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铸造性能

铸造性能,主要指的是合金的铸造性能,而合金的铸造性能主要是指合金的流动性能和收缩性能等。铸件的结构,如果不能满足合金铸造性能的要求,则可能产生浇不足、冷隔、缩松、气孔、裂纹和变形等缺陷。

工艺性能是指金属材料对不同加工方法的适应能力,包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等,是设计零件、选择材料和编制零件加工工艺流程的重要依据之一,对保证产品质量、降低生产成本、提高生产效率有着重大的作用。

金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能。衡量铸造性能的主要指标有流动性、收缩性和偏析倾向,几种金属材料的铸造性能比较见下图: [1]

液体金属材料充满铸型型腔,获得轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力,称为液体合金的流动性。流动性主要受化学成分、浇注温度以及铸型等因素影响,流动性好的材料容易充满型腔,从而获得外形完整、尺寸精确和轮廓清晰的铸件。

金属的流动性可用螺旋线长度来测定,下图为螺旋形试样。将金属液浇注入螺旋形铸型中,在相 同的铸造条件下,获得的螺旋线越长,表明金属液的流动性越好。

影响流动性的因素主要是合金的种类与化学成分以及浇注工艺条件。

1、合金的种类与化学成分

不同种类的合金具有不同的流动性,根据流动性试验测得的螺旋线长度可知,常用铸造合金中,灰铸铁的流动性较好,硅黄铜、铝硅合金次之,而铸钢的流动性较差。

同类合金中,化学成分不同,合金的结晶特点不同,其流动性也不一样。一般合金的结晶是在一个温度区问内完成,结晶时先形成的初晶会阻碍金属液的流动;而共晶合金是在恒温下结晶,无初品形成,对金属液的阻力较小,另外共晶合金的熔点低,在同样的浇注温度下,共晶合金结晶前有足够的时间充满铸型的型腔,所以共晶合金的铸造性能优良。合金的成分越远离共晶点,结晶温度范围越宽,其流动性越差。因此在满足使用性能的前提下,铸造合金应尽量选用共晶合金或接近共品成分的合金。

2、浇注工艺条件

提高浇注温度可改善金属的流动性。浇注温度越高,金属保持液态的时间越长,其黏度也越小,所以流动性也就越好。因此适当提高浇注温度是改善流动性的工艺措施之一。另外铸型材料的导热性、铸型内腔的形状和尺寸等因素划’流动性也有影响。

铸造合金从液态凝同和冷却至室温过程中,其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。包括液态收缩、凝固收缩、固态收缩三个阶段。液态收缩是金属液由于温度的降低而发生的体积缩减。凝固收缩是金属液凝固(液态转变为同态)阶段的体积缩减。液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩减,通常称为“体收缩”。固态收缩是金属在固态下由于温度的降低而发生的体积缩减,固态收缩虽然也导致体积的缩减,但通常用铸件的尺寸缩减量来表示,故称为“线收缩”。

铸件收缩不仅影响尺寸,还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷,故铸造用材料的收缩率越小越好。收缩直接影响铸件的质量。液态收缩和凝固收缩若得不到补足,会使铸件产生缩孔和缩松缺陷,固态收缩若受到阻碍会产生铸造内应力,导致铸件变形开裂。

1、缩孔和缩松

缩孔是由于金属的液态收缩和凝固收缩部分得不到补足时,在铸件的最后凝固处出现的较大的集中孔洞。缩松是分散在铸件内的细小的缩孔。缩孔和缩松都能使铸件的力学性能下降,缩松还能使铸件在气密性试验和水压试验时出现渗漏现象。生产中可通过在铸件的厚壁处设置冒口的工艺措施,使缩孔转移至最后凝固的冒口处,从而获得完整的铸件。冒口是多余部分,切除后便获得完整、致密的铸件;也可以通过合理地设计铸件结构,避免铸件局部金属积聚,来预防缩孔的产生。

2、变形与开裂

铸件在凝固后继续冷却过程中,若固态收缩受到阻碍就会产生铸造内应力,当内应力达到一定数值时,铸件便产生变形甚至开裂。铸造内应力主要包括收缩时的机械应力和热应力两种,机械应力是由铸型、型芯等外力的阻碍收缩引起的内应力;热应力是铸件在冷却和凝固过程中,由于不同部位的不均衡收缩引起的内应力。

生产中为减小铸造内应力,经常从改进铸件结构和优化铸造工艺入手,如铸件的壁厚应均匀,或合理地设置冷铁等工艺措施,使铸件各部位冷却均匀,同时凝固,从而减小热应力;铸件的结构尽量简单、对称,这样可减小金属的收缩受阻,从而减小机械应力。

影响收缩率的因素分内部和外部条件。

(1)合金的种类和成分

合金的种类和成分不同,其收缩率不同,铁碳合金中灰铸铁的收缩率小,铸钢的收缩率大。下图为常用铸造合金的线收缩率。

(2)工艺条件

金属的浇注温度对收缩率有影响,浇注温度越高,液态收缩越大。铸件结构和铸型材料对收缩也有影响,型腔形状越复杂、铸型材料的退让性越差,对收缩的阻碍越大。当铸件结构设计不合理,铸型材料的退让性不良时,铸件会因收缩受阻而产生铸造应力,容易产生裂纹。

液态材料凝固后,铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。铸件的偏析可分为晶内偏析、区域偏析和比重偏析三类。

1、晶内偏析(又称枝晶偏析)是指晶粒内各部分化学成分不均匀的现象。这种偏析出现在具有一定凝固温度范围的合金铸件中。为防止和减少晶内偏析的产生,在生产中常采取缓慢冷却或孕育处理的方法。

2、区域偏析是指铸件截面的整体上化学成分和组织的不均匀。避免区域偏析的发生,主要应该采取预防措施,如控制浇注温度不要太高,采取快速冷却使偏析来不及发生,或采取工艺措施造成铸件断面较低的温度梯度,使表层和中心部分接近同时凝固。

3、比重偏析是指铸件上、下部分化学成分不均匀的现象。为防止比重偏析,在浇注时应充分搅拌金属液或加速合金液的冷却,使液相和固相来不及分离,凝固即告结束。偏析过大会使铸件各部分的力学性能有很大的差异,降低铸件的质量。 [2]


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