铸造性能简介
原创 老哥 汽车CAE仿真知识库 6月26日
将熔化的金属或合金浇注到铸型中，经冷却凝固后获得一定形状和性能的零件或毛坯的成形方法称为铸造。接下来将主要对铸造性能进行简单介绍。
一、铸造概述
铸造方法可分为砂型铸造和特种铸造两类。其优点主要有4个：
1、可制成形状复杂的毛坯或具有复杂内腔的毛坯；
2、铸件的形状和尺寸与零件很接近，可节省金属材料和加工工时；
3、铸造所用的原材料大多来源广泛、价格低廉；
4、绝大多数金属均能用铸造制成铸件。
其缺点主要是：砂型铸造生产工序多，有些工艺过程难控制、废品率高；铸件组织粗大，内部常出现缩孔、缩松、气孔、砂眼等，力学性能不如同类材料的锻件高，使得铸件要做得相对笨重；铸件表面粗糙，尺寸精度不高。
二、铸造性能
合金在铸造过程中所表现出来的工艺性能，称为合金的铸造性能。主要指流动性、收缩性、偏析（见文末Note1）和吸气性（见文末Note2）等。其中，前两个对铸件的质量影响较大。
1、流动性，指液态金属的流动能力。主要的知识点有4个：
(1)、流动性好的合金，充型能力强，易获得形状完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件；有利于液态合金中非金属夹杂物和气体的上浮与排除；有利于合金凝固收缩时的补缩作用。
流动性不好，充型能力就差，铸件易产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔和缩松等缺陷。
(2)、不同的合金流动性不同，灰铸铁的流动性最好，硅黄铜和铝硅合金次之，铸钢最差；同种合金中，成分不同的合金流动性也不同。合金液的粘度、热导率等也对流动性有影响。
(3)、铸型对充型能力的影响体现在三个方面：铸型的蓄热能力（其热导率和质量热容越大，对液态合金的激冷作用就越强，合金的充型能力就越差）、铸型温度（温度提高，其与金属液温差变小，减缓冷却速度，提高充型能力）和透气性（透气性差将阻碍金属液的填充，使充型能力下降）。
(4)、浇注条件对充型能力的影响主要指浇注温度和充型压力。
对于浇注温度：薄壁铸件或流动性差的铸件，可适当提高浇注温度，可防止浇不到或产生冷隔。但温度过高使合金收缩增大，易产生缩松缩孔等铸造缺陷。
对于充型压力：液态合金在流动方向上所受压力越大，充型能力越好。此外，浇注系统结构越复杂，流动阻力越大，充型能力就越低。
2、收缩性，指液态金属在冷却凝固过程中，体积和尺寸减小的现象。是合金本身的物理性质，是许多缺陷产生的基本原因。其过程可分为三个阶段：
(1)、液态收缩：指合金液从浇注温度冷却到凝固开始温度之间的体积收缩，表现为型腔内液面的降低。
(2)、凝固收缩：合金从凝固开始温度冷却到凝固终止温度之间的体积收缩，一般仍表现为液面降低。
(3)、固态收缩：合金从凝固终止温度冷却到室温之间的体积收缩。表现为三个方向的线收缩。
液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的主要原因；固态收缩是铸件产生内应力、变形和裂纹等缺陷的主要原因。
对于缩孔：指合金液在铸型内冷凝过程中，体积收缩得不到补充时，在铸件最后凝固部位或铸件的上部形成的空洞。有时切削后可暴露出来，其形成过程如图1所示。
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图1 缩孔的形成示意图
可知，在合金液冷却凝固过程中，随着温度的不断降低，内部的金属液就像被一个封闭的密封容器包住了。由于硬壳内合金液的液态收缩和凝固收缩大于硬壳的固态收缩，故液面下降并与硬壳顶面脱离，产生了间隙。温度继续下降、外壳继续加厚、液面继续下降，待内部完全凝固，在铸件上就形成了缩孔。
对于缩松：可以看成是将集中缩孔分散成数量极大的小缩孔，似海绵状。对于相同的收缩体积，缩松的分布面积比缩孔大。形成过程如图2所示。
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图2 缩松的形成示意图
如图2(a)所示，因合金的结晶温度范围较宽，铸件截面上有三个区域。(b)中显示中心部分为液态和固态共存，其凝固层内表面参差不齐，呈锯齿状。最终，缩松的形成也是由于凝固中金属体积的减少得不到液态金属的补充所致。常出现在缩孔的下方或铸件的轴线附近。
对于内应力、变形和裂纹缺陷：指铸件在凝固后继续冷却时，若在固态收缩阶段受到阻碍，则会产生内应力，称为铸造内应力。是铸件产生变形、裂纹的主要原因。
铸造应力按其产生原因，分为热应力、固态相变应力和收缩应力。热应力指铸件各部分冷却速度不同，造成同一时期内铸件各部分收缩不一致产生的应力；固态相变应力指由于固态相变，各部分体积发生不均衡变化引起的应力；收缩应力指铸件在固态收缩时因受到铸型、浇冒口等外力阻碍产生的应力。
当铸件中存在内应力时，若其超过合金屈服点，则会使铸件变形。因此，在铸件设计时应力求壁厚均匀、形状简单而对称；若内应力超过合金的强度极限，铸件便会产生裂纹。
Note1、偏析：
液态合金在铸型中凝固以后，铸件断面上各个部分及晶粒与晶界之间存在的化学成分不均匀现象。分为显微偏析（包括枝晶偏析、晶间偏析和胞状偏析）、区域偏析（或称宏观偏析，包括正常偏析、反常偏析和比重偏析）和通道偏析三种。
Note2、吸气性：
指合金在熔炼和浇注时吸收气体的能力。若液态时吸收气体多，则在凝固时，气体若来不及散出，就会出现气孔、白点等缺陷。