2.2　鑄造理論基礎

2.2.1　鑄造的特點及分類

1.鑄造的特點

由于鑄造成形是由液態凝結成固態的過程，故鑄造生產具有以下特點：

（1）成形方便且適應性強。鑄造成形方法對工件的尺寸形狀幾乎沒有任何限制。鑄件的材料可以是鑄鐵、鑄鋼、鑄造鋁合金、鑄造銅合金等各種金屬材料，也可以是高分子材料和陶瓷材料；鑄件的尺寸可大可小，鑄件的形狀可簡單亦可復雜。因此，形狀復雜或大型機械零件一般采用鑄造方法初步成形，特別是具有復雜內腔的毛坯，如箱體、汽缸體等。鑄件的大小幾乎不限，從幾克到數百噸；鑄件的壁厚可由1mm～1m；鑄造的批量不限，從單件、小批，直到大量生產。在各種批量的生產中，鑄造都是重要的成形方法。

（2）成本較低。由于鑄造成形方便，鑄件毛坯與零件形狀相近，能節省金屬材料和切削加工工時；鑄造原材料來源廣泛，可以利用廢料、廢零件等，節約國家資源；鑄造設備通常比較簡單，投資較少。因此，鑄件的成本較低。

（3）鑄件的組織性能較差。一般條件下，鑄件晶粒粗大（鑄態組織），化學成分不均勻，力學性能較差。因此，受力不大或承受靜載荷的機械零件，如箱體、床身、支架等常用鑄件毛坯。

2.鑄造的分類

鑄造的工藝方法很多，一般習慣將鑄造分成砂型鑄造和特種鑄造兩大類。

（1）砂型鑄造　當直接形成鑄型的原材料主要為型砂，且液態金屬完全靠重力充滿整個鑄型型腔時，這種鑄造方法稱為砂型鑄造。齒輪毛坯的砂型鑄造過程如圖2.2.1所示。

砂型鑄造一般可分為手工砂型鑄造和機器砂型鑄造。前者主要適用于單件、小批生產以及復雜的和大型鑄件的生產，后者主要適用于大批量生產。

（2）特種鑄造　凡不同于砂型鑄造的所有鑄造方法，統稱為特種鑄造。如金屬型鑄造、壓力鑄造、離心鑄造、熔模鑄造、低壓鑄造等。

由于砂型鑄造目前仍然是國內外應用最廣泛的鑄造方法，所以本章重點介紹砂型鑄造（主要是手工砂型鑄造），對特種鑄造只作簡單介紹。

2.2.2　鑄件的凝固

物質由液態轉變為固態的過程稱為凝固，鑄造時由于固態金屬均為晶體，因此金屬的凝固過程又稱為結晶。

1.鑄造合金的結晶

鑄造合金的結晶通過晶核的形成和晶體的長大這兩個相互聯系的基本過程來實現。實際鑄造合金的結晶，大多是以非均質方式形核。晶核的形成可能是由于液態金屬中的一些原子自發地聚集在一起，按金屬晶體的固有規律排列起來，形成自發晶核；也可能是由于液態金屬中一些外來的微細的固態質點而形成的外來晶核。非均質形核所需能量較小，因而可以在較小過冷度下獲得較多的晶核數目，這也是孕育（變質）處理技術可獲得細晶鑄件的原因。

晶體長大是合金液體中的原子不斷向晶核表面堆砌的過程，也是液-固界面不斷向液體中推進的過程。晶體沿各個方向的生長速度是不均勻的，它主要沿生長線速度最大的方向發展，這樣就形成了晶軸。晶軸繼續長大，并在其上長出許多小晶軸，發展為樹枝狀。在晶體長大的同時新的晶核又陸續出現，它們也同樣地形成晶體，這樣就有許多晶體在不同的程度上長大著。當它們長大到與相鄰的晶體相抵觸時，這個方向的長大就停止了。當全部長大的晶體都相互抵觸時，液態金屬即已耗盡，結晶過程也就完成了。當過冷度較大，特別是液體中存有雜質時，晶體往往以樹枝狀形式長大。

凝固條件不同，晶體形態會發生變化。鑄型型壁處傳熱快，型壁表面又有促進形核的作用，使得達到液相線溫度的那部分液體合金在型壁上產生大量晶核，在型壁“激冷”及液體合金熱對流的綜合作用下，形成一層很薄的等軸細晶區。在細晶區形成的同時，鑄型溫度升高，液體合金的冷卻速度降低，過冷度減小，形核率降低，使那些與傳熱最快方向相反、與型壁垂直的晶核，優先長大并順利長入液體合金；而其他方向上的晶核受相鄰晶體的阻礙生長較慢。此過程繼續下去，就形成了向液體合金內部平行長大的柱狀晶區。鑄型心部，過冷度大為減小，溫度梯度小，傳熱逐漸無方向性，晶體向各個方向充分、均勻長大，形成了粗大的等軸晶區。

鑄件的質量和力學性能主要取決于柱狀晶和等軸晶所占的比例。鑄件究竟是以柱狀晶為主，還是以等軸晶為主，除了和鑄造合金的成分有關，還與鑄件的凝固方式有關。

2.鑄件的凝固方式

鑄件在凝固過程中，除純金屬和共晶成分合金外，一般都存在三個區域，即固相區、凝固（固-液兩相）區和液相區。根據凝固區寬度的不同，鑄件的凝固方式可分為逐層凝固、糊狀凝固和中間凝固三種方式。

（1）逐層凝固　純金屬、共晶類合金及窄結晶溫度范圍的合金，如灰口鑄鐵、鋁硅合金、硅黃銅及低碳鋼等，傾向于逐層凝固方式。其特征是，緊靠鑄型壁的外層合金，一旦冷卻至凝固點或共晶點溫度時，即凝固成固態晶體，而處于上述溫度以上的里層合金，仍為液態。固-液界面分明、平滑，不存在固液交錯。隨著熱量傳向型壁，溫度不斷下降，又一層固態晶體形成。如此凝固過程繼續下去，柱狀晶向液體內生長，直至彼此抵觸為止。斷面心部尚未凝固的液體金屬及低熔點雜質，被柱狀晶所封閉，見圖2.2.2（a）。

（2）糊狀凝固　結晶溫度范圍大的合金，如鋁銅合金、錫青銅及球墨鑄鐵、高碳鋼等，傾向于糊狀凝固方式。這些合金一旦冷卻至液相線溫度時，結晶出的第一批晶粒即被周圍剩余的液體合金所包圍，晶體生長在各個方向上比較均勻；溫度繼續下降，新形成的另一批晶粒又被液體合金包圍，這使小晶粒充斥整個斷面，固液交錯，最終在鑄件整個斷面上生成粗大的等軸晶；尚未凝固的液體合金，則被眾多的等軸晶封閉。這種凝固方式猶如水泥凝固，先呈糊狀而后固化，見圖2.2.2（b）。

（3）中間凝固　中碳鋼、白口鐵以及部分特種黃銅等，傾向于中間凝固方式。它介于逐層凝固和糊狀凝固之間，既有柱狀晶又有等軸晶。

合金鑄件的凝固區不是一成不變的，它還與鑄件的溫度有關，因此凡是影響鑄件溫度梯度的因素，都影響凝固區的大小。例如，有些合金在砂型制造時呈中間凝固，而改為金屬型鑄造時可減小凝固區的寬度。

2.2.3　合金的鑄造性能

鑄造過程中，鑄件的質量與合金的鑄造性密切相關。所謂合金的鑄造性，是指在鑄造生產過程中合金鑄造成形的難易程度。容易獲得正確的外形、內部又健全的鑄件，其鑄造性能就好。應該指出鑄造性是一個復雜的綜合性能，通常用充型能力、收縮性等指標來衡量。影響鑄造性的因素很多，除合金元素的化學成分外，還有工藝因素。因此，必須掌握合金的鑄造性能，采取合理工藝措施，防止鑄造缺陷，提高鑄件質量。

1.合金的充型能力

熔融金屬充滿型腔，形成輪廓清晰、形狀完整的鑄件的能力叫做液態合金的充型能力。影響液態合金充型能力的因素有兩個：一是合金的流動性；二是外界條件。

（1）合金的流動性　鑄造合金流動性的好壞，通常以螺旋形流動性試樣的長度來衡量。將金屬液澆入圖2.2.3所示的螺旋形試樣的鑄型中，在相同的鑄型及澆注條件下，得到的螺旋形試樣越長，表示該合金的流動性越好。不同種類合金的流動性差別較大，如表2.2.1所示。鑄鐵和硅黃銅的流動性最好，鋁硅合金次之，鑄鋼最差。在鑄鐵中，流動性隨碳、硅含量的增加而提高。一般情況下合金的結晶溫度范圍越小，結晶時固液兩相區越窄，對內部液體的流動阻力越小，合金的流動性也越好。

流動性好的合金，充型能力強，易得到形狀完整、輪廓清晰、尺寸準確、薄而復雜的鑄件；反之，鑄件容易產生澆不足、冷隔等缺陷。流動性好，還有利于金屬液中的氣體、非金屬夾雜物的上浮與排除；有利于補充鑄件凝固過程中的收縮，以免產生氣孔、夾渣以及縮孔、縮松等缺陷。

（2）外界條件　影響充型能力的外界因素有鑄型條件、澆注條件和鑄件結構等。這些因素主要是通過影響金屬與鑄型之間的熱交換條件，從而改變金屬液的流動時間，或是通過影響金屬液在鑄型中的水動力學條件，從而改變金屬液的流動速度來影響合金充型能力的。如果能夠使金屬液的流動時間延長，或加快流動速度，就可以改善金屬液的充型能力。

①鑄型條件　鑄型的導熱速度越大或對金屬液流動阻力越大，金屬液流動時間就短，合金的充型能力越差。例如，液態合金在金屬型中的充型能力比在砂型中差。砂型鑄造時，型砂中水分過多，排氣不好，澆注時產生大量氣體，會增加充型的阻力，使合金的充型能力變差。

②澆注條件　在一定范圍內，提高澆注溫度，可使液態合金黏度下降，流速加快，還能使鑄型溫度升高，金屬散熱速度變慢，從而大大提高金屬液的充型能力。但如果澆注溫度過高，容易產生粘砂、縮孔、氣孔、粗晶等缺陷。因此，在保證金屬液具有足夠充型能力的前提下應盡量降低澆注溫度，例如鑄鋼的澆注溫度范圍為1520～1620℃，鑄鐵的澆注溫度范圍為1230～1450℃，鋁合金的澆注溫度范圍為680～780℃，薄壁復雜鑄件取上限，厚大鑄件取下限。提高金屬液的充型壓力和澆注速度可使充型能力增加，如增加直澆口的高度，也可以用人工加壓方法（壓力鑄造、真空吸鑄及離心鑄造等）。此外，澆注系統結構越復雜，流動阻力越大，充型能力越低。

③鑄件結構　當鑄件壁厚過小，壁厚急劇變化，結構復雜以及有大的水平面等結構時，都使金屬液的流動發生困難。因此，設計時鑄件的壁厚必須大于最小允許壁厚值（見表2.2.2），有的鑄件還需設計流動通道。

2.合金的收縮性

鑄件在冷卻過程中，其體積和尺寸縮小的現象叫做收縮。合金的收縮量通常用體收縮率和線收縮率來表示。金屬從液態到常溫的體積改變量稱為體收縮；金屬在固態由高溫到常溫的線性尺寸改變量稱為線收縮；鑄件的收縮與合金成分、溫度、收縮系數和相變體積改變等因素有關，除此之外還與結晶特性、鑄件結構以及鑄造工藝等有關。

（1）收縮三階段　鑄造合金收縮要經歷三個相互聯系的收縮階段，即液態收縮、凝固收縮和固態收縮，見圖2.2.4。

①液態收縮是合金從澆注溫度t澆（A點）冷卻至開始凝固（液相線）溫度（B點）之間的收縮。金屬液體的過熱度越高，液態收縮越多。

②凝固收縮是合金從開始凝固（B點）至凝固結束（固相線）之間的收縮。結晶溫度范圍越寬，凝固收縮越大。

液態收縮和凝固收縮，一般表現為鑄型空腔內金屬液面的下降，是鑄件產生縮孔或縮松的基本原因。

③固態收縮是合金在固態下冷卻至室溫的收縮。它將使鑄件的形狀、尺寸發生變化，是產生鑄造應力導致鑄件變形，甚至產生裂紋的主要原因。

常用的金屬材料中，鑄鋼收縮最大，有色金屬次之，灰口鑄鐵最小。灰口鑄鐵收縮小是因析出石墨而引起體積膨脹的結果。

（2）影響收縮的因素　合金總的收縮為液態收縮、凝固收縮和固態收縮三個階段收縮之和，它和金屬本身的化學成分、澆注溫度以及鑄型條件和鑄件結構等因素有關。

①化學成分　不同成分合金的收縮率不同，如碳素鋼隨含碳量的增加，凝固收縮率增加，而固態收縮率略減。表2.2.3列出了幾種鐵碳合金的收縮率。灰鑄鐵中，碳、硅含量越高，硫含量越低，收縮率越小。

②澆注溫度　澆注溫度主要影響液態收縮。澆注溫度升高，使合金液態收縮率增加，則總收縮量相應增大。為減小合金液態收縮及氧化吸氣，并且兼顧流動性，澆注溫度一般控制在高于液相線溫度50～150℃。

③鑄件結構與鑄型條件　鑄件的收縮并非自由收縮，而是受阻收縮。其阻力來源于兩個方面：一是由于鑄件壁厚不均勻，各部分冷卻速度不同，收縮先后不一致，而相互制約產生阻力；二是鑄型和型芯對收縮的機械阻力。鑄件收縮時受阻越大，實際收縮率就越小。因此，在設計和制造模樣時，應根據合金的種類和鑄件的受阻情況，考慮收縮率的影響。

（3）收縮對鑄件質量的影響

①縮孔與縮松　如果鑄件的液態收縮和凝固收縮得不到合金液體的補充，在鑄件最后凝固的某些部位會出現孔洞，大而集中的孔洞稱為縮孔，細小而分散的孔洞稱為縮松。

縮孔產生的基本原因是合金的液態收縮和凝固收縮值遠大于固態收縮值。縮孔形成的條件是金屬在恒溫或很小的溫度范圍內結晶，鑄件壁是以逐層凝固方式進行凝固，如純金屬、共晶成分的合金。圖2.2.5為縮孔形成過程示意圖。液態合金注滿鑄型型腔后，開始冷卻階段，液態收縮可以從澆注系統得到補償，見圖2.2.5（a）。隨后，由于型壁的傳熱，使得與型壁接觸的合金液溫度降至其凝固點以下，鑄件表層凝固成一層細晶薄殼，并將內澆口堵塞，使尚未凝固的合金被封閉在薄殼內，見圖2.2.5（b）。溫度繼續下降，薄殼產生固態收縮，液態合金產生液態收縮和凝固收縮，而且遠大于薄殼的固態收縮，致使合金液面下降，并與硬殼頂面分離，形成真空空穴，在負壓及重力作用下，殼頂向內凹陷，見圖2.2.5（c）。溫度再度下降，上述過程重復進行，凝固的硬殼逐層加厚，孔洞不斷加大，直至整個鑄件凝固完畢。這樣，在鑄件最后凝固的部位形成一個倒錐形的大孔洞，見圖2.2.5（d）。鑄件冷至室溫后，由于固態收縮，使縮孔的體積略有減小，見圖2.2.5（e）。通常縮孔產生的部位一般在鑄件最后凝固區域，如壁的上部或中心處，以及鑄件兩壁相交處，即熱節處。若在鑄件頂部設置冒口，縮孔將移至冒口，見圖2.2.5（f）。

縮松形成的基本原因雖然和形成縮孔的原因相同，但是形成的條件卻不同，它主要出現在結晶溫度范圍寬、呈糊狀凝固方式的鑄造合金中。圖2.2.6為縮松形成過程示意圖。這類合金傾向于糊狀凝固或中間凝固方式，凝固區液固交錯，枝晶交叉，將尚未凝固的液體合金彼此分隔成許多孤立的封閉液體區域。此時，如同形成縮孔一樣，在繼續凝固收縮時得不到新的液體合金補充，在枝晶分叉間形成許多小而分散孔洞，這就是縮松。它分布在整個鑄件斷面上，一般出現在鑄件壁的軸線區域、熱節處、冒口根部和內澆口附近，也常分布在集中縮孔的下方。

不論是縮孔還是縮松，都使鑄件的力學性能、氣密性和物理化學性能大大降低，以致成為廢品。所以，縮孔和縮松是極其有害的鑄造缺陷，必須設法防止。

為了防止鑄件產生縮孔、縮松，在鑄件結構設計時應避免局部金屬積聚。工藝上，應針對合金的凝固特點制訂合理的鑄造工藝，常采取“順序凝固”和“同時凝固”兩種措施。

所謂“順序凝固”就是在鑄件可能出現縮孔或最后凝固的部位（多數在鑄件厚壁或頂部），設置“冒口”或將冒口與“冷鐵”配合使用，使鑄件按照“遠離冒口的部位先凝固，靠近冒口的部位后凝固，最后才是冒口凝固”的順序進行。這樣，先凝固的收縮由后凝固部位的液體金屬補縮，后凝固部位的收縮由冒口中的金屬液補縮，使鑄件各部位的收縮均得到金屬液補縮，而縮孔則移至冒口，最后將冒口切除，如圖2.2.7所示。順序凝固適于收縮大的合金鑄件，如鑄鋼件、可鍛鑄鐵件、鑄造黃銅件等，還適于壁厚懸殊以及對氣密性要求高的鑄件。順序凝固使鑄件的溫差大、熱應力大、變形大，容易引起裂紋，必須妥善處理。

所謂“同時凝固”就是使鑄件各部位幾乎同時冷卻凝固，以防止縮孔產生。例如，在鑄件厚部或緊靠厚部處的鑄型上安放冷鐵，如圖2.2.8所示。同時凝固可減輕鑄件熱應力，防止鑄件變形和開裂，但是容易在鑄件心部出現縮松。故僅適于收縮小的合金鑄件，例如，碳、硅含量較高的灰口鑄鐵件。

②鑄造應力、變形和裂紋　鑄件在冷凝過程中，由于各部分金屬冷卻速度不同，使得各部位的收縮不一致，再加上鑄型和型芯的阻礙作用，使鑄件的固態收縮受到制約，就會產生鑄造應力。在應力作用下鑄件容易產生變形，甚至開裂。

a.鑄造應力。鑄件固態收縮受阻所引起的應力稱為鑄造內應力。它包括機械應力和熱應力等。

機械應力是鑄件收縮受到鑄型、型芯或澆冒口的阻礙而引起的應力，見圖2.2.9。落砂后阻礙消除，應力將自行消失。

熱應力是因鑄件壁厚不均勻，結構復雜，使各部分冷卻收縮不一致，又彼此制約而引起的應力。下面以應力框鑄件應力的形成過程為例，討論熱應力的形成過程（見圖2.2.10）。

圖2.2.10（a）是應力框鑄件，它由粗桿1和兩根細桿2以及上、下橫梁3構成。圖2.2.10（b）中的t1和t2是鑄件粗桿1和細桿2的溫度變化曲線，橫坐標τ表示鑄件的冷卻時間，縱坐標t表示鑄件的溫度。圖2.2.10（c）是鑄件在冷卻過程中粗桿1和細桿2的溫差變化曲線。圖2.2.10（d）為應力框鑄件在冷卻過程中粗桿1和細桿2的應力變化曲線。

由粗桿1和細桿2的溫度變化曲線可見，開始階段桿2比桿1冷卻速度快，隨后桿1比桿2冷卻速度快。應力框鑄件從澆注溫度tL開始冷卻，到τ0時，桿2已經冷卻到合金線收縮開始溫度ty，而桿1沒有冷卻到ty，于是桿1將隨桿2的收縮而產生塑性變形，直到τ1。桿1冷卻到ty溫度之前，鑄件內部沒有應力產生。從τ1開始，鑄件整體冷卻到ty以下，桿1、桿2都將產生線收縮。粗桿1冷卻速度慢，線收縮小，細桿2則相反，細桿2的線收縮被粗桿1強烈地阻礙，于是產生熱應力，桿2內部形成拉應力，桿1則產生壓應力，并且在粗細桿溫差達到最大值Δtmax（τ2時）前熱應力不斷增加。從τ2到τ3，隨著粗細桿溫差減小，熱應力降低，到τ3（溫差為ΔtH）時，應力下降為零。從τ3進一步冷卻，細桿2冷卻速度變慢，線收縮小，開始阻礙粗桿的線收縮，導致在粗細桿的截面上產生改變符號的熱應力，并不斷增加。最終粗桿1承受拉應力σ1，細桿2承受壓應力σ2。由于熱應力一經產生就不會自行消除，故又稱為殘余內應力。

鑄造應力使鑄件的精度和使用壽命大大降低。在存放、加工甚至使用過程中，鑄件內的殘留應力將重新分布，使鑄件發生變形或裂紋。它還降低了鑄件的耐腐蝕性，其中機械應力盡管是暫時的，但是當它與其他應力相互疊加時，也會增大鑄件產生變形與裂紋的傾向，因此必須盡量減小或消除之。要減少鑄造應力就應設法減少鑄件冷卻過程中各部位的溫差，使各部位收縮一致，如將澆口開在薄壁處，在厚壁處安放冷鐵，即采取同時凝固原則。此外，改善鑄型和砂芯的退讓性，減少機械阻礙作用，以及通過熱處理等方法也可減少或消除鑄造應力。

b.鑄造變形與裂紋。如前所述，當鑄件中存在內應力時，會使其處于不穩定狀態。當鑄造應力值超過合金的屈服強度時，鑄件將發生塑性變形；當鑄造應力值超過合金的抗拉強度時，鑄件將產生裂紋。

對于厚薄不均勻、截面不對稱及具有細長特點的桿類、板類及輪類等鑄件，當殘余鑄造應力超過鑄件材料的屈服強度時，往往產生翹曲變形。一般來說，薄壁或外層部位冷卻速度快，存在壓應力，如果鑄件剛度不夠，應力釋放后往往會引起伸長或外凸變形；反之，厚壁或內層部位冷卻速度慢，存在拉應力，會導致壓縮或內凹變形。例如，前述應力框鑄件如果連接兩桿的橫梁剛度不夠，結果會出現如圖2.2.11所示的翹曲變形。圖2.2.12（a）所示T形梁鑄鋼件，板Ⅰ厚、板Ⅱ薄，若鑄鋼件剛度不夠，將發生圖中虛線所示的板Ⅰ內凹、板Ⅱ外凸的變形；反之，如果板Ⅰ薄、板Ⅱ厚時，將發生反向翹曲［見圖2.2.12（b）］。圖2.2.13所示為車床床身，導軌部分厚，側壁部分薄，鑄造后往往發生導軌面下凹變形。

變形會使鑄造應力重新分布，殘留應力減小一些，但不會完全消除。鑄件產生變形以后，常因加工余量不夠或因鑄件放不進夾具無法加工而報廢。前述防止鑄造應力的方法，也是防止變形的基本方法。此外，工藝上還可采取某些措施，如反變形法，即在模樣上做出與撓曲量相等、但方向相反的預變形量，來消除床身導軌的變形，見圖2.2.13。

當鑄造應力超過材料的強度極限時，鑄件會產生裂紋，裂紋有熱裂紋和冷裂紋兩種。熱裂紋是在鑄件凝固末期的高溫下形成的。此時，結晶出來的固體已形成完整的骨架，開始進入固態收縮階段，但晶粒間還有少量的液體，因此合金的強度很低。如果合金的固態收縮受到鑄型或型芯的阻礙，使機械應力超過了在該溫度下該合金的強度，就會發生裂紋。熱裂紋具有裂紋短，縫隙寬，形狀曲折，縫內嚴重氧化、裂口沿晶界產生和發展等特征。熱裂紋是鑄鋼和鋁合金鑄件常見的缺陷。冷裂紋是在較低溫度下形成的裂紋，當鑄件產生的應力的總和大于該溫度下金屬的強度時，則產生冷裂。冷裂常出現在鑄件受拉伸的部位，其形狀細小，呈連續直線狀，裂紋斷口表面具有金屬光澤或輕微氧化色。壁厚差別大、形狀復雜的鑄件，尤其是大而薄的鑄件易發生冷裂紋。

鑄件中存在任何形式的裂紋都嚴重損害其力學性能，使用時會因裂紋擴展使鑄件斷裂，發生事故。凡是減少鑄造內應力或降低合金脆性的因素，都有利于防止裂紋的產生。