金属的铸造性能

金属的可铸造性

铸造是全球制造业的支柱, 生产超过 100 每年生产百万吨金属部件——从汽车发动机缸体到航空航天涡轮叶片.

这个过程的核心在于可铸性: 金属固有的熔化能力, 倒入模具中, 并固化成满足尺寸和机械要求的无缺陷零件.

可铸性不是单一特性,而是可测量特性的组合——流动性, 凝固行为, 和反应性——由金属的化学性质和铸造工艺决定.

这篇文章给出了权威的, 数据驱动的可铸性分析, 关注决定金属铸造性能的三个最有影响力的因素.

1. 什么是可铸性?

可铸性 是衡量金属或合金转化为金属的难易程度的指标 声音, 尺寸精确的铸造 缺陷最少,加工效率高.

本质上, 它表达了如何 金属在熔化过程中的协同行为, 浇注, 模具填充, 和凝固.

与固有材料特性不同,例如 力量 或者 硬度, 可铸造性是一个系统属性 ——这不仅取决于金属的内部特性 (作品, 融化范围, 粘度) 但也对 外部过程变量, 包括模具材料, 浇注温度, 门控设计, 和冷却速度.

这种整体性使得可铸性成为 绩效指标 之间的相互作用 材料科学过程工程.

金属的铸造性能
金属的铸造性能

技术定义

根据 ASTM A802 和 ASM 手册 (卷. 15: 铸件), 可铸性定义为:

“熔融合金填充模具并凝固成无缺陷的相对能力, 在指定条件下进行尺寸精确的铸造。”

这个定义强调了可铸性 相对的——它因材料和铸造方法而异.

例如, 在压铸中表现出色的铝合金在压铸中可能表现出较差的铸造性 沙子铸造 由于冷却速度较慢和气体吸收量较高.

可铸性的核心性能指标

工程师使用四个定量参数评估可铸性, 标准化为 ASTMASM国际:

公制 定义 意义
流动性 熔融金属在凝固之前流过薄截面和复杂模具几何形状的能力. 通常使用测量 螺旋流动性测试 (ASTM E1251). 确定再现精细细节和填充复杂空腔的能力.
凝固收缩 体积收缩 当金属从液态转变为固态时. 以初始体积的百分比表示. 过度收缩会导致 收缩腔不完整的填充.
热撕裂的阻力 金属的抵抗能力 热应力下开裂 在凝固的最后阶段. 低热撕裂强度导致 裂缝 在角落或厚薄交界处.
孔隙率趋势 的可能性 气体滞留 或者 收缩空洞 凝固过程中形成. 高孔隙率降低了机械完整性和表面质量.

具有良好铸造性的金属 (例如。, 灰色铸铁) 在所有四个指标上均表现出色: 它很容易流动, 可预见地缩小, 抗热撕裂, 并形成很少的毛孔.

相比之下, 铸造性差的金属 (例如。, 高碳钢) 与低流动性和高热撕裂风险作斗争, 需要专门的流程来生产优质零件.

3. 决定铸造性能的三个最重要因素

金属的可铸性主要取决于 熔化过程中它的表现如何, 模具填充, 和凝固.

决定铸造性能的三个因素
决定铸造性能的三个因素

尽管有数十个过程变量会影响结果, 三个冶金和工艺驱动因素起着最决定性的作用:

熔体流动性和流变学

熔体流动性 指熔融金属在凝固前流入模具型腔的能力, 尽管 流变学 描述流体在不同温度下的行为, 剪切速率, 和流动条件.

影响因素:

  • 温度 & 过热: 过热度增加 (高于液体的温度) 增强流动性.
    例如, 铝合金A356的流动性提高 30–40% 当浇注温度为 730°C 而不是 690°C 时.
  • 粘度: 低粘度金属, 例如铝或镁合金, 具有优良的流动性; 反过来, 高粘度钢凝固得更快, 限制模具填充.
  • 表面张力: 高表面张力限制了熔融金属渗透精细模具细节的能力——这就是铜合金通常需要压力辅助或离心铸造的原因.
  • 氧化和污染: 表面薄膜 (例如。, 铝上的 Al2O₃) 会阻碍流动, 导致运行不良和冷关.

为什么重要:

流动性不足是造成的根本原因 超过 25% 所有铸造缺陷, 特别 冷关, 错误, 和 模具填充不完全.

工程师通过优化浇口提高流动性, 温度控制, 和合金改性 (例如。, 在铝中添加硅以降低粘度).

凝固行为

凝固行为描述 熔融金属如何从液态转变为固态, 包围成核, 谷物生长, 和微观结构的形成. 它规定了 收缩, 孔隙率, 和热撕裂——铸造性能关键指标.

关键变量:

  • 冷冻范围: 金属具有 冷冻范围窄 (像纯铝一样, 纯铜) 快速、均匀地凝固——非常适合高压压铸.
    金属具有 冷冻范围宽 (像青铜或一些钢) 倾向于形成 孔隙率热泪盈眶 由于长时间的糊状区域.
  • 导热率: 导电率较高的金属 (al, 毫克) 散热均匀, 减少热点并最大限度地减少缩孔.
  • 冷却速率 & 模具材料: 更快的冷却产生更细的晶粒和更高的机械强度, 但过度的梯度会导致 热应力.
  • 合金成分: 硅等元素 (在铝硅合金中) 和碳 (在铸铁中) 通过促进共晶凝固和减少收缩来提高铸造性能.

金属-模具相互作用

金属与模具的相互作用包括 身体的, 化学, 和热交换 浇注和凝固过程中熔融金属与模具表面之间.

该界面决定表面光洁度, 维度的准确性, 和缺陷形成.

互动类型:

  • 热交换: 确定热量提取率. 金属模具 (铸造) 提供快速凝固, 而砂模冷却速度较慢, 允许气体逸出但降低精度.
  • 化学反应: 某些金属 (如镁或钛) 与模具中的氧气或二氧化硅发生反应, 造成夹杂物或烧伤缺陷. 保护涂层或惰性模具 (例如。, 锆石基) 通常需要.
  • 润湿性和模具涂层: 良好的润湿性可促进表面光滑, 但过度的附着力会导致 金属渗透 或者 霉菌侵蚀. 铸造厂通过耐火涂层和控制模具温度来调节这一点.
  • 气体逸出: 模具中的水分或粘合剂会蒸发并与金属发生反应, 形成孔隙或气孔.

为什么重要:

即使具有出色的熔体质量和凝固控制, 金属与模具相容性差会产生 表面缺陷 (烧机, 结痂, 渗透) 或者 尺寸不准确.

4. 如何衡量和量化这三个因素

  • 流动性: 螺旋流测试 (毫米), 流杯测试; 用于测量温度下粘度的流变仪.
  • 冷冻范围和热性能: DSC/DTA 绘制液体/固体图; 潜热量热法.
  • 收缩: 铸造试棒的经验测量; 尺寸比较; 热收缩图.
  • 气体/氧化物倾向: 溶解气体分析, 氧气探头, 氧化物夹杂物金相分析; 氧化皮行为的热台显微镜.
  • 模拟: 模具填充和凝固CAE (岩浆, 校流) 预测流量, 热点和孔隙率可量化给定几何形状的可铸性.

5. 普通金属的铸造性能: 比较分析

可铸性 金属的性质决定了它的浇注难易程度, 充满, 固化, 并作为无缺陷或过度加工的完好铸件发布.

虽然每个合金系列都有自己的细微差别, 金属可按其性质大致排名 流动性, 凝固行为, 和耐热撕裂性.

金属 / 合金 熔点 (°C) 流动性 收缩 热撕裂的阻力 气体 / 孔隙率风险 整体铸造性
合金 660 出色的 低的 (1.2–1.3%) 缓和 缓和 (h₂) ★★★★★
灰色的 / 延性铁 1150–1200 出色的 低的 (1.0–1.5%) 出色的 低的 ★★★★★
合金 900–1100 好的 缓和 (1.0–1.5%) 缓和 高的 ★★★☆☆
黄铜 900–950 非常好 缓和 (〜1.0–1.3%) 缓和 中高 ★★★★☆
碳钢 1450–1520 贫穷的 高的 (1.8–2.5%) 贫穷的 缓和 ★★☆☆☆
不锈钢 1400–1450 贫穷的 高的 (1.5–2.0%) 中等-较差 缓和 ★★☆☆☆
镁合金 〜650 出色的 低的 (〜1.0–1.2%) 缓和 缓和 ★★★★☆
锌合金 385–420 出色的 非常低 (~0.6%) 好的 低的 ★★★★★

6. 如何提高铸造性能

提高金属的可铸性涉及优化 材料特性和铸造工艺.

通过解决流动性等问题, 固化收缩, 以及金属与模具的相互作用, 铸造工程师可以生产缺陷更少的高质量铸件. 以下是关键策略和最佳实践:

优化合金成分

  • 添加合金元素以增强流动性: 例如, 铝合金中的硅可增加熔融金属流入复杂模具特征的量.
  • 控制杂质: 硫, 氧, 氢气会导致气孔或热撕裂. 脱气和助焊剂处理必不可少.
  • 使用晶粒细化剂: 钛或硼等元素可以细化晶粒结构, 减少热撕裂和收缩问题.

例子: 在铝合金中添加 0.2–0.5% Si 可使流动性提高 20–30%, 使砂铸件或压铸件的壁更薄.

调整浇注温度

  • 过热度控制: 浇注温度略高于液相线温度可增加流动性,但可避免过度氧化.
  • 避免过热: 温度过高会导致过度收缩, 模具表面的侵蚀, 或晶粒粗化.

例子: 铝 A356 通常在 680–720 °C 下浇注,以平衡流动性和凝固控制.

设计高效的模具和进料系统

  • 优化浇口和立管: 尺寸合适的浇口和冒口确保熔融金属到达模具的所有区域, 补偿收缩.
  • 最大限度地减少厚度突然变化: 平滑过渡减少热点并防止热撕裂.
  • 在需要的地方使用冷却剂: 局部冷却可促进定向凝固并减少孔隙率.

改进模具材料和涂层

  • 选择兼容的模具材料: 沙, 陶瓷制品, 或金属模具会影响冷却速率和表面光洁度.
  • 使用模具涂层或清洗剂: 防止金属渗透, 提高表面质量, 并减少复杂铸件的缺陷.
  • 有选择地预热模具: 预热可以改善不锈钢或钢合金等高熔点金属的填充并减少冷隔.

控制凝固

  • 方向固化: 确保金属流向冒口, 最大限度地减少缩孔.
  • 调节冷却速率: 较慢的冷却可减少热应力,但可能会降低生产率; 平衡是关键.
  • 使用模拟工具: 现代铸造模拟软件可预测流体流动, 凝固, 和缺陷热点, 实现主动设计调整.

工艺创新

  • 真空或低压铸造: 减少气体截留并提高活性金属的流动性 (例如。, 镁).
  • 铸造 高速注射: 增强锌的模具填充, 铝, 和镁合金.
  • 半固态或流变铸造: 半固态金属表现出更好的流动性和更低的收缩率.

7. 结论

可铸造性是一种系统属性: 它反映了合金的流动性, 凝固行为和金属-模具相互作用与工艺选择和设计相结合.

重点关注三个关键因素—— 熔体流动性, 凝固/补给性, 和 金属-模具化学/气体行为 - 为工程师提供最大的影响力来预测结果并采取纠正措施.

测量, CAE模拟, 和对照试验完成循环: 它们可以让您量化给定几何形状和工艺的可铸性, 然后迭代到一个稳健的, 具有成本效益的生产路线.

 

常见问题解答

哪种单一属性最有力地预测可铸性?

没有单一的神奇数字; 流动性 通常是填充成功的直接预测因素, 但 凝固行为 决定内部健全性. 评估两者.

任何合金都可以通过工艺改变制成可铸造的吗?

许多合金可以通过正确的工艺铸造 (真空, 压力, 接种), 但经济和工具限制可能会使某些合金对于给定的几何形状不切实际.

如何定量测量可铸性?

使用螺旋流动性测试, DSC 冷冻范围, 溶解气体分析和 CAE 模具填充/凝固模拟以生成定量指标.

如何设计一个更易于铸造的零件?

避免突然改变截面, 提供丰盛的鱼片, 定向凝固设计 (喂料由稠到稀), 并指定实际的公差和加工余量.

模拟可以代替试铸吗?

仿真减少了试验次数并有助于优化浇口和冒口策略, 但物理试验对于验证材料特定行为和工艺变量仍然至关重要.

滚动至顶部