材料成型原理与工艺一

凝固
从传热学角度研究铸件与铸型的传热过程， 铸件断面上凝固区域的大小、凝固方式与铸 件质量的关系，以及铸件的凝固时间等。
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、 1 液态金属凝固方式及与铸件质量的关系
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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） 中间凝固方式
3) 液态结晶时晶体的生长过程和生长方式影响着凝固过程中的其他现象：成分 的偏析、液态金属的补缩及裂纹的形成等。
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液态金属的结晶过程：
生核：在液体中先形成一些很小而稳定的固体质点，称为“晶核”； 自发生核：由游动的原子集团自己逐渐长大而形成晶核的过程，也称 为“均质生核”； 非自发生核：在外来质点的表面上生核的过程，也称“异质生核”。
晶体生长：晶核不断生长成晶体，直到互相相遇。
连续生长：粗糙界面的生长 侧向生长：平整界面的生长
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连续生长
侧向生长
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3、铸件晶粒组织的形成和控制
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细晶粒在铸造过程中的实现
增大冷却速度—整个断 面同时产生较大过冷
获得细等轴晶的措施
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(a)
(b)
中国古代铸造产品: (a)四羊方尊与(b)司母戊鼎
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武汉重型制造的铜钟
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永乐大钟
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发动机
发动机缸体
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精密铸造成型的复杂铸件
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大型复杂铸件
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液态金属成形生产过程
材料设计 合金成分
液态金属成形方法确定
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对铸件质量的影响
金属液的补缩：缩孔、缩松、 热裂
影响凝固方式的因素
❖合金结晶温度范围 ❖温度梯度
金属凝固过程中的收缩是影 响铸件质量的如：缩孔、缩 松、热裂、应力、变形和裂 纹等的基本原因。
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2、液态金属的结晶过程
铸件铸态组织的形成过程可分为两个阶段：
❖ 液-固转变：即液态金属的结晶，常称为一次结晶，主要指凝固过 程的相变 ；
夹杂物的排除：
金属液静止处理、真空浇注，加熔剂，过滤法
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四、铸件的收缩
金属凝固过程中的收缩是影响铸件质量的如：缩孔、缩 松、热裂、应力、变形和裂纹等的基本原因。
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缩孔
缩松
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五、铸造应力、变形及冷裂
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1、可以制作形状复杂，特别是具有内腔的零件毛坯。如：箱体、汽缸体等
2、铸造的适应性广泛：工业中常用的金属材料都可以用于铸造，铸件的重 量可以多至几百吨少至几克，铸件的尺寸大可几米，小可几毫米。
3、铸造生产成本低：铸造所用原材料大多来源广泛，价格低廉，并可以直 接利用报废的零件。
4、减少零件的加工费用：铸件的形状和尺寸可以作得与实际零件非常接近。
造型设备 型砂配制 造型
制芯设备
制芯
芯砂配制
熔化
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下芯、合箱
浇注
充型
凝固、冷却
落砂、清理
铸件
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冲天炉
30吨工频炉
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工频炉
气压保温浇包
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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
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可以利用偏析现象达到净化或提纯金属的目的。比如：区域熔炼。
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二、铸件中的气体
三种形态： 气体的来源：
固溶体、 化合物、气孔 熔炼过程、浇注过程、凝固过程
气体对铸件质量的影响
❖ 以固溶体形态存在的气体---降低铸件的韧性； ❖ 以气孔形态存在的气体------减少铸件的有效面积、降低机械性
l 液态金属的充型能力（实验-螺旋形试样）：
充型能力、平均流速、流动时间
影响金属与铸型之间的热交换条件，改变金属液的流动时间；
影响金属液在铸型中的水力学条件、改变金属液的流速。
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2、 影响充型能力的其他因素
1) 金属性质方面的因素 金属的比热、密度、导热率、表面张力和合金粘度等。
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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。
液态金属成形原理与工艺
材料学院
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第一节：液态金属成形概论
一、液态金属成形的概念及科学问题
液态金属成形的概念：
将金属加热到液态，使其具有流动性，然后浇入到具有一定形状的型腔的
铸型中，液态金属在重力场或外力场（压力、离心力）的作用下充满型腔， 冷却并凝固成具有型腔形状的铸件。
液态金属成形的优点：
降低浇注温度—抑制柱 状晶的形成
加强液体金属的流动液 流对型壁的冲刷、震动
孕育处理—向液体中添 加少量物质，促进内部 生核的方法
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思考题
1. 液态金属成形的概念是什么？液态金属 成形具有哪些优点？
2. 液态金属成形生产过程。
第二节 液态金属成形质量及控制
一、铸件化学成分的不均匀性
铸件凝固以后，截面上不同部位，以至晶粒内部，产生化 学成分不均匀的现象，称为“偏析”。
❖ 固态转变：即金属凝固后，随着铸件的继续冷却，在固相内部产 生的相变，有时也称为二次结晶。
液态金属结晶对铸件质量的影响：
1) 决定铸件的晶粒组织，如晶粒的形状和尺寸，晶粒内和晶粒间的成分不均匀 性以及非金属夹杂物的分布形态等；
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2) 液态结晶的组织对随后冷却过程中的相变，非金属夹杂物的析出及铸件的热 处理过程等有极大的影响；
能、降低气密性； ❖ 当金属中的气体过多时-------影响铸件的补缩
气孔的类型：
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析出性气孔、反应性气孔、侵入性气孔
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三、铸件中的非金属夹杂物
夹杂物的组成：氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物、磷化物、碳化物
夹杂物对铸件质量的影响：
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。
微观偏析
指微小范围内的化学成分不均匀现象，一般在一个晶粒尺寸 范围内； 晶内偏析（枝晶偏析）、晶界偏析
宏观偏析
“区域偏析”—成分不均匀表现在较大的尺寸范围内。 正偏析、逆偏析、V型偏析和逆V型偏析、带状偏析、重力 偏析
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偏析对铸件质量的影响：
1. 微观偏析使晶粒范围内的物理和化学性能产生差异，影响铸件 的机械性能，有时使铸件难于加工。 2. 晶界偏析使得低熔点共晶容易集中在晶粒边界，既增加铸件在 收缩过程中产生热裂的倾向性，又降低铸件的塑性； 3. 宏观偏析使铸件的机械性能和物理性能产生很大的差异，影响 铸件或零件的使用寿命和工作效率。 4. 宏观偏析还能给金属材料的抗腐蚀性能带来严重的后果；
2)铸型性质方面的因素 铸型的储热系数、铸型温度、铸型中的气体。
3)浇注条件方面的因素 浇注温度、充型压头（压力头）、浇注系统的结构。
4)铸件结构方面的因素 模数（或称换算厚度）、铸件的复杂程度。
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三 液态金属的凝固
凝固定义：
合金从液态转变为固态的状态变化，称为一次结晶或凝固。
一次结晶 从物理化学的观点研究液态金属的生核、成 长、结晶组织的形成规律