金属液态成形工艺原理讲稿
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金属液态成形工艺原理讲稿
金属液态成形工艺原理讲稿一、引言金属液态成形工艺是一种重要的金属加工方法，它利用金属在液态状态下的可塑性，通过施加外力，将金属材料压制成所需形状的工艺过程。
金属液态成形工艺广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶制造等众多领域，具有高效、精确、灵活的特点。
本文将介绍金属液态成形工艺的原理和应用。
二、金属液态成形工艺的原理金属液态成形工艺主要依靠金属在液态状态下的可塑性来实现材料的变形。
在液态状态下，金属具有较高的流动性和可塑性，可以通过施加外力使金属流动，从而制造出复杂形状的金属构件。
金属液态成形工艺的主要原理包括以下几点： 1. 温度控制：金属液态成形工艺需要将金属升温到液态状态，通常通过加热设备控制金属的温度。
2. 施加外力：在金属材料处于液态状态时，需要施加适当的外力，如压力、压力冲击等，以实现对金属的形状变化和压制成型。
3. 液态流动：金属在液态状态下具有较高的流动性，可以通过控制液态金属的流动轨迹和速度，实现对金属的精确塑性变形。
4. 液态金属的熔化和凝固特性：金属在液态和固态之间的相变过程对金属液态成形工艺具有重要影响。
不同金属具有不同的熔化温度和凝固温度，需要根据具体金属材料选择合适的工艺参数。
三、金属液态成形工艺的应用金属液态成形工艺在许多领域都有广泛的应用，具有以下几个优点： 1. 高效生产：金属液态成形工艺可以实现多工位、多工序的同时进行，提高了生产效率。
2. 精确成形：金属液态成形工艺可以制造出复杂形状的金属构件，加工精度高，尺寸和形状可控性强。
3. 节约材料：金属液态成形工艺可以使金属材料得到较好的填充，减少了材料的浪费。
4. 节约能源：金属液态成形工艺可以在短时间内实现金属材料的加热和冷却，节约了能源消耗。
金属液态成形工艺在以下领域有广泛的应用： 1. 航空航天：金属液态成形工艺可以制造出高强度和轻质的航空航天零部件，提高了飞行器的性能和燃油效率。
2. 汽车制造：金属液态成形工艺可以制造出汽车发动机缸体、曲轴等零部件，提高了汽车的动力性能和燃油效率。
第一节金属的液态成形原理讲义.
温度
固
液
表层
中心
铸件的凝固方式
2)糊状凝固
• 结晶温度范围很宽 的合金，从铸件的 表面至心部都是固 液两相混存。 • 铸件断面上布满小 晶体，将金属液分 割开，致充型和补 缩能力变差。
温度
固
液
表层
中心
铸件的凝固方式
3)中间凝固
• 大多数合金属 于这种方式。
温度
固
液
表层
中心
4、影响或决定铸件凝固方式的因素
（2）锡青铜，铝硅合金等凝固温度范围较宽的合金，倾 向于糊状凝固，用顺序凝固也难以消除缩松，采用 冷铁（或金属型铸造）及同时凝固原则，可保证其 表层组织致密。
二） 固态收缩缺陷-铸造内应力及其引起的变形和裂纹及防止:
1、铸造应力及减少措施
1）热应力和机械应力 2）减小铸造应力的措施
2、 铸件的变形及防止 3 、铸件的裂纹及防止
（a）逐层凝固
（b）中间凝固
铸件的温度梯度, 凝固区域及凝固方式
铸件的凝固方式
糊状凝固
结晶温度范围很 宽的合金，从 铸件的表面至 心部都是固液 两相混存。
温度
固
液
表层
中心
铸件的凝固方式
1)逐层凝固
• 纯金属和共晶成份的 合金，结晶温度是一 固定值。凝固过程由 表面向中心逐步进行。 • 合金结晶温度范围很 小，或铸件断面的凝 固区域很窄，也属于 逐层凝固方式。 • 有良好的充型能力和 补缩条件。
二)浇注条件
1 浇注温度: t↑ 合金粘度下降 ,过热度高. 合金在铸件中保持 流动的时间长, ∴ t↑ 提高充型能力. 但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故不 宜过高 2 充型压力: 液态合金在流动方向上所受的压力↑ 充型能力↑ 如 砂形铸造 --- 直浇道 , 静压力 . 压力铸造 , 离心铸造等充型压 力高.
固
液
表层
中心
铸件的凝固方式
2)糊状凝固
• 结晶温度范围很宽 的合金，从铸件的 表面至心部都是固 液两相混存。 • 铸件断面上布满小 晶体，将金属液分 割开，致充型和补 缩能力变差。
温度
固
液
表层
中心
铸件的凝固方式
3)中间凝固
• 大多数合金属 于这种方式。
温度
固
液
表层
中心
4、影响或决定铸件凝固方式的因素
（2）锡青铜，铝硅合金等凝固温度范围较宽的合金，倾 向于糊状凝固，用顺序凝固也难以消除缩松，采用 冷铁（或金属型铸造）及同时凝固原则，可保证其 表层组织致密。
二） 固态收缩缺陷-铸造内应力及其引起的变形和裂纹及防止:
1、铸造应力及减少措施
1）热应力和机械应力 2）减小铸造应力的措施
2、 铸件的变形及防止 3 、铸件的裂纹及防止
（a）逐层凝固
（b）中间凝固
铸件的温度梯度, 凝固区域及凝固方式
铸件的凝固方式
糊状凝固
结晶温度范围很 宽的合金，从 铸件的表面至 心部都是固液 两相混存。
温度
固
液
表层
中心
铸件的凝固方式
1)逐层凝固
• 纯金属和共晶成份的 合金，结晶温度是一 固定值。凝固过程由 表面向中心逐步进行。 • 合金结晶温度范围很 小，或铸件断面的凝 固区域很窄，也属于 逐层凝固方式。 • 有良好的充型能力和 补缩条件。
二)浇注条件
1 浇注温度: t↑ 合金粘度下降 ,过热度高. 合金在铸件中保持 流动的时间长, ∴ t↑ 提高充型能力. 但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故不 宜过高 2 充型压力: 液态合金在流动方向上所受的压力↑ 充型能力↑ 如 砂形铸造 --- 直浇道 , 静压力 . 压力铸造 , 离心铸造等充型压 力高.
精确成型技术 第三讲液态成形原理
浇注条件方面的影响因素：
➢ 浇注温度 ➢ 充型压头 ➢ 浇注系统结构
怎样影响？ 为什么？
液态金属的充型能力
充型能力对铸件质量的影响：
充型能力不足
浇不足
冷隔
夹砂 气孔
夹渣
液态金属的凝固方式
液态金属的凝固方式
➢ 金属凝固方式：逐层凝固
怎样影响？ 为什么？
体积凝固（糊状凝固） 中间凝固
➢ 金属凝固方式与铸件质量的关系
思考题
➢ 冷却速度怎样影响合金流动性？ ➢ 什么是导热系数，导热系数怎样影响合金流动
性？
➢ 解释铸型蓄热系数b2 c222 的物理意义，
b2怎样影响合金流动性？ ➢ 铸型温度怎样影响合金流动性？ ➢ 铸型发气量怎样影响合金流动性？
思考题
➢ 什么是铸件折算厚度？折算厚度怎样影响合 金流动性？
➢ 什么是逐层凝固 、中间凝固和体积凝固，什 么样的合金分别倾向于逐层凝固 、中间凝固 和体积凝固？
书上思考与练习
➢ 试述液态金属充型能力与流动性之间在概念上 的区别，并举例说明。
➢ 在影响充型能力的诸多因素中，哪些是可控的， 哪些是不可控的?
➢ 铸件形成过程中，合金收缩要经历哪几个阶段？ 各有什么特点？阐述铸件收缩与合金收缩的区 别与联系。
➢ 缩孔与缩松的形成原因和形成条件有何异同？
书上思考与练习
《材料精确成形技术》 第三讲
液态成形原理
➢液态金属的充型能力 ➢液态金属的凝固方式 ➢液态金属充型后的收缩 ➢铸件凝固原则
液态金属的充型能力
液态金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮 廓清晰的成形件的能力。
影响因素 ➢ 金属流动性：合金成分、杂质含量、热
物理性质 ➢ 外界条件： 铸型条件、浇注条件、铸件
第一篇 液态金属成型原理PPT学习教案
2.空穴或空洞理论 空穴理论把液体看作是有大量空位的一种伪点阵。
3.有效结构理论 根据这种理论，液体状态可用似晶组分与似气组分之间 的配分关系来表示。 三、几何理论 由和提出的，把液体看作是原子的
某种“堆积物”。该理论认为，液体是原子紊乱的密集球堆 积
的，或者更确切地说，液体是均质的相互粘着的，本质上为
在任何时刻总有些原子能量高于平均 能量，而另一些原子能量低于平均能 量，称此为能量起伏
第5页/共77页
随着温度的升高，能量起伏增大，其中一部分能量大的原 子可能越过势垒跳到周围原子之间的空隙中，使原来的位置 成为空穴。同时空穴周围的原子也可以进入空穴中，就使空
穴发生”移动”。空穴首先从金属表面产生，向内部扩散。 温
子间有内聚力，使液体的内部产生内摩 擦
力，以阻滞液层间的相对滑动。这种性
质 F(x) SdUx/ dy
称为粘滞性，用粘度表征粘滞性的大小。 见图1-5
第11页/共77页
运动粘度可用动力粘度与密度之比表示，即
v /
运动粘度表征液体质点保持自身运动方向的惯性大小。 在运动粘度相同的情况下，密度大者，运动粘度小，质点 保持自身运动方向的倾向性打，亦即流体的紊流倾向大。
第16页/共77页
3.影响合金流动性的因素 （1）合金的成分 合金中： 磷量增加，液相线和固相线温度降低，粘度下降，流动性提高，但过 高使铸铁变脆。一般不用其提高流动性。 硅增加，液相线下降，流动性提高。 锰小于0.25%影响不大，但与S反应，使流动性降低。 铜和镍稍微提高流动性；铬降低流动性，但<1%无影响。 铸钢中： 硅<0.6%，流动性随含量的增加而提高。 锰<2%无明显影响；2%~14含量增加而提高 磷>0.05%，流动性提高，但会使钢变脆。 硫与锰形成化合物使粘度增大，降低流动性。 铬>1.5%降低钢液流动性， 铜提高流动性。
01-1金属液态成形
2.影响因素
① 化学成分 不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造 合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。
② 浇注温度 合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。 ③ 铸件结构 与铸型条件 铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不
同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍， 又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总 是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越 小。
因消除后，应力随之消失。 • 残余应力——应力长期存在一直保留到室温的应力。
应用科学学院
第21页，共44页。
第一节 金属液态成形工艺基础
（三）铸造内应力
• 铸件凝固冷却过程中，若收缩受阻，则在铸件内会产生铸造应力。它是 铸件产生变形和裂纹的基本原因。
铸造（内）应力：
铸造应力
应用科学学院
铸件收缩受到机械阻碍
➢流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。 ➢流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进
行补缩。 ➢不同的合金具有不同的流动性。在进行铸件设计和铸造工艺制定时，必
须考虑合金流动性。那么，我们怎样衡量合金的流动性呢？
应用科学学院
第2页，共44页。
第一节 金属液态成形工艺基础
应用科学学院
第6页，共44页。
温度（℃）
流动性（cm）
300 200 100
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
应用科学学院
第7页，共44页。
Fe-C合金的流动性与含碳量之间的关系 亚共晶铸铁随含碳量增加，结晶温度区间减小，流动性逐渐提高，愈接近共晶成分，合金
① 化学成分 不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造 合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。
② 浇注温度 合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。 ③ 铸件结构 与铸型条件 铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不
同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍， 又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总 是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越 小。
因消除后，应力随之消失。 • 残余应力——应力长期存在一直保留到室温的应力。
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第一节 金属液态成形工艺基础
（三）铸造内应力
• 铸件凝固冷却过程中，若收缩受阻，则在铸件内会产生铸造应力。它是 铸件产生变形和裂纹的基本原因。
铸造（内）应力：
铸造应力
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铸件收缩受到机械阻碍
➢流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。 ➢流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进
行补缩。 ➢不同的合金具有不同的流动性。在进行铸件设计和铸造工艺制定时，必
须考虑合金流动性。那么，我们怎样衡量合金的流动性呢？
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第一节 金属液态成形工艺基础
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第6页，共44页。
温度（℃）
流动性（cm）
300 200 100
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
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Fe-C合金的流动性与含碳量之间的关系 亚共晶铸铁随含碳量增加，结晶温度区间减小，流动性逐渐提高，愈接近共晶成分，合金
金属的液态成形技术研究.最全PPT
a——共晶成分合金 b——过共晶成分合金
ab
温度
铸件 铸件
液相线 固相线
成分
固
液
液
表层 中心
表层 中心
合金成分对流动性的影响
1.1 金属液态成形的基本原理
结晶区间越大，流动性越差，共晶成分合金的流动性最好。 过共晶成分合金在结晶时因有液固两相存在，流动性较差。
P可提高流动性，S可使流动性下降。
1.1 金属液态成形的基本原理
• 合金充型能力的影响因素：
1. 流动性
2．浇铸条件 （1）浇注温度： 对合金流动性的影响很显著。 灰铸铁1200~1380℃、铸造碳钢1520~1620℃、 铝合金680~780℃。“高温出炉，低温浇注” （2）充型压力
充型压力 充型能力
1.1 金属液态成形的基本原理
▲ 低温阶段（T２～T３之间）杆Ⅱ受压、杆Ⅰ受拉
缩孔（shrinkage cavity）形状不规则，孔壁粗糙，一般位于铸件厚 大部位和热节处 。
1.1 金属液态成形的基本原理
当合金结晶温度较宽时，铸件表面结壳后，内部有较宽的液、固 两相共存的凝固区域。凝固后期，树枝晶相互接触，将合金液分割成 多个小的封闭区域，当封闭区域内合金液凝固收缩得不到补充时，就 形成了缩松。
合金：由两种或两种以上的金属元素，或金属
元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质。
第1章 金属的液态成形技术
传统砂型铸造流程简图
第1章 金属的液态成形技术
铸造特点：
优点： 1．复杂零件（外形、内腔）； 2. 成本低； 2．尺寸和重量不受限制。
缺点： 1．废品率较高，生产过程难以控制； 2．铸件力学性能较差； 3．砂型铸造铸件精度较差。
金属液态成形工艺原理讲稿
结晶特点是 在一定的温度点开始凝固。 具有一定过热度的液态金属在管道中流动，靠 近管壁的液态金属首先降到凝固温度并开始在 管壁上凝固，一般是以柱状晶组织从管壁向里 推进，而中心的过热液态金属继续向前流动， 并且能够全部或部分地熔化正在向里生长的柱 状晶，过热度逐渐减小。当流动的液态金属没 有过热度时，柱状晶一直生长到中心，液态金 属在流动前端的后部被堵塞而停止流动。
§2.4 液态金属凝固方式
一、液态金属凝固动态曲线
根据凝固体断面各位置的温度与时间的关系曲线，在位置 与时间的坐标图上绘制成的凝固体典型温度的连线图称为
凝固动态曲线。
典型温度： 液相线温度 固相线温度 共晶温度等
根据凝固动态曲线， 可以推断凝固体断面不同时刻的凝固状态和凝固区的宽窄（范围）。
液态金属充型过程计算模型：
H0——金属充型压头 P —— 上型腔高度 C —— 型腔高度
（铸件高度）
4.平均静压头H均的确定 假设型腔断面积沿高度无变化。
a. 按实际系统与计算系统浇注做功相同来确定：
H均
H0
P2 2C
（2 – 8a）
b. 按实际系统与计算系统浇注时间相同来确定：
H均
H0C 2
2
H 0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi （2 - 1）
整理式（2-1）得
H0
v内2 2g
hi
v内2 2g
(1
i )
所以
v内
1
1 i
2gH0 2gH0
（2 - 2）
式中
为流量系数。
1. 充填下半型 通过内浇道的金属流量为
m1 t1F内 2gH0
所以
§2.4 液态金属凝固方式
一、液态金属凝固动态曲线
根据凝固体断面各位置的温度与时间的关系曲线，在位置 与时间的坐标图上绘制成的凝固体典型温度的连线图称为
凝固动态曲线。
典型温度： 液相线温度 固相线温度 共晶温度等
根据凝固动态曲线， 可以推断凝固体断面不同时刻的凝固状态和凝固区的宽窄（范围）。
液态金属充型过程计算模型：
H0——金属充型压头 P —— 上型腔高度 C —— 型腔高度
（铸件高度）
4.平均静压头H均的确定 假设型腔断面积沿高度无变化。
a. 按实际系统与计算系统浇注做功相同来确定：
H均
H0
P2 2C
（2 – 8a）
b. 按实际系统与计算系统浇注时间相同来确定：
H均
H0C 2
2
H 0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi （2 - 1）
整理式（2-1）得
H0
v内2 2g
hi
v内2 2g
(1
i )
所以
v内
1
1 i
2gH0 2gH0
（2 - 2）
式中
为流量系数。
1. 充填下半型 通过内浇道的金属流量为
m1 t1F内 2gH0
所以
金属的液态成形PPT课件
• （3）铸型条件与铸型结构
• 由于铸型和型心的阻碍，铸件的实际收缩率小于自由收缩 率。因此，在制作模样时要根据合金的种类，给与合理的 考虑。
.
7
• 三、缩孔和缩松的形成及防止
若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，则
在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。按照孔洞的大小
和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。
• （2）球墨铸铁：因流动性比灰铁差，需提高铁液出炉 温度、加大浇注系统截面以增大充型速度；因其液态和 固态收缩率大，应采取顺序凝固法防止缩孔和缩松的产 生；铸造应力较大，有变形和冷裂的倾向。
.
10
• （3）可锻铸铁 • 流动性差、收缩率大，缩孔和裂纹倾向大，工艺措施
与球墨铸铁基本相同。
• 2、铸钢 • 铸钢因浇注温度高，凝固温度范围宽，且为糊状结晶，
金的流动阻力加大，合金的流动性大大下降，
合金的结晶温度区间越宽，流动性越差。
.
4
• （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。
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，金属液态形可分为砂型铸造和特
• 由于铸型和型心的阻碍，铸件的实际收缩率小于自由收缩 率。因此，在制作模样时要根据合金的种类，给与合理的 考虑。
.
7
• 三、缩孔和缩松的形成及防止
若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，则
在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。按照孔洞的大小
和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。
• （2）球墨铸铁：因流动性比灰铁差，需提高铁液出炉 温度、加大浇注系统截面以增大充型速度；因其液态和 固态收缩率大，应采取顺序凝固法防止缩孔和缩松的产 生；铸造应力较大，有变形和冷裂的倾向。
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• （3）可锻铸铁 • 流动性差、收缩率大，缩孔和裂纹倾向大，工艺措施
与球墨铸铁基本相同。
• 2、铸钢 • 铸钢因浇注温度高，凝固温度范围宽，且为糊状结晶，
金的流动阻力加大，合金的流动性大大下降，
合金的结晶温度区间越宽，流动性越差。
.
4
• （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。
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，金属液态形可分为砂型铸造和特
材料成型原理与工艺(01)-液态金属成形概论
对机械性能有一定影响，对材料的塑性、冲击韧性影响很大， 对机械性能有一定影响，对材料的塑性、冲击韧性影响很大， 尤其对材料的疲劳强度影响更严重。 尤其对材料的疲劳强度影响更严重。
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。
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。
第一节 金属的液态成形原理
决定凝固方式的因素： （1）结晶温度范围 （2）铸件断面温度场分布变化
二 液态合金的充型能力
充型: 液态合金填充铸型的过程. 充型能力 : 液态合金充满铸型型腔 , 获得形状完整 , 轮廓清晰的铸件的能力
若充型能力不足，易产生:
1）浇不足: 不能得到完整隙或凹坑 , 机械性能下 降.
2) 共晶成分流动性好:恒温凝固,固体层表面光滑,且熔点 低,过热度大；
3) 非共晶成分流动性差: 结晶在一定温度范围内进行,初 生树枝状晶阻碍液流 。 常用铸造合金中，铸铁的流动性最好，铸钢的流动性最差。
逐层凝固（好）
糊状凝固（差）
不同成分合金流动性
（过热度）
碳钢
铸铁
碳钢随着结晶温 度范围的增加而 流动性变差；亚 共晶铸铁随含碳 量的增加流动性 提高。
纵向温度分布曲线
冷铁
同时凝固— 整个铸件几乎同时凝固。
同时凝固特点:不需冒口，节约金属且工艺简单；铸件均 匀冷却，减小热应力,不易形成内应力、变形和裂纹等缺 陷，但心部缩松有时难以避免,故用于收缩小的合金和各 种合金的薄壁铸件。如灰铸铁，锡青铜，铝硅合金等。 （1）这是由于薄壁铸件的铸型冷却作用强，薄壁断面温 度梯度大，倾向于逐层凝固。因此收缩小的灰铸铁可消除 缩孔，获得致密铸件；而收缩较大的薄壁铸钢、有色合金 铸件会出现轴线缩松，但其表层组织致密。
温度
固
液
表层
中心
铸件的凝固方式
2)糊状凝固
• 结晶温度范围很宽 的合金，从铸件的 表面至心部都是固 液两相混存。 • 铸件断面上布满小 晶体，将金属液分 割开，致充型和补 缩能力变差。
温度
固
液
表层
中心
铸件的凝固方式
第二篇金属液态成形
§1-3 液态成形内应力、变形与裂纹
3. 铸件的质量控制 1）铸件缺陷难以避免。 常见缺陷有：气孔、粘砂、夹砂、缩孔、缩松； 裂纹； 合金成分、性能不合格等。 2）铸件中，可许存在一些合乎技术要求的铸造缺陷。 3）铸件质量检验——外部、内部、成分、性能检测等。
缩孔
气孔
浇不到
小结
流动性
充型能力
合金工艺性能
下型 上型
机械应力是暂时应力。
§1-3 液态成形内应力、变形与裂纹
2．热应力
铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，在同一时期内 铸件各部分收缩不一致而引起的应力。
1 2
T TH 1 T临 T室 t0 t1 2 t2 t3
塑性状态 弹性状态
+ + t0~t1: t1~t2： t2~t3：
1 固与收缩
缩孔的形成: 纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金，浇注 后在型腔内是由表及里的逐层凝固。在凝固过程，如 得不到合金液的补充，在铸件最后凝固的地方就会产 生缩孔.
§1-2 液态金属的凝固与收缩
缩松的形成原因: 铸件最后凝固的收缩未能得到补足，或者结晶温度范围 宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相共存，树 枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补 缩所致。
第二篇
金属液态成形工艺
绪论 第一章 第二章 第三章 第四章
金属液态成形工艺基础 常用液态成形合金及其熔炼 液态金属的成形工艺方法 液态成形件的工艺设计
绪论 一 什么是液态成形（铸造）?
将液态合金浇注到一定形状、尺寸铸型空腔中， 待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法. 铸造的核心问题：
凝固组织的形成与控制； 铸造的缺陷与防止； 尺寸精度与表面粗糙度的控制。
2.1液态金属铸造成形的基本原理
c.析出气孔
合金冷凝时溶解于合金液中的气体溶解度逐渐下降以 气泡形式析出。可通过严格控制炉料质量，熔炼操作，浇 注工艺防止。
小结：
流动性
合 金 的 铸 造 性 能
浇不足 冷隔 液态收缩 收缩性 凝固收缩 固态收缩
提高流动性 合理设计浇注系统 缩孔 缩松 应力 同时凝固 均匀壁厚 时 效 裂纹 反 变 形 法 减 小 应 力 设 防 裂 筋 顺序凝固
铸型种类 砂型 砂型 砂型 砂型 砂型 金属型（300℃） 砂型 砂型 砂型
浇注温度/℃ 1300 1300 1300 1300 1600 680~720 700 1040 1100
螺旋线长度/mm 1800 1300 1000 600 100 700~800 400~600 420 1000
铸钢 C=0.4% 铝硅合金（硅铝明） 镁合金（含A1及Zn） 锡青铜（Sn≈10%,Zn≈2%） 硅黄铜（Si=1.5~4.5%）
补充1：液态合金的充型
一 充型概念 充型： 液态合金填充铸型的过程。 充型能力：液态合金充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件的 能力。 二 影响充型能力的因素 1 合金的流动性 2 浇注条件 ★浇注温度 浇注温度越高，充型能力越强。 ★充型压力 液态合金在流动方向上所受 的压力，压力越大，充型能力越 强。
吸气性 侵 入 气 孔 析 出 气 孔 反 应 气 孔 减 小 应 力
变形 设 加 强 筋
减 小 材 料 脆 性
2.1.2铸件缺陷分析及铸件质量控制 一、常见铸件缺陷
类别 名称 气孔 孔 缩孔 类别 名称 多肉 浇不足 表 面 缺 陷 成 分 、 组 织 和 性 能 不 合 格 类别 名称 粘砂 夹砂
3 影响收缩的因素
★化学成分 合金不同，化学成分不同，其收缩率也不同；
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Re
vD
0.12 0.15 0.407 106
44226 Re临（2300）
对于某些合金，在浇注温度下（高于液相线温度50~100℃）有：
铸件材质
γ（m2/s）
铸铁 0.55×10-6
铸钢 0.4×10-6
铝合金 0.6×10-6
在浇注系统中，即使 D 很小（如取 0.4 cm），在保证充型 的最低流速下，其雷诺数也大于Re临。所以：
学的规律在一定程度上也适用于液态金属的流动过程。
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
一、浇注系统的结构
浇注系统：引导金属液进入和充满型腔的一系列通道。
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
一、浇注系统的结构
浇注系统的构成（基本组元）：
① 浇口杯 ② 直浇道 ③ 直浇道窝 ④ 横浇道 ⑤ 内浇道
§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。
Re v D
Re临 = 2300
（流速×管路直径 / 流体运动粘度） 大于Re临为紊流
小于Re临为层流
例如，某钢种在连铸工艺过程中结晶器的管道直径为0.15m， 如果结晶器有电磁搅拌的条件下钢水的平均旋转周向速度为 0.12m/s，浇注温度为1535℃，运动粘度为0.407×10-6m2/s， 计算出：
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
三、计算过程和结果
计算条件： a. 浇注系统为充满流动
封闭式浇注系统； 对于开放式的型腔液面要淹过内浇道。
b. 浇口杯液面保持不变
1. 充填下半型 设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：
H 0
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
F直、F横、F内分别为直、横、内浇道截面积之和。
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
二、计算模型
液态金属充型过程计算模型：
H0——金属充型压头 P —— 上型腔高度 C —— 型腔高度
（铸件高度）
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
二、计算模型
为了保证金属液顺利充满型腔： 直浇道要有一定高度（提供充型压头）； 浇道要有合适的截面积。
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
1、多相黏性流动 液vo态金属83Cg中存在夹另杂相 物R （固相）另和气一体相（临气界相升）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。
H 0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi （2 - 1）
整理式（2-1）得
H0
v内2 2g
hi
v内2 2g
(1
i )
所以
v内
1
1 i
2gH0 2gH0
（2 - 2）
式中
为流量系数。
1. 充填下半型 通过内浇道的金属流量为
m1 t1F内 2gH0
所以
F内
t1
m1 2 gH 0
（流量=时间*流速*截面积） （2 - 3）
例如连铸的钢水中：
夹杂物（非金属化合物）： （尺寸 < 50μm ）
氧化物—— Al2O3, SiO2, MnO, FeO, TiO2 , MgO 等 氮化物—— AlN, ZrN, TiN 等
硫化物—— Ni3S2, CeS, Cu2S 等
气体：
（总量 < 4X10-4 %）
CO, CO2, H2, N2, O2 等
γ —— 重度（=ρg）
1. 充填下半型 设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：
H 0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi
因为
（2 - 1）
v杯 0
P杯 P腔
hi
i
vi2 2g
其中:
i为浇注系统中某段的压头损失系数。
1. 充填下半型
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
一、浇注系统的结构
连续铸钢浇注系统的构成：
① 钢水包 ② 长水口 ③ 中间包 ④ 浸入式水口 ⑤ 结晶器
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
一、浇注系统的结构
根据浇注系统基本组元截面积比例关系分为：
① 开放式浇注系统 F直 < F横 < F内
② 封闭式浇注系统 F直 > F横 > F内
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi （2 - 1）
1. 充填下半型 设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：
H 0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi （2 - 1）
式中：
P杯 —— 浇口杯液面压力 P腔 —— 型腔内的液面压力 v杯 —— 浇口杯液面金属流动速度 v内 —— 内浇口出口金属流动速度 hi —— 浇注系统中某段的流体压头损失
金属液在浇注系统中的流动为 紊流流动。
又由于浇注系统流路回转，使紊流程度加重。
§2.1 液态金属充型过程的水力学特点
4、在“多孔管”中流动
浇注系统及铸型的型腔都具有一定的透气性
§2.1 液态金属充型过程的水力学特点
综上所述 液态金属在充型过程中的水力学特点与理想液体相比
有明显的区别。 但是，液态金属在充型时间较短的过程中，一些水力
2. 充填上半型 设充填上半型时需要金属液m2，充填时间为t2。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程：
H0
P杯
v杯2 2g
0
P内