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1、液 态 模 锻,一、金属的成形（成型）方法,焊接,金属坯料,机械加工,焊接,凝固成形,塑性成形,重力铸造,差压铸造,离心铸造,压力铸造,体积成形,板材成形,锻造,挤压,轧制,粉末,冲压,旋压,电磁,内高压,自由锻,模锻,砂型,金属型,熔模,金属的成形（成型）方法,压力铸造设备及成形示意图,金属的成形（成型）方法,离心铸造设备及成形示意图,金属的成形（成型）方法,差压铸造设备及成形示意图,铸造成形方法,机械 加工,有切削， 材料有损耗,材料加工工程通常指 金属通过液态流动成型 或通过固态塑性变形获 得近净金属零件的成形 （成型）方法，即铸、 锻、焊，特点少无切削。,塑性成形方法,金属的成形（成型
2、）方法,模锻视频,金属体积成形方法分类,二、液态模锻成形技术的发展概况,液态模锻技术,前苏联1937年,应用于军事及高科技范围 金属构件的制造,该工艺属铸、锻结合工艺，原从事锻压专业的学者称其 为液态模锻,从事铸造专业的人命其名为挤压铸造, 但其内容是一致的,液态金属在模具中经过加压成型,结晶凝固。因而它与铸 锻有着不可分离的“血缘关系”。液态模锻是一种省力、 节能、材料利用率高的先进工艺。液锻件一般很接近工 件最终加工尺寸,质量高,因而为越来越多的国家的学者 和厂家接受和应用。,液态模锻成形,液态模锻工艺过程是将液态金属直接浇到模具型腔，然后在较高压力下使其迅速充满型腔，凝固并产生少量的塑性
3、变形，从而获得轮廓清晰，表面光洁，尺寸精确、晶粒细小、组织致密、机械性能优良的制件。,液态模锻成形,金属熔炼,模具准备,浇注,液锻,脱模,产品,模具复位，喷涂料,熔化,浇注,顶出,加压,三、液态模锻工艺流程,已凝固金属在压力作用下产生少量塑性变形，制件轮廓清晰，性能介于锻件和铸件之间,液锻件性能远高于铸件； 整体性能接近锻件， 但能成形较复杂形状的制件， 且省力1/5以上。,四、液态模锻工艺,1、液锻的工艺特点,金属始终在压力下完成凝固、结晶。好处： 强制补缩，防止出现缩孔缩松 压力直接作用在金属液面上，压力利用率高 与铸件比无浇道系统和冒口，节材10以上。与锻件比无飞边。 能成形复杂制件，主
4、要靠流动成形，对模具磨损小 模具工作温度高，成形黑色金属时寿命短,液态模锻与压铸的区别,液态金属注入模腔的方式不同 低速浇入，排气良好 压力传递方式不同 压力直接作用并始终保持 组织性能不同 组织细密，力学性能提高,液态模锻与常规模锻的区别,毛坯与模膛形状基本一致，塑性变形量小，不会产生锻造流线 适于成形复杂形状，且所需设备吨位大幅度降低,液态模锻的适用范围,各种金属、非金属、复合材料 有色金属取得广泛应用（尤其铝合金） 特别适合于纤维或颗粒增强复合材料 适用于复杂形状、对力学性能有一定要求的零件 壁厚不能太薄，也不能太厚（550mm）,（1）静压液锻 合金液不产生大量的流动，液锻形状主要靠浇
5、注时定型。压力的作用主要是加速（影响）合金液的凝固并产生塑性变形。分单、双向静压液锻。 单向液锻 h/d5 双向液锻 h/d5,五、液态模锻分类,1、按金属流动方式,（2)挤压液锻 液锻时，浇入的合金液在凸模作用下迅速流动、充型，接着在高压下凝固和产生少量的塑性变形 （1）正挤压液锻。 （2）反挤压液锻。（3）复合挤压液锻。,液态模锻分类,反挤压液锻,正挤压液锻,挤压液锻的特点： 在压力下充型的合金液流动好，较易获得轮廓清晰、表面光洁的制件，初生的树枝晶在流动中破碎形成大量的晶核，可获得细晶组织，最后在高压下凝固核塑性变形，产品组织致密，性能高。,液态模锻分类,复合挤压液锻,液态模锻分类,平冲
6、头间接加压,加压前,加压后,合金液在压力作用下，通过内浇道压入型腔、充型、凝固，获得产品的液锻方式，叫间接液锻。,（3）间接液态模锻,与立式压铸相似，不同点：浇道短、截面大，充型速度低，保压时间长，能生产壁厚较大、形状复杂的产品，充型时不会有气体卷入。,平冲头间接加压,平冲头直接加压,液态模锻分类,2、按加压冲头形状分类 （1)平冲头加压,实心制件,通孔制件,平冲头间接加压,加压前,加压后,（2）异形冲头加压,凸式冲头加压,凹式冲头加压,液态模锻分类,液态模锻工艺方法选择,壁厚差别大的零件,正挤压液锻,壁厚均匀的零件,反挤压液锻,形状复杂的零件,复合挤压间接液锻,六、液态模锻成形方式选择原则,
7、杯形件,凸式冲头,小型，形状复杂,上端面有凸台并带有内腔和孔,复合式冲头,间接液态模锻,六、液态模锻凹模结构形式,六、液态模锻凹模结构形式,（1)静压液锻过程 分四个阶段： 第一阶段结壳 液态金属浇入模具后，由于具有一定粘度，液面呈现凸、凹不平，在静压力作用下迅速压平；合金液在低温模壁强烈散热作用下沿模壁迅速结晶（凝固），形成外壳；随时间增长，外壳层不断增厚，固液相间的温差不断减小，结壳速度逐渐减慢。,七、液态模锻工艺基础,1.液锻过程,壳层在较大温差下迅速结晶形成，壳体较薄，尚未有枝晶形成，组织致密、晶粒细小，性能高。 （液锻力），仅起压平液面的作用，其在合金液内部产生的压强（比压力） 近似
8、为0。 压平后的液面高度,液态模锻工艺基础,液态模锻工艺基础,p比压力（MPa）,凸模接触液面后，液锻力从P0P0，在其内部产生压强p，使散热进一步加强，结晶进程加快。 结晶过程中形成的微小空隙得到充分的合金液补缩。 压力下结晶，获得组织致密、晶粒细小的组织。 合金液收缩和凝固，液面下降，凸模要下移h1距离。,第二阶段压力下结晶,第三阶段压力下结晶塑性变形 压力下结晶的结果是结壳，液面下降。 在P0作用下，壳体被镦粗（塑性变形），凸模下降重新与液面接触，形成新压强p/，再次出现压力下结晶过程。在此阶段，压力下结晶过程塑性变形交替进行，直至合金液全部凝固为止，凸模下降h2。,液态模锻工艺基础,合
9、金液体收缩率,在此过程中，凸模、锻件和模壁间要产生摩擦，消耗功，当P0为恒定值时，P0在合金液内部产生的压强p不断下降、变小，有压力损失。,V收合金液收缩的体积,第四阶段塑性变形 液态合金全部凝固后，温度下降，液锻件因固态收缩而离开模壁，产生间隙，在足够大的作用下，液锻件产生塑性变形后仍与模壁接触，凸模下降h3。 塑性变形量较小，但对锻件的性能、表面质量和尺寸精度起着重要的作用。,液态模锻工艺基础,总的压下量,讨论：获得合格的液锻件，必须施加足够大的液锻力P0，保证四个阶段顺利完成。 如果P0不足，会不能完成三、四阶段，在制件芯部会出现枝晶组织，影响性能。,(a),(b),(c),(d),(e
10、),液态模锻工艺基础,（2）挤压液锻过程 亦分四个阶段： 第一阶段是液体金属在压力下流动、充型并结壳。 二、三、四阶段与静压液锻相同。,液态模锻工艺基础,注意：液锻方式不同，压力损失不同。 一般正挤压液锻较反挤压液锻压力损失小。 分型面不同，压力损失有差别。,（3）间接液锻过程 本质上与1）、2）两种不同，与立式压铸相似，区别在于设计原则与工艺参数不同。分三个阶段 第一阶段压力下充型 压力下，一定速度（0.515m/s）通过浇道压入型腔，实现充型。（压铸是以高速，约1570m/s ） 第二阶段压力下结晶 合金液在惯性力作用下压紧模壁，散热、迅速结壳。 第三阶段压力下结晶 压头的压力使合金液产生
11、很大的压强p，在p的作用下合金液完全凝固。,液态模锻工艺基础,液态模锻成形初期,以填充侧面间隙为主 首先形成敞口硬壳 合模后硬壳封闭，压力作用使壳体变形 表观现象： 冲头发生下移，位移量较大 金属侧向填充，消除间隙 作用力随冲头下移缓慢升高,液态模锻成形中期,以制件高度压缩为主，补充收缩 特征： 形成闭合的凝固带，并不断向中心移动 已凝固部分塑性变形分布明显不同 凝固带在内外压力下产生结晶 未凝固部分处于三向压应力作用,液态模锻成形末期,纯液相区已消耗完，仅留中心凝固结晶区，随即进入闭式模锻阶段此处最容易出现疏松 力-行程曲线塑性变形量很小，力有所增长但不大，基本处于保压阶段 最终变形类同普通
12、闭式模锻,挤压力不足时铸件缺陷示意图(PP0),挤压过程中冲头局部受阻形式缺陷示意图,液态模锻工艺基础,压力对合金物理参数的影响 ：合金的熔点、导热率、密度、结晶潜热,Q熔单位质量金属的熔化潜热，J/kg。,2液锻过程压力的作用,液态模锻工艺基础,(1)对熔点的影响,压力与合金熔点之间有如下的近似关系，,凝固时体积收缩的合金，如铝、铁、铜、铝硅等： 随压力增加，熔点（凝固点）升高， 在其它条件不变时，加大压力可使过冷度增大，加速结晶的进程；,液态模锻工艺基础,凝固时体积膨胀合金，如铋、硅、锑等，压力的作用刚好相反。,压力下结晶凝固的合金，其组织致密，原子间的平均距离缩短，导热率提高。 以纯铜锭
13、为例: 大气压力下凝固时，其导热率为326335W/(mK)。 在150MPa压力下凝固时，其导热率为352356W/(mK)。提高约6。,(2)对导热率的影响,实验指出，在一定范围内，压力的增加对密度有明显的提高。 压力增大，密度增加，在某一压力下达到最大值；继续增加压力，会使金属内部位错增加，其密度反而下降。,液态模锻工艺基础,(3)对密度的影响,液态金属的结晶与临界晶核尺寸、形核率、形核功、过冷度及晶粒数有关。 凝固时体积收缩合金： 增加压力使临界晶核尺寸和形核功减小，有助于晶核生成。 压力提高过冷度，有利于成核率。 压力还可以破碎长大的枝晶、使其脱落形成新晶核，细化晶粒。 凝固时体积膨
14、胀合金，相反。,液态模锻工艺基础,(4)压力对合金结晶过程的影响,压力使合金液凝固过程十分迅速，合金液的元素来不及分解、扩散，偏析现象大为减少，尤其是比重偏析。 实践中发现，在液锻件厚大部位的中心处常常发现低熔点共晶富集，异常偏析。,液态模锻工艺基础,(5)压力对偏析的影响,压力可增加气体在合金液中的溶解度，并可阻止合金液的气体析出，防止液锻件产生气孔、针孔等。,液态模锻工艺基础,(6)压力对气体析出的影响,(7)压力对尺寸精度和表面粗糙度的影响,足够的压力使液锻件紧密贴模，尺寸精度高，表面光洁。,（1）比压力 比压力p是指液锻时，液锻力作用在合金液上所形成的压强。它与液锻力的关系可用 表示。
15、,液态模锻工艺基础,所需比压力p的大小：液锻合金成分，液锻件形状、尺寸、使用要求，液锻方式有关。,3、液锻过程的主要工艺参数,计算时，合金成分的影响，可用合金种类系数K1来考虑。,液态模锻工艺参数,合金成分：高温下屈服极限高的合金，采用较大的比压力p。,液锻方式：可用液锻方式系数K2来考虑。,相对高度H/a愈大，相对结晶壳就愈长、愈厚，摩擦阻力愈大，塑性变形时消耗的能量大。,液态模锻工艺参数,液锻件的形状、尺寸对比压力p的影响，用相对高度H/a来考虑。,比压力可采用下面的经验公式： 来计算。 铝合金负重轮的比压力p的计算，液锻方式为挤压液锻， H/a=120/540=0.23，H/a1时，形状、尺寸影响可忽略不计。 间接液锻时p=K1K2,液态模锻工艺参数,（2）液锻速度 液锻速度是指冲头（压头）与合金液接触后的合金液充型速度，或凸模下降速度。 液锻速度：主要取决于合金液体的粘度 速度太低：自由结壳层厚，降低加压效果 速度太高： 模具间隙小，金属液卷气，液锻件有气孔。 模具间隙大，合金液飞溅，金属液不足，超差报废,液态模锻工艺参数,（3）液锻温度 合金液温度尽量低些，减少液锻件的含气量，并可防止模具过热而粘模。 温度太低，常常会产生金属豆，冷隔，液锻件表面质量差。,液态模锻工艺参数,温度太高：液锻件含气量高和粘模 内外温差大，当外部凝固成较
