金屬液態(tài)成形原理專項培訓(xùn)課件

金屬液態(tài)成形原理

南昌航空大學(xué)航空制造學(xué)院金屬液態(tài)成形原理1

主要內(nèi)容

1液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)2鑄件凝固過程中的傳熱3液態(tài)金屬的結(jié)晶4鑄件凝固組織及控制5鑄件中的缺陷及其控制主要內(nèi)容1液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和2

本課程的理論基礎(chǔ)

物理化學(xué)金屬學(xué)原理冶金原理流體力學(xué)傳熱學(xué)本課程的理論基礎(chǔ)3

參考書

1、《鑄件形成理論基礎(chǔ)》，李慶春等，機械工業(yè)出版社，1982

2、《鑄件形成理論》，安閣英，機械工業(yè)出版社；19904、《金屬液態(tài)成形原理》，戴斌煜等，國防工業(yè)出版社，2010參考書1、《鑄件形成理論4

緒論0.1金屬液態(tài)成形的概念和特點金屬液態(tài)成形概念

金屬液態(tài)成形（又稱鑄造），是指將熔融金屬（合金）在重力場或其他外力場（壓力、離心力、電磁力、振動慣性力等）作用下澆入一定鑄型中，冷卻并凝固而獲得具有型腔形狀制品的成形方法。液態(tài)金屬凝固成形所獲得的制品稱之為鑄件。緒5金屬液態(tài)成形工藝流程金屬液態(tài)成形工藝流程6液態(tài)金屬成形特點1、適應(yīng)性強對任何大小的零件，從幾克重到幾百噸的零件；從僅0.2mm的薄壁零件，到數(shù)米厚度零件；從小到幾毫米，大到幾十米的零件；從形狀簡單到任意復(fù)雜的零件都可以通過鑄造方法制造出來。液態(tài)金屬成形特點7

2、適用材料范圍廣泛不僅金屬材料，幾乎所有工程材料，如陶瓷、有機高分子、復(fù)合材料等，特別是脆性材料都可采用液態(tài)成形技術(shù)。2、適用材料范圍廣泛8

3、成本低鑄件的形狀及尺寸與零件非常接近，因此可減少材料消耗和后續(xù)加工量可以大量利用廢、舊金屬材料和再生資源易于實現(xiàn)機械化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較高3、成本低9煉鋼澆注鑄件煉鋼澆注10典型鑄件缸蓋缸體典型鑄件缸蓋缸體11排氣管排氣管12輪轂輪轂13鑄造壓氣機葉片鑄造壓氣機葉片14軋鋼機機架（鑄鋼，400噸）軋鋼機機架（鑄鋼，400噸）15三峽工程用水輪機葉輪（450噸）三峽工程用水輪機葉輪（450噸）16特大型鋁合金鑄件凈重（2.7噸）特大型鋁合金鑄件凈重（2.7噸）17金屬液態(tài)成形的基本過程是充填鑄型和冷卻凝固。這兩個基本過程在各種不同條件下完成，形成多種鑄造技術(shù)與凝固技術(shù)。

液態(tài)金屬的充型過程是鑄件形成的第一個階段，使金屬材料獲得所要求的幾何形狀。許多鑄造缺陷都是在充型不利的情況下產(chǎn)生的。因此，了解并控制充型過程是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的重要條件。液態(tài)成形與凝固學(xué)金屬液態(tài)成形的基本過程是充填鑄型和冷卻凝液態(tài)成形與凝固學(xué)18凝固是鑄件成形過程的核心，它決定著鑄件的凝固組織和鑄造缺陷的形成，因而也決定了鑄件的內(nèi)在質(zhì)量和力學(xué)性能。這兩個基本過程在各種不同條件下完成，形成多種鑄造技術(shù)與凝固技術(shù)。凝固是鑄件成形過程的核心，它決定著鑄件的19凝固學(xué)——一門研究液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變過程的基本理論。

研究對象：凝固過程的傳熱、傳質(zhì)和液體流動。幾乎所有的金屬及合金在成為被人們使用的工件或器件以前都要經(jīng)過凝固階段。凝固理論的主要應(yīng)用——金屬液態(tài)成形（是一種非常經(jīng)濟的成形方法）。凝固學(xué)——一門研究液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變過程的基200.2凝固理論的研究進展金屬凝固理論的發(fā)展凝固技術(shù)的發(fā)展計算機的應(yīng)用0.2凝固理論的研究進展21金屬凝固理論的發(fā)展近代凝固理論大約經(jīng)歷了以下幾個階段：20世紀60年代前形成了完整的經(jīng)典凝固理論，主要包括：

完整晶體生長理論；晶體缺陷生長理論；成分過冷理論；凝固過程擴散場的理論解；兩相區(qū)流動效應(yīng)；平方根定律等。金屬凝固理論的發(fā)展2220世紀60年代后的較長一段時間內(nèi)，研究的重點放在經(jīng)典理論的應(yīng)用上。Chalmers等人提出“激冷等軸晶游離”理論，Jackson等人提出“枝晶熔斷”及“結(jié)晶雨”理論，用動態(tài)的觀點來研究和分析凝固過程，以此為指導(dǎo)有效地控制了結(jié)晶過程和凝固過程。20世紀60年代后的較長一段時間內(nèi)，研究的重23最新的凝固理論有：快速凝固理論凝固過程組織形態(tài)選擇的時間和歷史相關(guān)性復(fù)合材料凝固特性枝晶間距選擇的容許范圍等最新的凝固理論有：24凝固技術(shù)的發(fā)展在新的凝固理論指引下，凝固技術(shù)又有了長足的進步。典型代表就是定向凝固技術(shù)、快速凝固技術(shù)和復(fù)合材料的獲得。此外，還有金屬半固態(tài)成形技術(shù)等。凝固技術(shù)的發(fā)展在新的凝固理論指引下，凝固技術(shù)又有了長足25鑄造高溫合金渦輪發(fā)動機葉片單晶定向凝固柱狀晶等軸多晶體鑄造高溫合金渦輪發(fā)動機葉片單晶定向凝固柱狀晶26計算機的應(yīng)用

鑄件充型凝固過程計算機模擬仿真技術(shù)；

快速成形技術(shù)；過程和設(shè)備運行的計算機控制。計算機的應(yīng)用27充型-凝固過程數(shù)值模擬充型-凝固過程數(shù)值模擬28溫度場模擬溫度場模擬29應(yīng)力場模擬a)b)應(yīng)力分布的模擬結(jié)果a)原設(shè)計方案b)重新設(shè)計的方案應(yīng)力場模擬a)30鑄件微觀組織模擬石墨大小分布情況

布氏硬度分布情況

鑄件微觀組織模擬石墨大小分布情況布氏310.3我國鑄造技術(shù)的輝煌歷史我國鑄造技術(shù)有著悠久的歷史，早在5000多年前，鑄造技術(shù)就出現(xiàn)在了中華大地。鑄造技術(shù)被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、兵器制造、音樂藝術(shù)及人民生活等各方面，極大地推動了我國古代文明的進步。鑄造技術(shù)的發(fā)展史，是中華民族五千年文明發(fā)展史的重要組成部分。0.3我國鑄造技術(shù)的輝煌歷史我國鑄造技術(shù)有著悠久的歷史，321.我國古代青銅鑄造技術(shù)在我國古代，常用的鑄造工藝主要有范鑄法和失蠟法。范鑄法是用范組合成鑄型進行澆注的方法。石范鑄造范鑄法泥（陶）范鑄造金屬范鑄造1.我國古代青銅鑄造技術(shù)33

紋飾精美的陶范殘片紋飾精美的陶范殘片34

夏、商、周時期是人類青銅文化史上最為燦爛的時代。中國在金屬冶煉、鑄造以及合金技術(shù)、加工技術(shù)等方面都取得了極其偉大的成就。商代晚期青銅器鑄造技術(shù)進入鼎盛階段，青銅器已應(yīng)用在農(nóng)具、武器、禮器、生活用品等各個方面，鑄造了大量著名的青銅器鑄件。夏、商、周時期是人類青銅文化史上最為燦爛35

司母戊鼎

是中國目前已發(fā)現(xiàn)的最重的青銅器。司母戊鼎是中國商代后期王室祭祀用的青銅方鼎，1939年在河南省安陽出土。高133厘米、口長110厘米、口寬79厘米、重832.84千克。司母戊鼎是中國目前已發(fā)現(xiàn)36

四羊銅尊商晚期的貯酒器。1938年出土于湖南寧鄉(xiāng)，是我國現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的較大的方尊，高58.6厘米，重34.5公斤。四羊銅尊商晚期的貯酒器。37

我國的失蠟法至遲起源于春秋時期。1978年河南淅川下寺2號楚墓出土的春秋時代（公元前620年—前467年）的銅禁是迄今所知的最早的失蠟法鑄件。

我國的失蠟法至遲起源于春秋時期。382.我國古代的鑄鐵技術(shù)隨著我國古代鑄造技術(shù)的發(fā)展，春秋晚期發(fā)明了生鐵和鑄鐵技術(shù)，從此進入了鐵器文明時代。我國在公元前6世紀就發(fā)明了生鐵和鑄鐵技術(shù)，是世界上最早發(fā)明并使用生鐵的國家，比歐洲早了1800多年。2.我國古代的鑄鐵技術(shù)39

戰(zhàn)國中期，生鐵鑄件已經(jīng)成為主要的生產(chǎn)工具，此時鐵范（鑄鐵金屬型）也成為主流工藝，廣泛應(yīng)用于軍事和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

戰(zhàn)國興隆鐵范戰(zhàn)國中期，生鐵鑄件已經(jīng)成為主要的生產(chǎn)工戰(zhàn)國興隆鐵范40隋唐以后，鑄造技術(shù)得到進一步發(fā)展，向大型和特大型鑄件發(fā)展。著名的代表性鑄件如后周時期鑄造的河北滄州大鐵獅。隋唐以后，鑄造技術(shù)得到進一步發(fā)展，向大型413.我國鑄造的地位和成就鑄造行業(yè)是制造業(yè)的主要組成部分從2000年起，我國鑄件產(chǎn)量超越美國，連續(xù)11年位居世界第一3.我國鑄造的地位和成就鑄造行業(yè)是制造業(yè)的主要組成部分420.4未來鑄造技術(shù)的發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)的進步，鑄造技術(shù)的未來發(fā)展趨勢可分為以下幾個方面。

1、鑄件的特大型化我國國民經(jīng)濟高速增長，對能源、冶金、船舶、石化等工業(yè)提出了巨大的需求，這些行業(yè)重大裝備的特大型化對特大型鑄件的需求越來越迫切，對質(zhì)量的要求也越來越高。0.4未來鑄造技術(shù)的發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)的進步，鑄造技43

2、鑄件的輕量化為了減輕對資源消耗及環(huán)境污染的壓力，鑄件的輕量化已成為重要的發(fā)展趨勢。以汽車制造為例，汽車重量減輕10%，可使燃燒效率提高7%，并減少10%的污染。鑄件的輕量化一是材質(zhì)的輕量化，二是工藝的精確化。汽車工業(yè)、航空工業(yè)級國防工業(yè)廣泛采用輕合金是重要的發(fā)展趨勢。2、鑄件的輕量化44

3、鑄件的精確化傳統(tǒng)精確鑄造技術(shù)有：熔模鑄造、壓力鑄造、離心鑄造等。新的鑄造成形技術(shù)（凈終成形鑄造）有：消失模鑄造、定向凝固熔模鑄造、半固態(tài)鑄造、快速鑄造成形技術(shù)等等。3、鑄件的精確化45

4、數(shù)字化鑄造模擬仿真是材料科學(xué)與制造科學(xué)的前沿領(lǐng)域及研究熱點。5、網(wǎng)絡(luò)化鑄造在網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下，鑄造過程的模擬仿真將在新產(chǎn)品的研究與開發(fā)中發(fā)揮重要作用。4、數(shù)字化鑄造46

6、清潔化鑄造目前全世界每年產(chǎn)生廢棄物約250萬億噸。鑄造行業(yè)是消耗資源的大戶，已成為可持續(xù)發(fā)展政策和規(guī)劃的關(guān)注焦點，鑄造行業(yè)必須走清潔生產(chǎn)的道路。綠色鑄造是長期的努力方向及目標(biāo)。6、清潔化鑄造47“綠色鑄造”的目標(biāo)使鑄件從設(shè)計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個“產(chǎn)品生命”周期中，對環(huán)境的負面影響最小，資源效率最高，從而使企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益達到最優(yōu)化?！熬G色鑄造”的目標(biāo)48

思考題1、什么是鑄造（金屬液態(tài)成形）？鑄造生產(chǎn)的主要特點是什么？2、鑄造技術(shù)未來發(fā)展趨勢有哪些方面？思考題1、什49演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！50

金屬液態(tài)成形原理

南昌航空大學(xué)航空制造學(xué)院金屬液態(tài)成形原理51

主要內(nèi)容

1液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)2鑄件凝固過程中的傳熱3液態(tài)金屬的結(jié)晶4鑄件凝固組織及控制5鑄件中的缺陷及其控制主要內(nèi)容1液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和52

本課程的理論基礎(chǔ)

物理化學(xué)金屬學(xué)原理冶金原理流體力學(xué)傳熱學(xué)本課程的理論基礎(chǔ)53

參考書

1、《鑄件形成理論基礎(chǔ)》，李慶春等，機械工業(yè)出版社，1982

2、《鑄件形成理論》，安閣英，機械工業(yè)出版社；19904、《金屬液態(tài)成形原理》，戴斌煜等，國防工業(yè)出版社，2010參考書1、《鑄件形成理論54

緒論0.1金屬液態(tài)成形的概念和特點金屬液態(tài)成形概念

金屬液態(tài)成形（又稱鑄造），是指將熔融金屬（合金）在重力場或其他外力場（壓力、離心力、電磁力、振動慣性力等）作用下澆入一定鑄型中，冷卻并凝固而獲得具有型腔形狀制品的成形方法。液態(tài)金屬凝固成形所獲得的制品稱之為鑄件。緒55金屬液態(tài)成形工藝流程金屬液態(tài)成形工藝流程56液態(tài)金屬成形特點1、適應(yīng)性強對任何大小的零件，從幾克重到幾百噸的零件；從僅0.2mm的薄壁零件，到數(shù)米厚度零件；從小到幾毫米，大到幾十米的零件；從形狀簡單到任意復(fù)雜的零件都可以通過鑄造方法制造出來。液態(tài)金屬成形特點57

2、適用材料范圍廣泛不僅金屬材料，幾乎所有工程材料，如陶瓷、有機高分子、復(fù)合材料等，特別是脆性材料都可采用液態(tài)成形技術(shù)。2、適用材料范圍廣泛58

3、成本低鑄件的形狀及尺寸與零件非常接近，因此可減少材料消耗和后續(xù)加工量可以大量利用廢、舊金屬材料和再生資源易于實現(xiàn)機械化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較高3、成本低59煉鋼澆注鑄件煉鋼澆注60典型鑄件缸蓋缸體典型鑄件缸蓋缸體61排氣管排氣管62輪轂輪轂63鑄造壓氣機葉片鑄造壓氣機葉片64軋鋼機機架（鑄鋼，400噸）軋鋼機機架（鑄鋼，400噸）65三峽工程用水輪機葉輪（450噸）三峽工程用水輪機葉輪（450噸）66特大型鋁合金鑄件凈重（2.7噸）特大型鋁合金鑄件凈重（2.7噸）67金屬液態(tài)成形的基本過程是充填鑄型和冷卻凝固。這兩個基本過程在各種不同條件下完成，形成多種鑄造技術(shù)與凝固技術(shù)。

液態(tài)金屬的充型過程是鑄件形成的第一個階段，使金屬材料獲得所要求的幾何形狀。許多鑄造缺陷都是在充型不利的情況下產(chǎn)生的。因此，了解并控制充型過程是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的重要條件。液態(tài)成形與凝固學(xué)金屬液態(tài)成形的基本過程是充填鑄型和冷卻凝液態(tài)成形與凝固學(xué)68凝固是鑄件成形過程的核心，它決定著鑄件的凝固組織和鑄造缺陷的形成，因而也決定了鑄件的內(nèi)在質(zhì)量和力學(xué)性能。這兩個基本過程在各種不同條件下完成，形成多種鑄造技術(shù)與凝固技術(shù)。凝固是鑄件成形過程的核心，它決定著鑄件的69凝固學(xué)——一門研究液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變過程的基本理論。

研究對象：凝固過程的傳熱、傳質(zhì)和液體流動。幾乎所有的金屬及合金在成為被人們使用的工件或器件以前都要經(jīng)過凝固階段。凝固理論的主要應(yīng)用——金屬液態(tài)成形（是一種非常經(jīng)濟的成形方法）。凝固學(xué)——一門研究液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變過程的基700.2凝固理論的研究進展金屬凝固理論的發(fā)展凝固技術(shù)的發(fā)展計算機的應(yīng)用0.2凝固理論的研究進展71金屬凝固理論的發(fā)展近代凝固理論大約經(jīng)歷了以下幾個階段：20世紀60年代前形成了完整的經(jīng)典凝固理論，主要包括：

完整晶體生長理論；晶體缺陷生長理論；成分過冷理論；凝固過程擴散場的理論解；兩相區(qū)流動效應(yīng)；平方根定律等。金屬凝固理論的發(fā)展7220世紀60年代后的較長一段時間內(nèi)，研究的重點放在經(jīng)典理論的應(yīng)用上。Chalmers等人提出“激冷等軸晶游離”理論，Jackson等人提出“枝晶熔斷”及“結(jié)晶雨”理論，用動態(tài)的觀點來研究和分析凝固過程，以此為指導(dǎo)有效地控制了結(jié)晶過程和凝固過程。20世紀60年代后的較長一段時間內(nèi)，研究的重73最新的凝固理論有：快速凝固理論凝固過程組織形態(tài)選擇的時間和歷史相關(guān)性復(fù)合材料凝固特性枝晶間距選擇的容許范圍等最新的凝固理論有：74凝固技術(shù)的發(fā)展在新的凝固理論指引下，凝固技術(shù)又有了長足的進步。典型代表就是定向凝固技術(shù)、快速凝固技術(shù)和復(fù)合材料的獲得。此外，還有金屬半固態(tài)成形技術(shù)等。凝固技術(shù)的發(fā)展在新的凝固理論指引下，凝固技術(shù)又有了長足75鑄造高溫合金渦輪發(fā)動機葉片單晶定向凝固柱狀晶等軸多晶體鑄造高溫合金渦輪發(fā)動機葉片單晶定向凝固柱狀晶76計算機的應(yīng)用

鑄件充型凝固過程計算機模擬仿真技術(shù)；

快速成形技術(shù)；過程和設(shè)備運行的計算機控制。計算機的應(yīng)用77充型-凝固過程數(shù)值模擬充型-凝固過程數(shù)值模擬78溫度場模擬溫度場模擬79應(yīng)力場模擬a)b)應(yīng)力分布的模擬結(jié)果a)原設(shè)計方案b)重新設(shè)計的方案應(yīng)力場模擬a)80鑄件微觀組織模擬石墨大小分布情況

布氏硬度分布情況

鑄件微觀組織模擬石墨大小分布情況布氏810.3我國鑄造技術(shù)的輝煌歷史我國鑄造技術(shù)有著悠久的歷史，早在5000多年前，鑄造技術(shù)就出現(xiàn)在了中華大地。鑄造技術(shù)被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、兵器制造、音樂藝術(shù)及人民生活等各方面，極大地推動了我國古代文明的進步。鑄造技術(shù)的發(fā)展史，是中華民族五千年文明發(fā)展史的重要組成部分。0.3我國鑄造技術(shù)的輝煌歷史我國鑄造技術(shù)有著悠久的歷史，821.我國古代青銅鑄造技術(shù)在我國古代，常用的鑄造工藝主要有范鑄法和失蠟法。范鑄法是用范組合成鑄型進行澆注的方法。石范鑄造范鑄法泥（陶）范鑄造金屬范鑄造1.我國古代青銅鑄造技術(shù)83

紋飾精美的陶范殘片紋飾精美的陶范殘片84

夏、商、周時期是人類青銅文化史上最為燦爛的時代。中國在金屬冶煉、鑄造以及合金技術(shù)、加工技術(shù)等方面都取得了極其偉大的成就。商代晚期青銅器鑄造技術(shù)進入鼎盛階段，青銅器已應(yīng)用在農(nóng)具、武器、禮器、生活用品等各個方面，鑄造了大量著名的青銅器鑄件。夏、商、周時期是人類青銅文化史上最為燦爛85

司母戊鼎

是中國目前已發(fā)現(xiàn)的最重的青銅器。司母戊鼎是中國商代后期王室祭祀用的青銅方鼎，1939年在河南省安陽出土。高133厘米、口長110厘米、口寬79厘米、重832.84千克。司母戊鼎是中國目前已發(fā)現(xiàn)86

四羊銅尊商晚期的貯酒器。1938年出土于湖南寧鄉(xiāng)，是我國現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的較大的方尊，高58.6厘米，重34.5公斤。四羊銅尊商晚期的貯酒器。87

我國的失蠟法至遲起源于春秋時期。1978年河南淅川下寺2號楚墓出土的春秋時代（公元前620年—前467年）的銅禁是迄今所知的最早的失蠟法鑄件。

我國的失蠟法至遲起源于春秋時期。882.我國古代的鑄鐵技術(shù)隨著我國古代鑄造技術(shù)的發(fā)展，春秋晚期發(fā)明了生鐵和鑄鐵技術(shù)，從此進入了鐵器文明時代。我國在公元前6世紀就發(fā)明了生鐵和鑄鐵技術(shù)，是世界上最早發(fā)明并使用生鐵的國家，比歐洲早了1800多年。2.我國古代的鑄鐵技術(shù)89

戰(zhàn)國中期，生鐵鑄件已經(jīng)成為主要的生產(chǎn)工具，此時鐵范（鑄鐵金屬型）也成為主流工藝，廣泛應(yīng)用于軍事和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

戰(zhàn)國興隆鐵范戰(zhàn)國中期，生鐵鑄件已經(jīng)成為主要的生產(chǎn)工戰(zhàn)國興隆鐵范90隋唐以后，鑄造技術(shù)得到進一步發(fā)展，向大型和特大型鑄件發(fā)展。著名的代表性鑄件如后周時期鑄造的河北滄州大鐵獅。隋唐以后，鑄造技術(shù)得到進一步發(fā)展，向大型913.我國鑄造的地位和成就鑄造行業(yè)是制造業(yè)的主要組成部分從2000年起，我國鑄件產(chǎn)量超越美國，連續(xù)11年位居世界第一3.我國鑄造的地位和成就鑄造行業(yè)是制造業(yè)的主要組成部分920.4未來鑄造技術(shù)的發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)