金属材料的液态成型资料

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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、内燃机、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）可制造出内腔、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，内部易产生缩孔、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范围更加广阔。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，特别是具有复杂内腔的铸件，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：如铸件内部组织疏松，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，由加料车送入炉内，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。炙热的炉气在炉内上升，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；部分浇注到钢锭模内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，炉衬内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内浇道。内浇道——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、产生内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范围内结晶的，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，它使固体层内表面粗糙，增加了对液态合金流动的阻力，因而流动性差。合金的结晶温度范围愈宽，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，结晶温度范围减小，流动性提高。图1.12Fe-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。如液态合金在金属型中的流动性比在砂型中差；铸件壁厚过小，形状复杂，会增加液态合金的流动阻力，故会降低合金的流动性。因此设计铸件时，铸件的壁厚必须大于规定的最小允许壁厚值。并力求形状简单。型砂含水分多或铸型透气性差，会使浇注时产生大量气体且又不能及时排出，造成型腔内气体压力增大，使液态合金流动的阻力增加，从而降低合金的流动性。因此提高铸型的透气性，减少型砂的水分，多设出气口等，有利于提高液态合金的流动性。（3）浇注条件浇注温度愈高，液态合金的粘度愈低，保持液态的时间愈长，故液态合金的流动性提高。提高浇注温度是生产中减少薄壁铸件的浇不足、冷隔等缺陷的重要措施。但浇注温度过高，铸件易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔、粗晶等缺陷，在保证铸件薄壁部分能充满的前提下，浇注温度不宜过高。各种合金的浇注温度范围是：铸铁为1230~1450℃；铸钢为1520~1620℃；铝合金为680~780℃。薄壁复杂件取上限，厚大件取下限。1.4.2合金的收缩1.合金收缩的概念合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象，称为收缩。收缩是合金的物理本性，是铸件中缩孔、缩松、裂纹、变形、残余应力等缺陷产生的主要原因。液态金属从浇注温度冷却到常温，其收缩过程如图所示的三个阶段： 图1.13铸造合金的收缩过程Ⅰ-液态收缩；Ⅱ-凝固收缩；Ⅲ-固态收缩（1）液态收缩指合金从浇注温度冷却到液相线温度时的收缩。（2）凝固收缩指合金从液相线温度冷却到固相线温度时的收缩。（3）固态收缩指合金从固相线温度冷却到室温时的收缩。合金的总体积收缩为上述三个阶段收缩之和。液态收缩和凝固收缩会引起型腔内液面的下降，表现为合金体积的收缩，常用体收缩率表示。它们是铸件产生缩孔、缩松的基本原因。固态收缩一般直观的表现为铸件外形尺寸的减少，常用线收缩率表示。它是铸件产生内应力、变形和裂纹的基本原因。2.影响合金收缩的因素合金的收缩与其化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件有关。（1）化学成分碳钢随含碳量增加，凝固温度范围扩大，收缩量随之增大。灰口铸铁中碳、硅为促进石墨化元素，当其含量增加或碳以石墨形态存在的可能性愈大，则收缩量减小。因石墨密度小，比容大，抵消了灰口铸铁的部分收缩，使其总的收缩量减小；而阻碍石墨化元素，硫会使收缩量增加。总之，不同的合金，化学成分不同，收缩率也不一样。几种铸造合金的收缩见表2。表2几种铸造合金的铸造收缩率（2）浇注温度浇注温度愈高，过热度愈大其液态收缩量增加，合金总的收缩率增大。（3）铸型条件和铸件结构铸件在铸型中是受阻收缩而不是自由收缩。其阻力来自铸型和型芯；铸件壁厚不同，壁在型内所处的位置不同，其冷却速度也不同，冷凝时，铸件各部分相互制约也会产生阻力。这些都会影响合金的实际收缩率。3.缩孔和缩松液态金属在冷凝过程中，由于液态收缩和凝固收缩的结果，会在铸件最后凝固的部位形成孔洞。容积大而集中的孔洞称为缩孔；细小分散的孔洞称为缩松。（1）缩孔的形成缩孔常产生在铸件的厚大部位或上部最后凝固部位，常呈倒锥状，内表面粗糙。缩孔的形成过程如图1.14 所示。液态合金充满铸型型腔后（图中a），由于铸型的吸热，液态合金温度下降，靠近型腔表面的金属凝固成一层外壳，此时内浇道以凝固，壳中金属液的收缩因被外壳阻碍，不能得到补缩，故其液面开始下降（图中b）。温度继续下降，外壳加厚，内部剩余的液体由于液态收缩和补充凝固层的收缩，使体积缩减，液面继续下降（图中c）。此过程一直延续到凝固终了，在铸件上部形成了缩孔（图中d）温度继续下降之室温，因固态收缩使铸件的外轮廓尺寸略有减小（图中e）。纯金属和共晶成分的合金，易形成集中的缩孔。图1.14缩孔的形成过程示意图（2）缩松的形成结晶温度范围宽的合金易形成缩松，其形成的基本原因与缩孔相同，也是由于铸件最后凝固区域得不到补充而形成的。缩松的形成过程如图1.15所示。当液态合金充满型腔后，由于温度下降，紧靠型壁处首先结壳，且在内部存在较宽的液—固两相共存区（图中a）。温度继续下降，结壳加厚，两相共存区逐步推向中心，发达的树枝晶将中心部分的合金液分隔成许多独立的小液体区（图中b）。这些独立的小液体区最后趋于同时凝固，因得不到液态金属的补充而形成缩松（图中c）。缩松分为宏观缩松和显微缩松两种。宏观缩松是用肉眼或放大镜可以看出的分散细小缩孔。显微缩松是分布在晶粒之间的微小缩孔，要用显微镜才能观察到，这种缩松分布面积更为广泛，甚至遍布铸件整个截面。图1.15缩松形成过程示意图（3）缩孔和缩松的防止缩孔和缩松都使铸件的机械性能下降，缩松还可是铸件因渗漏而报废。因此，缩孔和缩松都属铸件的重要缺陷，必须根据技术要求、采取适当的工艺措施予以防止。实践证明，只要能使铸件实现“顺序凝固”，尽管合金的收缩较大，也可获得没有缩孔的致密铸件。所谓顺序凝固，就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固（如图1.16中І），尔后是靠近冒口部位凝固（图中Ⅱ、Ⅲ），最后才是冒口本身的凝固。按照这样的凝固顺序，先凝固部位的收缩，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均能得到补充，而将缩孔转移到冒口之中。冒口为铸件的多余部分，在铸件清理时将其去除。 图1.16顺序凝固为了实现顺序凝固，在安放冒口的同时，还可在铸件上某些厚大部位增设冷铁。（图1.17）所示铸件的热节不止一个，若仅靠顶部冒口，难以向底部凸台补缩，为此，在该凸台的型壁上安放了两个外冷铁。由于冷铁加快了该出的冷却速度，使厚度较大的凸台反而最先凝固，从而实现了自下而上的顺序凝固，防止了凸台处缩孔、缩松的产生，可以看出，冷铁仅是加快某些部位的冷却速度，以控制铸件的凝固顺序，但本身并不起补缩作用。冷铁通常用钢或铸铁制成。图1.17冷铁的应用正确地估计铸件上缩孔或缩松可能产生的部位是合理安设冒口和冷铁的重要依据。在实际生产中，常以画“凝固等温线法”和“内切圆法”近似地找出缩孔的部位，如（图1.18）所示。图中等温线未曾通过的心部和内切圆直径最大处，即为容易出现缩孔的热节。图1.18缩孔位置的确定 安放冒口和冷铁，实现顺序凝固，虽可有效的防止缩孔和缩松（宏观缩松），但却耗费许多金属和工时，加大了铸件成本。同时，顺序凝固扩大了铸件各部位的温度差，促进了铸件的变形和裂纹倾向。因此，主要用于必须补缩的场合，如铝青铜、铝硅合金和铸钢件等。必须指出，对于结晶温度范围甚宽的合金，结晶开始之后，发达的树枝状骨架布满了整个截面，使冒口的补缩道路严重受阻，因而难以避免显微缩松的产生。显然，选用近共晶成分或结晶温度范围较窄的合金生产铸件是适宜的。1.4.3铸造应力、变形和裂纹1.铸造应力铸件的固态收缩受到阻碍而引起的内应力，称铸造应力。阻碍按形成的原因不同分为热阻碍和机械阻碍。铸件各部分由于冷却速度不同、收缩量不同而引起的阻碍称热阻碍；铸型、型芯对铸件收缩的阻碍，称机械阻碍。由热阻碍引起的应力称热应力，由机械阻碍引起的应力称机械应力（收缩应力）。铸造应力可能是暂时的，当引起应力的原因消除以后，应力随之消失，称为临时应力；也可能是长期存在的，称残留应力。（1）热应力它是由于铸件的壁厚不均匀、各部分的冷却速度不一致，导致其收缩在同一时期内不相同，彼此相互制约而形成的。落砂后热应力仍存在于铸件内，是一种残留铸造应力。为了分析热应力的形成，首先必须了解金属自高温冷却到室温时应力状态的改变。固态金属在再结晶温度以上的较高温度时（钢和铸铁为620—650℃以上），处于塑性状态。此时，在较小的应力下就可发生塑性变形，变形之后应力可自行消除。在再结晶温度以下，金属呈弹性状态，此时，再应力作用下将发生弹性变形，而变形之后应力继续存在。图1.19热应力的形成下面用（图1.19a）所示的框形铸件来说明热应力的形成过程。该铸件由杆Ⅰ和杆Ⅱ两部分组成，杆Ⅰ较粗、杆Ⅱ较细。当铸件处于高温阶段（图中T0~T1间），两杆均处于塑性状态，尽管两杆的冷却速度不同、收缩不一致，但瞬时的应力均可通过塑性变形而自行消失。继续冷却后，冷速较快的杆Ⅱ以进入弹性状态，而粗杆Ⅰ仍处于塑性状态（图中T1~T2间）。由于细杆Ⅱ冷却快，收缩大于粗杆Ⅰ，所以细杆Ⅱ受拉伸，粗杆Ⅰ受压缩（图中b），形成了暂时内应力，但这个内应力随之便被粗杆Ⅰ的微量塑性变形（压短）而消失（图中c）。当进一步冷却到更低温度时（图中T2~T3间），已被塑性压短的粗杆Ⅰ也处于弹性状态，此时，尽管两杆长度相同，但所处的温度不同。粗杆Ⅰ的温度较高，还会进行较大的收缩；细杆Ⅱ的温度较低，收缩已趋停止。因此，粗杆Ⅰ的收缩必然受到细杆Ⅱ的强烈阻碍，于是，杆Ⅱ受压缩，杆Ⅰ受拉伸，直到室温，形成了残余内应力（图中d）。 由此可见，热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表面受压缩。铸件的壁厚差别愈大，热应力愈大。预防热应力的基本途径是尽量减少铸件各部位间的温度差，使其均匀的冷却。为此，可将浇口开在薄壁处，使薄壁处铸型在浇注过程中的升温较厚壁处高，因而可补偿薄壁处的冷速快的现象。有时为增快厚壁处的冷速，还可在厚壁处安放冷铁（图1.20）。图1.20铸件的同时凝固原则坚持同时凝固原则可减少铸造内应力、防止铸件的变形和裂纹缺陷，又可不用冒口而省工省料。其缺点是铸件心部容易出现缩孔或缩松，主要用于普通灰口铸铁、锡青铜等。这是由于灰口铸铁的缩孔、缩松倾向小；锡青铜的糊状凝固倾向大，用顺序凝固也难以有效地消除其显微缩松缺陷。（2）机械应力它是合金的线收缩受到铸型或型心机械阻碍而形成的内应力，如（图1.21）所示。图1.21机械应力机械应力使铸件产生拉伸或剪切应力，并且是暂时的，在铸件落砂之后，这种内应力便可自行消除。但机械应力在铸型中可与热应力共同起作用，增大了某些部位的拉伸应力，促进了铸件的裂纹倾向。2.铸件的变形与防止残余内应力使铸件不同部位被拉伸或压缩，好象被拉伸或压缩的弹簧一样，处于一种不稳定的状态，有自发通过铸件变形来缓解其应力，以回到稳定的平衡状态。显然，只有原来受拉伸的部分产生压缩变形、受压缩部分产生拉伸变形，才能使铸件中的残余应力减少或消除。（图1.22）所示为车床床身，其导轨部分因较厚而受拉应力，床壁部分较薄而受压应力，于是朝着导轨方向发生扰曲变形，使导轨呈内凹。（图1.23）为一平板铸件，尽管其壁厚均匀，但其中心部分因比边缘散热慢而受拉应力，其边缘处受压应力。由于铸型上面比下面冷却快，于是该平板发生如图所示方向变形。为防止铸件产生变形，除在铸件设计时尽可能使铸件的壁厚均匀、形状对称外，再铸造工艺上应采用同时凝固原则，以便冷却均匀。对于长而易变形的铸件，还可采用“反变形” 工艺。反变形法是在统计铸件变形规律的基础上，在模样上预先作出相当与铸件变形量的反变形量，以抵消铸件的变形。图1.22床身导轨面的扰曲变形图1.23平板铸件的变形实践证明，尽管变形后铸件的内应力有所减缓，但并未彻底去除，这样的铸件经机械加工之后，由于内应力的重新分布，还将缓慢地发生微量变形，使零件丧失了应有的精确度。为此，对于不允许发生变形的重要机件必须进行时效处理。自然时效是将铸件置于露天场地半年以上，使其缓慢地发生变形，从而使内应力消除，人工时效是将铸件加热到550—650℃进行去应力退火。时效处理宜在粗加工之后进行，以便将粗加工所产生的内应力一并消除。3.铸件的裂纹与防止根据裂纹形成的温度范围可将其分为冷裂和热裂两种。冷裂是铸件处于弹性状态时，铸造应力超过合金在该温度下的强度极限而产生的。他往往出现在铸件受拉应力的部位，特别是应力集中之处，如尖角处以及缩孔、气孔和渣眼附近。冷裂是在较低温度下形成的，故表面具有金属光泽或只呈轻微的氧化色泽，断口圆滑、干净、且常穿过晶粒延伸到铸件表面。复杂的铸件以及灰铸铁、白口铸铁和高锰钢等塑性差的材料易产生这类缺陷。要防止冷裂，主要是减少铸造应力，提高合金的力学性能。钢和铸铁中的磷会使合金的冲击韧性下降，脆性增加，是冷裂倾向增大。钢液脱氧不良和非金属夹杂物也会增加冷裂倾向。热裂是铸件在凝固过程中和固相线温度附近形成的。此时结晶骨架已经完成，但晶粒间还有少量液体，强度很低，其收缩时受到铸型、型心等的阻碍，铸件则产生热裂。热裂是在较高温度下形成的，因此，断口氧化严重，无金属光泽，裂口往往沿晶界产生和发展，形状曲折而不规则。铸钢件（特别是合金钢件）、可锻铸铁件和某些铝合金铸件容易产生这类裂纹。要防止热裂，减少铸造应力是关键，如合理设计铸件结构，提高砂型（芯）的退让性；合理设计浇冒口系统；严格控制铸钢和铸铁中的含硫量；在易产生热裂处设防裂筋等。1.4.4铸件的化学成分偏析化学成分不均匀的现象称为偏析。（1）微观偏析微观偏析指微小范围内的化学成分不均匀（一般在一个晶粒尺寸范围内）。（2）宏观偏析（区域偏析） 宏观偏析是指在较大尺寸范围内的成分不均匀，主要包括正偏析和逆偏析。在实际生产中，铸件断面成分偏析极为复杂。往往以一种偏析为主，其他偏析同时存在。1.5铸件的结构设计及几何形状特征在液态材料铸造成形技术中，铸件的结构设计及几何形状是否合理，即结构技术性是否良好，对铸造零件的品质、生产率及成本等有较大的影响。1.铸件结构设计的一般原则（1）必须针对不同的铸造合金的性能、铸造方法、产品多少和生产条件，综合考虑合理的结构。（2）铸件壁厚的变化对金属的力学性能均有影响。（3）铸件的最小壁厚必须结合零件的复杂程度、尺寸大小、材料及制造技术来确定。（4）简化模型设计。（5）易于造型及合理确定分型面，尽量避免或减采用型芯，便于落砂清理。（6）考虑浇注的特点。（7）充分考虑材料的不同特性。2.铸件的结构要素设计（1）铸件的最小壁厚在一定铸造条件下，铸造合金液能充满铸型的最小厚度称为该铸造合金的最小壁厚。（2）铸件的临界壁厚厚壁铸件易产生缩孔、缩松等缺陷，不产生此类缺陷的最大壁厚称为临界壁厚。一般临界壁厚取最小壁厚的3倍。（3）铸件的内壁厚为保证铸件同时凝固，减少热应力，内壁厚要小于外壁厚。（4）铸件壁的过渡和连接采用逐渐过渡；连接应避免交叉，以减少和分散热节点。（5）肋为了增加铸件的力学性能和减轻铸件的质量，消除缩孔和防止裂纹、变形、夹砂等缺陷，在铸件结构设计中大量采用肋。设计肋时，要尽量分散和减少热节点，避免多条肋互相交叉，肋与肋和肋与壁的连接处要有圆角过渡，垂直于分型面的肋应有铸造斜度。（6）铸造斜度铸件壁的内、外两侧，沿起模方向应设计适当的斜度即结构斜度。1.6铸造成形方法1.砂型铸造以型（芯）砂为主要造型材料制备铸型的方法称为砂型铸造。常见的砂型铸造过程如图所示，造型方法有：整模造型、两箱造型、三箱造型、活块造型、刮板造型、挖砂造型等。 图1.24两箱造型图1.25三箱造型图1.26锥齿轮铸造工艺常见的典型铸件有：床身铸件、三通铸件、支架类铸件等。常见的砂型结构有：砂芯、砂垛、外型芯等。2.特种铸造（1）熔模铸造熔模铸造又称为失蜡铸造、熔模精密铸造。方法是先将低熔点易熔材料蜡制成模样，再在蜡模表面涂上耐火材料，待其硬化干燥后将其中的蜡模样熔失，而制成无分型面的铸型型壳，再经焙烧，然后进行浇注，最后清理获得铸件。特点是铸件尺寸精度高、表面质量好。熔模铸造如图所示，其生产过程为：组装蜡模、上涂料、失蜡、熔模焙烧、熔模浇注及清理等。 图1.27熔模铸造（2）金属型铸造金属型铸造又称硬模铸造、永久型铸造。其铸型是金属材料制成，可以反复使用。如活塞铸型。图1.28金属型铸造形式（3）压力铸造压力铸造简称压铸，是将液态金属在高压作用下以较高的速度充填压铸型型腔，并在压力作用下结晶凝固，而获得铸件的方法。压力铸造的生产原理如图所示，常用的生产设备有：热压铸机、卧式压铸机等。 图1.29热压铸机工作过程（4）离心铸造离心铸造是将液态金属浇入旋转的铸型中，使液态金属在离心力的作用下充填铸型，结晶凝固而获得铸件的铸造方法。铸造离心机的工作原理如图所示。图1.30离心铸造（5）机械铸造对于大量生产的铸件，为提高生产效率，采用机械造型机生产。 1.7半固态成形半固态合金是将合金熔化后，待合金冷却到液相线温度以下时，使固态组分达到40～60%（类似糊状悬液）并具有一定的流动性的合金。利用半固态合金实现浇注或压注成形方法称为半固态成形。半固态成形的特点：（1）应用范围广；（2）铸件质量高，力学性能好，尺寸精度高；（3）成型时减少了对成型装置的热冲击，节省能源；（4）便于实现自动化，提高了劳动生产率，降低了生产成本。半固态成形的方法：1.流变成形利用半固态金属制备器，批量制备或连续制备糊状浆料，然后直接进行铸造、挤压、轧制、模锻等成型的方法。图1.31半固态流变成形2.触变成形利用半固态金属制备器制成半固态浆料，冷却后得到铸锭。再分割铸锭并加热到半固态温度进行成型的方法。图1.32半固态触变成形3.铸锻成形（1）液态模锻 图1.33液态模锻工艺过程（2）液态挤压图1.34液态挤压工艺过程（3）连续铸挤图1.35连续铸挤工艺过程 （4）液态轧制图1.36液态轧制工艺过程