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

液態金屬成形的概念：將金屬加熱到液態，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。液態金屬成形的優點：1、可以制作形狀復雜，特別是具有內腔的零件毛坯。如：箱體、汽缸體等2、鑄造的適應性廣泛：工業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：液態金屬成形概論

2023/2/33中國古代鑄造產品:(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發動機缸體發動機2023/2/36精密鑄造成型的復雜鑄件2023/2/37大型復雜鑄件2023/2/39材料設計合金成分熔化液態金屬成形方法確定造型設備制芯設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、清理鑄件液態金屬成形生產過程

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公司技術的新二線主機，發動機缸體造型生產線。2023/2/317二、液態金屬在鑄型中的流動

1、

液態金屬充型能力的基本概念液態金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力，叫做液態金屬充填鑄型的能力，簡稱液態金屬的充型能力。液態金屬充填鑄型一般是在純液態下充滿型腔的，也有邊充型邊結晶的情況，在充型過程中當液態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)

金屬性質方面的因素金屬的比熱、密度、導熱率、表面張力和合金粘度等。

2)鑄型性質方面的因素

鑄型的儲熱系數、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）、澆注系統的結構。

4)鑄件結構方面的因素

模數（或稱換算厚度）、鑄件的復雜程度。1.液態金屬成形的概念是什么？液態金屬成形具有哪些優點？思考題12.液態金屬成形生產過程。2023/2/320合金從液態轉變為固態的狀態變化，稱為一次結晶或凝固。一次結晶從物理化學的觀點研究液態金屬的生核、成長、結晶組織的形成規律凝固從傳熱學角度研究鑄件與鑄型的傳熱過程，鑄件斷面上凝固區域的大小、凝固方式與鑄件質量的關系，以及鑄件的凝固時間等。三液態金屬的凝固凝固定義：2023/2/3212023/2/3221、液態金屬凝固方式及與鑄件質量的關系

凝固區域固相區、凝固區、液相區

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，鑄件表面并不存在固體層，而液、固并存的凝固區貫穿整個斷面。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量的如：縮孔、縮松、熱裂、應力、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、縫內呈氧化色。形成熱裂的影響因素:合金性質,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、呈連續直線狀,有時縫內呈輕微氧化色2023/2/3272、液態金屬的結晶過程

鑄件鑄態組織的形成過程可分為兩個階段：液-固轉變：即液態金屬的結晶，常稱為一次結晶，主要指凝固過程的相變；固態轉變：即金屬凝固后，隨著鑄件的繼續冷卻，在固相內部產生的相變，有時也稱為二次結晶。

液態金屬結晶對鑄件質量的影響：

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

液態結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；

液態結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象：成分的偏析、液態金屬的補縮及裂紋的形成等。

2023/2/328液態金屬的結晶過程：生核：在液體中先形成一些很小而穩定的固體質點，稱為“晶核”；

自發生核：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“均質生核”；非自發生核：在外來質點的表面上生核的過程，也稱“異質生核”。

晶體生長：晶核不斷生長成晶體，直到互相相遇。

連續生長：粗糙界面的生長側向生長：平整界面的生長2023/2/329連續生長側向生長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，促進內部生核的方法細晶粒在鑄造過程中的實現

2023/2/332第二節液態金屬成形質量及控制一、鑄件化學成分的不均勻性鑄件凝固以后，截面上不同部位，以至晶粒內部，產生化學成分不均勻的現象，稱為“偏析”。微觀偏析指微小范圍內的化學成分不均勻現象，一般在一個晶粒尺寸范圍內；晶內偏析（枝晶偏析）、晶界偏析宏觀偏析“區域偏析”—成分不均勻表現在較大的尺寸范圍內。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偏析對鑄件質量的影響：1.微觀偏析使晶粒范圍內的物理和化學性能產生差異，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；可以利用偏析現象達到凈化或提純金屬的目的。比如：區域熔煉。2023/2/335二、鑄件中的氣體三種形態：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量的影響以固溶體形態存在的氣體---降低鑄件的韌性；以氣孔形態存在的氣體------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