第一节金属的液态成形原理
第一篇 液态金属成型原理
1.粘滞性 当液体在外力作用下流动时，由于分 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 称为粘滞性，用粘度表征粘滞性的大小。 见图1-5
F(x) SdUx / dy
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。
PV=RT（范德瓦尔公式） 对液态结构的研究由于原子间的相互作用，必须予以考 虑，但原子相互位置不确定产生了困难。
一、凝聚理论 把液体看作是浓缩的气体，从气体运动论观点出发，通
过修正气体状态方程式，来修正浓缩气体中原子或分子之间 作用力的影响。博尔恩及格林提出了一组适于描述液体运动 论的分子分布函数。但很复杂，实际很难应用。 二、点阵理论
度不升高。 金属的熔化潜热一部分用来使体积膨胀做功，另一部分用
来增加系统的内能。恒压下 δq=d(U+pV)=dU+pdV=dH
式中 δq—外界供给的潜热;U—内能； pV—膨胀功；H-热焓
ds q / T 1/T(dU pdV)
可见，熔化的本质就是金属从固态的有规律性的长程有序 排列转变为液态的紊乱而无序的非晶体结构的过程。
第一章 液态金属及合金的结构和性质
铸造是使金属的状态按着“固态一液态—固态“过程而 成 型的。金属由液态转变为固态过程中发生很多现象：形核， 晶体长大，溶质的传输，液态体积变化等，这些均与金属的 结构及性质有关。因此金属的结构及性质对研究铸件形成过 程非常重要。
科学上对液体状态的认识远落后于气体状态和固体状态。 理想气体中的分子，基本上像是一些弹性体。在低压和中压 下，分子间距大约分子自身尺寸，其间作用可忽略不计；在 高压下，分子间作用力不可忽略，其气体状态方程式为：
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。
第一篇金属的液态成形
1. 金属的液态成形(铸造)1.0概述将金属材料加热到高温熔化状态，然后采取一定的成形方法，待其冷却、凝固后获得所需金属制品，这种制造金属毛坯的过程称为金属的液态成形。
金属的液态成形除了铸造之外，还有液态模锻。
1.0.1铸造的定义铸造是指将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得所需形状、尺寸和性能的毛坯或零件的金属液态成形方法。
它是生产机器零件毛坯的主要方法之一。
1.0.2铸造的基本过程铸造生产的基本过程包括以下三个步骤：①根据零件的要求，准备一定的铸型；②把金属液体浇满铸型的型腔；③金属液体在铸型型腔中冷凝成形，获得一定形状和尺寸的铸件。
1.0.3铸造生产的特点铸造的实质就是液态金属(合金)逐步冷凝成形，具有以下特点：优点：①适应性广几乎所有金属及其合金，只要能够熔化成液态便能铸造，尤其是适合生产塑性差的材料。
②工艺灵活性大各种形状、尺寸(壁厚从0.5～1000mm、轮廓从几毫米至几十米)、重量(从几克～几百吨)和生产批量的铸件都能生产，能够制成如机床床身、箱体、机架、支座等具有复杂内腔的毛坯。
某些形状极其复杂的零件只能用铸造方法制造毛坯。
③省工省料铸件毛坯与零件形状相似，尺寸相近，加工余量小，金属利用率高，可以省工省料，精密铸件甚至不需切削加工，就可直接装配。
④生产成本低铸造用的原材料来源广泛，可直接利用报废的机件和切屑。
造型设备投资少，易操作。
缺点：①铸件内部晶粒比较粗大，组织疏松，容易产生气孔、夹渣等铸造缺陷，机械性能和可靠性不如锻件，尤其是冲击韧性较差，不宜制造受冲击或交变载荷作用的零件。
②生产过程比较复杂，工序多且一些工艺过程难以精确控制，铸件质量不稳定，废品率较高。
③工人劳动强度大，劳动条件差。
1.0.4铸造生产的发展历史我国是世界上最早掌握铸造生产的文明古国之一。
早在三千多年前，青铜铸器已有应用，二千五百多年前，铸铁工具也已相当普遍。
我国劳动人民对世界铸造业的三大贡献(三大铸造技术)：泥型铸造(砂型铸造)、铁型铸造(金属型铸造)、失蜡铸造(熔模铸造)。
1-材料成形理论基础
材料成形工艺基础1第一章 材料成形理论基础液态成形--铸造 固态成形--锻造 固态连接--焊接21第一节 液态成形基础1、液态金属的结构液态金属在结构上更象固态而不是汽态，原子之间 仍然具有很高的结合能。
液态金属的结构特征 液态金属内存在近程有序的原子集团。
这种原子集团是不稳定 的，瞬时出现又瞬时消失。
所以，液态金属结构具有如下特 点： l）液态金属是由游动的原子团构成。
2）液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相 同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起 伏。
3）由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时 大时小，此起彼伏的，称为结构起伏。
3第一节 液态成形基础1、液态金属的性质液态金属是有粘性的流体。
粘度的物理本质是原子间作 相对运动时产生的阻力。
表面张力：在液体表面内产生的平行于液体表面、且各 向均等的张力421.2铸件的凝固组织合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶 或凝固。
当液态金属冷却至熔点以下，经过一定时间的孕 育，就会涌现一批小晶核，随后这些晶核按原子规则 排列的各自取向长大，与此同时又有另一批小晶核生 成和长大，直至液体全部耗尽为止。
51.2铸件的凝固组织合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶 或凝固。
一次结晶从物理化学观点出发，研究液态金属的 生核Formation of stable nuclei 、长大Growth of crystals、结晶组织的形成规律。
凝固从传热学观点出发，研究铸件和铸型的传热过 程、铸件断面上凝固区域的变化规律、凝固方式与 铸件质量的关系、凝固缺陷形成机制等。
631.2铸件的凝固组织凝固组织分宏观和微观。
宏观组织：铸态晶粒的形态、大小、取向、分布 微观组织：晶粒内部的亚结构的形状/大小/相 对分布/缺陷等 晶粒越细小均匀，金属材料的强度和硬度越高，塑 性和韧性越好。
71.3铸件的凝固方式和控制铸件的工艺原则铸件的凝固方式逐层凝固方式(skin-forming solidification) 糊状凝固方式(mushy solidification) 中间凝固方式(middle solidification)。
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。
液态成形概述
注意2个过程： （1）充填型腔； （2）凝固冷却
金属液态成型
定义：所谓金属液态成型，即铸造，casting， 是将金属加热到液态，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的作用下充满型腔，冷却 并凝固成具有型腔形状的铸件。
实质：液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中
复合材料制备）
现代铸造
我国已成功地生产出了世界上最大的轧
钢机机架铸钢件（重410t）和长江三峡 电站巨型水轮机的特大型铸件
感受铸造
砂型sand mould铸造工艺流程图
型砂molding sand配制造型砂型干燥 工装准备炉料准备合金冶炼 芯砂core sand配制造芯core making型芯干燥
青铜文化
司母辛觥
豕尊
春秋晚期越国青铜兵器 出土于湖北江陵楚墓
长55.7厘米
剑锷锋芒犀利
锋能割断头发
湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑
三星堆
立人像铸于商代晚期，人像
高172厘米，底座高90厘米， 通高262厘米，是世界上最 大的青铜立人像，被尊称为 “世界铜像之王”。
突目面具铸于商代晚期，原
件高64.5厘米，宽138厘米， 眼球柱状外突长达13.5厘米， 其造型在世界上亦属首见。
第一篇 液态成形原理
第一章 概述
第二章 液态金属的结构与性质 第三章 液态成形过程的传热
第章 液态金属的结晶
第五章 铸件凝固组织的形成及控制
第六章 铸件中缺陷及其控制
第一章
液态材料 浇注 铸型模腔
概述
凝固 固态毛坯
金属的铸造工艺
陶瓷的注浆成形
塑料的注射成形
金属液态成形工艺原理
H0
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）：
H0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi
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
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
三、计算结果
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
c. 型腔内压力与外界相同，即砂型透气性要好，有排气孔
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）：
γ —— 重度（=ρg）
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
v内2 2g
hi
3. 充填整个铸型
设充填时需要金属液m，充填时间为t，则
m
F内 t 2gH均
式中 m为充填铸型所需金属液； t为充填时间； 为流量系数； H均为充型平均静压头。
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
§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。
01-1金属液态成形
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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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
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。
第一节 金属的液态成形原理
充型: 液态合金填充铸型的过程. 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, 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: 若充型能力不足，易产生: 1）浇不足: 不能得到完整的零件. 浇不足: 不能得到完整的零件. 冷隔: 没有完整融合的缝隙或凹坑, 2 ） 冷隔 : 没有完整融合的缝隙或凹坑 , 机械性能下 降.
（a）纯金属及共晶合金 （b）其他成分合金
铸件的温度梯度, 铸件的温度梯度 凝固区域及凝固方式
1）铸件温度场
铸件横断面温度分布曲线
2）铸件的凝固区域
液相区 凝固区 固相区
铸件的温度场及某瞬间的凝固区域
铸件的凝固方式
1)逐层凝固 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。 温度
三) 铸型条件
铸型导热能力: 导热↑ 金属降温快, 1 铸型导热能力: 导热↑ 金属降温快,充↓ 如金属型 铸型温度: 2 铸型温度: t↑ 充↑ 如金属型预热 铸型中气体: 排气能力↑ 减少气体来源,提高透气性。 3 铸型中气体: 排气能力↑ 充↑ 减少气体来源,提高透气性。 少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜, 减少流动阻力, 少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜 , 减少流动阻力 , 有 利于充型. 利于充型. 4 铸型结构 若不合理 如铸型壁厚小 直浇口低 浇口小等 充 铸型结构: 若不合理,如铸型壁厚小 直浇口低, 如铸型壁厚小, ↓.
金属液态成型的原理
金属液态成型的原理
金属液态成型是一种通过将金属加热至其熔点以上，使其处于液态状态，并通过施加压力将金属液体注入模具中，然后进行冷却和凝固的一种金属加工技术。
这种成型方法通常适用于高熔点金属，如铝合金、镁合金以及钢等。
金属液态成型的原理主要包括以下几个方面：
1. 加热：金属零件首先需要被加热至其熔点以上，使其转变为液态。
通常使用高温炉或者电阻加热器等设备，将金属零件加热至所需温度。
2. 施加压力：一旦金属零件达到液态，需要将其注入模具中。
这通常通过施加压力来实现，可以采用压铸机、注塑机等设备，将金属液体注入到预定形状的模具中。
3. 冷却和凝固：注入模具后，金属液体会迅速冷却，并逐渐凝固成为固态金属零件。
冷却过程中，金属零件会逐渐失去热量，同时形成所需的形状和结构。
通过金属液态成型技术，可以制造出形状复杂、尺寸精确的金属零件。
相比传统的金属成型方法，如锻造、铸造等，金属液态成型具有以下优点：
1. 高精度：金属液态成型可以制造出具有高精度的零件，尺寸稳定性好，形状复杂度高。
2. 优良的力学性能：由于金属液态成型过程中金属流动性好，因此金属零件具有优越的力学性能和均匀的组织结构。
3. 节约材料：相比传统的金属成型方法，金属液态成型可以更好地利用材料，减少浪费，提高材料利用率。
总结起来，金属液态成型通过将金属加热至液态状态，施加压力注入模具，并进行冷却和凝固的过程，可以制造出形状复杂、尺寸精确的高质量金属零件。
这种加工方法在航空航天、汽车等行业有广泛应用。
第一章金属液态成形
第一章金属液态成形1-1什么是液态合金的充型能力？它与合金的流动性有何关系？不同化学成分的合金为何流动性不同？为什么铸钢的充型能力比铸铁差？1-2 既然提高浇注温度可提高液态合金的充型能力，但为什么又要防止浇注温度过高？1-3 缩孔与缩松对铸件质量有何影响？为何缩孔比缩松较容易防止？1-4 区分以下名词：缩孔和缩松浇不足与冷隔出气口与冒口逐层凝固与定向凝固1-5 什么是定向凝固原则？什么是同时凝固原则？上述两种凝固原则各适用于哪种场合？1-6 分析图1-73所示轨道铸件热应力的分布，并用虚线表示出铸件的变形方向。
图1-73 题1-6图1-7 分析下列情况产生气孔的可能性。
化铝时铝料油污过多起模时刷水过多椿砂过紧型芯撑有锈1-8 手工造型、机器造型各有哪些优缺点？适用条件是什么？1-9 分模造型、挖砂造型、活块造型、三箱造型各适用于哪种情况？1-10 什么是铸件的结构斜度？它与起模斜度有何不同？图1-74所示铸件的结构是否合理，应如何改正？图1-74 题1-10图1-11 何谓铸造工艺图？用途是什么？1-12 图1-75所示铸件的结构有何缺点？该如何改进？图1-75 题1-12图1-13 为什么铸件要有结构圆角？图1-76铸件上哪些圆角不够合理，应如何修改？图1-76 题1-13图1-14某厂铸造一个φ1000㎜的铸铁件，有如图1-77所示两个设计方案，分析哪个方案的结构工艺性好，简述理由。
图1-77 题1-14图1-15某厂生产如图1-78所示支腿铸铁件，其受力方向如图中箭头所示。
用户反映该铸件不仅机械加工困难，且在使用中曾发生多次断腿事故。
试分析原因，并重新设计腿部结构。
1-17下列铸件宜选用哪类铸造合金？说明理由。
坦克车履带板压气机曲轴火车轮车床床身摩托车发动机缸体减速器蜗轮汽缸套1-18 什么是熔模铸造？试述其工艺过程？1-19 金属型铸造有何优越性？为什么金属型铸造未能广泛取代砂型铸造？1-20 为什么用金属型生产铸铁件时常出现白口组织？该如何预防和消除已经产生的白口？1-21 低压铸造的工作原理与压铸有何不同？为什么低压铸造发展较为迅速？为何铝合金较常采用低压铸造？1-22 什么是离心铸造？它在圆筒件铸造中有哪些优越性？1-23 普通压铸件是否能够进行热处理，为什么？1-24 影响铸铁石墨化的主要因素是什么？为什么铸铁牌号不用化学成分来表示？1-25 灰铸铁最适于制造哪类铸件？试举车床上几种铸铁件名称，并说明选用灰铸铁而不采用铸钢的原因。
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。
液态成形基础416PPT课件
定向凝固的不足： （1）浪费金属和工时，增加成本； （2）易使铸件产生变形和裂纹；
用途： 主要用于必须补缩的场合，如铝青铜、
铸钢件等。 注意：
结晶范围很宽的合金，补缩效果很差， 难以避免显微缩松的产生
21 03.12.2020
3.铸造内应力(Internal stress) （1）内应力的形成
7 03.12.2020
二、液态合金的铸造性能 主要包括：充型能力、收缩性 1、合金的充型能力 充型能力：液态合金充满铸型型腔的能力
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影响合金充型能力的主要因素 （1）合金的流动性（液态合金本身的流动能力） 显然，流动性好，充型能力高
影响流动性的主要因素：合金的种类、 合金的成分、杂质等 1）合金的种类 与熔点、热导率、粘度等 有关；例铸钢
(1)收缩过程三阶段：
(1)液态收缩 从浇注温度t浇到凝固开始温 度t液间的收缩 (2)凝固收缩 从凝固开始温度t液到凝固终 止温度t固间的收缩 (3)固态收缩 从凝固终止温度t固到室温t室
间的收缩
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(2)影响收缩的因素：
1)化学成分 碳素钢，C％↑，凝固收缩↑ ， 固态收缩↓； 灰铸铁，C％、Si％↑，收缩率↓ ；S％↑，收 缩率↑
由于合金的液态收缩和凝固收缩得不到补充而在 铸件内部形成的孔洞
（1）缩孔的形成 动画6
（2）缩松的形成 动画7
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基本结论(conclusions) 形状特征：缩孔 容积较大，多呈倒圆锥形 缩松 分散而细小 凝固方式：逐层凝固合金，易形成缩孔； 糊状凝固合金易形成缩松
缺陷部位：缩孔总是出现在铸件最后凝固的 部位，一般在上部
第一章金属的液态成形-概述介绍
落砂清理等。 铸件的材质有铸铁、铸造碳钢、铸造合金钢、铸造有色合金
等。 优点： 1）可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯，如 各种箱体、床身、机架等。 2）铸造生产的适用性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材 料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可 由0.5mm到1m左右。 3）铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机 件，故铸件成本较低。
铸造在机器制造业中应用极其广泛。农业机械：40~70% 、 机床:70~80%重量为铸件。
启 动 阀 箱体
缺点： 铸件内部组织粗大，常有缩松、气孔等铸造缺陷，导致
铸件力学性能不如锻件高。铸造工序多，而且一些工艺过程 还难以精确控制，使得铸件质量不够稳定，废品率高。
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材料成形技术
第一章 金属液态成形技术（铸造）
第1章 金属的液态成形技术
液态成形（铸造）： 将熔融金属浇入铸型型腔，凝固 后获得一定形状、尺寸和性能零件或毛坯的成形方法.
也就是，将经过熔化的液态金属浇注到与零件 形状、尺寸相适应的铸型中，冷却凝固后获得毛坯 或零件的一种工艺方法。
砂型铸造及铸件的浇注过程
金属材料液态成型原理(1-液态金属的结构和性质)
1.3.1 金属遗传性
广义上说，金属的遗传性理解为在结构上（或在物性 方面），由原始炉料通过熔体阶段向铸造合金的信息 传递。
具体体现在原始炉料通过熔体阶段对合金零件凝固组 织、力学性能以及凝固缺陷的影响。
1.3.1 金属遗传性
1 力学性能的遗传性
金属及合金遗传性在力学性能方面可利用合金“遗传系数” 的概念进行衡量
1.1.1 液态金属结构的研究方法
gr
1
1
2 2n r 00
0
Q
I Nf
2
1sinQrdQ
Q 4 sin
1.1.1 液态金属结构的研究方法
径向分布函数 定义：
物理含义：
1.1.1 液态金属结构的研究方法
偶势
配位数
rm
Z
2
4r
1.3.3 遗传性的影响因素
1.4 半固态金属的流变性
在液态成型过程中，熔体有较大的过热度时，在浇注前或 浇注时可近似为牛顿流体。但当合金处于凝固过程，开始 析出一定体积分数的固相后，合金即开始具有固相特征， 无流动性。但随着半固态铸造工艺的出现，通过压铸或挤 压装置对半固态浆料施加较大的作用力，使其具有良好的 充型能力，此时流动的半固态金属已不再遵循牛顿流体的 运动规律，而呈现相应的流变特性。
对成型过程的影响 -毛细现象
假设液体中有一
半径为r的球形气泡
1.2.2 表面张力
1.3 遗传性
20世纪20年代，法国的学者Levi通过对Fe-C系合金的 研究发现片状石墨组织与炉料中石墨的尺寸有关，首 次提出了金属遗传性的概念。随后的研究工作表明， 在相同的生产条件下，合金的组织和性能取决于微观 组织和质量，其原始状态对合金熔体及最终产品微观 结构的特殊影响，即称之为“遗传性”。
第四章 金属的液态成形与半固态成形 第一节 液态成形
第四章金属的液态成形与半固态成形第一节液态成形一．特点1．把金属变为变形阻力小的液态金属，浇入铸型后，一次制作出所需形状的铸件。
故适应性强，工艺灵活性大，几乎所有的工程材料都可以用液态成形。
2．成形件精度高。
3．成本低廉。
4．零件力学性能差，常存有缺陷，组织疏松、晶粒粗大、质量不稳定，生产过程劳动强度大、条件差、生产率低。
二．发展史三．液态成形合金性能液态成形过程合金要发生一系列物理、化学变化，并对铸件的质量性能产生极大影响，故液态成形合金必须具有合适的性能要求。
（一）合金的充型性能作为最基本要求,液态金属要能充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰的健全铸件，并防止铸件产生浇不足，冷隔等缺陷。
影响合金充型能力的因素有：1、合金的流动性：作为合金本身性能，它与合金成分、温度、杂质含量及物理性能有关；2、浇注条件：其中包括浇注温度、充型压力与浇注系统的结构。
决定性影响的因素是温度。
在一定范围内，随着温度提高，合金的粘度减少，充型能力提高。
但超过某界限后，合金液氧化、吸气严重，易产生缩松、气孔等缺陷。
提高充型压力（增大静压头高度，压铸）可提高充型能力。
浇铸系统结构较复杂（如蛇形浇道）,流动阻力增加，相同静压条件下，充型能力小。
3、铸型性质及结构铸型从合金中吸收及储存热性能的能力称蓄热能力。
材料的导热率、比热越大，它也越大。
大的蓄热能力使合金的充型能力变差，预热铸型,降低合金液与铸型温差，减缓合金液冷却速度，能提高合金的充型能力。
加强铸型结构的排气，能减少铸型的发气，提高充型效果。
铸型结构不合理，如壁厚太小，急剧变化，过大的水平面等结构能产生较大流动阻力，充型能力大大受影响。
（二）合金的收缩，铸件缩孔、缩松特征1、液态合金在冷却凝固过程中，体积、尺寸均缩小的现象称为收缩，是产生缩孔（松）、变形、裂缝的原因。
有体收缩和线收缩两种，发生在液态收缩和凝固收缩的体收缩是缩孔、缩松形成的主要原因。
固态收缩表现为铸件外形尺寸的线收缩，是产生铸造应力、变形、裂缝的主要原因。
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
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（a）纯金属及共晶合金 （b）其他成分合金
铸件的温度梯度, 凝固区域及凝固方式
1）铸件温度场
铸件横断面温度分布曲线
2）铸件的凝固区域
液相区 凝固区 固相区
铸件的温度场及某瞬间的凝固区域
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。
凝固的温度的温差成正比. 2) 凝固收缩（T液 — T固）: 从凝固开始到凝固完毕. 同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如
: 35钢,体积收缩率3.0%, 45钢 4.3%。 3) 固态收缩（T固 — T室） : 凝固以后到常温. 固态 体积收缩直观表现为铸件各方向线尺寸的缩小，影响
铸件尺寸精度及形状的准确性,故用线收缩率表示.
合金结晶温度范围一定时,凝固区宽度取决于铸件内外 层的温度梯度. 温度梯度愈小,凝固区愈宽.(内外温差大,冷却快,凝固 区窄)
二） 合金的收缩 液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体
积和尺寸减少的现象---.是铸件许多缺陷(缩孔,缩松,
裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因.
1 收缩的几个阶段 1) 液态收缩（T浇 — T液） : 从金属液浇入铸型到开 始凝固之前. 液态收缩减少的体积与浇注温度至开始
铸件的固态收缩受到阻碍时还会产生铸造应力、 变形和裂纹等铸造缺陷。
三 合金铸件的收缩缺陷及防止
一）凝固收缩缺陷-缩孔和缩松及防止:
1 . 缩孔及缩松的形成
1)缩孔： 液体金属浇注到铸型中后，经过液态收缩和凝固收 缩，体积会缩减。若其收缩得不到液体金属的及时补充，则在 铸件最后凝固部位形成孔洞，这种孔洞称为缩孔.
四) 铸件结构条件
1 折算厚度：折算厚度也叫当量厚度或铸件模数， 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；折算 厚度越小则越不易充满。在设计铸件结构时，铸 件的壁厚必须大于规定的最小允许壁厚值。
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。
铸件的最小允许壁厚：
塑性状态: 金属在高于再结晶温度以上的固态冷却阶段,受力 变形,产生加工硬化,同时发生的再结晶将硬化抵消,内应力自 行消失.(简单说,处于屈服状态,受力—变形无应力)
弹性状态: 低于再结晶温度,外力作用下,金属发生弹性变形, 变形后应力继续存在。
a) t0 – t1:凝固开始,粗 细处都为塑性状态,无内应力 ∵两杆冷速不同,细杆快,收缩大,∵受粗杆限制, 不能自由收缩,相对被拉长,粗杆相对被压缩,结果 两杆等量收缩. b) t1 – t2: 细杆冷速大,先进入弹性阶段,而粗杆仍为塑性阶段, 随细杆收缩发生塑性收缩,无应力. c) t2 – t3: 细杆收缩先停止,粗杆继续收缩,压迫细杆,而细杆又 阻止粗杆的收缩,至室温, 粗杆受拉应力(+),细杆受压应力(-)。
2 影响收缩的因素 主要受化学成分影响: 铸铁中促进石墨形成的元素增 加,收缩减少. 如: 灰口铁 C, Si↑,收↓.
这是由于石墨比容大,体积膨胀,抵销部分凝固收缩. 所以常用合金中，铸钢收缩率最大，灰铸铁收缩率最 小（下页表格）。
三） 铸件的收缩
铸件的收缩要比合金的收缩复杂得多。不但和合金成 分及温度有关，还与铸型条件和铸件结构有关。
冒口
ⅢⅡⅠ
热节
（缩孔部位）
顺序凝固示意图
冷铁
冒口— 储存补缩用金属液的“水库”。 冷铁— 用来控制铸件凝固顺序的激冷物，加大某一部分得冷却速度。用
寻找热节的方法
等温线法 内切圆法
顺序凝固特点: 开设冒口补缩。缺点：一是冒口浪费金属； 二是铸件内应力大，易于变形和开裂。主要用于凝固收缩 大，凝固温度范围较宽的合金或壁厚差别较大的合金铸件。 如铸钢、高牌号灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和黄铜等。
由此可见,各部分的温差越大,热应力也越大,冷却较慢的部分形成 拉应力,冷却较快的部分形成压应力.
2）机械应力：合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统的
机械阻碍而形成的内应力。
上型
下型
收缩受机械阻碍的铸件
机械应力是暂时应力,是拉应力。 机械应力与热应力共同作用,可能使某些部位增加了裂纹倾向.
3）减小铸造应力的措施：
采用同时凝固原则 - 薄处设浇口,厚处放冷铁。
优点: 省冒口,省工,省料。 缺点: 心部易出现缩孔或缩松,应用于灰铸铁、锡青铜， 因灰铸铁缩孔、缩松倾向小，锡青铜糊状凝固，用顺 序凝固也难以有效地消除其显微缩松 。
改善铸型、型芯退让性
铸件结构合理，壁厚均匀，热节小
自然时效或人工时效（去应力退火）
2、铸件的变形与防止
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.
三) 铸型条件
2）同时凝固:采用厚壁处放置冷铁，薄壁处开浇口等 工艺措施使铸件各部分温度均匀，在同一时间内凝 固。
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。
按阻碍收缩的原因分为： 1）热应力 2）机械应力
1）热应力：热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速
度不同，收缩不一致而引起的应力。
受热应力的铸件 Ⅰ Ⅱ
+－
+－ +－ +－
热应力分布规律： （1）厚壁及冷却慢的部位——拉应力 （2）薄壁及冷却快的部位——压应力
（塑－弹性临界转变温度）
t0~t1: t1~t2： t2~t3：
1 铸型导热能力: 导热↑ 金属降温快,充↓ 如金属型 2 铸型温度: t↑ 充↑ 如金属型预热
3 铸型中气体: 排气能力↑ 充↑ 减少气体来源,提高透气性。 少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜,减少流动阻力,有 利于充型. 4 铸型结构: 若不合理,如铸型壁厚小, 直浇口低, 浇口小等 充 ↓.
1 测定流动性的方法:
以螺旋形试件的长度来测定: 如 灰口铁:浇铸温度 1300℃， 试件长1800mm.铸钢: 1600℃，100mm．
浇口杯
出气口
2 影响流动性的因素
主要是化学成分:
1) 纯金属流动性好:一定温度下结晶,凝固层表面平滑,对 液流阻力小 ；
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。
铁碳合金流动性与相图关系
※ 结晶温度范围越窄，流动性越好。
3 流动性对铸件质量影响
1) 流动性好,易于浇出轮廓清晰,薄而复杂的铸件.
2) 流动性好,有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体 上浮,排除.
3) 流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行 补缩.
因此，合金流动性好能有效防止铸件出现冷隔、浇不足、
气孔、夹渣、缩孔等缺陷。
温度
固 表层
液 中心
铸件的凝固方式
3)中间凝固
温度
• 大多数合金属 于这种方式。
固 表层
液 中心
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
3 影响铸件凝固方式的因素 1) 合金的结晶温度范围
范围小: 凝固区窄,愈倾向于逐层凝固 如: 砂型铸造,铸铁,低碳钢 逐层凝固, 高碳钢 糊状凝 固 2) 铸件的温度梯度
（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。
（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。
缩孔是容积较大而集中的孔洞.通常隐藏在铸件上部或最后凝 固的部位。其外形特征为倒锥形，内表面不光滑.
假设下面圆柱体铸件是逐层凝固：
圆柱体铸件中缩孔形成示意图
浇口
缩孔形成示意图
2）缩松
缩松是分散在铸件最后凝固部位的细小缩孔。形成原因： 由于结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，先析出的枝晶把液 体分隔开，使其收缩难以得到补充所致。形成过程如下图。
二 铸件的凝固和收缩
一）铸件的凝固 1 铸件的温度场(梯度)及凝固区域: 1)铸件的温度场(梯度):铸件横断面上(截面上)的温度分布曲线. 2)铸件的凝固区域:铸件凝固过程中,其断面上一般分为三个区: 1—固相区 2—凝固区 3—液相区 2 凝固方式: 对凝固区影响较大的是凝固区的宽窄,依此划分凝固方式。 1) 逐层凝固: 纯金属,共晶成分合金在凝固过程中没有凝固区,断面液,固两相由 一条界限清楚分开,随温度下降,固相层不断增加,液相层不断减少 ,直达中心。 2) 糊状凝固 合金结晶温度范围很宽或温度梯度很小的铸件,在凝固某段时间内 ,铸件表面不存在固体层,凝固区贯穿整个断面,先糊状,后固化.故 3) 中间凝固 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间.
白口• 液态收缩
铸铁•
3.00 1400