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1、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
2、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
3、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
4、，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
5、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
6、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
7、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（M
8、Pa）,凸模接触液面后，液锻力从P0P0，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h1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P0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h2。,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P0为恒定值时，
9、P0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h3。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P0，保证四个阶段顺利完成。如果P0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
10、、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（0.515m/s）通过浇道压入型腔，实现充型。（压铸是以高速，约1570m/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
11、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(PP0),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
12、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326335W/(mK)。在150MPa压力下凝固时，其导热率为352356W/(mK
13、)。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
14、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
15、成分的影响，可用合金种类系数K1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K2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=K1K2,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
16、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
17、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、
18、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
19、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,
20、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。,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）。,液态模锻成形件,LD10自行车曲柄管接件,液态模锻成形件,钢
21、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。,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
22、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
23、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,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
24、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
25、 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,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,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
26、,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 780800 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
27、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
28、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,
