材料的成形工艺性能

材料的成形工艺性能液态成形是指将液态（或熔融态、浆状）材料注入一定形状和尺寸的铸型(Mold)（或模具）型腔(MoldCavity)中，凝固后获得固态毛坯或零件的方法.本节主要介绍液态金属的充型性。一、液态金属的充型能力充型是指液态金属充填铸型型腔的过程；液态金属的充型能力(MoldFillingCapacity)是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。金属液的流动性——液态金属的流动性是指金属液的流动能力。流动性好的液态金属，充型能力强，易于充满薄而复杂的型腔，有利于金属液中气体、杂质的上浮并排除，有利于对铸件凝固时的收缩进行补缩；流动性不好的液态金属，充型能力弱，铸件易产生浇不足、冷隔、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。合金流动性的好坏，通常以“螺旋形流动性试样”的长度来衡量，将金属液体浇入螺旋形试样铸型中，在相同的浇注条件下，合金的流动性愈好，所浇出的试样愈长。液态金属的充型能力取决于：内因——金属本身的流动性(流动能力)；外因——铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素。先来了解几个概念合金的凝固特性合金从液态到固态的状态转变称为凝固或一次结晶。1.逐层凝固纯金属、二元共晶成分合金在恒温下结晶时，凝固过程中铸件截面上的凝固区域宽度为零，截面上固液两相界面分明，随着温度的下降，固相区由表层不断向里扩展，逐渐到达铸件中心，这种凝固方式称为“逐层凝固”，如图a。2.体积凝固当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸件凝固的某段时间内，其液固共存的凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件截面，这种凝固方式称为“体积凝固”（或称糊状凝固），如图c。3.中间凝固金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积凝固之间，称为“中间凝固”方法，如图b。合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固；对于一定成分的合金，结晶温度范围已定，凝固方式取决于铸件截面的温度梯度，温度梯度越大，对应的凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。1.铸铁(1)灰口铸铁：碳主要以片状石墨形式出现的铸铁，断口呈灰色。(2)球墨铸铁：通过球化和孕育处理得到球状石墨，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度。(3)可锻铸铁：用白口铸铁经过热处理后制成的有韧性的铸铁。2.铸钢铸钢的铸造性能差。铸钢的流动性比铸铁差，熔点高，易产生浇不足、冷隔和粘砂等缺陷。铸钢的收缩性大，产生缩孔、缩松、裂纹等缺陷的倾向大。3.铸造有色金属常用的有铸造铝合金、铸造铜合金等。它们大都具有流动性好，收缩性大，容易吸气和氧化等特点，特别容易产生气孔、夹渣缺陷。常用铸造合金的性能特点液态金属充型性的影响因素1.金属性质2.浇注条件3.铸型条件1.金属性质包括金属的种类、成分、结晶特性及其热性质等，决定了液态金属本身的流动能力及充型过程的变化特征。①合金种类不同的合金，充型性差异很大。例如：灰铸铁充型能力最好，铸钢的充型性最差。②合金的成分同种合金中，成分不同，结晶特征不同，充型性差异很大。纯金属和共晶成分的合金：在整个凝固结晶过程中，结晶温度都是恒定不变的，属于逐层凝固方式，从表面向中心逐层凝固结晶，凝固层的表面比较光滑，对尚未凝固的金属的流动阻力小，故充型性好。当液态凝固成为固体而发生体积收缩时，可以不断地得到液体的补充，所以产生分散性缩松的倾向性很小，而是在铸件最后凝固的部位留下集中缩孔。由于集中缩孔容易消除，一般认为这类合金的补缩性良好。在板状或棒状铸件会出现中心线缩孔。这类铸件在凝固过程中，当收缩受阻而产生晶间裂纹时，也容易得到金属液的填充，使裂纹愈合。铸件在凝固过程中，由于金属液态收缩和凝固收缩造成的体积减小得不到液态金属的补充，在铸件最后凝固的部位形成孔洞。其中容积较大而集中的称缩孔，细小而分散的称缩松。非共晶成分的合金：在一定温度范围内结晶的，属于糊状凝固或中间凝固，结晶区域内存在液相和固相并存的两相区，在该区域内，合金粘稠，树枝状晶发达，使凝固层内表面参差不齐，合金液在其间的流动阻力很大，因而充型性差。合金的结晶温度范围越宽，充型性越差。宽结晶温度范围的合金，凝固区域宽，散热条件差，容易发展成为树枝晶发达的粗大等轴枝晶组织。当粗大的等轴枝晶相互连接以后(固相约为70％)，将使凝固的液态金属分割为一个个互不沟通的溶池，最后在铸件中形成分散性的缩孔，即缩松，如图。液态金属流动机理与充型能力纯金属、共晶成分合金及结晶温度很窄的合金流动机理示意图前端析出15~20％的固相量时，流动就停止。充型能力强宽结晶温度合金流动机理示意图同时，金属合金中的各合金元素对流动性有不同的影响。例：铁碳合金碳、硅、磷含量高的铸铁，充型能力强；硫含量高的铸铁，充型能力弱。③金属的物理性质比热、密度、导热系数、结晶潜热等。液态合金的比热容和密度越大，导热系数越小，凝固时结晶潜热释放得越多，合金处于液态的时间越长，因而充型性越好。此外，液态金属中的不溶杂质和气体对流动充型性也有很大影响。2.浇注条件①浇注温度②充型压力①浇注温度浇注温度对金属的充型能力有着决定性的影响。浇注温度越高，金属的流动性越好，且在铸型中保持液态的时间长，充型能力强。但浇注温度过高，铸件凝固过程的体积收缩大，金属液的吸气量增多，氧化严重，容易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔、粗晶等缺陷，故在保证充型能力足够的前提下，应选择相对较低的浇注温度。②充型压力浇注时，液态金属所受的静压力越大，其充型能力越好。在砂型铸造中，常用加高直浇道（即提高充型压头）等工艺措施来提高金属的静压力。在压力铸造和低压铸造等特种铸造中，液态金属在压力下充型，充型能力提高。3.铸型条件①铸型性质②铸型温度③铸件结构①铸型性质铸型的蓄热能力越大，即铸型从液态合金吸收并储存热量的能力越强，铸型对液体金属的冷却能力越强，使合金保持在液态的时间就越短，充型能力下降；若铸型的排气能力差，型腔内气体的压力增大，则液态金属的充型能力差。例：液态合金在金属型中的充型能力在砂型中的充型能力②铸型温度铸型温度越高，铸型对液态金属的冷却能力越小，可使液态金属较长时间保持液态，因而其充型能力提高。③铸件结构铸件型腔结构越复杂，铸件壁厚越薄，液态金属充型能力差。特别是浇注系统越复杂，液态金属流动的阻力越大，其充型能力下降。在设计浇注系统时，必须合理布置内浇道在铸件上的位置，选择恰当的浇注系统结构及各组元的尺寸。金属种类铸件最小壁厚（mm）砂型金属型熔模铸造壳型压铸灰铸铁340.4-0.80.8-1.5--铸钢48-100.5-1.02.5--铝合金33-4----0.6-0.8总结：在实际生产中，必须根据具体情况找出其中的主要因素并采取相应的措施，才能有效地提高液态金属的充型能力。金属铸造成形时，一般应尽量选用共晶成分合金，或结晶温度范围小的合金；并尽量提高金属液的品质，金属液越纯净，含气体、夹杂物越少，流动性越好。对于特定的金属，可采取提高浇注温度和充型压头、合理设置浇注系统和改进铸件结构等措施来提高液态金属的充型能力。二、材料的固态成形性能材料的固态成形性能——指材料在固态下通过塑性形变获得形状的改变，制得所需形状和尺寸的制品（或毛坯）的能力，或者指材料在固态下的塑性变形能力。金属的塑性变形能力称为可锻性。聚合物的塑性变形能力称为可延性。材料的可锻性或可延性越好，表明材料能进行塑性变形。1.金属的可锻性可锻性是金属经受塑性成型的难易程度，是综合衡量材料在压力加工时获得优质零件的一项工艺性能。用金属的塑性指标和变形抗力来衡量。塑性指标：凡是塑性变形时，在不产生裂纹情况下变形程度越大的，其塑性越好。变形抗力：在变形过程中金属抵抗塑性变形的力。变形抗力越小，则变形中所消耗的能力也越小，变形越容易。总之，塑性越好，变形抗力越小，则金属的可锻性越好。影响金属可锻性的因素：①化学成分纯金属比合金的可锻性好。含合金元素少的合金比多的好。②金属组织单相组织（纯金属或固溶体）比多相好。钢中碳化物呈弥散分布比网状分布好。晶粒细化组织比粗大组织好。③加工条件1）变形温度a）滑移力减小加热温度高b）再结晶过程加速可锻性好c）多相状态向单相转变但是，温度过高，会引起过烧或过热。过烧会破坏晶粒间的连接，过热会使晶粒过分长大。始锻温度：锻造温度的上限终锻温度：锻造温度的下限碳素钢的锻造温度范围1150/1250-800/850℃2）变形速度：金属材料在单位时间内的变形量。一方面随变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，金属则表现出塑性下降、变形抗力增大，可锻性下降。另一方面，金属在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能，使金属温度升高(称为热效应现象)。变形速度越大，热效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形抗力下降(图中a点以后)，可锻性提高。3）应力状态挤压时，金属呈三向受压，塑性好；拉拔时，变形材料呈两向受压和一向受拉压应力下变形，对塑性有利，阻止裂纹扩展，焊合孔、缝等缺陷；拉应力下变形，对塑性不利，气孔、裂纹等缺陷处易引起应力集中，缺陷扩展，导致破裂。压应力越多，材料的塑性越好；拉应力越多，塑性越差。此外，坯料表面状况也对材料的塑性有影响，特备是冷变形时。坯料表面粗糙或有刻痕、微裂纹和粗大夹杂物等，都会在变形过程中产生应力集中而引起开裂。因此塑性加工前应对坯料进行清理和消除缺陷。可锻性的评价方法：塑性指标，可以借助实验方法测定。如拉伸、压缩、扭转实验。拉伸试验：断面收缩率Ψ，伸长率δ。镦粗试验：试样侧面出现第一条裂纹时的压缩强度εc。三、材料的焊接性及其它工艺性能1.焊接性2.淬透性3.切削性1.焊接性——指金属材料在采用一定的焊接工艺包括焊接方法、焊接材料、焊接规范及焊接结构形式等条件下，获得优良焊接接头的难易程度。氩弧焊技术——在普通电弧焊的原理的基础上，利用氩气对金属焊材的保护，通过高电流使焊材在被焊基材上融化成液态形成溶池，使被焊金属和焊材达到冶金结合的一种焊接技术，由于在高温熔融焊接中不断送上氩气，使焊材不能和空气中的氧气接触，从而防止了焊材的氧化，因此可以焊接铜、铝、合金钢等有色金属。例：钛的焊接焊接性包括两方面的内容：①工艺焊接性：金属材料在一定焊接工艺条件下，形成焊接缺陷的敏感性。决定工艺焊接性的因素有：工件材料的物理性能，如熔点、导热率和膨胀率，工件和焊接材料在焊接时的化学性能和冶金作用等。当某种材料在焊接过程中经历物理、化学和冶金作用而形成没有焊接缺陷的焊接接头时，这种材料就被认为具有良好的焊接性。②使用性能：某金属材料在一定的焊接工艺条件下其焊接接头对使用要求的可靠性，也就是焊接接头承受载荷的能力，如承受静载荷、冲击载荷和疲劳载荷等，以及焊接接头的抗低温性能、高温性能和抗氧化、抗腐蚀性能等。焊接性的评价：间接法估算（碳当量法、冷裂敏感指数法等）直接法评价（力学、理化、裂纹、断裂实验等）碳当量法评价钢材的焊接性适用性广。碳当量是把钢中的合金元素(包括碳)的含量，按其作用换算成碳的相对含量。国际焊接学会推荐的碳当量w(C当量)公式为：％）＋＋＋＋＋＋＝当量10015CuNi5VMoCr6MnC)(C)(w)(w)(w)(w)(w)(w)(w[w①当w(C当量)0.4％时，钢材的塑性良好，淬硬倾向不明显，焊接性良好。在一般的焊接技术条件下，焊接接头不会产生裂纹，但对厚大件或在低温下焊接，应考虑预热；②当w(C当量)在0.4～0.6％时，钢材的塑性下降，淬硬倾向逐渐增加，焊接性较差。焊前工件需适当预热，焊后注意缓冷，才能防止裂纹；③当w(C当量)0.6％时，钢材的塑性变差。淬硬倾向和冷裂倾向大，焊接性更差。工件必须预热到较高的温度，要采取减少焊接应力和防止开裂的技术措施，焊后还要进行适当的热处理。2.淬透性——表示钢在一定条件下淬火时获得淬透层深度的能力，主要受奥氏体中的碳含量和合金元素的影响。在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。即钢淬火时得到淬硬层深度大小的能力，它表示钢接受淬火的能力。钢材淬透性好与差，常用淬硬层深度来