半固态铸造技术的研究现状
学院：材料科学与工程学院
班级：Y130302
姓名：刘占凯
学号：s1*******
流水号：s2*******
半固态铸造技术的研究现状
摘要：在本文介绍了半固态铸造技术的原理及其优势，半固态合金的制备方法，半固态铸造成形方法、在工业中的应用。在文章的最后指出了我国半固态铸造技术长足发展和应该注意的若干问题。
关键词：半固态铸造制备成形
1 液态成型技术简介
液态成型技术是将熔融金属或合金在重力场或其他外力场作用下注入铸型型腔中，待其冷却凝固后获得与型腔形状相似的铸件的一种成型方法，工业上这种成型方法通常称为铸造。更广义地讲，涉及金属或合金从熔炼到凝固这一过程的工艺方法都可称为液态成型技术。
液态成型方法有几千年的发展历史，它之所以经久不衰，是因为有其突出的特点。对任何大小的零件，质量从几克到几百吨的零件；从仅0.2 mm的薄壁零件，到数米厚度的零件；从小到几毫米，大到几十米零件；从形状简单到任意复杂的零件都可以通过液态成型工艺制造出来。对任何可熔化的金属与合金材质也都可进行液态成型，特别是对脆性材料（如铸铁）等，液态成型技术几乎是唯一的途径。所以说，液态成型技术的广泛适应性是其他任何金属成形方法所无法比拟的。此外，对于蓬勃发展的新材料而言，如单晶合金、非晶合金、纳米金属、金属基复合材料等，液态成型也是其中主要的、某些领域甚至是唯一的制备手段[1]。
2 半固态铸造技术
2.1 半固态铸造技术原理
半固态铸造技术是由美国麻省理工学院的MC Flemings教授等[2]，于20世纪70年代初研究开发的新一代金属加工技术。Flemings 教授领导的研究小组发现在普通铸造过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到0.2左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌，则使普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中。这种颗粒状非枝晶的显微组织，在固相率达到0. 5~0. 6时仍具有一定的流变性，从而可利用常规的成形工艺如压铸、挤压、模锻等实现金属的成形[3]。，半固态铸造作为一种新的成形技术得到国际上广泛关注并已成为当今最活跃的研究领域之一。由于这种加工方法既能降低成本，同时还可以提高铸件质量，在一些工业发达国家已开始应用于汽车制造业，并展示出更为广阔的应用前景。
2.2 半固态成型的特点
与传统加热的液态金属或固态金属成形相比，半固态铸造技术呈现出一系列的优点：①半固态金属浆体含有一半左右的初生相，粘度可以调整。而且可以进行机械搬运，便于自动化操作。受压力作用时，半固态金属浆体的粘度迅速降低，便于成形；②成形速度快；③成形时，半固态金属不容易喷溅，改善了充型过程，减轻了金属的裹气和氧化，提高了成形件的致密性，成形件可以进行热处理强化，其强度比液态金属的压铸件更高；④金属浆体在充型前已析出一半左右的固相，减少了凝固收缩，成形件有更少的空洞，能承受更高的液体压力；⑤半固态金属浆体小存在宏观偏析，因而成形件也小存在宏观偏析，成形件的性能更均匀。⑥利用半固态金属可以进行机械零件的近终化成形，可大幅度减少零件毛坯的机加工量，显著降低生产成本；⑦由于半固态金属充型温度低，减轻了模具的热冲击，提高了模具的寿命；⑧加热半固态金属浆体比熔化金属坯体节约能源（25-30）%；⑨半固态金属成形车间不需要处理液态金属，操作更安全，工作环境更优良；⑩半固态金属的粘度较高，可以方便地加入增强相（颗粒或纤维），提高金属浆体的性能，提供了一个开发廉价产品的新途径。半固态金属的成形应力显著降低，因此金属半固态模锻的成形速度比金属固态模锻成形的速度更高，且可以成形很复杂的零件，缩短加工工序，降低成本，而性能与固态金属锻件相同[4]。
3 半固态合金的制备
半固态合金是半固态铸造技术的基础和关键，其目的是获得类球形半固态结晶组织，这种组织具有触变性，是半固态铸造所必须的。获得这种组织的方法主要有：机械搅拌法[5]，电磁搅拌法[3,6]，应变诱发熔化激活法[7]，喷射成形法[8]，紊流效应法[9]，粉末冶金法[10]等。
3.1 机械搅拌法
机械搅拌法是最早采用的方法，，基本上分为两种类型:一种由两个同心带齿的圆筒所组成，内筒保持静止，而外筒旋转。另一种是在熔融的金属中插入一搅拌棒进行搅动。机械搅拌法可以通过控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度等工艺参数，使初生树枝晶破碎而成为类球形。实验研究结果表明，采用机械搅拌法可以获得很高的剪切速率，有利于形成细小的球形微观结构，但在搅拌腔体内部往
往存在搅拌不到的死区，影响了半固态合金的均匀性，而且搅拌叶片的腐蚀问题以及它对半固态合金的污染问题都很难彻底解决。
3.2 电磁搅拌法
电磁搅拌法是利用旋转电磁场在金属液里产生感应电流，金属液受洛伦磁力的作用产生运动，从而达到对金属液搅拌的目的。目前，主要有两种方法产生旋转磁场：一种是在感应线圈内通交变电流的传统方法；另一种是1993年由法国的C.Vives推出的旋转永磁体法，其优点是电磁感应器由高性能的永磁材料组成，其内部产生的磁场强度高，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液产生明显的三维流动，提高了搅拌效果，减少了搅拌时的气体卷入。该方法与半固态技术结合，不仅可以制备出非枝晶组织合金铸锭，而且还可以制备出较理想的金属基复合材料铸锭。与传统线圈式比较，其特点是结构简单、造价低、能耗低，随着高性能永磁材料和超导永磁体的研究开发，这种新型旋转永磁体电磁铸造装置对新材料的制备和工业化生产将起到重要的促进作用。
3.3 应变诱发熔化激活法
应变诱发熔化激活法（SIMA）是将常规铸锭经过预变形，如进行挤压、滚压等热加工制成半成品棒料，这时的显微组织具有强烈地拉长形变结构，然后加热到固液两相区等温一定时问，被拉长的晶粒变成了细小的颗粒，随后快速冷却获得非枝晶组织铸锭。在加热过程中，首先发生再结晶，然后部分熔化，最终球形固相颗粒分散在液相中，获得半固态组织。一般认为，其机理是熔化的部分液相渗入小角度晶界中，使得固相粒了分开，从而使树枝晶破碎。通过改进，添加微量元素和进行循环热处理，可使晶粒尺寸减小，初生相的颗粒更圆整，缩短了初生相球粒化的时问。SIMA工艺效果主要取决于较低温度的热加工和重熔两个阶段，或者在两者之问再加一个冷加工阶段，工艺就更易控制。SIMA技术适用于各种高、低熔点的合金系列，尤其对制备较高熔点的非枝晶合金具有独特的优越性。已成功应用于不锈钢、工具钢和铜合金、铝合金系列，获得了晶粒尺寸20 μm左右的非枝晶组织合金，正成为一种有竞争力的制备半固态成形原材料的方法。但是，它的最大缺点是制备的坯料尺寸较小。
3.4 喷射成形法
喷射成形法是在金属熔化成液态金属后，雾化为熔滴颗粒，在喷射气体作用
下部分凝固的微滴直接沉积在收集板上。当每个熔滴的冲击能够产生足够的剪切力打碎熔滴内部形成的枝晶时，凝固后便成为颗粒状组织，经加热到局部熔化时，也可得到具有球形颗粒固相的半固态合金。目前用这种方法已对铝、黑色金属以及金属基复合材料进行了成功试验。与其他方法相比，该方法成本高，只适用于制备特殊要求的大尺寸坯料。
3.5 紊流效应法：
紊流效应法是指在金属液通过特制的多流装置时，使金属液的流动产生紊流效应，打碎形成的枝晶，从而获得具有流变特性的半固态合金。
3.6 粉末冶金法
粉末冶金法是先将金属粉末混合、压块，然后再加热使一种粉末熔化或不同成分粉末相互扩散形成合金后熔化而得到液相，形成固一液混合金属浆料的方法。用该方法制备Ti-20%Co。金属浆料，冷却后，再加热可以触变成形。
4 半固态铸造成形方法
半固态的成形方法很多，在这里我们主要介绍流变铸造和触变铸造。
4.1 流变铸造
流变铸造是麻省理工学院的研究人员于1972年提出的一种制备方法，它是将液态金属一边搅拌一边冷却至固液两相共存区，而后将此半固态黏奖浆直接传送至冷室压铸机铸造成工件，亦称搅动铸造，如图1所示，由于半固态金属浆液的保存和输送不方便，该成形方法实际投入应用的较少。
4.2 触变铸造
触变铸造或称触变成形，是将经搅拌等工艺获得的半固态坯料冷却凝固后，按所需尺寸下料，再重新加热至半固态温度，然后放入模具型腔中进行成形加工。如图1所示，由于半固态金属坯料的加热、输送很方便，并且成形过程容易控制，便于实现白动化生产，因此半固态合金触变成形是当今半固态铸造的主要工艺方法。
图1 流变铸造和触变铸造工艺示意图
5 半固态技术的应用
欧洲与美国是半固态铸造技术研究与应用的主要地区，此外，日本早在1988年就设立了金属半固态加工开发研究公司。进入20世纪90年代，半固态铸造技术的应用在国外已逐步成为各先进工业国家竞相发展的一个领域，并被专家学者称为21世纪新一代新兴的金属成形技术。经过30多年的研究和开发，目前，铝、镁合金半固态铸造技术在西方发达国家已进入工业应用的成长期。国外的开发和生产表明，汽车工业中轿车、轻型车的转向节、泵体、转向器壳体、阀体、一些悬挂支架件和轮毅等高强度、高致密度、高可靠性要求的铸件，采用半固态铸造技术成形可以实现产品的低成本高产出及高质量[11,12]。目前国外已建立了许多半固态铸造厂，仅以美国为例，Alumax公司于1994年建立的半固态铸造技术生产汽车零件的工厂，每年可生产2 400万个零部件，零件单重从10 g到10 kg，直径最大达500 mm。
瑞士的Buhler公司于1993年生产出了第一台适用于铝合金半固态压铸的SC 压铸机，与普通的压铸机相比，产品质量提高，工艺周期缩短20%。
另外半固态铸造技术也已用来生产质量要求十分严格的军用航空电器连接件。该零件以前用切削加工方法制造，原料是铝合金挤压棒材，加工量大，材料利用率低，成本高，采用半固态铸造生产，节约材料，生产产品效率明显提高。
6 半固态铸造技术面临的问题及建议
从90年代初开始，半固态铸造技术在国外有了快速的发展。与传统的铸造工艺相比，具有诸多优越性而被世界著名的专家们称为21世纪新一代的金属成
形技术。国外的现状，已如上作了综述。但就国内而言，半固态铸件的生产尚未见报道。在半固态的理论研究方面，仅在有些大学和研究所进行了一些工作。
半固态金属成形制品的主要市场为汽车工业，主要生产方式为触变铸造。国内正在发展以轿车为中心的汽车工业、摩托车工业发展迅猛，为压铸件生产提供了广阔市场。因为使用镁合金压铸件对实现汽车的轻量化、高速、节能等整体功能效果明显。我国生产的高质量镁锭中70%一80%用于出口。以上数据告诉我们：这是一个很好的契机，应立即组织力量用常规方法和半固态方法生产优质合金压铸件，作为生产半固态铸件的起步[13]。
我国半固态成型技术的工业应用规模仍然较小，相对滞后。为了提高我国在国际市场上的党争力，有必要推动半固态成型技术在我国的长足发展和应用。因此，在这方面提些建议；
（1）继续加强半固态成型技术的基础理论研究。
（2）半固态成型在工业发达国家的高速发展，完全依赖于他们的基础理论研究与技术创新。虽然我们在基础理论研究方面已经取得了不少成果，但仍然要进一步加大基础理论和技术创新的投入力度，争取走在基础理论的研究前沿。
（3）大力开发新型合金的半固态成型工艺，努力扩展半固态成型技术的应用范围。在引进、吸收国外先进半同态成型技术的同时，我们应该从基础理论出发，努力开发新型优质合金半固态成型工艺，只有这样，才能掌握半固态成型的前沿技术，真正成为半固态成型技术的领军者。
（4）国家应该鼓励相关企业参与半固态成型技术的研究，鼓励相关企业积极引进、吸收国外先进半固态成型技术。同时采取一定的优惠政策，鼓励企业进行技术改造，努力为广大科研单位创造试验平台，争取在最短的时间内将先进研究成果转化为生产力。
结语
半固态成形具有以往加工技术所没有的各种特点和优点其节约能源，减少资源浪费，有利于环境保护的特殊优点更符合面向新世纪的金属加工技术的特点，有着巨大的市场潜力，在世界范围受到越来越多的重视。被专家们称为21世纪新兴的金属制造关健技术之一。
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一、名词解释。 过冷度：金属的理论结晶温度和实际结晶温度的差值 均质形核：在没有任何外来的均匀熔体中的形核过程 异质形核：在不均匀的熔体中依靠外来杂质或者型壁面提供的衬底进行形核的过程 异质形核速率的大小和两方面有关，一方面是过冷度的大小，过冷度越大形核速率越快。二是和界面有关界面和夹杂物的特性形态和数量来决定，如果夹杂物的基底和晶核润湿，那么形核速率大。 形核速率：在单位时间单位体积内生成固相核心的数目 液态成型：将液态金属浇入铸型之，凝固后获得具有一定形状和性能的铸件或者铸锭的方法 复合材料：有两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质复合组成一种多相固体 定向凝固：使金属或者合金在熔体中定向生长晶体的方法 溶质再分配系数：凝固过程当中，固相侧溶质质量分数和液相侧溶质质量分数的比值 流动性是确定条件下的充型能力，液态金属本身的流动能力叫做流动性 液态金属的充型能力是指液态金属充满铸型型腔获得完整轮廓清晰的铸件能力 影响充型能力的因素：（1）金属本身的因素包括金属的密度、金属的比热容、金属的结晶潜热、金属的粘度、金属的表面张力、金属的热
导率金属的结晶特点。（2）铸型方面的因素包括铸型的蓄热系数、铸型的温度、铸型的密度、铸型的比热容、铸型的涂料层、铸型的透气性和发气性、铸件的折算厚度（3）浇注方面的因素包括液态金属的浇注温度、液态金属的静压头、浇注系统中的压头总损失和 影响液态金属凝固过程的因素：主要因素是化学成分冷却速度是影响凝固过程的主要工艺因素液态合金的结构和性质以及冶金处理（孕育处理、变质处理、微合金化）等对液态金属的凝固也有重要影响 液态金属凝固过程当中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流，自然对流是由于密度差和凝固收缩引起的流动，由密度差引起的对流成为浮力流。凝固过程中由传热。传质和溶质再分配引起液态合金密度的不均匀，密度小的液相上浮，密度大的下沉，称为双扩散对流，凝固以及收缩引起的对流主要主要产生在枝晶之间，强迫对流是由液体受到各种方式的驱动力产生的对流，例如压力头。机械搅动、铸型震动、外加磁场。 铸件的凝固方式：层状凝固方式（动态凝固曲线之间的距离很小的时候）、体积凝固方式（动态凝固曲线之间的距离很大的时候）、中间凝固方式（介于中间情况的时候）、 影响铸件凝固方式的因素有二：一是合金的化学成分，二是铸件断面上的温度梯度。 热力学能障动力学能障：热力学能障是右被迫处于高自由能过度状态下的界面原子产生的他能直接影响系统自由能的大小，动力学能障是由于金属原子穿越界面过程引起的，他与驱动力的大小无关，而仅仅
液态金属成型原理 一、简述普通金属材料特点及熔配工艺 1 普通金属材料的特点 1.1铸铁材料 铸铁是含碳量大于2.11%或者组织中具有共晶组织的铁碳合金，其成分范围为：2.4%~ 4.0%C，0.6%~3.0%Si，0.2%~1.2%Mn，0.1%~1.2%P，0.08%~0.15%S。依据碳在铸铁中的形态可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁及麻口铸铁，其中灰口铸铁依据石墨形态的不同分为普通灰铸铁、蠕虫状石墨铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。 （1）白口铸铁 白口铸铁中的碳少量溶于铁素体，大部分以碳化物的形式存在于铸铁中，断口呈银白色。白口铸铁硬而脆，很难加工。我们可以利用它的硬度高和抗磨性好的特点制造一些高耐磨的零件和工具。 （2）灰铸铁 碳主要结晶成片状石墨存在于铸铁中，断口为暗灰色。灰口铸铁不能承受加工变形，但是却具有特别优良的铸造性能，同时切削加工性能也很好，低熔点、良好的流动性和填充性以及小的凝固收缩。 （3）麻口铸铁 麻口铸铁具有灰口和白口的混合组织，断口呈灰白交错。麻口铸铁不利于机械加工，也无特殊优异的使用性能。 （4）可锻铸铁 可锻铸铁是由白口铸铁经过石墨化退火后制成的。具有较高的强度、塑性和韧性，与球墨铸铁相比具有质量稳定、处理铁水简便以及易于组织流水线生产等优点，适用于形状复杂薄壁小件的大批量生产。 （5）球墨铸铁 球墨铸铁中的碳主要以球状石墨形态存在于铸铁中。球墨铸铁具有比灰口铸铁高得多的强度、塑性和韧性，同时仍保持着灰口铸铁所具有的耐磨、消震、易切削加工、容易铸造等一系列优异性能。 1.2 铸钢材料 铸钢具有良好的综合机械性能和物理化学性能，比铸铁具有更高的强度、塑性和良好的焊接性。按化学成分可以分为碳素钢和合金钢，其中碳素钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。（1）低碳钢 低碳钢的含碳量小于0.20%，它的塑性和韧性较高，但是强度较低，通常要经过渗碳后进行淬火、回火处理来提高强度和耐磨性。低碳钢的铸造性能差，熔点高，钢液流动性差，
复合材料工艺大全 复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件。随着复合材料应用领域的拓宽，复合材料工业得到迅速发展，老的成型工艺日臻完善，新的成型方法不断涌现，目前聚合物基复合材料的成型方法已有20多种，并成功地用于工业生产。如： （1）手糊成型工艺--湿法铺层成型法； （2）喷射成型工艺； （3）树脂传递模塑成型技术（RTM技术）； （4）袋压法（压力袋法）成型； （5）真空袋压成型； （6）热压罐成型技术； （7）液压釜法成型技术； （8）热膨胀模塑法成型技术； （9）夹层结构成型技术； （10）模压料生产工艺； （11）ZMC模压料注射技术； （12）模压成型工艺； （13）层合板生产技术； （14）卷制管成型技术； （15）纤维缠绕制品成型技术； （16）连续制板生产工艺； （17）浇铸成型技术； （18）拉挤成型工艺； （19）连续缠绕制管工艺； （20）编织复合材料制造技术； （21）热塑性片状模塑料制造技术及冷模冲压成型工艺； （22）注射成型工艺； （23）挤出成型工艺； （24）离心浇铸制管成型工艺； （25）其它成型技术。 视所选用的树脂基体材料的不同，上述方法分别适用于热固性和热塑性复合材料的生产，有些工艺两者都适用。
复合材料制品成型工艺特点：与其它材料加工工艺相比，复合材料成型工艺具有如下特点： （1）材料制造与制品成型同时完成 一般情况下，复合材料的生产过程，也就是制品的成型过程。材料的性能必须根据制品的使用要求进行设计，因此在选择材料、设计配比、确定纤维铺层和成型方法时，都必须满足制品的物化性能、结构形状和外观质量要求等。 （2）制品成型比较简便 一般热固性复合材料的树脂基体，成型前是流动液体，增强材料是柔软纤维或织物，因此用这些材料生产复合材料制品，所需工序及设备要比其它材料简单的多，对于某些制品仅需一套模具便能生产。 ◇成型工艺层压及卷管成型工艺 1、层压成型工艺 层压成型是将预浸胶布按照产品形状和尺寸进行剪裁、叠加后，放入两个抛光的金属模具之间，加温加压成型复合材料制品的生产工艺。它是复合材料成型工艺中发展较早、也较成熟的一种成型方法。该工艺主要用于生产电绝缘板和印刷电路板材。现在，印刷电路板材已广泛应用于各类收音机、电视机、电话机和移动电话机、电脑产品、各类控制电路等所有需要平面集成电路的产品中。 层压工艺主要用于生产各种规格的复合材料板材，具有机械化、自动化程度高、产品质量稳定等特点，但一次性投资较大，适用于批量生产，并且只能生产板材，且规格受到设备的限制。 层压工艺过程大致包括：预浸胶布制备、胶布裁剪叠合、热压、冷却、脱模、加工、后处理等工序。 2、卷管成型工艺 卷管成型工是用预浸胶布在卷管机上热卷成型的一种复合材料制品成型方法，其原理是借助卷管机上的热辊，将胶布软化，使胶布上的树脂熔融。在一定的张力作用下，辊筒在运转过程中，借助辊筒与芯模之间的摩擦力，将胶布连续卷到芯管上，直到要求的厚度，然后经冷辊冷却定型，从卷管机上取下，送入固化炉中固化。管材固化后，脱去芯模，即得复合材料卷管。
名词解释 1.材料成形技术：利用生产工具对各种原材料进行增值加工或处理，材料制备成具一定结构形式和形状工件的方法 2.液态成型：将液态金属浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法 3.逐层凝固：纯金属和共晶成分的合金在凝固中不存在固液两相并存的凝固区，所以固液分界面清晰可见，一直向铸件中心移动（铸铁） 4.糊状凝固：铸件在结晶过程中，当结晶温度范围很宽且铸件界面上的温度梯度较小，则不存在固相层，固液两相共存的凝固区贯穿整个区域（铸钢） 5.同时凝固原则：铸件相邻各部位或铸件各处凝固开始及结束的时间相同或相近，甚至是同时完成凝固过程，无先后的差异及明显的方向性 6.顺序凝固原则：在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施，使铸件远离冒口的部位先凝固，然后是靠近冒口的部位凝固，最后才是冒口本身凝固。 7.均衡凝固原则：利用铸铁件石墨的共晶膨胀消除缩松的工艺方式 8.砂型铸造：以型砂（SiO2）为铸型、在重力下充型的液态成形工艺方法 9.金属型铸造：以金属为铸型、在重力下的液态成形方法。 10.熔模铸：以蜡为模型，以若干层耐火材料为铸型材料，成形铸型后，熔去蜡模形成型腔，最终在重力下成形的液态成形方法 11.压力铸：把液态或半液态的金属在高压作用下，快速充填铸型，并在高压下凝固而获得铸型的方法 12.低压铸造：是液态金属在较小的压力（20—80Kpa）作用下，使金属液由下而上对铸型进项充型，并在此压力下凝固成型的铸造工艺 13.反重力铸造：液态金属在与重力相反方向力的作用下完成充型，凝固和补缩的铸造成型 14.离心铸造：将液态金属浇注到高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下充填型腔并凝固成型的方法 15.消失模铸造：用泡沫塑料制成带有浇冒系统的模型，覆上涂料，用干砂造型，无需取模，直接浇注的铸件方法 16.浇注系统：液态金属流入型腔的通道的总称，通常由浇口杯，直浇道，直浇道窝，横浇道和内浇道组成 17.阻流界面：在浇注系统各组元中，截面积最小的部分称为阻流截面 18.集渣包：横浇道上被局部加大加高的部分 19.浇口比：直浇道，横浇道，内浇道截面积之比 20.热节：在壁的相互连接处由于壁厚增加，凝固速度最慢，最容易形成收缩类缺陷 分型面：两半铸型相互接触的表面。分为平直和曲面。作用：便于造型、下芯和起模具。 21.砂芯：为了起模方便并形成铸件的内腔、孔和铸件外形不能出砂的部位，所采用的砂块 22.芯头：伸出铸件以外不与金属液接触的砂芯部分芯头种类：垂直芯头、水平芯头、特殊结构的芯头 23.冒口：铸型内用于储存金属液的空腔，在铸件凝固过程中补给金属，起到防止缩孔，缩松，排气和集渣的作用 冒口=冒口区+轴线缩松区+末端区 24.冒口的补缩距离：冒口补缩后形成的致密冒口区和致密末端区之和 25.补贴：为实现顺序凝固和增强补缩效果，在靠近冒口的壁厚上补加倾斜的金属块 26.均衡凝固：利用铸铁件石墨的共晶膨胀消除缩松的工艺方法 27.缩孔与缩松：液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中的称为锁孔，细小而分散的称为缩松 28.收缩时间分数：铸铁件表观收缩时间与铸件凝固时间的比值 29.补缩量：铸件从浇注系统，冒口抽吸的补缩液量收缩模数：均衡凝固时均衡点的模数 30.复合材料：由有机高分子，无机非金属和金属等几类不同材料人工复合而成的新型材料。它既保留原组分的主要特征，又获得了原组分不具备的优越性能 31.机械加工余量：在铸件加工表面上流出的、准备切削去的金属厚度。 32.冒口补缩通道：末端多了一个散热面，散热快—构成一个朝向冒口而递增的温度梯度；存在平行于轴线的散热表面，形成一个朝向冒口的楔形的补缩通道 33.工艺出品率：铸件质量占铸件及浇注系统（含冒口）质量的比例 34.反重力铸造：指液态金属在与重力方向相反方向力的作用下完成充型，补缩和凝固过程的铸造成型方法 35.离心铸造：指将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下充填型腔并凝固成型的方法
开放实验指导书大纲 实验名称: 工程材料液态成型 引言 什么是液态成型 金属的液态成型常称为铸造，铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。 图-1 铸造示意图 一、实验目的 1．了解铸造的概念及基本原理； 2．了解并掌握铸造的基本工艺及其主要的工艺参数； 3．了解并掌握铸造过程中金属从液态到固态转变过程中影响金属性能和铸件质量的一些基本因素； 4．了解金属收缩的基本规律，以及常见铸造缺陷缩的形成机理，及其影响因素。
二、实验原理 1.铸造的定义 铸造过程是指将金属置于熔炼炉内的坩埚中, 加热熔炼成符合一定要求的液体并浇铸到锭模或铸模中，经冷却凝固, 液态金属转变成固态金属, 清整处理后获得一定形状、尺寸的铸件或铸件的工艺过程。铸造毛胚因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了时间．铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一. 铸造工艺可分为三个基本部分，即铸造金属准备、铸型准备和铸件处理。铸造金属是指铸造生产中用于浇注铸件的金属材料，它是以一种金属元素为主要成分，并加入其他金属或非金属元素而组成的合金，习惯上称为铸造合金，主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金。 2.铸造的分类 铸造种类很多，按造型方法习惯上分为：①普通砂型铸造，包括湿砂型、干砂型和化学硬化砂型3类。②特种铸造，按造型材料又可分为以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造（如熔模铸造、泥型铸造、铸造车间壳型铸造、负压铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等）和以金属为主要铸型材料的特种铸造（如金属型铸造、压力铸造、连续铸造、低压铸造、离心铸造等）两类。 2.1 普通砂型铸造 以型砂和芯砂为造型材料制成铸型，液态金属在重力下充填铸型来生产铸件的铸造方法。钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。 图-2 砂型铸造示意图
复合材料成型工艺大全及说明 复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件。随着复合材料应用领域的拓宽，复合材料工业得到迅速发展，老的成型工艺日臻完善，新的成型方法不断涌现，目前聚合物基复合材料的成型方法已有20多种，并成功地用于工业 生产。 视所选用的树脂基体材料的不同，各方法适用于热固性和热塑性复合材料的生产，有些工艺两者都适用。复合材料制品成型工艺特点：与其它材料加工工艺相比，复合材料成型工艺具有如下特点： （1）材料制造与制品成型同时完成一般情况下，复合材料的生产过程，也就是制品的成型过程。材料的性能必须根据制品的使用要求进行设计，因此在选择材料、设计配比、确定纤维铺层和成型方法时，都必须满足制品的物化性能、结构形状和外观质量要求等。（2）制品成型比较简便一般热固性复合材料的树脂基体，成型前是流动液体，增强材料是柔软纤维或织物，因此用这些材料生产复合材料制品，所需工序及设备要比其它材料简单的多，对于某些制品仅 需一套模具便能生产。 ◇ 层压及卷管成型工艺1、层压成型工艺层压 成型是将预浸胶布按照产品形状和尺寸进行剪裁、叠加后，
放入两个抛光的金属模具之间，加温加压成型复合材料制品的生产工艺。它是复合材料成型工艺中发展较早、也较成熟的一种成型方法。该工艺主要用于生产电绝缘板和印刷电路板材。现在，印刷电路板材已广泛应用于各类收音机、电视机、电话机和移动电话机、电脑产品、各类控制电路等所有需要平面集成电路的产品中。层压工艺主要用于生产各种规格的复合材料板材，具有机械化、自动化程度高、产品质量稳定等特点，但一次性投资较大，适用于批量生产，并且只能生产板材，且规格受到设备的限制。层压工艺过程大致包括：预浸胶布制备、胶布裁剪叠合、热压、冷却、脱模、加工、后处理等工序。2、卷管成型工艺卷管成型工是用预浸胶布在卷管机上热卷成型的一种复合材料制品 成型方法，其原理是借助卷管机上的热辊，将胶布软化，使胶布上的树脂熔融。在一定的张力作用下，辊筒在运转过程中，借助辊筒与芯模之间的摩擦力，将胶布连续卷到芯管上，直到要求的厚度，然后经冷辊冷却定型，从卷管机上取下，送入固化炉中固化。管材固化后，脱去芯模，即得复合材料卷管。卷管成型按其上布方法的不同而可分为手工上布法和连续机械法两种。其基本过程是：首先清理各辊筒，然后将热辊加热到设定温度，调整好胶布张力。在压辊不施加压力的情况下，将引头布先在涂有脱模剂的管芯模上缠上约1圈，然后放下压辊，将引头布贴在热辊上，同时将胶布拉上，盖
绪论 材料成形： 将材料加工成具有一定形状、尺寸和性能要求的零部件或毛坯的工艺方法。 材料成形主要方法： 除去加工法、连接加工法、变形加工法、液态及粉末成形加工法。 液态金属的结构和性质 在熔点附近，空穴数目可以达到原子总数的1% 金属由固态变为液态，体积膨胀为3%·5% 熔化潜热： 在熔点温度的固态，变为同温度下的液态，金属要吸收大量的热量 原子在固态的规则排列熔化后紊乱程度不大，液态金属原子间结合键只破坏了一部分，液态金属的结构应接近固态金属而远离气态金属（熔点和过热度不大时）。 纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子和空穴组成的。 结构起伏： 原子集团和空穴的变化现象。 实际合金熔体的结构是极其复杂的，包含各种化学成分的原子集团、游离原子、空穴、夹杂物及气泡等，是一种混浊的液体。液态金属中存在温度起伏、相起伏和浓度起伏。 液态金属的粘度： 粘度的本质是原子间的结合力。
影响粘度的因素： 化学成分、温度和夹杂物。 化学成分： 难溶化合物的液体粘度较高，而熔点低的共晶成分的合金粘度低，对于共晶成分的合金，异类原子之间不发生结合，而同类原子聚合时，由于异类原子的存在而使它的聚合缓慢，晶坯的形成拖后，故粘度较非共晶成分低。 非金属夹杂物： 夹杂物的存在使液态金属成为不均匀的多相体系，液相流动时的内摩擦力增加，粘度增加。 粘度意义： 对液态金属净化的影响；对液态合金流动阻力的影响；对凝固过程中液态合金对流的影响。 液体以层流方式流动时，流动阻力大，金属液在浇注系统和型腔中的流动一般为紊流，有利于顺利充填型腔。但在充型后期或狭窄的枝晶间的补缩和细薄铸件中呈现为层流。 温度差和浓度差产生的浮力，是液态合金对流的驱动力，粘度越大，对流强度越小。 表面张力： 一小部分的液体在大气中单独存在时，力图保持球形状态，说明总有一个力使其趋向球状 表面张力的实质是质点间的作用力，是由质点间的作用力不平衡引起的，指向液体内部的合力是表面张力产生的根源。 表面自由能即单位面积自由能，表面能或表面张力是界面能或界面张力的一个特例，对于液体来说，表面张力和表面能大小相等，只是单位不同，体现为从不同角度来描述同一现象。
硅胶在市场上的运用因其不会释放有毒物质且触感柔软舒适，能耐高温及低温 (-60c~+300c) 良好物化性而被广泛运用，很少有他种聚合物可与它匹敌。 强而有力的弹性体，且更胜过橡胶的密封性，优异的电绝缘性及对化学品、燃料、油、水的抵抗力，可应付不良环境之良好材料。工业上如: 油封、键盘按键、电器绝缘料、汽车另件，生活用品如: 奶嘴、人工导管、呼吸器、蛙镜、皮鞋球鞋内垫、食品容器……等，硅胶可区分固态及液态，前者加工方式以热压移转，后者原料则以射出成型为主，液态在设备投资及原料成本上虽较高，但其生产速度快，加工程度低及废料少等因素来观察，利用液态硅胶射出成型，在追求精准、速度、自动化的注塑生产工业，必定是未来导向趋势。 从注塑机厂家的角度来看，发展LSR射出成型机也是很有前景的，LSR射出成型机在机器配备上和一般塑料射出成型机最大的不同在于供料系统，其余针对材料的特性改变料管、螺杆、模具及控制系统的设计，这对当前国内注塑机制造厂而言是另一项拓展商机及机器附加价值的方式，目前普通注塑机市场竞争已趋白热化，相当激烈。展望未来市场及顾客需求，发展硅胶射出成型专用机，是另辟蹊径的好途径。 液态硅胶(Liquid Silicone Rubber)，分为A胶与B胶，利用定量装置控制两者为1:1之比例，再透过静态混合器(Static Mixer)予以充份混合，注入射出料管后再进行射出成型生产。 将液态硅胶射入热浇道模具，制作硅胶制品，可达到一次成型﹑无废料及可自动化等优点。 在过去的三到五年里，热固性液体硅橡胶（LSR）的注塑技术得到了快速的发展。LSR的注塑设计与刚性工程热塑料有着重要的差别，这主要是因为这两种 橡胶的物理性质，如低粘度，流变学性质（快速固化），剪切变稀性质，以及较高的热膨胀系数等区别较大。
第10讲铸件的宏观组织 1、简述铸件典型晶粒组织包括哪几部分？各部分的形成机理各是什么？ 2、固相无扩散、液相均匀混合。假设右图PQ线是C S’（T1时固相成分）与界面处固相成分C S*的算术平均值，试证：C S＂= C0(2-k0） 3、如何在铸件中获得细等轴晶组织？ 第11讲砂型铸造 1、试述砂型铸造的特点和应用范围。 第12讲、第13讲特种铸造 1、金属型铸造有何优点？ 2、熔模铸造的主要工艺过程包括哪些工序？该方法有何特点？ 3、试述压力铸造、低压铸造与差压铸造各自的特点。试分析三者的异同。 4、什么是离心铸造？它有何优缺点？它应用在什么场合？ 5、什么是实型铸造？该方法有何特点？ 第14讲常用铸造合金与液态成形新工艺 1、为什么球墨铸铁的强度和塑性比灰铸铁高，而铸造性能比灰铸铁差？ 答：①灰铸铁中的片状石墨的强度、硬度极低（Rm≤20MPa），塑性接近于零，因此灰铸铁的组织如同在钢的基体中分布着大量裂纹，同时石墨尖角处容易造成应力集中，容易导致铸件断裂。所以灰铸铁的强度和塑韧性较差。球墨铸铁通过球化处理使石墨呈球状，它对基体的缩减和割裂作用减至最低限度，基体强度的利用率可达70~90%，因此球墨铸铁具有比灰铸铁高得多的力学性能。②因为灰铸铁的碳当量接近共晶成分，结晶温度范围小，并呈逐层凝固方式结晶，因而其流动性好，铸造性能好；而球墨铸铁的碳当量较高，一般是过共晶成分，结晶温度范围较宽，倾向于糊状凝固，在结晶后期外壳不坚固，不足以承受本身石墨化的膨胀压力，促使型腔扩大，故它比灰铸铁易于产生缩孔、缩松、皮下气孔、夹渣等缺陷，因而铸造性能比灰铸铁差。 2、铸钢与球墨铸铁的力学性能和铸造性能有哪些不同？为什么？ 答：①一般而言，铸钢具有较高的强度与塑韧性，其力学性能比铸铁好。而球墨铸铁中的石墨呈球状，它对基体的缩减和割裂作用减至最低限度，基体强度的利用率可达70~90%，抗拉强度可以和钢媲美（Rm=400-900MPa），塑韧性较好（A=2%~18%）。②铸钢的铸造性能比球墨铸铁差，因为：其熔点高，钢液易氧化；流动性不好；收缩较大，体收缩率为10~14%，线收缩率为2.2~2.5%。球墨铸铁结晶时由于石墨析出发生体积膨胀而可以抵消部分收缩，使总收缩较小。 3、为什么可锻铸铁只适宜生产薄壁小铸件？壁厚过大易出现什么问题？ 答：可锻铸铁具有较高的力学性能，其碳、硅含量低（W C=2.4~2.8%，W Si=0.4~1.4%），熔点较高，流动性差、收缩大，因为其铸态组织为白口（碳以化合态Fe3C存在），没有石墨化
材料液态成型及控制 压成形过程中流场、温度场等问题进行数值模拟，得出电机鼠笼转子流变挤压铸造最佳工艺参数，最后采用挤压铸造法以AZ91D镁合金为基体制备了一种SiCp/AZ91D镁基复合材料， SiCp/AZ91D镁基复合材料经热处理后抗拉强度和伸7000系高强铝合金流变挤压铸造工艺,优化了工艺参数，对电机鼠笼转子流变挤长率都得到了大幅提升。 摘要：挤压铸造是一种对液态金属施加机械压力来保证其凝固结晶，获取高性能、高强铝合金流变挤压铸造的计算模型采用数值模拟和实验相结合的方法,研究低缺陷铸件的先进铸造工艺技术，首先文章从理论研究、设备制造、选用材料、生产工艺、主要零件等几大方面介绍了挤压铸造的发展历史，通过建立7000系关键词：液态成型；挤压铸造；液态模煅； 引言 挤压铸造( Squeeze Casting， SC) 又称液态模煅，是一种将一定量的液态金属注入模具型腔，然后施加较高的机械压力，使液态或半液态的金属在压力下低速充型、凝固和成形的技术。在国内外已广泛应用于汽车、摩托车的发动机外壳等重要零部件毛坯的生产。与其他铸造成形方法相比，挤压铸造技术具有选材范围宽、金属液利用率高（直接挤压铸造可达95%～98%）、铸件组织均匀致密、力学性能优良、表面光洁度和尺寸精度高等优点。与塑性成形方法相比，挤压铸造技术具有变形力和成形能较小、无需多道工序加工、可制造形状复杂的零件等特点。概言之，它是一种结合了铸造和塑性加工特点的短流程、高效、精确成形技术，广泛应用于机械、汽车、家电、航空、航天、国防等领域，生产高性能和高精度的零件[1]。 1挤压铸造技术介绍 挤压铸造成形方法根据工艺特点可以区分为直接法(Direct Squeeze Casting)和间接法(Indirect Squeeze Casting)[2]。 1.1直接挤压铸造法 直接挤压铸造方法是压力直接施加于金属熔体的整个液面上，模具不设充型系统，所以金属液凝固速度快，所获得的铸件组织致密，理论上可以生产出接近100%致密的铸件，这种方法适合于生产形状简单、对称结构的铸件，如活塞、卡钳、气缸等。该方法的主要缺点是浇入到型腔内的金属熔液必须精确定量，否则由于熔液量的变动使铸件尺寸精度不稳定；要求铸件向冲头方向单向凝固以保证压力有效传递，使制品的形状受到了限制，成形形状复杂铸件存在一定困难。1.2间接挤压铸造法 间接挤压铸造方法是首先将模具合模形成封闭模腔，压力作用在模腔外充型系统的金属熔体上，将金属熔体送入封闭的模腔保压成形。间接挤压铸造方法具有浇道长度短、截面大、充型速度低、保压时间长等优点，容易控制铸件尺寸，不需要配置精确的定量充型系统。该方法可充分利用充型装置中液态金属的热容量，使铸件易于成形和在压力下对零件进行补缩，因此适合生产形状复杂、壁厚不均、尺寸精度和表面粗糙度要求高的铸件。但是这种施压方式不会在铸件内形成塑性变形组织，铸件的力学性能低于直接法生产的铸件[3]。
第一章液态金属的结构与性质习题 1 .液体与固体及气体比较各有哪些异同点？哪些现象说明金属的熔化并 不是原子间结合力的全部破坏？ （2）金属的熔化不是并不是原子间结合力的全部破坏可从以下二个方面说明： ①物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大。金属熔化时典型的体积 变化?V m/V为3%~5%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。 ②金属熔化潜热?H m约为气化潜热?H b的1/15~1/30，表明熔化时其内部 原子结合键只有部分被破坏。 由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。 2 .如何理解偶分布函数g(r) 的物理意义？液体的配位数N1、平均原子间 距r1各表示什么？ 答：分布函数g(r) 的物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几率，换言之，表示离开参考原子(处于坐标原子r=0)距离为r的位置的数密度ρ(r)对于平均数密度ρo（=N/V）的相对偏差。 N1 表示参考原子周围最近邻(即第一壳层)原子数。 r1 表示参考原子与其周围第一配位层各原子的平均原子间距，也表示某液体的平均原子间距。 3．如何认识液态金属结构的“长程无序”和“近程有序”？试举几个实验例证说明液态金属或合金结构的近程有序（包括拓扑短程序和化学短程序）。
答：（1）长程无序是指液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性。 近程有序是指相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团 （2）说明液态金属或合金结构的近程有序的实验例证 ①偶分布函数的特征 对于气体，由于其粒子（分子或原子）的统计分布的均匀性，其偶分布函数g(r)在任何位置均相等，呈一条直线g(r)=1。晶态固体因原子以特定方式周期排列，其g(r)以相应的规律呈分立的若干尖锐峰。而液体的g(r)出现若干渐衰的钝化峰直至几个原子间距后趋于直线g(r)=1，表明液体存在短程有序的局域范围，其半径只有几个原子间距大小。 ②从金属熔化过程看 物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大。金属熔化时典型的体积变化?V m/V为3%~5%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。另一方面，金属熔化潜热?H m约为气化潜热?H b的1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。 可以说，在熔点（或液相线）附近，液态金属（或合金）的原子集团内短程结构类似于固体。 ③Richter等人利用X衍射、中子及电子衍射手段，对碱金属、Au、Ag、 Pb和Tl等熔体进行了十多年的系统研究，认为液体中存在着拓扑球状密排结构以及层状结构，它们的尺寸范围约为10-6-10-7cm。 ④Reichert观察到液态Pb局域结构的五重对称性及二十面体的存在，并推 测二十面体存在于所有的单组元简单液体。 ⑤在Li-Pb、Cs-Au、Mg-Bi、Mg-Zn、Mg-Sn、Cu-Ti、Cu-Sn、Al-Mg、 Al-Fe等固态具有金属间化合物的二元熔体中均被发现有化学短程序的存在。 4．如何理解实际液态金属结构及其三种“起伏”特征？ 答：理想纯金属是不存在的，即使非常纯的实际金属中总存在着大量杂质原子。实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇、空穴所组成，同时也含有各种固态、液态或气态杂质或化合物，而且还表现出能量、结构及浓度三种起伏特征，其结构相当复杂。能量起伏是指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停地变化，时高时低的现象。 结构起伏是指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断地分化组合，由于“能量起伏”，一部分金属原子（离子）从某个团簇中分化出去，
一、简答题 1．常用金属精密液态成形方法有哪些？ 答：常用的金属精密液态成形方法有：熔模精密铸造、石膏型精密铸造、陶瓷型精密铸造、消失模铸造、金属型铸造、压 力铸造、低压铸造、差压铸造、真空吸铸、调压铸造、挤压铸造、离心铸造、壳型铸造、连续铸造、半固态铸造、喷射成形技术、石墨型铸造、电渣熔铸和电磁铸造等。 2．金属精密液态成形技术的特点是什么？对铸件生产有哪些影响？ 特点：（1）特殊的铸型制造工艺与材料。（2）特殊的液态金属充填方式与铸件冷凝条件。 对铸件生产的影响：由于铸型材料与铸型制作工艺的改变，对铸件表面粗糙度产生很大影响，不但尺寸精度很高，还可使铸 件表面粗糙度降低，从而可实现近净成形。 在某些精密液态成形过程中，金属液是在外力（如离心力、电磁力、压力等）作用下完成充型和凝固的，因此提高了金属液 的充型能力，有利于薄壁铸件的成形；液态金属在压力下凝固，有利于获得细晶组织，减少缩松缺陷，提高力学性能。 熔模：一、名词解释 1.硅溶胶：硅溶胶是由无定形二氧化硅的微小颗粒分散在水中而形成的稳定胶体。硅溶胶是熔模铸造常用的一种优质黏结剂。 2.硅酸乙酯水解： 3.水玻璃模数：水玻璃中的SiO2与Na2O摩尔数之比。 4.树脂模料：是以树脂及改性树脂为主要组分的模料。 5.压型温度： 6.涂料的粉液比：涂料中耐火材料与黏结剂的比例。 7析晶：石英玻璃在熔点以下处于介稳定状态，在热力学上是不稳定的，当加热到一定温度，开始转变为方石英，此转变过程称“析晶”。 二、填空题1.熔模铸造的模料强度通常以抗弯强度来衡量。 2.硅溶胶型壳的干燥过程实质上就是硅溶胶的胶凝过程。 3.一般说来说：硅溶胶中SiO2含量越高、密度越大，则型壳强度越高。 4.涂料中最基本的两个组成耐火材料和黏结剂之间的比例，即为涂料的粉液比。 5.通常按模料熔点的高低将其分为高温、中温和低温模料。 6.硅溶胶中Na20含量和PH值反映了硅溶胶及其涂料的稳定性。 7.模料的耐热性是指温度升高时模料的抗软化变形的能力。 8.熔模的制备方法有自由浇注和压注两种。 9.常用石蜡-硬脂酸模料的配比为白石蜡和一级硬脂酸各50%。 三、判断题 1.压蜡温度愈高，熔模的表面粗糙度越小，表面越光滑；但压蜡温度越高，熔模的收缩率越大。（√） 2.压注压力和保压时间对熔模尺寸有影响，随压力和保压时间增加，熔模的线收缩率减小。（√） 3.为提高水玻璃模数，可在水玻璃中加入氢氧化钠。（×） 4.熔模铸造使用最广泛的浇注方法是热壳重力浇注法。（√） 5.使用树脂基模料时，脱蜡后所得的模料可以直接用来制造新的熔模。（×） 四、简答题1.什么是熔模铸造？试用方框图表示其大致工艺过程。 熔模铸造是用易熔材料制成精确的可熔性模样，在其上涂覆若干层耐火涂料，熔去模样，经过焙烧而得到型壳，浇入金属而 得到铸件的方法。 其工艺过程如下：制作蜡模或蜡模组→涂挂耐火涂料→撒砂→结壳硬化→脱蜡→烘干焙烧型壳→浇注铸件→出箱清理打磨。 2.影响熔模质量的因素有哪些？答：（1）压型尺寸精度及表秒粗糙度（2）模料质量（3）制模工艺：压射压力保压时间 注蜡温度压型温度 3.常用模料有哪两类，其基本组成、特点和应用范围如何？答：①蜡基模料蜡基模料是以矿物蜡、动植物蜡为主要成分的模料。此类模料一般成分比较简单，成本较低，便于脱蜡和回收，但强度和热稳定性较低，收缩大。多用于要求较低的铸件。 ②树脂基模料树脂基模料是以树脂及改性树脂为主要组分的模料。此类模料一般成分比较复杂，强度较高，热稳定性较好，收缩较小，制成的熔模的质量和尺寸稳定性较高，但模料易老化、寿命短，成本较高，多用于质量要求较高的熔模铸件。 从模料中去除水分、粉尘、砂粒和皂化物的工艺过程称为模料回收。采用蒸汽或热水脱蜡后所回收的模料中会不可避免地混有
问答题 1、吊车大钩可用铸造、锻造、切割加工等方法制造，哪一种方法制得的吊钩承载能力大？为什么？ 2、什么是合金的流动性及充形能力，决定充形能力的主要因数是什么？ 3、铸造应力产生的主要原因是什么？有何危害？消除铸造应力的方法有哪些？ 4．试讨论什么是合金的流动性及充形能力？ 5. 分别写出砂形铸造,熔模铸造的工艺流程图并分析各自的应用范围. 6.液态金属的凝固特点有那些，其和铸件的结构之间有何相联关系？ 7.什么是合金的流动性及充形能力，提高充形能力的因素有那些？ 8.熔模铸造、压力铸造与砂形铸造比较各有何特点？他们各有何应用局限性？ 9.金属材料固态塑性成形和金属材料液态成形方法相比有何特点，二者各有何适用范围？ 10. 缩孔与缩松对铸件质量有何影响？为何缩孔比缩松较容易防止？ 11. 什么是定向凝固原则？什么是同时凝固原则？各需采用什么措施来实现？上述两种凝固原则各适用于哪种场合？ 12. 手工造型、机器造型各有哪些优缺点？适用条件是什么？ 13.从铁-渗碳体相图分析，什么合金成分具有较好的流动性?为什么? 14. 铸件的缩孔和缩松是怎么形成的？可采用什么措施防止? 15. 什么是顺序凝固方式和同时凝固方式?各适用于什么金属？其铸件结构有何特点? 16. 何谓冒口，其主要作用是什么？何谓激冷物，其主要作用是什么？ 17. 何谓铸造？它有何特点？ 18. 既然提高浇注温度可提高液态合金的充型能力，但为什么又要防止浇注温度过高？ 19．金属材料的固态塑性成形为何不象液态成形那样有广泛的适应性？ 20..冷变形和热变形各有何特点？它们的应用范围如何？ 21. 提高金属材料可锻性最常用且行之有效的办法是什么？为何选择？ 22. 金属板料塑性成形过程中是否会出现加工硬化现象？为什么？ 23. 纤维组织是怎样形成的？它的存在有何利弊？ 24．许多重要的工件为什么要在锻造过程中安排有镦粗工序？ 25. 模锻时，如何合理确定分模面的位置？ 26. 模锻与自由锻有何区别？
1.实际金属的液态结构：实际金属和合金的液体由大量时聚时散，此起彼伏游动着的原子 团簇及空穴所组成。能量起伏、结构起伏、浓度起伏。原子集团内的有序排列——近程有序；液态金属原子无规律排列——远程无序 2.粘度系数简称粘度，是用来表征液体粘滞性大小的系数，τ=ηdv x dy ，液体内摩擦阻力大小的表征。 影响因素：原子间结合能U（↑）、原子间距δ（↓）、温度T（↓）、合金组元或微量元素—高熔点合金（高）共晶合金（低） 3.表面张力（σ或?）：物质表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的宏观张力。物 体倾向于减小其表面积而产生表面张力（单位N/m，1dyn/cm=10?3N/m）。 影响因素：界面（表面）张力与原子间的结合力（↑，润湿角cosθ=σGS?σLS σGL ）、温度（↓）、元素价电子数目、合金杂质元素 附加压力——当液体表面弯曲时，在表面张力作用下，液面内和液面外存在一个压力差?p 4.液态金属的充型能力：在充型过程中，液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、尺寸精 确，轮廓清晰的铸件的能力 影响因素：金属性质（流动性）、铸型性质（蓄热系数b2）、浇注条件（浇注温度、充型压力、浇注系统）、铸件结构。 5.金属的加热膨胀：温度升高，振动能量增加，振动频率和振幅加大；原子间距，原子能 量升高 6.熔化潜热：金属在熔点，由固态变为同温度的液态时，要吸收大量的热量，称为熔化潜 热 7.毛细现象——润湿管壁的液体在细管里升高，而不润湿管壁的液体在细管里降低。液体 的表面张力导致的附加压力 8.折算厚度（平方根）法（铸件凝固时间）：M 模=K t 凝 或t凝= M 模 K ，K?凝固系数 9.铸件凝固方式： (1)逐层凝固：断面温度梯度很大，或窄结晶温度范围的合金，纯金属、共晶成分合金 (2)体积凝固：断面温度场较平坦，或宽结晶范围的合金 (3)中间凝固：断面温度梯度较大，或较窄结晶范围的合金 影响因素： (1)合金结晶温度范 围 (2)铸件断面上的温 度梯度 10.凝固动态曲线： 11.过冷类型： (1)动力学过冷ΔT k (2)曲率过冷ΔT r (3)压力过冷ΔT p (4)热过冷ΔT T (5)成分过冷ΔT c 凝固界面及其前沿的过冷
第一章金属材料的液态成形 1.1概述 金属的液态成型常称为铸造，铸造成形技术的历史悠久。早在5000多年前，我们的祖先就能铸造红铜和青铜制品。铸造是应用最广泛的金属液态成型工艺。它是将液态金属浇注到铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。在机器设备中液态成型件所占比例很大，在机床、燃机、矿山机械、重型机械中液态成型件占总重量的70%~90%；在汽车、拖拉机中占50%~70%；在农业机械中占40%~70%。液态成型工艺能得到如此广泛的应用，是因为它具有如下的优点： （1）可制造出腔、外形很复杂的毛坯。如各种箱体、机床床身、汽缸体、缸盖等。 （2）工艺灵活性大，适应性广。液态成型件的大小几乎不限，其重量可由几克到几百吨，其壁厚可由0.5mm到1m左右。工业上凡能溶化成液态的金属材料均可用于液态成型。对于塑性很差的铸铁，液态成型是生产其毛坯或零件的唯一的方法。 （3）液态成型件成本较低。液态成型可直接利用废机件和切屑，设备费用较低。同时，液态成型件加工余量小，节约金属。 但是，金属液态成型的工序多，且难以精确控制，使得铸件质量不够稳定。与同种材料的锻件相比，因液态成型组织疏松、晶粒粗大，部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷。其机械性能较低。另外，劳动强度大，条件差。 近年来，随着液态成型新技术、新工艺、新设备、新材料的不断采用，使液态成型件的质量、尺寸精度、机械性能有了很大提高，劳动条件到底改善，使液态成型工艺的应用围更加广阔。 液态材料铸造成形技术的优点： （1）适应性强，几乎适用于所有金属材料。 （2）铸件形状复杂，特别是具有复杂腔的铸件，成形非常方便。 （3）铸件的大小不受限制，可以由几克重到上百吨。 （4）铸件的形状尺寸，组织性能稳定。 （5）铸造投资小、成本低，生产周期短。 液态材料铸造成形技术也存在着某些缺点： 如铸件部组织疏松，晶粒粗大，易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷；而外部易产生粘砂、夹砂、砂眼等缺陷。另外铸件的力学性能低，特别是冲击韧性较低。铸造成形工艺较为复杂，且难以精确控制，使得铸件品质不够稳定。 铸造成形技术的发展： （1）提高尺寸精度和表面质量； （2）先进的造型技术及自动化生产线； （3）高效、节能，减少污染； （4）降低成本，改善劳动条件。 1.2 钢铁的生产过程 钢铁的生产过程是一个由铁矿石炼成生铁、再由生铁炼成钢液并浇注成钢锭的过 1.2.1 炼铁 炼铁在高炉中进行，其过程为：将铁矿石、焦碳和石灰石等按一定比例配成炉料，由加料车送入炉，形成料柱，加料完毕，将炉顶关闭。被热风炉加热到900～1200℃的热风，由炉壁上的风口吹入高炉下部，使焦碳燃烧，产生大量的炉气。炙热的炉气在炉上升，加热炉料，并
树脂基复合材料成型工艺介绍（1）：模压成型工艺 模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法。它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。模压成型工艺的主要优点：①生产效率高，便于实现专业化和自动化生产；②产品尺寸精度高，重复性好；③表面光洁，无需二次修饰；④能一次成型结构复杂的制品；⑤因为批量生产，价格相对低廉。 模压成型的不足之处在于模具制造复杂，投资较大，加上受压机限制，最适合于批量生产中小型复合材料制品。随着金属加工技术、压机制造水平及合成树脂工艺性能的不断改进和发展，压机吨位和台面尺寸不断增大，模压料的成型温度和压力也相对降低，使得模压成型制品的尺寸逐步向大型化发展，目前已能生产大型汽车部件、浴盆、整体卫生间组件等。 模压成型工艺按增强材料物态和模压料品种可分为如下几种：①纤维料模压法是将经预混或预浸的纤维状模压料，投入到金属模具内，在一定的温度和压力下成型复合材料制品的方法。该方法简便易行，用途广泛。根据具体操作上的不同，有预混料模压和预浸料模压法。②碎布料模压法将浸过树脂胶液的玻璃纤维布或其它织物，如麻布、有机纤维布、石棉布或棉布等的边角料切成碎块，然后在金属模具中加温加压成型复合材料制品。③织物模压法将预先织成所需形状的两维或三维织物浸渍树脂胶液，然后放入金属模具中加热加压成型为复合材料制品。④层压模压法将预浸过树脂胶液的玻璃纤维布或其它织物，裁剪成所需的形状，然后在金属模具中经加温或加压成型复合材料制品。⑤缠绕模压法将预浸过树脂胶液的连续纤维或布（带），通过专用缠绕机提供一定的张力和温度，缠在芯模上，再放入模具中进行加温加压成型复合材料制品。⑥片状塑料（SMC）模压法将SMC片材按制品尺寸、形状、厚度等要求裁剪下料，然后将多层片材叠合后放入金属模具中加热加压成型制品。⑦预成型坯料模压法先将短切纤维制成品形状和尺寸相似的预成型坯料，将其放入金属模具中，然后向模具中注入配制好的粘结剂（树脂混合物），在一定的温度和压力下成型。
2018年4月2日11:22 1.什么是金属液态成形？ 金属液态成形也就是铸造，是将液态金属在重力或者其它外力作用下充填到型腔，待其凝固冷却后获得所需形状和尺寸的毛皮或零件（铸件）的工艺过程； 2.流动性 熔融合金的流动性是指其自身的流动能力。流动性好则充填铸型能力强，尺寸易精确，外形完整，轮廓清晰；流动性不好会出现浇不足、冷隔、气孔、夹杂等缺陷；薄壁铸件对之尤其敏感。 灰铸铁、硅黄铜最好，铝硅合金次好，铸钢最差； 3.充型能力 充型能力是指熔融合金充满型腔获得轮廓清晰、形状完整的铸件的能力，与流动性、浇注条件、铸型条件等有关； 4.纯金属和共晶合金为逐层凝固，流动性好，其它成分金属随着结晶范围加大流动性变差； 5.提高浇注温度获得较大过热度有利流动充型，但不宜过高；增大充型压力、提高浇注速度有利流动充型；预热铸型、减少发气、改善透气、简化结构等等有利于充型； 6.收缩 合金收缩分为液态收缩，凝固收缩，固态收缩。前二者合称体收缩，后者为线收缩；收缩率与金属性质有关。浇注温度高，过余温度大，液态收缩加剧；结构复杂、铸型、型芯硬度高的逐渐收缩阻力大；实际线收缩比自由线收缩率小一些； 7.缩孔 在凝固收缩的过程中，液态收缩、凝固收缩、固态收缩造成体积不断减小，凝固收缩不能得到液态金属的有效补缩，最后凝固部分处出现倒锥形缩孔；纯金属与共晶合金逐层凝固易形成缩孔，按温度梯度顺序凝固的最后部分易缩孔，过余温度大液态收缩、凝固收缩大易形成缩孔； 8.缩松 结晶范围宽的金属以糊状凝固方式进行，一般聚集于中心轴线处、热节
处、冒口根部或缩孔下方；温差小的同时凝固条件容易形成缩松； 9.缩孔和缩松一般产生于凝固缓慢的厚壁热节处 10.缩孔和缩松的防止 采用加冷铁和补缩冒口的方式，形成一定的温度梯度，使铸件“定向凝固”，将缩松尽可能转化为缩孔并使缩孔转移到冒口中； 11.铸造内应力 铸造内应力分为热应力和机械应力，铸造内应力产生的原因是凝固之后的固态收缩过程中收缩收到阻碍。铸造应力会造成铸件铸件变形； 12.铸造热应力 由于铸件壁厚不均匀、冷却速度不同，铸件各部分收缩不一致，因此产生热应力；一般情况下，薄壁处率先冷却受压，厚壁处后冷却受拉； 13.机械应力 固态收缩时，线收缩受到铸型或者型芯的阻碍，形成拉伸或者剪切应力，机械应力在落砂后可自行消除。 14.减小或消除应力的措施 采取同时凝固的方式，避免凝固顺序的不一致性，减小热应力，但是这会产生缩松，应该有所权衡；改善铸型和型芯的退让性，减小机械应力；加热到550至600摄氏度实施去应力退火，可以基本消除参与内应力； 15.铸件变形的防止 减小铸造内应力或者用对称结构让内应力抵消可以防止变形；利用反变形法，在变形方向上预先设计形状补偿变形；设置防变形肋板；在切削加工前实施去应力退火，消除内应力； 16.热裂纹及其减小 铸件在凝固末期已经具有完整的固态骨架，由于铸型和型芯的阻挡，会造成机械应力，一旦机械应力超过高温下的强度极限，那么就会导致热裂纹的产生；热裂纹短而宽，形状曲折，缝内有氧化色；结晶范围大的合金容易产生热裂纹。应该尽量使用热裂倾向小的合金，改善铸件结构，改善铸型和型芯的退让性； 17.冷裂纹及其减小 在较低温度下，铸造内应力超过材料强度极限就会产生冷裂纹；冷裂纹细小连续呈光滑直线状，多出现于受拉应力部位；脆性大、塑性差的材料容易产生冷裂纹；因此可以用减小脆性的方法减小冷裂纹，比如减小磷的含