液锻件组织和缺陷分析 挤 压 料 缸 带 入 夹 渣 图 挤 压 纹 铸 的 件 部 上 位 容 图 易 例 产 生 裂 十、液态模锻设备 1. 普通油压机 2 专用液态模锻压机 液态模锻设备 2. 专用液态模锻压机 2 专用液态模锻压机 液态模锻设备 液态模锻设备 液态模锻设备 液态模锻设备 液态模锻液压机 液态模锻生产线 八．应用实例 十一、液态模锻应用 钢平法兰液态模锻件规格和尺寸 铝活塞液态模锻 Φ 100mm 钢平法兰液态 模锻模具 钢平法兰液态模锻件 力学性能 铝活塞液态模锻 解放牌汽车铝活塞液态模锻图 解放牌汽车铝活塞毛坯图 铝活塞液态模锻 解放牌汽车活塞的力学性能 管的液态模锻成形 液态模锻成形件 液态模锻工艺对所加工材料没有限制，适用于低熔点合金（如镁、 锌、铝和铜等），也适用于高熔点合金（如铁、高温合金等）。 其中， 合金液态模锻最有代表性莫过于铝合金活塞和锌合金壳体零件。 100mm 80mm 液态模锻铝合金活塞 锌基合金壳体零件 液态模锻工艺基础 第二阶段－压力下结晶 凸模接触液面后，液锻力从 P 0 ～ P 0 ，在其内部产生压强 p ， 使散热逐步加强，结晶进程加快。 结晶过程中形成的微小空隙得到充分的合金液补缩。 压力下结晶，获得组织致密、晶粒细小的组织。 合金液收缩和凝固，液面下降，凸模要下移 h 1 距离。 P / 0 P 0 P 0 p ? A 0 p －比压力（ MPa ） 液态模锻工艺基础 第三阶段－压力下结晶－塑性变形 压力下结晶的结果是结壳，液面下降。 在 P 0 作用下，壳体被镦粗（塑性变形），凸模下降 重新与液面接触，形成新压强 p // ，又出现压力下结晶 过程。在此阶段，压力下结晶过程－塑性变形交替进行 ，直至合金液全部凝固为止，凸模下降 h 2 。 V 收 ? V 液 h 1 ? h 2 ? ? A 0 A 0 ? －合金液体收缩率 V 收 －合金液收缩的体积 在此过程中，凸模、锻件和模壁间要产生摩擦，消 耗功，当 P 0 为恒定值时， P 0 在合金液内部产生的压强 p 不 断下降、变小，有压力损失。 液态模锻工艺基础 第四阶段－塑性变形 液态合金全部凝固后，温度下降，液锻件因固态收缩 而离开模壁，产生间隙，在足够大的作用下，液锻件产生 塑性变形后仍与模壁接触，凸模下降 h 3 。 塑性变形量较小，但对锻件的性能、表面上的质量和尺寸精 度起着重要的作用。 总的压下量 h ? h 1 ? h 2 ? h 3 ? ? ? ( 1 ? ? ) ? 1 ? ? V A 0 液 液态模锻工艺基础 讨论：获得合格的液锻件，必须施加足够大的液锻力 P 0 ， 保证四个阶段顺利完成。 如果 P 0 不足，会不能完成三、四阶段，在制件芯部会出现 枝晶组织，影响性能。 (a) (b) (c) (d) (e) 液态模锻工艺基础 （ 2 ）挤压液锻过程 亦分四个阶段： 第一阶段是液体金属在压力下流动、 充型并结壳。 二、三、四阶段与静压液锻相同。 ? 注意：液锻方法不一样，压力损失不同。 一般正挤压液锻较反挤压液锻压力 损失小。 ? 分型面不同，压力损失有差别。 液态模锻工艺基础 （ 3 ）间接液锻过程 本质上与 1 ）、 2 ）两种不同，与立式压铸相似，不同之处在于 设计原则与工艺参数不同。分三个阶段 第一阶段－压力下充型 压力下，一定速度（ 0.5 ～ 15m/s ）通过浇道压入型腔，实现 充型。（压铸是以高速，约 15 ～ 70m/s ） 第二阶段－压力下结晶 合金液在惯性力作用下压紧模壁，散热、迅速结壳。 第三阶段－压力下结晶 压头的压力使合金液产生很大的压强 p ，在 p 的作用下合金 液完全凝固。 液态模锻 —— 成形初期 以填充侧面间隙为主 首先形成敞口硬壳 合模后硬壳封闭，压力作用使壳体变形 表观现象： 冲头发生下移，位移量较大 金属侧向填充，消除间隙 作用力随冲头下移缓慢升高 液态模锻 —— 成形中期 以制件高度压缩为主，补充收缩 特征： 形成闭合的凝固带，并不断向中心移动 已凝固部分塑性变形分布明显不同 凝固带在内外压力下产生结晶 未凝固部分处于三向压应力作用 液态模锻 —— 成形末期 纯液相区已消耗完，仅留中心凝固结晶 区，随即进入闭式模锻阶段 —— 此处最 容易出现疏松 力 - 行程曲线 —— 塑性变形量很小，力有 所增长但不大，基本处于保压阶段 最终变形类同普通闭式模锻 液态模锻工艺基础 挤压力不足时铸件缺陷示意图 (PP 0 ) 挤压过程中冲头局部受阻形式缺陷示意图 液态模锻工艺基础 2 ．液锻过程压力的作用 压力对合金物理参数的影响 ：合金的熔点、导热率、密 度、结晶潜热 (1) 对熔点的影响 压力与合金熔点之间有如下的近似关系 ， ? T ? T 熔 （ V 液 － V 固 ） 熔 4186 . 8 ? Q ? p ? 100 熔 Q 熔 － 单位质量金属的熔化潜热 ， J/kg 。 液态模锻工艺基础 ? 凝固时体积收缩的合金，如铝、铁、铜、铝－硅等： 随压力增加，熔点（凝固点）升高， 在其它条件不变时，加大压力可使过冷度增大，加速结晶 的进程； ? 凝固时体积膨胀合金，如铋、硅、锑等，压力的作用刚 好相反。 (2) 对导热率的影响 ? 压力下结晶凝固的合金，其组织致密，原子间的平均距离 缩短，导热率提高。 ? 以纯铜锭为例 : 大气压力下凝固时，其导热率为 326 ～ 335W/(m· K) 。 在 150MPa 压力下凝固时，其导热率为 352 ～ 356W/(m· K) 。 提高约 6 ％ 。 液态模锻工艺基础 (3) 对密度的影响 实验指出，在一些范围内，压力的增加对密度有明 显的提高。 压力增大，密度增加，在某一压力下达到最大值； 继续增加压力，会使金属内部位错增加，其密度反而下 降。 液态模锻工艺基础 (4) 压力对合金结晶过程的影响 液态金属的结晶与临界晶核尺寸、形核率、形核功、 过冷度及晶粒数有关。 凝固时体积收缩合金： 增加压力使临界晶核尺寸和形核功减小，有助于晶核 生成。 压力提高过冷度，有利于成核率。 压力还可以破碎长大的枝晶、使其脱落形成新晶核， 细化晶粒。 凝固时体积膨胀合金 ，相反 。 液态模锻工艺基础 (5) 压力对偏析的影响 压力使合金液凝固过程十分迅速，合金液的元素来不 及分解、扩散，偏析现象大为减少，尤其是比重偏析。 实践中发现，在液锻件厚大部位的中心处常常发现低 熔点共晶富集，异常偏析。 液态模锻工艺基础 (6) 压力对气体析出的影响 压力可增加气体在合金液中的溶解度，并可阻止合金液的气体析 出，防止液锻件产生气孔、针孔等。 (7) 压力对尺寸精度和表面粗糙度的影响 足够的压力使液锻件紧密贴模，尺寸精度高，表面光洁。 液态模锻工艺基础 3 、液锻过程的主要工艺参数 （ 1 ）比压力 比压力 p 是指液锻时，液锻力作用在合金液 上所形成的压强。它与液锻力的关系可用 表示。 P 0 p ? A 0 所需比压力 p 的大小： 液锻合金成分，液锻件 形状、尺寸、使用上的要求，液锻方式有关。 液态模锻工艺参数 合金成分：高温下屈服极限高的合金，采用较大的 比压力 p 。 计算时，合金成分的影响，可用合金种类系数 K 1 来考虑。 液态模锻工艺参数 液锻方式：可用液锻方式系数 K 2 来考虑。 液锻件的形状、尺寸对比压力 p 的影响，用相对高 度 H/a 来考虑 。 相对高度 H/a 愈大，相对结晶壳就愈长、愈厚， 摩擦阻力愈大，塑性变形时消耗的能量大。 液态模锻工艺参数 比压力可采用下面的经验公式： 来计算。 铝合金负重轮的比压力 p 的计算，液锻方式为挤压液锻， H/a=120/540=0.23 ， H/a1 时，形状、尺寸影响可 忽略 不计。 间接液锻时 p=K 1 K 2 液态模锻工艺参数 （ 2 ）液锻速度 液锻速度是指冲头（压头）与合金液接触后的合金液 充型速度，或凸模下降速度。 液锻速度 ：主要根据合金液体的粘度 速度太低 ：自由结壳层厚，降低加压效果 速度太高 ： 模具间隙小，金属液卷气，液锻件有气孔。 模具间隙大，合金液飞溅，金属液不足，超差报废 液态模锻工艺参数 （ 3 ）液锻温度 合金液温度尽量低些，减少液锻件的含气量，并可防 止模具过热而粘模。 温度太低，常常会产生金属豆，冷隔，液锻件表面质 量差 。 液态模锻工艺参数 温度太高：液锻件含气量高和粘模 内外温差大，当外部凝固成较厚的外壳后， 中心部位仍处于高温液态，这样，中心部位凝固时无法 得到足够的金属液补缩，产生缩孔或疏松。 一般选取液相线 度。 液态模锻工艺参数 （ 4 ）模具的温度 液锻模的温度对锻件质量及模具寿命产生影响较大。 模具的温度过低 : 合金液浇入型腔后迅速凝固，形成 金属豆，冷隔或较厚的金 属硬壳 模具的温度过高 : 金属液粘模，使液锻件表面拉伤，造成模具严重磨损， 模具强度降低，易发生变形和破坏 。 八、液态模锻设计步骤 1 ．依照产品零件，，绘制液锻件图 主要考虑下面几个因素： 1) 选择液锻方式， 2 ）收缩率， 3 ）拔模斜度， 4 ）圆角。 2 ．模具结构设计 主要考虑下面几个因素： 1 ）确定分模面， 2 ）成形型腔设计和强度计算， 3 ）凸、凹模间隙的确定， 4 ）确定比压力 p ，选择设备。 3 ．排气系统模块设计 4 ．脱模机构设计 5 ．模温控制管理系统 1 ）加热系统， 2 ）冷却系统 九、液锻件组织和缺陷分析 液锻件的组织状态基本属于铸态结晶组织，但晶粒 细小，致密，缩孔、疏松基本消除。 液锻件易产生的缺陷及原因 1 ．缩孔，疏松和表面气孔 原因： 1 ）合金冶炼中，精练除气不好。 2 ）模具排气不好。 3 ）压力不足，未能完成补缩。 4 ）壁厚不均匀，压力传递困难，各部凝固 收缩速度不同。 液锻件组织和缺陷分析 2 ．偏析 枝晶偏析、化学偏析、比重偏析原因；某些合金在压力下凝固 ，促使低熔点相远离结晶前沿，形成偏析。 3 ．夹渣和氧化物 原因： 为冶炼带来的，精练未除净。有色合金易在浇注过程中也产 生氧化物。 4. 裂纹 原因： 1 ）制件各部壁厚不均匀，不能同时凝固， 2 ）传力困难，各部受 力不均匀。两种情况导致产生大的拉应力 ，造成裂纹。 液锻件组织和缺陷分析 ZA13 合金铸态和液态挤压件组织 金属型自由凝固 液态挤压成形 （横截面） 液态挤压变形方向 液锻件组织和缺陷分析 直接冲头挤压铸造 7A04 铝合金形成 异常偏析示意图 二次液流冷隔形成示意图 直接冲 头挤压 冷隔形成示意 图 液 态 模 锻 一、金属的成形（成型）方法 机械加工 焊接 焊接 金 属 坯料 凝固成形 塑性成形 砂型 重力铸造 差压铸造 离心铸造 压力铸造 金属型 熔模 体积成形 板材成形 锻造 挤压 轧制 粉末 冲压 旋压 电磁 内高压 自由锻 模锻 金属的成形（成型）方法 压力铸造设备及成形示意图 金属的成形（成型）方法 离心铸造设备及成形示意图 金属的成形（成型）方法 差压铸造设备及成形示意图 铸造成形方法 机械 加工 有 切削 ， 材料有损耗 能够成型较复 杂形状的零件 材料加工工程通常指 金属通过液态流动成型 或通过固态塑性变形获 得近净金属零件的成形 （成型）方法，即铸、 锻、焊，特点

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