材料工程基础课件-第四章 金属的液态成形与半固态成形

适用于中、小型铸件的成批、大批量生产。
七、 特种铸造
为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在 砂型铸造的基础上，创造了多种其它的铸造方法；通常把 这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。
低压铸造
消失模 铸造
熔模铸造
压力铸造
七
种
常
见
特种铸造
金属型 铸造
的 特 种
铸
造
连续铸造
离心铸造
方 法
充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔 等缺陷。
2.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。
改善金属 有利于 的流动性
金属流动性 测试实验
实验如右图所示：
形成薄壁复杂的铸件 排除内部夹杂物和气体 加快凝固中液体的补缩
合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点
温度（℃）
（一）熔模铸造
熔模铸造又名“失蜡法铸造”是用易熔材料制成 模样，然后在模样上涂挂若干层耐火涂料制成型 壳，经硬化后再将模样熔化，排出型外，从而获 得无分型面的铸型。铸型经高温焙烧后即可进行 浇注。
1. 熔模铸造的工艺过程
蜡模制造 结壳
脱模
焙烧
浇注
熔模铸造过程示意图
2. 熔模铸造的主要特点及适用范围
3．成本低：（1）材料来源广； （2）废品可重熔； （3）设备投资低。
4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。
铸造方法受零件的尺寸、重量和复杂程度的限制较少； 可铸壁厚：0.3~1m 长度范围：几个毫米到几十米 质量范围：几克到几百吨
用铸造方法可以生产铸钢、铸铁、各种铝合金、铜合金、 镁合金、钛合金、锌合金等铸件。
合金的线收缩受到铸型、 型芯、浇冒系统的机械阻 碍而形成的内应力。
机械应力是暂时应力。
下型
2．热应力 由于形状复杂，厚薄不均，各部分的冷却速度不 同，
以至在同一时刻，铸件各部位收缩不一致而引起的内应力 称为热应力。热应力的形成过程如下图。
ⅡⅠⅡ
热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。 热应力是永久应力。
T1
S
表层 中心
2、合金的收缩
1. 收缩的概念 合金的收缩经历如下三个阶段：
（1）液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。 T浇 — T液
（2）凝固收缩 从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。 T液 — T固
（3） 固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。 T固 — T室
合金的总体积收缩为上述三个阶段之和。它和金属本 身的成分、温度和相变有关。
合金的收缩率
体收缩率：V
V铸型 V铸件 V铸 件
100%
体收缩率是铸件产生缩 孔或缩松的根本原因。
线收缩率： L
L铸型 L铸件 L铸 件
100%
线收缩率是铸件产生应 力、变形、裂纹的根本
原因。
2. 缩孔与缩松 液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩 减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些
2 ．冷裂 冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属 光泽或轻微氧化色。
冷裂的防止： 1）使铸件壁厚尽可能均匀； 2）采用同时凝固的原则； 3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的 含量，防止冷脆性。
六、 砂型铸造成形工艺
（一）手工造型
适用于单件、小批量生产
（二）机器造型
1)生产效率高; 2)铸型质量好（紧实度高而均匀、型腔轮廓清晰）; 3)设备和工艺装备费用高，生产准备时间较长。
目前，世界各国等轴晶叶片的生产通常利用真空环境 下的熔模铸造来解决这一技术难题。
(二)金属型铸造
又称硬模铸造，是将液体金属浇入金属铸型， 在重力作用下充填铸型，以获得铸件的铸方法。
金属型材料一般选用铸铁、碳素钢或低合金钢。
金属型铸造的工艺特点
1. 金属型预热 金属型预热温度主要通过试验来确定， 一般不低于150℃。 2. 刷涂料 金属型表面应喷刷一层耐火涂料（厚度为 0.3mm－0.4mm），以保护型壁表面，免受金属液的直 接冲蚀和热击。 3.浇注 由于金属型的导热能力强，因此浇注温度应比 砂型铸造高20℃－30℃。铝合金为680℃－740℃，铸铁 为1300℃－1370℃，锡青铜为1100℃－1150℃，对薄壁 小件取上限，对厚壁大件取下限。 4.开型时间 对于金属型铸造，要根据不同的铸件选用 合适的开型时间，具体数值需通过试验来确定。
金属型铸造的特点
1）金属型铸件冷却快，组织致密，力学性能高。 2）铸件的精度和表面质量较高 3）浇冒口尺寸较小，液体金属耗量减少，一般可 节约15%－30%。 4）不用砂或少用砂。 金属型铸造的主要缺点是金属型无透气和退让性， 铸件冷却速度大，容易产生浇不到、冷隔、裂纹 等缺陷。
(三)压力铸造
压力铸造（简称压铸）的实 质是在高压作用下，使液态 或半液态金属以较高的速度 充填金属型型腔，并在压力 下成型和凝固而获得铸件的 方法。常用压射压力为5－ 1500MPa，充填速度约5－ 5m/s，充填时间很短，约 0.01－0.2s。 压铸过程主要由压铸机来实 现。压铸机分热压室式和冷 压室式两类。
流动性（cm）
b
300
a
200
100 0
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
➢ 充型能力：
P充型↑
V流动↑
➢ 铸件的凝固方式：
充型能力↑
3. 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
永乐大钟通高5.5米，口径3.3米， 重约46吨，以“五绝”荣获“钟王” 之誉：
1.形大量重、历史悠久、历史内 涵最为丰富；
2.钟身内外整齐地铸有23万多字 的汉文、梵文佛经铭文，是铭文字 数最多的大钟；
3.有世界第一流的声学特性,轻 击，圆润、深沉，重击，纯厚、洪 亮,钟声悠雅感人,益寿延年,钟声可 传40～50公里；
（二）1）使铸件壁厚尽可能均匀； 2）采用同时凝固的原则； 3）采用反变形法。
（三）铸件的裂纹与防止
1 ．热裂
热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内 呈氧化色。
热裂的防止： 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 对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量， 防止热脆性。
能力越强。 （3）浇注系统的的结构
浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，充型能 力越差。
4.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。
（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
5、铸件结构
（1）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。
孔洞 。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。
1)缩孔和缩松的形成
2)缩孔和缩松的防止
常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序，使 铸件实现“顺序凝固”。
暗冒口
热节
冒口— 储存补缩用金属液的空 腔。其作用：补缩。冒口为铸件 的多余部份，在铸件清理时予以 切除。
顺序凝固— 铸件按照一定的次 序逐渐凝固。
（1）合金的结晶温度范围
凝固区
合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄， 愈倾向于逐层凝固 。
（2）铸件的温度梯度
在合金结晶温度范围已定的前 提下，凝固区域的宽窄取决与铸 件内外层之间的温度差。若铸件 内外层之间的温度差由小变大， 则其对应的凝固区由宽变窄 。
T浇 T液
T固
T室 成分
温度 温度
T2
S1
图4-8 热压室式压铸机工作原理
压铸的特点和应用
1. 压铸优点： 1）铸件的尺寸精度最高，表面粗糙度Ra值最小。 2）铸件强度和表面硬度都较高。 3）生产效率很高，生产过程易于机械化和自动化。
2. 压铸缺点： 1）压铸时，高速液流会包住大量空气，凝固后在铸 件表皮下形成许多气孔，故压铸件不宜进行较多余 量的切削加工，以免气孔外露。 2）压铸黑色金属时，压铸型寿命很低，困难较大。 3）设备投资大，生产准备周期长。
（四）实型铸造
实型铸造用聚苯乙烯泡沫塑料作模样，造好型 后不取出模样就浇入金属液，模样燃烧、气化并 消失，金属液占据原来塑料模所在的空间位置， 冷却凝固后形成铸件的铸造方法——消失模铸造。
（五）离心铸造
离心铸造的特点之一是铸型高速旋转。使铸型旋转的装置称 为离心铸造机，常简称离心机。
1）铸件的精度和表面质量较高，尺寸公差等级可达CT4-7， 表面粗糙度Ra值可达12.5mm-1.6mm。
2）适用于各种合金铸件。
3）可制造形状较复杂的铸件，铸出孔的最小直径为0.5mm， 最小壁厚可达0.3mm。
4）工艺过程较复杂，生产同期长，制造费用和消耗的材料费 用较高，多用于小型零件（从几十克到几千克），一般不超 过25kg。
在一般机器生产中，铸件占机器总质量的40%~80%，而 成本只占机器总成本的25%~30%。
在铸造生产中，铸铁件应用最广，约占铸件总产量的70%； 各种铸造方法中砂型铸造应用最为广泛，约占铸造总产量的 60%。
二、液态金属的充型能力与流动性
1. 充型能力
充型—— 液态合金填充铸型的过程。
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。
4.钟体力学结构设计合理。 5.铸造工艺精美绝伦而又朴实无 华，天人合一，是中华民族精神的 象征,中华民族的骄傲。 北京明朝永乐青铜大钟
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根据铸型的特点，或液态合金注入铸型方式及在铸型中 凝固成型过程的特点，可分为：砂型铸造、熔模铸造、 金属型铸造、压力铸造、离心铸造、连续铸造、实型铸 造、真空铸造等。
(二) 砂型铸造的工艺过程
型砂
铸
铸
模型
型
落
零
造
件
工
图
艺
熔化 浇注
合 冷却 箱 凝固
砂 、 清
检 验
铸 件
图
芯盒
型
理
芯砂
芯
砂型铸造生产过程
(三) 铸造生产的特点
1．可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的 制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。
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。
温度
1. 逐层凝固 2. 糊状凝固
ac
成分
固
表层
液
中心
表层 中心
铸件在结晶过程中，当结晶温度范围很宽，且铸
件截面上的温度梯度较小，则不存在固相层，固液两 相共存的凝固区贯穿整个区域。
三、 液态金属的凝固与收缩
1、铸件的凝固方式
温度 温度
1. 逐层凝固 2. 糊状凝固 3. 中间凝固
a bc
S
成分
固
（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。
三、 液态金属的凝固与收缩
1、铸件的凝固方式
1. 逐层凝固 a
温度
成分
固
表层
液
中心
纯金属和共晶成分的合金在凝固 中因为不存在固液两相并存的凝固区 ，所以固体与液体分界面清晰可见， 一直向铸件中心移动。
三、 液态金属的凝固与收缩
1、铸件的凝固方式
第二篇 材料的成形与加工
1、金属铸造与半固态加工 2、金属的塑性加工 3、粉末材料成形与固结 4、高分子材料的成形与加工 5、焊接与粘接
第四章 金属的液态成形与半固态成形
第一节 液态成形 第二节 半固态成形 第三节 快速凝固成形
一、概述
(一) 什么是液态成型（铸造生产）
将液态金属浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中，
表层
液
中心
固
表层
液
中心 表层 中心
凝固区
大多数合金的凝固是介于逐层凝固和糊状 凝固之间，称为中间凝固。
三、 液态金属的凝固与收缩
1、铸件的凝固方式
温度 温度
1. 逐层凝固 2. 糊状凝固 3. 中间凝固
a bc
液相线
S
液相线 固相线
影响铸件凝固方 式的主要因素 ：
成分
固
表层
液
中心
固
表层
液
中心 表层 中心
冷铁
热节：在凝固过程中，铸件 内比周围金属凝固缓慢的节 点或局部区域。
寻找热节的方法
等温线法 内切圆法
冷铁
同时凝固— 整个铸件几乎同时凝固。
三、 液态成形内应力、变形与裂纹
（一）液态成形内应力
铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻 碍，铸件内部即将产生内应力。
1.机械应力（收缩应力）
上型
待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。
砂型铸造原理
铸造产品
公元953年
河北沧州大铁狮
狮身高3.8米，头部高1.5米，通高5.3米，通长6.1米，身躯 宽3.17米。重约40吨。 据研究，这是古人采用一种特殊的“泥范明铸法”，分节 叠铸而成的。铁狮腹内光滑，外面拼以长宽三四十厘米不 等的范块，逐层垒起，分层浇注，共用544范块拼铸而成。