第六章 金属液态成型(一-理论基础)
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液态金属成型基础知识
用途:低压铸造广泛用于大批量生产铝合金和镁合金铸件，如发动 机的缸体和缸盖、内燃机活塞、带轮、粗纱绽翼等，也可用于球墨 铸铁、铝合金等较大铸件的生产。
离心铸造：
离心铸造是将熔融金属浇入高速旋转的铸型中，使其在离心力作用 下填充铸型和结晶，从而获得铸件的方法。按铸型旋转轴线的空间 位置不同，离心铸造分为立式和卧式两种。
铸件结构工艺性：
铸件结构应利于避免或减少铸件缺陷：
1.壁厚合理：设计铸件的时候应首先保证金属液的充型能力，在此 前提下减少铸件壁厚。
2.铸件壁厚力求均匀：防止形成热节而产生缩孔、缩松、晶粒粗大 等缺陷，并能减少铸造热应力及因此产生的变形和裂纹等缺陷。
3.铸件壁的连接：铸件不同壁厚的连接应逐渐过渡。拐弯和交接处 应采用较大的圆弧连接，避免锐角结构而采用大角度过渡，以避免 因应力集中而产生开裂。
2.体积疑固
当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸 件凝固的某段时间内，其液固共存的疑固区域很宽，甚至贯穿整个 铸件截面，这种凝固方式称为“体积凝固”（或称糊状凝固）
3.中间凝固 金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度
梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积跽固之间， 称为“中间凝固”。
工艺缺点:熔模铸造工序繁杂，生产周期长，铸件的尺寸和重 量受到铸型（沙壳体）承载能力的限制（一般不超过25公斤）。
用途:成批生产形状复杂、精度要求高或难以进行切削加工的 小型零件，如汽轮机叶片和叶轮、大模数滚刀等。
三、压力铸造
压力铸造是压铸机上将熔融的金属在高压下快速压入金属型，并在 压力下凝固，以获得铸件的方法。压铸机分为立式和卧式两种。
为改善铸型的充填条件，在设计铸件的时候必须保证其壁厚不 小于规定的“最小壁厚”。
离心铸造：
离心铸造是将熔融金属浇入高速旋转的铸型中，使其在离心力作用 下填充铸型和结晶，从而获得铸件的方法。按铸型旋转轴线的空间 位置不同，离心铸造分为立式和卧式两种。
铸件结构工艺性：
铸件结构应利于避免或减少铸件缺陷：
1.壁厚合理：设计铸件的时候应首先保证金属液的充型能力，在此 前提下减少铸件壁厚。
2.铸件壁厚力求均匀：防止形成热节而产生缩孔、缩松、晶粒粗大 等缺陷，并能减少铸造热应力及因此产生的变形和裂纹等缺陷。
3.铸件壁的连接：铸件不同壁厚的连接应逐渐过渡。拐弯和交接处 应采用较大的圆弧连接，避免锐角结构而采用大角度过渡，以避免 因应力集中而产生开裂。
2.体积疑固
当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸 件凝固的某段时间内，其液固共存的疑固区域很宽，甚至贯穿整个 铸件截面，这种凝固方式称为“体积凝固”（或称糊状凝固）
3.中间凝固 金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度
梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积跽固之间， 称为“中间凝固”。
工艺缺点:熔模铸造工序繁杂，生产周期长，铸件的尺寸和重 量受到铸型（沙壳体）承载能力的限制（一般不超过25公斤）。
用途:成批生产形状复杂、精度要求高或难以进行切削加工的 小型零件，如汽轮机叶片和叶轮、大模数滚刀等。
三、压力铸造
压力铸造是压铸机上将熔融的金属在高压下快速压入金属型，并在 压力下凝固，以获得铸件的方法。压铸机分为立式和卧式两种。
为改善铸型的充填条件，在设计铸件的时候必须保证其壁厚不 小于规定的“最小壁厚”。
液态金属成型工艺基础-1
热作用
浇注过程中： 热辐射—铸型升温 铸型内腔表层物质汽化、挥发—气体压力升高 铸型表层产生应力
浇注结束后：
铸型内腔表层低温蒸发、挥发物质强烈汽化—铸型-金属界 面气体压力升高---迁移 预先涂敷在铸型内腔表面涂料层中的合金元素熔化-扩散到 铸件表层金属内—实现铸件的表面合金化
物理方面的作用：
2、砂粒的颗粒组成 3、砂粒的形状
二、砂型的工作条件
砂型的工作条件，除了在常温下承受在搬运、合箱等环节中可能发生的震动、 撞击、摩擦、压力等方面的作用外，主要指从浇注金属液开始铸型所面临的各 种热的、力学、物理和化学方面的作用。
力学方面的作用：
浇注时的冲击、冲刷----冲坏型芯—影响铸件的形状、产生夹砂缺陷； 型腔充满后：浮力、静压力---变形、影响尺寸精度； 铸件凝固后冷却：收缩-受阻—铸件产生应力、变形
机械粘砂、铸渗等
化学方面的作用：
粘结剂组分---燃烧、分解 金属-铸型界面处—产生气体之间的化学反 应 界面处气体与金属液中的合金元素反应 金属氧化物与铸型材料反应
液态金属成形生产过程
液态金属成形方法确定 材料设计 造型设备 合金成分 型砂配制 造型 制芯设备 制芯 芯砂配制
熔 化
下芯、合箱 浇 注 充 型 凝固、冷却 落砂、清理 铸 件
液态金属成形工艺
工艺---手段、措施----避免铸造缺陷，得到合格零件毛坯 普通砂型铸造---铸型的制作----铸型制作用材料、铸型制 作方法 铸型型腔的结构尺寸---模样的形状尺寸（下学期材料成形 工艺课程的内容） 砂芯的制造----原材料、制作方法、结构、形状、尺寸 避免缺陷、提高铸件质量
ห้องสมุดไป่ตู้
液态金属成形方法的特点
优点： 可以制作形状复杂，特别是具有内腔的零件毛坯。如：箱体、汽缸体等 铸造生产成本低：铸造所用原材料大多来源广泛，价格低廉，并可以直接 利用报废的零件。 减少零件的加工费用：铸件的形状和尺寸可以作得与实际零件非常接近。 缺点： 成形过程比较复杂，一些工艺过程难以控制，容易出现缺陷，产品质量不稳 定。由于铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴有缩孔、缩松、气孔、砂 眼等缺陷，零件的力学性能比同类材料的锻件低。
1.1液态金属成形理论基础全解
合金元素
凡能形成低熔点化合物、降低合金液体粘度和 表面张力的元素，均能提高合金流动性，如 P 元素； 凡能形成高熔点夹杂物的元素，都会降低合金 流动性。如S、Mn等。
13
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
合金的结晶特点
金属在结晶状态下流动
（a)纯金属 (b）结晶温度范围宽的合金
14
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
3
概念和特点
铸造工艺的缺点
(1)铸件力学性能特别是塑性与冲击性能低于塑 性成形件； (2)铸造工序多，难以精确控制，铸件质量不稳 定； (3)砂型铸造劳动条件差； (4)铸件大多为毛坯件。
4
概念和特点
铸造方法的分类
金属型铸造
砂型铸造 特种铸造
低压铸造
压力铸造 熔模铸造
离心铸造 陶瓷型铸造 实型铸造
4.铸件结构方面 模数（折算厚度） 模数大的铸件，由于与铸型的接触表面积相对较 小，热量散失比较缓慢，则充型能力较高；
铸件的壁越薄，模数越小，则越不容易被充满。
铸件的复杂程度：
铸件结构复杂，则型腔结构复杂，流动阻力大， 铸型的充填就困难。
合金的流动性； 合金的收缩性； 合金的吸气性。
7
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
液态金属浇注入铸型后，液体利用自身的流 动性而充填铸型。充型能力：液体金属充满 型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成型件的 能力。 充型能力的影响因素： 合金液体的流动性； 铸型性质； 浇注条件； 铸件结构。
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
2.铸型性质 铸型的蓄热系数 铸型的温度
蓄热系数是指当某一足够厚度 单一材料层一侧受到谐波热作 用时，表面温度将按统一周期 波动，通过表面的热流波幅与 表面温度波幅的比值。其值越 大，材料的热稳定性越好。即 蓄热系数小时，受热来的快， 凉时去也快。
凡能形成低熔点化合物、降低合金液体粘度和 表面张力的元素，均能提高合金流动性，如 P 元素； 凡能形成高熔点夹杂物的元素，都会降低合金 流动性。如S、Mn等。
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
合金的结晶特点
金属在结晶状态下流动
（a)纯金属 (b）结晶温度范围宽的合金
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
3
概念和特点
铸造工艺的缺点
(1)铸件力学性能特别是塑性与冲击性能低于塑 性成形件； (2)铸造工序多，难以精确控制，铸件质量不稳 定； (3)砂型铸造劳动条件差； (4)铸件大多为毛坯件。
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概念和特点
铸造方法的分类
金属型铸造
砂型铸造 特种铸造
低压铸造
压力铸造 熔模铸造
离心铸造 陶瓷型铸造 实型铸造
4.铸件结构方面 模数（折算厚度） 模数大的铸件，由于与铸型的接触表面积相对较 小，热量散失比较缓慢，则充型能力较高；
铸件的壁越薄，模数越小，则越不容易被充满。
铸件的复杂程度：
铸件结构复杂，则型腔结构复杂，流动阻力大， 铸型的充填就困难。
合金的流动性； 合金的收缩性； 合金的吸气性。
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
液态金属浇注入铸型后，液体利用自身的流 动性而充填铸型。充型能力：液体金属充满 型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成型件的 能力。 充型能力的影响因素： 合金液体的流动性； 铸型性质； 浇注条件； 铸件结构。
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
2.铸型性质 铸型的蓄热系数 铸型的温度
蓄热系数是指当某一足够厚度 单一材料层一侧受到谐波热作 用时，表面温度将按统一周期 波动，通过表面的热流波幅与 表面温度波幅的比值。其值越 大，材料的热稳定性越好。即 蓄热系数小时，受热来的快， 凉时去也快。
金属液态成形工艺原理讲稿
金属液态成形工艺原理讲稿一、引言金属液态成形工艺是一种重要的金属加工方法，它利用金属在液态状态下的可塑性，通过施加外力，将金属材料压制成所需形状的工艺过程。
金属液态成形工艺广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶制造等众多领域，具有高效、精确、灵活的特点。
本文将介绍金属液态成形工艺的原理和应用。
二、金属液态成形工艺的原理金属液态成形工艺主要依靠金属在液态状态下的可塑性来实现材料的变形。
在液态状态下，金属具有较高的流动性和可塑性，可以通过施加外力使金属流动，从而制造出复杂形状的金属构件。
金属液态成形工艺的主要原理包括以下几点： 1. 温度控制：金属液态成形工艺需要将金属升温到液态状态，通常通过加热设备控制金属的温度。
2. 施加外力：在金属材料处于液态状态时，需要施加适当的外力，如压力、压力冲击等，以实现对金属的形状变化和压制成型。
3. 液态流动：金属在液态状态下具有较高的流动性，可以通过控制液态金属的流动轨迹和速度，实现对金属的精确塑性变形。
4. 液态金属的熔化和凝固特性：金属在液态和固态之间的相变过程对金属液态成形工艺具有重要影响。
不同金属具有不同的熔化温度和凝固温度，需要根据具体金属材料选择合适的工艺参数。
三、金属液态成形工艺的应用金属液态成形工艺在许多领域都有广泛的应用，具有以下几个优点： 1. 高效生产：金属液态成形工艺可以实现多工位、多工序的同时进行，提高了生产效率。
2. 精确成形：金属液态成形工艺可以制造出复杂形状的金属构件，加工精度高，尺寸和形状可控性强。
3. 节约材料：金属液态成形工艺可以使金属材料得到较好的填充，减少了材料的浪费。
4. 节约能源：金属液态成形工艺可以在短时间内实现金属材料的加热和冷却，节约了能源消耗。
金属液态成形工艺在以下领域有广泛的应用： 1. 航空航天：金属液态成形工艺可以制造出高强度和轻质的航空航天零部件，提高了飞行器的性能和燃油效率。
2. 汽车制造：金属液态成形工艺可以制造出汽车发动机缸体、曲轴等零部件，提高了汽车的动力性能和燃油效率。
金属液态成形工艺原理
H0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi （2 - 1）
1. 充填下半型 设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：
H0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi
式中：
P杯 —— 浇口杯液面压力 P腔 —— 型腔内的液面压力 v杯 —— 浇口杯液面金属流动速度 v内 —— 内浇口出口金属流动速度 hi —— 浇注系统中某段的流体压头损失
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
三、计算结果
计算条件： a. 浇注系统为充满流动
封闭式浇注系统； 对于开放式的型腔液面要淹过内浇道。
b. 浇口杯液面保持不变
c. 型腔内压力与外界相同，即砂型透气性要好，有排气孔
1. 充填下半型 设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：
γ —— 重度（=ρg）
2. 充填上半型 设充填上半型时需要金属液m2，充填时间为t2。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程：
H0
P杯
v杯2 2g
0
P内
v内2 2g
hi
3. 充填整个铸型
设充填时需要金属液m，充填时间为t，则
m
F内 t 2gH均
式中 m为充填铸型所需金属液； t为充填时间； 为流量系数； H均为充型平均静压头。
学的规律在一定程度上也适用于液态金属的流动过程。
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算 一、浇注系统的结构
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
一、浇注系统的结构
浇注系统：引导金属液进入和充满型腔的一系列通道。
液压 第六章 金属的液态成型
一、合金充型能力及其影响因素液态合金充满铸型型腔，并获得形状完整、轮廓清晰、尺寸准确的铸件的能力。
影响因素：合金的流动性、浇注温度、铸型特点二、合金流动性及其影响因素及灰口铸铁、球墨铸铁、铸钢及铝合金的流动性比较（简答题）合金的流动性是指液态合金自身的流动能力，流动性好的合金充型能力强。
1、合金的种类，不同合金，其浇注温度和凝固温度范围均不相同。
2、合金的成分，不同成分的铸造合金主要是由于其结晶特点的不同而影响其流动性的。
灰口铸铁流动性最好，铝合金居中，铸钢最差。
三、合金的收缩、分类及导致的缺陷（填空）液态合金在液态、凝固态和固态过程中所发生的体积和尺寸减小的现象叫做收缩。
液态收缩：金属液温度下降，液面降低，液态金属体积减小。
（与浇注温度有关）凝固收缩：液态金属凝固，体积显著减小。
（与合金结晶的温度范围有关）固态收缩：固态金属继续冷却，体积减小。
一般直接表现为铸件外型尺寸的变小。
液态收缩和凝固收缩形成铸件的缩孔和缩松，固态收缩使铸件产生内应力、变形和裂纹。
四、缩孔与缩松形成原因及其防止浇入铸型的液态合金在凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补充，在铸件最后凝固的部位会形成空洞，容积大而集中的是缩孔，容积小而分散的是缩松。
1、合理选择铸造合金。
采用接近共晶成分或结晶温度范围窄的合金。
2、合理选用凝固原则。
采用“顺序凝固”或“同时凝固”原则，在铸件最后凝固地方，设置冒口来补缩五、铸造内应力种类、产生原因及预防和消除热应力：由于铸件壁厚不均，各部分的冷却速度不同而导致各部分收缩不一致引起的铸件内部应力。
机械应力：铸件冷却到弹性状态后，由于受到铸型、型芯和浇、冒口等的机械阻碍而产生的铸件内部应力。
一般都是拉应力。
1、采用“同时凝固”原则2、改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇、冒口等；3、采用能自由收缩的铸件结构（形状简单，壁厚均匀）；4、对铸件进行时效处理，消除内应力。
六、灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁及可锻铸铁形态、牌号含义，灰铁、球铁性能（球铁以铁代钢），趁热打铁含义1、灰口铸铁的组织特征: 金属基体+ 石墨典型牌号：HT 100 ; HT 150 ; HT 200Φ30mm试棒的最低抗拉强度值( MPa )1)机械性能较差2)耐磨性好3)减震性好4)缺口敏感性小5)铸造性能和切削加工性能好6)其他工艺性差：焊接性差;热处理性能差;不能锻造和冲压。
金属的液态成形原理资料.pptx
1、合金的收缩 液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体
积和尺寸减少的现象---.是铸件许多缺陷(缩孔,缩松, 裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因.
收缩的几个阶段 1) 液态收缩（T浇 — T液） : 从金属液浇入铸型到开始 凝固之前. 液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝 固的温度的温差成正比. 2) 凝固收缩（T液 — T固）: 从凝固开始到凝固完毕. 同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如 : 35钢,体积收缩率3.0%, 45钢 4.3%。 3) 固态收缩（T固 — T室） : 凝固以后到常温. 固态 体积收缩直观表现为铸件各方向线尺寸的缩小，影响 铸件尺寸精度及形状的准确性,故用线收缩率表示.
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.
第2页/共47页
（a）逐层凝固
（b）中间凝固
铸件的温度梯度, 凝固区域及凝固方式
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铸件的凝固方式
糊状凝固 结晶温度范围很宽的合金， 从铸件的表面至心部都是 固液两相混存。
温度
固 表层
液 中心
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铸件的凝固方式
体上浮,排除. • 3) 流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收缩进
行补缩. • 因此，合金流动性好能有效防止铸件出现冷隔、浇不足、
气孔、夹渣、缩孔等缺陷。
第17页/共47页
二)浇注条件
1 浇注温度: t↑ 合金粘度下降,过热度高. 合金在铸件中保持 流动的时间长, ∴ t↑ 提高充型能力. 但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故不 宜过高 2 充型压力: 液态合金在流动方向上所受的压力↑ 充型能力↑ 如 砂形铸造---直浇道,静压力. 压力铸造,离心铸造等充型压力 高.
积和尺寸减少的现象---.是铸件许多缺陷(缩孔,缩松, 裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因.
收缩的几个阶段 1) 液态收缩（T浇 — T液） : 从金属液浇入铸型到开始 凝固之前. 液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝 固的温度的温差成正比. 2) 凝固收缩（T液 — T固）: 从凝固开始到凝固完毕. 同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如 : 35钢,体积收缩率3.0%, 45钢 4.3%。 3) 固态收缩（T固 — T室） : 凝固以后到常温. 固态 体积收缩直观表现为铸件各方向线尺寸的缩小，影响 铸件尺寸精度及形状的准确性,故用线收缩率表示.
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.
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（a）逐层凝固
（b）中间凝固
铸件的温度梯度, 凝固区域及凝固方式
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铸件的凝固方式
糊状凝固 结晶温度范围很宽的合金， 从铸件的表面至心部都是 固液两相混存。
温度
固 表层
液 中心
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铸件的凝固方式
体上浮,排除. • 3) 流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收缩进
行补缩. • 因此，合金流动性好能有效防止铸件出现冷隔、浇不足、
气孔、夹渣、缩孔等缺陷。
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二)浇注条件
1 浇注温度: t↑ 合金粘度下降,过热度高. 合金在铸件中保持 流动的时间长, ∴ t↑ 提高充型能力. 但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故不 宜过高 2 充型压力: 液态合金在流动方向上所受的压力↑ 充型能力↑ 如 砂形铸造---直浇道,静压力. 压力铸造,离心铸造等充型压力 高.
液态金属成型
gx −
1 ∂P +ν ρ ∂x
∂ 2u ∂ 2u ∂ 2u ∂ u ∂u ∂u ∂u ∂ x2 + ∂ y2 + ∂ z2 = ∂t + u ∂x + v ∂y + w∂z
∂ 2v ∂ 2v ∂ 2v ∂ v 1 ∂P ∂v ∂v ∂v gy − +ν + + 2 = + u + v + w 2 2 ρ ∂y ∂x ∂y ∂z ∂y ∂z ∂t ∂x gz − 1 ∂P +ν ρ ∂z ∂ 2w ∂ 2w ∂ 2w ∂ w ∂w ∂w ∂w ∂ x2 + ∂ y2 + ∂ z2 = ∂t + u ∂x + v ∂y + w ∂z
五、实验报告 分析总结铝合金的熔炼处理工艺流程，比较精炼处理、 变质处理、 振动以及冷却条件对 铝合金组织及性能的影响。
实验二、液态成型过程 CAE 实验 一、基础理论 计算机辅助工程（ Computer Aided Engineering，简称 CAE）技术是一门以 CAD/CAM 技术水平的提高为发展动力，以高性能计算机及图形显示设备的推出为发展条件，以计算 力学和传热学、 流体力学等的有限元、 有限差分、 边界元、 结构优化设计及模态分析等方法为 理论基础的新技术。目前液态成型 CAE 主要以铸件的温度场模拟和流动场模拟为主，软件 水平已经达到实用化，国内外均有商品化软件出现。国外主要有德国的 MagmaSoft、美国的 ProCAST、 Flow3D、 韩国的 AnyCAST 等，国内主要有华中科技大学的华铸 CAE、 清华的 FTStar、华北工学院的 CastSoft 等。 1）温度场模拟 温度场模拟主要是利用传热学原理，分析铸件的传热过程，模拟铸件的冷却凝固进程 ，
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二. 合金的充型能力
合金在液态成型过程中表现出的工艺性能称为 铸造性能。它包括液态合金的充型能力，合金 的凝固与收缩、铸造应力与裂纹，吸气与偏析 等。
液态合金填充铸型型腔的过程称为充型。 充型能力是使液态金属充满型腔并使铸件形状 完整、轮廓清晰的能力。它首先与合金本身的 流动性有关，同时浇注条件、铸形填充条件、 铸件结构等对充型能力也有影响。
防止措施：使芯撑、冷铁表面保持干燥，无油无 锈。
合理应用冒口、冷铁等工艺 措施 冒口一般设置在铸件厚 壁和热节部位，尺寸应保证 比补缩部位晚凝固，并有足 够的金属液供给，形状多为 园柱形。 冷铁通常是用铸铁、钢 和铜等金属材料制成的激冷 物，与冒口配合，可扩大冒 口的有效补缩距离。
（2）铸造应力、铸件的变形与裂纹
① 铸造应力：铸造应力分为热应力和机械应力 铸造应力的形成 热应力：由于铸件壁厚不均，各部分的冷却速度 不同而导致各部分收缩不一致引起的铸件内部 应力。
顺序凝固原则适用于收缩大或壁厚差别较大，易 产生缩孔的铸件。其缺点是：铸件各部分温差大， 会引起较大的热应力，此外，由于要设置冒口， 增大了金属的消耗及切除毛口的工作量。 同时凝固原则适用于收缩小或壁厚均匀的薄壁铸 件，采用同时凝固原则，铸件热应力小，但在铸 件中心往往产生缩松。
对结构复杂的铸件，既要避免产生缩孔和缩松， 又要减小热应力，防止变形和裂纹，这两种凝固 原则可同时采用。
2.影响合金收缩的因素
（1）化学成分 不同种类的合金，收缩率不同；同类合金， 化学成分不同，收缩率也不同。 C、Si：强烈促进铸铁石墨化，铸铁体收缩减 小； S：强烈阻碍铸铁石墨化，铸铁收缩增大； Mn：可抵消对S 石墨化的阻碍作用，适量的 Mn 可使铸铁收缩减小。
（2）浇注温度
合金的浇铸温度越高，过热度越大，液态收 缩也越大，总收缩也越大。因此在满足足够流动 性的前提下，尽量采用低的浇注温度。遵循“ 高 温出炉，低温浇铸 ”的原则。 （3）铸件结构与铸型条件 由于铸件各部分冷速不同，铸型和型芯对铸 件收缩的阻力，因此铸件的实际线收缩率比合金 自由收缩率小。
1.合金的流动性
（1）慨念： 指液态金属的流 动能力，在铸造过程中即表现 为液态金属充填铸型的能力。 合金流动性的大小，通常以螺 旋形试样的长度来衡量。 合金的流动性愈好，充型能力愈强，流动性良 好时，不仅易于铸造出轮廓清晰、薄而复杂的铸 件，而且有助于合金在铸型中收缩时得到补充， 有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体的上浮 与排除。若流动性不足，则铸件易产生浇不足、 冷隔、缩孔、气孔、夹渣等缺陷。
2.浇注条件
（1）浇注温度
浇注温度愈高，合金的粘度下降，金属液的流动阻 力减小；且因过热度高，金属液的流动时间长，所以流 动性好。 但浇注温度过高，铸件易产生缩孔、缩松、粘砂、 气孔等缺陷。因此在保证足够流动性的前提下，浇注温 度不易过高。通常遵循“高温出炉，低温浇注”的原则。 通常灰铸铁的浇注温度为1200～1380℃； 铸钢的浇注温度为1520～1620℃； 铝合金的浇注温度为680～780℃； ＊形状复杂或薄壁件取上限。
3. 合金收缩造成的铸造缺陷
（1）缩孔与缩松 ① 缩孔与缩松的形成 浇入铸型的液态合金在凝固过程中，若液态收缩 和凝固收缩所缩减的体积得不到补充，在铸件最后凝 固的部位会形成空洞，容积大而集中的是缩孔，容积 小而分散的是缩松。
② 影响缩孔与缩松的因素
化学成分
结晶温度范围越小的合金，产生缩孔的倾向越大； 结晶温度范围越大的合金，产生缩松的倾向越大。 浇铸条件 提高浇铸温度，合金的总体积收缩和缩孔倾向增
防止措施：减少砂型和砂芯的发气量；在铸型表 面刷涂料，使之与金属液隔开。 （2）析出气孔：溶解于金属液 中的气体在冷凝过程中，因气 体溶解度的下降而析出，铸件 因此而形成的气孔。 防止措施：降低熔炼温度，以 减少合金的吸气量；提高冷却 速度；使铸件在压力下凝固。 （3）反应气孔：浇入铸型中金 属液与铸型材料、型芯撑、冷 铁或熔渣间，因化学反应产生 气体而形成的气孔。
冷裂
产生：在较低的温度下，由于热应力和机械应力 的综合作用，使铸件的应力大于金属的强度极 限而产生冷裂。冷裂往往出现在铸件受拉应力 的部位，尤其是应力集中处。
防止：尽量减小铸造内应力；降低材料的脆性， 主要是减少S、P的含量；。
四. 合金的偏析和吸气性
1. 合金的偏析 铸件凝固时出现化学成分、金相组织不均匀 的现象称为合金的偏析。偏析造成了铸件性能的 不均匀，使铸件整体的机械性能下降，并影响铸 件的耐蚀性、气密性和切削加工性。 （1）晶内偏析：同一个支晶内支杆和支叶的化 学成分不均匀。 产生：结晶温度范围较大合金，结晶时，熔点较 高的成分先结晶，形成树枝晶的枝干，而熔点较 低的成分则存于枝叉的空隙内或晶界上后结晶。
将通过变形来减小内应力，逐渐趋于稳定。
防止铸件变形的方法：
• 尽量减少铸件内应力； • 使铸件结构对称，内应力互相平衡而不易变 形； • 采用反变形法以补偿铸件变形； • 在铸件上设置拉筋来承受一部分应力，待铸 件经热处理后期，金属的强度和塑性都很低，若 铸件收缩受阻产生的很小应力也能超过该温度 下金属的强度，即发生热裂。热裂分布在应力 集中部位或热节处。 防止：采用合理的铸件结构；改善铸型、型芯的 退让性；内浇口设置应符合“同时凝固”原则； 减少硫含量等。
Ⅰ阶段（t0～t1）：Ⅰ、 Ⅱ杆都处于塑性状态，无 应力产生。 Ⅱ阶段（t1～t2）：Ⅰ杆 为塑性状态，Ⅱ杆为弹性 状态，无应力产生。 Ⅲ阶段（t2～t3）：Ⅰ、 Ⅱ杆都处于弹性状态，Ⅰ 杆受拉， Ⅱ杆受压。
机械应力：铸件冷却到
弹性状态后，由于受到 铸型、型芯和浇、冒口 等的机械阻碍而产生的 铸件内部应力。一般都 是拉应力。
三. 合金的收缩性能
1.合金收缩的概念 液态合金在液态、凝 固态和固态过程中所发生 的体积和尺寸减小的现象 叫做收缩。 收缩是铸件中许多缺 陷（如：缩孔、缩松、热 裂、应力、变形和裂纹） 等产生的基本原因。
合金收缩的三个阶段
液态收缩 金属液温度下降，液面降低，液态金
属体积减小。（与浇注温度有关）
② 铸件的变形与裂纹 铸件的变形 由于铸件冷却快的
部分受拉应力，冷却慢 的部分受压应力，因此，铸件厚的部 分向内凹，薄的部分向外凸。如：床 身铸件的变形。 对厚薄均匀的平板铸件，中心部 位冷却慢受拉应力，周边受压应力， 且上面比下面冷却快，因此中间向外 凸。
变形的原因：处于应力状态的铸件不稳定，
影响： • 晶粒内机械性能不均匀，降低使用寿命； • 晶粒内化学性能不均匀，降低抗蚀性； 消除方法： • 使铸件缓慢冷却； • 对铸件进行长时间高温扩散退火。 （2）密度偏析（又称区域偏析） ：在凝固过程 中，先结晶部分的密度与剩余液体的密度不同， 化学成分不均匀。 消除方法： • 浇注时进行搅拌，使各部分密度均匀。
（２）影响流动性的因素
合金的种类 不同合金，其浇注温度和 凝固温度范围均不相同。 如： 铸铁 — 导热性差，不易散 热，凝固慢，流动性好； 铸钢 — 熔点高，散热快， 凝固快，流动性差； 铝合金 — 导热性好，散热快， 流动性差； 等等。
合金的成分 不同成分的铸造合金主要是由于其结晶特点的不同 而影响其流动性的。 纯金属及共晶合金在恒温下结晶，结晶时液态金属 从表层逐层向中心凝固，对金属液的流动阻力小，流动 性好。 其它合金的结晶是在一定温度范围内凝固，固态的 树枝状晶体对金属液的流动阻力大，流动性差。
（2）浇注压力
液态合金在流动方向上所受到的压力越大，充型能 力愈好。
3.铸型特点
（1）铸型蓄热能力（铸型从熔融合金中吸收和传 递热量的能力） （2）铸型温度 （3）铸型结构 （4）铸型中的气体 ＊总之，铸型中凡能增加金属流动阻力、降低 流速、加快冷却速度的因素，均能降低合金的流 动性；反之，则可提高合金的流动性。
第六章 金属的液态成型
金属液态成型是指将液态金属填充到铸 型的型腔中待其冷却凝固后获得所需形 状、尺寸和性能的铸件毛坯（或零件） 的成型方法，即：铸造。
§6.1 合金的液态成型工艺理论基础
一. 凝固方式 金属的液态成型实际上就是熔融金属在 铸型中的凝固过程。
三种凝固方式
逐层凝固：纯金属或共晶成分的合金是恒温凝固， 凝固区宽度几乎为零，凝固前沿清楚地将液、固 相分开，由表层逐层向中心凝固。 糊状凝固：合金的结晶温度范围很宽，且铸件的 温度分布较为平坦，凝固时，铸件表面并不存在 固体层，而液、固并存的凝固区贯穿整个断面， 先呈糊化而后再固化。
铸造应力使铸件的精度和使用寿命大大降 低。在存放、加工或使用过程中铸件内部的残余 应力将重新分布，使铸件发生变形或裂纹。
＊
减少和消除铸造应力的方法 采用“同时凝固”原则； 改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇、冒 口等； 采用能自由收缩的铸件结构（形状简单，壁 厚均匀）； 对铸件进行时效处理，消除内应力。
凝固收缩 液态金属凝固，体积显著减小。（与
合金结晶的温度范围有关）
固态收缩 固态金属继续冷却，体积减小。一般
直接表现为铸件外型尺寸的变小。
合金的总收缩为上述三种收缩的总和。其中 液态收缩和凝固收缩形成铸件的缩孔和缩松，固 态收缩使铸件产生内应力、变形和裂纹。
合金的收缩量可用体收缩率和线收缩率来表示。 体收缩率：单位体积的变化量。 线收缩率：单位长度的变化量。 液态收缩时，合金从 浇注温度冷却到液相 线温度。（体收缩） 凝固收缩时，合金从 液相线温度冷却到固 相线温度。（体收缩） 固态收缩时，合金从 固相线温度冷却到室 温。 （线收缩）
中间凝固：多数合金的凝固介于两者之间，为中 间凝固方式。
三种凝固方式示意图
铸件质量与其凝固方式密切相关。一般，逐层凝
固时，合金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松；糊 状凝固，则难以获得结晶紧密的铸件。
影响凝固方式的因素
合金的结晶温度范围 合金的结晶温度范围愈小, 凝固区愈窄，愈倾向于逐层凝 固；反之，则倾向于糊状凝固。 铸件的温度梯度 当合金成分已确定，凝固 区的宽窄，取决于其内外层的 温度梯度。铸件的温度梯度愈 大，凝固区愈窄，愈倾向于逐 层凝固。铸件的温度梯度愈小 ， 凝固区愈宽，愈倾向于糊 状凝固。