液态模锻工艺介绍课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,液 态 模 锻,.,一、金属的成形（成型）方法,焊接,金,属,坯料,机械加工,焊接,凝固成形,塑性成形,重力铸造,差压铸造,离心铸造,压力铸造,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,砂型,金属型,熔模,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,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,少无切削,。,塑性成形方法,金属的成形（成型）方法,模锻视频,金属体积成形方法分类,二、液态模锻成形技术的发展概况,液态模锻技术,前苏联,1937,年,应用于军事及高科技范围,金属构件的制造,该工艺属铸、锻结合工艺，原从事锻压专业的学者称其,为液态模锻,从事铸造专业的人命其名为挤压铸造,但其内容是一致的,液态金属在模具中经过加压成型,结晶凝固。因而它与铸,锻有着不可分离的“血缘关系”。液态模锻是一种省力、,节能、材料利用率高的先进工艺。液锻件一般很接近工,件最终加工尺寸,质量高,因而为越来越多的国家的学者,和厂家接受和应用。,液态模锻成形,液态模锻工艺过程,是,将液态金属直接浇到模具型腔，然后在较高压力下使其迅速充满型腔，凝固并产生少量的塑性变形，从而获得轮廓清晰，表面光洁，尺寸精确、晶粒细小、组织致密、机械性能优良的制件。,液态模锻成形,金属熔炼,模具准备,浇注,液锻,脱模,产品,模具复位，喷涂料,熔化,浇注,顶出,加压,三、液态模锻工艺流程,已凝固金属在压力作用下产生少量塑性变形，制件轮廓清晰，性能介于锻件和铸件之间,液锻件性能远高于铸件；,整体性能接近锻件，,但能成形较复杂形状的制件，,且省力,1/5,以上。,四、液态模锻工艺,1,、液锻的工艺特点,金属始终在压力下完成凝固、结晶。好处：,强制补缩，防止出现缩孔缩松,压力直接作用在金属液面上，压力利用率高,与铸件比无浇道系统和冒口，节材,10,以上。与锻件比无飞边。,能成形复杂制件，主要靠流动成形，对模具磨损小,模具工作温度高，成形黑色金属时寿命短,液态模锻与压铸的区别,液态金属注入模腔的方式不同,低速浇入，排气良好,压力传递方式不同,压力直接作用并始终保持,组织性能不同,组织细密，力学性能提高,液态模锻与常规模锻的区别,毛坯与模膛形状基本一致，塑性变形量小，不会产生锻造流线,适于成形复杂形状，且所需设备吨位大幅度降低,液态模锻的适用范围,各种金属、非金属、复合材料,有色金属取得广泛应用（尤其铝合金）,特别,适合于纤维或颗粒增强复合材料,适用于复杂形状、对力学性能有一定要求的零件,壁厚不能太薄，也不能太厚,（,550mm,）,（,1,）静压液锻,合金液不产生大量的流动，液锻形状主要靠浇注时定型。压力的作用主要是加速（影响）合金液的凝固并产生塑性变形。分单、双向静压液锻。单向液锻,h/d5,双向液锻,h/d5,五、液态模锻分类,1,、按金属流动方式,（,2),挤压液锻,液锻时，浇入的合金液在凸模作用下迅速流动、充型，接着在高压下凝固和产生少量的塑性变形,（,1,）正挤压液锻。（,2,）反挤压液锻。（,3,）复合挤压液锻。,液态模锻分类,反挤压液锻,正挤压液锻,挤压液锻的特点,：,在压力下充型的合金液流动好，较易获得轮廓清晰、表面光洁的制件，初生的树枝晶在流动中破碎形成大量的晶核，可获得细晶组织，最后在高压下凝固核塑性变形，产品组织致密，性能高。,液态模锻分类,复合挤压液锻,液态模锻分类,平冲头间接加压,加压前,加压后,合金液在压力作用下，通过内浇道压入型腔、充型、凝固，获得产品的液锻方式，叫间接液锻。,（,3,）间接液态模锻,与立式压铸相似，不同点：浇道短、截面大，充型速度低，保压时间长，能生产壁厚较大、形状复杂的产品，充型时不会有气体卷入。,平冲头间接加压,平冲头直接加压,液态模锻分类,2,、按加压冲头形状分类,（,1),平冲头加压,实心制件,通孔制件,平冲头间接加压,加压前,加压后,（,2,）异形冲头加压,凸式冲头加压,凹式冲头加压,液态模锻分类,液态模锻工艺方法选择,壁厚差别大的零件,正挤压液锻,壁厚均匀的零件,反挤压液锻,形状复杂的零件,复合挤压间接液锻,六、液态模锻成形方式选择原则,杯形件,凸式冲头,小型，形状复杂,上端面有凸台并带有内腔和孔,复合式冲头,间接液态模锻,六、液态模锻凹模结构形式,六、液态模锻凹模结构形式,（,1),静压液锻过程,分四个阶段：,第一阶段结壳,液态金属浇入模具后，由于具有一定粘度，液面呈现凸、凹不平，在静压力作用下迅速压平；合金液在低温模壁强烈散热作用下沿模壁迅速结晶（凝固），形成外壳；随时间增长，外壳层不断增厚，固液相间的温差不断减小，结壳速度逐渐减慢,。,七、液态模锻工艺基础,1.,液锻过程,壳层在较大温差下迅速结晶形成，壳体较薄，尚未有枝晶形成，组织致密、晶粒细小，性能高。（液锻力），仅起压平液面的作用，其在合金液内部产生的压强（比压力）近似为,0,。,压平后的液面高度,液态模锻工艺基础,液态模锻工艺基础,p,比压力（,MPa,）,凸模接触液面后，液锻力从,P,0,P,0,，在其内部产生压强,p,，使散热进一步加强，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。,第二阶段压力下结晶,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,/,，再次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,。,液态模锻工艺基础,合金液体收缩率,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。,V,收,合金液收缩的体积,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、表面质量和尺寸精度起着重要的作用。,液态模锻工艺基础,总的压下量,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。,液态模锻工艺基础,注意：液锻方式不同，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。,（,3,）间接液锻过程,本质上与,1,）、,2,）两种不同，与立式压铸相似，区别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。,液态模锻工艺基础,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,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,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,Q,熔,单位质量金属的熔化潜热,，,J/kg,。,2,液锻过程压力的作用,液态模锻工艺基础,(1),对熔点的影响,压力与合金熔点之间有如下的近似关系,，,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；,液态模锻工艺基础,凝固时体积膨胀合金，如铋、硅、锑等，压力的作用刚好相反。,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/(mK),。在,150MPa,压力下凝固时，其导热率为,352,356W/(mK),。提高约,6,。,(2),对导热率的影响,实验指出，在一定范围内，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,(3),对密度的影响,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,(4),压力对合金结晶过程的影响,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,(5),压力对偏析的影响,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。,液态模锻工艺基础,(6),压力对气体析出的影响,(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。,（,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。,液态模锻工艺基础,所需比压力,p,的大小：,液锻合金成分，液锻件形状、尺寸、使用要求，液锻方式有关。,3,、液锻过程的主要工艺参数,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,合金成分：高温下屈服极限高的合金，采用较大的比压力,p,。,液锻方式：可用液锻方式系数,K,2,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,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,。,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,：主要取决于合金液体的粘度,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。,液态模锻工艺参数,一般选取液相线温度以上,50100,度。,（,4,）模具温度,液锻模的温度对锻件质量及模具寿命影响较大。,液态模锻工艺参数,模具温度过低,:,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，易产生变形和破坏,。,1,根据产品零件，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,排气系统设计,4,脱模机构设计,5,模温控制系统,1,）加热系统，,2,）冷却系统,八、液态模锻设计步骤,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。,九、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,直接冲头挤压冷隔形成示意图,二次液流冷隔形成示意图,液锻件组织和缺陷分析,挤压料缸带入夹渣图,挤压铸件上容易产生裂纹的部位图例,液锻件组织和缺陷分析,1.,普通油压机,2,专用液态模锻压机,十、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,液态模锻设备,液态模锻生产线,液态模锻液压机,钢平法兰液态模锻件规格和尺寸,八应用实例,十一、液态模锻应用,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,解放牌汽车铝活塞毛坯图,铝活塞液态模锻,解放牌汽车铝活塞液态模锻图,解放牌汽车活塞的力学性能,铝活塞液态模锻,管的液态模锻成形,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。,80mm,100mm,液态模锻铝合金活塞 锌基合金壳体零件,液态模锻成形件,下图是采用液态模锻技术成形的凿岩机缸体零件，该零件为钢质零件，重,10kg,，此项目为国家,“,六五,”,攻关课题。研究成果,“,凿岩机缸体液态模锻工艺研究,”,获航天部科技进步二等奖（,1987,）。,凿岩机缸体零件,（质量,10kg,，低碳钢）,100mm,液态模锻成形件,LD10,自行车曲柄管接件,液态模锻成形件,150mm,钢质液态模锻件（质量为,2kg-80kg,）,液态模锻成形件,利用液态模锻技术成形的大型零件,液态模锻成形件,利用液态模锻技术成形的有色金属零件,液态模锻成形件,十三、负重轮的液态模锻成形研究与应用,负重轮液态模锻模具示意图,负重轮零件图,82,采用,Procast,软件对成形凝固过程进行数值模拟。,模拟参数,浇注温度,720,模具预热温度,300,（下模）,200,(,上模,),比压,50 MPa,保压时间,30s,负重轮数值模拟的几何模型,1,、简单加载下负重轮,液态模锻成形的,数值模拟,83,（,1,）温度场模拟结果,制件在凝固不同时刻的固相分数分布,a)t=0.152s b)t=0.368s,c)t=3.439,d)t=13s,e)t=23s,金属液充型结束至完全凝固需要大约,23s,。在制件的转角处存在金属液的最后凝固区，这些最后凝固区的金属液凝固收缩时，受周围已凝固金属的阻碍，会产生拉应力，在此区可能会形成裂纹和缩孔缩松。,84,（,2,）制件在充型后不同时刻的温度分布,a)t=0.152s b)t=0.368s,c)t=3.439s d)t=23s,温度最高的区域为制件直壁与底面的转角处。在加压,23s,时制件凝固已经结束，温度在,510,左右,。,85,制件特征点取样位置,固相分数随时间的变化曲线,温度随时间的变化曲线,86,（,3,）负重轮制件缩孔缩松位置,在制件的直壁与底面的转角处存在金属液的最后凝固区，此区域的金属凝固收缩时得不到周围已凝固金属的有效补缩，就会产生缩孔缩松缺陷。,87,（,4,）应力场模拟结果,制件不同部位的第一主应力,制件不同部位的热裂指数,制件凝固过程中最大拉应力发生在制件的直壁与底面的转角处，且此处也是热节最集中的地方，所以此部位是发生热裂的危险区域。,88,特征点取样位置,第一主应力随时间的变化曲线,应变随时间的变化曲线,最大拉应力和最大应变都发生在制件直壁与底面的转角处,89,2,、负重轮简单加载液态模锻试验,负重轮液锻模具结构图,模具,90,2A50,来料检查、清洗,模具预热温度,200,300,150,左右喷石墨润滑剂,铝合金熔炼，至,720,保温,30,分钟精炼,将铝液倒入模具,合模，加压、保压,30s,开模，顶出制件,负重轮液态模锻成形工艺流程图,91,45kW,铝合金熔炼炉和,2000KN,液态模锻压力机,负重轮制件,92,裂纹,3,、简单加载成形的负重轮缺陷分析,气孔,内部缩松,93,先凝固区,（直壁和底部）,后凝固区,（热结，转角处）,限制金属转移,需要周围金属补缩,两区产生内部拉应力,热结处产生内部微裂纹,扩展为转角处横向裂纹,内部裂纹,横向裂纹,横向裂纹多出现在制件内部直壁与底部的转角处,产生的主要原因：凝固的不均匀性,94,纵向裂纹,制件留模时间过长,制件直壁部分紧箍在模具凸模上,铝合金热收缩大于钢热收缩,产生收缩热应力直壁圆环受内压,直壁周向受拉应力纵向裂纹,纵向裂纹,控制措施：严格控制保压时间,25-30s,95,缩孔缩松缺陷,多发生在制件的转角处,原因：,后凝固金属收缩时受已凝固金属的阻碍，得不到有效补缩。,制件转角处内部缩松,96,制件的金相组织,直壁和底部分别取样,直壁 底部,制件直臂，晶粒大小不均匀，存在局部细化程度较高的区域。,制件底部，较直壁其晶粒形状和尺寸均匀，圆整度高。,97,密度测试,实验项目,1,2,3,4,密度,（,g/cm,3,）,2.7307,2.73113,2.74426,2.74472,取样位置,制件直壁部分的密度值低于制件底部的密度值，简单加载成形的负重轮制件密度不均匀。,98,力学性能测试,拉伸试样取样位置,实验项目,1,2,3,抗拉强度,b,（,MPa,）,254.8,342.9,347.4,断后伸长率,（,%,）,4.2,6.25,6.37,制件直壁部分的抗拉强度和断后伸长率明显低于制件底部，而底部两部位的抗拉强度和伸长率相差不大。采用简单加载方式成形的制件力学性能不均匀。,99,4,、负重轮复合加载液态模锻试验研究,采用复合加载方式（右半侧），即在最后凝固区域或易产生宏观缺陷的区域（负重轮制件的直壁与底部的转角处）施加局部载荷进行金属补缩。,复合加载液锻模具结构图,复合加载示意图,液态模锻过程中的复合加载和局部补缩技术,（,Zl2006 I00102903,）,101,负重轮的复合加载成形实验，主要是通过调节碟簧的弹性变形量来控制补缩量，补缩量参数为：,2,，,4,，,6,，,8,，,10mm,。补缩量达到,6mm,时制件表面缺陷消失。,无宏观缺陷的负重轮制件,负重轮的液态模锻成形,具体工艺流程,：,试验准备,铝熔化、预制块预热、,模具预热、预制块入模具,出炉,浇注,780,800,渗入,740,内加压块下行,本体液态模锻,外加压下行,半固态模锻：耐磨圈,成形、与本体复合,卸压,力学性能：屈服强度：,300MPa,，抗拉强度：,380MPa,，延伸率：,5%,。,性能考核：下图是两种耐磨圈的负重轮制件，均提供给北京,618,厂进行装车考核，现已完成,5000km,跑车,.(2003),负重轮的液态模锻成形,负重轮制件,液态模锻力学冶金学理论研究，国家教育部科技进步一等奖，,1999.1,液态模锻基础理论研究，国家教委科技进步二等奖，,1988.5,凿岩机缸体液态模锻工艺研究，航天部科技进步二等奖，,1987,钢平法兰液态模锻工艺的研究，国防科委科技进步三等奖，,1982,塑料型腔液态模锻成形工艺的研究（含锌基合金液态模锻,Y100,电机 风罩冲模），航天部科技进步三等奖，,1987.11,铝合金固,-,液挤压成形基础研究，航天工业部科技进步二等奖，,1994.12,液态挤压成形工艺理论研究，陕西科技进步三等奖，,1997.1,液态挤压成形铝合金管、型材的工艺研究，国家航空公业总公司科技进步二等奖，,1996.12,铝,-,硅线石复合材料液态挤压工艺的研究，黑龙江省教委科技进步二等奖，,1997,哈工大在液态模锻技术领域获得科研奖励,融合铸、锻工艺优点，发明了液态浸渗挤压、局部加载定域补缩、铸锻双控成形等系列新技术，解决了常规方法难以成形的高性能铝、镁合金及复合材料复杂构件的制造问题，在国防装备关键零件和民用产品上实现批量生产应用。,多种构件用于装甲车、军用舰艇、枪械和飞机等,用于民用铝、镁合金型材及制件成形,授权发明专利,14,项，出版专著,2,部，发表学术论文,108,篇，,SCI,收录,73,篇，,EI,收录,108,篇,液固高压成形轻质合金及其复合材料工艺与控制技术,（,2012,年国家科技发明二等奖）,国家科技奖,主要完成人：齐乐华、李贺军、罗守靖、杜之明、姜巨福、周计明,