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1、第二章第二章 材料液态成形材料液态成形 液态成形概论液态成形概论 材料液态成形工艺技术基础材料液态成形工艺技术基础 液态成形技术及其最新进展液态成形技术及其最新进展2.1 2.1 液态成形概论液态成形概论 铸造行业及其铸造技术的作用与地位铸造行业及其铸造技术的作用与地位 辉煌的历史辉煌的历史 巨大的成就巨大的成就 铸造技术的发展趋势铸造技术的发展趋势一、铸造行业及铸造技术的作用与地位一、铸造行业及铸造技术的作用与地位2002200220022002年世界铸件产量分布年世界铸件产量分布年世界铸件产量分布年世界铸件产量分布 铸造行业是制造业的主要组成部分。铸造行业是制造业的主要组成部分。 铸造大国
2、，铸造大国，20022002年达年达16261626万吨。万吨。 20022002年中国二重浇注特大型轧钢机机架，浇注钢液年中国二重浇注特大型轧钢机机架，浇注钢液 730t730t。 与国外工业发达国家相比仍然存在差距。与国外工业发达国家相比仍然存在差距。 特大型轧钢机机架特大型轧钢机机架特大型轧钢机机架特大型轧钢机机架差距：差距：实例实例1 1：长江三峡叶轮机叶片为铸造拼焊结构，：长江三峡叶轮机叶片为铸造拼焊结构，426426 吨，为加拿大进口，价值吨，为加拿大进口，价值960960万美元。万美元。实例实例2 2：燃气轮机高温合金单晶体叶片铸造技术需突破。：燃气轮机高温合金单晶体叶片铸造技术
3、需突破。三峡工程用水轮机叶轮三峡工程用水轮机叶轮2003200320032003年中国铸件产量图年中国铸件产量图年中国铸件产量图年中国铸件产量图2003200320032003年美国铸件产量图年美国铸件产量图年美国铸件产量图年美国铸件产量图二、辉煌的历史二、辉煌的历史 司母戊大方鼎司母戊大方鼎 铜奔马铜奔马 曾候乙尊盘曾候乙尊盘 河北沧州铁狮河北沧州铁狮中国古代青铜器铸造工艺示意图中国古代青铜器铸造工艺示意图中国古代青铜器铸造工艺示意图中国古代青铜器铸造工艺示意图曾候乙尊盘曾候乙尊盘曾候乙尊盘曾候乙尊盘( ( ( (湖北随州出土湖北随州出土湖北随州出土湖北随州出土) ) ) )兽面纹輄兽面纹輄
4、兽面纹輄兽面纹輄( ( ( (陕西灵山出土陕西灵山出土陕西灵山出土陕西灵山出土) ) ) )三、巨大的成就三、巨大的成就 1. 1. 新工艺和新技术的应用促进了铸造技术水平的提高新工艺和新技术的应用促进了铸造技术水平的提高特大型轧钢机机架，特大型轧钢机机架，特大型轧钢机机架，特大型轧钢机机架，400t400t400t400t ( ( ( (中国二重集团公司中国二重集团公司中国二重集团公司中国二重集团公司) ) ) )三峡用水轮机叶轮，三峡用水轮机叶轮，三峡用水轮机叶轮，三峡用水轮机叶轮，450t450t450t450t ( ( ( (哈尔滨电站设备集团公司哈尔滨电站设备集团公司哈尔滨电站设备集
5、团公司哈尔滨电站设备集团公司) ) ) )特大型铝合金铸件，特大型铝合金铸件，特大型铝合金铸件，特大型铝合金铸件，2.7t2.7t2.7t2.7t ( ( ( (沈阳铸造研究所沈阳铸造研究所沈阳铸造研究所沈阳铸造研究所) ) ) )三、巨大的成就三、巨大的成就2. 2. 先进铸造合金的研发提高了铸件质量和使用寿命先进铸造合金的研发提高了铸件质量和使用寿命60t60t60t60t厚重大截面球墨铸铁注塑机模板厚重大截面球墨铸铁注塑机模板厚重大截面球墨铸铁注塑机模板厚重大截面球墨铸铁注塑机模板 国际先进水平国际先进水平国际先进水平国际先进水平 ( ( ( (宁波日月铸造有限公司宁波日月铸造有限公司宁
6、波日月铸造有限公司宁波日月铸造有限公司) ) ) )三、巨大的成就三、巨大的成就3. 3. 精密铸造成形等先进铸造技术迅速发展精密铸造成形等先进铸造技术迅速发展发动机压气机叶轮铝合金精密铸件发动机压气机叶轮铝合金精密铸件发动机压气机叶轮铝合金精密铸件发动机压气机叶轮铝合金精密铸件熔模铸造高温合金航空燃气轮机叶片熔模铸造高温合金航空燃气轮机叶片熔模铸造高温合金航空燃气轮机叶片熔模铸造高温合金航空燃气轮机叶片三、巨大的成就三、巨大的成就4. 4. 新装备的应用提高了铸造机械化水平新装备的应用提高了铸造机械化水平 5. 5. 原辅材料商品化为铸件质量提供了保障原辅材料商品化为铸件质量提供了保障 6.
7、 6. 先进测试手段得到广泛的应用先进测试手段得到广泛的应用 7. 7. 信息技术促进铸造行业技术进步信息技术促进铸造行业技术进步长江三峡水轮机不锈钢叶片采用计算机模拟技术长江三峡水轮机不锈钢叶片采用计算机模拟技术长江三峡水轮机不锈钢叶片采用计算机模拟技术长江三峡水轮机不锈钢叶片采用计算机模拟技术 已由中国二重集团一次试制成功已由中国二重集团一次试制成功已由中国二重集团一次试制成功已由中国二重集团一次试制成功三、巨大的成就三、巨大的成就8. 8. 积极开展基础研究，学科水平明显提高积极开展基础研究，学科水平明显提高用用用用SEMSEMSEMSEM直接观察到球状石墨的结晶核心直接观察到球状石墨的
8、结晶核心直接观察到球状石墨的结晶核心直接观察到球状石墨的结晶核心 铸铁凝固理论铸铁凝固理论 稀土作用机理稀土作用机理 模拟仿真模拟仿真四、铸造技术发展趋势四、铸造技术发展趋势1. 1. 铸件的特大型化铸件的特大型化重大装备的特大型化对特大型铸件的数量和质量提重大装备的特大型化对特大型铸件的数量和质量提出了更高的要求；出了更高的要求；我国特大型铸件的技术先进性、质量可靠性和生产我国特大型铸件的技术先进性、质量可靠性和生产稳定性与国外发达国家相比仍然存在很大的差距。稳定性与国外发达国家相比仍然存在很大的差距。例如，大型火电和水电装备的大型关键铸件大部分例如，大型火电和水电装备的大型关键铸件大部分仍
9、需进口。仍需进口。四、铸造技术发展趋势四、铸造技术发展趋势 2. 2. 铸件的轻量化铸件的轻量化镁合金汽车变速箱箱体镁合金汽车变速箱箱体镁合金汽车变速箱箱体镁合金汽车变速箱箱体镁合金摄像机壳体铸件镁合金摄像机壳体铸件镁合金摄像机壳体铸件镁合金摄像机壳体铸件手机壳体镁合金压铸件手机壳体镁合金压铸件手机壳体镁合金压铸件手机壳体镁合金压铸件汽车离合器及变速箱壳体镁合金压铸件汽车离合器及变速箱壳体镁合金压铸件汽车离合器及变速箱壳体镁合金压铸件汽车离合器及变速箱壳体镁合金压铸件四、铸造技术发展趋势四、铸造技术发展趋势 3. 3. 铸件的精确化铸件的精确化压力铸造发动机铝合金缸体压力铸造发动机铝合金缸体压
10、力铸造发动机铝合金缸体压力铸造发动机铝合金缸体半固态铸造铝合金悬挂装置及侧半固态铸造铝合金悬挂装置及侧半固态铸造铝合金悬挂装置及侧半固态铸造铝合金悬挂装置及侧 支架零件在汽车上的应用支架零件在汽车上的应用支架零件在汽车上的应用支架零件在汽车上的应用高温合金熔模铸造单高温合金熔模铸造单高温合金熔模铸造单高温合金熔模铸造单 晶体汽轮机叶片晶体汽轮机叶片晶体汽轮机叶片晶体汽轮机叶片 消失模铸造新工艺消失模铸造新工艺 定向凝固熔模铸造定向凝固熔模铸造 快速或直接铸造成形快速或直接铸造成形 半固态铸造半固态铸造四、铸造技术发展趋势四、铸造技术发展趋势 4. 4. 数字化铸造数字化铸造-铸造过程的模拟仿真
11、铸造过程的模拟仿真特大型轧钢机机架及浇冒系统的三维造型和计算机温度场模拟特大型轧钢机机架及浇冒系统的三维造型和计算机温度场模拟特大型轧钢机机架及浇冒系统的三维造型和计算机温度场模拟特大型轧钢机机架及浇冒系统的三维造型和计算机温度场模拟多尺寸模拟仿真在汽车和多尺寸模拟仿真在汽车和多尺寸模拟仿真在汽车和多尺寸模拟仿真在汽车和 航天工业中的应用航天工业中的应用航天工业中的应用航天工业中的应用铝合金发动机缸体疲劳寿铝合金发动机缸体疲劳寿铝合金发动机缸体疲劳寿铝合金发动机缸体疲劳寿 命预测命预测命预测命预测四、铸造技术发展趋势四、铸造技术发展趋势5. 5. 网络化铸造网络化铸造产品虚拟开发与传统方法比较
12、产品虚拟开发与传统方法比较产品虚拟开发与传统方法比较产品虚拟开发与传统方法比较集成的企业设计、制造与管理信集成的企业设计、制造与管理信集成的企业设计、制造与管理信集成的企业设计、制造与管理信 息系统息系统息系统息系统四、铸造技术发展趋势四、铸造技术发展趋势6. 6. 清洁化铸造清洁化铸造-绿色铸造绿色铸造与环境友好的日本铸造厂与环境友好的日本铸造厂与环境友好的日本铸造厂与环境友好的日本铸造厂减量化减量化再利用再利用再循环再循环 精确成形工艺精确成形工艺 无废弃物成形加工技术无废弃物成形加工技术2.2 2.2 材料液态成形工艺技术基础材料液态成形工艺技术基础 液态金属和合金的结构液态金属和合金的
13、结构 液态金属和合金的基本物理性质液态金属和合金的基本物理性质 铸造成形过程中金属的流动铸造成形过程中金属的流动 液态金属的凝固液态金属的凝固 铸件凝固组织的形成与控制铸件凝固组织的形成与控制2.2.1 2.2.1 液态金属和合金的结构液态金属和合金的结构过去几十年里，凝固过程与条件控制技术发展迅速，取得了卓越的成就，很多技术已广泛应用于生产实践。然而，由于液态金属的复杂性，现有研究手段和实验技术所限使得基于金属熔体结构及其控制技术的研究远远落后于凝固过程与条件控制技术的发展。深入研究液态金属的结构信息，对于控制液固相变历程以及提高铸件性能、减少凝固组织缺陷，具有重要的意义。液态金属的结构指在
14、液态金属的结构指在液态金属中原子或离子的排列或液态金属中原子或离子的排列或 分布状态分布状态，至今尚未建立类似于晶体理论和理想气体，至今尚未建立类似于晶体理论和理想气体理论的物理学理论和化学理论来描述液态金属的结构。理论的物理学理论和化学理论来描述液态金属的结构。关于液态金属的研究较固态金属困难且液态金属应用关于液态金属的研究较固态金属困难且液态金属应用 很少，长期以来液态金属的研究很少，长期以来液态金属的研究进展缓慢进展缓慢。近二十年来，由于新材料（如半导体材料、快冷微晶近二十年来，由于新材料（如半导体材料、快冷微晶 合金和非晶态金属等）和新技术的发展，人们对液态合金和非晶态金属等）和新技术
15、的发展，人们对液态金属结构和性质的兴趣激增，正在形成一个金属结构和性质的兴趣激增，正在形成一个重要的学重要的学科方向科方向。2.2.1 2.2.1 液态金属和合金的结构液态金属和合金的结构一、研究现状一、研究现状金属熔化时的体积膨胀仅为金属熔化时的体积膨胀仅为3 36 6，原子间平均间，原子间平均间距略大于固相。距略大于固相。金属的蒸发熵比熔化熵大十几甚至几十倍。金属的蒸发熵比熔化熵大十几甚至几十倍。金属熔化后原子配位数明显增大，通常在金属熔化后原子配位数明显增大，通常在8 81111之间。之间。2.2.1 2.2.1 液态金属和合金的结构液态金属和合金的结构液态金属的结构究竟更接近固态金属还是气态金属？液态金属的结构究竟更接近固态金属还是气态金属？基于物性比较，可以推测：基于物性比较，可以推测： 液态金属的结构更接近固态金属！液态金属的结构更接近固态金属！ 二、结构特征二、结构特征熔体中存在团簇（原子集团）结构熔体中存在团簇（原子集团）结构( (晶胚晶胚) )，存，存在在结构起伏结构起伏，动态变化。，动态变化。能量起伏能量起伏。合金还会存在成分起伏现象。合金还会存在成分起伏现象。2.2.1 2.2.1 液态金属和合金的结构液态金属和合金的结构X X X X射线衍射射线衍射射线衍射射线衍射 中子衍射中子衍射中子衍射中子衍射二、结构特征二、结构特征Au-Au-Au-Au-SnS
