1、材料成型原理与工艺铸造基础北京航空航天大学材料学院周铁涛2014.1,熔化和凝固是人们熟悉的一种相变过程，即使是冰棍的制造，也包含着这样一个过程，通常人们很少注意到，实际上几乎所有的人造产品，在其加工的某个环节，都经历一个熔化、凝固过程。 本课程内容主要涉及熔化和凝固理论及工艺实践，因为这些理论均适用于金属合金这一类应用最广泛的材料，特别是凝固过程，通常都伴随着晶体的形成，而在玻璃和聚合物凝固期间却很少见到晶体。 熔化和凝固过程之所以重要，是因为它最主要的实际应用之一。对于大多数熔点不是很高的金属材料来讲，熔铸是一种非常经济的零件成型方法。如今人们对于熔点高于1660的钛合金铸件也能非常经济的
2、加工出来。 作为一种成型工艺，熔铸的基本优点在于液态金属的抗剪应力很小，易于成型。,当铸造作为最后一道成形工序时，熔铸过程对铸件性能的影响非常显著的，假若铸件的性能得到更好的控制，那么熔铸作为一种零件成型的重要手段就变得更为重要了。 实际上在熔铸过程中，熔化质量及凝固过程对最终铸件的质量均会产生非常大的影响。即使在最后的成品中经过揉锻工艺，熔化及凝固过程对零件性能的影响仍然存在，因为凝固组织及与其相关的各种缺陷一旦形成，就很难消除。 熔铸是零件生产的一种重要手段，但同时又存在一系列的问题，制品中有各种缺陷和不足，其中之一就是微观组织随位置变化；化学成份随位置变化，因而造成最终其性能亦在同一个零
3、件中的不同部位有不同的表现，就象一条锁链中最薄弱的环节那样，铸件中的劣质区最终将破坏整体的完整性。因此，对于整个熔化凝固过程中影响微观组织的各种因素都应有一个明确的认识，使铸件的性能得到最有效的发挥。,一、熔炼的基本任务 金属合金熔炼的基本任务就是把某种配比的金属炉料投入熔炉中，经过加热和熔化得到熔体，再对熔化后的熔体进行适当的液态处理，得到合乎要求的合金熔体。在进行熔化的过程中，合金本身与环境之间将发生许多物理、化学的变化和反应，这些反应均会影响到熔体的质量，只有对这些变化和反应有比较清楚的认识，才能更好的分析和解决在熔炼过程中出现的各种问题。,液体金属的结构 具有明显的流动性质使液态金属区
4、别于固态，此亦可视为它的显著特点。但它与作为流体的气体大不相同。分析以下几点：1.固体金属熔化成液体，大多数情况下体积增加-即原子间的平均距离仅增加-；而若变成气体，则其体积将膨胀达几千倍。2.金属的熔化潜热一般也只有蒸发潜热的-。3.金属熔化时的熵变值大约只有蒸发熵变的十分之一。,所谓合格的金属合金熔体应包含以下几方面的内容：1、化学成份合格(影响成分的主要因素） 由于纯金属不能满足人们对材料的要求，因此需要在基体金属炉料中添加一些不同种类的金属炉料，这些金属称为合金元素。化学成份合格，首先应满足的就是各个合金元素的含量均应在允许的范围内。 除合金元素外，在各种金属原料中，由于各种原因，还有
5、存在许多对合金性质有不利影响而又无法完全去除的各类元素或各种气体及夹杂物等，为保证材料性能的发挥，必须对这类杂质的含量进行控制，化学成份合格亦应在各类杂质元素的含量在允许的范围内。,2、熔体应洁净 在对金属合金进行加热熔化操作过程中，由于在高温状态下，各种化学元素的化学较强，以及操作过程中的不慎，均有可能将一些外来异物如熔剂、炉渣或各种气体等带入熔体，这些外来物在随后发生的凝固过程中均会对零件的性能产生不利的影响，因此在熔化操作过程中应进可能地将其去除干净。3、温度适当 各种材料在进行熔炼操作时，都是将在室温状态下以固体状态存在的金属合金，加热到熔点温度以上，使其发生相变，转变成液态，高温状态
6、下，金属料与环境会由于化学活性的提高而发生各种作用，其结果就会有污染，并且有些变化是不可逆转的，影响性能，因此熔化过程中，一定要控制好温度，使其在满足随后凝固要求的前提下，尽量减轻对性能的影响。,二、铸造的基本任务 金属铸造就是把熔炼好的金属液体倾注到预制的铸型中，待金属凝固成形后，再从该铸型中取出金属制品即可获得铸件。 除电熔铸法和粉末冶金法产生的特殊金属制品以外，大部分金属制品必须经过一次熔化和凝固过程。初生凝固组织往往对产品的性能有决定性的影响，这一点不仅对直接作为铸件使用的零件如此，对于尚需经过塑性加工以制成棒材、板材、线材的制品也是一样。究其根本变化原因就是在铸件凝固过程中，存在着如
7、成份偏析、缩孔、疏松、夹杂物、裂纹等铸造缺陷，对于这样一些缺陷，即使经过塑性加工，表面看来缺陷难以消除，可以忽略，而实际上它们仍有可能作为残迹遗留在制品中，对制品的性能产生较大甚至是致命的影响。,一般经过热处理能够消除大部分微观偏析，可是在铸件或铸锭中出现宏观偏析，即使用热处理或塑性加工也无法消除，偏析残迹存留于最终成品中。因此即使在实验室研制成功的任何优质材料，只要在铸锭中存在不均匀的铸造组织或化学成份，就很难把它作为可靠性高的材料使用。 制作无偏析的有均匀微细组织或由单一柱状晶粒组成的凝固组织，并且能够自由控制晶粒的形状尺寸和分布是冶金工作人员的愿望。因此就必须弄清金属铸造过程中的重要环节
8、凝固过程的机理，并找出控制铸造凝固组织的方法。,在铸造过程中，除了应从以上金属学角度考虑金属液中形核，晶粒成长结晶组织问题以外，由于在铸造工艺中，金属不断处在形态和性能的转变之中，因此能否适应铸造要求和能否获得优质铸件，对于每种不同的金属合金有很大的差异，一般用铸造工艺性进行考察、判断金属合金对铸造工艺的适应性。 铸造性能是一种工艺性能，与实验条件有关，包括流动性、收缩性、热裂倾向及铸造应力等指标；另一方面，浇铸方法、铸型构造和质量以及对冷凝过程的控制与外界条件，也在很大程度上影响铸件的质量。,三、熔铸中产生的各种缺陷 近年来，材料科学有了较快的发展，金属以外的材料如高分子聚合物、陶瓷等材料在
9、成本和性能上与金属合金几乎相当，有些甚至更高，但无论何种材料对于现代工程来说都有其局限，甚而将各种材料的优异性能集于某一特殊材料于一身尤为重要。 在不断发展新型材料的同时，对已有的各种工程材料的进一步认识和发展，无疑是解决目前人们对材料性能的期望高于实际材料性能矛盾的捷径。 在当前经济运行所要求的温度及应力条件下，如何使现有材料能够更可信、更有效工作，并利用现有的工艺方法，发展更好性能的材料正是材料工作者不断努力和追求的目标，为更好的满足这一现代要求，就必须建立在首先了解我们已有材料的基础之上。,对于金属材料而言，认清其在制造过程中各个工艺环节可能出现的各种偏差以及由此造成的材料缺陷，才有可能
10、设计出一些更好的方法，以便有效地控制和改变这些因素，获得更好的经济性及使用功能。 用液态金属成型的铸造是工程上广泛采用的制造金属产品的重要方法,其制品的性能一方面取决于构成材料的金属元素以及其间的相互作用力；另一方面，甚至是更重要的一方面取决于该金属制品的加工工艺过程。因此考察金属材料性能发挥也必须从两个方面考察，即材料本身及其工艺过程，与此相对应的铸造缺陷亦同样有两类，即金属合金本身对铸造成型的适应性，包括流动性、收缩性、热裂倾向及铸造应力等指标；另一方面浇铸方法，铸型的构造和质量、熔化质量以及对冷凝过程的控制等外界条件，也同样在很大程度上影响铸件质量，因此铸造成型产生的缺陷亦同样有两类，以
11、下分别对其做进一步介绍：,1、铸件内部物理、化学性质和化学成份的不均匀性 各种合金在铸造过程中很难获得成份完全均匀的铸件和铸锭，凝固后，截面上不同部位以至晶粒内部产生的化学成份不均匀性的现象，称之为偏析，偏析分为宏观偏析和微观偏析。偏析容易造成对零件在各种性能上的损害，如机械性能降低、塑性降低、易腐蚀等等。偏析对铸件的质量有不良的影响，为了避免这些缺陷的产生，必须寻求消除偏析的方法，找出偏析产生的原因及其影响因素。 偏析现象在材料研究过程中也有其有益的一面，例如利用偏析现象可以达到净化或提地纯金属的目的。通过控制金属的凝固过程使有害物质偏析到指定部位，从而提高金属的纯度和质量。,2、铸件中的气
12、体 铸件中往往有各种气体，以不同的形式存在，它们对铸件质量有不同程度的影响。气体在铸件中有三种形态：固溶体、化合物和气孔。 若气体以原子状态溶解于金属中，则以固溶体形式存在，若气体与金属中某元素之间的集合力大于气体本身所具有的亲合力，则气体就应该与元素形成化合物。金属中的气体含量超过其溶解度，或侵入的气体不被溶解，则以分子状态存在(或气泡状态)，如果在凝固时这些气泡来不及排除，铸件中将产生气孔。 气孔不仅能减少铸件的有效截面积，而且使局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源，尤其是形状不规则的气孔，如裂纹状气孔和尖角形气孔，不仅增加缺口的敏感性，使金属的强度降低，而且降低零件的疲劳强度。,以固溶
13、体形式存在的气体，虽然危害较小，但同样会降低铸件的韧性，在一定条件下，从固溶体中析出的氢气压力使晶粒间形成须状裂纹，如钢中析出的氢气，造成白点，使钢变脆，即所谓氢脆，铸铁中固溶的氢，还会增加白口倾向。 承受液压和气体的铸件，若含有气孔，能明显降低其气密性。,在金属中若含有气体，还会影响到它的铸造性能，铸件凝固时析出的反压力，阻碍金属液的补缩，造成晶间疏松，即疏松。与此同时，合金中若含有气体，还会降低其流动性，影响液态成型，如铸铁中含(H)为0.8cm3/100克时，流动性为53cm，含(H)为4.1cm3/100克时，流动性则降为39cm，合金及铸件中气体的种类主要是氢、氮、氧，氢原子半径很小
14、(0.37A)，几乎可以溶解到各种铸造合金中。氧的原子半径虽然也小(0.66)，但它是一个极活泼的元素，能与许多金属形成化合物，只有氧化性较差等金属及合金才能溶解一定量的氧，多数情况以氧化物夹杂的形式存在。氮的原子半径比氢大(0.8A)，在铸钢铸铁中有一定溶解量，在铝合金及铜合金中几乎不溶解。,表1-1 熔炼过程气体来源,表1-2 铸型带入的气体,3、铸件中非金属夹杂物 非金属夹杂物有不同的形态和类型，它们对金属性能和铸件质量有不同程度的影响。夹杂物的形状可分为球状多面体、不规则的多角形、条状及薄膜状、板状等。 夹杂物的分布可分为：晶内、晶界及局部区域，前两者属微观夹杂物。 夹杂物对材料和铸件
15、质量机械性能的影响是显而易见的，对于各种以液固相变成型的材料，通常不可避免地含有107108/cm3数量级的微观夹杂物，有实验证明，经过陶瓷过滤后净化的铝合金，强度可提高50%，延伸率可提高一倍以上。 夹杂物对材料塑性冲击韧性及疲劳强度均有很大影响，有统计数字表明，汽车零件由于技术原因产生的断裂，90%是疲劳裂纹造成的，而进一步的实验表明疲劳裂纹源主要发生在非金属夹杂物处，其原因在于非金属夹杂物与金属基体有着不同的弹性模量和膨胀系数。,各种非金属夹杂物就其来源可分为两类：内在夹杂物：它是熔炼和铸造过程中，金属和非金属元素发生化学反应产生的各种化合物，如铁碳合金中能溶解一定数量的硫，在液态及随后
16、的凝固过程能形成FeS 、MnS等硫化物。外来夹杂物：它是在熔炼过程中，金属与外界物质接触发生相互作用所产生的非金属夹杂物，如炉料表面粘砂锈蚀灰分等熔化后变成熔渣，金属与炉衬浇包炉气等接触均会有各种化学反应发生，产生各种夹杂物。,夹杂物按其成分组成可分为氧化物、硫化物、硅酸盐磷化物碳化物以及由它们组成的多元素复杂化合物。 由于夹杂物的组成形态及分布不同，其对材料和铸件性能的影响亦不同，由于不同材料及不同熔化工艺产生的夹杂物类型分布亦不同。在实际熔化铸造工艺过程中应根据具体工艺条件分别研究，采用不同的工艺方法，使其对材料性能的影响降至最小。,4、铸件或铸锭的收缩 铸件在液态冷却时，液固两相状态及
17、固态冷却过程中所发生的体积减小的现象，称为收缩。 收缩是铸件中产生缩孔、缩松、热裂应力、变形冷裂等缺陷的根本原因。缩孔：铸件在凝固过程中，由于合金液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞，称为缩孔。其中容积大而集中的孔洞称为集中缩孔，细小而分散的孔洞称为散性缩孔，简称缩松。热裂的特征就是裂口的外观形状曲折不规则，裂口表面有氧化颜色，即铸件或铸锭是在高温条件下及在凝固温度区间接近固相温度时形成的。,铸造应力：铸件凝固以后，在随后的冷却过程中，有些合金还可能发生固态相变，产生体积的收缩或膨胀，如果这些变化受到铸型等外力或铸件结构本身的约束，就会在铸件内部产生应力，称为铸造应力。铸造应力按其产生原因不同又可分为：热应力、形变应力、机械阻碍应力。 正是由于铸造应力的存在就可能造成铸件的变形，严重的，如果铸造应力超过材料的强度极限，甚至引起铸件的冷裂缺陷。 以上这些由于熔铸产生的各种材料缺陷，对于不同的材料和不同的零件结构及成型方法有不同的表现。在实际的熔铸操作中根据实际情况从材料本身的特性，零件结构设计及具体的成型工艺综合考虑，才能针对性地克服这样一些缺陷，得到合格产品。因此有必要对于熔炼的工艺方法铸造成型工艺的特点有一个系统的研究。,
