合金的铸造性能指用该合金实施铸造加工的难易程度,主要包括该合金铸造时的流动性(充型能力)、收缩性等。
合金的铸造性能包括有铸造用液体合金的氧化性、吸气性、流动性及冷却凝固时的收缩、偏析等。如果液体合金不易氧化,熔液不易吸收气体;浇注时金属熔液容易充满型腔;凝固时铸件不易产生缩孔,而且化学成分均匀;冷却时铸件不发生变形和开裂,这样的铸造金属就被认为有良好的铸造性能,容易铸成完整而优质的铸件。相反,铸造金属的铸造性能不良,则容易使铸件产生缺陷。为了保证铸件的质量,必须增加相应的工艺措施,因此就有可能提高铸件的生产成本。
1. 合金的流动性
合金的流动性是指液态合金的流动能力,即液态合金充满铸型的能力。流动性好的合金,易于充满薄而复杂的铸型腔,便于浇注出轮廓清晰的铸件,减少浇注不足、冷隔等缺陷;有利于液体合金中气体和非金属夹杂物的上浮与排出,有利于对合金凝固过程中产生的收缩进行补缩,减少铸件中气孔、夹渣、缩孔、缩松等缺陷的产生。因此,合金的流动性直接影响到铸件的质量,良好的流动性是获得优质铸件的基本条件。
合金的充型能力取决于金属液本身的流动能力,同时又受铸型性质、浇注条件及铸件结构等影响。影响流动性的因素主要包括以下三个方面:
①. 合金的化学成分
合金的化学成分不同,它们的熔点及结晶温度范围不同,其流动性也不同。共晶成分的合金流动性最好,其结晶是在恒温下进行,凝固时从表面逐层向中心发展,已凝固的硬壳内表面比较光滑,对尚未凝固的液体流动阻力小;随着结晶温度范围的扩大,较早形成的树枝状晶体,使凝固的硬壳内表面参差不齐,将阻碍金属的流动。因此,从流动性考虑,宜选用共晶成分或窄结晶温度范围的合金作为铸造合金。其中灰铸铁的流动性最好,铸钢的流动性最差。
②. 浇注温度
浇注温度对合金的充型能力有着决定性的影响。在一定的范围内,浇注温度愈高,合金液的黏度愈低,且在铸型中流动的时间增长,充型能力增强,反之充型能力差。因此,为防止浇不足和冷隔缺陷的产生,对薄壁铸件或流动性较差的合金可适当提高浇注温度。但浇注温度过高,液态合金的收缩增大,吸气量增大,氧化严重。容易导致缩孔、缩松、粘砂、气孔、粗晶等缺陷,因此,在保证充型能力足够的条件下,应尽量降低浇注温度,复杂薄壁件取上限。
③. 铸型的结构特征
铸型中凡能增加金属液流动阻力和冷却速度的因素,如型腔的表面粗糙、排气不畅、内浇道尺寸过小、铸型材料导热性大;铸型型腔中的产气量及排气能力;铸件结构的复杂程度和表面粗糙度等,均会降低金属的流动性。凡是增大冷却速度和增大流动阻力的因素都会降低充型能力。如金属型比砂型冷却快;薄壁铸件的流动阻力大,排气不良时,气体对合金产生背压等都会降低合金的充型能力。
2. 合金的收缩
铸件在凝固冷却过程中,体积与尺寸会逐渐减小,这种现象称为收缩。收缩是铸件中许多缺陷,如缩孔、缩松、裂纹和残余应力等产生的基本原因。合金的收缩过程经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个阶段。液态收缩和凝固收缩引起的合金体积减小,称为体收缩;固态收缩引起铸件尺寸减小,称为线收缩。
体收缩是铸件产生缩孔、缩松的根本原因,线收缩是铸件产生应力、变形与裂纹的根本原因。
①. 缩孔和缩松
金属液在凝固过程中,合金的液态收缩值和凝固收缩值大于固态收缩值,且得不到补偿。缩孔产生的部位在铸件最后凝固区域,此区域也称热节。如图1-1所示为缩孔的形成示意图。
图1-2所示为缩松的形成示意图。缩松主要出现在糊状凝固的合金中,或断面较大的铸件壁中。一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口附近,也常分布在集中缩孔的下方。
缩孔和缩松会降低铸件的力学性能,缩松还会降低铸件的气密性。采用定向凝固原则可防止缩孔产生,如图1-3所示。
②. 铸造应力
铸件凝固收缩时,使铸件的体积和长度发生变化,如果收缩受阻,就会在铸件中产生应力,这种应力不是由外加载荷产生的,而是铸造本身的原因,故称为铸造(内)应力。它主要包括热应力和机械应力。这两种应力得不到及时消除,同时产生作用会引起铸件的变形,甚至产生裂纹。
a. 热应力:由于铸件壁厚不均匀、冷却不一致导致的应力。一般在厚壁处产生拉应力,薄壁处产生压应力。
b. 机械应力:当铸件收缩时,受到铸型、型芯和浇冒口等机械阻碍而产生的应力。机械应力一般为拉应力。
③. 减小与消除应力的方法
铸件冷却收缩不均,固态收缩受阻形成的应力会降低零件的承载能力,应力较大时,会导致铸件发生变形或开裂。
在铸造工艺方面采用退让性好的型砂和芯砂,合理设置浇注系统与冒口,使铸件各部分冷却温度差减小。采取合适的铸造工艺,使铸件的凝固过程符合同时凝固的原则;在铸件结构上,尽量设计成壁厚均匀、壁与壁之间连接均匀、热节小而分散的结构;及时对铸件进行消除应力退火,以消除其铸造应力。
一般来说,具有恒定凝固温度的金属和合金(如共晶凝固)易形成集中缩孔,合金的凝固温度范围愈宽,则愈易形成分散的缩孔,即缩松。工艺上控制缩孔的方法是使铸件实现顺序凝固,在铸件最后凝固的部位进行补缩,实现自下而上的顺序凝固和补缩,在上部最后凝固的地方设置冒口,将缩孔移到冒口中去。
工艺上控制铸造应力的主要方法是使铸件实现同时凝固。此外改善型砂、芯砂的退让性,掌握好落砂的时间,并合理设计铸件等都能减少铸造应力。对于铸件内的残余应力,可通过去应力退火加以消除。
金属的铸造性能对铸件结构的要求是有助于金属充型,使由收缩造成的变形和开裂减少或不发生。
在设计铸件结构时,还要考虑到金属铸造性能的优劣,否则铸件就会出现浇注不足、缩孔、缩松、冷隔、铸造应力、变形和裂纹等。往往在采用更合理的铸件结构后,便可除这些缺陷。因此,应使铸件结构有利于合金液的充型,并能减轻或避免因合金收缩带来的铸件缺陷。