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1、1江星莹2一、金属的液态成形一、金属的液态成形二、金属的塑性成形二、金属的塑性成形三、材料的连接成形三、材料的连接成形四、非金属材料的成形四、非金属材料的成形五、材五、材料成形方法的选择料成形方法的选择六、快速成形技术简介六、快速成形技术简介课 程 大 纲3第一章：金属的液态成形定义：所谓金属液态成型，即铸造（casting）是将液态金属浇注到与零件形状，尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。4铸造工艺特点（1）铸件大小，形状和重量几乎不受限制；（2）铸件形状与零件接近，能够制成形状复杂，尤其是有复杂内腔的毛坯或零件； （3）原材料来源广泛 ，生产成本较低。（
2、4）但也存在一些不足，如组织缺陷，力学性能偏低，质量不稳定，工作环境较差。 因此，铸件多数做为毛坯用。优 点缺点5一、金属的液态成形一、金属的液态成形第一节、液态成形理论基础第一节、液态成形理论基础第二节、金属的液态成形方法第二节、金属的液态成形方法第三节、液态金属成形件的工艺设计第三节、液态金属成形件的工艺设计第四节、液态金属成形件的结构设计第四节、液态金属成形件的结构设计6第一节：液态成形理论基础1、液态金属的凝固凝固：物质由液态转化为固态的过程。 结晶：金属的凝固过程。结晶包括形核和长大 两个过程。 凝固组织：宏观上指铸态晶粒的形态、大小、 取向和分布等情况；微观上指晶粒内部结构的形 态
3、、大小和分布，以及各种缺陷等。一、金属的凝固一、金属的凝固71、液态金属的凝固铸件的凝固组织对金属材料的力学性能、物理性能影响甚大。一般情况下，晶粒愈细小均匀，金属材料的强度和硬度愈高，塑性和韧性愈好。影响铸件凝固组织的因素有：成分、冷却速度、形核条件等。82、铸件的凝固方式92、铸件的凝固方式1 铸件的凝固方式 铸件凝固过程中，在其断面上存在三个区域，即已凝固的固相区、液固两相并存的凝固区和未开始凝固的液相区。其中凝固区的宽窄对铸件质量影响较大，其宽窄决定着铸件的凝固方式。10（1 1）逐层凝固）逐层凝固纯金属或共晶成分的合金，凝固时铸件的断面上不存在液、固两相纯金属或共晶成分的合金，凝固时
4、铸件的断面上不存在液、固两相 并存的凝固区，如图（并存的凝固区，如图（a a），已凝固层与未凝固的液相区之间界限清晰），已凝固层与未凝固的液相区之间界限清晰 ，随着温度的下降，已凝固层不断加厚，液相区逐渐减小，一直到铸，随着温度的下降，已凝固层不断加厚，液相区逐渐减小，一直到铸 件完全凝固，这种凝固方式称为逐层凝固。件完全凝固，这种凝固方式称为逐层凝固。 11如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件断面的温度梯度较小，则在开始凝如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件断面的温度梯度较小，则在开始凝 固的一段时间内，铸件表面不会形成坚固的已凝固层，而是液、固两相共固的一段时间内，铸件表面不会形成坚固的已凝固
5、层，而是液、固两相共 存区贯穿铸件的整个断面，如图（存区贯穿铸件的整个断面，如图（c c）。这种凝固方式先呈糊状，然后整）。这种凝固方式先呈糊状，然后整 体凝固，故称为糊状凝固。体凝固，故称为糊状凝固。（2 2）糊状凝固）糊状凝固12大多数铸造合金的凝固方式介于逐层凝固和糊状凝固之间，如图（大多数铸造合金的凝固方式介于逐层凝固和糊状凝固之间，如图（b b）所）所 示，即在凝固过程中，铸件断面上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区，示，即在凝固过程中，铸件断面上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区， 称为中间凝固方式。称为中间凝固方式。（3 3）中间凝固）中间凝固133、影响铸件凝固方式的因素影响铸
6、件凝固方式的因素：合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度。（1 1） 铸造合金的结晶温度范围铸造合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围愈窄，铸件的凝固区域合金的结晶温度范围愈窄，铸件的凝固区域就愈窄，愈倾向于逐层凝固。就愈窄，愈倾向于逐层凝固。如砂型铸造时，低如砂型铸造时，低碳钢的凝固为逐层凝固，而高碳钢的结晶温度范碳钢的凝固为逐层凝固，而高碳钢的结晶温度范围较宽成为糊状凝固。围较宽成为糊状凝固。14温度梯度对凝固方式的影响（2 2） 铸件的温度梯度铸件的温度梯度：铸造合金的成分一定：铸造合金的成分一定 时，铸件凝固区域的宽时，铸件凝固区域的宽 窄就取决于其断面的温窄就取决于其断面的温 度梯度，如右
7、图所示，度梯度，如右图所示， 随温度梯度由小变大，随温度梯度由小变大， 则相应的凝固区会由宽则相应的凝固区会由宽 变窄。变窄。15铸件的温度梯度铸件的温度梯度主要取决于：铸件的温度梯度主要取决于：1 1）铸造合金铸造合金的性质。如铸造合金的导热性愈好、的性质。如铸造合金的导热性愈好、结晶潜热愈大，则铸件均匀温度的能力愈强，温度结晶潜热愈大，则铸件均匀温度的能力愈强，温度梯度就愈小。梯度就愈小。2 2）铸型铸型的蓄热能力和导热性愈好，对铸件的激冷的蓄热能力和导热性愈好，对铸件的激冷能力愈强，使铸件的温度梯度愈大。能力愈强，使铸件的温度梯度愈大。3 3）提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从而）提
8、高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从而降低铸件的温度梯度。降低铸件的温度梯度。16二、液态合金的工艺性能二、液态合金的工艺性能金属与合金的铸造性能是指金属与合金在铸型成形的工艺过程中、容易获得外形正 确、内部健全的铸件的性质。铸造性能是重 要的工艺性能指标，铸造合金除应具备符合 要求的力学性能、物理性能和化学性能外， 还必须有良好的铸造性能。合金的铸造性能 通常用充型能力、收缩性能等来衡量。171、合金的充型能力熔融合金填充铸型的过程简称充型。液态合金充满铸型、获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，称为液态合金的充型能力。充型能力取决于：1)熔融合金本身的流动能力（流动性），2)铸型性质、浇注条件
9、、铸件结构等因素的影响。18一、合金的流动性合金的铸造性能是表示合金铸造成型获得优 质铸件的能力。通常用流动性和收缩性来衡量。1、流动性概念流动性液态合金的充型能力。流动性好的合金：易于浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件； 有利于非金属夹杂物和气体的上浮和排除； 易于补缩及热裂纹的弥合。19合金流动性的衡量合金流动性的衡量 合金的流动性用浇注流动性试样的方法来衡量。流动性合金的流动性用浇注流动性试样的方法来衡量。流动性 试样的种类很多，如螺旋型、球形、真空试样等。应用试样的种类很多，如螺旋型、球形、真空试样等。应用 最多的是浇注的螺旋形试样。最多的是浇注的螺旋形试样。合金的流动性愈好 ，其长度就愈
10、长。20常用合金的流动性（砂型，试样截面88mm）合金种类铸型种类浇注温度（）螺旋线长度（mm）铸铁 C+Si=6.2%C+Si=5.9%C+Si=5.2%C+Si=4.2%砂型砂型砂型砂型1300130013001300180013001000600铸钢 C=0.4%砂型砂型16001640100200铝硅合金（铝硅明）镁合金（含Al及Zn）锡青铜（Sn=10%,Zn=2%）硅黄铜（Si=1.54.5%）金属型（300）砂型砂型砂型68072070010401100700800400600420100021影响流动性的因素影响流动性的因素1）合金的种类：合金的流动性与合金的熔点、热导率、合金
11、液的粘 度等物理性能有关。铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅 合金的次之，铸钢的最差（熔点高，在铸型的散热快、 凝固快）。 2）合金的成分和结晶特征对流动性的影响最为显著。 3）杂质与含气量：熔融合金中出现的固态夹杂物，将 使合金的粘度增加，合金的流动性下降；熔融金属中的 含气量愈少，合金的流动性愈好。 4）液态合金的粘度、结晶潜热和导热系数等物理参数 对流动性也有影响。一般的粘度愈大、结晶潜热愈小和 导热系数愈小，其流动性愈差。22合金的成分和结晶特征对流动性的影响合金的成分和结晶特征对流动性的影响共晶成分的合金，其结晶同纯金属一样，是在恒 温下进行的。从铸型表面到中心，液态合金逐层 凝固如图（
12、a），由于已凝固层的内表面光滑，对 液态合金的流动阻力小。特别是共晶成分合金的 凝固温度最低，相同浇 注温度下其过热度最大 ，延长了合金处于液态 的时间，故流动性最好 。23合金的成分和结晶特征对流动性的影响合金的成分和结晶特征对流动性的影响在一定温度范围内的亚共晶合金，其结晶过程 是在铸件截面上一定的宽度区域内同时进行的。 在结晶区域中，既有形状复杂的枝晶，又有未结 晶的液体。即在其已凝固层和纯液态区之间存在 一个液固两相共存的区域，使得已凝固层的内表 面粗糙如图（b）。 复杂的枝晶不仅阻碍 熔融金属的流动，而 且使熔融金属的冷却 速度加快，所以流动 性差。24非共晶成分的合金流动性差，且随
13、合金成分偏离共晶点愈 远，其结晶温度范围愈宽，流动性愈差，如图为铁碳合 金流动性与含碳量的关系图。合金的成分和结晶特征对流动性的影响合金的成分和结晶特征对流动性的影响25浇注条件浇注条件（1） 浇注温度：浇注温度对合金充型能力有决定性的影响。浇注温度高，液态合金所含的热量多，在同样的冷却条件下，保持液态的时间长，所以流动性好。浇注温度越高，合金的粘度越低，传给铸件的热量多，保持液态的时间延长，流动性好，充型能力强。（2） 充型压力 ：液态合金在流动方向上所受压力愈大，其充型能力愈好。砂型铸造时，是由直浇道高度提供静压力作为充型压力，所以直浇道的高度应适当。 26（3）铸型条件在铸型凡能增大液态
14、合金流动阻力、降低流速 和加快其冷却的因素，均会降低其充型能力。 1）铸型的蓄热能力 2）铸型温度 3）铸型中的气体 4）铸件的结构 ：铸件的壁愈薄、结构形状愈 复杂，液态合金的充型能力愈差。应采取适当提 高浇注温度、提高充型压力和预热铸型等措施来 改善其充型能力。272、合金的收缩收缩：合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中 ，其体积或尺寸缩减的现象。收缩是合金的物理本性 ，是影响铸件几何形状、尺寸、致密性，甚至造成某 些缺陷的重要原因之一。体收缩率：合金从液态到 常温的体积改变量。线收缩率：金属在固态由高 温到常温的线尺寸改变量。式中：28合金收缩的三个阶段。（2）凝固收缩：从凝固开始温度
15、（Tl）到凝固终止温度（即固相线温度Ts）间的收缩（3）固态收缩：从凝固终止温度（Ts）到室温间的收缩。合金的收缩率为上述三个阶段收缩率的总和。合金的收缩经历如下三个阶 段，如图所示： （1）液态收缩：从浇注温度 （T浇）到凝固开始温度（即 液相线温度Tl）间的收缩。29影响收缩的因素影响收缩的因素： 1）化学成分：C ，Si 收缩率；Mn适量，生产MnS 收缩率；Mn过高收缩率S 收缩率 ，。 2）浇注温度：T，T 收缩率 3）铸件结构和铸型条件收缩是液态合金凝固冷却过程中的必然现象，它产生缩 孔与缩松，内应力，变形和裂纹，对铸造工艺影响很大。 30三、铸造性能对铸件质量的影响三、铸造性能对
16、铸件质量的影响铸造性能对铸件质量有显著的影响。收缩是铸件中许多缺陷，如缩孔、缩松、应力、变形和裂纹等产生的基本原因。充型能力不好，铸件易产生浇不到、冷隔、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。311、铸件的缩孔和缩松 若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不 到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些 孔洞。按照孔洞的大小和分布，可将其分为缩 孔和缩松两类。缩孔：集中在铸件上部或最后凝固部位、容 积较大的孔洞。缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗 糙。缩松：分散在铸件某些区域内的细小缩孔。 32缩孔的形成 缩孔主要出现在金属在恒温或很窄温度范围内 结晶，铸件壁呈逐层凝固方式的条件下。缩孔形 成机理：逐层凝固方式下最后凝固部位得不到补 充而形成的空隙。33缩松的形成 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，是被树枝状晶体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、热节处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方。缩松形成机 理：树枝状 晶体所分隔 的晶间液体 区得不到补 缩形成的小
