1、-作者xxxx-日期xxxx液態金屬成型原理作業【精品文檔】液態金屬成型原理一、簡述普通金屬材料特點及熔配工藝1 普通金屬材料的特點鑄鐵材料鑄鐵是含碳量大于2.11%或者組織中具有共晶組織的鐵碳合金，其成分范圍為：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。依據碳在鑄鐵中的形態可將鑄鐵分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵及麻口鑄鐵，其中灰口鑄鐵依據石墨形態的不同分為普通灰鑄鐵、蠕蟲狀石墨鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵。（1）白口鑄鐵白口鑄鐵中的碳少量溶于鐵素體，大部分以碳化物的形式存在于鑄鐵中，斷口呈銀白色。白口鑄鐵硬而脆，很難加工。我們可以利用它

2、的硬度高和抗磨性好的特點制造一些高耐磨的零件和工具。（2）灰鑄鐵碳主要結晶成片狀石墨存在于鑄鐵中，斷口為暗灰色。灰口鑄鐵不能承受加工變形，但是卻具有特別優良的鑄造性能，同時切削加工性能也很好，低熔點、良好的流動性和填充性以及小的凝固收縮。（3）麻口鑄鐵麻口鑄鐵具有灰口和白口的混合組織，斷口呈灰白交錯。麻口鑄鐵不利于機械加工，也無特殊優異的使用性能。（4）可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵經過石墨化退火后制成的。具有較高的強度、塑性和韌性，與球墨鑄鐵相比具有質量穩定、處理鐵水簡便以及易于組織流水線生產等優點，適用于形狀復雜薄壁小件的大批量生產。（5）球墨鑄鐵球墨鑄鐵中的碳主要以球狀石墨形態存在于鑄鐵中

3、。球墨鑄鐵具有比灰口鑄鐵高得多的強度、塑性和韌性，同時仍保持著灰口鑄鐵所具有的耐磨、消震、易切削加工、容易鑄造等一系列優異性能。1.2 鑄鋼材料鑄鋼具有良好的綜合機械性能和物理化學性能，比鑄鐵具有更高的強度、塑性和良好的焊接性。按化學成分可以分為碳素鋼和合金鋼，其中碳素鋼又分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。（1）低碳鋼低碳鋼的含碳量小于0.20%，它的塑性和韌性較高，但是強度較低，通常要經過滲碳后進行淬火、回火處理來提高強度和耐磨性。低碳鋼的鑄造性能差，熔點高，鋼液流動性差，易產生澆注不足和形成縮孔縮松、非金屬夾雜等缺陷，并且容易氧化。（2）中碳鋼中碳鋼的鑄造性能較好，熔點較低，流動性較好，氣孔和非

4、金屬夾雜物較少，抗熱裂傾向的能力較強，易于獲得成型鑄件。具有良好的強度、塑性和韌性。（3）高碳鋼高碳鋼具有較高的強度、硬度和耐磨性，但塑性較低。高碳鋼的鑄造性能良好，但由于熱導性能差和較大的脆性，容易產生巨大應力而形成冷裂。所以一般需要進行退火處理。（4）合金鋼合金鋼中的合金元素總量少于5%，是在碳素結構鋼的基礎上加入合金元素。其組織與含碳量相同的碳素結構鋼類似。隨著加入合金元素的不同，可以具有高強度、耐高溫、傳導性好等特殊性能。1.3 鑄造鋁合金鑄造鋁合金具有優異的導電性和導熱性，表面有一薄層幾何透明而致密的氧化膜保護，表面有光澤，在大氣、淡水及氧化性酸類介質中有良好的腐蝕性。常用鑄造鋁合金

5、有四類，分別是Al-Si系合金、Al-Cu系合金、Al-Mg系合金、Al-Zn系合金。（1）Al-Si系合金Si含量一般為4%22%，具有流動性好、氣密性好、收縮率小、熱烈傾向小等良好的鑄造性能，耐磨性、耐熱性、耐蝕性也較好，熱脹系數小，在鑄造鋁合金中品種最多，用量最大。（2）Al-Cu系合金Cu含量一般為3%11%。其最大特點是具有較高的室溫和高溫力學性能。但比重較大，耐蝕性和鑄造性較差。（3）Al-Mg系合金Mg含量為4%11%。Al-Mg系合金是密度最小、耐蝕性最好、強度最高的鑄造鋁合金，但高溫強度較低，一般工作溫度不超過200，鑄造性能較差，熔煉鑄造工藝也較復雜。（4）Al-Zn系合金

6、鋅在鋁中的溶解度非常大，當Al中加入的Zn大于10%時能顯著提高合金的強度。它是鑄造鋁合金中最便宜的一種，力學性能較高且不經熱處理可直接使用，但密度較大，耐蝕性較差、鑄造時容易產生熱裂。1.4 鑄造鎂合金鎂的密度小，在合金中加入鎂可以大大減輕質量。鎂合金的比彈性模量與高強度鋁合金、合金鋼大致相同。在受外力作用時容易產生較大的變形，有利于避免過高的應力集中，可使受力構件的應力分布更為均勻。鎂合金具有優良的切削加工性能，在受沖擊及摩擦時不會起火花。鑄造鎂合金按合金系可分為三類：Mg-Al系合金、Mg-Zn-Zr系合金、Mg-RE-Zr系合金。（1）Mg-Al系合金Mg-Al系合金具有優良的性能，不

7、含稀貴元素，熔煉工藝較易掌握，生產成本較低，應用普遍。它的屈服極限較低，機械性能的壁厚效應較大，縮松比較嚴重。（2）Mg-Zn-Zr系合金Mg-Zn-Zr系合金具有較高的屈服強度和組織致密性。它可以加入鋯改善合金鑄造性能，降低縮松傾向，細化晶粒，提高力學性能，加鋯也能在表面生成致密氧化膜，提高合金抗腐蝕性能。Mg-Zn-Zr系合金還可以加入其它稀土元素、銀、釷等元素以進一步改善它的性能。（3）Mg-RE-Zr系合金Mg-RE-Zr系合金為耐熱合金，可在200260工作，具有良好的力學性能。1.5 鑄造銅合金鑄造銅合金是廣泛應用的結構材料之一，具有較好的力學性能，強度高，韌性好，并有良好的導電、

8、導熱性。由于銅的電極電位很高，因為具有優異的耐蝕性，在大氣、海水、氫氟酸、鹽酸等介質中有很高的化學穩定性。但是鑄造銅合金的熔鑄比較困難，其吸氣性大，易形成氣孔。吸氫造成氫脆，吸氧致使其它合金元素氧化，形成夾雜物。鑄造銅合金主要分為青銅和黃銅，其中青銅又分為錫青銅和特殊青銅。（1）錫青銅錫青銅是最古老的一種鑄造合金，其主要特點是具有優良的耐磨性能，其次，它在蒸汽、海水及堿溶液中具有很高的耐蝕性。錫青銅具有足夠的抗拉強度和一定的塑性，可以制造一般條件下工作的各種耐磨、耐蝕的機器零件。但是錫青銅結晶容易產生疏松、偏析、致密性等缺陷。（2）特殊青銅特殊青銅包括鋁青銅（加有鐵、錳、鎳等元素）、鉛青銅和其

9、它青銅。鋁青銅有很高的強度，其耐蝕性、耐磨性和氣密性也都較好，可用于高強度零件，并可部分代替錫青銅。鉛青銅抗磨性很好，主要用作高速滑動和受力大的軸承、襯套等抗磨零件。（3）黃銅黃銅的主要成分是Cu-Zn合金。與青銅相比，黃銅的力學性能較高，黃銅的熔點隨Zn含量的增加而降低，流動性好，組織較為致密，鑄造工藝相對青銅比較簡單，因此，黃銅廣泛應用于要求較高力學性能和耐壓性能的工作場合。2 熔配工藝2.1 鑄鐵材料的熔配鑄鐵主要用沖天爐熔煉，沖天爐熔煉的基本過程包括爐料的預熱、熔化、過熱及儲存，這些均在沖天爐的爐身內完成。將空氣用鼓風機升壓后送入風箱，然后均勻的由各風口進入爐內，與底焦層中的焦炭進行燃

10、燒，產生大量的熱量和氣體產物（爐氣：CO2、CO、N2等）。這些熱量通過爐氣和炙熱的焦炭傳給金屬和爐料，達到熔煉的目的，另外還有60%左右的熱量傳給爐襯、爐渣或由爐氣帶入大氣。爐柱中的爐料被上升的熱爐氣加熱，溫度由室溫逐漸升高到1200攝氏度左右，完成了爐料的預熱。金屬爐料在此時被爐氣繼續加熱，有固體塊料熔化成為同溫度的液滴，即熔化階段。1200左右的液滴在下落過程中繼續從爐氣和炙熱的焦炭表面吸收熱量，是溫度上升到1500攝氏度以上，稱為過熱階段。高溫的液滴在爐底匯集然后分離，爐渣和鐵水分別由出渣口和出鐵口放出，完成金屬爐料有固體到一定溫度鐵水的熔化過程。一般鐵液的最終含碳量主要與爐料含碳量及

11、爐內燃燒狀況有關。生產上控制鐵液含碳量主要是通過配料進行的。在金屬爐料中，生鐵的含碳量較高，一般在4.0%(質量分數)以上；回爐廢鑄鐵件的含碳量低于生鐵，其含量依照鑄鐵牌號不同，大致在3.2%3.8%之間；廢鋼的含碳量最低，一般在0.2%0.6%之間。2.2 鑄鋼材料的熔配一般三相電弧爐煉鋼應用比較普遍。其中，氧化法煉鋼的主要過程：1、補爐：每煉完一爐鋼在裝入下一爐的爐料之前要進行補爐，其目的是修補爐底和爐壁被浸濁和被碰壞的部位。補爐操作要點是：爐溫高、操作快，補層薄。2、裝料：每煉完一爐鋼在裝入下一爐的爐料之前要進行補爐，其目的是修補爐底和爐壁被浸濁和被碰壞的部位。用原來打結的爐襯材料（如鹵

12、水鎂砂或焦油鎂砂）進行修補。補爐操作要點是：爐溫高、操作快，補層薄。3、熔化期：熔化期的任務是將固體爐料熔化成鋼液并進行脫磷。主要原理為：2Fe + O2 2FeO，Si + O2 SiO2，2Mn O2 2MnO，4P 5O2 2P2O5。4、氧化期：氧化期進行脫磷、去除鋼液中的氣體和夾雜物并提高鋼液溫度。氧化期的前一階段鋼液溫度較低，主要是造渣脫磷。當鋼液溫度提高(一般熱電偶溫度1530以上)后進入第二階段，進行氧化脫碳沸騰精煉，以去除鋼液中的夾雜物和氣體。經過氧化脫碳后，鋼液中含有大量的氧化亞鐵。為減少殘留的氧化亞鐵量，可在停止供氧(不再加礦石)條件下使鋼液繼續沸騰一段時間，這一階段的沸

13、騰稱為凈沸騰。當鋼液含磷量和含碳量都已符合工藝要求，鋼液溫度足夠高時，可以扒出氧化渣進入還原期。5、還原期：還原期的任務是脫氧、脫硫和調整鋼液溫度及化學成分。扒除氧化渣后，首先往熔池中加入錳鐵進行“預脫氧”。通過預脫氧可快速去除鋼液中部分氧化亞鐵，以減輕后來通過爐渣進行脫氧的任務，加速整個還原期的過程。6、出鋼：出鋼時要求鋼液流要粗，而且要使鋼液與爐渣一起出到盛鋼桶中。2.3 鋁合金材料的熔配中間合金熔制要求，熔點盡量接近所熔制的合金；含合金元素盡量高；成分均勻；含氣、夾雜物少；容易破碎。以Al-Ti 和Al-Si為例：Al-Ti合金的熔制：將石墨坩堝預熱至暗紅色，加入預熱的鋁錠；待鋁錠全熔，

14、用石墨鐘罩壓入預熱海綿鈦。快速升溫至10501100，用石墨棒充分攪拌，使其盡快熔化。全熔后用質量分數約為0.6%的C2Cl6精煉。攪拌均勻，于900澆鑄成錠，快速凝固可防止鈦偏析。加入海綿鈦的量為4%，可熔制wTi=4%的Al-Ti合金。Al-Si合金的熔制：將2040mm 塊度的結晶硅加在鋁錠上和爐蓋上。待鋁熔化后，將爐蓋上的硅推入坩堝內。快速升溫至800，硅全部熔化后用石墨棒充分攪拌。加入ZnCl2（w ZnCl2 =0.2%0.4%）或C2Cl6（w C2Cl6 =0.3%0.6%）精煉。清渣、攪勻、鑄錠。每一爐的各種爐料的加入量，包括新料、回爐料、中間合金，保證設計的化學成分。須知：

15、a) 熔制合金設計的化學成分、雜質限度及其他技術要求；b) 擬用爐料的化學成分；c) 熔煉過程中各元素的燒損率；d) 每一爐的投料量等等。鑄造鋁合金的熔煉工藝主要包括：熔化前的準備與投料、加熱融化、精煉處理、調節溫度和澆注。2.4 銅合金材料的熔配對銅合金的爐料、熔劑以及預熱（爐料和坩堝）等的要求與鋁合金相同。對熔爐的要求，除普通電阻絲加熱爐外，鋁合金使用的熔爐均適于銅合金，只是溫度要求不同。根據氫氧平衡原理，銅合金熔煉可采用弱的氧化性氣氛。使用液體和氣體燃料時，要有適當的過剩空氣，燒嘴的火焰呈透明白亮色。也可加入氧化熔劑來實現。2.5 鎂合金材料的熔配鎂合金在熔煉過程中始終要有覆蓋劑保護。為

16、去除鎂液中的氧化物夾雜，要撒入足夠數量的精煉劑進行精煉，精煉過程中使鎂液產生平穩的循環流動，保證精煉劑能充分吸附夾雜物，而后沉淀在坩堝底部。為提高性能，采取細化晶粒處理。所用覆蓋劑以氯、氟鹽為主。最好在細化晶粒前后進行兩次精煉。參考文獻：1 宋維錫. 金屬學. 冶金工業出版社, 1980.2 徐州, 姚壽山. 材料加工原理. 科學出版社.3 范金輝, 華勤. 鑄造工程基礎. 北京大學出版社, 2009.4 蔡啟舟, 吳樹森. 鑄造合金原理及熔煉. 化學工業出版社, 2010.二、金屬結晶（凝固）形核熱力學條件及形核機理1、金屬結晶的熱力學條件液態金屬結晶的過程是一種相變，它是一個系統自由能降低

17、的自發過程，系統自由能G、熵S、溫度T、體積V及環境壓力P滿足式子：結晶過程可以認為是在恒壓下進行的，則p為常數，dp=0，即，由于熵值為正數，故自由能隨溫度上升而下降。又因為液態熵值大于固態，所以液相自由能GL隨溫度上升而下降的斜率大于固相GS的斜率，兩者相交處的溫度為T0，即為純金屬的平衡結晶溫度。當T=T0，GS=GL，固、液相處于平衡狀態；當T>T0，GL<GS，與固相比較，液態處于自由能更低的穩定狀態，結晶是不可能進行的；只有當T<T0，GL>GS，結晶才可能自發進行。此時兩相自由能之差G為相變驅動力。G=GL-GS=(HL-HS)-T(SL-SS)。假設晗與

18、熵在結晶時不隨溫度的變化而變化，則可認為結晶潛熱L= HL-HS，熔化熵S= SL-SS，則G=L-TS，當T=T0時，G=0，得S=L/T0。即G= LT/T0。由此可見，對于特定的金屬，L、T0為定值，所以過冷度T決定了液態金屬結晶的相變驅動力的大小。T越大，相變驅動力也越大。在相變驅動力的作用下，高能量狀態的液態結構轉變為低自由能的固態結構，必須越過一個自由能更高的中間過渡態（由固液界面所致）。液態金屬的結晶過程從形核開始，然后晶核逐漸生長，使得系統逐步由液體轉變為固體。在存在相變驅動力的前提下，液態金屬還需要通過其起伏作用來克服界面自由能和激活能。液態金屬存在著結構起伏、成分起伏和能量

19、起伏作用，正是由于這種起伏作用，是部分原子具有較高的能量狀態，得以克服界面自由能和激活能，凝固過程才能繼續進行。2、形核機理亞穩態的液態金屬通過起伏作用在某些微觀區域內形成穩定的靜態小質點的過程稱為形核。形核的首要條件就是體系必須處于亞穩定態，即存在一定的過冷度，以提供相變驅動力；其次，需要克服界面自由能才能形成穩定存在的晶核，并保證其進一步生長。一般形核方式包括均勻形核和非均勻形核。（1）均勻形核均勻形核是在沒有任何外來界面的均勻熔體中的形核過程。在一定的過冷度條件下，固相的自由能低于液相的自由能，當次過冷液體中出現晶胚時，一方面原子從液態轉變為固態使系統的自由能降低，另一方面，由于晶胚構成

20、新的表面，從而使系統的自由能升高。假設晶胚為球體（半徑為r），則系統自由能G的表達式為當某一晶胚長大，半徑r增大，其體積自由能減少絕對值大于表面積自由能的增加值時，該長大過程才能自發進行。由金屬學可知，只有大于臨界半徑的晶胚才可以作為晶核穩定存在，此時的晶胚稱為臨近晶核，其大小成為臨界形核半徑。對上式進行微分，并令其等于零，即-4r2GV+8LC=0，則臨界形核半徑為：或由此可知，臨界形核半徑與過冷度成反比，過冷度越大則臨界形核半徑越小。在LC、L一定時，達到臨界形核半徑所需的過冷度為臨界過冷度。由圖可知，當晶核尺寸大于r0時，系統的自由能小于零，晶核是穩定的；但在r*均-r0范圍時，系統的自

21、由能仍然大于零，即晶核表面自由能大于體積自由能，阻力大于驅動力。因此，在此區間晶核要穩定存在，必須要求外界對系統做功，使晶核能補償自由能增加的絕對值。這一外部補償的能量稱為形核功GK，其極大值即為對應臨界形核半徑r*均處的臨界形核功G*均。通過代入可得：可見，臨界形核功的大小恰好等于臨界晶核表面自由能的1/3。這表明形成臨界晶核時，體積自由能的下降僅補償了表面自由能增量的2/3，還有1/3表面自由能部分必須依靠外部對晶核做功。從式子可知，臨界形核功的大小與過冷度的平方成反比。因此，增大過冷度能顯著降低臨界形核功，從而使形核更容易進行。（2）非均勻形核非均勻形核是指在不均勻的熔體中依靠外來雜質或

22、型壁界面提供的襯底進行形核的過程。液體中存在的大量固體質點可以作為形核的襯底。假設在亞穩定的液態金屬L中存在著固相物質S，在S的平面襯底上形成了一個球冠狀晶核C。當界面能之間處于平衡時，有：又因為晶核的體積V冠為，晶核與液相的接觸面積為，晶核與襯底的接觸面積為，因此，形成球冠狀晶核的總自由能變化為G非=G均f（）。用同樣的方法可得：，。參考文獻：1 徐州, 姚壽山. 材料加工原理. 科學出版社.2 賈志宏.金屬液態成型原理.北京大學出版社,2011.三、如何控制鑄錠的鑄態組織穩定凝固殼層的產生決定著表面細晶粒區向柱狀晶區的過渡，而阻止柱狀晶區進一步發展的關鍵則是中心等軸晶區的形成。因此，從本質

23、上說，晶區的形成和轉變乃是過冷熔體獨立形核的能力和各種形式晶粒游離、漂移與沉積的程度這兩個基本條件綜合作用的結果，各種晶粒游離的產生就要受到金屬性質、鑄型特點、澆鑄工藝、及鑄件結構等方面的影響。1 金屬性質方面首先，強形核劑在過冷熔體中存在，寬結晶溫度范圍的合金和小的溫度梯度GL，這既能保證熔體有較寬的形核區域也能促使較長的脆弱枝晶的形成；并且，合金中溶質元素含量較高、平衡分配系數k0值偏離1較遠。因此凝固過程中樹枝晶比較發達，縮頸現象也就比較嚴重。2 熔體處理方面熔體在凝固過程中存在時間長、對流激烈等因素，都能促進晶粒游離，獲得等軸晶組織；合適的溶體處理可以強化形核。3 澆鑄條件方面首先，低

24、的澆注溫度。其次，要有合適的澆鑄工藝。凡是能強化流液對型壁沖刷作用的澆注工藝均能擴大并且細化等軸晶區。4 鑄型性質和組件結構方面對于薄壁鑄件而言，激冷可以使整個斷面同時產生較大的過冷。鑄型蓄熱系數越大，整個熔體的形核能力就越強。因此金屬型鑄造比砂型鑄造更容易獲得較細的等軸晶的斷面組織。對于型壁較厚或導熱性較差的鑄件而言，鑄型的激冷作用只產生于鑄件的表面層，等軸晶區的形成主要依靠各種形式的晶粒游離。這時鑄型冷卻能力的影響是矛盾的。一方面，低蓄熱系數的鑄型能延緩穩定凝固殼層的形成，有助于凝固初期激冷晶的游離，同時也使內部溫度梯度變小，凝固區域加寬，對增加等軸晶有利；另一方面，它減慢熔體過熱熱量的散

25、失，不利于已游離晶粒的殘存，減少等軸晶的數量。通常前者是主導因素，因而在一般生產中，除薄壁鑄件外，采用金屬型鑄造比砂型鑄造更易獲得柱狀晶，特別是高溫澆注更是如此。但砂型鑄造所形成的等軸晶粒比較粗大。如果促使非均勻形核與晶粒游離的其他因素（如強形核劑的存在、低的澆注溫度、嚴重的晶粒縮頸以及強烈的熔體對流和攪拌等）足以抵消其不利影響，則無論是金屬型鑄造還是砂型鑄造皆可獲得細的等軸晶粒。當然，在相同情況下，金屬型鑄造獲得的等軸晶粒更為細小。所以，為了獲得和細化等軸晶組織，可以通過合理控制熱學條件、通過孕育處理、即動態晶粒細化法來獲得。1、合理控制熱力學條件（1）低溫澆注和采用合理的澆注工藝當澆注溫度低時，熔體的過熱度較小，它與澆道內壁接觸就能產生大量的游離晶粒。此外，低過熱度的熔體也有助于已形成的游離晶粒的殘存，這對等軸晶的形成和細化有利。凡是能強化流液對型壁沖刷作用的澆注工藝均能擴大并且細化等軸晶區。（2）合理控制冷卻條件控制冷卻條件的目的是形成寬