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1、,复旦大学,热 加 工 工 艺,四川大学制造科学与工程学院 School of Manufacturing Science and Engineering,四川大学制造科学与工程学院,高档6缸小轿车的内部结构,高档6缸小轿车的发动机壳体,核电泵壳,三峡700MW机组的水轮机转轮体,风力发电机主轴,自由锻件,大型锻件,核电汽轮机半转速转子,1100MW核电半速转子,焊接机器人及焊件,奥运鸟巢,奥运鸟巢焊接顺序示意图,不同规格铝合金/不锈钢管高频感应钎焊接头件,兆瓦级风力发电机主轴,离心复合大型轧辊,大型柴油机机体铸件,镁合金管接头,汽车发动机摇臂工作示意图,汽车发动机的摇臂镶块,薄膜生产线上卷芯
2、辊用定位套,塑料薄膜生产线,金属液态成形(铸造) （第一篇）,金属塑性成形(锻造) （第二篇）,金属连接成形(焊接) （第三篇）,热加工工艺,课程简介,本课程是研究工程材料和机械制造的基础课程，也是了解机器零件常用材料和加工方法的综合性课程 本课程是高等工科院校材料成型专业必修的技术基础课，主要学习铸造、锻造、焊接相关的工艺理论、工艺方法和基础知识 本课程是培养材料成型专业高层次工程技术人才、高层次复合人才和构建多学科知识结构的重要课程,教学安排,学 时：32 学 分：2 周 次：9-16 成绩计算： 平时成绩（15） 结业考试（85） 考试方式：闭 卷,金属液态成形,将液态金属浇入与零件形状
3、相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固后，以获得毛坯或零件的工艺方法，亦称铸造,金属液态成形示意图,一第一章 金属液态成形基础,第一篇 金属液态成形铸造,适合做复杂外形，特别是复杂内腔的毛坯,对材料的适应性广，铸件的大小几乎不受限制,成本低，原材料来源广泛，价格低廉，一般不需要昂贵的设备,是某些塑性很差的材料(如铸铁等)制造毛坯或零件的唯一成型工艺,液态成形优点,工艺过程比较复杂，工序较多，一些工艺过程还难以控制,液态成形零件内部组织的均匀性、致密性一般较差,液态成形零件易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷，产品质量不够稳定,铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴有缺陷，其力学性能比同
4、类材料的塑性成形低,液态成形缺点,劳动条件较差，劳动强度较大,砂型铸造(产量占90%以上) 特种铸造,铸造分类,金属型铸造 熔模铸造 离心铸造 压力铸造 ,砂型铸造过程,液态合金的铸造性能是指合金在铸造成形过程中，获得外形正确、内部无缺陷铸件的性能,合金的铸造性能是选择铸造金属材料、确定铸造工艺方案、进行铸件结构设计的依据,合金的流动性 合金的收缩性 合金的吸气性 合金的偏析性,合金的铸造性能,第一节 液态合金的铸造性能,液态金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰、形状完整的成型件的能力,流动性,简而言之 液态合金本身的流动能力！,一、液态合金的流动性,流动性不良,浇不足,冷 隔,夹 砂,气
5、 孔,夹 渣,流动性的决定因素,合金流动性 铸型的性质 浇注的条件 铸件的结构,流动性优良,容易浇注出轮廓清晰、薄而复杂的零件 有利于夹杂物和气体的上浮与排除 有利于补缩,浇不足 冷隔现象,合金的流动性用浇注螺旋形试样的方法来衡量 将合金液浇入铸型中，冷凝后测量充满型腔的试样长度 浇出的试样越长，合金的流动性越好，合金的充型能力就越好,合金流动性的测定方法,出气口,浇口杯,浇注的螺旋形试样的截面为等截面的梯形，试样上隔50mm长度有一个凸点，便于计量长度,铸铁的流动性,铸钢的流动性,铸铁的流动性好，铸钢的流动性差,0.45%C 铸钢：200 4.30%C 铸铁：1800,铸钢和铸铁流动性的比较
6、,合金流动性的影响因素,合金种类合金不同，流动性不同 化学成分成分不同的合金具有不同的 结晶特点，流动性也不同 结晶特性恒温下结晶，流动性较好； 两相区内结晶，流动性较差,合金流动性的影响因素,不同种类合金流动性的比较,1）合金的种类。合金的熔点、热导率、粘度等物理性能影响流动性。熔点越高，热导率越大，粘度越大，其流动性越差,流动性与含碳量的关系,亚共晶铸铁随含碳量的增加，结晶温度范围减小，流动性提高,2）合金的成分。同种合金，成分不同，其结晶特点不同，流动性也不同,结晶特性对流动性的影响,3）结晶的特性 纯金属和共晶合金在恒温下结晶，为逐层凝固方式，凝固层表面光滑，阻力小，流动性好(如图a所
7、示)；共晶合金熔点最低，流动性最好 亚共晶合金，为中间凝固方式，复杂枝晶阻碍流动，流动性差(如图b所示),浇注 条件,浇注温度,充型压力,浇注系统,浇注温度越高，液态金属的粘度越小，过热度高，金属液内含热量多，保持液态的时间长，充型能力强,液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压力。充型压力越大, 充型能力越强,浇注系统的结构越复杂，则流动阻力越大，充型能力越差,浇注条件对流动性的影响,浇注温度高，液态金属在铸型中保持液态的时间长，可改善合金的流动性(薄壁铸件)；浇注温度过高，铸件易产生气孔、缩孔、缩松、粘砂等缺陷,生产中常采用“高温出炉、低温浇注”的原则,灰铸铁浇注温度为1200-1380；
8、铸钢为1520-1620；铝合 金为680-780。薄壁复杂件取上限温度值，厚件则取下限,常采取加高直浇道、扩大内浇道截面、增设出气孔、烘干铸型等工艺，以延长液态合金的流动时间，改善铸型的填充条件,铸型温度 不能过高,铸型蓄热系数 从金属中吸取热量 并储存的能力,铸型发气和透气能力 浇铸时产生的气体能在金属液与 铸型间形成气膜，减小摩擦阻力， 有利于充型。若发气能力过强而 透气能力差时，浇铸速度太快则 型腔中的气体压力增大，充型能 力减弱,充填条件对流动性的影响,折算厚度： 折算厚度也称当量厚度或模数，是铸件体积与铸件表面积之比 折算厚度越大，热量散失越慢，充型能力就越好 铸件壁厚相同时，垂直
9、壁比水平壁更容易充填，而大平面铸件则不易成形,复杂程度： 铸件结构越复杂，流动阻力就越大，铸型的充填就越困难,铸件结构对流动性的影响,液态金属由液态转变为固态的过程，从结晶学的角度，就是原子由无序排列经过生核、核心长大成为规则排列的晶体的过程，因此合金凝固又称一次结晶 得到的凝固组织称为铸态组织，其晶粒形态、大小、分布、缺陷等取决于成分、冷却速度、形核条件等,二、液态金属的凝固,铸件断面上的温度分布曲线称为铸件的温度场 （右图所示的T曲线是某圆柱形铸件的温度场）,铸件的凝固过程 在铸件的凝固过程中，其截面一般存在三个区域液相区、凝固区、固相区 对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的
10、宽窄 铸件的凝固方式依据凝固区的宽窄进行划分 铸件的凝固方式 逐层凝固 糊状凝固 中间凝固,逐层凝固：纯金属和共晶成分合金，不存在凝固区,糊状凝固：结晶温度范围很宽的合金，不存在固相区,中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间,逐层凝固时，合金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松，可获得致密的铸件，如灰铸铁、铝硅合金,糊状凝固时，充型能力差，易产生缩松，难以获得致密铸件。如球铁、锡青铜、铝铜合金的凝固，需采取适当工艺进行补缩,铸件的质量与其凝固方式密切相关！,大多数合金均为中间凝固方式,合金的结晶温度范围 合金的结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。在铁碳合金中普通灰铸铁为逐层凝固，高碳钢
11、为糊状凝固 铸件的温度梯度 在合金结晶温度范围一定的前提下，凝固区的宽窄取决于铸件内外层之间的温度差 若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其凝固区相应由宽变窄,影响凝固的主要因素,合金的收缩,体收缩率,体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因,线收缩率,线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因,合金从液态冷却至室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象,合金的收缩给液态成形工艺带来许多困难，会造成许多铸造缺陷，如缩孔、缩松、裂纹、变形等,通常用体收缩率或线收缩率来表示,三、液态金属的收缩,合金收缩的三个阶段,合金的收缩过程,合金收缩,固态合金冷却,液态合金冷却,液态收缩,凝固收缩,缩孔恒温下结晶,
12、缩松两相区结晶,线收缩,裂纹,变形,应力, 液态收缩(浇注温度-液相线), 凝固收缩 (液相线-结晶结束), 固态收缩 (结晶结束-室温),特点：体积收缩； 浇注温度升 高，液态收缩增加,特点：体积收缩；结晶温度范 围增大，凝固收缩增加,特点：线收缩；只引起铸件外 部尺寸变化，用线收缩 率表示,1）液态收缩 浇注温度越高，收缩系数越大，液态收缩率增加。液态时的体积收缩仅表现为型腔内液面的降低，可以从浇注系统中获得液体补充，以保持型腔充满。浇注温度应控制在高于液相线温度50-150,2）凝固收缩 合金在液相线和固相线之间凝固阶段的收缩；由状态改变和温度下降两部分组成。结晶温度范围越大，凝固收缩率
13、越大。在凝固阶段如果合金的体积收缩得不到及时补充，则会形成缩孔和缩松,液态收缩和凝固收缩都使合金体积减小，表现为铸型内液面的降低，这两个阶段的收缩是铸件中产生缩孔或缩松的基本原因,3）固态收缩 指合金从固相线温度冷却到常温时的收缩，通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，用线收缩率表示。固态收缩是铸件中产生应力、变形和裂纹的主要原因,铸型条件,铸件结构,浇注温度,化学成分 （c含量）,合金收缩,影响收缩的因素,铸件结构和铸型铸件在铸型中不是自由收缩，而是限制收缩,化学成分在常用铸造合金中，铸钢的收缩最大，灰铸铁最小,液态合金在凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足，则在铸件最后凝固的
14、部位形成一些孔洞 按孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松,四、缩孔与缩松,缩孔,产生原因合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值，且得不到补偿,出现部位出现在铸件最后凝固区域，即热节区域，用画圆方法确定,形成条件金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件壁成逐层凝固方式,缩孔形成过程示意图,合金的液态收缩和凝固收缩越大，浇注温度越高，铸件的壁越厚，缩孔的容积就越大,缩孔多集中在铸件最后凝固的部位，其特征是形状不规则，多数呈倒锥形，内表面粗糙,纯金属和共晶成分合金易形成缩孔,缩孔出现的部位,阶梯形试块,判断缩孔出现的方法,缩松,缩松形成的基本原因是液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，主要出现在呈糊状凝
15、固方式的合金中或断面较大的铸件壁中，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,缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方,合金成分：共晶点附近的合金易形成缩孔，反之易形成缩松 浇注条件：合金的浇注温度越高，液态收缩越大，越易形成缩孔 铸型条件：铸型材料冷却能力愈大，愈有利于减少缩松 铸件结构：铸件断面过厚，若补缩不良易形成缩孔；铸件壁厚不 均匀，在厚壁热节处易产生缩孔或缩松,缩孔缩松的影响因素,定向凝固原则,让远离铸件冒口的地方首先凝固、靠近冒口的地方随后凝固、冒口本身最后凝固，实现以厚补薄，将缩孔转移到冒口中去,原理
16、,合理布置内浇道及确定浇铸工艺,方法,合理应用冒口、冷铁和补缩等工艺措施,消除缩孔和缩松的方法,缩孔与缩松减小了铸件受力的有效面积，且缩孔处易产生应力集中，使铸件的力学性能下降，应予以防止,解决缩孔的方法冒口和冷铁,采用冒口、冷铁的顺序凝固 使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固，从而可有效消除缩孔、缩松,冒口：在铸件厚壁处和热节部位设置冒口，是防止缩孔、缩松最有效的措施 冷铁：用铸铁、铸钢、铜等材料制成的激冷物，加大冷却速度，调节凝固顺序 补贴：在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔型厚度，使铸件壁厚变成朝冒口逐渐增厚的形状，即造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度，增大补缩距离,三者综合应用是消除缩孔和缩松的有效措施！,冒口与冷铁共用法,冷铁的作用是加快铸件某处的冷却速度，以控制或改变铸件的凝固顺序，本身并不起补缩作用,对于一些壁
