材料工程基础第四章 金属液态成形与半固态成形.ppt

第四章金属液态成形与半固态成形,材料科学与工程系陈庆春、邓慧宇,序言,金属、无机和高分子材料五大方面加工成型技术：1.金属的铸造、半固态成型2.塑性加工方法（锻压、冲压、轧制）3.粉体的压制和成型4.聚合物成型和再加工5.材料的连接焊接,本章主要内容：,4.1液态成型4.2半固态成型4.3快速凝固成型,4.1液态成型,一、概述1.铸造：金属材料经过熔炼成液态金属或半固态金属，在外力作用下流动充型冷凝实现成型。铸造是生产金属零件毛坯的主要工艺方法之一，与其它工艺方法相比，它具有成本低，工艺灵活性大，适合生产不同材料、形状和重量的铸件，并适合于批量生产。缺点是公差较大，易产生内部缺陷。,Fig.1铸造实物图,Fig.2离心铸造实物图,2.铸造的发展,我国液态成型技术可追溯至夏商时期，伴随着青铜的铸造、生铁的铸造，到唐汉的大型铸件（沧州大狮子），到现代我国的铸造技术已经接近国际先进水平。铸造发展的方向：,2.铸造的发展（续）,(1)掌握凝固过程同铸件组织、性能的关系，控制凝固过程。单晶技术、定向凝固技术、快速凝固技术、细晶铸造技术等；(2)铸件的轻量化、薄壁化和优质化。降低缺陷、采用轻质合金。(3)造型工艺的发展。型砂铸造、特种铸造。,(4)CAD/CAE/CAM以及人工智能、专家系统（ES）、CAP等的控制。机器人或机械手的大量使用。CADcomputer-aideddesignCAEcomputer-aidedengineeringCAMcomputeraidedmanufacturing(5)实现铸造工业的绿色生产。,3.基本术语,（1）铸型：用型砂、金属或其他耐火材料制成；包括形成铸件形状的空腔、型芯和浇冒系统的组合整体。（2）型腔：铸型中造型材料所包围的空腔部分。（3）铸件：用铸造方法制成的金属件，一般作毛坯用。（4）分型面：铸型组元间的接合面。（5）分模面：模样组元间的接合面。,（6）模样：由木材、金属或其他材料制成，用来形成铸型型腔的工艺装备。（7）零件：铸件经切削加工制成的金属件。（8）砂芯：为获得铸件的内孔或局部外形，用芯砂或其他材料制成的，安放在型腔内部的铸型组元。（9）芯盒：制造砂芯或其他耐火材料所用的装备。,砂型铸造装配图,1-下砂型2-分型面3-上砂型4-型砂5-出气孔6-浇注系统7-型腔,二、液态成型的工艺基础,1.铸造的基本过程,具体的四步,铸造的实质：液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中凝固和冷却。,铸造工艺的内容：,（1）熔化合格的合金液体：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：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。,（1）充型能力,基本概念：液体充满铸型，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力。液态金属充满铸型，获得尺寸精确、轮廓清晰的铸件，取决于充型能力。在液态合金充型过程中，一般伴随着结晶现象，若充型能力不足时，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。影响因素：合金的流动性、浇注温度、充型压力和浇注系统结构等。Table1,Fig.5砂眼、浇不足和冷隔示意图,Fig.6华铸CAE模拟浇注过程示意图,Table1影响因素表,金属的流动性的作用和测定：,衡量方法：在螺旋试样上，以相同的条件，流动长度为流动性好坏的标准。,Fig.7螺旋形试样,浇注温度：,Fig.8铸件凝固随时间变化示意图,充型压力：,浇注系统结构：浇注系统结构越复杂，流动阻力越大，在静压头相同时，充型能力越小。充型压头越高，充型能力越好。生产中使用提高直浇道的高度来增加充型压头。铸型材料的导热率和比热容越大，铸型的蓄热能力越大，合金液的激冷能力越强，充型能力变差。铸型中的气体：预热铸型、加强排气。,补充内容：铸件的凝固方式,（1）逐层凝固：纯金属和共晶成分的合金在凝固中因为不存在固液两相并存的凝固区，所以固体与液体分界面清晰可见，一直向铸件中心移动。（2）糊状凝固（3）中间凝固,中间凝固（体积凝固）,大多数合金的凝固是介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固。,（2）收缩,定义：是指合金从浇注、凝固到冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。,三阶段：液态收缩、凝固收缩和固态收缩。,合金的液态收缩和凝固收缩表现为型腔内液面的降低，通常用体收缩率来表示，它们是铸件产生缩孔、缩松缺陷的基本原因。合金的固态收缩表现为铸件尺寸的缩小，通常用线收缩率来表示。固态收缩是铸件产生应力、裂纹和变形等缺陷的主要原因。,合金的收缩给铸模的设计和铸件的精密成形等带来较大困难，是多数铸造缺陷产生的根源。注意：在铸模尺寸设计时必须考虑铸件的收缩因素。即利用每种材料特定的收缩率和实际铸件的尺寸，来换算成铸模型腔的尺寸。,收缩产生的缺陷,a.缩孔定义：缩孔是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大部位及最后凝固部位形成一些容积较大的孔洞。缩孔形成在铸件最后凝固的部位。,产生原因：先凝固区域堵住液体流动的通道，后凝固区域收缩所缩减的容积得不到补充。,Fig.9缩孔,b.疏松定义：是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。,产生原因：当合金的结晶温度范围很宽或铸件断面温度梯度较小时，凝固过程中有较宽的糊状凝固两相并存的区域。随着树枝晶长大，该区域被分割成许多孤立的小熔池，各部分熔池内剩余液态合金的收缩得不到补充，最后形成了形状不一的分散性孔洞即缩松。,Fig.10缩孔和疏松,b.疏松（续）,另外，疏松还可能由凝固时被截留在铸件内的气体无法排除所致。不过，疏松内表面应该是光滑，近似球状。危害：显著降低铸件的机械性能，造成铸件渗漏等。防止措施：采取顺序凝固的办法避免缩孔、疏松的出现。,补充术语之七：顺序凝固,通过采用冒口和冷铁，使铸件远离冒口的部位最先凝固，然后是靠近冒口的部分凝固，最后冒口本身凝固，将收缩的体积转移到冒口中去。,Fig.11顺序凝固示意图,冒口的作用：补缩。冒口为铸件的多余部份，在铸件清理时予以切除。,顺序凝固的优点：可有效地防止缩孔和缩松。缺点：a.耗费许多合金。b.增加造型工时，加大了铸件成本。c.顺序凝固扩大了铸件各部分的温度差，促进了铸件产生应力、变形和裂纹倾向。,c.铸造应力、变形和裂纹,热应力：当都处在弹性变性温度时，温度差异所致。,机械（收缩）应力：是暂时的，铸件经落砂后可自行消除。但它可与热应力共同起作用，增大某些部位的应力，促进铸件的裂纹倾向。,防止热应力的方法：,.铸造工艺：采用同时凝固。同时凝固：通过采用冷铁，使铸件各部分均匀的冷却。同时凝固的优点：防止铸件产生热应力。缺点：增大了铸件产生缩孔的倾向性。.铸件设计：力求壁厚均匀。,相变应力：,由合金发生固态相变，铸件各部分体积产生不均衡变化引起的应力。可能是瞬时应力，也可能是残余应力。变形和裂纹：,铸件变形的一般规律：厚的部位呈内凹，簿的部分呈外凸。为防止铸件变形，除合理设计零件结构外，在工艺上可采用加筋、变壁厚、园角过渡等。,变形和裂纹：,铸件的内部应力超过金属抗拉强度时，铸件便产生裂纹。裂纹分为：热裂纹和冷裂纹。热裂纹是在固相线附近结晶形成的，此时合金强度低，塑性低，应力很容易超过强度极限而产生裂纹。断面氧化严重，无金属光泽，外形曲折而不规则。冷裂纹，铸件处于弹性状态或低温下形成的，断口有金属光泽或轻度氧化，裂口宽度均匀平滑。,变形和裂纹(续)：,以有利于释放铸造应力为原则：采用正确的铸造工艺（正确设计浇注系统、补缩系统等）；铸件形状设计要求简单、对称和厚薄均匀；对铸件进行热处理。,Fig.13裂纹常产生位置,d.其它铸造缺陷：,渗漏,（3）合金的凝固偏析,微观偏析：指晶粒范围内的化学成分不均匀现象。影响因素：冷却速度。冷速极慢，扩散充分，没有偏析，一般冷速极快，液相扩散也不出现，也没有偏析。消除方法：原则上偏析是非平衡凝固所致，所以只要动力学保证扩散的进行时可以消除的。高温扩散退火和晶粒孕育处理来消除。宏观偏析：指铸锭在大于晶粒尺寸内产生的成分不均匀现象。分为：正偏析、反（逆）偏析和重力偏析。消除方法：加快冷却速度、保证铸件内温度均衡、降低有害元素。,晶内偏析（枝晶偏析）区域偏析,微观偏析,Fig.14微观偏析示意图,（4）吸气性,在浇铸过程中由于操作或结构设计不当，使气体进入金属液，增加了金属中的气体含量。吸气性随温度的升高而增加。气体和气孔：根据气体的来源，分为析出气孔、侵入气孔和反应气孔。,液态合金在冷却、凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体来不及排除，而在铸件中形成的气孔，称为析出气孔。析出气孔的特征多为分散小圆孔，表面光亮，直径为0.52.0mm，或者更大，分布较广，有时遍及整个铸件截面，均匀分布。防止方法：降低浇注温度。,析出气孔,侵入气孔是由于铸型表面层聚集的气体侵入液态合金而形成的气孔。侵入气孔的特征是多位于铸件局部表面附近，尺寸较大，呈椭圆形或梨形。防止方法：降低型砂、芯砂的发气量和提高铸型的排气能力。反应性气孔：称为皮下气孔。通过芯撑、冷铁表面净化、干燥消除。,三、液态成型方法,1.砂型铸造砂型铸造是指用型砂制备铸型模来生产铸件的铸造方法。型砂常用原砂、粘结剂和附加物按一定比例混制而成。（1）分类用模样和型砂制造砂型的过程，称为造型。造型是砂型铸造的最基本工序，它可分为手工造型和机器造型两大类。,（2）材料造型材料的要求强度干强度和湿强度；透气性排气用耐火度与液态金属接触时，不软化，不粘砂容让性防止铸造应力；溃散性便于清理造型材料：砂子SiO2、Al2O3粘结剂粘土和膨润土，水玻璃，树脂。附加物碳粉，煤粉（反应生成还原性气膜）、稻草,（3）砂型铸造的特点:,可以制造形状复杂的毛坯或零件；加工余量小，金属利用率高；适应性强，应用面广，用于制造常用金属及合金的铸铁件；铸件的成本低；晶粒较粗大，组织疏松，常存在气孔、夹渣等铸造缺陷，力学性能比锻件差；铸造工序多，铸件质量不稳定，废品率较高；铸件表面较粗糙，多用于制造毛坯。,（4）砂型铸造的工艺过程,造型和制芯造型（铸件外形）：制造砂型的过程；制芯（铸件内腔形状）：制造砂芯的过程。合型：将砂型和砂芯按要求组合起来。浇注：冲模过程。落砂和清理：落砂：去除铸件表面及内腔的型砂和芯砂的过程；落砂后之间需去除浇注冒口，清除内外表面粘砂和毛刺等，经喷丸处理提高表面质量。,（4）砂型铸造的工艺过程（续）,Fig.15砂型铸造工艺流程图,基本造型方法,整模造型、分模造型、挖砂造型、活块造型、三箱造型。,特点：分型面为平面，铸型型腔全部在一个砂箱内,分模造型,特点：模样沿最大截面分为两半，型腔位于上、下两个砂箱内。,挖砂造型,特点：模样为整体模，造型时需挖去阻碍起模的型砂，故分型面是曲面。,活块造型,特点：将模样上妨碍起模的部分，做成活动的活快，便于起模。,三箱造型,特点：铸件两端截面尺寸比中间部分大，采用两箱无法起模，将铸型放在三个砂箱中，组合而成。三箱造型的关键是选配合适的中箱。,2.特种铸造,（1）传统常用的特种铸造方法有：熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造、低压铸造和连续铸造等。（2）特种铸造特点：不用砂或少用砂，改善了劳动条件，减轻了劳动强度。铸件精度较高、性能较好。生产率高，工艺简单。成本高，生产周期长，在工艺上和应用上各有一定的局限性。,（3）铸造方法介绍,熔模铸造定义：用易熔材料制成模样，用造型材料（多层耐火材料）将其包覆，经硬化、干燥制成型壳，熔失模样，空心壳经高温焙烧，浇注获得铸件的方法。又称精密铸造。工艺流程：特点及应用：,熔模浇注工艺流程：示意图,Fig.16熔模铸造流程示意图,特点及应用：,特点：a.铸件精度和表面质量较高；b.可以铸造形状复杂的薄壁铸件；c.生产批量不受限制；d.原材料价格贵，铸件成本高；e.工艺过程繁杂，生产周期长；f.铸件尺寸不能太大，质量一般小于25Kg；应用：各种铸造合金，特别适于高熔点、难加工合金的小型铸件的成批、大量生产，如：汽轮机、叶片（等轴晶叶片）、叶轮、成型刀具等。,Fig.17航空叶片,（3）铸造方法介绍（续）,金属型铸造金属型铸造:将金属液浇入金属铸型获得铸件的方法。,金属型铸造生产过程演示：,特点:,铸件力学性能比砂型铸件高。铸件精度和表面质量好。可节约金属，生产率较高。不用砂或少用砂，改善了劳动条件。铸件成本高，易产生浇不足、开裂等缺陷。铸造工艺要求严格。金属型铸造的应用：大批量生产形状简单的有色合金铸件，活塞、汽缸体、轴瓦和轴套。但铸件尺寸3050m/s)，故液态合金在辊面上凝固为一条很薄的条带(厚度不到15-20m左右)。合金条带在凝固时是与辊面紧密相贴的，因而可达到(106107/S)的冷却速度。显然，辊面运动的线速度越高，合金液的流量越大，则所获得的合金条带就越薄，冷却速度也就越高。用这种方法可获得连续、致密的非晶和微晶薄带。过程,聚焦电子束2加热悬挂的母合金棒的下端，熔化后的母合金熔滴3在重力作用下向下滴落，熔滴3滴落在以母合金棒为轴心的高速旋转的铜盘上，冷凝成箔片，并在离心力的作用下甩出。,电子束急冷淬火法,e.工作表面熔化与自淬火法,激光束或电子束扫描工件表面，使表面极薄层的金属迅速熔化，热量由下层基底金属迅速吸收，使表面层(108/S)下重新凝固。这种方法可在大尺寸工件表面获得快速凝固层，是一种具有工业应用前景的技术。,过程示意图,f.熔体提取法,1-弧刷，2-旋转提取盘，3-熔体，4-感应加热炉，5-纤维,（2）雾化技术,定义：是使熔体在离心力、机械力或高速流体的冲击力等外力作用下，分散为尺寸极小的雾状熔滴，并使其在与流体或冷却模接触中迅速冷却凝固的技术。雾化技术：双流雾化（气体雾化法）、离心雾化和机械雾化三种。,雾化法介绍,用冷却介质的强制对流，使合金液在N2、Ar、He等气体的喷吹下，雾化凝固为细粒，或使雾化后的合金在高速水流中凝固。雾化法是将熔融的合金射向一高速旋转(表面线速度可达100m/s)的铜制急冷盘上，在离心力作用下，合金雾化凝固成细粒向周围散开，通过装在盘四周的气体喷嘴喷吹惰性气体的加速冷却。用雾化法制得的合金颗粒尺寸一般为10-100m。在理想的条件下，可达到106/S的冷却速度。这些合金粉末通过动态紧实，等热静压或热挤等工艺，制成块料及成型零件。,三、快速凝固晶态合金及非晶态合金的组织与结构特征,快速凝固应属于在很高的界面推进下出现的半界面凝固，或属于无偏析凝固。1.过冷度对快速凝固合金组织的影响从普通的铸造生产中的冷却速度到冷却速度为102/S左右，由于凝固过程中枝晶粗化的时间缩短，因此结晶组织（包括显微偏析）不断细化。进一步提高冷却速度时，熔体的热过冷逐渐加深，固-液界面越来越离开平衡状态，溶质元素界面不断发展，最后成为完全的无扩散，无偏析的凝固。,2.组织结构的变化（1）扩大了固溶极限Table1（2）超细的晶粒度快速的凝固合金具有比常规合金低几个数量级的晶粒尺寸，一般为小于0.11.0m，在Ag-Cu（WCu=50%）合金中，观