工程材料液态成型原理

开放实验指导书大纲

实验名称: 工程材料液态成型

引言

什么是液态成型

金属的液态成型常称为铸造，铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。

图-1 铸造示意图

一、实验目的

1．了解铸造的概念及基本原理；

2．了解并掌握铸造的基本工艺及其主要的工艺参数；

3．了解并掌握铸造过程中金属从液态到固态转变过程中影响金属性能和铸件质量的一些基本因素；

4．了解金属收缩的基本规律，以及常见铸造缺陷缩的形成机理，及其影响因素。

二、实验原理

1.铸造的定义

铸造过程是指将金属置于熔炼炉内的坩埚中, 加热熔炼成符合一定要求的液体并浇铸到锭模或铸模中，经冷却凝固, 液态金属转变成固态金属, 清整处理后获得一定形状、尺寸的铸件或铸件的工艺过程。铸造毛胚因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了时间．铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一.

铸造工艺可分为三个基本部分，即铸造金属准备、铸型准备和铸件处理。铸造金属是指铸造生产中用于浇注铸件的金属材料，它是以一种金属元素为主要成分，并加入其他金属或非金属元素而组成的合金，习惯上称为铸造合金，主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金。

2.铸造的分类

铸造种类很多，按造型方法习惯上分为：①普通砂型铸造，包括湿砂型、干砂型和化学硬化砂型3类。②特种铸造，按造型材料又可分为以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造（如熔模铸造、泥型铸造、铸造车间壳型铸造、负压铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等）和以金属为主要铸型材料的特种铸造（如金属型铸造、压力铸造、连续铸造、低压铸造、离心铸造等）两类。

2.1 普通砂型铸造

以型砂和芯砂为造型材料制成铸型，液态金属在重力下充填铸型来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。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。

图-2 砂型铸造示意图

2.2 特种铸造

但随着科学技术的发展，对铸造提出了更高的要求，要求生产出更加精确、性能更好、成本更低的铸件。为适应这些要求，铸造工作者发明了许多新的铸造方法，这些方法统称为特种铸造方法，即特种铸造。

图-3熔模铸造示意图图-4压力铸造示意图

图-5 消失模铸造示意图

图-6 连续铸造示意图图-7 离心铸造示意图特种铸造具有以下优势:

①铸件尺寸精确，表面粗糙值低，更接近零件最后尺寸，从而易于实现少切削或无切削加工。②铸件内部质量好，力学性能高，铸件壁厚可以减薄。③减低金属消耗和铸件废品率。④简化铸造工序（除熔模铸造外），便于实现生产过程的机械化、自动化。⑤改善劳动条件，提高劳动生产率。

3. 铸造过程中液态金属的凝固过程

凝固,是极为普遍的物理现象。物质凡由液态到固态的转变一般都经历凝固过程, 广泛存在于自然界和工程技术领域。从雪花凝结到火山熔岩固化，从钢铁、有色金属冶金生产中单铸锭及连铸锭的结晶到材料成形领域铸件及焊缝的凝固,高分子塑料、橡胶在模具中的固化，以及高技术领域的超细晶、非晶、微晶材料的快速凝固, 半导体、激光晶体、超导体等功能材料的生长, 均属凝固过程。

液态金属凝固结晶的条件: 金属熔体存在过冷.

图-8 金属凝固过程

3.1合金的流动性

流动性是指熔融金属的流动能力。合金流动性的好坏，通常以“螺旋形流动性试样”的长度来衡量，将金属液体浇入螺旋形试样铸型中，在相同的浇注条件下，合金的流动性愈好，所浇出的试样愈长。

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。螺旋形流动性试样衡量合金流动性，如图1-2所示。在常用铸造合金中，灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。

图-9 螺旋试验

影响熔融合金充型的条件: 铸型的温度低、热容量大，充型能力下降；铸型的发气量大、排气能力较低时，会使合金的充型能力下降；浇注系统和铸件的结构越复杂，合金在充型时的阻力越大，充型能力下降；提高浇注速度、浇注温度和增加直浇道的高度会使合金的充型能力提高。

3.2 合金的充型能力

充型能力考虑铸型及工艺因素影响的熔融金属流动性叫合金的充型能力。合金的流动性是金属本身的属性，不随外界条件的改变而变化，而合金的充型能力不仅和金属的流动性相关，而且也受外界因素的影响。

充型能力的影响因素: 1）铸型填充条件a）铸型的蓄热能力即铸型从金属液中吸收和储存热量的能力。铸型的热导率和质量热容越大，对液态合金的激冷作用越强，合金的充型能力就越差。b）铸型温度提高铸型温度，可以降低铸型和金属液之间的温差，进而减缓了冷却速度，可提高合金液的充型能力。c）铸型中的气体铸型中气体越多，合金的充型能力就越差。

3.3 铸件的凝固方式

铸件的凝固方式（1）逐层凝固方式合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，这种凝固方式称为逐层凝固。常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。（2）糊状凝固方式合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，这种凝固方式称为糊状凝固。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。（3）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。

凝固方式的影响因素（1）合金凝固温度范围的影响合金的液相线和固相交叉在一起，或间距很小，则金属趋于逐层凝固；如两条相线之间的距离很大，则趋于糊状凝固；如两条相线间距离较小，则趋于中间凝固方式。（2）铸件温度梯度的影响增大温度梯度，可以使合金的凝固方式向逐层凝固转化；反之，铸件的凝固方式向糊状凝固转化。

3.4 铸造合金的收缩

铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。它主要包括以下三个阶段：1.液态收缩金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。2.凝固收缩熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。3.固态收缩金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。