材料工程基础：2-1 金属的液态成形

1、第二篇 材料的成形与加工 在第一部分的内容中，已经讲述了材料制取与合成，工艺与方法，包括三部分： 材料的熔炼；粉末材料制备；高分子材料的聚合 制取的这些材料为适用于不同的用途，需进一步深加工成实用的材料，制品或器件。材料的加工成形成为材料制备工程中的关键环节。 这一大部分内容中将涉及以下五大内容： 液态成形（金属铸造） 塑性加工方法粉末材料的成形与固结高分子材料的成形与加工材料连接第二章 金属的液态成形与半固态成形 2.1 液态成形2.2 半固态成形2.3 快速凝固成形 2.1.1 概述2.1.2 液态成形合金的性能2.1 液态成形 1合金的充型能力 2合金收缩3铸造应力、变形和裂纹4合金的偏

2、析及吸气性2.1.3 液态成形方法1砂型铸造2特种铸造（1）熔模铸造（精密铸造） （2）金属型铸造（3）压力铸造（4）实型铸造（5）离心铸造2.1.1 概述 液态成形指将材料熔化成一定成分和一定温度的液体，然后在重力和外力作用下浇入到具有一定形状和尺寸的型腔中，经冷却凝固后形成所需要的零件的技术。 1液态成形的特点 适用性强，工艺灵活性大。如最薄0.2mm, 最厚1m，最长10m。 成形尺寸精度高 成本低 零件的力学性能较差，尺寸的均一性差 液态成形过程劳动强度大，生产条件较差，生产率较低 2液态成形的发展 历史悠久。追溯到5000年的夏商初期，青铜、公元前6世纪我国发明了生铁、铸铁技术隋、唐

3、以后掌握了大型铸件的铸造技术，如公元935年河北沧州大铁狮 当今应用广泛，研究和发展成就丰硕。例如，我国成世界铸件生产大国。1998年，我国铸件产量为1250万吨，居世界第二。 掌握凝固过程与铸件组织、性能之间的关系，能够实现控制凝固技术。如定向凝固，单晶技术，快速凝固技术。铸件轻量化、薄壁化和优质化成为趋势。工艺和设备的发展 信息化 3液态成形的基本工艺流程 2.1.2 液态成形合金的性能 1合金的充型能力 充型能力：指液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的健全铸件的能力。1合金的充型能力 2合金收缩3铸造应力、变形和裂纹4合金的偏析及吸气性影响充型能力的因素：合金流动性通常以螺旋形

4、试样长度来测量。 见图示42。浇注条件温度，充型压力、浇注系统结构铸铁 12501420铸钢 15201620铝合金 680780铸型性质及结构铸型的导热、比热容，造成的冷却能力，铸型排气能力。2合金收缩 （1）收缩的概念：指体积和尺寸缩小现象。 用体收缩和线收缩表示： 体收缩率： 线收缩率： 合金从浇注温度的液态常温，经历液态凝固固态三阶段收缩，总收缩率为上述三阶段之和，与合金的成分、浇注温度和相变有关。合金收缩过程示意图如图4-3所示。一些典型合金的体收缩率见表4-1（2）缩孔与缩松 缩孔：在铸件上部或最后凝固的部位出现的容积较大的孔洞。缩松：由于合金液结晶温度范围很宽和温度梯度小，随树枝

5、晶长大，枝晶分割成的许多小熔池，在凝固最后收缩得不到补充形成的分散性孔洞。防止缩孔与缩松的措施结晶温度范围窄的合金采取顺序凝固方式，冒口最后凝固；结晶温度范围宽的合金采取同时凝固方式；凝固在加压或热等静压下进行。3铸造应力、变形和裂纹 （1）铸造应力： 铸件凝固过程中由于凝固顺序和温度不均一，使各种收缩受阻而在铸件内部产生的应力。收缩应力、热应力、相变应力。 收缩应力：铸件在固态收缩时，因受铸型、砂芯、浇冒口等外力阻碍而产生的应力。一般为拉应力，可以消除。热应力：铸件在冷却过程中因不同部位冷却速度不同，收缩不均衡而形成的应力。相变应力：合金内部发生固态相变，铸件各部分体积产生不均衡变化引起的应

6、力。减少和消除铸造应力的措施。使铸件各部分温度均匀，同时凝固；可安放冒口、冷铁或调整内浇口位置，提高铸型和芯子的退让性.设计合理铸件结构使壁厚均匀，结构对称等；选用E和L小的材料；对铸件进行时效热处理。 冷却凝固在铸件内部产生的残留应力要自发的通过变形来减少或消除。受拉应力处内凹，受压应力处外凸。 防止措施：减少铸造应力，采取反变形法等。（2） 变形：（3） 裂纹：铸造应力超过材料强度极限产生的裂纹，分为热裂和冷裂常发生在铸件拐角、截面突变处等应力集中处或最后凝固部位。热裂：结晶温度范围内固相线附近形成。断口氧化严重，无金属光泽。裂口沿晶界产生发展，外形曲折而不规则。冷裂：铸件处于弹性或较低温

7、度时形成的。断口表面有金属光泽或轻度氧化色，裂口宽度均匀，走向平滑，且往往穿过晶粒。4合金的偏析及吸气性 指铸件各部分化学成分的不均匀现象。微观偏析： 晶粒范围内化学成分不均匀现象。有枝晶、胞状和晶界偏析。可通过高温扩散退火和晶粒化孕育处理而消除。宏观偏析： 铸件各部位之间的化学成分的差异。有正、反、比重偏析。如快速冷却调整铸件各处温差，降低有害元素含量可防止偏析产生。（1）合金的偏析（2）合金的吸气性侵入性气孔。浇铸过程铸形和型芯受热产生气体及型腔中空气侵入形成气孔，量少,体积大，常出现在铸件表面或靠近型芯的表面处。析出性气孔。为溶解于合金液中气体，在冷凝过程中，溶解度下降析出的。主要是氢气

8、和氮气孔。直径小于1mm，多而分散在某部分的整个断面。反应性气孔。浇入铸形的金属液与铸形材料冷铁、熔渣间反应或金属液内部成分间发生化学反应形成。前者又称皮下气孔，直径为13mm，分布于铸件表皮下13mm处；后者在铸件内部均匀分布。凝固前气体来不及排除，在铸件中产生的气孔现象2.1.3 液态成形方法 主要方法包括：砂型铸造特种铸造基本工艺流程见图4-11砂型铸造 （1）粘土型砂 原料原 砂 石英砂粘结剂 普通粘土和膨润土（K、Na、Ca、Al）粘土：层状硅酸盐（高岭石）4Al2O3.4(SiO2).(OH)8.2H2O 制备与造型制备将原砂、黏土、添加物在混砂机中干混，再加水或液体黏结剂湿混合，

9、混合均匀，使黏土以薄膜形式包敷在砂表面。造型手工、机械膨润土(Bentonite)是以蒙脱石为主的含水粘土矿, 分子式为:Nax(H2O)4 (AI2-xMg0.83) Si4O10) (OH)2 （2）水玻璃砂 以水玻璃为粘结剂的一种型砂，广泛应用于铸钢，常用的是CO2硬化砂的水玻璃砂。其实质是CO2促进水玻璃形成网状胶凝。（3）有机粘结剂砂主要用于制作砂芯。与粘土砂芯，水玻璃芯比较，出砂性好,干强性好，表面质量好。按粘结剂种类可分为植物油砂、合脂砂和树脂砂。2特种铸造 熔模铸造金属型铸造压力铸造实型铸造离心铸造低压铸造（1）熔模铸造（精密铸造） 指用易熔性材料制作模样，在模样上包覆多层耐火

10、材料，经酸化、干燥制成壳，然后熔失模样再将空心壳高温焙烧后，浇注合金液于其中而获得铸件的方法。 工艺过程制造压型制熔模制壳脱熔模焙烧熔模壳浇注清理 模料的类型与特点2. 取出易熔模1. 注射易熔模料3. 组合4. 涂抹耐火涂料2. 取出易熔模5. 模组撒砂6. 涂完料的模组7. 脱蜡焙烧8. 浇注9. 清壳切割10.铸件11. 熔模 特点： 尺寸精度高（CT4-7，Ra1.612.5um, 0.3mm厚, 0.5mm ）适用各种合金铸件，尤其高熔点，难加工件工艺复杂，成本高。 应用： 适用于各类零部件 （2）金属型铸造 指用自由浇注的方法将熔融金属浇入由铸铁或钢制造的铸型中而获得铸件的一种铸造

11、方法。 金属型结构 铸造工艺 预热（200350）型腔和金属芯表面喷涂料0.10.5mm开型取件温度高：Al合金 450500Mg合金 350400铸 铁 850950金属型上要有良好的排气系统浇注温度较砂型高1020 特点与应用 特点：一型多铸，劳动生产率高，劳动条好，易实现机械化和自动化；铸件尺寸精度高,表面质量好(CT6-9级，Ra3.2-12.5um),切削加工余量小金属型冷却速度大，铸件组织致密，力学性能好；铸造工序简化，工艺条件较易控制，因此铸件质量稳定，废品率低。金属型制造成本高，周期长，不宜铸造复杂、大型、薄壁铸件和高熔点合金铸件缺点用途金属型铸造主要应用于大批量生产形状简单的

12、有色合金铸件，如活塞、气缸体、轴瓦、轴套等。铸铁的金属型铸造也有一定发展，但铸件尺寸、质量不宜太大(小于15kg)。（3） 压力铸造 液态或半液态金属浇入压铸机压室，使它在高压和高速下充填铸型，并在高压下结晶凝固而获得铸件的一种铸造方法。 压铸机 压铸机：由压射机构（高速、高压充型） 和合型机构（开合压铸型 ）组成。热压室压铸机冷压室压铸机 热压室压铸机冷压室压铸机 演示演示 压铸型及其结构 热压室压铸机演示冷压室压铸机 压力铸造工艺规范 压力铸造工艺特点及应用 压铸比压：据合金与铸件结构选择，一般30-80MPa充填速度：导入型腔的速度，一般10-40m/s充填和持压时间：充填0.01-0.

13、2s；持压1-3s浇注温度：比常规低40-80 压铸型预热铸件尺寸精度高可以制造出薄臂、形状复杂精密的铸件铸件组织细小，强度较型砂铸件高25-40%生产率高，可实现半自动和自动化（4） 实型铸造 用泡沫聚苯乙烯塑料模代替木模或金属模，在其上涂一层涂料，干燥后造型，造型后不取出模样而直接浇注金属液，在金属液作用下模样汽化消失，金属液取代了模样，冷却凝固后即可获得铸件的方法。 实型铸造工艺过程 造型方法 普通铸造造型干砂造型磁型造型干砂负压造型见图4-10（5） 离心铸造 将金属液浇注入离心铸造机的旋转铸型中，使之在离心力的作用下充填型腔并凝固成型的方法。 离心铸造工艺见图4-13铸型铸型转速浇注工艺 离心铸造的特点铸件致密度高，气孔夹渣等缺陷少，机械性能好。生产中空铸件时，可不用砂芯和浇冒系统，金属利用率达94以上。便于制造筒套管辊类双金属层或