第一章 固化成形

第二篇材料的成形固化成形塑性成形烧结成形连接成形

课程安排1、固化成形（8学时）2、塑性成形（14学时）3、烧结成形（3学时）4、连接成形（3学时）参考教材材料成形工艺学

齐克敏

丁桦

冶金工业出版社

2006.1材料加工工艺

黄天佑

清华大学出版社

2004.9塑料成型工艺学

成都科技大学

中国轻工业出版社1995.10玻璃工艺学

黄金龙

中国轻工业出版社1994.5热加工工艺基础

（铸、锻、焊）77/R25

任福东

机械工业出版社

1997.10材料工艺学

（陶瓷、高聚物、复合材料）

71.22/L34

李树尘

化学工业出版社

2000.9制作如下工件的四种方式固化成形塑性成形烧结成形连接成形第一章

固化成形

第一节

铸

造1.1概述

铸造是指熔炼金属,制造铸型,并将熔融金属浇入铸型,凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法。铸造过程就是将熔融金属或合金浇注到具有与零件或毛坯形状相近的铸型空腔内，并在重力场或所加外力场（压力或离心力等）的作用下充满型腔，待其冷却凝固后，便得所要求的零件或毛坯。按铸造方法可分为：砂型铸造：最基本的铸造方法特种铸造：熔模、金属型、压力、离心、连续铸造铸造的特点：优点：制造形状复杂的零件；适应性广、能熔即能铸、尺寸不受限；生产成本低；节约材料或切削加工的工时。缺点：铸造组织易出缺陷；铸件的机械性能低于锻件；有害气体与物质损害人体；劳动强大。

1.2铸件形成基础

1.2.1合金的铸造性能

合金在铸造过程中所表现出来的工艺性能。包括：流动性、收缩性、裂纹敏感性、气孔倾向性、偏析性。

1.2.1.1流动性

熔融合金的流动能力，是影响金属液体充型能力的主要因素之一（影响充型能力的因素还有浇注条件和铸型填充条件等）。流动性好，充型能力强，有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体上浮，能充分发挥冒口系统的补缩功能，有利于金属在凝固过程中的补缩。

流动性的测定液态金属在锭模中的凝固及铸锭三晶带的形成Al-Cu-Mg合金扁铸锭★影响合金流动性的因素

⑴合金成分共晶含量越多的合金其流动性越好，合金固液双相区越宽，其流动性越差。

⑵浇注温度浇注温度高，流动性越好。但浇注温度高，金属的总收缩增加，易产生缩孔、缩松、吸气氧化。生产中常采用“高温出炉，低温浇注”的原则。

⑶铸型条件铸型吸热能力强流动性差，铸型温度高流动性好，铸型中气体多排气困难阻碍流动；

型腔过窄、尺寸急剧变化、结构复杂、有较大水平面时，填充铸型有困难。

1.2.1.2收缩性

熔融的合金在铸型里凝固和冷却过程中，其体积和线尺寸缩小的能力称收缩性。影响铸件的缩松、缩孔、变形、开裂。合金在铸型中的收缩可分三个阶段：液态、凝固、固态收缩。

⑴液态收缩合金从浇注温度冷却到液相线温度过程中的收缩，引起型腔内液面降低。液态收缩量与合金液的过热度成正比。浇注温度一般控制在液相线以上50～150℃

⑵凝固收缩合金从液相线温度冷却至固相线温度之间的收缩。凝固温度（结晶）范围大，凝固收缩率大。凝固收缩是铸件产生缩孔的基本原因。如果合金的结晶温度范围宽，结晶过程中树枝晶较为发达，则凝固收缩也是铸件产生缩松的主要原因。

⑶固态收缩合金从固相线温度冷却至室温时的收缩。直接表现为铸件外形尺寸的变小，不仅影响铸件的形状和尺寸精度，而且是铸件产生铸造应力.热裂.冷裂和变形等缺陷的基本原因。★影响收缩的主要因素化学成分：浇注温度一定，液相线温度越低，液态收缩越大。凝固温度范围大，凝固收缩率大。凝固过程有大比容相产生时抵消部分收缩。浇注温度：浇注温度高，液态收缩量增加。铸型条件和铸件结构：铸件在铸型中是受阻收缩，因此铸件的实际线收缩率比其自由线收缩要小。

★缩孔和缩松的形成与防止

缩孔的形成：若液态收缩和凝固收缩所减少的体积得不到液体的补充，则在铸件最后凝固的部位形成孔洞。按其大小和分布分可为缩孔或缩松。

缩孔的防止

a.采用顺序凝固：薄壁→厚壁→冒口

冒口是铸型中贮存补缩合金液的空腔，是铸件多余部分。冒口设在上部，最后凝固的地方。厚壁处尽可能靠近冒口，才能实现顺序凝固。

ｂ.合理应用冒口、冷铁、和补贴

冒口：补缩有效防止铸件产生缩孔。冷铁：用以加大铸件局部冷却速度，以调节顺序凝固。补贴：使铸件的断面向冒口方向逐渐增厚的多余金属。（有金属补贴或发热补贴）1.2.1.3铸造应力、铸件变形和裂纹⑴铸造应力

热应力：由铸件各部位温度不同而引起不均衡收缩而产生，

使冷却较慢的厚壁处或心部受拉伸，使冷却较快的薄壁处或表面受压缩。

收缩应力：固态收缩时，受外力阻碍产生的应力，为拉应力或切应力，暂时的，去掉外力阻碍可消除。

相变应力：由于铸件发生固态相变，各部分体积产生不均衡变化而引起的应力。铸件残余应力的形成

⑵

铸件变形和裂纹变形：由残留铸造应力而引起的。防止：降低铸造应力，采取工艺措施：反变形法、收缩筋、拉筋，机械校正裂纹：铸造应力超过合金抗拉强度时，铸件产生裂纹。可分为热裂和冷裂。

热裂：在凝固末期高温下形成的裂纹。特征是表面呈氧化色，沿晶界发生和扩展，外形曲折而不规则。

冷裂：在低温铸件处于弹性状态形成的裂纹。特征是裂纹表面光滑，具有金属光泽或呈轻微的氧化色，裂纹穿过晶粒，外形规则。1.2.1.4铸件中的气孔及合金的偏析⑴铸件中的气孔气孔减少铸件的有效承载面积，气孔附近引起应力集中，气孔降低铸件的气密性。侵入气孔：砂型或芯子中的挥发物受热挥发生成的气体以及型腔中原有的空气侵入熔融合金所形成的气孔。析出气孔：溶解于熔融合金中的气体，在冷却过程中析出形成的气孔。反应气孔：熔融合金与铸型材料、冷铁或熔渣之间发生化学反应生成的气体，在铸件中形成的气孔。⑵合金偏析

晶内偏析：由选分结晶造成，采用扩散退火消除。比重偏析:：加快冷却速度，失重铸造。

区域偏析：加大冒口，使最后凝固集中到冒口中去。低倍组织

铸锭三晶带：激冷细晶层、柱状晶、中心粗大等轴晶铸锭的穿晶组织高倍组织（金相组织）

7B04合金铸锭表面至中心二分之一处的铸态金相组织，未腐刻，×80铸态400X未腐刻铸态金相组织中主要有两类结晶相，其颜色分别为深灰色和浅灰色，呈枝晶网。

铸态1000X腐刻

1、2、2铸件的凝固方式

1、2、2、1铸件的凝固方式

逐层凝固中间凝固糊状凝固

（1）逐层凝固

恒温结晶的共晶合金（或纯金属）的凝固区域宽度几乎等于零，铸件断面上外层的固体与内层的液体由一条清晰的界限（凝固前沿）分开。其凝固过程表现为固相区逐层地由表向里向液相区增厚，逐渐达到铸件中心。这种凝固方式称逐层凝固。（2）糊状凝固

如果合金的结晶温度范围很宽，而且铸件断面上温度分布梯度较为平坦，在凝固的某段时间内铸件表层还没有形成明显的固相区，而液、固并存的凝固区已贯穿整个断面，铸件的凝固先呈糊状而后固化，故称为糊状凝固。（也称体积凝固方式）（3）中间凝固

大多数合金的凝固是介于逐层凝固和糊状凝固之间的，称为中间凝固方式。

●逐层凝固的合金，铸造时合金的流动性较好，充型能力强，缩孔、缩松比较集中，便于防止，其铸造性能较好。

●糊状凝固的合金流动性较差，易产生浇不到、冷隔等缺陷，而且易于产生缩松，难以获得结晶紧实的铸件。

1、2、2、2影响铸件凝固方式的因素（1）合金的结晶温度范围由相图理论可知，合金的结晶温度范围仅与合金的化学成分有关。合金结晶温度范围越小，凝固区域越窄，合金倾向于逐层凝固。（2）铸件的温度梯度在合金成分已定的情况下，合金的结晶温度范围已经确定，铸件凝固区的宽窄主要取决于内外层间的温度梯度。若铸件的温度梯度较小，则对应的凝固区较宽，合金倾向于糊状凝固。

影响铸件温度梯度的因素（1）合金的性质合金的结晶温度低，导热系数高，结晶潜热大，铸件内部温度均匀，温度梯度小。（2）铸型条件铸型材料蓄热能力弱，铸型预热温度高，对合金的冷却作用减弱，铸件温度梯度小。（3）浇注温度与铸件厚度合金浇注温度高，铸件壁厚大，合金带入铸型中的热量多，凝固时冷却速度变慢，铸件温度梯度小。锡青铜结晶间隔大、枝晶长大、分散疏松铝青铜结晶间隔小、致密、集中缩孔

1、3砂型铸造1、3、1砂型铸造工艺过程

1、3、2造型材料用来造型、制芯的各种原砂、粘结剂和附加物等原料以及由各种原材料配成的型砂、芯砂、涂料等统称为造型材料。砂型铸造的分类⑴型（芯）砂应具备的性能①强度：与捣砂的松紧、粘结剂含量、砂粒大小形状和均匀性、水分、混合的均匀程度有关。（湿或干强度）②透气度：透气性好有利于浇铸过程水分蒸发、有机物燃烧和分解挥发产生的气体排除型外。③可缩性（成形性）：在外力作用下，容易获得清晰的模样轮廓，外力去除后仍能保持其形状的性能。④耐火度：抵抗高温金属液的作用，不熔化、不软化的性能。（不粘结金属）。⑤

退让性：具有随着铸件的冷却收缩其体积被压缩的性能。⑥

耐用性：反复使用能保持原来性能不变的能力。⑦

流动性：在外力或自重力作用下砂粒间互相移动的能力。另外要求型砂：发气少、吸湿小、出砂好（溃散性好）⑵原材料

①原砂：以硅砂为主（石英质砂、酸性）硅砂分天然和人造两种。人造硅砂是把石英岩经过破碎筛分而成，比天然石英砂纯、SiO2含量较高，耐火性能好。但价格贵，一般用于大型铸钢件。②粘结剂：

无机类粘土：被水润湿后，具有粘结剂和可塑性。烘干后硬结。加水还可回恢复粘结性，耐火性高。粘土是岩石经风化后的产物，主要成分是含水硅酸铝。mAl2O3.nSiO.xH2O

水玻璃：硅酸钠水溶液，能与CO2起反应，水玻璃砂通入CO2气体，几分钟即可硬化。

有机类油类、合成树脂

1、3、3浇注系统及种类通常由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇口组成。⑴浇注系统①浇口杯：作用是方便浇注，缓和金属液对铸型的冲击，挡住部分熔渣夹杂进入直浇道。分漏斗形和池形两种。②直浇道：调节金属液流入型腔的速度和对型腔的压力。③横浇道：将金属液分流到各个内浇口，起档渣作用。④内浇口：控制金属液充型的速度和方向冷却速度和方式。⑵浇注系统种类

①顶注式：金属液体充型速度快，减少浇口附近过热，金属液体落差大，易冲坏铸型，产生飞溅等，适用于高度小、形状简单、不易氧化的铸件。

②底注式：金属液体平稳充型、冲刷小、有利于排渣除气，造型工艺复杂、不易补缩、内浇口易过热，对于高而薄的铸件易产生浇不足等缺陷。③中注式：金属能顺利地引入型腔，在分型面上很方便地开设内浇口及横浇道，应用普遍。

中注式的例子

④多层式：多用于高大而复杂的铸件。

其它浇注系统

⑶设置内浇口的原则

①位置顺着型腔开设，避免对着型芯或型壁突出部分。②为保证同时凝固，内浇口应开设在铸件的薄壁处，对局部厚的地方可加内、外冷铁调整。③内浇口不宜设在铸件重要部位。④内浇口布置要力求紧凑，不能紧靠直浇道和横浇道的末端。⑤内浇口与铸件接触的横截面厚度一般应小于铸件壁厚。⑥内浇口均匀分布，各组成部分比例要合理，使金属液体平稳地充满型腔。1、4特种铸造1、4、1熔模铸造用易熔材料如蜡料制成模样，在模样上包覆若干层耐火涂料制成型壳、熔出模样后经高温焙烧即可浇注的铸造方法称熔模铸造。也称“失蜡铸造”，是一种精密铸造方法。工艺过程：压型→熔模→型壳→脱蜡→焙烧→浇注熔模铸造的特点及应用：铸造熔点高、难切削加工的各种合金铸件。可生产形状复杂的薄壁铸件。批量不限，可机械化流水作业。没有分型面，型腔内表面光洁、耐火度高，铸件尺寸精度高、表面质量好。但是，工艺复杂、工序多、周期长、生产成本高。熔模易变形、型壳强度不高、适于铸造小型零件。熔模铸造用来生产形状复杂、熔点高、难以切削加工的小型零件。如汽轮机叶片、成形刀具和汽车、拖拉机、机床上的小型零件。

1、4、2压力铸造熔融金属在高压下高速充型、并在压力下凝固的铸造方法称压力铸造，简称压铸。压铸所用压力为5～150MPa，充型速度约0.5～50m/s，充型时间为0.001～0.2s。压铸机主要由压射机构和合型机构所组成。压铸工艺：合型→浇注→压射充填→保压→抽芯开型→→顶出铸件→清理模具→喷刷涂料

压铸的特点及应用：生产率高，操作简便，易实现自动化。由于高压高速充型，能铸出结构复杂、轮廓清晰的薄壁、深腔、精密的铸件。尺寸精度高、表面质量好，可实现无切削加工。铸件冷却快，组织细，表层紧实，

σb比砂型铸造提高20～40％。但压铸设备和铸型费用高，适于大批量生产。由于充型速度高、压力大，气体难以排出，铸件皮下有气孔，不能进行大量切削加工（防止气孔外露），也不能热处理（防止表面起泡）。多用于生产有色金属的精密铸件。如发动机的汽缸盖、化油器等。

1、4、3金属型铸造靠重力将熔融金属浇入金属铸型获得铸件的铸造方法，也称永久型铸造。

金属型铸造工艺应注意：

①金属型应保持合理的工作温度减缓铸型的冷却能力，提高熔融金属的充型能力。减少铸型的热疲劳，延长其使用寿命。②喷刷涂料保护型腔，利用涂层的薄厚调整铸件各部分的冷却速度，还可利用涂料吸收和排除金属液中的气体。③控制开型时间金属型无退让性，铸件应尽早从铸型中取出，过早取出，铸件强度低易变形。④提高浇注温度，防止铸铁件产生“白口”金属型铸造的特点和应用：★一型多铸、节约造型材料、生产率高、易实现自动化生产。★尺寸精度高、表面质量好，切削余量小。★铸件组织细密、力学性能好。★铸件质量稳定，废品率低。但金属型制造成本高，铸造工艺要求严格，不宜铸造形状复杂和大型薄壁件。主要用于大批量生产的形状简单的有色金属或灰铁铸件。如活塞、汽缸等。

1、4、4低压铸造

铸型一般安置在密封的坩埚上方，坩埚中通入压缩空气，在熔融金属表面上造成低压力（0.6～1.5bar），使金属液由升液管上升填充铸型和控制凝固的铸造方法称低压铸造。低压铸造的特点及应用：★压力和速度可控，充型平稳，气体易排除。★充型能力强，可铸轮廓清晰、表面质量高、壁较薄的铸件。★压力下结晶，浇口可补缩，铸件组织致密，力学性能好。特别有利于防止铝合金针孔缺陷和提高铸件气密性。★省去冒口，简化浇注系统的结构，金属利用率提高到95％以上。★设备简单，便于机械化。用来生产质量要求较高的铝、铜、镁合金铸件。如发动机缸体、叶轮、螺旋桨等。

1、4、5离心铸造离心铸造是将熔融金属浇入旋转的铸型，在离心力作用下，凝固形成的铸件轴线与旋转铸型轴线重合的铸造方法。离心铸造的特点及应用：★不用芯子即可生产筒、套类铸件。工艺简化生产率高、成本低。★在离心力作用下，金属从外向内凝固，铸件组织致密无缩孔、缩松、气孔等缺陷。★无需浇口冒口、金属利用率高。★便于生产双金属铸件。★充型能力强，可浇注流动性较差的合金和薄壁铸件主要用于生产管、套、辊类铸件

1、4、6连续铸造简化生产工艺、提高成材率、节能、降成本、改善劳动条件、改善枝晶偏析、质量稳定。第二节玻璃的成形2、1玻璃成形过程玻璃的成形，是指熔融的玻璃液转变为具有固定几何形状制品的过程。由于冷却和硬化，玻璃首先由粘性液态转变为可塑态，然后再转变为脆性固体态。玻璃的成形可分两个阶段成形和定型第一阶段：是使材料具有制品所需要的形状。通常采用的成形方法有：吹制、拉制和压制等。第二阶段：是把制品的形状固定下来，采用冷却使之硬化。

玻璃具有透明、质硬、耐蚀、耐热、耐磨及电学和光学等可贵性能。玻璃制品的工艺流程：原料→熔制→成形→热处理→制品加工2、2玻璃的成形性玻璃的成形性包括流变性和热学性质

流变性：粘度、表面张力、弹性。

热学性质：比热、导热、热膨胀系数。（1）粘度在成形过程中，玻璃的粘度起着十分重要的作用。玻璃的粘度不仅取决于温度，还与玻璃的化学组成有关。在1100℃以上，随温度下降粘度增加较慢。在1000～900℃之间，粘度开始快速增长。粘度也称粘滞系数：设相邻两平行液层，接触面积S，其中一层以单位速度移动时，由于液体间内摩擦的作用，另一层将以速度梯度dV/dx跟随移动，这时两液层间的内摩擦力F（或流层间切向力）为：

F＝ηS

dV/dxη为粘滞系数，

dV/dx为垂直液流方向液层间速度梯度。

为流层间切向应力F/S与切应变的变化率dV/dx之比。

η的国际单位为帕斯卡.秒（Pa.s），（或牛顿.秒/米2）

0℃时空气和水的粘滞系数分别为：

1.773×10-5和1.808×10－3粘度在1015以上为弹性固体，粘度在106～1014之间为粘弹性材料，粘度在106以下为粘滞性液体，实际上粘度在106～105就有弹性。粘度梯度大的为短性玻璃，反之为长性玻璃。玻璃熔制对应的粘度为100.7～10Pa.s,

相当于1450℃～1560℃。玻璃成形开始对应的粘度为101.5～103Pa.s,

玻璃成形终了对应的粘度为105～107Pa.s,

玻璃粘度在108～10Pa.s时,对应于软化温度，玻璃的退火：玻璃中的应力一般是通过粘滞流动和弹性松弛来消除的，对应的粘度在1011.5～1013

Pa.s,

其温度范围是550℃～600℃。（2）表面张力硅酸盐玻璃的表面张力一般为：

（220～380）×10－3N/m

比水的表面张力大3～4倍，与熔融金属值相近。

表面张力使自由的玻璃液滴成为球形。拉制玻璃管、玻璃丝、玻璃棒时，由于表面张力的作用才能获得正确的圆形。玻璃制品的烘口、火抛光也是借助表面张力。但是在制造压花玻璃及用模具压制的玻璃制品，其表面图案往往因表面张力作用使尖锐的棱角变圆。（3）弹性

在成形的低温阶段，弹性与缺陷的产生直接相关。快速冷却的淬火玻璃基本冻结了高温状态的疏松结构，因此比相同成分的退火玻璃具有较小的弹性模量，一般低2～7％。

（例如块状玻璃的弹性模量E＝803.6×108Pa，而同成分的玻璃纤维的E＝774.2×108Pa）玻璃微晶化后，弹性模量是增高的。

玻璃由液体变为弹性材料的范围，称为粘－弹性范围。玻璃在有弹性情况下成形，其制品就会产生永久应力。（4）热学性质主要包括：比热容、导热率、热膨胀系数，影响玻璃的冷却和硬化速度以及应力的产生和尺寸的公差。

成形制度：

成形制度与玻璃制品的成形方法、玻璃液性质有关，确定制品的成形制度必须知道成形持续时间、玻璃的粘度和冷却介质的温度。玻璃的固化速度（粘度－时间曲线）是确定成形制度的主要依据。2、3玻璃的成形方法2、3、1人工成形：

（1）

吹制：

吹管：采用铁管或不锈钢管

衬碳模：以干性油为粘合剂（亚麻油、桐油）先涂在铸铁模内表面，再撒一层软木粉或细焦炭粉，加热使内表面留下一层牢固的附着层。

工艺过程：挑料→吹小泡→吹制→加工（或修饰）

（2）拉制：操作程序与吹制相似，生产管、棒挑料→滚料→作料泡→拉制

（3）压制：生产厚壁、广口空心制品

（4）自由成形：制作艺术品人工压制：

常用于制造厚壁、广口空心制品，但制品的空腔不能太深，形状比较简单。

2、3、2自动成形：（1）自动成形的供料：

有三种自动供料的方法

液流供料：利用玻璃本身的流动性来实现连续供料主要用于平板玻璃的生产。

真空吸料：在真空作用下将玻璃液吸出，间断式。

滴料供料：由供料机将由炉池中流出的玻璃液制成一定重量和形状的料滴，并按一定时间间隔将料滴送入成形机的模型中。（2）吹制法成形：

压－吹法：先在初形模中压制口部和初形，再转入成形模中吹制成制品。吹－吹法：

（3）拉制法成形：

玻璃管的拉制：通常有水平和垂直拉制两大类丹纳法和维罗法属于水平拉制垂直拉制分为有槽引上和无槽引上两种

水平拉制：

垂直拉制平板玻璃的拉制