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1、第四章 金属的液态成形与半固态成形,4.1 液态成形4.2 半固态成形4.3 快速凝固成形,液态成形（铸造）和半固态成形（半固态合金成形）是金属材料的主要加工方法，它们是利用经过熔炼的液态金属或半固态金属，在外力作用下流动充型冷凝来实现成形的。液态成形即铸造，是应用最广的方法之一，半固态成形近年来得到了巨大的发展。,4.1 液态成形,定义：液态成形（铸造）是将材料熔化成一定成分和一定温度的液体，然后在重力或外力作用下浇入到具有一定形状、尺寸大小的型腔中，经凝固冷却后形成所需要的零件的技术。,1、液态成形的特点优点：适应性强，工艺灵活；成形件尺寸精度高；成本低廉；,不足之处：铸造组织疏松、晶粒粗
2、大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此铸件的机械性能，特别是冲击性能不如锻件高；目前铸件凝固过程还不能精确控制，致使铸件质量不稳定，废品率高；铸造工序多，生产周期较长，以及劳动条件较差等。,青铜器,司母戊鼎河南安阳晚商遗址（1.33m0.78m1.10m）,2、液态成形的历史及发展历史悠久，发展前景广阔,战国，铁模铸造,铁人,黄河镇河大铁牛（唐开元12年铸）,机床床身,船用曲轴（大连重工）,发动机汽缸,液态成形基本工艺流程,铸造工艺内容：1）熔化合格合金液体：成分合格，温度合适；2）制作合理的铸型： 造型材料，造型方法，铸造工艺，尺寸，型板，砂箱，分型面，浇注系统；3）浇注成型以及清理：
3、浇注方法（重力，加压），清理；4）凝固成合格的铸件 ： 内部质量，尺寸。,3、铸造金属的熔炼 熔炼是液态金属铸造成形技术过程中的一个重要环节，与铸件的品质、生产成本、产量、能源消耗以及环境保护等密切相关。在熔炼中，多种固态金属的炉料（废钢、生铁、回炉料、铁合金、有色金属等）按比例搭配装入相应的熔炉中加热熔化，通过冶金反应，转变成具有一定化学成分和温度的符合铸造成形要求的液态金属。,熔炼的要求：（1）保证金属液的化学成分和材质性能；（2）保证金属液有足够的温度；（3）保证金属液的数量(质量)；（4）保证低能耗、低成本；（5）保证低噪声、低污染。,熔炼的分类：（1）按熔炼金属分：铸铁熔炼、铸钢熔炼
4、和有色金属熔炼；（2）按熔炉分：冲天炉熔炼、电弧炉熔炼、感应电炉熔炼、坩埚炉熔炼。,焦炭冲天炉熔炼,电弧炉熔炼,感应电炉,坩埚炉,坩埚炉分为：燃油、燃气、焦碳和电阻坩埚炉。 主要用于有色金属的熔炼，如铜合金、铝合金、镁合金、低熔点轴承合金等。,浇注金属熔化后，液态金属通过浇注系统充填铸型型腔的过程称为浇注过程。浇注系统的组成:浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道,浇注系统,浇口杯：缓解金属液冲蚀，阻挡熔渣； 直浇道：有一定锥度以保证流速，排出空气； 横浇道：将直浇道的金属液分配至内浇道； 内浇道：将金属液引入型腔。,浇注的形式,浇注后的凝固浇注入铸型型腔的液态金属，随温度的降低，将经历由液态向固态的
5、转变过程，即凝固过程。凝固是金属材料一种重要的相变过程。 金属的凝固过程包括：晶核的形成和晶粒的长大。,冒口：为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分。 在铸型中，冒口的型腔是存贮液态金属的容器，其功能是多方面的。功能不同的冒口，其形式、大小和开设位置均不相同，所以，冒口的设计要考虑铸造合金的性质和铸件的特点。,4、液态成形合金性能 铸造性能是合金在铸造生产中所表现出来的工艺性能，是保证铸件质量的主要因素，是衡量铸造合金的主要指标。 铸造性能有充型能力与流动性、收缩性、吸气性和偏析等。,（1）合金的充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的健全铸件的能力。合金的流动性：
6、液态合金的流动能力。一般流动性好的合金，其充型能力也强。,浇不足 冷隔现象,螺旋形标准试样测试合金的流动性,通常，灰铸铁、硅黄铜流动性最好，铸钢流动性最差。,影响充型能力的因素 合金的种类及化学成分、合金流动性、铸型的特点、浇注条件合金的种类不同，其流动性不同;,合金的成分和结晶特征对流动性的影响最为显著,不同结晶特征合金的流动性,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。,浇注温度对流动性的影响,浇注温度高，液态金属在铸型中保持液态的时间增长，可改善合金的流动性（薄壁铸件 ）；但是浇注温度过高，使铸件产生气孔、缩孔、缩松、粘砂等缺陷。,在生产中采用：高温出炉，低温浇注的原则。,
7、灰铸铁浇注温度为12001380；铸钢为15201620；铝合金为680780。薄壁复杂件取上限温度值，厚件则取下限。,铸型条件对流动性的影响,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，以改善铸型的填充条件。,(2) 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。,收缩包括以下三个阶段：, 液态收缩 （浇注温度-液相线）, 凝固收缩 （液相线-固相线）, 固态收缩 （固相线-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：引起铸件外部尺寸变化。,收缩对
8、铸件质量的影响,液态收缩 浇注温度越高，使液态收缩率增加。浇注温度一般控制在高于液相线温度50-150。,液态收缩和凝固收缩都使合金体积减小，一般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。,固态收缩 指合金从固相线温度冷却到常温时的收缩。固态收缩通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，固态收缩是铸件中产生应力、变形和裂纹的主要原因。,缩孔与缩松的形成及防止,液态合金在凝固过程中，若其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。,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
9、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。,纯金属和共晶成分的合金易形成缩孔；,（1）缩孔,缩松,主要出现在呈糊状凝固方式的合金中或断面较大的铸件壁中，被树枝晶分隔开的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、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方。,缩孔与缩松减小铸件受力的有效面积，且缩孔部位容易产生应力集中，使铸件的力学性能下降，要予以防止。,判断缩孔出现的方法,图中等温线未曾通过的心部和内切圆直径最大处，即为容易出现缩孔的热节（在凝固过程中，铸件内比周围金属凝固缓慢的节点或局部区域 ）。,将铸件断面上温度相同的点连接而成的曲线，就是凝
10、固等温线。图中涂黑的部分就是缩孔出现的实际位置。,内切圆法：铸件壁交接处的内切圆直径大于铸件壁厚，这些地方凝固较晚，缩孔可能在那里生成。,缩孔、缩松的防止措施,采用冒口、冷铁的顺序凝固（结晶温度窄的合金） 所谓顺序凝固，就是使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。冒口和冷铁的合理使用，可造成铸件的顺序凝固，有效地消除缩孔、缩松。,顺序凝固，就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固（如图 ），而后是靠近冒口部位凝固（图中、），最后才是冒口本身的凝固。,按照这样的凝固顺序，先凝固部位的收缩，由后凝固部位的金属液来补充；后凝固部位的收缩，由冒口
11、中的金属液来补充，从而使铸件各个部位的收缩均能得到补充，而将缩孔转移到冒口之中。冒口为铸件的多余部分，在铸件清理时将其去除。,为了实现顺序凝固，在安放冒口的同时，还可在铸件上某些厚大部位增设冷铁。如图所示铸件的热节不止一个，若仅靠顶部冒口，难以向底部凸台补缩，为此，凸台的型壁上安放了两个外冷铁。由于冷铁加快了该出的冷却速度，使厚度较大的凸台反而最先凝固，从而实现了自下而上的顺序凝固，防止了凸台处缩孔、缩松的产生。,阀体的冒口补缩,注意： （1）冷铁是为了加快铸件某处的冷却速度，以控制或改变铸件的凝固顺序的激冷物，本身并不起补缩作用。 通常采用钢、铸铁或铜等金属制成。 （2）结晶温度范围宽的合金
12、采取同时凝固方式；,（3）铸造应力、变形及裂纹,铸造应力：铸件完全凝固后便进入了固态收缩阶段，若铸件的固态收缩受到阻碍，将在铸件内部产生应力，称为铸造应力。它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。,按照应力的产生机理，可分为：,1、内应力的形成与防止,收缩应力是暂存的应力，铸件落砂后应力自行消失。,防止产生收缩应力的措施是提高铸型和型芯的退让性。,收缩应力（机械应力）,热应力,热应力是由于铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同，使铸件各部分的收缩不同步而引起的。它在铸件落砂后仍然存在于铸件内部，是一种残留应力。,为了分析热应力的形成，首先必须了解金属自高温冷却到室温时应力状态的改变。固态金属在再结晶温度以
13、上的较高温度时（钢和铸铁为620-650以上），处于塑性状态。此时，在较小的应力下就可发生塑性变形，变形之后应力可自行消除。在再结晶温度以下，金属呈弹性状态，此时，在应力作用下将发生弹性变形，而变形之后应力继续存在。,再结晶：变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。再结晶温度:变形后的金属发生再结晶的温度是一个温度范围。一般所说的再结晶温度指的是最低再结晶温度，通常用经大变形量（70%以上）的冷塑性变形的金属，经一小时加热后能完全再结晶的最低温度表示。T再=（0.35-0.4）T熔点,补充：,t0-t1:粗、
14、细杆均处在塑性状态，无应力；,t1-t2:细杆进入弹性状态，而粗杆仍处在塑性状态；两杆收缩不同，形成暂时应力（如b），但随温度降低，应力消失（如c）；,t2-t3:两杆均处在弹性状态，但T粗T细，导致粗杆收缩细杆。所以，粗杆受拉伸，细杆受压缩。,结论：产生热应力的规律是，冷却较慢的厚部或心部存在拉应力；冷却较快的薄壁或表层存在压应力。,预防铸件产生热应力的基本措施是减小铸件各部分之间的温度差，使其均匀冷却。,设计：壁厚尽量均匀一致；,工艺：采取同时凝固原则,具体方法：将内浇口开在铸件的薄壁处，以减缓其冷却速度；而在铸件的厚壁处放置冷铁，以加快其冷却速度。,优点：可减小其产生应力、变形和裂纹的倾
15、向；且不必设置冒口，使工艺简化，并节约了金属材料。,缺点：铸件的心部会产生缩孔或缩松缺陷，所以一般只用于普通灰铸铁和锡青铜铸件的生产。灰铸铁产生缩孔和缩松的倾向小；而锡青铜倾向于糊状凝固，用冒口也难于避免缩松缺陷。,采用同时凝固的优、缺点 ：,铸件的变形与防止,铸件产生内应力后，铸件通过自由的变形释放应力。,心部散热慢，受拉应力，边缘处受压应力；且上表面比下表面冷却得快。,导轨部分厚受拉应力；床壁部分较薄受压应力，床身发生朝着导轨方向的弯曲，使导轨下凹。,防止铸件变形的措施：,采用同时凝固工艺，降低热应力；,反变形 适用于细长易变形铸件,床身导轨面的挠曲变形及反变形,当铸件内应力超过金属的强度
16、极限时，铸件便发生裂纹。裂纹是铸件的严重缺陷，多使铸件报废。,铸件的裂纹及防止,铸件一般有热裂和冷裂两种开裂方式。,1）热裂纹,产生原因：在铸件凝固末期，固体的骨架已经形成，但枝晶间仍残留少量液体，此时的强度、塑性极低。当固态合金的线收缩受到铸型、芯子或其他因素的阻碍，产生的应力若超过该温度下合金的强度，即产生热裂。,防止热裂的措施：,a合理设计铸件结构； b改善铸型和型芯的退让性； c限制铸钢和铸铁中的S含量；,热裂纹形态：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内金属呈氧化色；且裂纹沿晶界产生，外形曲折。,冷裂纹：,冷裂是铸件冷却到低温处于弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限而产生的；冷裂常出现在复杂铸件受拉应力的部位，特别是应力集中处。,冷裂纹形态：裂纹细小，外形呈连续直线状或圆滑曲线状，裂纹缝内干净，有时呈轻微氧化色。,
