。1.4.2合金的收縮1.合金收縮的概念合金從澆注、凝固直至冷卻到室溫的過(guò)程中，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象，稱為收縮。收縮是合金的物理本性，是鑄件中縮孔、縮松、裂紋、變形、殘余應(yīng)力等缺陷產(chǎn)生的主要原因。液態(tài)金屬?gòu)臐沧囟壤鋮s到常溫，其收縮過(guò)程如圖所示的三個(gè)階段： 圖1.13 鑄造合金的收縮過(guò)程-液態(tài)收縮；-凝固收縮；-固態(tài)收縮（1）液態(tài)收縮 指合金從澆注溫度冷卻到液相線溫度時(shí)的收縮。（2）凝固收縮 指合金從液相線溫度冷卻到固相線溫度

18、時(shí)的收縮。（3）固態(tài)收縮 指合金從固相線溫度冷卻到室溫時(shí)的收縮。合金的總體積收縮為上述三個(gè)階段收縮之和。液態(tài)收縮和凝固收縮會(huì)引起型腔內(nèi)液面的下降，表現(xiàn)為合金體積的收縮，常用體收縮率表示。它們是鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松的基本原因。固態(tài)收縮一般直觀的表現(xiàn)為鑄件外形尺寸的減少，常用線收縮率表示。它是鑄件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋的基本原因。2.影響合金收縮的因素合金的收縮與其化學(xué)成分、澆注溫度、鑄件結(jié)構(gòu)和鑄型條件有關(guān)。（1）化學(xué)成分 碳鋼隨含碳量增加，凝固溫度范圍擴(kuò)大，收縮量隨之增大?；铱阼T鐵中碳、硅為促進(jìn)石墨化元素，當(dāng)其含量增加或碳以石墨形態(tài)存在的可能性愈大，則收縮量減小。因石墨密度小，比容大，抵消了灰口鑄

19、鐵的部分收縮，使其總的收縮量減?。欢璧K石墨化元素，硫會(huì)使收縮量增加?？傊煌暮辖?，化學(xué)成分不同，收縮率也不一樣。幾種鑄造合金的收縮見(jiàn)表2。 表2 幾種鑄造合金的鑄造收縮率（2）澆注溫度 澆注溫度愈高，過(guò)熱度愈大其液態(tài)收縮量增加，合金總的收縮率增大。（3）鑄型條件和鑄件結(jié)構(gòu) 鑄件在鑄型中是受阻收縮而不是自由收縮。其阻力來(lái)自鑄型和型芯；鑄件壁厚不同，壁在型內(nèi)所處的位置不同，其冷卻速度也不同，冷凝時(shí)，鑄件各部分相互制約也會(huì)產(chǎn)生阻力。這些都會(huì)影響合金的實(shí)際收縮率。3. 縮孔和縮松液態(tài)金屬在冷凝過(guò)程中，由于液態(tài)收縮和凝固收縮的結(jié)果，會(huì)在鑄件最后凝固的部位形成孔洞。容積大而集中的孔洞稱為縮孔；細(xì)小分

20、散的孔洞稱為縮松。（1）縮孔的形成 縮孔常產(chǎn)生在鑄件的厚大部位或上部最后凝固部位，常呈倒錐狀，內(nèi)表面粗糙?？s孔的形成過(guò)程如圖1.14所示。液態(tài)合金充滿鑄型型腔后（圖中a），由于鑄型的吸熱，液態(tài)合金溫度下降，靠近型腔表面的金屬凝固成一層外殼，此時(shí)內(nèi)澆道以凝固，殼中金屬液的收縮因被外殼阻礙，不能得到補(bǔ)縮，故其液面開(kāi)始下降（圖中b）。溫度繼續(xù)下降，外殼加厚，內(nèi)部剩余的液體由于液態(tài)收縮和補(bǔ)充凝固層的收縮，使體積縮減，液面繼續(xù)下降（圖中c）。此過(guò)程一直延續(xù)到凝固終了，在鑄件上部形成了縮孔（圖中d）溫度繼續(xù)下降之室溫，因固態(tài)收縮使鑄件的外輪廓尺寸略有減?。▓D中e）。純金屬和共晶成分的合金，易形成集中的縮孔

21、。圖1.14 縮孔的形成過(guò)程示意圖（2）縮松的形成 結(jié)晶溫度范圍寬的合金易形成縮松，其形成的基本原因與縮孔相同，也是由于鑄件最后凝固區(qū)域得不到補(bǔ)充而形成的?？s松的形成過(guò)程如圖1.15所示。當(dāng)液態(tài)合金充滿型腔后，由于溫度下降，緊靠型壁處首先結(jié)殼，且在內(nèi)部存在較寬的液固兩相共存區(qū)（圖中a）。溫度繼續(xù)下降，結(jié)殼加厚，兩相共存區(qū)逐步推向中心，發(fā)達(dá)的樹(shù)枝晶將中心部分的合金液分隔成許多獨(dú)立的小液體區(qū)（圖中b）。這些獨(dú)立的小液體區(qū)最后趨于同時(shí)凝固，因得不到液態(tài)金屬的補(bǔ)充而形成縮松（圖中c）?？s松分為宏觀縮松和顯微縮松兩種。宏觀縮松是用肉眼或放大鏡可以看出的分散細(xì)小縮孔。顯微縮松是分布在晶粒之間的微小縮孔，要

22、用顯微鏡才能觀察到，這種縮松分布面積更為廣泛，甚至遍布鑄件整個(gè)截面。圖1.15 縮松形成過(guò)程示意圖（3）縮孔和縮松的防止 縮孔和縮松都使鑄件的機(jī)械性能下降，縮松還可是鑄件因滲漏而報(bào)廢。因此，縮孔和縮松都屬鑄件的重要缺陷，必須根據(jù)技術(shù)要求、采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┯枰苑乐埂?shí)踐證明，只要能使鑄件實(shí)現(xiàn)“順序凝固”，盡管合金的收縮較大，也可獲得沒(méi)有縮孔的致密鑄件。所謂順序凝固，就是在鑄件上可能出現(xiàn)縮孔的厚大部位通過(guò)安放冒口等工藝措施，使鑄件上遠(yuǎn)離冒口的部位先凝固（如圖1.16中），爾后是靠近冒口部位凝固（圖中、），最后才是冒口本身的凝固。按照這樣的凝固順序，先凝固部位的收縮，由后凝固部位的金屬液來(lái)補(bǔ)充；后

23、凝固部位的收縮，由冒口中的金屬液來(lái)補(bǔ)充，從而使鑄件各個(gè)部位的收縮均能得到補(bǔ)充，而將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口之中。冒口為鑄件的多余部分，在鑄件清理時(shí)將其去除。圖1.16 順序凝固為了實(shí)現(xiàn)順序凝固，在安放冒口的同時(shí)，還可在鑄件上某些厚大部位增設(shè)冷鐵。（圖1.17）所示鑄件的熱節(jié)不止一個(gè)，若僅靠頂部冒口，難以向底部凸臺(tái)補(bǔ)縮，為此，在該凸臺(tái)的型壁上安放了兩個(gè)外冷鐵。由于冷鐵加快了該出的冷卻速度，使厚度較大的凸臺(tái)反而最先凝固，從而實(shí)現(xiàn)了自下而上的順序凝固，防止了凸臺(tái)處縮孔、縮松的產(chǎn)生，可以看出，冷鐵僅是加快某些部位的冷卻速度，以控制鑄件的凝固順序，但本身并不起補(bǔ)縮作用。冷鐵通常用鋼或鑄鐵制成。圖1.17 冷鐵的應(yīng)

24、用正確地估計(jì)鑄件上縮孔或縮松可能產(chǎn)生的部位是合理安設(shè)冒口和冷鐵的重要依據(jù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，常以畫(huà)“凝固等溫線法”和“內(nèi)切圓法”近似地找出縮孔的部位，如（圖1.18）所示。圖中等溫線未曾通過(guò)的心部和內(nèi)切圓直徑最大處，即為容易出現(xiàn)縮孔的熱節(jié)。圖1.18 縮孔位置的確定安放冒口和冷鐵，實(shí)現(xiàn)順序凝固，雖可有效的防止縮孔和縮松（宏觀縮松），但卻耗費(fèi)許多金屬和工時(shí)，加大了鑄件成本。同時(shí)，順序凝固擴(kuò)大了鑄件各部位的溫度差，促進(jìn)了鑄件的變形和裂紋傾向。因此，主要用于必須補(bǔ)縮的場(chǎng)合，如鋁青銅、鋁硅合金和鑄鋼件等。必須指出，對(duì)于結(jié)晶溫度范圍甚寬的合金，結(jié)晶開(kāi)始之后，發(fā)達(dá)的樹(shù)枝狀骨架布滿了整個(gè)截面，使冒口的補(bǔ)縮道路嚴(yán)

25、重受阻，因而難以避免顯微縮松的產(chǎn)生。顯然，選用近共晶成分或結(jié)晶溫度范圍較窄的合金生產(chǎn)鑄件是適宜的。1.4.3鑄造應(yīng)力、變形和裂紋1.鑄造應(yīng)力鑄件的固態(tài)收縮受到阻礙而引起的內(nèi)應(yīng)力，稱鑄造應(yīng)力。阻礙按形成的原因不同分為熱阻礙和機(jī)械阻礙。鑄件各部分由于冷卻速度不同、收縮量不同而引起的阻礙稱熱阻礙；鑄型、型芯對(duì)鑄件收縮的阻礙，稱機(jī)械阻礙。由熱阻礙引起的應(yīng)力稱熱應(yīng)力，由機(jī)械阻礙引起的應(yīng)力稱機(jī)械應(yīng)力（收縮應(yīng)力）。鑄造應(yīng)力可能是暫時(shí)的，當(dāng)引起應(yīng)力的原因消除以后，應(yīng)力隨之消失，稱為臨時(shí)應(yīng)力；也可能是長(zhǎng)期存在的，稱殘留應(yīng)力。（1）熱應(yīng)力 它是由于鑄件的壁厚不均勻、各部分的冷卻速度不一致，導(dǎo)致其收縮在同一時(shí)期內(nèi)不

26、相同，彼此相互制約而形成的。落砂后熱應(yīng)力仍存在于鑄件內(nèi)，是一種殘留鑄造應(yīng)力。為了分析熱應(yīng)力的形成，首先必須了解金屬自高溫冷卻到室溫時(shí)應(yīng)力狀態(tài)的改變。固態(tài)金屬在再結(jié)晶溫度以上的較高溫度時(shí)（鋼和鑄鐵為620650以上），處于塑性狀態(tài)。此時(shí)，在較小的應(yīng)力下就可發(fā)生塑性變形，變形之后應(yīng)力可自行消除。在再結(jié)晶溫度以下，金屬呈彈性狀態(tài)，此時(shí)，再應(yīng)力作用下將發(fā)生彈性變形，而變形之后應(yīng)力繼續(xù)存在。圖1.19 熱應(yīng)力的形成下面用（圖1.19 a）所示的框形鑄件來(lái)說(shuō)明熱應(yīng)力的形成過(guò)程。該鑄件由桿和桿兩部分組成，桿較粗、桿較細(xì)。當(dāng)鑄件處于高溫階段（圖中T0T1間），兩桿均處于塑性狀態(tài)，盡管兩桿的冷卻速度不同、收縮不

27、一致，但瞬時(shí)的應(yīng)力均可通過(guò)塑性變形而自行消失。繼續(xù)冷卻后，冷速較快的桿以進(jìn)入彈性狀態(tài)，而粗桿仍處于塑性狀態(tài)（圖中T1T2間）。由于細(xì)桿冷卻快，收縮大于粗桿，所以細(xì)桿受拉伸，粗桿受壓縮（圖中b），形成了暫時(shí)內(nèi)應(yīng)力，但這個(gè)內(nèi)應(yīng)力隨之便被粗桿的微量塑性變形（壓短）而消失（圖中c）。當(dāng)進(jìn)一步冷卻到更低溫度時(shí)（圖中T2T3間），已被塑性壓短的粗桿也處于彈性狀態(tài)，此時(shí)，盡管兩桿長(zhǎng)度相同，但所處的溫度不同。粗桿的溫度較高，還會(huì)進(jìn)行較大的收縮；細(xì)桿的溫度較低，收縮已趨停止。因此，粗桿的收縮必然受到細(xì)桿的強(qiáng)烈阻礙，于是，桿受壓縮，桿受拉伸，直到室溫，形成了殘余內(nèi)應(yīng)力（圖中d）。由此可見(jiàn)，熱應(yīng)力使鑄件的厚壁或心部

28、受拉伸，薄壁或表面受壓縮。鑄件的壁厚差別愈大，熱應(yīng)力愈大。預(yù)防熱應(yīng)力的基本途徑是盡量減少鑄件各部位間的溫度差，使其均勻的冷卻。為此，可將澆口開(kāi)在薄壁處，使薄壁處鑄型在澆注過(guò)程中的升溫較厚壁處高，因而可補(bǔ)償薄壁處的冷速快的現(xiàn)象。有時(shí)為增快厚壁處的冷速，還可在厚壁處安放冷鐵（圖1.20）。圖1.20 鑄件的同時(shí)凝固原則堅(jiān)持同時(shí)凝固原則可減少鑄造內(nèi)應(yīng)力、防止鑄件的變形和裂紋缺陷，又可不用冒口而省工省料。其缺點(diǎn)是鑄件心部容易出現(xiàn)縮孔或縮松，主要用于普通灰口鑄鐵、錫青銅等。這是由于灰口鑄鐵的縮孔、縮松傾向??；錫青銅的糊狀凝固傾向大，用順序凝固也難以有效地消除其顯微縮松缺陷。（2）機(jī)械應(yīng)力 它是合金的線收

29、縮受到鑄型或型心機(jī)械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力，如（圖1.21）所示。圖1.21 機(jī)械應(yīng)力 機(jī)械應(yīng)力使鑄件產(chǎn)生拉伸或剪切應(yīng)力，并且是暫時(shí)的，在鑄件落砂之后，這種內(nèi)應(yīng)力便可自行消除。但機(jī)械應(yīng)力在鑄型中可與熱應(yīng)力共同起作用，增大了某些部位的拉伸應(yīng)力，促進(jìn)了鑄件的裂紋傾向。2.鑄件的變形與防止殘余內(nèi)應(yīng)力使鑄件不同部位被拉伸或壓縮，好象被拉伸或壓縮的彈簧一樣，處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，有自發(fā)通過(guò)鑄件變形來(lái)緩解其應(yīng)力，以回到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。顯然，只有原來(lái)受拉伸的部分產(chǎn)生壓縮變形、受壓縮部分產(chǎn)生拉伸變形，才能使鑄件中的殘余應(yīng)力減少或消除。（圖1.22）所示為車床床身，其導(dǎo)軌部分因較厚而受拉應(yīng)力，床壁部分較薄而受壓應(yīng)力

30、，于是朝著導(dǎo)軌方向發(fā)生擾曲變形，使導(dǎo)軌呈內(nèi)凹。（圖1.23）為一平板鑄件，盡管其壁厚均勻，但其中心部分因比邊緣散熱慢而受拉應(yīng)力，其邊緣處受壓應(yīng)力。由于鑄型上面比下面冷卻快，于是該平板發(fā)生如圖所示方向變形。為防止鑄件產(chǎn)生變形，除在鑄件設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使鑄件的壁厚均勻、形狀對(duì)稱外，再鑄造工藝上應(yīng)采用同時(shí)凝固原則，以便冷卻均勻。對(duì)于長(zhǎng)而易變形的鑄件，還可采用“反變形”工藝。反變形法是在統(tǒng)計(jì)鑄件變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，在模樣上預(yù)先作出相當(dāng)與鑄件變形量的反變形量，以抵消鑄件的變形。圖1.22 床身導(dǎo)軌面的擾曲變形圖1.23 平板鑄件的變形實(shí)踐證明，盡管變形后鑄件的內(nèi)應(yīng)力有所減緩，但并未徹底去除，這樣的鑄件經(jīng)機(jī)械加

31、工之后，由于內(nèi)應(yīng)力的重新分布，還將緩慢地發(fā)生微量變形，使零件喪失了應(yīng)有的精確度。為此，對(duì)于不允許發(fā)生變形的重要機(jī)件必須進(jìn)行時(shí)效處理。自然時(shí)效是將鑄件置于露天場(chǎng)地半年以上，使其緩慢地發(fā)生變形，從而使內(nèi)應(yīng)力消除，人工時(shí)效是將鑄件加熱到550650進(jìn)行去應(yīng)力退火。時(shí)效處理宜在粗加工之后進(jìn)行，以便將粗加工所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力一并消除。3.鑄件的裂紋與防止根據(jù)裂紋形成的溫度范圍可將其分為冷裂和熱裂兩種。冷裂是鑄件處于彈性狀態(tài)時(shí)，鑄造應(yīng)力超過(guò)合金在該溫度下的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生的。他往往出現(xiàn)在鑄件受拉應(yīng)力的部位，特別是應(yīng)力集中之處，如尖角處以及縮孔、氣孔和渣眼附近。冷裂是在較低溫度下形成的，故表面具有金屬光澤或只呈輕

32、微的氧化色澤，斷口圓滑、干凈、且常穿過(guò)晶粒延伸到鑄件表面。復(fù)雜的鑄件以及灰鑄鐵、白口鑄鐵和高錳鋼等塑性差的材料易產(chǎn)生這類缺陷。要防止冷裂，主要是減少鑄造應(yīng)力，提高合金的力學(xué)性能。鋼和鑄鐵中的磷會(huì)使合金的沖擊韌性下降，脆性增加，是冷裂傾向增大。鋼液脫氧不良和非金屬夾雜物也會(huì)增加冷裂傾向。熱裂是鑄件在凝固過(guò)程中和固相線溫度附近形成的。此時(shí)結(jié)晶骨架已經(jīng)完成，但晶粒間還有少量液體，強(qiáng)度很低，其收縮時(shí)受到鑄型、型心等的阻礙，鑄件則產(chǎn)生熱裂。熱裂是在較高溫度下形成的，因此，斷口氧化嚴(yán)重，無(wú)金屬光澤，裂口往往沿晶界產(chǎn)生和發(fā)展，形狀曲折而不規(guī)則。鑄鋼件（特別是合金鋼件）、可鍛鑄鐵件和某些鋁合金鑄件容易產(chǎn)生這類

33、裂紋。要防止熱裂，減少鑄造應(yīng)力是關(guān)鍵，如合理設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)，提高砂型（芯）的退讓性；合理設(shè)計(jì)澆冒口系統(tǒng)；嚴(yán)格控制鑄鋼和鑄鐵中的含硫量；在易產(chǎn)生熱裂處設(shè)防裂筋等。鑄件的化學(xué)成分偏析化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。 （1）微觀偏析 微觀偏析指微小范圍內(nèi)的化學(xué)成分不均勻（一般在一個(gè)晶粒尺寸范圍內(nèi)）。 （2）宏觀偏析（區(qū)域偏析）宏觀偏析是指在較大尺寸范圍內(nèi)的成分不均勻，主要包括正偏析和逆偏析。 在實(shí)際生產(chǎn)中，鑄件斷面成分偏析極為復(fù)雜。往往以一種偏析為主，其他偏析同時(shí)存在。 1.5 鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及幾何形狀特征 在液態(tài)材料鑄造成形技術(shù)中，鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及幾何形狀是否合理，即結(jié)構(gòu)技術(shù)性是否良好，對(duì)鑄造零件的品

34、質(zhì)、生產(chǎn)率及成本等有較大的影響。 1.鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則 （1）必須針對(duì)不同的鑄造合金的性能、鑄造方法、產(chǎn)品多少和生產(chǎn)條件，綜合考慮合理的結(jié)構(gòu)。 （2）鑄件壁厚的變化對(duì)金屬的力學(xué)性能均有影響。 （3）鑄件的最小壁厚必須結(jié)合零件的復(fù)雜程度、尺寸大小、材料及制造技術(shù)來(lái)確定。 （4）簡(jiǎn)化模型設(shè)計(jì)。 （5）易于造型及合理確定分型面，盡量避免或減采用型芯，便于落砂清理。 （6）考慮澆注的特點(diǎn)。 （7）充分考慮材料的不同特性。 2.鑄件的結(jié)構(gòu)要素設(shè)計(jì)（1）鑄件的最小壁厚 在一定鑄造條件下，鑄造合金液能充滿鑄型的最小厚度稱為該鑄造合金的最小壁厚。 （2）鑄件的臨界壁厚 厚壁鑄件易產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷，不產(chǎn)生此類缺陷的最大壁厚稱為臨界壁厚。一般臨界壁厚取最小壁厚的3倍。 （3）鑄件的內(nèi)壁厚 為保證鑄件同時(shí)凝固，減少熱應(yīng)力，內(nèi)壁厚要小于外壁厚。 （4）鑄件壁的過(guò)渡和連接 采用逐漸過(guò)渡；連接應(yīng)避免交叉，以減少和分散熱節(jié)點(diǎn)。 （5）肋 為了增加鑄件的力學(xué)性能和減輕鑄件的質(zhì)量，消除縮孔和防止裂紋、變形、夾砂等缺陷，在鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大量采用肋。 設(shè)計(jì)肋時(shí)，要盡量分散和減少熱節(jié)點(diǎn)，避免多條肋互相交叉，肋與肋和肋與壁的連接處