金属材料制备课件：熔炼、铸造与锻造

金属材料制备课件熔炼、铸造与锻造本课件系统介绍了金属材料制备的三大核心工艺熔炼、铸造与锻造这些工艺构成了现代金属材料加工的基础，对于工程材料的性能和应用至关重要课程内容涵盖各工艺的基本原理、技术演变、操作方法以及最新发展趋势通过学习本课程，学生将掌握金属材料从原料到成品的完整制备流程，了解工艺参数对材料性能的影响，为今后从事材料研发与工程应用奠定坚实基础课程简介金属材料制备的重要工程应用领域广泛性金属材料广泛应用于建筑、金属材料制备是现代工业的航空航天、汽车、机械、电基础，直接影响材料的物子等众多行业不同领域对理、化学和机械性能精确材料性能要求各异，需要通控制的制备工艺可以定向调过特定制备工艺实现性能优控材料的组织结构和性能，化满足不同工程需求本课程三大模块介绍本课程分为熔炼、铸造和锻造三大核心模块，循序渐进地介绍金属材料制备的完整流程，涵盖基础理论、工艺方法、设备应用及未来发展趋势金属材料的定义金属与合金概念主要分类性能与应用简介金属是具有金属键结合的元素，特征为金属材料主要分为黑色金属和有色金金属材料具有强度高、韧性好、导电导良好的导电导热性、延展性与金属光属黑色金属以铁为基础，包括各种钢热性能优异等特点，可通过热处理和加泽合金则是由两种或多种元素组成的铁材料；有色金属则包括铝、铜、镁、工调控组织结构和性能在工业领域应具有金属特性的物质，通过合金化可以钛等非铁金属及其合金，种类丰富，性用广泛，从日常用品到高端装备制造都获得优于纯金属的综合性能能各异离不开金属材料制备工艺概述熔炼工艺熔炼是金属材料制备的第一步，将固体金属原料加热至熔融状态，调整成分，去除杂质，为后续工艺奠定基础熔炼质量直接影响金属材料的纯度和基本性能铸造工艺铸造将熔融金属注入模具中，凝固成型通过控制浇注参数、凝固过程，可获得不同组织结构的铸件铸造是复杂形状金属零件制备的主要方法之一锻造工艺锻造通过对金属施加压力和变形，改变金属内部组织结构，提高材料力学性能锻造制品通常具有更高的强度和韧性，是高性能零部件的重要制备方法这三种工艺环环相扣，共同构成了金属材料制备的核心流程，每个环节都对最终材料性能产生重要影响课程学习目标综合应用能够设计合理的制备方案熟悉锻造方法和设备掌握不同锻造工艺及应用场景理解铸造操作与控制掌握铸造工艺参数设定和缺陷控制掌握熔炼基本原理理解熔炼过程热力学和动力学基础通过本课程的学习，学生将系统掌握金属材料制备的理论与实践知识，能够分析材料制备过程中的技术要点和常见问题，具备解决实际工程问题的能力同时培养学生对新技术、新工艺的敏感性和适应能力金属熔炼概述熔炼的基本定义熔炼的主要目的熔炼是将固体金属原料加热至熔熔炼的主要目的包括实现合金点以上，转变为液态的过程在元素的精确配比；降低有害元素液态下进行成分调整、杂质去除含量；减少气体和非金属夹杂和气体控制，为获得高质量金属物；调整熔体成分均匀性；为后材料奠定基础熔炼是金属材料续铸造或其他成形工艺创造良好制备的起点和关键环节条件不同金属的熔炼差异不同金属因熔点、活性、与氧亲和力等特性差异，熔炼方式各异钢铁通常在氧化性氛围中熔炼，而铝、镁等活泼金属则需在保护性或惰性气氛中进行，以防止氧化和燃烧熔炼历史与发展远古时期1人类最早的金属冶炼可追溯至公元前5000年左右，最初发现铜矿石在火中能熔化并成形古埃及和两河流域文明发展了青铜冶炼技术，标志着青铜时代的开始铁器时代2公元前1200年左右，人类掌握了铁的冶炼技术早期铁器制造采用块炼法，即在煅烧炉中将铁矿石与木炭混合加热，获得海绵铁，再通过锻打去除杂质工业革命时期318世纪工业革命后，高炉炼铁技术迅速发展，焦炭代替木炭作为还原剂1856年，贝塞麦发明转炉炼钢法，大幅提高了钢的产量，推动现代工业发展现代熔炼技术420世纪以来，电弧炉、感应炉等电气化熔炼设备广泛应用真空熔炼、电子束熔炼、等离子熔炼等特种熔炼技术的出现，极大提高了特殊合金的纯度和性能熔炼热力学基础相图简介熔炼过程中的相变温度对溶解度的影响相图是表示合金在不同温度和成分下平熔炼过程中，随温度变化会发生固态大多数元素在金属熔体中的溶解度随温→衡相组成的图表，是指导熔炼的重要工液态的转变对于多元合金，不同成分度升高而增加这一特性可用于合金元具系统相图指导钢铁熔炼，可能在不同温度下熔化，形成熔化温度素的添加和溶解，特别是高熔点元素的Fe-C Al-系统相图则对铝合金熔炼至关重要范围而非单一熔点加入通常需要更高的温度Si在熔化过程中，不同元素可能发生选择温度还影响气体在熔体中的溶解度，如相图上的液相线和固相线决定了合金的性氧化或挥发，导致成分变化，这一现氢在铝熔体中的溶解度随温度升高而增熔化和凝固温度范围，共晶点和包晶点象在熔炼过程设计中需要考虑并补偿加，在凝固时会析出形成气孔，需要专则对应特殊成分的熔化特性门的脱气处理熔炼动力学过程传热与传质机制熔体搅拌与均匀化熔炼过程涉及复杂的传热与传质现机械搅拌、电磁搅拌或气体吹入等方象熔体中的热量通过对流、传导和式可加速熔体内部的元素均匀化进辐射传递，影响温度均匀性和熔化速程均匀的熔体成分是确保材料性能率同时，添加元素的扩散与均匀分一致性的关键搅拌强度和方式会直布依赖于有效的传质过程接影响合金元素的分布界面反应杂质迁移与去除熔体与炉衬、大气或渣层的界面发生杂质去除是熔炼的主要目标之一非复杂的物理化学反应这些反应可能金属夹杂物通过浮选作用迁移到熔体导致元素迁移、氧化还原过程或夹杂表面形成渣层；某些元素可通过挥发物的形成与去除，对最终金属纯度有或化学反应去除；气体杂质则可通过显著影响降低溶解度或真空处理排出常见熔炼炉型炉型主要特点适用材料优势局限性高炉大型竖式冶生铁生产产量大，连能耗高，灵炼设备续作业活性差电弧炉电极与炉料钢铁和特种温度高，加电极消耗间产生电弧合金热迅速大，噪音高感应炉电磁感应加有色金属及无污染，温初始投资热精炼钢度均匀高，功率因数低电阻炉电阻丝发热低熔点有色操作简单，最高温度有金属温控精确限，升温慢选择合适的熔炼炉型需综合考虑材料特性、生产规模、能源效率和环保要求等因素不同炉型在温度控制、熔体搅拌和杂质去除方面有各自的优势和局限铁基合金的熔炼原料准备与装炉铁基合金熔炼通常以废钢、生铁、合金铁等为原料装炉前需进行成分分析和配料计算，确保最终合金成分精确控制较轻的原料放置在上层，重的放在下层，有利于熔化均匀熔化与氧化期原料在高温下熔化，同时进行氧化精炼此阶段通过添加石灰等造渣剂形成渣层，氧化去除磷、硫等有害元素钢液温度通常控制在1500-1650℃，视具体钢种而定还原期与合金化氧化后，进入还原阶段，添加脱氧剂（如硅铁、铝）去除溶解的氧，并加入合金元素达到成分要求精确控制加入量和加入时机，避免元素烧损和夹杂物形成二次精炼为获得高品质钢铁，常采用真空脱气、电渣重熔等二次精炼工艺这些技术能进一步降低气体含量、去除夹杂物、改善成分均匀性，提高金属纯净度有色金属的熔炼有色金属熔炼因金属特性差异而采用不同工艺铝合金通常在反射炉或感应炉中熔炼，需严格控制温度避免氧化和气体吸收；铜合金熔炼注重脱氧处理，防止氢脆；镁合金极易氧化燃烧，必须使用保护气体或熔剂；而钛、锆等高活性金属则需在真空或惰性气体保护下熔炼有色金属熔炼的关键在于防止氧化、气体吸收和元素烧损，同时确保熔体洁净度和成分精确控制各类金属都有其独特的熔炼难点和解决方案熔炼添加剂与脱氧技术覆盖剂与保护剂精炼剂与净化剂脱氧剂覆盖在熔体表面，隔绝空气与添加到熔体中，吸附非金属夹钢铁熔炼中常用硅铁、铝粒、熔体接触，防止氧化和气体吸杂物并带至表面，或通过化学锰等作为脱氧剂，它们与溶解收常用的有氯化物和氟化物反应转化有害元素如钢铁熔氧反应生成氧化物上浮至渣熔剂，特别适用于铝、镁等活炼中的石灰用于脱硫，铝熔炼层不同脱氧剂脱氧能力和生泼金属的熔炼保护中的氯化盐用于去除钠等碱金成物特性各异，需根据要求选属择晶粒细化剂如铝合金中添加的Ti-B中间合金，能在凝固过程中提供形核位点，细化晶粒，改善力学性能不同合金系统有专门的晶粒细化剂，添加量和时机需精确控制熔炼过程中的杂质控制气体杂质来源与危害脱气技术与设备氢气主要来自原料湿气和空气常见脱气方法包括惰性气体吹湿度，在凝固时析出形成气扫、真空处理和添加脱气剂孔；氧气与金属发生氧化反应惰性气体吹扫利用分压差原理形成夹杂物；氮气则可能形成降低熔体中气体浓度；真空处脆性窒化物这些气体溶解度理则更为高效，特别适用于高通常随温度升高而增加，凝固品质合金；化学脱气通过添加时会析出造成缺陷活性元素，将溶解气体转化为化合物去除杂质控制的工程意义有效的杂质控制直接影响金属材料的力学性能、加工性能和使用寿命气体含量降低能减少铸件气孔率，提高致密度；夹杂物减少则能提高材料的疲劳强度和韧性；纯净度提升对高性能合金至关重要杂质控制需贯穿熔炼全过程，从原料选择到浇注前处理，各环节协同作用才能确保最终金属材料品质熔炼安全生产与环保熔炼作业主要安全隐患高温金属与水接触爆炸风险工业废气与环保措施烟尘净化与有害气体处理典型事故案例分析预防措施与应急处理熔炼作业存在高温烫伤、金属飞溅、有害气体中毒等多种安全风险必须严格遵守操作规程，配备适当的防护装备特别要防止水分进入熔体，这可能导致剧烈的爆炸事故在进行铝、镁等活泼金属熔炼时，还需防范金属燃烧和爆炸危险环保方面，熔炼过程产生的烟尘、废气需通过袋式除尘器、静电除尘器和脱硫脱硝装置处理达标排放熔炼产生的废渣也应妥善处理或回收利用，减少对环境的影响现代熔炼企业都应建立完善的环保管理体系，实现清洁生产浇注温度控制温度对组织与性能的影响温控仪器与测量方法过冷度设计实例浇注温度直接影响金属凝固过程中的结熔体温度测量主要采用热电偶和光学测在铝硅合金铸造中，适当提高过冷度可晶行为温度过高会导致晶粒粗大、偏温仪热电偶需插入熔体直接测量，响以细化共晶硅相，改善合金性能例如析严重、气体溶解度增加，同时增加能应速度快但易受熔体侵蚀；光学测温仪铝合金，浇注温度从降至A356730℃耗和炉衬侵蚀；温度过低则可能导致充则可非接触测量，但受表面氧化膜和烟，可使抗拉强度提高，延690℃5-8%型不良、冷隔和结晶不完全气影响伸率提高10-15%现代熔炼设备通常配备计算机控制系高温合金精密铸造则需要较高的过热度每种合金都有其最佳浇注温度区间，通统，可实时监测和自动调节熔体温度，确保充型完全，但会采用定向凝固技术常为液相线温度以上一定过热度（确保温度稳定在设定范围内，提高生产控制晶粒生长方向，平衡温度与组织需30-不等），需根据合金种类、铸件效率和产品一致性求，获得理想的高温性能150℃大小和复杂程度综合确定自动化与智能化熔炼自动加料与温控系统智能监控与数据追溯熔炼数字化发展趋势现代熔炼设备配备自动加料系统，通过智能熔炼系统通过各类传感器实时监测熔炼行业正向数字化、网络化、智能化计算机控制实现原料的精确计量和添温度、成分、气体含量等参数，发现异方向发展数字孪生技术可模拟熔炼过加温控系统采用闭环控制，根据实时常自动报警并记录全流程数据采集与程，预测参数变化对最终产品的影响；温度数据自动调节功率输出，保持温度存储实现了生产全过程可追溯，方便质人工智能算法则能根据历史数据自动优稳定在设定范围内，减少人为干预量管理和问题分析，同时为工艺优化提化工艺参数，提高产品质量和生产效供数据支持率熔炼质量评估方法主要检测指标典型检测技术化学成分各元素含量及其偏差光谱分析快速测定合金元素含量•••纯度杂质元素总量•X射线荧光无损检测元素分布•气体含量氢、氧、氮溶解量•气体分析仪测定H、O、N含量夹杂物类型、数量、分布和大小金相显微镜观察组织结构••温度均匀性温度场分布扫描电镜分析夹杂物成分和形貌••质量追踪体系批次标识系统原料到产品全程追踪•过程参数记录温度、时间、添加量等•异常情况处理流程记录与改进措施•质量评价标准内部标准与行业规范•可追溯性文档管理电子化记录存储•熔炼典型案例℃吨150020高强度钢熔炼温度大型铸锭单炉容量高速熔炼工艺下温度控制精度可达±5℃连续熔炼可实现年产10万吨级规模

99.99%高纯金属纯度特种熔炼工艺可实现超高纯度某钢厂采用电弧炉-LF精炼-VD真空脱气的工艺路线生产高强度工模具钢，通过严格控制熔炼温度和时间，优化合金元素添加顺序，成功将夹杂物等级控制在2级以下，氢含量降至2ppm以下，显著提高了产品质量稳定性和使用寿命某航空铝合金厂通过改进熔炼工艺，采用新型陶瓷过滤系统和在线氢气分析仪，实现了铸锭质量的大幅提升通过数据分析发现，控制熔体静置时间在40-60分钟之间，可使夹杂物数量减少40%，气孔率降低50%，成品合格率提高15%熔炼小结与疑难解答熔炼基本原理工艺控制要点掌握熔炼的热力学和动力学基础，理成分控制、温度管理、杂质去除和气解温度、时间、气氛对熔炼质量的影体控制是熔炼的核心任务响常见问题解析设备与技术应用分析和解决熔炼过程中的成分偏析、了解各类熔炼设备特点及适用场景，气体吸收、夹杂物控制等问题掌握现代熔炼技术发展趋势熔炼是金属材料制备的第一道工序，其质量直接决定了后续工艺的效果和最终产品性能本章内容从基础理论到工艺应用，系统介绍了熔炼的各个方面学生在掌握这些知识的基础上，应能理解不同金属及合金的熔炼特点，并能针对具体情况选择合适的熔炼方案铸造基础原理铸造定义和分类熔体充型机理凝固与形核理论铸造是将液态金属浇注到预先准备的铸熔体在浇注系统作用下流入型腔，遵循金属凝固始于形核，继而晶粒生长形型中，通过凝固获得特定形状铸件的工流体力学规律充型过程中，熔体与型核分为均匀形核和非均匀形核，工业铸艺过程根据铸型材料可分为砂型铸壁接触产生传热，导致温度降低和流动造中主要是非均匀形核形核率和生长造、金属型铸造、陶瓷型铸造等；按充性变化合理的浇注系统设计应确保熔速度决定了最终晶粒大小，影响材料性型方式可分为重力铸造、压力铸造、低体平稳充满型腔，避免湍流引起的气体能过冷度增加会促进形核，提高晶粒压铸造等；按凝固条件又可分为普通铸卷入和氧化夹杂流动阻力分析和充型细化效果合金的凝固与纯金属不同，造和定向凝固铸造模拟是现代铸造设计的重要工具往往存在凝固温度区间，导致枝晶生长和成分偏析常见铸造工艺工艺类型特点优势局限性典型应用砂型铸造使用砂作为模成本低，适用尺寸精度较低大型机床床具材料范围广身，发动机缸体金属型铸造使用金属模具尺寸精度高，模具成本高汽车缸盖，轮表面光洁毂压力铸造高压将熔体注生产效率高，易产生气孔，复杂薄壁零入模具尺寸精确不适合热处理件，外壳件低压铸造压力较低，充气孔少，致密生产速度较慢铝合金轮毂，型平稳性好高质量铸件离心铸造利用离心力充致密性好，适形状受限，只管道，轴套，型凝固合管状件适合旋转对称轴承座件选择合适的铸造工艺需综合考虑铸件材质、尺寸精度要求、表面质量、生产批量和经济性等因素不同工艺适合不同应用场景，工艺选择直接影响最终产品的性能和成本砂型铸造流程制模与造型首先制作模具，根据铸件形状设计分型面和抽模方向造型时将模具放入型框，填充造型砂并压实，形成型腔砂型主要由石英砂、粘土和添加剂组成，需具备足够的强度、透气性和耐火性制芯与合箱对于有内腔的铸件，需要制作型芯并放入型腔相应位置型芯由芯砂制成，要求强度高、透气性好合箱过程中要确保上下型匹配精确，避免错位造成铸件变形浇注与凝固将熔融金属通过浇口杯注入砂型，熔体沿浇注系统充满型腔浇注速度和温度需严格控制，以确保充型完全和凝固质量随着热量向砂型传递，金属逐渐凝固成形落砂与清理铸件完全凝固冷却后进行落砂，将铸件从砂型中取出随后进行清砂、去除浇冒口系统、打磨毛刺等清理工作，得到成品铸件部分铸件可能还需要热处理以改善性能金属型铸造高质量铸件精度高，表面光洁工艺控制充型速度与温度管理模具设计分型面，冷却系统，涂料基础设施金属型材料选择与加工金属型铸造使用金属材料制作的永久模具，相比砂型铸造具有更高的尺寸精度和表面质量金属型材料通常选用铸铁、热作模具钢或铜合金，需具备良好的导热性、热疲劳抗力和加工性能模具设计中需考虑分型面位置、抽模斜度、冷却系统和排气通道等因素金属型铸造的热交换速率远高于砂型铸造，凝固速度快，产生较细小的晶粒结构，提高了铸件力学性能为控制凝固过程，常采用模具预热和喷涂型内涂料调节传热速率但金属型也面临热疲劳问题，在生产过程中模具会经历反复热循环，导致表面龟裂，需定期维护或更换压力铸造（压铸）熔融金属准备加热金属至适当温度，保持恒温高压充型熔体在15-200MPa压力下高速充满型腔压力凝固保持压力直至铸件完全凝固开模取件模具开启，顶出铸件，准备下一循环压力铸造是一种高效的铸造工艺，适用于大批量生产复杂形状、薄壁的有色金属铸件压铸设备主要分为热室机和冷室机两类热室机适用于低熔点合金（如锌、铅合金），压射系统浸入熔体中；冷室机适用于铝、铜、镁等合金，熔体在每个循环前注入压射室压铸的主要技术难点包括气孔控制、冷隔和模具寿命高速充型易卷入气体形成气孔；薄壁部位熔体温度下降快，易出现冷隔缺陷；模具在高温、高压、高速条件下工作，热疲劳严重解决这些问题需综合优化模具设计、浇注参数和排气系统精密铸造（失蜡法）精密铸造，也称失蜡铸造或投资铸造，是一种能生产高精度、表面光洁、形状复杂铸件的特种铸造工艺该工艺首先制作精确的蜡模，然后在蜡模表面多次涂覆陶瓷浆料形成型壳，干燥后进行脱蜡和型壳焙烧，最后将熔融金属浇入高温型壳中完成铸造精密铸造的优点是尺寸精度高（）、表面粗糙度低（）、可铸造复杂内腔和薄壁结构，同时能铸造难加工±

0.1mm Ra

1.6-

3.2μm材料，如高温合金、钛合金等其局限性在于生产周期长、成本较高、批量受限典型应用包括航空发动机叶片、医疗植入物、精密机械零件等高价值产品铸造中常见缺陷缩孔与缩松金属凝固时体积收缩导致的空洞缺陷内部缩孔往往位于铸件热节处，外观不可见但会严重影响力学性能缩松则表现为分散的微小空洞缩孔成因是补缩不足，解决方法包括设计合理的冒口系统、改善顺序凝固条件、调整合金成分降低收缩率气孔气体在铸件中形成的球形或椭圆形孔洞成因包括熔体中溶解气体在凝固时析出、型砂透气性不良导致气体无法排出、浇注系统设计不当造成卷气等解决方法有熔体脱气处理、提高型砂透气性、优化浇注系统减少湍流、增加排气通道等夹杂物与夹渣非金属物质混入铸件形成的缺陷主要来源有熔体中的氧化物、熔渣未完全去除、砂型崩塌混入等夹杂物严重影响材料性能，特别是疲劳强度和韧性预防措施包括熔体精炼、过滤系统、合理设计浇注系统捕捉夹杂、提高造型质量等冷隔与裂纹冷隔是熔体在流动过程中温度下降，前后浇入的金属未完全融合形成的缺陷；裂纹则是由凝固收缩应力或热应力过大导致改善方法包括提高浇注温度、优化浇注系统、增加模具预热温度、改善铸件结构设计减小热应力集中等铸造凝固过程控制凝固速度与冷却方式定向凝固技术凝固速度直接影响晶粒大小、枝晶通过控制热量流向，使金属沿特定间距和组织均匀性快速凝固产生方向凝固的技术常用方法有浸入细小晶粒，提高强度；慢速凝固有式冷却、冷却板和加热器配合等利于气体和夹杂物上浮排出冷却定向凝固可减少偏析、消除等轴晶方式包括自然冷却、强制风冷、水区、改善力学性能单晶铸造是定冷或油冷等，不同材料和铸件要求向凝固的特例，通过选晶器获得单选择适当的冷却方式一取向的整体晶体结构细化晶粒方法细晶粒结构通常具有更好的力学性能和铸造性能细化方法包括化学细化（添加细化剂如合金）、物理细化（振动、电磁搅拌）和快速冷却等不同合Ti-B金系统有专门的细化剂和工艺参数，需根据材料特性选择合适的细化方法控制凝固过程是获得高品质铸件的关键通过科学设计冷却系统、优化浇注工艺和应用新技术，可以实现对凝固组织的精确调控，满足不同性能要求浇注系统设计内浇道与冒口结构热节与补缩分析浇注系统优化案例浇注系统由直浇道、横浇道、内浇道组热节是铸件最后凝固的部位，往往是缺某发动机缸体铸造中，通过将原单点浇成，负责引导熔体平稳充满型腔内浇陷产生的高风险区域通过几何分析、注改为多点对称浇注，并调整内浇道截道设计需考虑截面形状、尺寸和位置，凝固模拟识别热节位置，然后设计合适面比例，充型时间从秒减少到秒，同158影响充型方式和速度冒口则为补缩提的冒口或冷铁进行热量控制合理的补时改善了温度场分布优化后的浇注系供液态金属，应设置在铸件热节处，确缩系统应确保铸件从远离冒口处向冒口统减少了冷隔缺陷发生率，缩短了生产保顺序凝固方向顺序凝固周期，提高了铸件合格率铸造工艺参数影响铸件后处理工艺落砂与清理铸件凝固后首先进行落砂，将铸件从型砂中分离出来采用振动落砂机、滚筒落砂机或水射流落砂等方式，然后去除浇冒口系统、毛刺和飞边对于铝合金铸件，还需要进行喷丸或抛丸处理，去除表面氧化皮，提高表面光洁度热处理铸件热处理是改善材料组织结构和性能的重要工艺常见热处理包括退火、正火、淬火和时效等铸铁通常需要退火消除内应力；铝合金压铸件则通过处理（固溶时效）提高强度；高温合金铸件则需要T6+均匀化热处理消除偏析表面缺陷修复铸件表面可能存在气孔、沙眼或轻微裂纹等缺陷，需要进行修复处理小缺陷可通过打磨去除；较大缺陷则采用焊接、钎焊或金属粘接剂填补对于高要求铸件，还需进行渗透探伤、射线或超X声波检测，确保无内部缺陷合金铸造动力学析出物与组织调控元素偏析规律合金化对性能提升的机制合金凝固过程中，溶质元素分布受凝固多元合金凝固时，元素在固液之间的分合金元素通过多种机制提高材料性能速率影响，可能形成偏析或析出相通配系数不同，导致成分偏析正偏析元固溶强化使基体变形阻力增大；析出强过控制冷却速率和成分设计，可调控析素在晶界区域富集，负偏析元素则在晶化形成弥散分布的第二相；细化晶粒减出相的数量、尺寸和分布，从而影响材粒中心富集偏析严重会导致性能不小晶粒尺寸；改变共晶组织形态等料性能例如合金中，硅相的形均，甚至形成有害相Al-Si态对强度和延性有决定性影响减轻偏析的方法包括提高冷却速率、添铸造工艺参数与合金成分需协同设计，加变质剂、应用电磁搅拌或超声振动促例如含细化剂的铝合金需较低的过Ti-B变质处理（如合金添加少量或进扩散均匀化，以及后续热处理消除偏热度以保持细化效果；含变质的Al-Si NaSr Al-）可以改变共晶硅的形貌，从粗大片析合金则需控制凝固速率避免过冷度过Sr Si状转变为细小纤维状，显著提高材料延大导致变质失效性铸造模具设计模具结构与成型精度铸造模具包括型腔、分型面、浇注系统、冷却系统等部分模具设计直接影响铸件尺寸精度、表面质量和内部缺陷合理的分型面设计应考虑铸件结构、脱模难度和后续加工成型精度受模具加工精度、热膨胀、变形和磨损等因素影响快速模具制造技术传统模具制造周期长、成本高快速模具技术采用3D打印、快速铸造等方法，大幅缩短开发周期金属3D打印可直接制造具有复杂冷却通道的模具；树脂3D打印则可用于低压铸造或小批量生产的模具原型这些技术特别适合新产品开发和小批量定制化生产模具失效与预防铸造模具主要失效形式包括热疲劳裂纹、热腐蚀、机械磨损和变形预防措施有选择合适的模具材料（如热作模具钢H13）；优化冷却系统减小温度梯度；应用表面处理技术如氮化、PVD涂层增强耐磨性；定期维护和修复以延长模具寿命现代模具设计广泛应用CAD/CAE技术，通过充型和凝固模拟预测潜在问题，优化设计方案参数化设计和模块化概念也被应用于模具开发，提高设计效率和模具通用性铸造环境与节能减排铸造尘气治理废旧砂回收采用袋式除尘器、静电除尘器和湿式除尘器通过机械再生和热再生技术处理废旧型砂，处理铸造过程产生的粉尘和烟气实现以上回收率90%节能新技术环保材料应用应用中频感应熔炼、余热回收和智能控温系开发无苯、无醛类粘结剂和水基涂料，减少统降低能耗有害物质排放铸造业是传统的高能耗、高污染行业，现代铸造企业正通过技术创新实现绿色转型废砂回收再利用系统可将旧砂通过机械磨削、热解再生和添加新砂调整，恢复砂的性能，减少废弃物排放某大型铸造厂通过此技术实现了废砂的循环利用率，每年减少固废排放吨95%5000节能方面，中频感应熔炼替代传统冲天炉可节能以上；模具预热采用红外加热替代燃气加热则可节能；智能温控系统精确控制熔炼和浇30%25%注温度，避免过热耗能低压铸造和精确浇注技术提高了金属利用率，减少了返回料比例，也是重要的节能减排措施现代铸造自动化机器人浇注与搬运在线检测与数据反馈六轴工业机器人在现代铸造车间广现代铸造生产线配备多种在线检测泛应用于浇注、取件和搬运等环系统，如红外测温仪实时监控熔体节机器人浇注系统能精确控制浇温度；X射线透视检测实时评估铸件注角度、高度和速度，保证铸件质内部质量；三维扫描系统检测铸件量一致性；自动取件机器人配合视尺寸误差这些数据通过工业网络觉识别系统，能快速准确地从模具实时反馈至控制系统，自动调整工中取出铸件，并进行初步分拣，大艺参数，形成闭环控制，持续优化幅提高生产效率和安全性产品质量智能铸造工厂案例某汽车零部件企业建成的智能铸造工厂实现了从熔炼到成品的全流程自动化熔炼采用电脑配料和自动加料系统；铸造使用机器人浇注和自动化压铸单元；检测环节应用AI视觉检测替代人工；物流则由AGV小车和立体仓库协同完成该工厂人均产值提高200%，能耗降低25%，不良率降低40%自动化不仅提高了生产效率，也改善了工作环境安全性，降低了工人的劳动强度和职业健康风险未来铸造自动化将向柔性化、智能化方向发展，适应多品种、小批量、高品质的生产需求铸造创新与前沿打印铸造模型绿色铸造材料新型铸造工艺3D打印技术在铸造领域的应用日益广传统有机粘结剂在高温下分解产生有害半固态成形技术是介于铸造和锻造之间3D泛可直接打印复杂的蜡模或树脂模型气体，新型无机粘结剂系统（如硅酸盐的创新工艺，如搅拌铸造和粉末注射成用于精密铸造；也可打印砂型和型芯，基、磷酸盐基）成为环保替代品水玻形这些工艺利用金属在半固态下的特实现无模具直接铸造这项技术特别适璃自硬砂、硬化砂等无机粘结剂系殊流变性，可获得更致密的组织结构和CO₂合复杂形状、小批量、高价值零部件的统已在铸铁件生产中广泛应用此外，更优异的性能真空辅助铸造、电磁铸快速制造，大幅缩短产品开发周期，降可降解树脂和生物基粘结剂也在研发造等技术也在不断发展，为特种合金和低开发成本中，有望进一步减少铸造业环境影响复杂结构件提供新的制造方案铸造小结与案例分析℃25%15工艺改进后缺陷率降低浇注温度精确控制精度某航空铝合金铸件优化工艺后效果自动化浇注系统实现的温度波动范围98%材料利用率近净成形铸造实现的金属原材料利用效率铸造工艺涵盖从熔体准备到最终成型的完整制造过程，是金属零部件生产的基础工艺通过本章学习，我们系统掌握了各类铸造方法的原理、特点和应用场景，了解了影响铸件质量的关键因素和控制措施，为合理选择和优化铸造工艺奠定了基础某汽车铝合金轮毂制造企业通过工艺改进，将原有重力铸造改为低压铸造，并优化了浇注系统和冷却控制改进后，轮毂强度提高12%，气孔率降低70%，表面质量显著改善同时，自动化设备的应用使生产效率提高35%，材料利用率从85%提升至92%该案例充分展示了先进铸造技术在提升产品质量和生产效率方面的巨大潜力锻造基本原理锻造定义和分类塑性变形理论锻造是通过对金属坯料施加压力，金属在外力作用下，当应力超过屈使其产生塑性变形而获得所需形状服强度时产生塑性变形变形过程和内部组织的加工方法按工作温中，晶体中的位错运动是塑性变形度可分为热锻（变形温度高于再结的微观机制热锻条件下，金属在晶温度）和冷锻；按成形方式可分变形的同时发生动态恢复和再结为自由锻和模锻；按设备类型可分晶，软化与加工硬化相互竞争变为锤锻、压锻和辗锻等锻造是获形温度、变形速率和变形量共同决得高性能金属部件的重要工艺定了金属的流动性能和最终组织晶粒细化机制锻造过程中的晶粒细化主要通过变形和再结晶实现热锻时，变形能储存在金属内部，为再结晶提供驱动力适当的变形量和温度控制可促进完全再结晶，获得细小均匀的晶粒变形后的控制冷却也是调控最终晶粒大小的重要手段晶粒细化是锻件性能提升的关键机制之一锻造工艺流程坯料准备根据锻件设计要求，选择适当材料，计算所需体积，切割成坯料坯料尺寸需考虑加热氧化损失和加工余量对于精密锻件，坯料重量控制精度通常要求在±1%以内加热将坯料加热至适当锻造温度，确保金属具有良好的塑性不同金属的锻造温度区间各异，如碳钢约1100-1250℃，铝合金约400-500℃加热需均匀，避免过热或局部加热不足成形高温坯料在锻压设备上通过一次或多次变形获得所需形状模锻通常需要多道次成形，如预锻、终锻和精整等变形过程需控制好变形量和变形速度，确保金属流动合理修整与后处理锻件成形后需去除飞边、氧化皮，并进行校正随后进行热处理调整组织和性能，如正火、淬火和回火等表面处理如喷砂、磷化或涂装也是常见的后处理工艺常用锻造设备设备类型工作原理适用范围优点局限性空气锤压缩空气驱小型自由锻操作灵活，生产效率动锤头冲击件投资低低，能耗高液压机液压系统提大型、厚重压力大，变速度慢，生供静压力锻件形均匀产率低机械压力机曲柄连杆机中小型精密效率高，精行程固定，构传递力量锻件度好调整不便螺旋压力机飞轮能量通精密成形和能量大，噪维护复杂，过螺旋传递冷锻音低效率一般辗锻机旋转辊筒渐轴类、环类变形力小，适用形状有进变形锻件尺寸大限选择合适的锻造设备需综合考虑锻件材料、尺寸、形状复杂度、生产批量和精度要求等因素现代锻造设备正向大型化、精密化、自动化和环保节能方向发展，以满足不断提高的工业需求开式锻造与闭式锻造开式锻造闭式锻造开式锻造也称为自由锻造，是金属在非闭式锻造在封闭的模腔中进行，金属完约束状态下变形的工艺通过简单工具全填充模具型腔形成锻件按照模具结如平砧、成形砧和各种冲头，对坯料进构可分为有飞边闭式锻造和无飞边闭式行锻打，使其逐渐成形主要操作包括锻造闭式锻造通常需要多工位模具，镦粗、拔长、冲孔、弯曲和扭转等基本如预锻、终锻和冲孔等，逐步将金属成工序形为复杂形状开式锻造的优势在于设备投入小，工艺闭式锻造产品精度高、一致性好、材料灵活，特别适合单件小批量生产和大型利用率高，适合大批量生产其局限性锻件制造缺点是生产效率低，精度有在于模具设计和制造复杂，设备投入限，需要高技能操作工人，成品一致性大，更换产品需重新设计模具，柔性较较难保证差锻造温度与加热技术锻造温度下限℃锻造温度上限℃锻造变形与性能提升锻造变形对金属组织结构和性能有显著影响冷变形主要通过加工硬化提高强度，位错密度增加导致强度提高但塑性降低；热变形条件下，动态再结晶和恢复过程能获得细小均匀的晶粒结构，同时保持良好塑性锻件的变形量通常通过锻造比来表征，合理的锻造比（通常）能确保充分变形和组织改善3-5锻造产生的流线型纤维组织使得锻件在不同方向上表现出力学性能差异，即各向异性通过控制锻造方向和变形量，可使主要流线与工作受力方向一致，显著提高承载能力某涡轮盘锻件通过优化锻造工艺，使纤维组织与工作应力一致，疲劳强度提高，服役寿命延长一倍，充分展示了锻造工艺在高性能零件制造中的重要性30%锻造常见缺陷及防控表面裂纹折叠与重叠表面裂纹是锻造中最常见的缺陷主金属在流动过程中表面折叠重叠形成要原因包括锻造温度过低、变形速度的缺陷，常见于复杂形状锻件形成过快、金属流动不均匀或表面存在严原因主要是金属流动不合理，如锻造重氧化皮防控措施严格控制加热比过大、型腔转角处金属流动受阻温度；确保坯料表面清洁；采用适当防控方法优化模具设计，避免锐角的润滑剂；设计合理的预锻工序减小和深腔；改进加热和预锻工序；调整变形不均；避免锋利棱角设计坯料形状和尺寸更接近最终形状；增加模具排气通道流线不良锻件内部金属流线分布不合理，导致不同部位性能差异大，容易在服役过程中产生局部失效解决方案通过计算机模拟优化坯料设计和变形过程；调整锻造工序，确保金属流动合理；采用复合锻造工艺，如辗锻与模锻结合，改善特定部位的流线分布锻造缺陷的检测技术包括目视检查、染色渗透、超声波探伤、X射线检测等现代锻造工艺设计广泛应用有限元分析和模拟软件，预测变形过程中的应力分布、温度场和金属流动，提前发现并解决潜在问题，大幅降低缺陷发生率精密锻造与近净成形成品级精度尺寸公差小，表面质量高先进工艺与设备2精密模具和控制系统温度精确控制3模具预热和等温锻造严格设计标准产品和工艺协同设计精密锻造是一种能获得接近最终尺寸和形状锻件的先进工艺，大大减少或消除后续机械加工近净成形（Near-net-shape）技术通过精确控制变形过程，使锻件尺寸精度达到±

0.1mm级别，表面粗糙度Ra

1.6-

3.2μm，加工余量减少80-90%精密锻造的关键技术包括等温锻造，在恒定温度下使金属流动更均匀；闭式精锻，在完全封闭模腔中成形，避免飞边；精确加热控制，确保坯料温度均匀；模具表面处理，如PVD涂层提高耐磨性和减小摩擦典型应用包括汽车变速箱齿轮、连杆、航空发动机涡轮盘等高性能零件某汽车齿轮采用精密锻造后，加工工序从8道减少到3道，材料利用率提高35%，生产成本降低40%合金锻造工艺铝合金锻造温度控制精确，防止过热和烧伤钛合金锻造等温锻造，相控制，防止表面污染β高温合金锻造变形抗力大，窄温度窗口，工艺复杂不同合金因其特性差异，锻造工艺各有特点铝合金锻造温度区间窄（通常在之间），容易出现过热烧伤，需精确温控变形速率对350-500℃组织影响显著，高速变形会引起动态再结晶，细化晶粒常用系和系合金锻件经热处理后可获得高比强度，广泛用于航空结构件7xxx2xxx钛合金对氧、氮、氢敏感，锻造时需防止表面污染，常在真空或惰性气体保护下加热钛合金锻造的难点在于两相区变形，需精确控制相含α+ββ量和稳定性等温锻造是克服钛合金流动性差的有效方法，但设备投入大高温合金（如）锻造更为困难，变形抗力大、流动性差，Inconel718通常需多火次加热和多道次成形，采用液压机缓慢变形，确保良好的组织性能锻造自动化与智能制造自动上料与快速换模现代锻造生产线采用机器人自动上下料系统，结合加热炉输送带和温度监控系统，实现连续生产快速换模系统能在几分钟内完成模具更换，大幅提高设备利用率和生产柔性，适应多品种、小批量生产需求在线监测与数据追踪先进传感技术应用于锻造过程监测，如锻压力传感器实时记录变形力；热像仪监控工件温度分布；尺寸激光扫描系统检测锻件尺寸这些数据通过工业物联网平台集成分析，实现锻件全生命周期质量追溯智能锻造工厂应用趋势智能锻造工厂整合了数字化设计、模拟优化、自动化生产和质量控制系统先进的生产计划软件可根据订单动态调整生产顺序；预测性维护系统利用设备运行数据预测故障；数字孪生技术实现虚拟与实际生产的同步优化，提升整体运营效率锻造行业前沿与发展方向超大超精密锻件发展绿色低碳锻造技术锻造智能制造展望/

4.0现代重工业对超大型锻件需求增长，如锻造业正向清洁、高效、低碳方向发未来锻造工厂将实现从订单到产品的全万吨水压机可锻造吨级锻件，满展电气化锻造设备替代燃气炉，减少流程数字化和智能化人工智能算法优12600足大型船舶、核电设备需求同时，超碳排放；无润滑或固体润滑技术减少污化锻造参数；增强现实技术辅助模具安精密锻造技术发展迅速，尺寸精度达到染物排放；废料循环利用和能量回收系装和检修；柔性制造单元快速切换不同微米级，满足光学、精密仪器等高端需统提高资源利用效率某锻造企业通过产品；区块链技术确保质量数据安全可求这些领域对设备、模具和工艺提出感应加热替代燃气加热，能源效率提高追溯这一转型将重塑传统锻造业，提了更高要求，碳排放减少升其在全球制造业中的竞争力30%40%金属制备未来趋势新材料与工艺协同低能耗制备技术高性能特种合金与定制化制备工艺深度融近净成形和短流程工艺减少加工环节，降合，实现性能最大化低能耗和材料损耗智能化全流程控制增材制造融合人工智能优化制备参数，预测材料性能，打印与传统工艺结合，发挥各自优势，3D实现闭环质量控制创造复杂高性能部件金属材料制备技术正经历深刻变革新材料与工艺协同开发成为主流，如为高温合金定制化设计熔炼和锻造工艺，实现特定性能最大化同时，传统工艺与计算机模拟、大数据分析结合，大幅提高了工艺优化效率和准确性增材制造与传统制备工艺的融合是另一重要趋势打印技术擅长制造复杂形状和内部结构，但在材料性能方面有局限；传统熔炼铸造和锻3D造则能获得优异综合性能两者结合形成的混合制造技术，如先打印近形坯料再进行锻造，或在传统铸锻件上增材制造特殊功能结构，正3D创造出前所未有的设计和性能可能性总结与展望核心知识回顾未来挑战与机遇本课程系统介绍了金属材料制备的三金属材料制备面临节能减排、智能化大核心工艺熔炼、铸造和锻造熔转型、高性能材料需求等多重挑战炼阶段控制成分和纯度；铸造实现复同时，新技术融合、全流程数字化、杂形状成型；锻造则提升材料内部组绿色制造等发展方向提供了巨大机织和性能这三种工艺各有特点和应遇未来的材料制备将更加注重工艺用领域，共同构成了金属材料制备的与材料的协同设计，以及多学科交叉完整体系创新继续学习建议鼓励学生将理论知识与实践操作结合，参与实验室和企业实习深入学习材料科学、计算机模拟、自动控制等相关领域知识，建立跨学科思维关注行业最新发展动态，积极参与创新研究，为金属材料制备技术进步贡献力量金属材料制备是连接材料科学与工程应用的重要桥梁通过本课程学习，您已掌握了熔炼、铸造与锻造的基础理论与工艺技术，了解了各种工艺参数对材料性能的影响机制希望这些知识能帮助您在未来的学习和工作中，更好地理解和应用金属材料，为工业发展和科技创新做出贡献。