材料工程基础课件：Chapter 3 Melting and Casting of Metals 液态金属成形

1、Chapter 3 Melting and Casting of Metals 液态金属成形主要内容钢锭模成形和连铸工艺铸造技术(砂型铸造和特种铸造)单晶生长技术快速凝固技术Top-pouring Bottom-pouring Ingots1.1 钢锭模1. 顶铸 设备简单，无废料，但喷溅（表面质量不好），涡流（卷气、熔渣不易排除）2. 底铸 浇冒口，特别适合铝合金，形成表面保护膜，这种方法尤为重要Production of steel ingots （排除熔渣、终脱氧）The advantage of “hot top保温冒口”1.2 连铸工艺连铸 首先在Al、Cu等有色金属（non-fer

2、rous metal）中，现在被大量应用在钢铁（ferrous）工业中，7090钢水被连铸，钢厂现代化程度的标志。连铸过程介绍 垂直连铸 水平连铸Continues casting优点：1）不需要先铸锭，再加热、开坯、成形； 2）生产力高，不需要去冒口，节省人力； 3）连铸、连轧工艺，实现自动化。缺点：投资大2 铸造技术（制备零件 ）金属的充型能力 铸件的收缩 铸件中的缺陷 砂型铸造 特种铸造 2.1 金属的充型能力液态金属充填铸型型腔，获得完整形状、轮廓清晰铸件的能力，影响因素：（1）金属的流动性 相图有关（材料本身的性质），凝固方式（逐层凝固、糊状）（2）浇注条件 浇注温度越高，粘度小，流

3、动性好，充型压力.特殊条件（如薄壁件）采用压力铸造。 2.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固方式逐层凝固，糊状凝固，中间凝固影响因素：相图中两相区温度间隔、液相温度梯度2.铸件的收缩液态收缩，凝固收缩，固态收缩 2.3 铸件中的缺陷（1）缩孔和缩松；形成机制，对性能的影响，冒口、铸造工艺、控制凝固方式等（2）压力和裂纹，变形；形成机理，对性能的影响，零件设计、铸造工艺、热处理。（3）偏析和气孔；形成机理（用相图解释，树枝晶生长）对性能的影响 ，热处理、排气2.4 砂型铸造 意义，应用设备 工艺 合金 2.4.1 设备（1）熔炼设备 冲天炉 感应炉 电弧炉（2）造型设备（3）落砂、清理 设备Shaf

4、t furnace（铸铁用冲天炉）Induction furnace Arc-furnace（炼钢） 2.4.2 工艺(1)型砂，测量 石英砂、膨润土、粘土、水玻璃、水 A.强度 B.透气性 C.退让性 凝固顺序（快冷）(2)造型工艺 A.分型面 B.模具设计 C.浇注系统设计（浇冒口） D.造型（讲解图） E.凝固顺序（快冷） 凝固顺序（快冷）2.4.3 合金 （1）熔炼，去渣、出铁水、成分控制铸铁（冲天炉），炼钢（电弧炉），有色金属（电炉），成分精密控制（电炉）（2）合金化，1Cr18Ni9Ti, 30CrNiMo, Si铁 等等（3）孕育处理增加核心 （增加异质核心） 变质处理控制长大

5、（控制晶粒长大） 球化处理改变形态 （控制生长各向异性）2.4.4 生产过程 选择一个合适零件，举例说明砂型铸造各阶段的全过程 材料45或球墨铸铁造型采用砂型铸造1 技术准备（1）浇注位置和分型面的选择（2）确定主要工艺参数 (收缩量、加工余量、拔模斜度)（3）浇注系统设计（确保液态金属能够平稳而合理地充满型腔）（4）补缩系统设计（消除因液态金属收缩和凝固收缩而产生地缩孔和缩松，采用冒口和冷铁工艺）2. 生产准备（1）模样和芯盒的设计 模样决定了铸型型腔即铸件外部的形状和尺寸，型芯决定零件内部形状（2）型（芯）沙的制备3. 基本工艺过程（1）造型和制芯（2）合箱（3）熔炼合金 45（感应炉，电

6、炉）球铁（冲天炉，感应炉）45：废料，新钢，荧石，氧化还原反应，控制C 、Si、Mn、P、S、O出钢水球铁：废铁，生铁，荧石，（焦炭），C、Si、Mn、P、S、O，合金化，球化处理 （4）浇注（5） 落沙和清理 2.5 特种铸造 金属型铸造 熔模铸造 压力铸造离心铸造技术 2.5.1 金属型铸造金属型铸造是指利用金属铸型，在重力条件下将熔融金属浇入铸型中制造铸件的一种铸造方法。金属型可以重复使用数百次甚至数万次。优点：（1）金属型可以连续重复使用，生产率高，劳动条件好；（2）铸件质量稳定，尺寸精度高、表面粗糙度低；（3）金属型散热能力强，铸件晶粒细化、组织致密，力学性能明显提高。局限性：（1）

7、金属型成本高；（2）无透气性和退让性，铸件易浇不足和开裂；（3）受铸型限制，铸件熔点不易太高。应用： 适用大批量有色金属铸件生产2.5.2 熔模精密铸造 熔模铸造是指利用易熔材料（例如腊）制成模型，并在模型表面粘结一定厚度的耐火材料，然后将模型熔失，金属液充满型腔的一种铸造方法。 熔模铸造工艺过程 金属模蜡模，表面涂挂粘结耐火材料（砂型）， 90下脱蜡， 900炉中焙烧，浇注成型，清理。特点（1）无分型面，表面精度高，尺寸精度高； （2）可铸造出形状复杂的铸件； （3）铸型为耐火材料，不受铸造合金种类限制。局限性：工艺复杂，成本高，铸件不易过大。应用：特别适合复杂形状、高熔点、难加工的零件，如

8、：飞机叶片（高温合金），刀具，以及中小型精密零件。 1. Wax Injection2. Assembly3. Shell Building4. Dewax5. Conventional Casting6.Knockout7. Cut Off8.Finished Castings2.5.3 压力铸造压力铸造是指将液态或半液态合金浇入压铸机的压室内，使之在高压和高速下充填型腔，并在高压下成形和结晶而获得铸件的方法。特点：在压力下成型，提高流动性和致密性， 组织细化，生产率高、自动化程度高。缺点：一次性投资大应用：适合批量生产 ，可生产薄壁件（如汽车轮毂）2.5.4 离心铸造技术 将液态金属浇入高

9、速旋转的铸型中，使金属在离心力作用下填充铸型并凝固成形的铸造方法称为离心铸造特点：圆筒型铸件 A.减少了缩孔、缩松、夹杂物、气孔 B.无浇冒口系统和型芯 C.尺寸精确，薄壁件 D.生产双金属零件（轴承）3 单晶生长技术1. 介绍及应用2. 原理及控制参数 3. 单晶生长方法4. NiMnGa合金的单晶生长 3.1 介绍及应用上述材料成型获得的晶粒均为多晶（几十m）原先单晶材料是天然宝石，近来发展的人工红宝石，诞生出第一台固体激光器；单晶硅的出现引发了电子技术的一场革命；单晶叶片显著提高叶片使用温度等等。功能材料各向异性；结构材料（叶片）受力特点决定其优异的高温特性。3.2 原理及控制参数通过控

10、制热流实现单方向凝固，利用籽晶或晶粒竞争生长，得到单个晶粒优先生长，获得单晶。控制参数：温度梯度、晶体生长速度 3.3 单晶生长方法a.提拉法b.下降法c.区熔法提拉法下降法区熔法3.4 NiMnGa磁驱动记忆合金的单晶生长 Solidliquid interface of the directionally solidified Ni50Mn25Ga25 alloy under GL=500 K/cm and V = 10 mm/h with different zone-melting length: (a) l = 6 mm; (b) l = 11mm; (c) l = 19mmhhSo

11、lid/Liquid interface morphology of sample A36(a) and sample A18(b)，GL1200K/cm，V=10mm/h hSolid/Liquid interface morphology of single crystal B1，GL1500K/cm，V=10mm/h 4 快速凝固通常凝固的冷却速度一般小于102/s。冷却速度大于105/s时一般称为快速凝固快速凝固用来制备非晶，纳米晶，准晶和亚稳相等新材料特点：过溶度大，如耐腐蚀材料 无偏析，或少偏析（无溶质分配的凝固） 平衡相被抑制，会出现新相，亚稳定相 优异的功能特性快速凝固技术包括

12、： 1） 急冷凝固技术 2） 深过冷快速凝固技术单辊急冷技术雾化制粉(纳米)技术深过冷快速凝固技术 深过冷快速凝固技术，是在熔体中消除非均匀形核的异质核心(多次循环加热)以及容器壁（采用磁悬浮技术）的影响，形成均匀形核，因此增大过冷度，过冷度达到0.30.4Tm （普通凝固过冷度为0.02Tm左右） 过冷度越大，生长速度越大。实现快速凝固。深过冷快速定向凝固与传统定向凝固过程的比较3.2. Casting defects The most common defects associated with castings are porosity and shrinkage. Porosity i

13、s caused by evolution of gases from the metal, or air trapped in the metal, during pouring operations. Shrinkage as its name suggested, occurs due to contraction of metal during freezing. The solubility of gases in liquid metals is very much higher than it is in the solid form. Thus, the concentrati

14、on of gas in the liquid immediately prior to casting is high and should be adequately removed by suitable starts to freeze resulting in gross porosity in the finished casting. Porosity can also occur by reactions between molten metal and mould interfaces, particularly in sand moulds should the moist

15、ure content be high. Similar results can be found if the moulds is not sufficiently permeable to allow the escape of displaced air. Shrinkage cavities result from an insufficient supply of molten metal to counteract contraction in volume due to solidification. The problem can be largely overcome in

16、pressure die castings, since pressure is retained during solidification, thus forcing extra molten metal into the die cavity. In refractory mould process, sufficient reservoirs of molten metal should be available in the form of runners and risers. It is common practice to utilize exothermic or hot t

17、ops on runners and risers to ensure that these are the last to freeze and, consequently, provide a supply of available metal. Deformations and cracks are due to the inability of materials to withstand stresses set up in the mould due to solidification and cooling. Some alloys are more prone to cracking than others since they are hot short i.e. brittle at high temperatures. The problem can only be overcome by al