液態(tài)金屬成形概論

2023/2/31液態(tài)金屬成形原理與工藝邱豐材料學(xué)院Email:qiufeng@2023/2/32一、液態(tài)金屬成形的概念及科學(xué)問題

液態(tài)金屬成形的概念：將金屬加熱到液態(tài)，使其具有流動性，然后澆入到具有一定形狀的型腔的鑄型中，液態(tài)金屬在重力場或外力場（壓力、離心力）的作用下充滿型腔，冷卻并凝固成具有型腔形狀的鑄件。液態(tài)金屬成形的優(yōu)點：1、可以制作形狀復(fù)雜，特別是具有內(nèi)腔的零件毛坯。如：箱體、汽缸體等2、鑄造的適應(yīng)性廣泛：工業(yè)中常用的金屬材料都可以用于鑄造，鑄件的重量可以多至幾百噸少至幾克，鑄件的尺寸大可幾米，小可幾毫米。3、鑄造生產(chǎn)成本低：鑄造所用原材料大多來源廣泛，價格低廉，并可以直接利用報廢的零件。4、減少零件的加工費用：鑄件的形狀和尺寸可以作得與實際零件非常接近。第一節(jié)：液態(tài)金屬成形概論

2023/2/33中國古代鑄造產(chǎn)品:(a)四羊方尊與(b)司母戊鼎(a)(b)2023/2/34武漢重型制造的銅鐘永樂大鐘2023/2/35發(fā)動機缸體發(fā)動機2023/2/36精密鑄造成型的復(fù)雜鑄件2023/2/37大型復(fù)雜鑄件2023/2/39材料設(shè)計合金成分熔化液態(tài)金屬成形方法確定造型設(shè)備制芯設(shè)備造型制芯型砂配制芯砂配制下芯、合箱澆注充型凝固、冷卻落砂、清理鑄件液態(tài)金屬成形生產(chǎn)過程

2023/2/3102023/2/3112023/2/31530噸工頻爐沖天爐工頻爐氣壓保溫澆包2023/2/316羅蘭門第制芯中心采用德國KW公司技術(shù)的新二線主機，發(fā)動機缸體造型生產(chǎn)線。2023/2/317二、液態(tài)金屬在鑄型中的流動

1、

液態(tài)金屬充型能力的基本概念液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力，叫做液態(tài)金屬充填鑄型的能力，簡稱液態(tài)金屬的充型能力。液態(tài)金屬充填鑄型一般是在純液態(tài)下充滿型腔的，也有邊充型邊結(jié)晶的情況，在充型過程中當液態(tài)金屬中形成晶粒堵塞充型通道時，流動則停止，造成鑄件“澆不足”缺陷。液態(tài)金屬的充型能力（實驗-螺旋形試樣）：充型能力、平均流速、流動時間影響金屬與鑄型之間的熱交換條件，改變金屬液的流動時間；影響金屬液在鑄型中的水力學(xué)條件、改變金屬液的流速。2023/2/3182、

影響充型能力的其他因素

1)

金屬性質(zhì)方面的因素金屬的比熱、密度、導(dǎo)熱率、表面張力和合金粘度等。

2)鑄型性質(zhì)方面的因素

鑄型的儲熱系數(shù)、鑄型溫度、鑄型中的氣體。

3)澆注條件方面的因素

澆注溫度、充型壓頭（壓力頭）、澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

4)鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素

模數(shù)（或稱換算厚度）、鑄件的復(fù)雜程度。1.液態(tài)金屬成形的概念是什么？液態(tài)金屬成形具有哪些優(yōu)點？思考題12.液態(tài)金屬成形生產(chǎn)過程。2023/2/320合金從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的狀態(tài)變化，稱為一次結(jié)晶或凝固。一次結(jié)晶從物理化學(xué)的觀點研究液態(tài)金屬的生核、成長、結(jié)晶組織的形成規(guī)律凝固從傳熱學(xué)角度研究鑄件與鑄型的傳熱過程，鑄件斷面上凝固區(qū)域的大小、凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系，以及鑄件的凝固時間等。三液態(tài)金屬的凝固凝固定義：2023/2/3212023/2/3221、液態(tài)金屬凝固方式及與鑄件質(zhì)量的關(guān)系

凝固區(qū)域固相區(qū)、凝固區(qū)、液相區(qū)

凝固方式逐層凝固方式

體積凝固（糊狀凝固方式）

中間凝固方式

2023/2/323如果合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，且鑄件的溫度分布較為平坦，則在凝固的某段時間內(nèi)，鑄件表面并不存在固體層，而液、固并存的凝固區(qū)貫穿整個斷面。由于這種凝固方式與水泥類似，即先呈糊狀而后固化，故稱為糊狀凝固。球墨鑄鐵、高碳鋼、錫青銅和某些黃銅等都是糊狀凝固的合金。中間凝固方式大多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間,稱為中間凝固方式。中碳鋼、高錳鋼、白口鑄鐵等具有中間凝固方式2023/2/32425對鑄件質(zhì)量的影響金屬液的補縮：縮孔、縮松、熱裂影響凝固方式的因素合金結(jié)晶溫度范圍溫度梯度金屬凝固過程中的收縮是影響鑄件質(zhì)量的如：縮孔、縮松、熱裂、應(yīng)力、變形和裂紋等的基本原因。2023/2/326熱裂:在高溫下形成的裂紋。其形狀特征是:縫隙寬、形狀曲折、縫內(nèi)呈氧化色。形成熱裂的影響因素:合金性質(zhì),鑄型阻力。冷裂:在較低溫度下形成的裂紋。其形狀特征是:裂紋細小、呈連續(xù)直線狀,有時縫內(nèi)呈輕微氧化色2023/2/3272、液態(tài)金屬的結(jié)晶過程

鑄件鑄態(tài)組織的形成過程可分為兩個階段：液-固轉(zhuǎn)變：即液態(tài)金屬的結(jié)晶，常稱為一次結(jié)晶，主要指凝固過程的相變；固態(tài)轉(zhuǎn)變：即金屬凝固后，隨著鑄件的繼續(xù)冷卻，在固相內(nèi)部產(chǎn)生的相變，有時也稱為二次結(jié)晶。

液態(tài)金屬結(jié)晶對鑄件質(zhì)量的影響：

決定鑄件的晶粒組織，如晶粒的形狀和尺寸，晶粒內(nèi)和晶粒間的成分不均勻性以及非金屬夾雜物的分布形態(tài)等；

液態(tài)結(jié)晶的組織對隨后冷卻過程中的相變，非金屬夾雜物的析出及鑄件的熱處理過程等有極大的影響；

液態(tài)結(jié)晶時晶體的生長過程和生長方式影響著凝固過程中的其他現(xiàn)象：成分的偏析、液態(tài)金屬的補縮及裂紋的形成等。

2023/2/328液態(tài)金屬的結(jié)晶過程：生核：在液體中先形成一些很小而穩(wěn)定的固體質(zhì)點，稱為“晶核”；

自發(fā)生核：由游動的原子集團自己逐漸長大而形成晶核的過程，也稱為“均質(zhì)生核”；非自發(fā)生核：在外來質(zhì)點的表面上生核的過程，也稱“異質(zhì)生核”。

晶體生長：晶核不斷生長成晶體，直到互相相遇。

連續(xù)生長：粗糙界面的生長側(cè)向生長：平整界面的生長2023/2/329連續(xù)生長側(cè)向生長2023/2/3303、鑄件晶粒組織的形成和控制

2023/2/331獲得細等軸晶的措施增大冷卻速度—整個斷面同時產(chǎn)生較大過冷降低澆注溫度—抑制柱狀晶的形成加強液體金屬的流動液流對型壁的沖刷、震動孕育處理—向液體中添加少量物質(zhì)，促進內(nèi)部生核的方法細晶粒在鑄造過程中的實現(xiàn)

2023/2/332第二節(jié)液態(tài)金屬成形質(zhì)量及控制一、鑄件化學(xué)成分的不均勻性鑄件凝固以后，截面上不同部位，以至晶粒內(nèi)部，產(chǎn)生化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，稱為“偏析”。微觀偏析指微小范圍內(nèi)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象，一般在一個晶粒尺寸范圍內(nèi)；晶內(nèi)偏析（枝晶偏析）、晶界偏析宏觀偏析“區(qū)域偏析”—成分不均勻表現(xiàn)在較大的尺寸范圍內(nèi)。正偏析、逆偏析、V型偏析和逆V型偏析、帶狀偏析、重力偏析2023/2/3332023/2/334偏析對鑄件質(zhì)量的影響：1.微觀偏析使晶粒范圍內(nèi)的物理和化學(xué)性能產(chǎn)生差異，影響鑄件的機械性能，有時使鑄件難于加工。2.晶界偏析使得低熔點共晶容易集中在晶粒邊界，既增加鑄件在收縮過程中產(chǎn)生熱裂的傾向性，又降低鑄件的塑性；3.宏觀偏析使鑄件的機械性能和物理性能產(chǎn)生很大的差異，影響鑄件或零件的使用壽命和工作效率。4.宏觀偏析還能給金屬材料的抗腐蝕性能帶來嚴重的后果；可以利用偏析現(xiàn)象達到凈化或提純金屬的目的。比如：區(qū)域熔煉。2023/2/335二、鑄件中的氣體三種形態(tài)：固溶體、化合物、氣孔氣體的來源：熔煉過程、澆注過程、凝固過程氣體對鑄件質(zhì)量的影響以固溶體形態(tài)存在的氣體---降低鑄件的韌性；以氣孔形態(tài)存在的氣體------減少鑄件的有效面積、降低機械性能、降低氣密性；當金屬中的氣體過多時-------影響鑄件的補縮氣孔的類型：析出性氣孔、反應(yīng)性氣孔、侵入性氣孔2023/2/336三、鑄件中的非金屬夾雜物夾雜物的組成：氧化物、硫化物、硅酸鹽、氮化物、磷化物、碳化物夾雜物對鑄件質(zhì)量的影響：

對機械性能有一定影響，對材料的塑性、沖擊韌性影響很大，尤其對材料的疲勞強度影響更嚴重。夾雜物的排除：金屬液靜止處理、真空澆注，加熔劑，過濾法2