金属液态成形
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
金属的液态成形
金属的液态成形是一种先进的金属加工技术，它利用金属在高温下的液态特性，通过流动、填充、形变等方式对金属进行成形加工。
相比于传统的固态成形技术，液态成形具有以下优点：可以获得更高的成形精度和表面质量；可以实现复杂形状的制造；可以减少工艺环节和加工时间；可以节约材料和能源。
液态成形技术主要包括铸造、挤压、浇铸、注射成形等多个领域，其中挤压和注射成形是目前发展最快的两个领域。
液态成形技术在汽车、航空航天、造船、军工、能源等领域得到了广泛的应用，成为现代工业生产中不可或缺的一部分。
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金属的液态成形
金属的液态成形
金属的液态成形是现代制造业中一种重要的工艺。
它利用金属的熔融
中性，通过注射、挤压、铸造等操作，将金属材料精确地成形。
以下
是液态成形的步骤。
第一步，准备金属材料。
在液态成形过程中，首先需要准备好金属材料。
不同的成形工艺需要不同的金属材料。
一般情况下，常见的液态
成形材料有铝、铜、镁、钢等。
第二步，加热金属材料。
将金属材料加热到其熔点以上，使其成为液态，从而为后续加工过程做好准备。
这一步中需要注意金属材料的熔
点和其他性质，避免出现烧结、氧化等现象。
第三步，选择成形工艺。
根据金属材料的特性，以及生产需求，选择
不同的成形工艺。
一般来说，液态成形工艺分为注射、挤压、铸造等。
第四步，进行液态成形操作。
在进行液态成形操作时，需要注意操作
人员的专业技能和经验水平，尤其是对于一些高难度和高风险的操作。
操作中需要注意安全，配合机械和设备运转，精确控制工艺参数和加
工速度。
第五步，进行收尾工作。
当液态成形结束后，需要对设备和金属材料
进行清洗、维修和保养等收尾工作，确保设备和材料的安全可靠，以
及生产线的正常运转。
总体来说，液态成形在现代制造业中扮演着重要的角色，是现代制造
业的重要组成部分。
液态成形工艺的精细化、自动化和智能化也正在不断提高，使其在新时代更加高效、安全、环保和持续发展。
金属液态成形工艺原理
H0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi （2 - 1）
1. 充填下半型 设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：
H0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi
式中：
P杯 —— 浇口杯液面压力 P腔 —— 型腔内的液面压力 v杯 —— 浇口杯液面金属流动速度 v内 —— 内浇口出口金属流动速度 hi —— 浇注系统中某段的流体压头损失
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
三、计算结果
计算条件： a. 浇注系统为充满流动
封闭式浇注系统； 对于开放式的型腔液面要淹过内浇道。
b. 浇口杯液面保持不变
c. 型腔内压力与外界相同，即砂型透气性要好，有排气孔
1. 充填下半型 设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：
γ —— 重度（=ρg）
2. 充填上半型 设充填上半型时需要金属液m2，充填时间为t2。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程：
H0
P杯
v杯2 2g
0
P内
v内2 2g
hi
3. 充填整个铸型
设充填时需要金属液m，充填时间为t，则
m
F内 t 2gH均
式中 m为充填铸型所需金属液； t为充填时间； 为流量系数； H均为充型平均静压头。
学的规律在一定程度上也适用于液态金属的流动过程。
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算 一、浇注系统的结构
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
一、浇注系统的结构
浇注系统：引导金属液进入和充满型腔的一系列通道。
金属液态成形是将液态技术浇注到与零件的形状
1.金属液态成形是将液态金属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，以获得毛坯或零件的方法。
（砂型铸造和特种铸造两大类）2.铸件的凝固方式：逐层凝固、糊状凝固、中间凝固。
3.浇注条件：包括浇注温度、充型压力和浇注系统的结构。
4.合金收缩的三个阶段：1）液态收缩2）凝固收缩、3）固态收缩5.生产上防止热裂的措施：1）应尽量选择凝固温度范围小、热裂倾向小的合金。
2）应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。
3）浇注系统的设计要合理。
4）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，防止热脆性。
6.在铸造生产中，用应尽量选择共晶成分或凝固温度范围小的合金作为铸造合金。
7.影响铸件的凝固方式的主要因素是合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度8.合金收缩率是衡量合金铸造性能优劣的主要指标之一9.体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因；线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因10.缩孔形成条件：合金在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件以逐层凝固的方式凝固11.防止缩孔工艺措施：就是控制铸件的凝固次序，使铸件实现顺序凝固12.液态成形内应力是铸件产生变形和裂纹的主要原因13.消除残余应力：进行应力退火，自然时效处理14.凡是减小铸件内应力或降低合金脆性的因素均能防止冷裂15.根据碳在铸铁中的存在形式分类：白口铸铁、麻口铸铁、灰铸铁。
16.根据铸铁中石墨形态分为：普通灰铸铁HT 可锻铸铁KT 球墨铸铁QT 蠕墨铸铁RuT17.铸钢分为铸造碳、铸造合金刚，其铸造性能差18.铸造工艺设计内容：铸件浇注位置和分型面的选择，工艺参数的确定，型心的数量，芯头形状及尺寸的确定，浇冒口系统、冷铁等形状、尺寸及在铸型中的布置等的确定19.塑性成形（压力加工）：在外力作用下，使金属坯料产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸零件的成形方式。
其基本成形方式有轧制、挤压、冷拔、自由锻、模锻、板料冲压20.铸型分型面是指铸型间相互接触的表面单晶体的塑性变形主要通过滑移<位错>和孪生<转动>两种方式多晶体的塑性变形晶内分为滑移和孪生，晶间为晶粒的滑动和转动随着冷变形程度的增加，材料的力学性能也会随之发生改变金属强度硬度提高，塑性和韧性下降，称为冷变形强化，又称加工硬化，消除方式：回复再结晶金属的可锻性是指金属材料在压力加工时成形的难易程度，用（塑性），（变形抗力）两个指标衡量影响金属可锻性的因素包括金属的本质和变性条件金属塑性变形的基本定律：体积不变定律和质量守恒定律焊接是通过加热或加压或两者皆有，在使用或不使用填充材料的情况下，使两个分离金属表面的原子达到晶格距离，并形成金属键而获得不可拆接头的材料连接方法。
金属的液态成形
金属的液态成形
金属的液态成形是一种常见的金属加工方式，它利用高温使金属达到液态状态，然后通过模具的成形使其恢复原来的形状。
这种加工方式可以制造出各种各样的金属制品，如汽车发动机的零部件、航空飞行器的机身等。
液态成形的好处在于可以制造出更为精密的零部件，也可以减少材料的浪费，提高生产效率。
液态成形还可以应用于金属的再加工，如淬火、退火等，使其性能得到进一步的提升。
同时，液态成形也面临着一些挑战，如必须控制温度、压力等参数，否则可能会导致制品出现缺陷。
因此，液态成形需要高超的技术和精密的设备，才能确保制品的质量和性能。
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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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2018年4月2日11:22
1.什么是金属液态成形？
金属液态成形也就是铸造，是将液态金属在重力或者其它外力作用下充填到型腔，待其凝固冷却后获得所需形状和尺寸的毛皮或零件（铸件）的工艺过程；
2.流动性
熔融合金的流动性是指其自身的流动能力。
流动性好则充填铸型能力强，尺寸易精确，外形完整，轮廓清晰；流动性不好会出现浇不足、冷隔、气孔、夹杂等缺陷；薄壁铸件对之尤其敏感。
灰铸铁、硅黄铜最好，铝硅合金次好，铸钢最差；
3.充型能力
充型能力是指熔融合金充满型腔获得轮廓清晰、形状完整的铸件的能力，与流动性、浇注条件、铸型条件等有关；
4.纯金属和共晶合金为逐层凝固，流动性好，其它成分金属随着结晶范围加大流动性变差；
5.提高浇注温度获得较大过热度有利流动充型，但不宜过高；增大充型压力、提高浇注速度有利流动充型；预热铸型、减少发气、改善透气、简化结构等等有利于充型；
6.收缩
合金收缩分为液态收缩，凝固收缩，固态收缩。
前二者合称体收缩，后者为线收缩；收缩率与金属性质有关。
浇注温度高，过余温度大，液态收缩加剧；结构复杂、铸型、型芯硬度高的逐渐收缩阻力大；实际线收缩比自由线收缩率小一些；
7.缩孔
在凝固收缩的过程中，液态收缩、凝固收缩、固态收缩造成体积不断减小，凝固收缩不能得到液态金属的有效补缩，最后凝固部分处出现倒锥形缩孔；纯金属与共晶合金逐层凝固易形成缩孔，按温度梯度顺序凝固的最后部分易缩孔，过余温度大液态收缩、凝固收缩大易形成缩孔；
8.缩松
结晶范围宽的金属以糊状凝固方式进行，一般聚集于中心轴线处、热节
处、冒口根部或缩孔下方；温差小的同时凝固条件容易形成缩松；
9.缩孔和缩松一般产生于凝固缓慢的厚壁热节处
10.缩孔和缩松的防止
采用加冷铁和补缩冒口的方式，形成一定的温度梯度，使铸件“定向凝固”，将缩松尽可能转化为缩孔并使缩孔转移到冒口中；
11.铸造内应力
铸造内应力分为热应力和机械应力，铸造内应力产生的原因是凝固之后的固态收缩过程中收缩收到阻碍。
铸造应力会造成铸件铸件变形；
12.铸造热应力
由于铸件壁厚不均匀、冷却速度不同，铸件各部分收缩不一致，因此产生热应力；一般情况下，薄壁处率先冷却受压，厚壁处后冷却受拉；
13.机械应力
固态收缩时，线收缩受到铸型或者型芯的阻碍，形成拉伸或者剪切应力，机械应力在落砂后可自行消除。
14.减小或消除应力的措施
采取同时凝固的方式，避免凝固顺序的不一致性，减小热应力，但是这会产生缩松，应该有所权衡；改善铸型和型芯的退让性，减小机械应力；加热到550至600摄氏度实施去应力退火，可以基本消除参与内应力；
15.铸件变形的防止
减小铸造内应力或者用对称结构让内应力抵消可以防止变形；利用反变形法，在变形方向上预先设计形状补偿变形；设置防变形肋板；在切削加工前实施去应力退火，消除内应力；
16.热裂纹及其减小
铸件在凝固末期已经具有完整的固态骨架，由于铸型和型芯的阻挡，会造成机械应力，一旦机械应力超过高温下的强度极限，那么就会导致热裂纹的产生；热裂纹短而宽，形状曲折，缝内有氧化色；结晶范围大的合金容易产生热裂纹。
应该尽量使用热裂倾向小的合金，改善铸件结构，改善铸型和型芯的退让性；
17.冷裂纹及其减小
在较低温度下，铸造内应力超过材料强度极限就会产生冷裂纹；冷裂纹细小连续呈光滑直线状，多出现于受拉应力部位；脆性大、塑性差的材料容易产生冷裂纹；因此可以用减小脆性的方法减小冷裂纹，比如减小磷的含
量；
18.常见的铸造缺陷有浇不足（形状不完整）、冷隔（完整但有未融合裂缝）、缩孔、缩松、夹砂、变形、裂纹、粘砂、胀砂等等；
18.砂型铸造的造型分为手工造型和机器造型。
手工造型分为田沙、紧实、起模。
手工造型的具体方法有两箱造型、三箱造型、地坑造型、脱箱造型（合型后取出砂箱只留下砂型，浇注时可加套箱固定。
）；整模造型、挖砂造型、假箱造型、分模造型、活块造型、刮板造型等等；
19.机器造型中的震压造型的过程是装砂、震击、压实和起模，起模方法有顶箱、漏模和翻转，其特点是采用模板造型和两箱造型；
20.造芯时其内部有通气道，中间有芯骨，一般烘干使用；
21.砂型的铸造工艺设计
1）浇注位置选择
重要加工面应该位于下面或者侧面；宽大平面应该朝向下方；大面积薄壁应该处于铸型下部，处于垂直或者倾斜位置；易产生缩孔的铸件的粗大部分应该处于上部或者侧面，便于与冒口配合；尽量减少型芯数量便于安放固定和排气；
2）分型面的选择
便于起模，最好在最大截面处、尽量平直、数量尽量少尽量避免活块和使用型芯；尽量是重要加工面和加工基准面处于同一砂箱内保证精度；尽量使型腔和主要型芯位于下型；
22.铸件工艺参数的确定
铸件的工艺参数包括机加工余量（手册）和最小铸出孔（表，一般30-50左右），起模斜度（一般15分到3度）、收缩率（铸铁1%）、型芯头（分为水平型芯头和垂直型芯头）；
23.铸造工艺图
铸造工艺图应该包括浇注位置、分型面、加工余量、起模斜度、收缩率、浇冒系统、冷铁布置、型芯等；
24.铸件结构工艺性
1）外形力求简单
避免铸件外形侧凹，减少分型面；尽可能使分型面平直；加强肋与凸台的设计应该不妨碍起模；铸件侧壁应该有起模斜度；
2）内腔简单
尽量少或不用型芯；使用型芯应该便于型芯的固定、定位、排气和清理；3）铸件壁厚适度
壁厚要大于最小铸造壁厚（查表）；壁厚也不应该过厚，防止晶粒粗大和缩孔缩松；壁厚应该力求均匀；利于实现定向凝固；
4）壁间连接
转弯处应为圆角；不同壁厚厚度要逐步过渡；连接要避免交叉和锐角；轮辐避免收缩受阻，可取奇数艮或者采用弯曲轮辐；
5）避免过大水平面，有的要改成斜面锥面等等
6）可采用加强肋和对称式的结构起到加强作用
25.特种铸造
1）熔模铸造
熔模铸造又称失蜡法，或者熔模精密铸造，具有较高的尺寸精度和表面质量；
熔模铸造的一般步骤是制造蜡模、制造型壳（石英粉、水玻璃、氯化铵溶液）、热水中脱蜡、焙烧型壳、浇注、脱壳清理；
熔模铸造适用于生产叶轮叶片、切削刀具、飞机汽车等上的小型零件；2）金属型铸造
金属型铸造是在重力作用下将液态金属浇注进金属铸型中获得铸件的方法；
金属型分为水平分型、垂直分型和复合分型三种结构；
金属型的工艺过程应该注意铸型排气、铸型涂料、铸型预热和开型时间；其优点是尺寸精度高、表面粗糙度小、冷却快因此晶粒小，一型多铸效率高；
其缺点是透气性差、退让性差、铸造形状简单；
3）压力铸造
压力铸造是将熔融合金在高压条件下高速充型，并在压力下凝固成形的精密铸造工艺；
根据坩埚与压室是否连在一起，压铸机分为冷压室压铸机和热压室压铸机，进而分为立式和卧式压铸机；
其优点是精度高、表面质量好、金属充型能力好、晶粒细小强度硬度高、可压铸形状复杂零件；
其缺点是容易产生缩松，尺寸受限，设备成本比较高；
4）低压铸造
低压铸造是指液态金属在较低压力作用下由下而上充填型腔，并在压力下凝固成铸件的方法；
5）离心铸造
离心铸造是将熔融金属浇入旋转的铸型中，在离心力的作用下充填铸型并凝固成形的一种方法；
6）此外还有挤压铸造（液态模锻）、实型铸造等等。