1-合金的铸造性能.ppt

§1 合金的铸造性能合金的铸造性能:是表示合金在铸造生产中所表现出来的工艺性能铸造性能:是合金的流动性、收缩性、偏析性和吸气性等性能 的综合体现其中流动性和收缩性对铸件的质量影响最大一 、合金的流动性和充型能力（一）合金的流动性1 概念 ：熔融金属的流动能力流动性好的合金： a 易于充满薄而复杂的铸型型腔，便于浇注出轮廓清晰 的铸件，减少浇不到、冷隔等缺陷 ； b 有利于液体金属中气体和非金属夹杂物的上浮和排出 ，减少气孔、夹杂缺陷的产生； c 有利于对合金冷凝过程中所产生的收缩进行补缩，减 少铸件中诸如缩孔、缩松及凝固后期所产生的热裂纹 等铸造缺陷 2 流动性的度量：（螺旋形流动性试样）铸铁的流动性最好，试样长度可达 1000mm； 铝硅合金的流动性次之，试样长度 可达800mm； 铸钢的流动性最差，其试样长度仅 为200mm3 流动性的影响因素： a 合金的种类； 铸铁流动性最好，硅黄铜、铝硅合金次之，铸钢的流动性最差 b 合金的化学成分和结晶特征： （1）纯金属和共晶成分的合金流动性好；凝固由铸件壁表面向中心逐层推进，凝固后的表面较平滑，对 未凝固合金液体的流动阻力较小，流动性好。

如图1-2a所示)（2）结晶温度范围越宽，流动性越差在一定凝固温度范围内结晶的亚共晶合金，凝固时铸件壁内存在一个较宽的既有液体又有树枝状晶体的两相区凝固温度范围越宽，则枝状晶体越发达，对金属流动的阻力越大，金属的流动性越差 (如图1-2b所示)粘度、结晶潜热、热导率等 c 合金的物理性能：（a）纯金属（b）结晶温度范围宽的合金 如：高铬耐热钢钢液因含较多的Cr2O3,使粘度显著 增大，流动性很差图1-2 不同结晶特征的合金的流动性（二）合金的充型能力1 充型能力：液态合金充满铸型型腔，获得形 状完整、轮廓清晰铸件的能力2 充型能力的影响因素：合金的流动性；铸型填充条件；浇注条件； 铸件结构1）合金的流动性对充型能力的影响最大，流动性 越好，充型能力越强；（2）铸型填充条件对充型能力有着显著的影响；1）铸型的蓄热能力：铸型从金属液中吸收和储存热 量的能力铸型的热导率和质量热容越大，对液态 合金的激冷作用越强，合金的充型能力就越差 如：金属型铸造较砂型铸造容易产生浇不到等缺陷 2）铸型的温度：提高铸型温度，减少铸型和金属液 之间的温差，减缓了冷却速度，可提高合金液的充 型能力3）铸型中的气体：在金属液的热作用下，型腔中的 气体膨胀，型砂中的水分汽化，有机物燃烧，都将增 加型腔内的压力，如果铸型的透气性差，将阻碍金属 的充填，导致充型能力下降。

3）浇注条件：浇注温度； 充型压力；浇注系统结构1）浇注温度：对合金的充型能力有着决定性的影响一定温度范围内，温度↑充型能力↑适宜的浇注温度：铸铁 1230～1380℃铸钢 1520～1620 ℃铝合金 680～780 ℃2）充型压力： 液态合金在流动方向上所受到的压力越大，其充型能力越好 砂型铸造时，增加直浇道的高度可有效地提高充型能力；直浇道高度应大于200mm；特种铸造时，采用人为加压的方法使充型压力增大，充型 能力提高浇注系统结构：浇注系统结构越复杂，流动阻力越大，充型 能力就越低 （4）铸件结构：对充型能力有着相当的影响铸件壁厚过小，壁厚急剧变化，结构复杂，有大的水平面 时，都会影响合金的充型能力3 提高充型能力的措施 ：设计铸件时，尽量选用流动性好的合金；提高浇注温度，加高直浇道，扩大内浇口截面积；烘干铸型，增大出气口；改进铸件结构二、合金的凝固与收缩浇入铸型的金属液在其后的冷却凝固过程中，体积将会 缩减，如果这种收缩得不到及时地补足，将在铸件中产 生缩孔或缩松缺陷铸件中的热裂、析出性气体、偏析、非金属夹杂等缺陷 也都与合金的凝固过程有着密切的关系一）铸件的凝固方式及影响因素KAGPSECFFe3CFeQ 0 0.77 2.11 4.3 6.69 W C（%）℃ 温 度LAFPLdL+AL+Fe3CA+FD凝固：金属和合金由液态转变为固态的过程。

凝固是晶体在液体中从无到有，由小变大的过程 凝固亦称结晶 结晶过程是一个由生核和长大两个过程交错重叠组合而成的过程A+Fe3C1.铸件的凝固方式：铸造合金大都在一定温 度范围内（状态图中的液相线到固相线之 间）结晶凝固凝固过程中，一般存有三个区域，即液相 区、固相区和液固两相区（又称凝固区） 其中液固两相区对铸件质量的影响最显著 根据液固两相区的宽窄划分铸件的凝固方式逐层凝固方式糊状凝固方式中间凝固方式凝固方式的影响因素：合金凝固温度范围；铸件温度梯度铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和 尺寸缩减的现象称为收缩收缩是铸造合金的物理性能，是多种铸造缺陷（ 缩孔、缩松、残余内应力、变形、裂纹）产生的 基本原因二）铸造合金的收缩收缩的形式和度量：铸造合金从浇注、凝固、冷却到室温的过程中，其收 缩经历三个阶段：液态收缩 凝固收缩 固态收缩1.液态收缩：金属在液态时由于温度降低而 发生的体积收缩液态收缩表现为型腔内液面的降低，合金 液体的过热度越大，则液态收缩也越大 为减小合金的液态收缩及吸气，兼顾充型 能力，铸造合金的浇注温度一般控制在高 于液相线50℃-150℃。

液态收缩是铸件产生缩孔缩松的基本原因之一1)(2)图中的AB段，从浇注温度到 开始凝固温度ABC D 时间℃此阶段的收缩通常用体积收缩 率( )来表示：2.凝固收缩：熔融金属在凝固阶段的体积收缩 • 图中的BC段，从凝固开始温度 到凝固结束温度•凝固收缩通常也用体积收缩率( )来表示• 纯金属及恒温结晶的金属，其凝固收缩单纯由于 液-固相变引起； • 具有一定结晶温度范围的合金，除了液-固相变引 起的收缩之外，还有因凝固阶段温度下降产生的 收缩ABC D 时间℃凝固收缩也是铸件产生缩孔缩松的基本原因之一3.固态收缩：金属在固态由于温度降低而发生的体积收缩 •图中的CD段，即从凝固终了冷却 到室温的收缩 •固态收缩通常用线收缩率( )来表示•液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔缩松的基 本原因； •固态收缩（固态体积收缩）表现为三个方向线 尺寸的缩小，即三个方向的线收缩 •线收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是 铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因 ABC D 时间℃•合金的总体积收缩为液态收缩、凝固收缩和固态收缩之和 灰铸铁的收缩最小，而铸钢和白口铸铁的收缩最大 。

三）影响收缩的因素：主要有合金的化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件 1.化学成分：不同成分的合金其收缩率也不相同原因：灰铸铁结晶时所含碳大多以石墨形态析出，石 墨质量体积大，使铸铁体积膨胀（每析出质量分数为 1%的石墨，铸铁的体积约增加2%），因而抵消了一 部分收缩 因此，凡有利于石墨形成的元素都将减小铸铁的收缩 2.浇注温度：合金浇注温度越高，过热度越大，液体 收缩越大3.铸件结构和铸型条件：铸件冷却收缩时，因形状、尺寸的不同， 各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致， 且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩 的阻力，所以，铸件的实际收缩率总是小于 其自由收缩率这种阻力越大，铸件的实际 收缩率就越小四）收缩对铸件质量的影响1.缩孔和缩松：铸件凝固过程中，其液态收缩 和凝固收缩所减少的体积如果得不到及时的 补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔 洞 大而集中的孔洞叫缩孔； 细小而分散的孔洞叫缩松缩孔和缩松的形成，降低了铸件的力学性能 和气密性，严重时可能使铸件成为废品1）缩孔的形成：缩孔总是出现在铸 件上部或最后凝固的部位外形特征： 内表面粗糙，形状不规则，多近于倒圆 锥形通常缩孔隐藏于铸件的内部，有时经切 削加工才能暴露出来。

纯金属和接近共晶成分的金属易形成缩 孔圆柱形铸件缩孔形成过程如图1-6所示图a所示，液态金属充满铸型型腔，降温时发生 液态收缩，其减小的体积可以从浇注系统中得 到补偿图b所示，由于铸型的吸热，靠近型腔表面的金 属率先凝固结壳，此时内浇道被冻结 图c所示，体系向外界散失热量，凝固层加厚， 但封闭于硬壳内的液态金属因液态收缩和补充凝 固层的凝固收缩，体积减小，液面下降，硬壳内 出现空隙 图d所示，铸件凝固依次进行，硬壳层逐渐加厚 ，液面不断下降此时若下降的液面得不到液体 金属的补足，当铸件全部凝固后，在其上部形成 一个倒圆锥形的孔洞——缩孔 图e所示，已形成缩孔的铸件继续冷却到室温时 ，由于固态收缩，铸件的外形轮廓有所减小，缩 孔的体积也有所减小，但缩孔体积与铸件体积的 比值保持不变，缩孔被保留下来 缩孔形成的主要原因是液态收缩和凝固收缩2）缩松的形成：缩松是分散在铸件某区域内的 细小孔洞，可分为宏观缩松和显微缩松两种，如 图1-7所示宏观缩松多 分布在铸件 最后凝固的 部位显微缩 松存在 于晶粒 之间的 微小孔 洞宏观缩松多分布在铸件最后凝固的部位 ，如铸件的中心轴线处或缩孔的下方， 用肉眼或借助于放大镜可以看出；显微缩松则是存在于晶粒之间的微小孔 洞，这种缩松的分布面积更为广泛，有 时遍及整个截面，只有借助显微镜才能 观察出来。

缩松的形成过程是在铸件结晶后期，其厚大截面 的内部，尤其是凝固温度范围较宽的合金有一个 较宽的液固两相区，继续凝固时，晶体不断长大 ，直到互相接触的固体将液相分割成许多封闭的 小区，封闭区内的金属液凝固收缩时无法得到补 充，最后形成一个个微小的分散孔洞，即缩松缩松形成的主要原因也是液态收缩和凝固收缩不同的铸造合金形成缩孔和缩松的倾向不同： • 纯金属和共晶成分的合金倾向于逐层凝固方式， 容易产生集中的缩孔； • 凝固温度范围较宽的合金，如白口铸铁，则倾向 于糊状凝固方式，容易产生分散的缩松3)缩孔、缩松的防止措施：1)采用定向凝固的原则 使铸件按规定方向从一部分 到另一部分逐渐凝固的过程 因为铸件中的缩孔总是出 现在最后凝固的部位，采取 工艺措施，在铸件最后凝固 的部位加设冒口使铸件从 远离冒口的部分到冒口之间 建立一个逐渐递增的温度梯 度，从而实现由远离冒口的 部位向冒口的方向定向地凝 固，如图1-8所示冒口是指铸型中储 存供补缩用熔融金 属的空腔，也指该 空腔中充填的金属图1-9 冒口、冷铁的作用冷铁冷铁冒 口冒 口•为了实现定向凝固， 在设置冒口的同时还 可在铸件的某些厚大 部位设置冷铁，加大 局部冷却速度，从而 控制整个铸件的凝固 顺序，使可能产生的 缩孔向冒口方向转移 ，如图1-9所示。

2)合理确定铸件的浇注位置、内浇道位置 及浇注工艺 •铸件的浇注位置要符合铸件的凝固原则；当铸件的壁厚不均匀，需要补缩时，应从定 向凝固的原则出发，将铸件的厚大部位放到 上面或侧面，以便安放冒口进行补缩 •内浇道的位置对铸件各部分的温度分布影响 极大，应尽量使内浇道开设在铸件的厚壁处 或靠近冒口，以加强铸件的定向凝固和冒口 的补缩作用； •合理选择浇注温度和浇注速度在不增加其它缺陷的前提下，尽量降低浇注 温度和浇注速度，以减少金属的液态收缩量 2.铸造应力、变形和裂纹： 在铸件的凝固以及以后的冷却过程中，随温度的 不断降低，收缩不断发生，如果这种收缩受到阻 碍，就会在铸件内产生应力，引起变形或开裂， 这种缺陷的产生，将严重影响铸件的质量 （1）铸造应力的产生（铸造应力按其产生的原 因可分为三种）1）热应力：铸件在凝固和冷却过程中，不同部 位由于不均衡的收缩而引起的应力 若铸件的各部分壁厚不均匀，则各部分的冷却速 度不同，在同一时期内铸件各。