第二篇 毛坯成形
输入机械制造系统的原材料一般都要通过某种成形方法转变成与零件的形状和尺寸相近的毛坯，这一成形过程称为毛坯成形，而成形后的毛坯进一步输向去除成形子系统转变成零件。
各种金属材料在输入机械制造系统以前，一般都在冶金厂经过冶炼、熔化、浇注、轧制（或挤压、拉拔等）加工过程，通常把这些加工称为材料的“一次加工”，而把毛坯成形称为“二次加工”。
毛坯成形工艺方法很多，如以铸造为代表的液态成形，以锻压为代表的固态成形，以焊接和胶接为代表的连接成形，以及粉末成形和塑料、橡胶注塑成形等。随着科学技术的发展，各种毛坯成形方法也在发展，新的加工成形方法不断涌现。
通过毛坯成形不仅可以节约大量的工程材料，减少材料消耗，而且还可以减少大量的切削加工工作量，缩短生产周期，提高生产效率，降低生产成本。另外，锻造等毛坯成形还可以改善材料的组织结构，从而改善零件的机械性能。
毛坯质量和所用毛坯成形方法的经济性，直接影响产品质量和经济效益，掌握各种毛坯成形工艺方法的特点，是合理选用毛坯成形工艺方法的重要依据。
第五章 液态成形——铸造
1. 概念
液态成形是将液态金属浇注到与所要求的毛坯或零件的形状和尺寸相适应的铸型型腔中，冷却凝固后获得毛坯或零件的一种毛坯成形工艺方法。液态成形就是常说的铸造，铸造成形所得到的毛坯称为铸件。
液态成形是毛坯成形的主要工艺方法之一，在机械制造中占有非常重要的地位，按重量计算铸件在一般机械设备中约占40～90%，在农业机械中占40～70%，在金属切削机床中占70～80%，在重型机械、矿山机械中占85%以上。总之，液态成形在几乎所有的机械产品中都得到广泛应用。
2. 液态成形的优点
液态成形具有如下优点：
⑴ 液态成形是利用金属在液态下具有良好的流动性而成形的，因此它可以获得复杂形状的液态成形件，特别是具有复杂内腔的液态成形件。
⑵ 不受液态成形件重量、尺寸、材料种类及生产批量的限制。
⑶ 液态成形所用到的原材料来源广泛，并可利用废旧成形件或零件，生产成本较低。
3. 液态成形的缺点
⑴ 液态成形工序繁多，影响液态成形件质量的因素较多，且某些工艺过程较难控制，容易产生液态成形缺陷，致使液态成形件质量不稳定，废品率较高。
⑵液态成形件内部组织粗大且不均匀，机械性能一般不如压力加工件。因此，它的应用也受到一定的限制，受力大而复杂的零件毛坯一般不采用液态成形。但是，随着一些先进的液态成形工艺方法的出现和应用，液态成形工艺方法的应用将更为广泛，实现以铸代锻是降低生产成本、提高经济效益的有效途径。
⑶ 液态成形工艺，尤其是砂型铸造劳动条件差、强度大。因此，实现机械化与自动化是改善工人劳动条件、减小劳动强度、提高生产效率的有效方法，是液态成形的发展方向之一。
4. 液态成形工艺方法的分类
液态成形工艺方法分为重力作用下的液态成形工艺方法和外力作用下的液态成形工艺方法两大类。重力作用下的液态成形工艺方法主要有砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、气化模铸造、陶瓷型铸造等；外力作用下的液态成形工艺方法主要有离心铸造、压力铸造、低压铸造、挤压铸造等。
第一节 合金的铸造性能
合金的铸造性能是指合金在铸造过程中获得外形准确、内部健全的铸件的能力，是材料工艺性能中的一种，主要包括合金的填充性、收缩性、吸气性及偏析等性能，对铸件的品质有很大的影响。因此，合金的铸造性能是选择铸造合金材料、确定铸造工艺方案、进行铸件结构设计的依据之一。
一、合金的充型
液态合金填充铸型的过程简称为充型。合金的充型能力，是指液态合金充满铸型，获得轮廓清晰、形状准确的铸件的能力。若液态合金的充型能力不足，铸件将产生浇不到、冷隔
等缺陷。影响合金充型能力的因素主要有：
（一）合金的流动性
合金的流动性越好，填充性也越好。
合金的流动性是指合金本身在液态下的流动能力。合金的流动性好，充填铸型的能力就越强，就易于铸出轮廓清晰的薄壁复杂铸件，有利于液态合金中气体和熔渣的上浮与排除，有助于对凝固过程中所产生的收缩进行补缩。反之，若合金的流动性差，铸件容易产生浇不到、冷隔等缺陷，而且也是引起铸件气孔、夹渣和缩孔等缺陷的间接原因。
合金流动性的测定，是将液态合金浇注到螺旋形标准试样（见图5-1）所形成的铸型中，冷凝后，测出浇注试件的实际螺旋线长度。为便于测定，在标准试样上每隔50㎜设置一个凸台标记。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。
合金的流动性主要与合金的化学成分有关。合金的凝固温度范围越小流动性越好，纯金属和共晶成分的合金是在一个温度点进行凝固的，所以流动性好。在常用的合金中，灰铸铁、硅黄铜的流动性较好，铝合金次之，铸钢较差。铁碳合金的化学成分与其流动性的关系如图5-2所示。可见：纯铁和共晶生铁的流动性较好；一般来说，铸铁的流动性优于钢。
图5-1 螺旋形标准试样
图5-2 铁碳合金的化学成分与流动性的关系
（二）浇注温度
浇注温度越高，金属液的粘度越低，且因其过热度高，金属液蓄热多，保持液态的时间长，故有利于提高金属液的充型能力。但浇注温度过高，会导致金属的收缩增大，吸气增多，氧化严重，使铸件产生缩孔、缩松、气孔和粘砂等缺陷，故只对薄壁复杂铸件或所用材质为流动性较差的合金铸件，才采用提高浇注温度的方法来提高合金的充型能力。一般情况下，在保证液态合金有足够充型能力的前提下，浇注温度不宜过高，通常控制的浇注温度为：灰铸铁1200～1380℃，铸造碳钢1520～1620℃，铝合金680～780℃，视铸件大小、壁厚、复杂程度及合金成分而定。
（三）填充压力
增大填充压力，可以使液态金属充型能力增强，如砂型铸造时增大铸型直浇道高度，增大液态金属的压力来增大填充压力。采用压力铸造可使液态金属获得很大的填充压力，使液态金属有良好的填充性而可以成形复杂薄壁铸件。
（四）铸型导热能力
铸型导热能力越差，液态金属处于高温下的时间越长，有利于液态金属的流动和充型。在金属型铸造中，金属型导热能力强，合金的流动性降低；而在干砂型铸造中，特别是将铸型在加热状态下浇注金属液时，合金的填充性将显著提高。
（五）铸型阻力
铸型型腔狭窄、形状复杂或铸型材料的发气量大，型腔内气体量就显著增加，如果铸型排气又不通畅，则造成铸型内气体反压力增大，导致铸型对金属液流动的阻力增加，从而降低合金流动性。
图5-3 合金收缩三阶段示意图
二、合金的收缩性
（一）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。收缩是合金固有的物理特征，但如果在铸造过程中，不能对收缩进行控制，常常会导致铸件产生缩孔、缩松、变形和裂纹等缺陷。因此，必须研究合金的收缩规律，以获得合格的铸件。
图5-3中，合金Ⅰ从浇注温度至室温的冷却过程中，将经历如下三个阶段：
1. 液态收缩，即从浇注温度到凝固开始温度间的收缩。
2. 凝固收缩，即从凝固开始温度到凝固终了温度间的收缩。
3. 固态收缩，即从凝固终了温度到室温间的收缩。
合金的总收缩为上述三种收缩的总和。
合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩减，常用体积收缩率表示，是形成铸件缩孔和缩松缺陷的基本原因。合金的固态收缩，直观地表现为铸件轮廓尺寸的减小，因而常用铸件单位长度上的收缩量，即线收缩率来表示，是铸件产生内应力、变形和裂纹的基本原因。
不同合金的收缩率不同，在常用铸造合
金中，铸钢收缩率最大，而灰铸铁最小，这是因为灰铸铁中的碳在凝固过程中以石墨析出，石墨的比容大，产生体积膨胀，部分抵消了合金的收缩。
（二）影响合金收缩的因素
合金的实际收缩率与其化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件有关。
1. 化学成分
碳素钢的含碳量增加，其凝固收缩增加，而固态收缩略减。灰铸铁中的碳、硅含量越高，其石墨化能力越强，故灰铸铁的收缩率越小；硫可阻碍石墨析出，使灰铸铁收缩率增大。
2. 浇注温度
浇注温度越高，过热度越大，合金的液态收缩增加，因而总收缩率就越大。
3. 铸件结构和铸型条件
铸件在铸型中的凝固收缩往往不是自由收缩而是受阻收缩，其阻力来源于两个方面：铸件各个部分的冷却速度不同，引起各部分收缩不一致，相互约束而产生阻力；铸型和型芯对收缩的机械阻力。因此，铸件的实际收缩率比自由收缩率要小一些。铸件结构越复杂，铸型硬度越高，芯骨越粗大，铸件的收缩阻力就越大，铸件的收缩减小，但铸造应力增大。
（三）铸件中的缩孔与缩松
1. 缩孔和缩松的形成
液态金属在凝固过程中，由液态收缩和凝固收缩所引起的体积缩减，如得不到金属液的补缩，则会在铸件最后凝固的部分形成孔洞。由此造成的集中孔洞称为缩孔，细小分散的孔洞称为缩松。
⑴ 缩孔的形成 缩孔的形成过程如图5-4所示。液态金属充满铸型后，由于铸型吸热，
靠近型壁的一层金属冷却较快，先凝固而形成铸件外壳；内部金属液的收缩因受外壳阻碍，不能得到补充，故其液面开始下降；铸件继续冷却，凝固层加厚，内部剩余的液体由于液态收缩和补充凝固层的收缩，体积减少，液面继续下降，如此过程一直延续到凝固终了，结果在铸件最后凝固的部位形成了缩孔，缩孔形状呈倒锥形，内表面粗糙。依凝固条件不同，缩孔可能隐藏在铸件表皮下（此时铸件上表皮可能呈凹陷状），亦可能露在铸件表面（称之为明缩孔）。
图5-4 缩孔的形成过程
纯金属和共晶成分的合金易形成集中缩孔。
⑵ 缩松的形成 缩松的形成过程如图5-5所示。铸件首先从外层开始凝固，因凝固前沿凹凸不平，当两侧的凝固前沿向中心汇聚时，汇聚区域形成一个同时凝固区。在此区域内，剩余液体被凹凸不平的凝固前沿分隔成许多小液体区。最后，这些数量众多的小液体区，因得不到补缩而形成了缩松，缩松隐藏于铸件的内部，外观上不易被发现。凝固温度范围大的合金，结晶时为糊状凝固，凝固中树枝晶将金属液分隔成难以得到补缩的小液体区，故其缩松倾向大。
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松。显微缩孔是分布在晶粒之间的微小缩孔（如图5-6所示），要用显微镜才能观察到，这种缩松分布更为广泛，甚至遍布铸件的整个截面。
2. 缩孔和缩松的防止
⑴ 缩孔的防止 铸件上的缩孔将削弱其有效截面积，大大降低铸件的承载能力，必须根据技术要求，采取适当的工艺措施予以防止。
图5-5 缩松的形成过程
图5-6 显微缩松示意图
图5-7 用冒口补缩铸件 实现定向凝固
图5-8 铸件的定向凝固示意图 1-铸件；2-冒口；3-浇口
尽管收缩是合金的物理本性，铸造过程中一定伴有收缩现象，然而，只要采用合理的工艺措施，恰当地控制铸件的凝固方向，仍可以获得无缩孔的致密铸件，其具体办法是：采用冒口和冷铁实现定向凝固。
定向凝固是指按离冒口距离的远近由远及近的凝固方式（见图5-7、5-8），也就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位（如图5-7所示铸件截面上内切圆直径最大的热节圆部位）安放冒口，使铸件远离冒口的部位最先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口本身最后凝固。定向凝固使铸件最先凝固部位的收缩由后凝固部位的金属液来补缩，后凝固部位的收缩由冒口中的金属液补充（如图5-7中箭头所示
），最后将缩孔转移到冒口之中。
冒口属于多余部分，清理铸件时予以去除，即可得到无缩孔的致密铸件。形状复杂、有多个热节的铸件，实现定向凝固往往需要采用多个冒口同时配合冷铁使用。如图5-9所示的阀体铸件，有分布在上部、中部、底部的五个热节，底部凸台处热节不便安放冒口，上部的冒口又难以对该处进行补缩，故在底部设置外冷铁，外冷铁相当于局部金属型，使厚大凸台反而先凝固。上部和中部的热节，分别由明冒口及暗冒口对它们分别进行补缩。冷铁的作用仅仅是加快铸件局部的冷速，控制铸件的凝固方向，本身并不起补缩作用。冷铁分为外冷铁和内冷铁两类：外冷铁多用铸钢和铸铁制造，可重复使用，安放在砂型中时，与金属液接触的表面应涂敷耐火涂料，以防止与铸件熔粘；内冷铁要熔合在铸件内，其材质应与铸件材质相同。由于熔合时易产生气孔、粘不牢等缺陷，故内冷铁一般应用在不重要的铸件中。铸铁砧座应用内冷铁减小冒口的实例如图5-10所示。
⑵ 缩松的防止 缩松是细小分散的孔洞，对铸件承载能力的影响比集中缩孔要小，但影响铸件的气密性，使铸件渗漏。因此，对于气密性要求高的油缸、阀体等承压铸件，必须采取工艺措施来防止缩松。然而，防止缩松比防止缩孔要困难得多，它不仅难以发现，而且常出现在凝固温度范围大的合金所制造的铸件中，即使采用冒口对其热节处进行补缩，也由于发达的树枝晶堵塞了补缩通道，而使冒口难以发挥作用。目前，生产中多采用在热节处安放冷铁或在砂型的局部表面涂敷激冷涂料的办法，以加大铸件的冷却速度；或加大结晶压力，以破碎枝晶，减少金属液流动的阻力，从而达到部分防止缩松的效果。
图5-9 阀体铸件的定向凝固 图5-10 应用内冷铁的铸铁砧座
（四）铸造内应力及铸件的变形和裂纹
铸件的固态收缩受到阻碍时，在铸件的内部产生的内应力称为铸造内应力。当铸造内应力方向与铸件所受外力方向相同时，铸件的实际承载能力会降低。此外，铸造应力还是引起铸件产生变形和裂纹的基本原因。
1. 内应力的形成
铸造内应力按其产生的原因，可分为热应力和机械应力两类。
⑴ 热应力 热应力是由于铸件各个部分冷却速度不同，以致在同一时间内铸件各部分收缩不一致、相互约束而引起的内应力。
图5-11 热应力的形成 + 表示拉应力 - 表示压应力
固态金属在再结晶温度（钢和铸铁为620～650℃）以上时，处于塑性状态，此时，在较小的应力作用下，便可发生塑性变形（即永久变形），其内应力在变形后可自行消除。在再结晶温度以下，金属呈弹性状态，此时，在应力作用下，仅能产生弹性变形，变形后应力仍然存在。图5-11所示的是由长为L0的一根粗杆Ⅰ和两根细杆Ⅱ及上、下横梁整铸成一体的框性铸件，用来分析热应力的形成过程，故称之为应力框。应力框中粗杆、细杆的冷却曲线如图5-12所示。由图可见，杆Ⅰ与杆Ⅱ的截面厚度不同，冷却速度不一致，使两杆的收缩不一致，因而产生了内应力。其具体形成过程可分为三个阶段进行。
图5-12 应力框中杆Ⅰ与杆Ⅱ的 冷却曲线
第一阶段（t0～t1）。杆Ⅰ与杆Ⅱ的温度均高于T再，均处于塑性状态，尽管两杆的冷速不同，收缩不一致，但瞬时的应力均可通过塑性变形而自行消除。
第二阶段（t1～t2）。杆Ⅱ已冷却至T再以下，进入弹性状态，杆Ⅰ的温度仍在T再以上，呈塑性状态。此时因杆Ⅱ的冷速大于杆Ⅰ，收缩亦大于杆Ⅰ，杆Ⅱ受拉伸，杆Ⅰ受压缩，形成了暂时的应力。但内应力也会随杆Ⅰ的塑性变形（缩短）而消除，使杆Ⅱ与杆Ⅰ同时缩短至L1。
第三阶段（t2～t3）。因塑性变形而缩短的杆Ⅰ也冷却至T再以下并呈弹性状态。此时，杆Ⅰ的温度较高，还会有较大的收缩；而杆Ⅱ的温度较低，收缩已趋停止。因此，杆Ⅰ的收缩必然受到杆Ⅱ的强烈阻碍，结果，杆Ⅰ受弹性
拉伸，杆Ⅱ受弹性压缩。冷却到室温时，框中就产生了残余内应力。
由以上分析可以看出：
a） 热应力的性质是：铸件缓冷处（厚壁处或心部）受拉伸，快冷处（薄壁处或表层）受压缩。
b） 铸件冷却时各处的温差愈大，定向凝固愈明显，合金的固态收缩率愈大，弹性模量愈大，则热应力愈大。
防止热应力的措施有：缩小铸件各处的温差，使其均匀冷却；尽量选用弹性模量小的合金；设计壁厚均匀的铸件，从铸造工艺方面促进铸件各部分同时凝固（如图5-13所示）。
图5-13 阶梯形铸件同时凝固示意图 图5-14 受应力作用轴套铸件
⑵ 机械应力 又称为收缩应力，是铸件的固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力，如图5-14所示的轴套铸件在冷却收缩时，其轴向受砂型阻碍，径向受型芯阻碍，由此产生机械应力。显然，机械应力将使铸件产生拉伸或剪切应力，其大小取决于铸型及型芯的退让性，当铸件落砂后，这种应力可局部甚至全部消失。然而，若机械应力在铸型中与热应力共同作用，则将增大铸件某部位的拉伸应力，促使铸件产生裂纹倾向。
2. 铸件的变形及防止
铸造应力使铸件内部的晶体结构被拉伸或压缩，好象弹簧被拉伸或压缩一样，处于一种不稳定状态，有自发通过变形来缓解应力、回到稳定的平衡状态倾向。显然，只有原来受拉伸部分产生压缩变形、受压缩部分产生拉伸变形，才能使铸件中的残余应力减小或消除。
防止铸件变形的主要措施有：
⑴ 采取措施减小铸造应力；
⑵ 将铸件设计成对称结构，使其内应力平衡；
⑶ 在生产中最有效的防止变形的方法是采用反变形法；
⑷ 设置拉肋（又称加强肋）；
⑸ 及时进行去应力退火以减小或消除内应力。
3. 铸件的裂纹及防止
当铸件的内应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹。裂纹是一种严重的铸造缺陷，常导致铸件报废。根据产生的原因，裂纹可分为热裂与冷裂两类。
⑴ 热裂 热裂是铸件凝固末期，在接近固相线的高温下形成的。此时，结晶出来的固态金属已形成完整的骨架，进入了线收缩阶段，但晶粒间还存有少量液体，故金属在这样的高温下强度很低。例如，含碳量为0.3%的碳钢，在室温的抗拉强度大于480 MPa，而在1380～1410℃的抗拉强度仅为0.75 MPa。若高温下铸件的线收缩受到阻碍，机械应力超过其在该高温下的强度极限，则发生热裂。
热裂的特征是裂纹短，缝隙宽，形状曲折，裂纹内呈氧化色。
热裂在铸钢件和铸造铝合金件中较常见。
为了防止热裂，除应尽量选择凝固温度范围小、热裂倾向小的合金和改善铸件结构外，还应提高型砂和芯砂的退让性（如在砂中加木屑，采用有机粘接剂等），对于铸钢和铸铁，必须严格控制其硫含量，防止热脆性。
⑵ 冷裂 冷裂是在较低温度下，由于热应力和机械应力的综合作用、铸件内应力超过合金的强度极限而产生的。冷裂常出现在铸件受拉应力作用的地方，尤其是有应力集中的地方（如内尖角处和缩孔、气孔以及非金属夹杂物的附近）。冷裂的特征是裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。
壁厚差别大、形状复杂的铸件，尤其是大的薄壁件易发生冷裂。不同铸造合金的冷裂倾向不同，灰铸铁、白口铸铁、高锰钢等塑性差的合金较易产生冷裂。钢铁中磷含量愈高，铸件愈易冷裂。
三、合金的吸气性
液态合金中吸入的气体，若在冷凝过程中不能逸出，滞留在金属中，将在铸件内形成气孔。气孔破坏了材料基体的连续性，减少了其承载的有效面积，并可在气孔附近引起应力集中，从而降低了铸件的力学性能。弥散性气孔还可促进显微缩松的形成，降低铸件的气密性。
按照气体的来源，气孔可分为侵入气孔、析出气孔和反应气孔三类。
1. 侵入气孔主要是砂型和型芯中的气体侵入金属液中而形成的气孔。
2. 金属在熔化和浇注过程中很难与气体隔
离，一些双原子气体（如H2、N2、O2等）可以从炉料、炉气等进入金属液中，其中氢不与金属形成化合物，且原子直径小，较易溶解于金属液中。气体在液态合金中的溶解度较在固态中的大的多，且随温度升高而增大。合金的过热度愈高，其吸气性愈强。溶解有氢的金属液在冷凝过程中，由于氢的溶解度下降，呈过饱和状态，于是，结合成分子以气泡的形式从金属液中析出。上浮的气泡若遇阻碍或金属液因冷却而粘度增加，则不能浮出金属液，铸件中就形成了析出气孔。
3. 反应气孔是液态金属与铸型材料、芯撑、冷铁或熔渣之间发生化学反应产生气体而形成的气孔。例如，冷铁、芯撑表面的锈蚀与灼热钢液、铁液中的碳反应产生CO气体。
