材料成型工艺学 金属凝固分析

二、金属液态成形主要工艺方法

2. 成形方法

◆在砂型铸造中，按造型方法分为：

手工造型一般机器造型高压造型（高密度造型）

◆在特种铸造中，按成形方法分为：

金属型铸造压力铸造离心铸造低压铸造

熔模铸造连续铸造真空吸鋳挤压铸造

负压实型铸造等

各种铸造方法都有其特点和应用范围

负压实型铸造

金属液态成形过程铸件性能：

◆合金性能

◆铸型性能

◆工艺控制

凝固方式：

◆重力场凝固

◆非重力场凝固

●压力铸造

●离心铸造

●挤压铸造

●电磁场

◆快速凝固

金属液态成形过程

铸型种类：

◆砂型

◆金属型

◆陶瓷型

◆石膏型

◆壳型

三、金属液态成形工艺的新技术

1、知识经济和高技术对铸造行业的影响

技术特征先进制造技术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

精确铸造成形

金属熔体的纯净化、致密化

数字、网络化数字造型

虚拟制造

网络制造

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

人工智能在铸造生产中的应用

1、知识经济和高技术对铸造行业的影响

技术特征先进制造技术形成的先进铸造技术

柔性、集成化

柔性制造

计算机集成制造

快速易重组制造

铸造过程的柔性制造

铸造过程的计算机集成制造系统

快速换模技术

交叉、综合化

并行制造

复合成形与加工

并行环境下铸造CAD/CAE/CAM一体化

半固态铸造、喷铸技术、复合铸造

低耗、清洁化绿色制造清洁铸造技术，铸造废弃物的再生利用

精益、快捷华精益生产

快捷制造

铸造企业精益生产模式

虚拟铸造企业及铸造电子商务

2、金属液态成形的新技术

①快速成形技术

②精确成形技术

③半固态铸造、喷铸技术、复合材料铸造及复合铸造

④液态成形工装模具CAD/CAM一体化

⑤液态成形过程宏观模拟及工艺优化

⑥铸件组织微观模拟及性能寿命预测

⑦液态成形过程数据库和专家系统

⑧铸件电子商务

3、金属液态成形工艺技术发展趋势

①加强铸造基础理论研究

②发展铸造新工艺及新设备

③在稳定提高铸件质量、精度和粗糙度的前提下发展专

业化生产

④积极实现铸造生产过程的机械化、自动化

⑤减少公害，节约能源，降低成本

铸造生产应该在优质、高精度前提下，实现高产、低耗、无害、价廉，使铸造技术成为可与其他成形工艺相竞争的少余量、无余量成形工艺（净终成形工艺）。

第二章金属液态成形工艺原理

§2.1 液态金属充型过程的水力学特点液体金属充满铸型型腔的过程称为充型过程。

§2.1 液态金属充型过程的水力学特点液体金属充满铸型型腔的过程称为充型过程。

充型过程存在：

热作用

机械冲击冲刷

物理化学反应

在充型异常的条件下会产生液态金属成形过程的一些缺陷：浇不足、冷隔、砂眼、抬箱、侵入性气孔、夹砂结疤研究液态金属充型过程的运动规律和特性非常必要。

§2.1 液态金属充型过程的水力学特点研究液态金属充型过程的运动规律和特性非常必要。

研究方法：

◆物理模拟

◆计算机数值模拟

◆工业试验经验总结

§2.1 液态金属充型过程的水力学特点液态金属中存在夹杂物（固相）和气体（气相）1、多相黏性流动◆夹杂物（非金属化合物）：

（尺寸< 50μm ）●氧化物——Al 2O 3, SiO 2, MnO, FeO, TiO 2, MgO 等

●氮化物——AlN, ZrN, TiN 等●硫化物——Ni 3S 2, CeS, Cu 2S 等

◆气体：

（总量< 4X10-4 %）

CO, CO 2, H 2, N 2, O 2 等例如连铸的钢水中：

8R 3C o g v ρρρ-=另相另一相临界升降速度

§2.1 液态金属充型过程的水力学特点1、多相黏性流动

金属由固态转变成液态，金属键被部分破坏，原子之间仍然保持一定的结合力，因此液态金属在流动过程中有内摩擦阻力，呈现粘性流动的水利学特点。

影响因素：

●温度

●合金成分

●金属液纯净度

§2.1 液态金属充型过程的水力学特点

2、非稳定流动

◆流路截面变化

◆流路方向变化

◆流路温度变化

充型过程中液态金属的流速、流态在不断变化。

§2.1 液态金属充型过程的水力学特点

3、紊流流动

液体的流动可分为层流和紊流两种状态，并可用雷诺数Re 来判断。

γD

v⋅

=

Re

（流速×管路直径/ 流体运动粘度）

Re临= 2300大于Re

临

为紊流

小于Re

临

为层流