材料加工及成型1

1、材料加工与成型黄光胜黄光胜Tel: 65112239(O) ,mail: ; 1.1材料及其分类材料（materials) 通常是指可以用来制造有用的物品、构件、器件等的物质。材料是人类生存和发展的基础，材料技术的发展是人类社会进步的基础。人类历史上材料共经历了5次革命（根据日本町田辉史）：第一次：石器时代青铜时代公元前4000年第二次：青铜时代铁器时代公元前1350-1400年第三次：铁器时代合金化时代公元1500年第四次： 合成材料时代20世纪初期第五次： 新材料设计与制备加工工艺时代20世纪末期问：金属矿产资源不可再生，当用完时，结构材料如何发展？材料技术的种类

2、很多，根据分类方法的不同而异，按照大的分类，材料技术主要包括以下几类技术：(1)制备技术，如高分子材料合成技术、粉体制备、人工晶体、材料复合技术等；(2) 加工与成型技术加工与成型技术，如凝固成形、塑性加工、注射成形、连接技术等；(3)改质改性技术如各种热处理技术等；(4)防护技术，如涂层处理、钢板镀锌等；(5)评价表征技术，如力学性能试验、成形性试验、无损探伤、显微结构分析等；(6)模拟仿真技术，如组织性能预报、过程仿真技术等；(7)检测与监控技术，如在线检测技术、实时监控技术等。材料科学与工程的四个基本要素 先进的材料制备与加工技术，既对新材料的研究开发与实际应用具有决定性的作用，也可有效

3、地改进和提高传统材料的使用性能，对传统材料的更新改造具有重要作用。性能工艺成分结构铸造分类 一次塑性加工以生产原材料（管、板、型、棒等）为主的加工，如轧制、挤压等加工。 二次塑性加工以生产零件极其毛坯为主的加工，如锻造，冲压。通常二次加工所用原材料是经一次加工的，但大型锻件多用铸锭直接锻造。二次塑性加工根据所用原材料又分：体积成形变形属于三向应力状态板料成形变形属于平面应力状态 连接技术包括焊接技术、机械连接、粘接等，而我们这儿特指焊接。 焊接分类熔化焊固态焊钎焊 广泛用于航空航天、造船、汽车、桥梁、电子信息、高层建筑金属结构等领域。u液态成型u固态成形/型u焊接u粉末冶金内容：基本工艺、新工

4、艺（重点）、质量控制要点等参考书：1. 毛卫民，金属材料成形与加工，清华大学出版社，2008。2. 谢建新，材料先进制备与成形加工技术，科学出版社，2007。主要内容 砂型铸造（气孔及质量控制） 消失模铸造 电磁凝固 金属半固态加工 连续铸轧 其它特殊凝固砂型铸造工艺过程简介造型过程中，型砂在外力作用下成型并达到一定的紧实度或密度而成为砂型。如图是型砂紧实后的结构示意图，它是由原砂和粘结剂(必要时还加入一些附加物)组成的一种具有一定强度的微孔一多孔隙体系，或者叫毛细管多孔隙体系。1. 铸型中的气体来源（1）型腔和型砂孔隙中原来有的空气受热膨胀，通常在铸铁浇注温度下体积要增加四五倍；（2）铸型尤

5、其是湿型存在较多的水分(包括自由水、吸附水和晶格水等)，在金属液的热作用下水分汽化和迁移，水由液态转变成1360的过热蒸汽时体积膨胀达7000多倍；（3）粘结剂、附加物和杂质中有机物质受热、分解与燃烧，产生大量气体；（4）无机物受热分解等也会产生许多气体。此外，随着金属一铸型界面作用进行的还会有由化学反应产生的气体；（5）金属凝固时也将放出气体。侵入性气孔也叫外因气孔，是湿型铸件中最常见的一种缺陷。它的体积较大，形状不圆整，有时近似梨形。它常出现在铸件上部靠近型(芯)壁或浇注位置处。主要是由于砂型(芯)中的气体侵入金属中造成的，梨形气孔小端的位置表明气体由该处进入铸件。有时气孔内壁不光滑类似缩

6、孔表面，这与型腔内部存在某种程度的冒泡现象有关。90 90 90时气泡在砂型表面生长过程 防止侵入性气孔应主要从增加气体进入金属液的阻力和使气泡容易从金属液中浮出等方面人手。（1）减少砂型(芯)在浇注时的发气量，（2）使浇注时产生的气体容易从砂型（芯）中排出、例如保证砂型有必需的透气性，多扎出气孔，使用薄壁或空心和中间填焦炭块的砂芯，避免大平面在水平位置浇注，设置出气口，适当提高浇注温度和注意引气等。（3）提高气体进入金属液的阻力。例如保证直浇道有所需的高度和金属液在型内的上升速度，在砂芯(型)表面施用涂料以减小砂型（芯）表面孔隙等。防止侵入性气孔的措施（1）金属铸型界面产生气体的反应A水蒸气

7、与合金元素的反应 在金属液的热作用下，铸型中迅速产生出大量水蒸气。未能及时通过铸型排出去的高温水蒸气，在界面处与金属液表面接触，将使后者氧化。金属液中元素Me与氧的亲和力若比氢大，就会被氧化，如铁碳合金中Fe、C、Si、Mn、A1等元素都能与H2O发生作用，分别产生FeO、SiO、MnO、A12O3等氧化物，使铸件表面产生夹杂物或形成氧化膜和H。即 mMe+nH2OMemOn+2nH生成的H，一部分扩散进入金属中，使其中的氢含量增加，一部分聚合成分子氢后，从砂型中排出。铁被氧化使钢中局部FeO含量增高。 无机粘结剂或石灰石砂中的碳酸盐在900左右分解，产生C02： MeCO3MeO十C02 树

8、脂砂中的尿素，乌洛托品(CH 2)6N4)与高温金属接触后，首先分解出(NH3)，氨又继续分解：2NH3N2十3H2 树脂中烷烃的分解：CH4 C+2H2 CnH2n+2 nC+(n+1)H2B 型砂组分的分解 浇注开始后，型腔及界面处的气体压力迅速提高，高于大气压力，将大气成分排挤掉，因而铸型是在缺氧条件下被加热的。在充填铸型的初始阶段，界面上及砂粒间空气中的自由氧，使合金成分氧化，造型材料中的自由碳(煤粉等)及有机物将燃烧至自由氧耗尽为止。 经氧化热分解反应后，界面上形成一些活性气相成分，主要有H2O、H2、CO、CO2几种加上铸型表面层中残存的固体碳将继续相互作用，使气相达到热力学平衡。

9、有机物铸型的热分解速度比无机物快得多，浇往后型内气体中含O2迅速降低，而H 2迅速上升。分解产生的碳往往造成铸件表面增碳。 无机物铸型的反应速度较慢，由含O2、CO2较高的氧化性气氛转变为以H2和CO2为主的还原性气氛的速度较慢，所以通常砂型铸造时金属易氧化，且铸件表面形成脱碳层。C 固体碳的燃烧及气化反应反应性气孔的成因尚无统一的说法，目前有由氢、氮及CO引起针孔的学说。铸钢件的针孔区由溶解在金属液中的气体在铸件成形过程中析出而形成的气孔。析出气孔多呈细小圆形、椭圆形或针头形，成群分布在铸件整个断面上或某个局部区域内，孔壁光亮，铝合金铸件的析出气孔通常表现为针孔，在铸件热节或厚截面处较严重。

10、在浇注、充型过程中因气体卷入金属液中而在铸件内形成气孔。卷入气孔一般为孤立存在的大气孔，形状通常为圆形或椭圆形，位置不定，一般在铸件中上部。材质：ZL105地点：四川盆地缺陷：气孔（1）铝合金铸件 2012年2月20日，央企鞍钢旗下重型机械有限责任公司铸钢厂铸造车间发生喷爆事故。砂型制作完成后，23时30分开始进行钢水浇注，23时36分左右，在第二罐钢水浇注即将结束时发生砂型型腔喷爆，造成13人死亡、17人受伤。 铸造的是东芝水电（杭州）有限公司承制的美国一个抽水蓄能电站的水泵水轮机转轮的上冠或下环 。 浇铸一个环状钢件，使用的模具就是这个外直径约10米的砂型铸造的产品要180T钢水。 伤势较

11、轻的吊车工徐金兴回忆说，事发时他正在倾倒钢水罐中的钢水，“正好是往回打罐的时候，忽然间那玩意儿就飞回来了，给我弹了个跟头。当时眼前一片漆黑，啥也看不着。” 受伤工人冉明当时离钢水罐只有七八米的距离。他回忆说：“里面钢水动了，我就开始转身跑。刚跑两三步，钢水就飞出来了，我感觉脸火辣辣的，然后就接着跑。反正现在回忆不出当时怎么跑的了，身上着着火我就跑。” 事故发生后，多位工人推测事故原因，不外乎以下几点：铸造型腔干燥度不够；钢水温度过高；浇铸速度太急；或是环境温度过低，工序设计中没有注重外模保温。 一些专家介绍，可能是由于铸造腔体本身不均匀，钢水灌注后遭遇水分，形成大量气体，从而导致爆炸。 国家安

12、监总局通报称，事故系型腔内部或底部残余水分过高，钢水进入型腔后，残余水分受热，短时间内迅速膨胀，造成砂型型腔喷爆。2.2.1 绪论原理消失模铸造（又称实型铸造）是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法 。 Expendable Pattern Casting （EPC) Lost Foam Casting(LFC) 是一种近无余量、精确成型的工艺。 容易清洁生产。 为铸件结构设计提供了充分的自由度。原先要由多个零件加工组装的构件，采用LFC工艺后可以通过分片制

13、模然后粘合的办法整体铸出。1合金种类 几乎所有的铸铁、铸钢和非铁合金(即有色合金，如铝合金、镁合金、铜合金等)都可以采用LFC法生产。在我国生产消失模铸件中，绝大部分是铸铁和铸钢件，铝合金铸件微乎其微，而美、德、日等工业发达国家铝合金铸件却占主导地位。 由于消失模样热解产物会造成增碳、黑渣等缺陷，在铸造低碳钢铸件以及要求致密度极高的汽车球铁保安件时，废品率还比较高，选用时应该特别慎重。 2铸件大小和壁厚 LFC法一般都在流水线上组织批量生产，铸件的最大尺寸受模具和砂箱大小的限制，适合的铸件质量通常从几公斤至几百公斤，如果采用专用砂箱，也可以铸造成吨的大件。如果单件、小批生产，则可以生产质量为几

14、吨甚至几十吨的大件。铸件的壁厚受泡沫塑料珠粒大小的限制，一般要求最小壁厚的截面上至少有3颗珠粒，因此铸件的最小壁厚应大于3mm。 3生产批量 由于模具的设计、制造周期长，成本高，因此要求铸件有一定的生产批量，不然分摊到每个铸件上的费用将使铸件价格变得昂贵，难为用户所接受。通常要求LFC法的生产批量为数千件或者更多。批量较小或单个试制件的模样可以通过板材数控加工的办法分块制造粘合而成。 4结构形状 LFC法对铸件结构形状的适应性比其他方法都强，而且越是结构复杂，原来用砂型铸造时需要使用的砂芯越多、机加工量越大的铸件，采用消失模铸造技术的优越性就越突出，经济效益也就越显著。模样是用泡沫塑料制成的，

15、它是以合成树脂为母材、内部具有无数微小气孔(也称泡孔)结构的塑料，其主要特点如下。 1)质地轻。消失模铸造模样材料的密度仅为1625kgm3。 2)泡沫塑料的泡孔互不连通，可防止空气对流，因此不易传热和吸水，起着隔热、隔水作用。 3)泡沫塑料的种类很多，譬如聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛和聚氨酯泡沫塑料等，但选作铸造模样用的泡沫塑料，必须是发气量较小、热解残留物少的泡沫塑料。通常都采用聚苯乙烯泡沫塑料(Expendable Polystyrene，简称EPS)作为铸造的模祥材料。 4)铸造模样发泡聚苯乙烯还具有成形加工方便、资源丰富、价格比较低等优点，因此它成为目前应用最广的一种模样材料。采用聚苯乙

16、烯珠粒在模具中发泡成形的模样制造工艺流程。 涂料的配制及干燥是获得优质铸件的重要环节之一。在生产中，经常出现由涂料性能不稳定或指标不恰当而造成铸件质量不稳定、废品率上升的现象，这加深了人们对涂料重要性的认识。消失模铸造涂料的作用可以归纳如下。 1)可以降低铸件表面粗糙度值。采用优质涂料后，铸件的表面租糙度值可以降低二三个等级,从而提高铸件的表面质量和使用性能。 2)有助于防止或减少铸件粘砂、砂眼等缺陷，因为涂层建立了一道耐火性、热化学稳定性高的屏障，将金属液与干砂隔开来。 3)有利于提高铸件落砂、清理效率。 4)能使金属液流动前沿气隙中模样热解的气体和液体产物顺利地通过，排到铸型中去，但又要防

17、止金属液的渗入，这是防止铸件产生气孔、金属渗透和碳缺陷十分重要的条件。 5)能提高泡沫模样的强度和刚度，防止模样在运输、填砂振动时产生变形和破坏，这对提高铸件尺寸精度和成品率至关重要。u强度u透气性u涂刷性u不流淌性u粘度u触变性现有消失模铸造涂料一般以棕刚玉、锆英粉、铝矾土等为耐火骨料，成本较高。石英粉是最便宜的耐火填料之一，具有较高的熔点和烧结温度。 共用三种石英粉耐火骨料，其粒形均为多角形，粒度集中在0.075mm左右，粒度分布见表1。膨润土为四川盐亭钠质膨润土，其吸蓝量为39，使用前两天，将其调制成膨润土浆，并加入膨润土量3%的Na2CO3。聚乙烯醇（PVA）使用前在沸水中熬煮成10%

18、胶体水溶液。羧甲基纤维素钠（CMC）使用前24h配制成5%的水溶液。载体为自来水。 EPS模样造型衬板浇注EPS模样 造型 100磨球 60磨球 40磨球磨球的消失模铸造实例 与黑色钢铁合金相比，铝、镁合金消失模铸造技术难度更大，如铝合金消失模铸造存在如下主要特征及技术难点。液态铝合金的熔化温度比黑色钢铁合金的低许多，而金属液浇注时模样的热解汽化将吸收大量的热量，造成合金流动前沿温度下降，故过度冷却易形成冷隔、皮下气孔等铸件缺陷。因此，足够的浇注温度和浇注速度对获得优质铝合金铸件至关重要，尤其是薄壁铝铸件。为了达到汽化泡沫模样、顺利填充浇注的目的，铝合金消失模铸造的浇注温度往往需要在800以上

19、。而此时，高温铝液的吸(氢)气性强，易使铸件产生针孔(铸件的致密性差)。必须加强高温铝液的除气精炼处理。铝合金铸件较好的浇注温度应在750左右，因为此时高温铝液的吸(氢)气性较小。为此需要采用适于铝合金的低温汽化的泡沫模样材料。 2001年6月8日，Mercury Castings公司建立了第一条工业上自动化程度很高的压力凝固消失模铸造生产线。以降低铝合金铸件的气孔率。其特点是重力浇注后，将砂箱放入压力容器内密封，充入10个标准大气压，让铝合金液体在压力下凝固，产生的缩孔和气孔程度是传统消失模铝合金铸件的1/100，是金属型铝合金铸件的1/10。 涂有耐火材料的模样和浇道系统放入底部开孔的砂箱

20、内，填入干砂，上部密封，将砂箱放在金属液的上方，升液管置于金属液内，打开砂箱项部的真空，使砂箱内产生负压，金属液在压差的作用下上升代替模样族。 经振动紧实后的消失模铸型砂箱，被放入(或推入)可控气氛和压力下的“低压铸造”工位。双层砂箱在抽真空的同时，液态镁合金在可控气压下完成浇注 充型、冷却凝固。其实质是真空消失模铸造与反重力低压 铸造的有机结合。 具有低压铸造与真空消失模铸造的综合技术优势，使得镁合金消失模铸造在可控的气压下完成充型过程，大大提高了镁合金溶液的充型能力，消除了镁合金重力消失模铸造常出现的浇不足缺陷。 镁合金液体在可控的压力下充型，可以控制液态金属的充型速度，让金属液平稳流动，

21、避免紊流，减少卷气，这样最终的铸件可以进行热处理。 采用真空低压消失模铸造时，直浇口即为补缩短通道，液态镁合金在可控的压力下进行补缩凝固，镁合金铸件的浇注系统小，成品率高。 在整个充型冷却过程中，液态镁合金不与空气接触，且泡沫模样的热解产物对镁合金铸件成形时的自然保护作用，消除了液态镁合金浇注充型时的氧化燃烧现象，可铸造出光整、优质、复杂的镁合金铸件。 材料电磁工艺是指将电场或磁场引入到材料的制备或加工过程中，从而实现对材料制备或加工过程和产品质量的控制及材料组织和性能的改善。 20世纪60年代初期即已经开始了电磁冶金的研究，特别是在20世纪80年代以后，我国的高等院校和研究单位也相继开展了这

22、方面的工作，把电磁场引入到实际铸造生产过程中，同时对电磁铸造、 电场作用下的凝固、电磁搅拌和电磁离心铸造等新技术开展了研究。2.3.1材料电磁工艺 所采用的电场或者磁场按照其特征可以分类如表所示。有些工艺将电场或者磁场单独使用，而有些则使用多个磁场或者将电场和磁场同时引入。1. 电场中的凝固技术 电场控制凝固技术发展的时间不长，它是对液态金属施加单一的电场，使金属在电场中冷却凝固，可以得到有别于常规凝固条件下的组织。所施加的电场可以是直流电场、交流电场或脉冲电场。 已有的研究表明，在金属凝固过程个施加常规的直流或交流电场有助于改善凝固组织，减少宏观凝固缺陷。但是，对电场在凝固过程中的作用机理还

23、不十分清楚。 这类技术产生于20世纪60年代，它是利用电磁力实现液态金属的约束成形，在无成形模具的条件下完成金属的熔炼与成形的技术，也称电磁铸造或电磁模等。 感应器中通入交变电流后，在熔体内会感生涡流，在较高的频率下，感应电流主要集中在液态金属的表层部分，其方向在每一瞬间都与感应器中的电流方向相反。因此，这个感应电流与外加磁场交互作用，在液态金属的侧表面内产生一个指向液态金属内部的电磁压力。通过控制液态金属表层部分的磁场强度可以控制电磁压力的大小，使电磁压力、液态金属静压力、表面张力达到动态平衡，这样才可以使液态金属能够达到合适的形状及保持较好的稳定性，同时，可以实现金属与模壁之间的“软接”显

24、著提高铸件表面质量。感应器在液态金属表面产生电磁压力的同时，在金属液表面和内部都产生电磁搅拌力金属液内部的电磁搅拌力将引起金属液的流动，改善铸件内部的组织形态。 就一般情况而言，电磁搅拌与电磁铸造相似，都起源于交流感应器所产生的洛伦兹力。但是，电磁搅拌器在设计上，会使熔体深处直至固-液界面处产生对流，而不仅限于在熔体表面产生电磁力。因此，电磁搅拌所采用的交流磁场的频率一般较低。 20以纪60年代初报道了利用交流电磁场使得商用钢锭的晶粒组织显著细化；电磁搅拌还可以明显改善铸件的冶金质量，并消除宏观成分偏析。 实际生产中使用的电磁搅拌器可以分为两类：线性搅拌器和旋转搅拌器。后者又包括两种：一种是在

25、感应线圈内通交变电流产生交变磁场的传统方法；另一种是旋转永滋体法，该方法采用由高性能永磁材料组成的感应器，可以在内部产生很高的磁场强度。 电磁搅拌产生的金属液流动使树枝晶前端发生折断或产生熔蚀作用，造成大量枝晶碎片作为晶核；同时，剧烈的流动可大大加速液心的传热而使过热度迅速消失，两相区扩大；流动还可以加速传质过程使凝固界面前沿扩散边界层减薄而浓度梯度增大，两相区成分过冷增加。这些都有利于等轴晶的发展和晶粒化。因此，电磁搅拌是扩大铸坯等轴晶带的有效措施。 电磁搅拌对铸坯表层质量、中心缩孔疏松以及铸坯中心的偏析都有良好的改善作用。因此，电磁搅拌技术已被工业铸造领域广泛应用。 原理：在合金的凝固过程

26、中，同时施加一个稳恒的磁场以及一个交变电场，二者互相垂直。因此，在熔体内部产生一个电磁体积力，其方向垂直于上述电、磁两场确定的平面并不断变化。电磁体积力迫使熔体中的导电粒子发生振动，从而导致液体中气孔的形成与长大；最后，这些气孔破碎会产生数干个大气压级的强有力的冲击波冲击波的压力有利于晶粒细化及弥散分布、除气作用以及提高充型能力。与机械振动不同的是，电磁振荡法对熔体基本无污染，且对熔体的作用均匀一致，易于控制。 作用：电磁振荡能使宏观组织细化和均匀化，晶过细化可能导致强度的提高。 电磁离心铸造是近些年发展起来的一项铸造技术。它将离心铸造和电磁搅拌结合起来，利用金属熔体随模具的转动与外加直流磁场的交互作用而产生电磁力，在电磁力的作用下，金属熔体产生与转动方向相反的相对运动，从而产生