液态金属成形概论

1、2022-7-31液态金属成形原理与工艺邱丰邱丰材料学院材料学院Email: 2022-7-32一、液态金属成形的概念及科学问题一、液态金属成形的概念及科学问题 液态金属成形的概念：液态金属成形的概念： 将金属加热到液态，使其具有流动性，然后浇入到具有一定形状的型腔的将金属加热到液态，使其具有流动性，然后浇入到具有一定形状的型腔的铸型中，液态金属在重力场或外力场（压力、离心力）的作用下充满型腔，铸型中，液态金属在重力场或外力场（压力、离心力）的作用下充满型腔，冷却并凝固成具有型腔形状的铸件冷却并凝固成具有型腔形状的铸件。液态金属成形的优点：液态金属成形的优点：1、可以制作形状复杂，特别是具有内

2、腔的零件毛坯。可以制作形状复杂，特别是具有内腔的零件毛坯。如：箱体、汽缸体等2、铸造的适应性广泛：铸造的适应性广泛：工业中常用的金属材料都可以用于铸造，铸件的重量可以多至几百吨少至几克，铸件的尺寸大可几米，小可几毫米。3、铸造生产成本低：铸造生产成本低：铸造所用原材料大多来源广泛，价格低廉，并可以直接利用报废的零件。4、减少零件的加工费用：减少零件的加工费用：铸件的形状和尺寸可以作得与实际零件非常接近。第一节：液态金属成形概论第一节：液态金属成形概论 2022-7-33 中国古代铸造产品中国古代铸造产品: (a)四羊方尊与四羊方尊与(b)司母戊鼎司母戊鼎(a)(b)2022-7-34武汉重型制

3、造的铜钟武汉重型制造的铜钟永乐大钟永乐大钟2022-7-35发动机缸体发动机缸体发动机发动机2022-7-36精密铸造成型的复杂铸件精密铸造成型的复杂铸件2022-7-37大型复杂铸件大型复杂铸件2022-7-39材料设计材料设计合金成分合金成分熔熔 化化液态金属成形方法确定液态金属成形方法确定造型设备造型设备制芯设备制芯设备造型造型制芯制芯型砂配制型砂配制芯砂配制芯砂配制下芯、合箱下芯、合箱浇浇 注注充充 型型凝固、冷却凝固、冷却落砂、清理落砂、清理铸铸 件件液态金属成形生产过程液态金属成形生产过程 2022-7-3102022-7-3112022-7-31530吨工频炉冲天炉工频炉气压保温

4、浇包2022-7-316罗兰门第制芯中心采用德国KW公司技术的新二线主机，发动机缸体造型生产线。2022-7-317二、液态金属在铸型中的流动二、液态金属在铸型中的流动 1、 液态金属充型能力的基本概念液态金属充型能力的基本概念 液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，叫做液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力。液态金属充填铸型一般是在纯液态下充满型腔的，也有边充型边结晶的情况，在充型过程中当液态金属中形成晶粒堵塞充型通道时，流动则停止，造成铸件“浇不足”缺陷。液态金属的充型能力（实验-螺旋形试样）：充型能力、平均流速、流动时间影响金属与铸型之间的热交换条件，改变金属

5、液的流动时间；影响金属液在铸型中的水力学条件、改变金属液的流速。l2022-7-318 2、 影响充型能力的其他因素影响充型能力的其他因素1) 金属性质方面的因素 金属的比热、密度、导热率、表面张力和合金粘度等。金属的比热、密度、导热率、表面张力和合金粘度等。2)铸型性质方面的因素 铸型的储热系数、铸型温度、铸型中的气体。铸型的储热系数、铸型温度、铸型中的气体。3)浇注条件方面的因素 浇注温度、充型压头（压力头）、浇注系统的结构。浇注温度、充型压头（压力头）、浇注系统的结构。4)铸件结构方面的因素 模数（或称换算厚度）、铸件的复杂程度。模数（或称换算厚度）、铸件的复杂程度。1. 液态金属成形的

6、概念是什么？液态金属液态金属成形的概念是什么？液态金属成形具有哪些优点？成形具有哪些优点？思考题思考题 12. 液态金属成形生产过程。液态金属成形生产过程。2022-7-320合金从液态转变为固态的状态变化，称为一次结晶或凝固。合金从液态转变为固态的状态变化，称为一次结晶或凝固。一次结晶一次结晶从物理化学的观点研究液态金属的生核、成从物理化学的观点研究液态金属的生核、成长、结晶组织的形成规律长、结晶组织的形成规律 凝凝 固固从传热学角度研究铸件与铸型的传热过程，从传热学角度研究铸件与铸型的传热过程，铸件断面上凝固区域的大小、凝固方式与铸铸件断面上凝固区域的大小、凝固方式与铸件质量的关系，以及铸

7、件的凝固时间等。件质量的关系，以及铸件的凝固时间等。 三 液态金属的凝固凝固定义：凝固定义：2022-7-3212022-7-3221、液态金属凝固方式及与铸件质量的关系液态金属凝固方式及与铸件质量的关系 凝固区域固相区、凝固区、液相区 逐层凝固方式逐层凝固方式 体积凝固（糊状凝固方式）体积凝固（糊状凝固方式） 中间凝固方式中间凝固方式 2022-7-323如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件的温度分布较为平坦，则在凝固的某段时间内，铸件表面并不存在固体层，而液、固并存的凝固区贯穿整个断面。由于这种凝固方式与水泥类似，即先呈糊状而后固化，故称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊

8、状凝固的合金。中间凝固方式 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间,称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式2022-7-32425对铸件质量的影响对铸件质量的影响 金属液的补缩：缩孔、缩松、 热裂影响凝固方式的因素影响凝固方式的因素 v合金结晶温度范围v温度梯度金属凝固过程中的收缩是影响铸件质量的如：缩孔、缩松、热裂、应力、变形和裂纹等的基本原因。2022-7-326热裂:在高温下形成的裂纹。其形状特征是:缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。形成热裂的影响因素:合金性质,铸型阻力。冷裂:在较低温度下形成的裂纹。其形状特征是:裂纹细小、呈连续直线状,有时缝内呈轻微氧化色20

9、22-7-3272 2、液态金属的结晶过程、液态金属的结晶过程 铸件铸态组织的形成过程可分为两个阶段：铸件铸态组织的形成过程可分为两个阶段：v液液-固转变：固转变：即液态金属的结晶，常称为一次结晶，主要指凝固过即液态金属的结晶，常称为一次结晶，主要指凝固过程的相变程的相变 ；v固态转变：固态转变：即金属凝固后，随着铸件的继续冷却，在固相内部产即金属凝固后，随着铸件的继续冷却，在固相内部产生的相变，有时也称为二次结晶。生的相变，有时也称为二次结晶。 液态金属结晶对铸件质量的影响：液态金属结晶对铸件质量的影响： 决定铸件的晶粒组织决定铸件的晶粒组织，如晶粒的形状和尺寸，晶粒内和晶粒间的成分不均匀，

10、如晶粒的形状和尺寸，晶粒内和晶粒间的成分不均匀性以及非金属夹杂物的分布形态等；性以及非金属夹杂物的分布形态等； 液态结晶的组织对随后冷却过程中的相变，液态结晶的组织对随后冷却过程中的相变，非金属夹杂物的析出及铸件的热非金属夹杂物的析出及铸件的热处理过程等有极大的影响；处理过程等有极大的影响； 液态结晶时晶体的生长过程和生长方式影响着凝固过程中的其他现象液态结晶时晶体的生长过程和生长方式影响着凝固过程中的其他现象：成分：成分的偏析、液态金属的补缩及裂纹的形成等。的偏析、液态金属的补缩及裂纹的形成等。 2022-7-328液态金属的结晶过程：液态金属的结晶过程：生核：生核：在液体中先形成一些很小而

11、稳定的固体质点，称为在液体中先形成一些很小而稳定的固体质点，称为“晶核晶核”； 自发生核：自发生核：由游动的原子集团自己逐渐长大而形成晶核的过程，也称由游动的原子集团自己逐渐长大而形成晶核的过程，也称为为“均质生核均质生核”；非自发生核：非自发生核：在外来质点的表面上生核的过程，也称在外来质点的表面上生核的过程，也称“异质生核异质生核”。 晶体生长：晶体生长：晶核不断生长成晶体，直到互相相遇。晶核不断生长成晶体，直到互相相遇。 连续生长：粗糙界面的生长连续生长：粗糙界面的生长侧向生长：平整界面的生长侧向生长：平整界面的生长2022-7-329连续生长连续生长侧向生长侧向生长2022-7-330

12、3 3、铸件晶粒组织的形成和控制、铸件晶粒组织的形成和控制 2022-7-331获得细等轴晶的措施获得细等轴晶的措施增大冷却速度增大冷却速度整个断整个断面同时产生较大过冷面同时产生较大过冷降低浇注温度降低浇注温度抑制柱抑制柱状晶的形成状晶的形成加强液体金属的流动液加强液体金属的流动液流对型壁的冲刷、震动流对型壁的冲刷、震动孕育处理孕育处理向液体中添向液体中添加少量物质，促进内部加少量物质，促进内部生核的方法生核的方法细晶粒在铸造过程中的实现细晶粒在铸造过程中的实现 2022-7-332第二节第二节 液态金属成形质量及控制液态金属成形质量及控制一、铸件化学成分的不均匀性一、铸件化学成分的不均匀性

13、 铸件凝固以后，截面上不同部位，以至晶粒内部，产生化铸件凝固以后，截面上不同部位，以至晶粒内部，产生化学成分不均匀的现象，称为学成分不均匀的现象，称为“偏析偏析”。微观偏析微观偏析指微小范围内的化学成分不均匀现象，一般在一个晶粒尺寸指微小范围内的化学成分不均匀现象，一般在一个晶粒尺寸范围内；范围内；晶内偏析（枝晶偏析）、晶界偏析晶内偏析（枝晶偏析）、晶界偏析宏观偏析宏观偏析“区域偏析区域偏析”成分不均匀表现在较大的尺寸范围内。成分不均匀表现在较大的尺寸范围内。正偏析、逆偏析、正偏析、逆偏析、V型偏析和逆型偏析和逆V型偏析、带状偏析、重力型偏析、带状偏析、重力偏析偏析2022-7-3332022

14、-7-334偏析对铸件质量的影响：偏析对铸件质量的影响：1. 微观偏析使晶粒范围内的物理和化学性能产生差异，影响铸件微观偏析使晶粒范围内的物理和化学性能产生差异，影响铸件的机械性能，有时使铸件难于加工。的机械性能，有时使铸件难于加工。2. 晶界偏析使得低熔点共晶容易集中在晶粒边界，既增加铸件在晶界偏析使得低熔点共晶容易集中在晶粒边界，既增加铸件在收缩过程中产生热裂的倾向性，又降低铸件的塑性；收缩过程中产生热裂的倾向性，又降低铸件的塑性；3. 宏观偏析使铸件的机械性能和物理性能产生很大的差异，影响宏观偏析使铸件的机械性能和物理性能产生很大的差异，影响铸件或零件的使用寿命和工作效率。铸件或零件的使

15、用寿命和工作效率。4. 宏观偏析还能给金属材料的抗腐蚀性能带来严重的后果；宏观偏析还能给金属材料的抗腐蚀性能带来严重的后果；可以利用偏析现象达到净化或提纯金属的目的。比如：区域熔炼。可以利用偏析现象达到净化或提纯金属的目的。比如：区域熔炼。2022-7-335二、铸件中的气体三种形态：三种形态：固溶体、固溶体、 化合物、气孔化合物、气孔气体的来源气体的来源：熔炼过程、浇注过程、凝固过程熔炼过程、浇注过程、凝固过程气体对铸件质量的影响气体对铸件质量的影响v以固溶体形态存在的气体以固溶体形态存在的气体-降低铸件的韧性；降低铸件的韧性；v以气孔形态存在的气体以气孔形态存在的气体-减少铸件的有效面积、

16、降低机械性减少铸件的有效面积、降低机械性能、降低气密性；能、降低气密性；v当金属中的气体过多时当金属中的气体过多时-影响铸件的补缩影响铸件的补缩气孔的类型：气孔的类型：析出性气孔、反应性气孔、侵入性气孔析出性气孔、反应性气孔、侵入性气孔2022-7-336三、铸件中的非金属夹杂物夹杂物的组成夹杂物的组成：氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物、磷化物、碳化物氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物、磷化物、碳化物夹杂物对铸件质量的影响：夹杂物对铸件质量的影响： 对机械性能有一定影响，对材料的塑性、冲击韧性影响很大，对机械性能有一定影响，对材料的塑性、冲击韧性影响很大，尤其对材料的疲劳强度影响更严重。尤其对材料的疲劳强度影响更严重。夹杂物的排除：夹杂物的排除： 金属液静止处理、真空浇注，加熔剂，过滤法金属液静止处理、真空浇注，加熔剂，过滤法2022-