材料制备与加工

1、材料制备与加工（液态成形）材料科学与工程学院党惊知l前言1）材料制备 铸造材料的熔炼（化）， 处理等。2）材料加工铸造方法、工艺、铸型、设备等。1、材料制备l1）铸铁 普通灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、特种铸铁等。l2）铸钢 普通碳钢、低合金钢、特殊用钢等。l3）铸造有色合金 铝合金、铜合金、锌合金、镁合金钛合金等。l材料的熔炼l铸铁的熔炼l铸钢的熔炼l有色合金的熔炼l熔炼设备l铸铁冲天炉，中频感应电炉等。l铸钢电弧炉，中频感应电炉等。l有色合金燃气、燃油炉，电阻炉，感应炉等。l熔炼工艺l材料准备l加料顺序l熔炼温度l化学成分l处理工艺等l液态合金的处理ll铸铁孕育处理、球化处理、蠕化处理。l

2、铸钢净化处理。l有色合金精炼处理、变质处理等。2电磁泵低压铸造技术 电磁泵系统是将电磁作用力直接作用于液态金属，驱动其定向移动，具有传输平稳、加压规范连续精确可调、炉体不需密封、生产过程稳定可靠等特点。 21 电磁泵低压铸造技术原理与过程 l电磁泵的工作参数是电磁铁磁隙间的磁感应强度和流过液态金属的电流密度。它们与电磁泵的主要技术性能指标压头 间存在如下关系： l式中： 液态金属经过磁场作用区(长度为)后压强的增加量(即泵产生的理想压头)(N/m2)；l 在金属液中垂直于磁感应强度方向和金属液体流动方向上的电流密度(A/m2)； l 垂直于电流方向和金属液流动方向上的磁感应强度(T)；l 处于

3、磁隙间的升液方向上的金属液体长度(m)； 22 电磁泵低压铸造工艺措施及参数选择 1)铸型工艺参数的选择 2)凝固方式的选择 3)浇冒系统的选择 4)铸型的排气 2.3 浇注工艺参数的确定 低压铸造的浇注过程一般包括升液、充型、结壳、增压、保压结晶、卸压等几个阶段。加在密封坩埚内金属液面上的气体压力的变化过程如图 铸件模型建立网格划分充型模拟设定初始条件及边界条件凝固过程模拟预测缩孔缩松预测卷气、卷渣、冷隔等缺陷结束开始后处理3 铸造工艺CAE技术4.镁合金触变注射成形技术 近年来美国、日本和加拿大等国的公司相继成功开发出镁合金半固态触变注射成形机，其中主要有美国的Thixomat公司，日本的

4、JSW公司等。触变注射成形技术采用了一种所谓“一体化”的成形方式，将压铸和注塑工艺合二为一，模具和成形材料与压铸工艺相似，工艺过程则接近于注塑成形，成形原理见图2-1。 镁合金触变注射成形原理l在加热至部分熔化状态下，传统合金在液固两相区的初生a相以发达枝晶形式存在，这种半固态合金具有很的很大的粘度，不能够正常充型。若对这种半固态合金施加剪切，可以得到球状初生a晶，称之为触变结构。在一定温度下，具有触变结构的半固态合金在压力作用下粘度大幅度降低，极易充填铸型。两种半固态合金的组织见图ll触变注射成形以半固态合金的触变行为为出发点，具有触变结构的半固态合金可以象热塑性材料一样流动，从而可以借助注

5、塑原理成形。触变注射成形的温度、压力以及涡杆转速远远高于注塑设备，但成形原理极为相似。成形的加热系统采用了电阻和感应加热的复合工艺，将合金加热至582±2，固相体积分数高达60%，同时通入氩气进行保护。l除镁合金和镁基复合材料外，铝合金、锌合金以及其复合材料均可采用此种生产工艺。采用这种工艺生产的零件除具备半固态成形的一般特点外（例如零件内部致密、凝固收缩小和近终形成形），与普通压铸相比还有操作简单和安全、效率高、切屑或碎片经碾研后回收率近100%（可免除二次精炼过程）以及更加有利于环保等特点。因此，触变注射成形技术具有巨大的应用潜力，成为21世纪的新一代金属成形技术。 JS JSW

6、制造JLM850MG触变注射成形设备触 变注射成形镁合金件触变注射成形技术的最新动向如下：l1)热流道技术l热流道技术是一种连续加热金属模具内流道,保持流道部位热熔液状态的方法。热流道广泛应用于塑胶注塑成形，吹塑成形技术上。为了把热流道技术应用于镁合金成形上，热流道部分的材料采用耐高温及耐熔损性的优质材料制作，并采用电磁感应加热方式，能进行迅速的升温、降温和精确的温度控制。热流道技术具有以下特征：1）提高原料的利用率；2）缩短了成形周期；3）提高生产率（一模多个成形）；4）由于缩短了熔液流动长度，而且实现成形机的小型化等 。l如使用锁模力为220tf触变注射成形机生产手机外壳，虽然采用以往的冷

7、流道方式可以一模成形二个产品；但是采用热流道方式，同样的成形机可实现一模4个。原料利用率也可以由20%左右提高至50%。每个产品的成形周期为10秒以下。l2) 铸造锻造法上的应用l 采用触变注射成形技术所成形的厚壁产品内部缺陷少（因具有高固相率），但固相率过高，会降低产品的机械性能。一般厚壁产品，要求高强度时，采用锻造法来制造。在这个锻造加工之前，如果铸造成形件是较近似成品形状的半成品（预制品）的话，就能将锻造工艺简化成精锻工艺。这种方法成为铸造锻造法。铸造锻造法的应用使锻造形状复杂的零件成为可能。此外，也可以调整原材料的组织，使铸造性能不太好的原材料也可以无障碍地进行锻造加工。l采用触变注射

8、成形技术制造半成品，随之快速锻造的方法逐渐引起人们的重视。对于那些由于要求高、价格等原因，而不能批量生产的汽车轮毂等安全保障类零部件、阀升程杆等发动机零部件，采用此铸造锻造工艺使其批量生产成为可能。5. 镁合金压铸l现在镁合金工程构件需求的98%来自于高压铸造行业，其中的绝大多数应用于汽车和电子行业，因此镁合金的压铸工艺性能对其在工业中应用的发展起着决定性的作用。事实证明，镁合金是一种非常适合于高压铸造的金属材料，既可以冷室压铸，又可以热室压铸。其主要优点是产品质量好，生产效率高，加工成本低。目前，仅有少数几个西方发达国家在镁合金生产成套及其关键技术等方面日趋成熟，实现了规模化生产。而我国在此

9、方面的工作才刚刚起步。 l在大多数情况下，大型、厚壁、受力和有特殊要求的压铸件采用冷室压铸机生产，冷室压铸机原理见下图。 德国FRECH公司制造的镁合金冷室压铸机目前，仅瑞士BUHLER、德国FRECH和美国PRINCE等公司可以提供系列化的适用于镁合金的专用冷室压铸机，可以满足镁合金压铸生产的一般要求。镁合金冷室压铸机的特点是：（1）快压射速度提高到8-12m/s；（2）减少了增压过程的建压时间；（3）提高了压射速度和压射力；（4）采用电磁自动定量给料装置给料，以避免镁合金浇注时氧化；（5）如果采用特种压铸工艺时（如真空）设备必需配套等。 镁合金热室压铸机是目前国外使用数量最多的镁合金压铸专

10、用设备，工作原理见下图。 德国FRECH公司制造的镁合金热室压铸机热室压铸机具有生产效率高、浇注温度低、铸型寿命长、易实现熔体保护等特点；缺点是设备成本高、维修复杂且费用较高。由于镁合金热室压铸机是针对镁合金的物化特性和压铸工艺特点而设计的压铸机，因此在镁合金压铸生产中应用最广。基于上述原因，国外主要压铸机制造商均向市场推出镁合金热室压铸机系列产品。国外主要镁合金热室压铸机生产厂商如德国的FRECH公司，意大利IDRA公司，ITALPRESSE 公司、日本的TOYO、TOSHIBA公司、UBA公司、 HISHINUMA公司等。6. 挤压铸造l挤压铸造的内涵l挤压铸造(squeeze casti

11、ng)，也称液态模锻(liquid metal forging)。挤压铸造将液态和固态金属成形原理有机结合起来，使液态金属以低速充型，在高压(50100MPa)下凝固，最终获得致密的可以热处理的铸件。 l挤压铸造作为一种先进的加工工艺，它兼有铸造工艺简单、成本低，又有锻造产品性能好，质量可靠等优点。 ll挤压铸造工艺的主要用途： 实现接近净形化(near net shape)成形，生产高质量铸件，用于取代锻件。 挤压铸造工艺被认为是一种理想的生产铝基复合材料的工艺。 挤压铸造基本特征： 挤压铸造设备必须要能提供低流速（0.051.50m/s）、大流量填充铸型的能力，以便使金属液平稳的填充铸型和

12、将铸型内气体赶出，而且要求在铸型被充满后挤压活塞能急速增压（50150ms 内），使充满铸型的金属液在较高压力（>50Mpa）下结晶。 l挤压铸造的内浇口一般开在铸件最肥厚部位，而且尺寸较大，其目的是让挤压活塞提供的压力有效的传递到铸型各部，使得金属液在高压下结晶，因此挤压铸件内浇口一般用机械加工的方法去除，不能像压铸件那样轻易敲断、去除。 l挤压铸造与压铸相比，它可以通过挤压活塞对铸件肥厚部分进行补缩。而压铸件一般不能补缩，因此挤压铸造可以铸造 n×10mm 厚度，壁厚不均的铸件，而压铸一般仅限于 56mm 以下壁厚均匀铸件。 l挤压铸造与压铸一样只用脱模剂，所以挤压铸造凝固

13、冷却速度与压铸一样可以达到金属型重力铸造冷却速度的 35 倍（约 300400/s）。因此挤压铸件的力学性能，特别是延伸率高于其他铸造方法 12 倍。 挤压铸造由于只用脱模剂，不用保温涂料，铸件冷却速度快，且在高比压下结晶，液态金属紧贴铸型，故铸件尺寸精度（CT3-4 级）、表面粗糙度（<Ra6.5）等级都非常高，对于150mm 以下尺寸挤压件，在铸型上几乎可以不留缩尺。（6）、挤压铸造铸件可以与金属型重力铸造铸件一样，进行固溶及时效热处理，以大幅提高合金机械性能。 6.1 直接挤压铸造工艺 l直接挤压铸造工艺的特点是无浇注系统，充型压力直接施加在型腔内的金属熔体上，充型金属液凝固速度快

14、，所获得的铸件组织致密、晶粒细小，但浇注金属液需精确定量。直接挤压铸造法适于生产形状简单的对称结构铸件，如活塞、卡钳、主汽缸等。 直接挤压铸造工艺6.2 间接挤压铸造工艺 l间接挤压铸造工艺的特点是充型压力通过浇道传递给铸型型腔中的金属液。与直接挤压铸造法相比，间接挤压铸造法较难在铸件凝固过程中保持较高压力，不利于生产凝固区间大的合金铸件，铸件的金属出品率也较低，但它十分容易控制铸件尺寸，不需要配置精确的定量浇注系统，生产柔性较好。 根据压射筒位置，间接挤压铸造设备分为水平式和垂直式两大类。水平式间接挤压过程见图。6.3 挤压铸造工艺参数 l比压l比压的作用是使金属液在等静压的作用下，及时消除

15、铸件气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷。并产生在压力下的结晶凝固机制，从而获得较好的内部组织和较高的机械性能。 l加压开始时间 l加压开始时间既为施压前金属液在型腔内的停留时间。研究表明，型腔中的金属液冷却到液相线温度以下时加压可获得最佳加压效果。挤压铸造铝合金时，除薄壁件不必延时外，一般在合型和加压前需停留 10s20s。 l加压速度 l加压速度是指冲头接触到金属液面以后的运动速度。加压速度过慢，液态金属自由结壳太厚而影响加压效果；过快（如过 0.8m/s）时则易使液态金属涡流形成而卷进气体，增加液态金属的飞溅，促使铸件形成披缝，甚至产生裂纹。 l 保压时间 l压力保持的时间，一般应控制到铸件完全凝

16、固时为止。保压时间的确定，通常取决于制件的形状和断面厚度。一般而言，直径小于 50mm 的铝合金制件，每10mm 需要 5s，壁厚 100 毫米以上的铸件，平均每毫米需 1.01.5 秒；壁厚小于100mm 的铜合金，每 10mm 需要 15s；对于直径 100 毫米以下的钢和铁铸件，每毫米需 1.5 秒。 l模具预热温度 l模具若不预热，导致合金熔体浇入型腔后来不及加压就已经凝固。因此，模具预热温度过低，铸件的质量难以得到保障，易于产生诸如冷隔和表面裂纹等缺陷；但预热温度也不能过高，否则会延长保压时间，降低生产率，同时也不利于喷涂润滑剂，容易发生粘模，使脱模困难，降低模具使用寿命。 l金属熔

17、体浇注温度 l通常根据合金的液相线温度和凝固范围来确定理想的金属液浇注温度，一般控制在最低值。这样，能使金属内部气体易于逸出，且一旦施压后，还能使金属熔体同时进入过冷状态，获得同时形核的条件，进而获得等轴晶组织的铸件。合适的金属液浇注温度一般比液相线高 100150。 l脱模剂 l脱模剂主要是为了隔热，保护模具不被烧损，提高模具使用寿命：其次润滑铸件和模具接触界面，以利于脱模。为此，脱模剂必须耐高温，且在高温下有良好的稳定性，良好的模壁附着能力。通常，挤压铸造脱模剂采用石墨、各种氧化物、硅、水玻璃、各类油脂等调配而成。 l冷却 l挤压铸造卸压后，一般应立即脱模，故铸件的出模温度较高。为了防止高

18、温的铸件空冷时在薄壁与厚壁的交界处产生裂纹，应将出模后的铸件立即放入砂堆中，待冷却到 150以下后再取出空冷。 6.4 挤压铸造工装设备 l液压机 l模具、熔化设备 l自动浇注装置 l模具喷涂料装置 l先进的挤压铸造设备介绍 日本宇部公司 VSC、HVSC 挤压铸造机系列其特点是立式挤压系统均采用倾斜摆动式结构。日本东芝 DHXV 和 DXV 挤压铸造机系列机型的最大特点是配置了输送金属液的电磁泵装置。 6.5 镁合金挤压铸6.5.1 挤压压力对镁合金状态图的影响金属与合金的熔点会随着外加压力而改变，是压力改变合金状态图的一个方面。镁合金凝固时外加压力将使其状态图发生变化，如相变点位置、相区。

19、凝固过程中施加的高压使 MgAl 固相线温度、液相线温度和共晶点温度均升高，并使共晶点温度向低铝方向（左上方）移动。l压力对熔点的影响llllT熔附加压力后，金属熔点的增量（）；lT熔合金的熔点（）；lp压力改变量（g/cm2）；lvl 、vs 单位质量的液相和固相金属的体积（cm3/g）；lQ熔单位重量金属的熔化潜热（卡/克）。 （a）重力铸造，浇注温度 660，模温 250（b）挤压铸造，浇注温度 660，模温 250，挤压力 80MPa，保压 30s挤压铸造AM60与重力铸造AM60镁合金金相组织最明显的区别在于挤压铸造的晶粒明显细化，并且在组织中出现大量树枝晶。挤压铸造的共晶组织相对于

20、重力铸造来说明显增加，挤压铸造的共晶组织将初生 -Mg 分割包围。 6.5.2 挤压铸造对高强韧镁合金力学性能的影响 比压的作用是使金属液在等静压的作用下，及时消除铸件内的气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷。并产生在压力下的结晶凝固机理，从而获得较好的内部组织和较高的机械性能。 压力对镁合金延伸率的影响 压力对镁合金抗拉强度、屈服强度的影响 l模具温度对高强韧镁合金力学性能的影响 7 消失模铸造 将涂有耐火材料涂层的泡沫塑料模型放入砂箱，模型四周用干砂充填紧实，浇注液态金属，取代泡沫塑料模型，这种铸造工艺被称为：消失模铸造（EPC）、气化模铸造及实型铸造等。美国铸造协会消失模铸造委员会采用了"

21、;消失模铸造"作为该工艺的名称。l消失模铸造是一项创新的铸造工艺方法，可用于生产有色及黑色金属动力系统的零件，包括：汽缸体、汽缸盖、曲轴、变速箱、进气管、排气管及刹车毂等铸件。7.1 消失模铸造的工艺流程 l1）预发泡l第一步是将聚苯乙烯珠粒预发到适当密度，一般通过蒸汽快速加热来进行，此阶段称为预发泡。 l2）模型成型 l经过预发泡的珠粒要先进行稳定化处理，然后再送到成型机的料斗中，通过加料孔进行加料，模具型腔充满预发的珠粒后，开始通入蒸汽，使珠粒软化、膨胀，挤满所有空隙并且粘合成一体，这样就完成了泡沫模型的制造过程，此阶段称为蒸压成型。 l3）模型簇组合 l模型在使用之前，必须存放

22、适当时间使其熟化稳定，典型的模型存放周期多达30天，而对于用设计独特的模具所成型的模型仅需存放2个小时，模型熟化稳定后，可对分块模型进行胶粘结合。分块模型胶合使用热熔胶在自动胶合机上进行。胶合面接缝处应密封牢固，以减少产生铸造缺陷的可能性。 l4）模型簇浸涂 l为了每箱浇注可生产更多的铸件，有时将许多模型胶接成簇，把模型簇浸入耐火涂料中，然后在大约3060的空气循环烘炉中干燥23个小时，干燥之后，将模型簇放入砂箱，填入干砂振动紧实，必须使所有模型簇内部孔腔和外围的干砂都得到紧实和支撑。l5）浇注 l模型簇在砂箱内通过干砂振动充填坚实后，铸型就可浇注，熔融金属浇入铸型后（浇注温度铸铝约在760

23、，铸铁约在1425 ），模型气化被金属所取代形成铸件。l在消失模铸造工艺中，浇注速度比传统空型铸造更为关键。如果浇注过程中断，砂型就可能塌陷造成废品。因此为减少每次浇注的差别，最好使用自动浇注机。l6）落砂清理 l浇注之后，铸件在砂箱中凝固和冷却，然后落砂。铸件落砂相当简单，倾翻砂箱铸件就从松散的干砂中掉出。随后将铸件进行自动分离、清理、检查并放到铸件箱中运走。 l干砂冷却后可重新使用，很少使用其他附加工序，金属废料可在生产中重熔使用。 7.2 消失模铸工艺的优点 l(1)铸件一次成型，尺寸精度高。 l(2)大大改善了铸造车间的环境条件，容易实现无污染生产。 l(3)铸件形状、结构不受限制，为

24、制品设计提供了充分的自由度。 l(4)生产制造成本低，设备投资小。 8 铸件的石膏型精密铸造技术 （a）显示器框架（b）主屏蔽罩石膏型熔模铸造工艺是以石膏作为主要造型材料制作石膏型，用石膏型代替熔模铸造多层涂挂的模壳来浇注金属零件，与熔模铸造的主要差别在于制造铸型的方法不同，主要的工艺过程是先将熔模组合并固定在专供灌浆用的砂箱平板上，在将按一定比例配制的半水石膏、填料、添加剂以及适量水，在真空下混制成浆体灌入有模组的砂箱中；将浆体凝结后，经过一段时间，硬化体已具有一定湿强度即可脱除熔模；再经烘干、焙烧成为石膏型；最终在真空下浇注，以获得复杂薄壁铸件。 l在整体复杂精铸件方面，美国M1A2坦克用显示器框架，有1200多个尺寸。主屏蔽罩，铝合金件，轮