液态金属成型
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。
金属液态成型基础作业
金属液态成型基础作业1、试述液态金属的充型能力和流动性之间在概念上的区别，并举例说明。
答：? 液态金属的填充能力：充满铸型型腔，获得形状完整轮廓清晰的铸件能力。
影响因素：金属液的流动能力、模具性能、铸造条件和铸件结构。
？流动性：液态金属本身的流动能力，与金属本身有关：成分，温度，杂质物理性质。
其流动性是确定的，但填充能力不高。
它可以通过改变一些因素来改变。
流动性是指在特定条件下的填充能力。
11、四类因素中，在一般条件下，哪些是可以控制的？哪些是不可控的？提高浇铸造温度会带来什么副作用？答：一般条件下：合金与铸件结构不可控制，而铸型和浇铸条件可以控制，铸造温度过高，容易使金属严重吸入氧化，达不到预期效果。
3试述液态金属充型能力与流动性间的联系和区别，并分析充型能力与流动性的影响因素。
答：(1)液态金属充型能力与流动性间的联系和区别液态金属填充型腔并获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属填充型腔的能力，简称液态金属填充能力。
液态金属本身的流动性称为“流动性”，这是液态金属的工艺特性之一。
液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流动能力，还受外部条件的影响，如模具性能、浇注条件、铸件结构等因素。
它是各种因素的综合反映。
在工程应用和研究中，通常是在相同的条件下（如相同的模具性能、浇注系统、浇注过程中控制相同的合金液过热度等）浇注各种合金的流动性试样，合金的流动性用试样的长度表示，合金的填充能力由测量的合金流动性表示。
因此，可以认为合金的流动性是一定条件下的填充能力。
对于同一种合金，还可以通过流动性试样研究各种铸造工艺因素对其充型能力的影响。
（2）充填量和流动性的影响因素①合金的化学成分决定了结晶温度范围，与流动性之间存在一定的规律。
一般来说，在流动性曲线上，纯金属、共晶成分和金属间化合物对应的位置流动性最好，流动性随结晶温度范围的增加而降低，在最大结晶温度范围内流动性最差，即，随着结晶温度范围的增加，填充能力越来越差。
三种液态成形方法
三种液态成形方法液态成形是工程领域中的一种重要成形技术，用于制造各种金属或非金属零件。
它通过将材料加热至液态，并注入到模具中，随后冷却并固化成所需形状。
液态成形方法具有制造复杂零件、提高生产效率和减少原材料浪费等优点。
下面将介绍三种常用的液态成形方法：压铸、注射成型和热挤压。
1.压铸压铸是一种通过将液态金属或合金注入高温模具中，并以高压使其充分充实和冷却而形成所需零件的成形方法。
压铸适用于制造具有复杂形状和精密尺寸要求的铝、镁、锌等金属零件。
工艺流程：(1)准备模具：根据所需零件的形状和尺寸，制造金属模具。
(2)准备材料：根据所需零件的要求，选择适合的金属或合金，并将其加热至液态。
(3)充填模具：将液态金属或合金注入已加热的模具中。
(4)施加压力：通过驱动液压系统，施加高压使液态金属或合金充实模具腔体，并排除有害气体。
(5)冷却固化：等待足够时间，让液态金属或合金冷却并固化成所需形状。
(6)分离模具：打开模具并取出成品零件。
(7)修整和后处理：将零件上的余料切割掉，并进行必要的表面处理。
2.注射成型注射成型是一种通过将液态或半液态塑料材料注入模具中，并在成型温度下固化成所需形状的成形方法。
注射成型适用于制造塑料零件，广泛应用于电子、汽车、日用品等领域。
工艺流程：(1)准备模具：根据所需零件的形状和尺寸，制造塑料模具。
(2)准备材料：选择适合注射成型的塑料树脂，并将其加热至液态或半液态。
(3)充填模具：将液态或半液态塑料注入已加热的模具中。
(4)冷却固化：等待足够时间，让塑料在模具中冷却并固化成所需形状。
(5)分离模具：打开模具并取出成品零件。
(6)修整和后处理：将零件上的余料切割掉，并进行必要的表面处理。
3.热挤压热挤压是一种通过将液态金属在高温和高压下通过模孔挤压成型的成形方法。
热挤压适用于制造具有长直形截面或复杂截面的杆、管和型材等零件。
工艺流程：(1)准备模具：根据所需零件的形状和尺寸，制造高温合金模具。
液态金属成型的发展趋势
液态金属成型的发展趋势
液态金属成型是一种近年来快速发展的金属加工技术，它基于金属在液态状态下的性质，通过特定的成型方式将其塑形成所需的形状。
液态金属成型的优点主要包括制品表面光洁度高、密度均匀、加工效率高等。
然而，目前液态金属成型还存在一些挑战和限制，如制品尺寸受限、成本较高等。
因此，未来液态金属成型的发展趋势将主要集中在以下几个方面：
1. 提高成型精度和尺寸范围：通过改进成型工艺和加工设备，
提高液态金属成型的精度和尺寸范围，以满足更广泛的应用需求。
2. 发展新型材料：液态金属成型可以应用于各种金属和合金，
未来将继续发展新型材料，以拓展应用领域。
3. 降低生产成本：液态金属成型技术需要高温高压条件下进行，导致生产成本较高，未来将探索新的成型方法和材料，以降低生产成本。
4. 创新应用领域：液态金属成型在汽车、电子、医疗等领域都
有广泛应用，未来将继续探索新的应用领域，如航空航天、新能源等。
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液态金属成型基础知识
离心铸造：
离心铸造是将熔融金属浇入高速旋转的铸型中，使其在离心力作用 下填充铸型和结晶，从而获得铸件的方法。按铸型旋转轴线的空间 位置不同，离心铸造分为立式和卧式两种。
铸件结构工艺性：
铸件结构应利于避免或减少铸件缺陷：
1.壁厚合理：设计铸件的时候应首先保证金属液的充型能力，在此 前提下减少铸件壁厚。
2.铸件壁厚力求均匀：防止形成热节而产生缩孔、缩松、晶粒粗大 等缺陷，并能减少铸造热应力及因此产生的变形和裂纹等缺陷。
3.铸件壁的连接：铸件不同壁厚的连接应逐渐过渡。拐弯和交接处 应采用较大的圆弧连接，避免锐角结构而采用大角度过渡，以避免 因应力集中而产生开裂。
2.体积疑固
当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸 件凝固的某段时间内，其液固共存的疑固区域很宽，甚至贯穿整个 铸件截面，这种凝固方式称为“体积凝固”（或称糊状凝固）
3.中间凝固 金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度
梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积跽固之间， 称为“中间凝固”。
工艺缺点:熔模铸造工序繁杂，生产周期长，铸件的尺寸和重 量受到铸型（沙壳体）承载能力的限制（一般不超过25公斤）。
用途:成批生产形状复杂、精度要求高或难以进行切削加工的 小型零件，如汽轮机叶片和叶轮、大模数滚刀等。
三、压力铸造
压力铸造是压铸机上将熔融的金属在高压下快速压入金属型，并在 压力下凝固，以获得铸件的方法。压铸机分为立式和卧式两种。
为改善铸型的充填条件，在设计铸件的时候必须保证其壁厚不 小于规定的“最小壁厚”。
金属液态成型
3. 合金收缩造成的铸造缺陷
（1）缩孔与缩松 ① 缩孔与缩松的形成 浇入铸型的液态合金在凝固过程中， 浇入铸型的液态合金在凝固过程中，若液态收缩 和凝固收缩所缩减的体积得不到补充， 和凝固收缩所缩减的体积得不到补充，在铸件最后凝 固的部位会形成空洞，容积大而集中的是缩孔， 固的部位会形成空洞，容积大而集中的是缩孔，容积 小而分散的是缩松。 小而分散的是缩松。
2.影响合金收缩的因素 2.影响合金收缩的因素
（1）化学成分 不同种类的合金，收缩率不同；同类合金， 不同种类的合金，收缩率不同；同类合金， 化学成分不同，收缩率也不同。 化学成分不同，收缩率也不同。 Si：强烈促进铸铁石墨化， C、Si：强烈促进铸铁石墨化，铸铁体收缩减 小； 强烈阻碍铸铁石墨化，铸铁收缩增大； S：强烈阻碍铸铁石墨化，铸铁收缩增大； Mn：可抵消对S石墨化的阻碍作用，适量的Mn Mn：可抵消对S石墨化的阻碍作用，适量的Mn 可使铸铁收缩减小。 可使铸铁收缩减小。
③ 缩孔与缩松的防止 控制铸件的凝固过程 采用“顺序凝固” 同时凝固”原则， 采用“顺序凝固”或“同时凝固”原则， 在 铸件最后凝固地方，设置冒口来补缩。 铸件最后凝固地方，设置冒口来补缩。
顺序凝固原则适用于收缩大或壁厚差别较大， 顺序凝固原则适用于收缩大或壁厚差别较大，易 原则适用于收缩大或壁厚差别较大 产生缩孔的铸件。其缺点是：铸件各部分温差大， 产生缩孔的铸件。其缺点是：铸件各部分温差大， 会引起较大的热应力，此外，由于要设置冒口， 会引起较大的热应力，此外，由于要设置冒口， 增大了金属的消耗及切除毛口的工作量。 增大了金属的消耗及切除毛口的工作量。 同时凝固原则适用于收缩小或壁厚均匀的薄壁铸 同时凝固原则适用于收缩小或壁厚均匀的薄壁铸 采用同时凝固原则，铸件热应力小， 同时凝固原则 件，采用同时凝固原则，铸件热应力小，但在铸 件中心往往产生缩松。 件中心往往产生缩松。 对结构复杂的铸件，既要避免产生缩孔和缩松， 对结构复杂的铸件，既要避免产生缩孔和缩松， 又要减小热应力，防止变形和裂纹， 又要减小热应力，防止变形和裂纹，这两种凝固 原则可同时采用。 原则可同时采用。
金属的液态成型
• 2. 球墨铸铁(简称球铁)
• ① 球墨铸铁球化、孕育处理 球铁是用灰口铸铁 成份的铁水经球化、孕育处理后制成的。为保证 球铁质量,生产中应注意下列几点:
• 球墨铸铁的化学成分选择 原铁水成分与灰口铸铁 原则上相同，但要求严格。
• 球化剂和孕育剂
• ②球墨铸铁的铸造性能和工艺特点
• 3.可锻铸铁
• 合理选择铸造合金
• 合理选用凝固原则
显微缩松
顺序凝固原则
阀体铸造方案
同时凝固原则
• (2)铸造内应力、变形和裂纹的形成和控制 • 铸件在凝固后继续冷却时，若在固态收缩阶段受
到阻碍,则将产生应力，此应力称为 铸造内应力。 它是铸件产生变形、裂纹等缺陷的主要原因。 • ① 铸造内应力形成过程 铸造内应力按其产生原 因，可分为热应力和机械应力两种。 • 热应力 铸件在凝固和冷却过程中，由于不同部位 不均衡的收缩而引起的应力称为热应力。 • 机械应力 铸件在固态收缩时因受到机械阻碍而形 成的应力，称为机械应力，也称收缩应力。 • ②铸件的变形与裂纹 当铸件中存有内应力时， 会使其处于不稳定状态。 • ③铸件变形、裂纹的控制 所有减少铸造内应力 的措施都有肋于控制铸件的变形和裂纹。
• ①金属型应保持合理的工作温度。
• ②为保护型腔和减缓铸型的传热速度，型腔表面和浇冒口 中要涂以厚度为0.2～1.0 mm的耐火涂料，以使金属液和 铸型隔开。
• ③因金属型无退让性，故应掌握好适宜的开型时间。
• ④为防止铸铁件产生白口组织，其壁厚一般应大于15 mm ，并控制铁水中碳、硅的质量分数不小于6％。
6.1.3 合金的偏析和吸气性
• 1.偏析 • 在铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。偏析使铸
件性能不均匀，严重时会造成废品。偏析分为晶内偏析和 区域偏析两类。 • 晶内偏析(又称枝晶偏析)是指晶粒内各部分化学成分不均 匀的现象。采用扩散退火可消除晶内偏析。 • 区域偏析是指铸件上、下部分化学成分不均匀的现象。为 防止区域偏析，在浇注时应充分搅拌或加速合金液冷却。 • 2.吸气性 • 合金在熔炼和浇注时吸收气体的性能称为合金的吸气性。
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。
铸造成型原理名词解释
1、液态金属成型技术是将融融的金属或合金在重力场或其他外力场的作用下注入铸型型腔中，待其凝固后获得与型腔形状相似逐渐的一种方法，这种成型方法叫做铸造。
2、液态成型（铸造）是将融化成型的液态金属浇入住铸型后一次制成所需形状和性能的零件3、金属塑性成形又称塑性加工，是利用金属的塑形，通过外力获得所需形状，尺寸与内部性能制品的一种加工方法。
4、表面张力：是表面上存在的一个平行于表面且各个方向大小相等的力。
5、表面自由能；是产生新的单位面积表面时自由能的增量。
6、液态金属充填铸型的能力：液态金属充满铸型型腔，获得完整、轮廓清晰的铸件的能力。
7、流动性;液态金属本身的流动性。
与金属的成分、温度、杂质含量、铸件结构有关。
8、强迫对流：在凝固过程中可以外在激励使液相产生的流动9、液态金属结晶：液态金属转变成晶体的过程称为液态金属结晶或金属一次结晶。
10、相变驱动力：只有当T<T0，Gl>Gs时，结晶才可能自发进行，此时液固两自由能只差称为相变驱动力。
11、过冷度：t=t-t0称之为过冷度12:、热力学能障：由界面原子所产生，能直接影响体系自由能的大小。
13、动力学能障：由原子穿越界面的过程中所引起的，其大小与相变驱动力无关，而决定于界面的结构和性质，前者对形核有影响，后者则在晶体生长过程中起关键作用。
14、均质形核：是在没有任何外来界面的均匀熔体中的形核过程。
也成自发形核。
15、非均质形核：指在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面的衬底进行形核的过程，也称非自发形核，异质形核G非=G均f（o），当0<O<180时，0<f（o）<1，0=180，f（o）=1时，G非=G均。
16、晶体生长驱动力：固液界面处，固液两项体积自由能之差。
晶体生长主要受界面生长动力学过程，传热过程，传质过程三方面的影响17、原子角度看微观姑爷界面的结构可分为两大类粗糙界面(非小面界面)、平整界面（小面界面）18、溶质在分配：从形核开始到结晶结束，整个过程中，固液两项内部进行着溶质元素的重新分布的过程。
成型法的加工原理
成型法的加工原理材料成形方法是零件设计的重要内容，也是加工过程中的关键因素，除了机加工外，金属注射成型、塑性成型以及近年兴起的3D打印都是主要技术，下面就来细数一下这些金属成形工艺的特点。
铸造液态金属浇注到与零件形状、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生产方法，通常称为金属液态成形或铸造。
工艺流程：液体金属→充型→凝固收缩→铸件工艺特点：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。
2、适应性强，合金种类不受限制，铸件大小几乎不受限制。
3、材料来源广，废品可重熔，设备投资低。
4、废品率高、表面质量较低、劳动条件差。
铸造分类：（1）砂型铸造（sand casting）在砂型中生产铸件的铸造方法。
钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。
工艺流程：技术特点：1、适合于制成形状复杂，特别是具有复杂内腔的毛坯；2、适应性广，成本低；3、对于某些塑性很差的材料，如铸铁等，砂型铸造是制造其零件或，毛坯的唯一的成形工艺。
应用：汽车的发动机气缸体、气缸盖、曲轴等铸件（2）熔模铸造(investmentcasting)通常是指在易熔材料制成模样，在模样表面包覆若干层耐火材料制成型壳，再将模样熔化排出型壳，从而获得无分型面的铸型，经高温焙烧后即可填砂浇注的铸造方案。
常称为“失蜡铸造”。
工艺流程：优点：1、尺寸精度和几何精度高；2、表面粗糙度高；3、能够铸造外型复杂的铸件，且铸造的合金不受限制。
缺点：工序繁杂，费用较高应用：适用于生产形状复杂、精度要求高、或很难进行其它加工的小型零件，如涡轮发动机的叶片等。
（3）压力铸造(die casting)利用高压将金属液高速压入一精密金属模具型腔内，金属液在压力作用下冷却凝固而形成铸件。
工艺流程：优点：1、压铸时金属液体承受压力高，流速快2、产品质量好，尺寸稳定，互换性好；3、生产效率高，压铸模使用次数多；4、适合大批大量生产，经济效益好。
材料成型原理与工艺(01)-液态金属成形概论
夹杂物的排除： 夹杂物的排除：
金属液静止处理、真空浇注，加熔剂， 金属液静止处理、真空浇注，加熔剂，过滤法
2012-1-8
凝固区域
固相区、凝固区、液相区
凝固方式
逐层凝固方式 体积凝固（糊状凝固方式） 体积凝固（糊状凝固方式） 中间凝固方式
2012-1-8 22
如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件的温度分布较 为平坦，则在凝固的某段时间内，铸件表面并不存在 固体层，而液、固并存的凝固区贯穿整个断面。由于 这种凝固方式与水泥类似，即先呈糊状而后固化，故 称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄 铜等都是糊状凝固的合金。 中间凝固方式 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状 凝固之间,称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口 铸铁等具有中间凝固方式
气压保温浇包
15
采用德国KW公司技术的新二线主机，发动机缸体造型生产线。
罗兰门第制芯中心
2012-1-8 16
二、液态金属在铸型中的流动
1、 液态金属充型能力的基本概念 、
液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力， 叫做液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力。 液态金属充填铸型一般是在纯液态下充满型腔的，也有边充型边结晶的 情况，在充型过程中当液态金属中形成晶粒堵塞充型通道时，流动则停 止，造成铸件“浇不足”缺陷。 液态金属的充型能力（实验-螺旋形试样）：
2012-1-8
18
思考题 1 1. 液态金属成形的概念是什么？液态金属 液态金属成形的概念是什么？ 成形具有哪些优点？ 成形具有哪些优点？ 2. 液态金属成形生产过程。 液态金属成形生产过程。
液态金属成型原理
2.金属结晶（凝固）的形核热力学条件及形核机理。
答：金属结晶的热力学条件：金属结晶必需要过冷，过冷是金属结晶的必要条件。
金属结晶一般是在等压条件下进行的。
固、液两相都有各自的自由能，它们的自由能在等压条件下随温度的上升同样是降低的，如图2.1所示。
由于液相原子排列混乱程度高于固相，因而有：SL>Ss S L<-Ss»即有d0L=_SL<dG S=SsdT dΓ上式表示液相炳的负值比固相焰大，因此液相自由能随温度下降的速率大于固相。
而在肯定零度时，因液相原子排列混乱程度大于固相而具有更高的自由能。
这一关系可用图2.1来表示。
图中GL和GS分别代表液相和固相的自由能随温度变化的曲线，两曲线交于温度T mo在Tm温度，固、液两相自由能相等。
Tm就是理论结晶温度。
所以理论结晶温度定义为固液两相自由能相等所对应的温度，也称平衡熔点。
图2.1自由能随温度的变化示意图依据自由能最小原理，要发生液相向固相的自发转变，实现结晶，固相自由能必需小于液相，从图中可见：这只有在温度小于理论结晶温度时才能实现，这就是液体金属必需具有肯定的过冷度，结晶才能自动进行的缘由。
四、金属结晶的驱动力金属结晶的驱动力从宏观上看是过冷度，从热力学上看是固、液两相自由能之差。
实际上，可以证明单位体积固、液两相自由能之差AGv和过冷度ΔT之间存在如下关系：ΔTGLGS=Δ½=L rn—"m式中Lm—结晶潜热。
从上可以看出：要实现结晶，依据自由能最小原理，G L-G S>0,而要保证必需保证GL-GS>0,即实际结晶温度必需低于理论结晶温度。
并且，过冷度越大，固、液两相自由能之差越大，金属结晶的驱动力也越大。
晶核的形成机理：形核有两种方式：匀称形核和非匀称形核。
匀称形核是指晶核不依附任何外来物形成,形核在液相各处的形核几率是相同的；非匀称形核是指晶核依附于外来物（如容器壁和固态杂质）上形成。
液态金属成型工艺的研究与应用
液态金属成型工艺的研究与应用导言液态金属成型工艺是一种利用金属在高温状态下具有流动性的特点来进行加工和成型的技术。
它具有高精度、高效率、可塑性强等优点，并在航空航天、汽车制造、电子设备等领域得到广泛应用。
本文将探讨液态金属成型工艺在材料科学与工程中的研究和应用。
一、液态金属成型的基本原理液态金属成型是利用金属在高温状态下的流动性，通过控制金属的温度和形状来进行成型工艺。
通常液态金属成型工艺包括：压铸、浇铸、挤压、注射成形等。
压铸是将金属液体注入模具中，在高压下迅速冷却固化得到零件的一种工艺。
它具有制造复杂形状零件的优势，并且能够实现高度自动化和大规模生产。
浇铸是将金属液体注入到模具中，通过冷却后得到铸件的工艺。
它是一种常用的金属成型工艺，可以制造各种形状和尺寸的零件，广泛应用于汽车制造和航空航天等领域。
挤压是将金属材料加热至液态，通过挤压机的作用将液态金属迫入模具中，然后冷却固化成型。
挤压工艺适用于制造长条形零件或中空零件。
注射成形是将金属液体注射到模具中，通过冷却后得到零件的工艺。
它具有高精度和高稳定性的优势，常用于制造微小和复杂形状的零件。
二、液态金属成型的优势和应用液态金属成型工艺具有以下几个优势：1. 高精度：液态金属成型可以制造出高精度的零件，满足现代产品对精度的要求。
2. 高效率：液态金属成型工艺可以实现连续生产，提高生产效率，节省时间和成本。
3. 可塑性强：液态金属成型可以加工各种复杂形状的零件，具有较强的可塑性和可变性。
液态金属成型工艺在多个领域得到广泛应用：1. 航空航天领域：液态金属成型工艺可以用于制造飞机的发动机部件、燃烧室等关键零件，提高飞行器的性能和安全性。
2. 汽车制造领域：液态金属成型可以用于制造汽车发动机、车身结构和底盘等部件，提高汽车的性能和安全性。
3. 电子设备领域：液态金属成型工艺可以用于制造电子产品的外壳、散热器和连接器等零件，提高产品的可靠性和美观度。
三、液态金属成型的研究进展液态金属成型工艺的研究一直是材料科学与工程领域的热点。
液态金属成型
gx −
1 ∂P +ν ρ ∂x
∂ 2u ∂ 2u ∂ 2u ∂ u ∂u ∂u ∂u ∂ x2 + ∂ y2 + ∂ z2 = ∂t + u ∂x + v ∂y + w∂z
∂ 2v ∂ 2v ∂ 2v ∂ v 1 ∂P ∂v ∂v ∂v gy − +ν + + 2 = + u + v + w 2 2 ρ ∂y ∂x ∂y ∂z ∂y ∂z ∂t ∂x gz − 1 ∂P +ν ρ ∂z ∂ 2w ∂ 2w ∂ 2w ∂ w ∂w ∂w ∂w ∂ x2 + ∂ y2 + ∂ z2 = ∂t + u ∂x + v ∂y + w ∂z
五、实验报告 分析总结铝合金的熔炼处理工艺流程，比较精炼处理、 变质处理、 振动以及冷却条件对 铝合金组织及性能的影响。
实验二、液态成型过程 CAE 实验 一、基础理论 计算机辅助工程（ Computer Aided Engineering，简称 CAE）技术是一门以 CAD/CAM 技术水平的提高为发展动力，以高性能计算机及图形显示设备的推出为发展条件，以计算 力学和传热学、 流体力学等的有限元、 有限差分、 边界元、 结构优化设计及模态分析等方法为 理论基础的新技术。目前液态成型 CAE 主要以铸件的温度场模拟和流动场模拟为主，软件 水平已经达到实用化，国内外均有商品化软件出现。国外主要有德国的 MagmaSoft、美国的 ProCAST、 Flow3D、 韩国的 AnyCAST 等，国内主要有华中科技大学的华铸 CAE、 清华的 FTStar、华北工学院的 CastSoft 等。 1）温度场模拟 温度场模拟主要是利用传热学原理，分析铸件的传热过程，模拟铸件的冷却凝固进程 ，
液态金属成型
液态金属成型金属液态成型论文作者：刘永星摘要：金属液态成型又称为铸造，是将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中，待其冷却凝固后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件，即铸件的方法，它是成形毛坯或机器零件的重要方法之一。
工程材料除切削加工以外有各种成型方法，包括金属液态成型、金属塑性成形、材料连接成型、粉末冶金成型以及塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料成型及复合材料成型等。
材料成型技术主要讲述金属材料成型和非金属材料成型，现对金属液态成型进行详细论述。
关键词：金属液态成型、成型方法、生产流程、成型原理、选择成型依据一、金属液态成形金属材料在液态下成形，具有很多优点：（1）最适合铸造形状复杂、特别是复杂内腔的铸件。
（2）适应性广，工艺灵活性大。
（3）成本较低。
但液态成形也有很多不足，如铸态组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能、特别是冲击性能低于塑形成行件；铸件涉及的工序很多，不易精确控制，铸件质量不稳定；由于目前仍以砂型铸造为主，自动化程度还不够高，工作环境较差；大多数铸件只是毛坯件，需经过切削加工才能成为零件。
砂型铸造是将熔融金属浇入砂质铸型中，待凝固冷却后，将铸型破坏，取出铸件的铸造方法，是应用最为广泛的传统铸造方法，它适用于各种形状、大小及各种常用合金铸件的生产。
砂型铸造的工艺过程称为造型。
造型是砂型铸造最基本的工序，通常分为手工造型和机器造型两大类。
手工造型时，填砂、紧实和起模都用手工和手动完成。
其优点是操作灵活、适应性强、工艺装备简单、生产准备时间短。
但生产效率低、劳动强度大、铸件质量不易保证。
故手工造型只适用于单件、小批量生产。
机器造型生产率很高，是手工造型的数十倍，制造出的铸件尺寸精度高、表面粗糙度小、加工余量小，同时工人劳动条件大为改善。
但机器造型需要造型机、模板以及特质砂箱等专用机器设备，一次性投资大，生产准备时间长，故适用于成批大量生产，且以中、小型铸件为主。
液态金属成型中的流变行为研究
液态金属成型中的流变行为研究液态金属成型是一种重要的制造工艺，它可以制备出许多复杂形状的金属部件。
在液态金属成型过程中，流变行为是非常关键的。
流变学是研究物质在外力作用下流动和变形的学科，它可以帮助我们理解液态金属成型中的流变行为，并优化工艺条件，提高制造质量和效率。
一、液态金属成型与流变行为液态金属成型是指将金属加热至液态，然后通过某种方法将其注入成型模具中，冷却后即可得到所需形状的金属部件。
液态金属成型有许多方法，如压力铸造、注射成型、挤压成型等。
在这些成型过程中，金属的流变行为直接影响着成型质量。
流变行为通常包括应力、应变、时间和温度等因素。
液态金属成型需要在较高的温度下进行，因为在高温下，金属分子间的相互作用力减弱，金属流动性增加，使材料易于成型。
因此，针对每种金属，研究其在不同温度和应力下的流变行为，是制定液态金属成型工艺的重要基础。
二、影响液态金属成型的流变因素1、温度温度是液态金属成型中最重要的因素之一。
液态金属成型需要在相对较高的温度下进行，可以减少流体黏度和表面张力，提高流动性。
但是，过高的温度会导致金属的氧化和蒸发，影响成品的质量。
因此，在液态金属成型工艺中，需要根据金属的特性和成型要求选定适当的温度。
2、压力压力是液态金属成型中的另一个重要因素。
在液态金属成型中，压力可以改变金属的流动路径和速度，影响成品的形状和性能。
但是，过高的压力会导致金属分子的损伤，对成品质量产生不利影响。
因此，在液态金属成型过程中，需要根据模具的形状和金属的特性控制压力。
3、组成组成是液态金属成型的一个重要因素。
不同的金属合金具有不同的成分和结构，对其流动性和形变特性有重要影响。
例如，在铝合金成型中，硅、铜等元素的含量和比例，可以影响铝合金的流变行为和机械性能。
三、液态金属成型的流变行为研究方法研究液态金属成型中的流变行为，可以帮助我们理解液态金属成型的本质和特点，并优化制造工艺。
液态金属成型的流变行为通常可以通过以下方法进行研究：1、实验测量实验测量是液态金属成型流变行为研究的基础。
金属成型1液态金属与气相的相互感化
在某些特定的条件下，气相中的气体分子或原子可能与液态金属发生化学反应，生成新 的物质。这种化学反应可能会改变液态金属的性质，如改变金属的化学成分、熔点和流 动性等。因此，在金属成型过程中，需要充分了解气相与液态金属之间的化学相互作用，
以避免产生不良影响。
03
金属成型过程中的液态 金属与气相的相互影响
液态金属在常温常压下呈液态， 具有流动性、可塑性和良好的导 热性。
液态金属的物理特性
高导热性
液态金属具有很高的导热系数，能够快速传递热 量，有利于金属成型过程中的热量控制。
流动性
液态金属具有很好的流动性，可以填充模具的各 个角落，形成复杂的几何形状。
可塑性
液态金属在一定温度和压力下可以塑造成各种形 状，具有良好的可塑性。
金属成型过程中的液态金属流动
金属液态流动特性
流动控制
在金属成型过程中，液态金属的流动 特性对成型效果具有重要影响。金属 液体的粘度、表面张力、温度等参数 决定了其流动特性。
为了实现精确的金属成型，需要对液 态金属的流动进行控制，如通过调整 温度、改变流动路径、使用添加剂等 方式。
流动不稳定性
在金属成型过程中，液态金属的流动 可能会表现出不稳定性，如湍流、波 动等现象，这会影响成型精度和产品 质量。
05
液态金属与气相相互作 用的工业应用
液态金属与气相相互作用在铸造工业中的应用
金属液态成型是铸造工业中的重要环 节，液态金属与气相的相互作用对成 型过程具有显著影响。
通过控制液态金属与气相的相互作用， 可以优化铸造工艺参数，提高铸件精 度和减少缺陷的产生。
在铸造过程中，液态金属与气相的相 互作用可以改变金属的流动性和表面 张力，从而影响铸件的质量和性能。
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液态金属成型的方法
1.按金属液充填进铸型方法的不同可分为：重力铸造 （液态金属靠自身重力充填型腔）、低压铸造、挤压 铸造、压力铸造（液态金属在一定的压力下充填型腔 ）等。 2.根据形成铸型材料的不同，可以分为一次型（如砂 型铸造、陶瓷型铸造、壳型铸造）和永久型（如金属 型铸造）。 3.对于一些特殊的凝固成形件，还可以采用连续铸造 （等截面长铸件）、离心铸件（圆筒形铸件）、实型 铸造、熔模铸造等方法。
落 砂 、 清 理
检 验
铸 件
金属型铸造
金属型铸造（Gravity die casting） 是指液态金属在重力作用下充填金属铸 型并在型中冷却凝固而获得铸件的一种 成形方法，如图所示。由于金属铸型可 以重复使用，寿命（指浇注次数）可达 数万次，所以金属型铸造又称永久型铸 造（Permanent mold）。
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。
充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。
（一）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。
液态金属成型的工艺基础
浇口杯
出气口
0.45%C 铸钢： 200mm 4.3%C 铸铁： 1800mm
液态金属成型的工艺基础
液态金属成型
目录
1. 概念及其特点 2. 方法 3.工艺基础及工艺参数 4.砂型铸造 5.金属型铸造 6.压力铸造 7.熔模铸造 8.离心铸造 9.连续铸造 10.计算机在铸造中的应用
什么叫液态金属成型？
液态金属成型俗称铸造，是将液态合 金注入预先制备好的铸型中，使之冷却 、凝固，从而获得毛坯或零件的一种方 法。
铸造工艺参数
铸型工艺设计时需要确定的某些工 艺数据；包括：铸造收缩率（缩尺）, 机械加工余量，拔模斜度，最小铸出孔 ,型芯头尺寸等。
浇注系统
浇口杯 冒口 直浇道 横浇道
内浇道
砂型铸造
砂型铸造的工艺过程
型砂
零 件 图 铸 型 熔化 芯盒 芯砂 浇注 型 芯 合 冷却
铸 造 工 艺 图
模型
箱 凝固
温度（℃）
浇口杯
出气口
30 0 20 0 10 0 0 80 60 40
流动性（cm）
20
液态金属成型的工艺基础
（二）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
（四）铸件结构
（1）折算厚度 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。 （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。
铸造工艺方案确定
铸造工艺方案应包括的主要内容： 1．造型、制芯方法（机器？手工？） 2．铸型种类的选择（干型？湿型？） 3．浇注位置，分型面的确定 4．每型件数的确定 5．砂芯设计 6．确定工艺参数 7．浇注系统，冒口的设计 8．铸件机械加工粗基准的选择
实际上可分为砂型铸造和特种铸造两类
液态金属成型的方法
常见的特种铸造方法有： 金属型铸造、 低压与差压铸造、 熔模铸造、 离心铸造、 陶瓷型铸造、 真空吸铸、 压力铸造、 挤压铸造、 消失模铸造、 连续铸造、 石膏型铸造、 半固态铸造等。
液态金属成型的工艺基础
液态金属的充型能力与流动性
充型—— 液态合金填充铸型的过程。
离心铸造
图1 卧式离心铸造机示意图 1—浇包；2—浇注槽；3—铸型； 4—液体金属；5—端盖；6—铸件
图2 立式离心铸造机示意图 1—浇包；2—铸型；3—液体金属 ；4—带轮和带；5—旋转轴；
6—铸件；7—发动机
离心铸造
连续铸造
连续铸造是将金属液浇入一种特制 的金属型或石墨型（称为结晶器）中冷 却，而铸件则从结晶器的另一端不断拉 出的一种连续成形工艺。
越大，充型能力越差。
（三）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。
液态金属成型的工艺基础
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 铸型有一定的发气能力，能在金属液与 铸型之间形成气膜，可减小流动的摩擦阻力，有利于充型。
压力铸造
熔模铸造
熔模铸造就是在蜡模（也可用树脂模）表 面涂覆多层耐火材料，待硬化干燥后，加热 将蜡模熔化，而获得具有与蜡模形状相应形 状的型壳，再经焙烧之后进行浇注而获得铸 件的一种方法，故又称为失蜡铸造（Lost Wax Casting）。
熔模铸造
熔模铸造工艺流程
熔模铸造
离心铸造
离心铸造是将液体金属浇入旋转的铸型中，在离 心力的作用下，完成金属液的充填和凝固成形的一种 铸造方法。离心铸造必须在专门的设备—离心铸造机 （使铸型旋转的机器）上完成。根据铸型旋转轴在空 间位置的不同，离心铸造机可分为卧式离心铸造机和 立式离心铸造机两种。
金属型铸造
金属型铸造示意图 （a）金属型合模状态 （b）倾转浇注
金属型铸造
金属型铸造的工艺流程
金属型铸造
压力铸造
压力铸造（die casting或high pressure die casting）简称压铸，它是将液态金属或半固 态金属在高压下快速充填到金属模的型腔， 并在压力下快速凝固而获得铸件的一种成形 方法。
水平连铸
水平连铸机结构原理
连续铸造的特点和使用范围
1.提高金属利用率，节省能量消耗。 2.金属液冷却速度快，晶粒细小，组织致 密，铸件质量高。 3.无浇、冒口系统，工艺出品率高。 4.生产工序简单，易于实现机械化和自动 化，生产率高。 可生产铸铁、铸钢、铜合金和铝合金等截 面形状不变的铸件，如铸管、棒材等。
液态金属成型的特点
1.可生产形状任意复杂的铸件，特别是内腔形状复杂 的铸件。如汽缸体、汽缸盖、涡轮叶片、床身件等。
缸头、汽缸体
H5缸体
液态金属成型的特点
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
3.成本低：（1）材料来源广 （2）废品可重新熔炼 （3）设备投资低
4.废品率高、表面质量较低、劳动条件差