金属材料的液态成型

第一章金属材料的液态成形1.1概述金属的液态成型常称为铸造，铸造成形技术的历史悠久。

早在5000多年前，我们的祖先就能铸造红铜和青铜制品。

铸造是应用最广泛的金属液态成型工艺。

它是将液态金属浇注到铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。

在机器设备中液态成型件所占比例很大，在机床、燃机、矿山机械、重型机械中液态成型件占总重量的70%~90%；在汽车、拖拉机中占50%~70%；在农业机械中占40%~70%。

液态成型工艺能得到如此广泛的应用，是因为它具有如下的优点：（1）可制造出腔、外形很复杂的毛坯。

如各种箱体、机床床身、汽缸体、缸盖等。

（2）工艺灵活性大，适应性广。

液态成型件的大小几乎不限，其重量可由几克到几百吨，其壁厚可由0.5mm到1m左右。

工业上凡能溶化成液态的金属材料均可用于液态成型。

对于塑性很差的铸铁，液态成型是生产其毛坯或零件的唯一的方法。

（3）液态成型件成本较低。

液态成型可直接利用废机件和切屑，设备费用较低。

同时，液态成型件加工余量小，节约金属。

但是，金属液态成型的工序多，且难以精确控制，使得铸件质量不够稳定。

与同种材料的锻件相比，因液态成型组织疏松、晶粒粗大，部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷。

其机械性能较低。

另外，劳动强度大，条件差。

近年来，随着液态成型新技术、新工艺、新设备、新材料的不断采用，使液态成型件的质量、尺寸精度、机械性能有了很大提高，劳动条件到底改善，使液态成型工艺的应用围更加广阔。

液态材料铸造成形技术的优点：（1）适应性强，几乎适用于所有金属材料。

（2）铸件形状复杂，特别是具有复杂腔的铸件，成形非常方便。

（3）铸件的大小不受限制，可以由几克重到上百吨。

（4）铸件的形状尺寸，组织性能稳定。

（5）铸造投资小、成本低，生产周期短。

液态材料铸造成形技术也存在着某些缺点：如铸件部组织疏松，晶粒粗大，易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷；而外部易产生粘砂、夹砂、砂眼等缺陷。

另外铸件的力学性能低，特别是冲击韧性较低。

铸造成形工艺较为复杂，且难以精确控制，使得铸件品质不够稳定。

铸造成形技术的发展：（1）提高尺寸精度和表面质量；（2）先进的造型技术及自动化生产线；（3）高效、节能，减少污染；（4）降低成本，改善劳动条件。

1.2 钢铁的生产过程钢铁的生产过程是一个由铁矿石炼成生铁、再由生铁炼成钢液并浇注成钢锭的过1.2.1 炼铁炼铁在高炉中进行，其过程为：将铁矿石、焦碳和石灰石等按一定比例配成炉料，由加料车送入炉，形成料柱，加料完毕，将炉顶关闭。

被热风炉加热到900～1200℃的热风，由炉壁上的风口吹入高炉下部，使焦碳燃烧，产生大量的炉气。

炙热的炉气在炉上升，加热炉料，并与之发生化学反应，如图所示为钢铁生产过程。

图1.1 钢铁生产过程示意图高炉中发生的冶金反应有：（1）还原反应：将氧化铁中的铁还原。

（2）造渣反应：生成低熔点炉渣。

（3）渗碳反应：生成碳含量较高，熔点较低的铁液。

炉渣的密度小，浮在铁液之上，炉渣和铁液分别从高炉下部的出渣口和出铁口排除炉外炼铁的产品有：炼钢生铁—用来炼钢铸造生铁—用来铸造1.2.2 炼钢炼钢的主要任务是将生铁中多余的碳和其它杂质氧化成氧化物，并使其随炉气或炉渣一起去除。

间接氧化是炼钢的主要反应形式，即氧首先与铁液发生氧化反应，生成FeO，然后再通过FeO来氧化其它元素。

钢的熔炼方法有：电炉炼钢、转炉炼钢和平炉炼钢。

炼好的钢液，部分浇入连续铸锭机，铸成“钢坯”直接用来轧制钢材；部分浇注到钢锭模铸成一定形状和尺寸的钢锭。

1.3 铸造金属熔炼熔炼是液态金属铸造成形技术过程中的一个重要环节，与铸件的品质、生产成本、产量、能源消耗以及环境保护等密切相关。

1.2.1 金属的熔炼在熔炼中，多种固态金属的炉料（废钢、生铁、回炉料、铁合金、有色金属等）按比例搭配装入相应的熔炉中加热熔化，通过冶金反应，转变成具有一定化学成分和温度的符合铸造成形要求的液态金属。

熔炼的要求：（1）保证金属液的化学成分和材质性能。

（2）保证金属液有足够的温度(过热)。

（3）保证金属液的数量(质量)。

（4）保证低能耗、低成本。

（5）保证低噪声、低污染。

1.熔炼的分类（1）按熔炼金属分：铸铁熔炼、铸钢熔炼和有色金属熔炼。

（2）按熔炉分：冲天炉熔炼、电弧炉熔炼、感应电炉熔炼、坩埚炉熔炼。

2.熔炼过程和熔炼炉在高温中熔炼，用耐火材料做熔炉的炉衬，用熔渣覆盖在液态金属表层，以防止液态金属的氧化及溶入气体。

炉衬分为：酸性炉衬和碱性炉衬。

酸性炉衬——耐火粘土、石英砂组成。

酸性炉衬坚固和便宜，能量消耗低且产量较高。

熔炼过程中造酸性渣，不能脘硫和脱磷。

碱性炉衬——镁砂筑成。

熔炼过程中造碱性渣，具有一定的脱磷和脱硫能力。

（1）冲天炉熔炼应用极为广泛，具有结构简单、设备费用少、电能消耗低、生产率高、成本低、操作和维修方便，并能连续进行生产等特点。

常用的为用焦（焦碳）冲天炉，也有非焦冲天炉(油、天燃气等)。

图1.2 冲天炉用焦冲天炉是由：底焦燃烧→热量交换→冶金反应，三个基本过程组成。

金属与炉气、焦炭、炉渣相互接触，发生一系列物理化学变化——冶金反应，引起金属液化学成分的变化。

图1.3 焦碳冲天炉图1.4 冲天炉工作过程原理图（2）电弧炉熔炼电弧炉是利用电极与金属炉料之间电弧产生的热能，通过辐射、传导和对流传递给炉料，加热、熔化固体炉料，并使金属液过热，从而实现熔炼目标的一种设备，主要用于钢、铸铁的熔炼。

图1.5 电弧炉熔炼（3）感应电炉熔炼常用为无芯感应电炉，其电流频率为：工频(50Hz)、中频(750～10000Hz)、高频(＞10000Hz)。

无芯感应电炉工作时，炉衬外的感应器线圈相当于变压器的原绕组，炉衬的金属炉料相当于副绕组，当感应线圈通以交变电流时，则因交变磁场的作用，使短路连接的金属炉料产生强大的感应电流，电流流动时，为克服金属炉料表层的电阻面产生热量，致使金属炉料加热熔化。

图1.6 感应电炉（4）坩埚炉坩埚炉分为：燃油、燃气、焦碳和电阻坩埚炉。

主要用于有色金属的熔炼，如铜合金、铝合金、镁合金、低熔点轴承合金等。

图1.7 坩埚炉常用的铸铁：（1）灰铸铁——灰铸铁是因断口呈灰色而得名，灰铸铁生产方便，成品率高，生产成本低，是目前应用最为广泛的一种铸铁。

在各种铸铁总产量中，灰铸铁占80%以上。

灰铸铁的组织特点是在基体上分布着片状石墨。

（2）可锻铸铁——可锻铸铁又称玛钢，是由铸态白口铸件经热处理而得到的一种高强度铸铁，其塑性比灰铸铁好，其组织为铁素体（或珠光体）基体上分布着团絮状石墨。

可锻铸铁实际上并不能锻造。

（3）球墨铸铁——球墨铸铁的石墨呈球状。

其生成工艺是向铁水中加入一定量的球化剂（如Mg、稀土元素等）进行球化处理，并再加入少量的孕育剂（硅铁）而制得。

由于石墨呈球状，它对基体的缩减作用和造成应力集中都很少，使球墨铸铁具有很高的强度，良好的塑性和韧性，并且铸造性能好，生产工艺简便，成本低廉，获得广泛的应用。

1.3.2 浇注金属熔化后，液态金属通过浇注系统充填铸型型腔的过程称为浇注过程。

1.浇注压力（1）高压——2～15MPa，适用于薄的截面且对品质要求高的铸件。

（2）低压——0.12～0.3MPa，金属型铸件。

（3）重力（常压）——普通铸件2.浇注系统浇注系统是铸型中液态金属注入铸型型腔的通道。

浇注系统的主要功能：（1）将金属液由浇包导入型腔。

（2）挡渣及排除铸型型腔中的空气及其它气体。

（3）调节温度分布，控制凝固顺序。

（4）保证充型时间、压力、速度。

浇注系统的组成:浇口杯——缓解金属液冲蚀，阻挡熔渣。

直浇道——有一定锥度以保证流速，排出空气。

横浇道——将直浇道的金属液分配至浇道。

浇道——将金属液引入型腔。

图1.8 浇注系统图1.9 浇注的形式3.浇注后的冷凝浇注入铸型型腔的液态金属，随温度的降低，将经历由液态向固态的转变过程，即冷凝过程。

冷凝是金属材料一种重要的相变过程。

金属的凝固过程包括：晶核的形成和晶粒的长大。

金属的冷凝过程中，熔液体积收缩是导致铸件在最后凝固部分产生缩孔、缩松的基本原因；而固态收缩是铸件变形、产生应力和裂纹的主要原因。

在铸型中，合理放置冒口和冷铁以保证铸件质量，如图所示。

图1.10 冒口的类型铸型中能储存一定金属液，补偿铸件收缩以防止产生缩孔和缩松缺陷的空腔称为冒口。

冒口的作用：补缩、集渣、通气、排气。

冒口的要求：凝固时间≥铸件；金属液足够补缩量；补缩通道畅通。

1.4液态合金的工艺性能液态合金的工艺性能是指符合某种生产工艺要求所需要的性能。

液态合金在铸造生产过程中所表现出来的工艺性能，常称为铸造性能，铸造性能是表示合金铸造成形获得优质铸件的能力。

铸造性能是一个非常重要的工艺性能，对铸件质量、铸造工艺及铸件结构有显著的影响，通常用流动性、收缩性等来衡量。

1.4.1合金的流动性1. 流动性的概念液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力，称为液态合金的流动性又叫做“充型能力”。

液态合金的流动性愈好，不仅易于铸造出轮廓清晰，薄而形状复杂的铸件，而且有助于液态合金在铸型中收缩时得到补充，有利于液态合金中的气体及非金属夹杂物上浮与排除。

若流动性不好，则易使铸件产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣和缩松等缺陷。

液态合金流动性的好坏，通常以螺旋形流动性试样的长度来衡量。

如图所示，将液态合金注入螺旋形试样铸型中，冷凝后，测出其螺旋线长度。

为便于测量，在标准试样上每隔50mm 做出凸点标记，在相同的浇注工艺条件下，测得的螺旋线长度越长，合金的流动性越好。

常用合金的流动性如表1所示。

其中灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铝合金次之，铸钢最差。

图1.11 螺旋形标准式样表1 常用铸造合金的流动性2. 影响流动性的因素影响流动性的因素很多，其中主要是合金的种类及化学成分、浇注温度和铸型的填充条件。

（1）合金的种类及化学成分不同的合金，其流动性有很大差异（见表1）对同种合金而言，化学成分不同，其流动性不同。

纯金属和共晶成分的合金是在恒温下进行结晶的，此时由铸件断面的表层向中心逐层凝固，以结晶固体层与剩余液体的界面比较清晰、平滑，对中心未凝固的液态金属的流动阻力小，故流动性最好。

其它成分的合金是在一定温度围结晶的，即经过液、固两相共存区。

该区中液相与固相界面不清晰，其固相为树枝晶，它使固体层表面粗糙，增加了对液态合金流动的阻力，因而流动性差。

合金的结晶温度围愈宽，则液固两相共存的区域愈宽，液态合金的流动阻力愈大，故流动性愈差。

显然，合金成分愈接近共晶成分，流动性愈好。

图1.12所示为铁碳合金的流动性与含碳量的关系。

由图可见，亚共晶铸铁随含碳量的增加，结晶温度围减小，流动性提高。

图1.12 Fe-C合金流动性与含碳量的关系（2）铸型的特点铸型材料的导热速度愈大，使液态合金的冷却速度加快，从而使流动性变差。