材料工程基礎(chǔ)：2-1 金屬的液態(tài)成形

1、第二篇 材料的成形與加工 在第一部分的內(nèi)容中，已經(jīng)講述了材料制取與合成，工藝與方法，包括三部分： 材料的熔煉；粉末材料制備；高分子材料的聚合 制取的這些材料為適用于不同的用途，需進(jìn)一步深加工成實(shí)用的材料，制品或器件。材料的加工成形成為材料制備工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 這一大部分內(nèi)容中將涉及以下五大內(nèi)容： 液態(tài)成形（金屬鑄造） 塑性加工方法粉末材料的成形與固結(jié)高分子材料的成形與加工材料連接第二章 金屬的液態(tài)成形與半固態(tài)成形 2.1 液態(tài)成形2.2 半固態(tài)成形2.3 快速凝固成形 2.1.1 概述2.1.2 液態(tài)成形合金的性能2.1 液態(tài)成形 1合金的充型能力 2合金收縮3鑄造應(yīng)力、變形和裂紋4合金的偏

2、析及吸氣性2.1.3 液態(tài)成形方法1砂型鑄造2特種鑄造（1）熔模鑄造（精密鑄造） （2）金屬型鑄造（3）壓力鑄造（4）實(shí)型鑄造（5）離心鑄造2.1.1 概述 液態(tài)成形指將材料熔化成一定成分和一定溫度的液體，然后在重力和外力作用下澆入到具有一定形狀和尺寸的型腔中，經(jīng)冷卻凝固后形成所需要的零件的技術(shù)。 1液態(tài)成形的特點(diǎn) 適用性強(qiáng)，工藝靈活性大。如最薄0.2mm, 最厚1m，最長10m。 成形尺寸精度高 成本低 零件的力學(xué)性能較差，尺寸的均一性差 液態(tài)成形過程勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)條件較差，生產(chǎn)率較低 2液態(tài)成形的發(fā)展 歷史悠久。追溯到5000年的夏商初期，青銅、公元前6世紀(jì)我國發(fā)明了生鐵、鑄鐵技術(shù)隋、唐

3、以后掌握了大型鑄件的鑄造技術(shù)，如公元935年河北滄州大鐵獅 當(dāng)今應(yīng)用廣泛，研究和發(fā)展成就豐碩。例如，我國成世界鑄件生產(chǎn)大國。1998年，我國鑄件產(chǎn)量為1250萬噸，居世界第二。 掌握凝固過程與鑄件組織、性能之間的關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)控制凝固技術(shù)。如定向凝固，單晶技術(shù)，快速凝固技術(shù)。鑄件輕量化、薄壁化和優(yōu)質(zhì)化成為趨勢。工藝和設(shè)備的發(fā)展 信息化 3液態(tài)成形的基本工藝流程 2.1.2 液態(tài)成形合金的性能 1合金的充型能力 充型能力：指液態(tài)合金充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的健全鑄件的能力。1合金的充型能力 2合金收縮3鑄造應(yīng)力、變形和裂紋4合金的偏析及吸氣性影響充型能力的因素：合金流動性通常以螺旋形

4、試樣長度來測量。 見圖示42。澆注條件溫度，充型壓力、澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)鑄鐵 12501420鑄鋼 15201620鋁合金 680780鑄型性質(zhì)及結(jié)構(gòu)鑄型的導(dǎo)熱、比熱容，造成的冷卻能力，鑄型排氣能力。2合金收縮 （1）收縮的概念：指體積和尺寸縮小現(xiàn)象。 用體收縮和線收縮表示： 體收縮率： 線收縮率： 合金從澆注溫度的液態(tài)常溫，經(jīng)歷液態(tài)凝固固態(tài)三階段收縮，總收縮率為上述三階段之和，與合金的成分、澆注溫度和相變有關(guān)。合金收縮過程示意圖如圖4-3所示。一些典型合金的體收縮率見表4-1（2）縮孔與縮松 縮孔：在鑄件上部或最后凝固的部位出現(xiàn)的容積較大的孔洞?？s松：由于合金液結(jié)晶溫度范圍很寬和溫度梯度小，隨樹枝

5、晶長大，枝晶分割成的許多小熔池，在凝固最后收縮得不到補(bǔ)充形成的分散性孔洞。防止縮孔與縮松的措施結(jié)晶溫度范圍窄的合金采取順序凝固方式，冒口最后凝固；結(jié)晶溫度范圍寬的合金采取同時凝固方式；凝固在加壓或熱等靜壓下進(jìn)行。3鑄造應(yīng)力、變形和裂紋 （1）鑄造應(yīng)力： 鑄件凝固過程中由于凝固順序和溫度不均一，使各種收縮受阻而在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力。收縮應(yīng)力、熱應(yīng)力、相變應(yīng)力。 收縮應(yīng)力：鑄件在固態(tài)收縮時，因受鑄型、砂芯、澆冒口等外力阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。一般為拉應(yīng)力，可以消除。熱應(yīng)力：鑄件在冷卻過程中因不同部位冷卻速度不同，收縮不均衡而形成的應(yīng)力。相變應(yīng)力：合金內(nèi)部發(fā)生固態(tài)相變，鑄件各部分體積產(chǎn)生不均衡變化引起的應(yīng)

6、力。減少和消除鑄造應(yīng)力的措施。使鑄件各部分溫度均勻，同時凝固；可安放冒口、冷鐵或調(diào)整內(nèi)澆口位置，提高鑄型和芯子的退讓性.設(shè)計合理鑄件結(jié)構(gòu)使壁厚均勻，結(jié)構(gòu)對稱等；選用E和L小的材料；對鑄件進(jìn)行時效熱處理。 冷卻凝固在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生的殘留應(yīng)力要自發(fā)的通過變形來減少或消除。受拉應(yīng)力處內(nèi)凹，受壓應(yīng)力處外凸。 防止措施：減少鑄造應(yīng)力，采取反變形法等。（2） 變形：（3） 裂紋：鑄造應(yīng)力超過材料強(qiáng)度極限產(chǎn)生的裂紋，分為熱裂和冷裂常發(fā)生在鑄件拐角、截面突變處等應(yīng)力集中處或最后凝固部位。熱裂：結(jié)晶溫度范圍內(nèi)固相線附近形成。斷口氧化嚴(yán)重，無金屬光澤。裂口沿晶界產(chǎn)生發(fā)展，外形曲折而不規(guī)則。冷裂：鑄件處于彈性或較低溫

7、度時形成的。斷口表面有金屬光澤或輕度氧化色，裂口寬度均勻，走向平滑，且往往穿過晶粒。4合金的偏析及吸氣性 指鑄件各部分化學(xué)成分的不均勻現(xiàn)象。微觀偏析： 晶粒范圍內(nèi)化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。有枝晶、胞狀和晶界偏析?？赏ㄟ^高溫擴(kuò)散退火和晶?；杏幚矶?。宏觀偏析： 鑄件各部位之間的化學(xué)成分的差異。有正、反、比重偏析。如快速冷卻調(diào)整鑄件各處溫差，降低有害元素含量可防止偏析產(chǎn)生。（1）合金的偏析（2）合金的吸氣性侵入性氣孔。澆鑄過程鑄形和型芯受熱產(chǎn)生氣體及型腔中空氣侵入形成氣孔，量少,體積大，常出現(xiàn)在鑄件表面或靠近型芯的表面處。析出性氣孔。為溶解于合金液中氣體，在冷凝過程中，溶解度下降析出的。主要是氫氣

8、和氮?dú)饪住Ｖ睆叫∮?mm，多而分散在某部分的整個斷面。反應(yīng)性氣孔。澆入鑄形的金屬液與鑄形材料冷鐵、熔渣間反應(yīng)或金屬液內(nèi)部成分間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成。前者又稱皮下氣孔，直徑為13mm，分布于鑄件表皮下13mm處；后者在鑄件內(nèi)部均勻分布。凝固前氣體來不及排除，在鑄件中產(chǎn)生的氣孔現(xiàn)象2.1.3 液態(tài)成形方法 主要方法包括：砂型鑄造特種鑄造基本工藝流程見圖4-11砂型鑄造 （1）粘土型砂 原料原 砂 石英砂粘結(jié)劑 普通粘土和膨潤土（K、Na、Ca、Al）粘土：層狀硅酸鹽（高嶺石）4Al2O3.4(SiO2).(OH)8.2H2O 制備與造型制備將原砂、黏土、添加物在混砂機(jī)中干混，再加水或液體黏結(jié)劑濕混合，

9、混合均勻，使黏土以薄膜形式包敷在砂表面。造型手工、機(jī)械膨潤土(Bentonite)是以蒙脫石為主的含水粘土礦, 分子式為:Nax(H2O)4 (AI2-xMg0.83) Si4O10) (OH)2 （2）水玻璃砂 以水玻璃為粘結(jié)劑的一種型砂，廣泛應(yīng)用于鑄鋼，常用的是CO2硬化砂的水玻璃砂。其實(shí)質(zhì)是CO2促進(jìn)水玻璃形成網(wǎng)狀膠凝。（3）有機(jī)粘結(jié)劑砂主要用于制作砂芯。與粘土砂芯，水玻璃芯比較，出砂性好,干強(qiáng)性好，表面質(zhì)量好。按粘結(jié)劑種類可分為植物油砂、合脂砂和樹脂砂。2特種鑄造 熔模鑄造金屬型鑄造壓力鑄造實(shí)型鑄造離心鑄造低壓鑄造（1）熔模鑄造（精密鑄造） 指用易熔性材料制作模樣，在模樣上包覆多層耐火

10、材料，經(jīng)酸化、干燥制成殼，然后熔失模樣再將空心殼高溫焙燒后，澆注合金液于其中而獲得鑄件的方法。 工藝過程制造壓型制熔模制殼脫熔模焙燒熔模殼澆注清理 模料的類型與特點(diǎn)2. 取出易熔模1. 注射易熔模料3. 組合4. 涂抹耐火涂料2. 取出易熔模5. 模組撒砂6. 涂完料的模組7. 脫蠟焙燒8. 澆注9. 清殼切割10.鑄件11. 熔模 特點(diǎn)： 尺寸精度高（CT4-7，Ra1.612.5um, 0.3mm厚, 0.5mm ）適用各種合金鑄件，尤其高熔點(diǎn)，難加工件工藝復(fù)雜，成本高。 應(yīng)用： 適用于各類零部件 （2）金屬型鑄造 指用自由澆注的方法將熔融金屬澆入由鑄鐵或鋼制造的鑄型中而獲得鑄件的一種鑄造

11、方法。 金屬型結(jié)構(gòu) 鑄造工藝 預(yù)熱（200350）型腔和金屬芯表面噴涂料0.10.5mm開型取件溫度高：Al合金 450500Mg合金 350400鑄 鐵 850950金屬型上要有良好的排氣系統(tǒng)澆注溫度較砂型高1020 特點(diǎn)與應(yīng)用 特點(diǎn)：一型多鑄，勞動生產(chǎn)率高，勞動條好，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化；鑄件尺寸精度高,表面質(zhì)量好(CT6-9級，Ra3.2-12.5um),切削加工余量小金屬型冷卻速度大，鑄件組織致密，力學(xué)性能好；鑄造工序簡化，工藝條件較易控制，因此鑄件質(zhì)量穩(wěn)定，廢品率低。金屬型制造成本高，周期長，不宜鑄造復(fù)雜、大型、薄壁鑄件和高熔點(diǎn)合金鑄件缺點(diǎn)用途金屬型鑄造主要應(yīng)用于大批量生產(chǎn)形狀簡單的

12、有色合金鑄件，如活塞、氣缸體、軸瓦、軸套等。鑄鐵的金屬型鑄造也有一定發(fā)展，但鑄件尺寸、質(zhì)量不宜太大(小于15kg)。（3） 壓力鑄造 液態(tài)或半液態(tài)金屬澆入壓鑄機(jī)壓室，使它在高壓和高速下充填鑄型，并在高壓下結(jié)晶凝固而獲得鑄件的一種鑄造方法。 壓鑄機(jī) 壓鑄機(jī)：由壓射機(jī)構(gòu)（高速、高壓充型） 和合型機(jī)構(gòu)（開合壓鑄型 ）組成。熱壓室壓鑄機(jī)冷壓室壓鑄機(jī) 熱壓室壓鑄機(jī)冷壓室壓鑄機(jī) 演示演示 壓鑄型及其結(jié)構(gòu) 熱壓室壓鑄機(jī)演示冷壓室壓鑄機(jī) 壓力鑄造工藝規(guī)范 壓力鑄造工藝特點(diǎn)及應(yīng)用 壓鑄比壓：據(jù)合金與鑄件結(jié)構(gòu)選擇，一般30-80MPa充填速度：導(dǎo)入型腔的速度，一般10-40m/s充填和持壓時間：充填0.01-0.

13、2s；持壓1-3s澆注溫度：比常規(guī)低40-80 壓鑄型預(yù)熱鑄件尺寸精度高可以制造出薄臂、形狀復(fù)雜精密的鑄件鑄件組織細(xì)小，強(qiáng)度較型砂鑄件高25-40%生產(chǎn)率高，可實(shí)現(xiàn)半自動和自動化（4） 實(shí)型鑄造 用泡沫聚苯乙烯塑料模代替木?；蚪饘倌?，在其上涂一層涂料，干燥后造型，造型后不取出模樣而直接澆注金屬液，在金屬液作用下模樣汽化消失，金屬液取代了模樣，冷卻凝固后即可獲得鑄件的方法。 實(shí)型鑄造工藝過程 造型方法 普通鑄造造型干砂造型磁型造型干砂負(fù)壓造型見圖4-10（5） 離心鑄造 將金屬液澆注入離心鑄造機(jī)的旋轉(zhuǎn)鑄型中，使之在離心力的作用下充填型腔并凝固成型的方法。 離心鑄造工藝見圖4-13鑄型鑄型轉(zhuǎn)速澆注工藝 離心鑄造的特點(diǎn)鑄件致密度高，氣孔夾渣等缺陷少，機(jī)械性能好。生產(chǎn)中空鑄件時，可不用砂芯和澆冒系統(tǒng)，金屬利用率達(dá)94以上。便于制造筒套管輥類雙金屬層或