金属液态成形资料
第七章 金属液态成形
（1）浇注系统的组成及作用
（2）浇注系统的类型
① 顶注式浇注系统 特点： • 适于矮小铸件的浇 注； • 系统补缩作用好； • 浇注过程中易产生 飞溅和冲砂。
② 底注式浇注系统
特点： • 适于高度较大、形 状较复杂、厚壁铸 件；
• 金属液流动平稳， 不易冲砂；
• 补缩效果差。
③ 阶梯式浇注系统
铸件的造型方法
（挖砂、三箱造型、活块）
(a) 手轮零件
(b) 放模样造下型
(c) 反转，最大截面处挖分型面
(d) 造上型
(e) 起模型
(f) 落砂后带浇口的铸件
上箱模样
中箱模样
下箱模样 (a) 铸 件 (b) 模 样
(e) 造上型 (c) 造下型
(d) 造中型
(f) 起模、放砂芯、合型
(a) 零 件
减小和消除铸造应力的 工艺方法： 借助于冷铁使铸件
实现同时凝固。
冷铁 — 为增加铸件局部冷却速度，在 型腔内部或工作表面安放的金属块。
冷铁分为内冷铁、外冷铁两种。
<2> 铸件的变形与防止
(a) 板
(b) 板
I 受拉，板 II 受压 → 板 I 内凹，板 II 外凸。
I 受压，板 II 受拉 → 板 I 外凸，板 II 内凹。
铸件产生变形和裂纹的根本原因：
铸造内应力（残余内应力） <1> 内应力的形成和预防
内应力的产生原因：热应力、机械应力。
① 热应力
—— 铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由 于不均衡的收缩而引起的应力。
框形铸件热应力的形成
② 机械应力（收缩应力）
— 合金的固态收缩受 到铸型或型芯的机械 阻碍而形成的应力。
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。
第一篇金属的液态成形
1. 金属的液态成形(铸造)1.0概述将金属材料加热到高温熔化状态，然后采取一定的成形方法，待其冷却、凝固后获得所需金属制品，这种制造金属毛坯的过程称为金属的液态成形。
金属的液态成形除了铸造之外，还有液态模锻。
1.0.1铸造的定义铸造是指将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得所需形状、尺寸和性能的毛坯或零件的金属液态成形方法。
它是生产机器零件毛坯的主要方法之一。
1.0.2铸造的基本过程铸造生产的基本过程包括以下三个步骤：①根据零件的要求，准备一定的铸型；②把金属液体浇满铸型的型腔；③金属液体在铸型型腔中冷凝成形，获得一定形状和尺寸的铸件。
1.0.3铸造生产的特点铸造的实质就是液态金属(合金)逐步冷凝成形，具有以下特点：优点：①适应性广几乎所有金属及其合金，只要能够熔化成液态便能铸造，尤其是适合生产塑性差的材料。
②工艺灵活性大各种形状、尺寸(壁厚从0.5～1000mm、轮廓从几毫米至几十米)、重量(从几克～几百吨)和生产批量的铸件都能生产，能够制成如机床床身、箱体、机架、支座等具有复杂内腔的毛坯。
某些形状极其复杂的零件只能用铸造方法制造毛坯。
③省工省料铸件毛坯与零件形状相似，尺寸相近，加工余量小，金属利用率高，可以省工省料，精密铸件甚至不需切削加工，就可直接装配。
④生产成本低铸造用的原材料来源广泛，可直接利用报废的机件和切屑。
造型设备投资少，易操作。
缺点：①铸件内部晶粒比较粗大，组织疏松，容易产生气孔、夹渣等铸造缺陷，机械性能和可靠性不如锻件，尤其是冲击韧性较差，不宜制造受冲击或交变载荷作用的零件。
②生产过程比较复杂，工序多且一些工艺过程难以精确控制，铸件质量不稳定，废品率较高。
③工人劳动强度大，劳动条件差。
1.0.4铸造生产的发展历史我国是世界上最早掌握铸造生产的文明古国之一。
早在三千多年前，青铜铸器已有应用，二千五百多年前，铸铁工具也已相当普遍。
我国劳动人民对世界铸造业的三大贡献(三大铸造技术)：泥型铸造(砂型铸造)、铁型铸造(金属型铸造)、失蜡铸造(熔模铸造)。
金属液态成形工艺概述
铸造产品称为： 铸件、铸锭、铸坯、铸带等
一、金属液态成形工艺特点
1. 适应性强
铸件重量：几克 ~ 几百吨 铸件壁厚：0.5 毫米 ~ 1 米 铸件长度：几毫米 ~ 十几米 铸件材质：铁碳合金（鋳铁、鋳钢）、铝合金、铜合金、
镁合金、锌合金、钛合金、复合材料等
速箱体（灰口铸铁）
精密铸造件（不锈钢）
水轮机铸件（铜合金）
箱体（铝合金）
叶轮（钛合金）
一、金属液态成形工艺特点
1. 适应性强
铸件重量：几克 ~ 几百吨 铸件壁厚：0.5 毫米 ~ 1 米 铸件长度：几毫米 ~ 十几米 铸件材质：铁碳合金（鋳铁、鋳钢）、铝合金、铜合金、
镁合金、锌合金、钛合金、复合材料等
铸造方法几乎不受零件大小、形状和结构复杂程度的限制。
轧辊
异型件
装饰件
工艺品
一、金属液态成形工艺特点
2. 尺寸精度高
铸件比锻件、焊接件的尺寸精度高，更接近于零件的尺 寸，可节约大量的金属材料和机械加工工时。
一、金属液态成形工艺特点
2. 尺寸精度高
铸件比锻件、焊接件的尺寸精度高，更接近于零件的尺 寸，可节约大量的金属材料和机械加工工时。
形成的先进铸造技术
精密、优质化
精密成形与加工 近无缺陷成形
数字、网络化
数字造型 虚拟制造
网络制造
精确铸造成形 金属熔体的纯净化、致密化
铸造工艺CAD，铸造模具CAD/CAM一体化 铸造过程宏观模拟及工艺优化 铸件组织微观模拟及性能预测 分散网络化铸造系统
高效、智能化
快速制造 自动化制造系统
智能制造
快速原形及快速制模 铸造过程自动检测与控制，铸造机器人的应用
金属的液态成形原理资料PPT课件
合金成分和温度
铸件的收缩
铸型、型芯条件
铸件结构
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常用铸造合金的收缩率
合• 金铸造合含金从碳浇量注，凝固浇直注到至冷却液到态室温的过凝程固中，其体固积或态尺寸缩总减收的现缩 种类象，称（为收%缩）。收缩是温铸度件产生缩收孔缩、缩松、收裂缩纹、变形收的根缩源。 （%）
• 液态收缩
铸造• 碳钢•
（1）这是由于薄壁铸件的铸型冷却作用强，薄壁断面温 度梯度大，倾向于逐层凝固。因此收缩小的灰铸铁可消除 缩孔，获得致密铸件；而收缩较大的薄壁铸钢、有色合金 铸件会出现轴线缩松，但其表层组织致密。
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（2）锡青铜，铝硅合金等凝固温度范围较宽的合金，倾 向于糊状凝固，用顺序凝固也难以消除缩松，采用 冷铁（或金属型铸造）及同时凝固原则，可保证其 表层组织致密。
1、合金的收缩 液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体
积和尺寸减少的现象---.是铸件许多缺陷(缩孔,缩松, 裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因.
收缩的几个阶段 1) 液态收缩（T浇 — T液） : 从金属液浇入铸型到开始 凝固之前. 液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝 固的温度的温差成正比. 2) 凝固收缩（T液 — T固）: 从凝固开始到凝固完毕. 同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如 : 35钢,体积收缩率3.0%, 45钢 4.3%。 3) 固态收缩（T固 — T室） : 凝固以后到常温. 固态 体积收缩直观表现为铸件各方向线尺寸的缩小，影响 铸件尺寸精度及形状的准确性,故用线收缩率表示.
铸件内部就发生内应力,即铸造应力。内应力是铸 件
产生变形和裂纹的基本原因。
按阻碍收缩的原因分为：
1）热应力
金属液态成形工艺原理讲稿
金属液态成形工艺原理讲稿一、引言金属液态成形工艺是一种重要的金属加工方法，它利用金属在液态状态下的可塑性，通过施加外力，将金属材料压制成所需形状的工艺过程。
金属液态成形工艺广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶制造等众多领域，具有高效、精确、灵活的特点。
本文将介绍金属液态成形工艺的原理和应用。
二、金属液态成形工艺的原理金属液态成形工艺主要依靠金属在液态状态下的可塑性来实现材料的变形。
在液态状态下，金属具有较高的流动性和可塑性，可以通过施加外力使金属流动，从而制造出复杂形状的金属构件。
金属液态成形工艺的主要原理包括以下几点： 1. 温度控制：金属液态成形工艺需要将金属升温到液态状态，通常通过加热设备控制金属的温度。
2. 施加外力：在金属材料处于液态状态时，需要施加适当的外力，如压力、压力冲击等，以实现对金属的形状变化和压制成型。
3. 液态流动：金属在液态状态下具有较高的流动性，可以通过控制液态金属的流动轨迹和速度，实现对金属的精确塑性变形。
4. 液态金属的熔化和凝固特性：金属在液态和固态之间的相变过程对金属液态成形工艺具有重要影响。
不同金属具有不同的熔化温度和凝固温度，需要根据具体金属材料选择合适的工艺参数。
三、金属液态成形工艺的应用金属液态成形工艺在许多领域都有广泛的应用，具有以下几个优点： 1. 高效生产：金属液态成形工艺可以实现多工位、多工序的同时进行，提高了生产效率。
2. 精确成形：金属液态成形工艺可以制造出复杂形状的金属构件，加工精度高，尺寸和形状可控性强。
3. 节约材料：金属液态成形工艺可以使金属材料得到较好的填充，减少了材料的浪费。
4. 节约能源：金属液态成形工艺可以在短时间内实现金属材料的加热和冷却，节约了能源消耗。
金属液态成形工艺在以下领域有广泛的应用： 1. 航空航天：金属液态成形工艺可以制造出高强度和轻质的航空航天零部件，提高了飞行器的性能和燃油效率。
2. 汽车制造：金属液态成形工艺可以制造出汽车发动机缸体、曲轴等零部件，提高了汽车的动力性能和燃油效率。
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。
金属液态成形
材料成形技术基础第一章 金属液态成形金属液态成形（铸造）：将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中，待其凝固冷却后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的方法。
液态成形的优点：（1）适应性广，工艺灵活性大（材料、大小、形状几乎不受限制）（2）最适合形状复杂的箱体、机架、阀体、泵体、缸体等（3）成本较低（铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近）主要问题：组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低。
分类：铸造从造型方法来分，可分为砂型铸造和特种铸造两大类。
其中砂型铸造工艺如图1-1所示。
图1-1 砂型铸造工艺流程图第一节金属液态成形工艺基础一、熔融合金的流动性及充型液态合金充满型腔是获得形状完整、轮廓清晰合格铸件的保证，铸件的很多缺陷都是在此阶段形成的。
（一）熔融合金的流动性1.流动性 液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力，称为液态合金的流动性。
流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。
流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进行补缩。
螺旋形流动性试样衡量合金流动性，如图1-2所示。
在常用铸造合金中，灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。
常用合金的流动性数值见表1-1。
表1-1 常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）2. 影响合金流动性的因素（1） 化学成份 纯金属和共晶成分的合金，由于是在恒温下进行结晶，液态合金从表层逐渐向中心凝固，固液界面比较光滑，对液态合金的流动阻力较小，同时，共晶成分合金的凝固温度最低，可获得较大的过热度，推迟了合金的凝固，故流动性最好；其它成分的合金是在一定温度范围内结晶的，由于初生树枝状晶体与液体金属两相共存，粗糙的固液界面使合金的流动阻力加大，合金的流动性大大下降，合金的结晶温度区间越宽，流动性越差。
Fe-C合金的流动性与含碳量之间的关系如图1-3所示。
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镁合金（Mg-Al-Zn） 锡青铜：w(Sn)=9%～11% w(Zn)=2%～4% 硅黄铜：w(Si)=1.5%～4.5%
铸型
砂型
砂型 金属型()
砂型 砂型
浇注温度 /℃ 1300 1300 1300 1300 1600 1640
680～ 720 700 1040 1100
螺旋线长度/mm
型
熔化 浇注
芯盒
型
落
合 冷却 砂
箱
凝固
、 清
理
检 验
铸 件
芯砂
芯
轴承座铸件生产过程
3、铸造生产的特点
• 适应性强(adaptability in technology)：能熔化为液态便能 铸造（铸钢、铸铁、铜合金、铝合金、镁合金、锌合金等） ，对于脆性金属（灰铸铁）、难以锻造和切削加工的合金材 料，铸造是唯一可行的加工方法。
• 以浇注螺旋试样的长度来 测定
– 影响流动性的因素
• 1、合金的种类：合金的流动性与合金的熔点、导热系数、 合金液的粘度等物理性能有关。合金的熔点越高，流动性 越差（铸钢）；合金的导热性好，流动性也较差（铝合金 ）。
• 2、合金的成分：同种合金中，成分不同时，流动性不同。 纯金属和共晶成分的合金，由于是在恒温下进行结晶，液 态合金以逐层凝固的方式从表层逐渐向中心凝固，固液界 面比较光滑，对液态合金的流动阻力较小，同时，共晶成 分合金的凝固温度最低，可获得较大的过热度，推迟了合 金的凝固，故流动性最好。
金属液态成形实例
司母戊大方鼎
编钟
藏于国家博物馆的商代晚期（公元前13～前 11世纪）青铜器，通高133cm，口长116cm、 宽79cm，重832.84kg，是迄今发掘出土最大、 最重的青铜礼器
1978年出土于湖北省随县擂鼓墩1号墓的曾侯乙 编钟，全套65件编钟按大小和音高编成8组悬挂 在3层钟架上，总重量达2500多千克，音律准确， 音色优美，合瓦形的钟可以敲出两个不同的音， 是世界音乐史上的奇迹
• 其它成分的合金是在一定温度范围内结晶的，由于初 生树枝状晶体与液体金属两相共存，粗糙的固液界面使合 金的流动阻力加大，合金的流动性大大下降，合金的结晶 温度区间越宽，结晶按糊状凝固方式进行，合金的流动性 越差 。
常用铸造合金的流动性
合金
铸铁：w(C+Si)=6.2% w(C+Si)=5.9% w(C+Si)=5.2% w(C+Si)=4.2% 铸钢：w(C)=0.4%
• 灵活性大(complex in shape )：几乎不受零件大小、形状 和生产批量的限制（具有复杂内腔的零件，铸造往往是最佳 的成形方法：箱体、床身、缸体、机架）。
• 成本较低(cheap in production)：（1）材料来源广；（2 ）铸造成形方便；（3）设备投资低。
• 铸件的力学性能较差(lower mechanical properties)，质量 不够稳定(unstable quality)
• 2、铸件的凝固方式 • 3、铸造合金的收缩 • 4、铸造应力、铸件
的变形与裂纹 • 5、合金的偏析及铸
件中的气孔
1、液态金属的充型能力
• 液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、 轮廓清晰的铸件的能力，称为液态金属充填铸 型的能力，简称液态金属的充型能力(mold filling capacity )。
1、定义
• 金属的液态成形：将金属材料加热到高温熔 化状态，然后采取一定的成形方法，待其冷 却、凝固后获得所希望的金属制品的过程。
• 铸造 Foundry ：将液态金属浇注到与零件形 状相适应的铸型型腔中，液态金属在重力场 或外力场（压力、离心力、电磁力等）的作 用下充满型腔，冷却并凝固成具有型腔形状 的铸件，以获得毛坯或零件的生产方法。
1800 1300 1000 600 100 200 700～800
400～600 420 1000
不
同
温 度
温 度
t 铸件
温 t 铸件 度
成
分
合
固
金
液
固
液
的 结 晶
成分
表层 中心
（a）
（a）纯金属及共晶合金
表层 中心
（b）
（b）其他成分合金
特
点
温度 （℃）
流动性 （ห้องสมุดไป่ตู้m）
300
200
100 0
金属液态成形实例（续）
商代后期 1938年湖南宁乡月山铺出土 中 国历史博物馆藏 方口,大沿,长顶,高圈足。 口沿下饰蕉叶纹,下为蘧纹带。自肩至足四 隅为四羊,各露前半身,形象逼真。肩上有 隆起龙纹,龙首在羊首间,圈足在羊蹄间饰 倒蘧纹。
2、砂型铸造的工艺过程
型砂
铸
零 件 图
铸 造 工 艺 图
模型
• 液态金属的充型能力主要取决于金属自身 的流动能力，还受外部条件，如铸型性质、浇 注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素 的综合反映。
1、液态金属的充型能力
• a、金属的流动性
– 流动性的概念：
• 浇注时液态金属充填铸型 的能力。
• 流动性好，充型能力强， 可得到形状复杂、轮廓清 晰的铸件，缺陷少，补缩 好；流动性差，易于产生 浇不足、冷隔。
0
C
– 影响流动性的因素
• 3、杂质和含气量：液态金属中出现的固态夹杂物，将使 液体的粘度增加，合金的流动性下降。所以合金成分中 凡能形成高熔点夹杂物的元素均能降低合金的流动性， 如灰铸铁中锰和硫，生成的MnS熔点高达1620℃，钢中 的MnO（1785℃）、SiO2 （1710℃）、Al2O3 （2050℃ ）等以及铝、镁合金中的氧化物夹杂，都会使合金的流 动性下降。
80 60 40
20
0 Pb 20 40 60 80 Sb
a）在恒温下凝固 b）在一定温度范围内凝固
结晶特性对流动性的影响
铁碳合金流动性与含碳量的关系
A
B
温度
E
C
铸铁流动性 （mm）
铸钢流动性 （mm）
400
300
200 100
过热50℃
0
Fe
1
2
过热150℃
34
56
C%
2000 1500 1000 500
材料热成形工艺基础（Ⅰ）
金属液态成形
金属液态成形
• 一、概述 • 二、液态成形理论基础 • 三、砂型铸造工艺 • 四、常用合金铸件的生产特点 • 五、特种铸造 • 六、铸件结构工艺性与工艺设计
一、概述
• 1、定义 • 2、砂型铸造的工艺过程 • 3、铸造生产的特点
Pouring Melt in the Mold→Solidification →Casting
• 铸造生产劳动强度大，生产条件差 (worse work condition)
铸件在机械产品中所占比重：在机床、内燃机、重型机械中，铸件约占 70%~90%；在风机、压缩机中占60%~80%；在拖拉机中占50%~70%， 在汽车中占20%~30%。
二、液态成形理论基础
• 1、液态金属的充型 能力