液态金属成型
第一章 金属液态成形理论基础
第一节 液态金属充型能力与流动性
0、什么是液态金属的充型能力
1）定义：
液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的 成型件的能力，称为充型能力。
2）充型能力对成型的影响
充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔 等缺陷。
3）影响充型能力的因素
充型能力首先取决于金属本身的流动性(流动能力)，同 时又受铸型性质、浇注条件和铸件结构等因素影响。
一、铸件的凝固方式
在铸件凝固过程中，其断面上一般存在三个区 域：固相区、凝固区和液相区。
1、分类
依据对铸件质量影响较大的凝固区的宽窄划分 铸件的凝固方式为如下三类：
(1)逐层凝固
纯金属和共晶成分的合金在凝固过程中不存在液、固并 存的凝固区，随着温度下降，固体层不断加厚，液体不 断减少，直达铸件中心，这种凝固方式称为逐层凝固。
机械应力
二、铸件的变形及其防止
1、变形的原因：
铸件内部残余内应力。 只有原来受拉伸部分产生压缩 变形、受压缩部分产生拉伸变 形，才能使铸件中的残余内应 力减小或消除。
平板铸件的变形
杆件的变形
床身铸件的变形
粱形铸件的弯曲变形
2、防止措施：
减小应力； 将铸件设计成对称结构，使其内应力互相平衡； 采用反变形法； 设置拉肋； 时效处理。
2、冷裂纹的特征
裂纹细小，呈连续直线状，裂缝内有金属光泽或轻 微氧化色。
3、防止措施
凡是能减少铸件内应力和降低合金脆性的因素 均能防止冷裂。 设置防裂肋亦可有效地防止铸件裂纹。
防裂肋
三、合金的吸气性
液态合金中吸入的气体，若在冷凝过程中不能溢 出，滞留在金属中，将在铸件内形成气孔。
一）气孔的危害
气孔破坏了金属的连续性，减少了其承载的有效 截面积，并在气孔附近引起应力集中，从而降低 了铸件的力学性能。 弥散性气孔还可促使显微缩松的形成，降低铸件 的气密性。
金属液态成型基础作业
金属液态成型基础作业1、试述液态金属的充型能力和流动性之间在概念上的区别，并举例说明。
答：? 液态金属的填充能力：充满铸型型腔，获得形状完整轮廓清晰的铸件能力。
影响因素：金属液的流动能力、模具性能、铸造条件和铸件结构。
？流动性：液态金属本身的流动能力，与金属本身有关：成分，温度，杂质物理性质。
其流动性是确定的，但填充能力不高。
它可以通过改变一些因素来改变。
流动性是指在特定条件下的填充能力。
11、四类因素中，在一般条件下，哪些是可以控制的？哪些是不可控的？提高浇铸造温度会带来什么副作用？答：一般条件下：合金与铸件结构不可控制，而铸型和浇铸条件可以控制，铸造温度过高，容易使金属严重吸入氧化，达不到预期效果。
3试述液态金属充型能力与流动性间的联系和区别，并分析充型能力与流动性的影响因素。
答：(1)液态金属充型能力与流动性间的联系和区别液态金属填充型腔并获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属填充型腔的能力，简称液态金属填充能力。
液态金属本身的流动性称为“流动性”，这是液态金属的工艺特性之一。
液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流动能力，还受外部条件的影响，如模具性能、浇注条件、铸件结构等因素。
它是各种因素的综合反映。
在工程应用和研究中，通常是在相同的条件下（如相同的模具性能、浇注系统、浇注过程中控制相同的合金液过热度等）浇注各种合金的流动性试样，合金的流动性用试样的长度表示，合金的填充能力由测量的合金流动性表示。
因此，可以认为合金的流动性是一定条件下的填充能力。
对于同一种合金，还可以通过流动性试样研究各种铸造工艺因素对其充型能力的影响。
（2）充填量和流动性的影响因素①合金的化学成分决定了结晶温度范围，与流动性之间存在一定的规律。
一般来说，在流动性曲线上，纯金属、共晶成分和金属间化合物对应的位置流动性最好，流动性随结晶温度范围的增加而降低，在最大结晶温度范围内流动性最差，即，随着结晶温度范围的增加，填充能力越来越差。
三种液态成形方法
三种液态成形方法液态成形是工程领域中的一种重要成形技术，用于制造各种金属或非金属零件。
它通过将材料加热至液态，并注入到模具中，随后冷却并固化成所需形状。
液态成形方法具有制造复杂零件、提高生产效率和减少原材料浪费等优点。
下面将介绍三种常用的液态成形方法：压铸、注射成型和热挤压。
1.压铸压铸是一种通过将液态金属或合金注入高温模具中，并以高压使其充分充实和冷却而形成所需零件的成形方法。
压铸适用于制造具有复杂形状和精密尺寸要求的铝、镁、锌等金属零件。
工艺流程：(1)准备模具：根据所需零件的形状和尺寸，制造金属模具。
(2)准备材料：根据所需零件的要求，选择适合的金属或合金，并将其加热至液态。
(3)充填模具：将液态金属或合金注入已加热的模具中。
(4)施加压力：通过驱动液压系统，施加高压使液态金属或合金充实模具腔体，并排除有害气体。
(5)冷却固化：等待足够时间，让液态金属或合金冷却并固化成所需形状。
(6)分离模具：打开模具并取出成品零件。
(7)修整和后处理：将零件上的余料切割掉，并进行必要的表面处理。
2.注射成型注射成型是一种通过将液态或半液态塑料材料注入模具中，并在成型温度下固化成所需形状的成形方法。
注射成型适用于制造塑料零件，广泛应用于电子、汽车、日用品等领域。
工艺流程：(1)准备模具：根据所需零件的形状和尺寸，制造塑料模具。
(2)准备材料：选择适合注射成型的塑料树脂，并将其加热至液态或半液态。
(3)充填模具：将液态或半液态塑料注入已加热的模具中。
(4)冷却固化：等待足够时间，让塑料在模具中冷却并固化成所需形状。
(5)分离模具：打开模具并取出成品零件。
(6)修整和后处理：将零件上的余料切割掉，并进行必要的表面处理。
3.热挤压热挤压是一种通过将液态金属在高温和高压下通过模孔挤压成型的成形方法。
热挤压适用于制造具有长直形截面或复杂截面的杆、管和型材等零件。
工艺流程：(1)准备模具：根据所需零件的形状和尺寸，制造高温合金模具。
液态金属成型的发展趋势
液态金属成型的发展趋势
液态金属成型是一种近年来快速发展的金属加工技术，它基于金属在液态状态下的性质，通过特定的成型方式将其塑形成所需的形状。
液态金属成型的优点主要包括制品表面光洁度高、密度均匀、加工效率高等。
然而，目前液态金属成型还存在一些挑战和限制，如制品尺寸受限、成本较高等。
因此，未来液态金属成型的发展趋势将主要集中在以下几个方面：
1. 提高成型精度和尺寸范围：通过改进成型工艺和加工设备，
提高液态金属成型的精度和尺寸范围，以满足更广泛的应用需求。
2. 发展新型材料：液态金属成型可以应用于各种金属和合金，
未来将继续发展新型材料，以拓展应用领域。
3. 降低生产成本：液态金属成型技术需要高温高压条件下进行，导致生产成本较高，未来将探索新的成型方法和材料，以降低生产成本。
4. 创新应用领域：液态金属成型在汽车、电子、医疗等领域都
有广泛应用，未来将继续探索新的应用领域，如航空航天、新能源等。
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液态金属成型基础知识
离心铸造：
离心铸造是将熔融金属浇入高速旋转的铸型中，使其在离心力作用 下填充铸型和结晶，从而获得铸件的方法。按铸型旋转轴线的空间 位置不同，离心铸造分为立式和卧式两种。
铸件结构工艺性：
铸件结构应利于避免或减少铸件缺陷：
1.壁厚合理：设计铸件的时候应首先保证金属液的充型能力，在此 前提下减少铸件壁厚。
2.铸件壁厚力求均匀：防止形成热节而产生缩孔、缩松、晶粒粗大 等缺陷，并能减少铸造热应力及因此产生的变形和裂纹等缺陷。
3.铸件壁的连接：铸件不同壁厚的连接应逐渐过渡。拐弯和交接处 应采用较大的圆弧连接，避免锐角结构而采用大角度过渡，以避免 因应力集中而产生开裂。
2.体积疑固
当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸 件凝固的某段时间内，其液固共存的疑固区域很宽，甚至贯穿整个 铸件截面，这种凝固方式称为“体积凝固”（或称糊状凝固）
3.中间凝固 金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度
梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积跽固之间， 称为“中间凝固”。
工艺缺点:熔模铸造工序繁杂，生产周期长，铸件的尺寸和重 量受到铸型（沙壳体）承载能力的限制（一般不超过25公斤）。
用途:成批生产形状复杂、精度要求高或难以进行切削加工的 小型零件，如汽轮机叶片和叶轮、大模数滚刀等。
三、压力铸造
压力铸造是压铸机上将熔融的金属在高压下快速压入金属型，并在 压力下凝固，以获得铸件的方法。压铸机分为立式和卧式两种。
为改善铸型的充填条件，在设计铸件的时候必须保证其壁厚不 小于规定的“最小壁厚”。
金属液态成型
3. 合金收缩造成的铸造缺陷
（1）缩孔与缩松 ① 缩孔与缩松的形成 浇入铸型的液态合金在凝固过程中， 浇入铸型的液态合金在凝固过程中，若液态收缩 和凝固收缩所缩减的体积得不到补充， 和凝固收缩所缩减的体积得不到补充，在铸件最后凝 固的部位会形成空洞，容积大而集中的是缩孔， 固的部位会形成空洞，容积大而集中的是缩孔，容积 小而分散的是缩松。 小而分散的是缩松。
2.影响合金收缩的因素 2.影响合金收缩的因素
（1）化学成分 不同种类的合金，收缩率不同；同类合金， 不同种类的合金，收缩率不同；同类合金， 化学成分不同，收缩率也不同。 化学成分不同，收缩率也不同。 Si：强烈促进铸铁石墨化， C、Si：强烈促进铸铁石墨化，铸铁体收缩减 小； 强烈阻碍铸铁石墨化，铸铁收缩增大； S：强烈阻碍铸铁石墨化，铸铁收缩增大； Mn：可抵消对S石墨化的阻碍作用，适量的Mn Mn：可抵消对S石墨化的阻碍作用，适量的Mn 可使铸铁收缩减小。 可使铸铁收缩减小。
③ 缩孔与缩松的防止 控制铸件的凝固过程 采用“顺序凝固” 同时凝固”原则， 采用“顺序凝固”或“同时凝固”原则， 在 铸件最后凝固地方，设置冒口来补缩。 铸件最后凝固地方，设置冒口来补缩。
顺序凝固原则适用于收缩大或壁厚差别较大， 顺序凝固原则适用于收缩大或壁厚差别较大，易 原则适用于收缩大或壁厚差别较大 产生缩孔的铸件。其缺点是：铸件各部分温差大， 产生缩孔的铸件。其缺点是：铸件各部分温差大， 会引起较大的热应力，此外，由于要设置冒口， 会引起较大的热应力，此外，由于要设置冒口， 增大了金属的消耗及切除毛口的工作量。 增大了金属的消耗及切除毛口的工作量。 同时凝固原则适用于收缩小或壁厚均匀的薄壁铸 同时凝固原则适用于收缩小或壁厚均匀的薄壁铸 采用同时凝固原则，铸件热应力小， 同时凝固原则 件，采用同时凝固原则，铸件热应力小，但在铸 件中心往往产生缩松。 件中心往往产生缩松。 对结构复杂的铸件，既要避免产生缩孔和缩松， 对结构复杂的铸件，既要避免产生缩孔和缩松， 又要减小热应力，防止变形和裂纹， 又要减小热应力，防止变形和裂纹，这两种凝固 原则可同时采用。 原则可同时采用。
金属的液态成型
• 2. 球墨铸铁(简称球铁)
• ① 球墨铸铁球化、孕育处理 球铁是用灰口铸铁 成份的铁水经球化、孕育处理后制成的。为保证 球铁质量,生产中应注意下列几点:
• 球墨铸铁的化学成分选择 原铁水成分与灰口铸铁 原则上相同，但要求严格。
• 球化剂和孕育剂
• ②球墨铸铁的铸造性能和工艺特点
• 3.可锻铸铁
• 合理选择铸造合金
• 合理选用凝固原则
显微缩松
顺序凝固原则
阀体铸造方案
同时凝固原则
• (2)铸造内应力、变形和裂纹的形成和控制 • 铸件在凝固后继续冷却时，若在固态收缩阶段受
到阻碍,则将产生应力，此应力称为 铸造内应力。 它是铸件产生变形、裂纹等缺陷的主要原因。 • ① 铸造内应力形成过程 铸造内应力按其产生原 因，可分为热应力和机械应力两种。 • 热应力 铸件在凝固和冷却过程中，由于不同部位 不均衡的收缩而引起的应力称为热应力。 • 机械应力 铸件在固态收缩时因受到机械阻碍而形 成的应力，称为机械应力，也称收缩应力。 • ②铸件的变形与裂纹 当铸件中存有内应力时， 会使其处于不稳定状态。 • ③铸件变形、裂纹的控制 所有减少铸造内应力 的措施都有肋于控制铸件的变形和裂纹。
• ①金属型应保持合理的工作温度。
• ②为保护型腔和减缓铸型的传热速度，型腔表面和浇冒口 中要涂以厚度为0.2～1.0 mm的耐火涂料，以使金属液和 铸型隔开。
• ③因金属型无退让性，故应掌握好适宜的开型时间。
• ④为防止铸铁件产生白口组织，其壁厚一般应大于15 mm ，并控制铁水中碳、硅的质量分数不小于6％。
6.1.3 合金的偏析和吸气性
• 1.偏析 • 在铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。偏析使铸
件性能不均匀，严重时会造成废品。偏析分为晶内偏析和 区域偏析两类。 • 晶内偏析(又称枝晶偏析)是指晶粒内各部分化学成分不均 匀的现象。采用扩散退火可消除晶内偏析。 • 区域偏析是指铸件上、下部分化学成分不均匀的现象。为 防止区域偏析，在浇注时应充分搅拌或加速合金液冷却。 • 2.吸气性 • 合金在熔炼和浇注时吸收气体的性能称为合金的吸气性。
第七章 金属的液态成形
缩松：分散在铸件内部分散而细小的缩孔，大多分布在 铸件中心轴线处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方。形成 的原因与缩孔基本相同。 缩孔及缩松使铸件力学性能下降，防止其发生的主要 措施是“定向凝固”，通过增设冒口、冷铁等一些工艺措施 ，使凝固顺序形成向着冒口方向进行，如下图。远离冒口的 部位先凝固，冒口最后凝固，使缩松和缩孔产生在冒口处。 或在铸件厚大部位增设冷铁，以加快该处的凝固速度。
第七章 金属的液态成形
什么是金属的液态成形: 即将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔 中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法,亦 称铸造. 金属的液态成形的作用: 金属的液态成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。 按铸型材料的不同，金属液态成形可分为砂型铸造和特 种铸造（包括压力铸造、金属型铸造等）。 其中砂型铸 造产品成本最低，应用最普遍，所生产的铸件要占铸件 总量的80%以上。但工艺过程较复杂不易控制，，铸件内 部常有缩孔、夹渣、气孔、裂纹等缺陷产生，导致铸件 力学性能，特别是冲击性能较低。
• （2） 浇注温度 • 浇注温度越高，液态合金的流动性越好，若过高，铸 件易产生缩松、粘沙等缺陷。一般浇注温度控制在：铸钢 1520~1620℃；铸铁1230~1450℃；铝合金680~780℃。 • （3）铸型填充条件 • 内浇道横截面小、型腔表面粗糙、型砂透气性差都会增加 液态合金的流动阻力；铸型材料的导热性过大，使液体金 属凝固快，同样会降低流动性。
f) 挖砂造型
活块造型是在制模时将铸件上的妨碍起模的小凸台，肋 条等这些部分作成活动的（即活块）。起模时，先起出 主体模样，然后再从侧面取出活块。其造型费时，工人 技术水平要求高。主要用于单件、小批生产带有突出部 分、难以起模的铸件。
活块造型
三箱造型的铸型由上、中、下三型构成。中型高度 需与铸件两个分型面的间距相适应。三箱造型操作 费工。主要适用于具有两个分型面的单件、小批生 产的铸件。
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液态金属成型的方法
1.按金属液充填进铸型方法的不同可分为：重力铸造 （液态金属靠自身重力充填型腔）、低压铸造、挤压 铸造、压力铸造（液态金属在一定的压力下充填型腔 ）等。 2.根据形成铸型材料的不同，可以分为一次型（如砂 型铸造、陶瓷型铸造、壳型铸造）和永久型（如金属 型铸造）。 3.对于一些特殊的凝固成形件，还可以采用连续铸造 （等截面长铸件）、离心铸件（圆筒形铸件）、实型 铸造、熔模铸造等方法。
落 砂 、 清 理
检 验
铸 件
金属型铸造
金属型铸造（Gravity die casting） 是指液态金属在重力作用下充填金属铸 型并在型中冷却凝固而获得铸件的一种 成形方法，如图所示。由于金属铸型可 以重复使用，寿命（指浇注次数）可达 数万次，所以金属型铸造又称永久型铸 造（Permanent mold）。
充型能力——液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、 轮廓清晰的成形件的能力。
充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。
（一）液态合金的流动性
合金的流动性是： 液态合金本身的流动能力。
液态金属成型的工艺基础
浇口杯
出气口
0.45%C 铸钢： 200mm 4.3%C 铸铁： 1800mm
液态金属成型的工艺基础
液态金属成型
目录
1. 概念及其特点 2. 方法 3.工艺基础及工艺参数 4.砂型铸造 5.金属型铸造 6.压力铸造 7.熔模铸造 8.离心铸造 9.连续铸造 10.计算机在铸造中的应用
什么叫液态金属成型？
液态金属成型俗称铸造，是将液态合 金注入预先制备好的铸型中，使之冷却 、凝固，从而获得毛坯或零件的一种方 法。
铸造工艺参数
铸型工艺设计时需要确定的某些工 艺数据；包括：铸造收缩率（缩尺）, 机械加工余量，拔模斜度，最小铸出孔 ,型芯头尺寸等。
浇注系统
浇口杯 冒口 直浇道 横浇道
内浇道
砂型铸造
砂型铸造的工艺过程
型砂
零 件 图 铸 型 熔化 芯盒 芯砂 浇注 型 芯 合 冷却
铸 造 工 艺 图
模型
箱 凝固
温度（℃）
浇口杯
出气口
30 0 20 0 10 0 0 80 60 40
流动性（cm）
20
液态金属成型的工艺基础
（二）浇注条件
1.浇注温度 一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。 2.充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大， 充型能力越强。 3.浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力
（四）铸件结构
（1）折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积 与 表面积之比 。 折算厚 度大 ， 热 量散失慢 ，充型能 力就 好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。 （2）铸件复杂程度 铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的 充填就困难。
铸造工艺方案确定
铸造工艺方案应包括的主要内容： 1．造型、制芯方法（机器？手工？） 2．铸型种类的选择（干型？湿型？） 3．浇注位置，分型面的确定 4．每型件数的确定 5．砂芯设计 6．确定工艺参数 7．浇注系统，冒口的设计 8．铸件机械加工粗基准的选择
实际上可分为砂型铸造和特种铸造两类
液态金属成型的方法
常见的特种铸造方法有： 金属型铸造、 低压与差压铸造、 熔模铸造、 离心铸造、 陶瓷型铸造、 真空吸铸、 压力铸造、 挤压铸造、 消失模铸造、 连续铸造、 石膏型铸造、 半固态铸造等。
液态金属成型的工艺基础
液态金属的充型能力与流动性
充型—— 液态合金填充铸型的过程。
离心铸造
图1 卧式离心铸造机示意图 1—浇包；2—浇注槽；3—铸型； 4—液体金属；5—端盖；6—铸件
图2 立式离心铸造机示意图 1—浇包；2—铸型；3—液体金属 ；4—带轮和带；5—旋转轴；
6—铸件；7—发动机
离心铸造
连续铸造
连续铸造是将金属液浇入一种特制 的金属型或石墨型（称为结晶器）中冷 却，而铸件则从结晶器的另一端不断拉 出的一种连续成形工艺。
越大，充型能力越差。
（三）铸型充填条件
1. 铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从其中的 金属吸取热量并储存在本身的能力。
液态金属成型的工艺基础
2.铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差
越小，充型能力越强。 3.铸型中的气体 铸型有一定的发气能力，能在金属液与 铸型之间形成气膜，可减小流动的摩擦阻力，有利于充型。
压力铸造
熔模铸造
熔模铸造就是在蜡模（也可用树脂模）表 面涂覆多层耐火材料，待硬化干燥后，加热 将蜡模熔化，而获得具有与蜡模形状相应形 状的型壳，再经焙烧之后进行浇注而获得铸 件的一种方法，故又称为失蜡铸造（Lost Wax Casting）。
熔模铸造
熔模铸造工艺流程
熔模铸造
离心铸造
离心铸造是将液体金属浇入旋转的铸型中，在离 心力的作用下，完成金属液的充填和凝固成形的一种 铸造方法。离心铸造必须在专门的设备—离心铸造机 （使铸型旋转的机器）上完成。根据铸型旋转轴在空 间位置的不同，离心铸造机可分为卧式离心铸造机和 立式离心铸造机两种。
金属型铸造
金属型铸造示意图 （a）金属型合模状态 （b）倾转浇注
金属型铸造
金属型铸造的工艺流程
金属型铸造
压力铸造
压力铸造（die casting或high pressure die casting）简称压铸，它是将液态金属或半固 态金属在高压下快速充填到金属模的型腔， 并在压力下快速凝固而获得铸件的一种成形 方法。
水平连铸
水平连铸机结构原理
连续铸造的特点和使用范围
1.提高金属利用率，节省能量消耗。 2.金属液冷却速度快，晶粒细小，组织致 密，铸件质量高。 3.无浇、冒口系统，工艺出品率高。 4.生产工序简单，易于实现机械化和自动 化，生产率高。 可生产铸铁、铸钢、铜合金和铝合金等截 面形状不变的铸件，如铸管、棒材等。
液态金属成型的特点
1.可生产形状任意复杂的铸件，特别是内腔形状复杂 的铸件。如汽缸体、汽缸盖、涡轮叶片、床身件等。
缸头、汽缸体
H5缸体
液态金属成型的特点
2.适应性强: (1)合金种类不受限制 (2)铸件大小几乎不受限制
3.成本低：（1）材料来源广 （2）废品可重新熔炼 （3）设备投资低
4.废品率高、表面质量较低、劳动条件差