铸造是液态金属充填铸型型腔并在其中凝固和冷却的过程。液态金属的流动特性和凝固收缩特性直接影响着铸件的形成。同时,液态金属的流动特性和凝固收缩特性也是衡量其铸造性能的重要依据。

1.金属的充型能力

液态金属填充铸型的过程简称为充型。液态金属充填铸型型腔,获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力称为金属的充型能力。金属的充型能力和金属的流动性、浇注条件以及铸型等因素密切相关。

(1)金属的流动性

金属的流动性指液态金属本身的流动能力。金属的流动性越好,充型能力就越强,越易于获得轮廓清晰、薄壁复杂的铸件。同时,流动性好还有利于非金属夹杂物和气体的上浮与排除,有利于对金属冷凝过程所产生的收缩进行补缩。

金属的流动性主要与化学成分有关。纯金属和共晶成分的合金在恒定温度下结晶时,液态合金从表面逐层向中心凝固,由于液固相界面光滑,对液态金属流动的阻力小,流动性好。其他成分的合金均在一定温度范围内逐步凝固。由于有初生树枝状晶体使固液界面粗糙,阻碍合金液的继续流动,因此,具有一定结晶温度范围的合金流动性较差,且结晶温度范围越大,流动性越差。实际应用的合金材料中,为了保证材料具有高的机械性能,绝大多数合金都不是纯金属或共晶成分,因此,必须从浇注条件上保证充型能力。

(2)浇注条件

1)浇注温度。浇注温度对充型能力有决定性的影响。浇注温度越高,液态金属的黏度就越小,液态金属在铸型中保持流动能力的时间就越长,故充型能力也越强。反之,则充型能力越差。所以,液态金属在浇注时一般都要求一定的过热度。

2)浇注压力。液态金属在流动方向上所受的压力愈大,充型速度越快,充型能力就愈好。压力铸造、挤压铸造和半固态铸造就是利用这一原理。

3)铸型条件。铸型的温度越高、导热系数越小、蓄热系数越小则液态金属的充型能力越好。但是对凝固速度和合金的组织和性能会产生不利的影响。

此外,充型能力还受到铸件结构(如铸件的薄厚、大小和复杂程度等)的影响。

2.铸件的凝固与收缩

(1)凝固过程

金属液注入铸型后,按照传热学基本规律,与铸型型腔表面相接触的金属液将首先冷却结晶转变为固态。此时,金属形态由已结晶的外层固相区、未结晶的心部液相区以及两者之间的两相区(即凝固区)组成。随着热量不断从铸件中心向铸型传递,铸件内部温度不断降低,凝固区不断向液相区延伸,固相区不断扩大,直至液相全部消失为止,如图3-2所示。

图3-2　铸件凝固过程的典型区域及其对应的温度分布

TT——合金的平衡凝固温度,TG——合金的固相线温度

(2)凝固方式

在铸件凝固过程中,对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。铸件的“凝固方式”就是依据凝固区的宽窄来划分的,如图3-3所示。

①逐层凝固：纯金属或共晶成分合金在凝固中因不存在液、固两相并存的凝固区,故断面上外层的固体和内层的液体由一条界线(凝固前沿)清楚地分开,见图3-3(a)。随着温度的下降,固体层不断加厚,液体层不断减少,直到铸件的中心。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,且铸件截面上温度变化小,则在凝固的某段时间内铸件表面不存在固相层,液、固共存的凝固区贯穿整个断面,见图3-3(c)。这种凝固方式称为糊状凝固(或同时凝固)。

③中间凝固：大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间,称为中间凝固方式,见图3-3(b)。

图3-3　铸件的凝固方式与铸件质量的关系

通常,逐层凝固时合金的充型能力强,易获得内部致密的铸件,而糊状凝固时,难以获得内部致密的铸件。影响合金凝固方式的主要因素是合金的凝固温度范围和铸件凝固期间固、液相界面前沿的温度梯度。通常,合金凝固温度范围越小,铸件凝固期间固、液相界面前沿的温度梯度越大,则铸件凝固时越趋于逐层凝固;反之,合金凝固温度范围越大,铸件凝固期间固、液相界面前沿的温度梯度越小,则铸件凝固时越趋于糊状凝固。

(3)铸件的收缩

合金从浇注、凝固到冷却至室温的过程中,其体积或尺寸缩减的现象称为收缩。收缩是金属的物理本性。合金的收缩为铸造生产带来许多困难,是多种铸造缺陷产生的根源。(www.daowen.com)

在铸件形成的过程中,通常要经历如下3个阶段的收缩：

①液态收缩：从浇注温度到凝固开始温度间产生的收缩。

②凝固收缩：从凝固开始温度到凝固终止温度间产生的收缩。

③固态收缩：从凝固终止到室温间产生的收缩。

金属的液态收缩和凝固收缩主要表现为铸件体积的缩减,常用单位体积收缩量(体收缩率)表示。固态收缩不仅引起合金体积上的缩减,同时,还使铸件在尺寸上缩减,因此常用单位长度上的收缩量(线收缩率)来表示。

表3-1　砂型铸造时几种合金的铸造收缩率的经验值

(4)收缩对铸件质量的影响

①缩孔和疏松。金属液在铸型中冷却和凝固时,若液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充,则在铸件的厚大部位等最后凝固部位将形成一些孔洞,如图3-4所示。其中,在铸件中集中分布且尺寸较大的孔洞称为缩孔,分散且尺寸较小的孔洞称为疏松(缩松)。

图3-4　缩孔形成过程示意图

1.浇口 2.金属液 3.缩孔

缩孔和疏松都使铸件的机械性能降低,疏松还是造成铸件渗漏的重要原因。因此,缩孔和疏松都属于铸造缺陷,必须根据技术要求在制备过程中采取适当的工艺措施予以防止。

在实际铸件的生产中,通常采用顺序凝固的原则来避免铸件产生缩孔、疏松缺陷,如图3-5所示。所谓顺序凝固是指通过在铸件上可能出现缩孔的厚大部位安置冒口等工艺措施,使铸件上远离冒口的部位先凝固,而后是靠近冒口的部位凝固,最后是冒口本身凝固。按照这样的凝固方式,先凝固区域的收缩由后凝固部位的金属液来补充,后凝固部位的收缩由冒口中的金属液来补充,从而使铸件各个部位的收缩都能得到补充,而将缩孔移至冒口之中。冒口为铸件上多余的部分,在铸件清理时应将其去除。

图3-5　顺序凝固示意图

为了实现顺序凝固,在安放冒口的同时,还可以在铸件的某些厚大部位放置冷铁,以加大局部区域的凝固速度。对于如图3-6所示的铸件,在不设置冒口和冷铁时,将在两个局部厚大区域产生缩孔,见图3-6(a)。这种缩孔可以通过同时设置两个冒口或在顶部设置冒口、在侧面厚大部位放置冷铁来消除,见图3-6(b)和图3-6(c)。

图3-6　冒口及冷铁的作用

②铸造应力、裂纹和变形。在铸件的固态收缩阶段会引起铸造应力。按其形成原因,可分为机械应力、热应力和相变应力。

机械应力是由于铸件收缩受阻而产生的应力。热应力是由于铸件各部分冷却速度不一致、温度不一致,导致在同一时间内收缩不一致,因相互制约而产生的应力。当铸件中存在较大的铸造应力时,常会发生不同程度的变形来缓解铸造应力。因而铸造应力是引起铸件变形的根本原因。为防止铸件以及加工后零件的变形,除采用正确的铸造工艺外,在进行零件设计时,应该力求铸件形状简单、对称和薄厚均匀。此外,还应在铸造后及时进行退火热处理,充分消除铸造应力。当铸造应力过大时,还易在应力集中部位产生裂纹。

3.合金的偏析及吸气性

(1)合金的偏析。铸件各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。它影响铸件的性能和质量,进而影响其寿命和工作效果,必须减少和防止。偏析分为微观偏析和宏观偏析两类。前者指晶粒范围内的化学成分不均匀现象,有枝晶偏析、胞状偏析和晶界偏析,可通过高温扩散退火和晶粒化孕育处理而消除,后者是铸件各部位之间化学成分的差异,有正偏析、反(逆)偏析、重力偏析等,加快冷却速度或调整铸件各处的温度差及降低有害元素的含量等措施能防止产生宏观偏析。

(2)合金的吸气性。合金中总会吸入一定量的气体,且随温度升高其含量增加。若凝固前气体来不及排除,铸件将产生气孔。气孔表面光滑、明亮或带有氧化色,呈梨形、圆形或椭圆形,气孔的存在减小了铸件的承载面积,并是应力集中源,显著降低了铸件的机械性能和气密性。按气体来源不同,气孔可分为侵入性气孔、析出性气孔和反应性气孔3类。

①侵入性气孔。指在浇注过程中铸型和型芯受热产生的气体及型腔中的空气侵入金属液中所形成的气孔,其数量少、体积大,常出现于铸件上表面或靠近型芯的表面处。减少铸型、芯子的发气性,提高其透气性等可防止侵入性气孔的产生。

②析出性气孔。指溶解于合金液中的气体在冷凝过程中,因气体的溶解度下降而析出,在铸件中产生的气孔,主要是氢气孔和氮气孔。它的直径一般小于1mm,多而分散,分布在铸件整个断面或某一部分。减少合金液的吸气量,对合金液进行除气处理,提高冷却速度或在压力下凝固都能减少析出性气孔的产生。

③反应性气孔。指浇入铸型的金属液与铸型材料、冷铁和熔渣反应以及金属液内部某些成分之间进行化学反应所产生的气孔。前者产生的气孔直径一般为1～3mm,分布于铸件表皮下,又称皮下气孔;后者往往在铸件内部均匀分布。芯撑、冷铁表面净洁、干燥是防止产生皮下气孔的主要措施之一。