材料成型技术基础 讲稿Word文件下载.docx

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液态收缩

（%）

固态收缩

总体积收缩（%）

线收缩率

碳素铸钢

白口铸铁

灰铸铁

0.35

3.0

3.5

1610

1400

1.6

2.4

4.0

0.1

7.86

5.4~6.3

3.3~4.2

12.46

12~12.9

6.9~7.8

1.38~2.0

1.35~2.0

0.8~1.0

2、铸件的缩孔和缩松

缩孔的形成：

纯金属或共晶成分的合金易形成缩孔。

缩松的形成：

结晶温度范围大的合金易形成缩松。

缩孔和缩松的防止：

定向凝固——在铸件可能出现缩孔的厚大部位，通过增设冒口或冷铁等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固，尔后是靠近冒口的部位凝固，冒口本身最后凝固。

结果——使铸件各个部分的凝固收缩均能得到液态金属的补充，而将缩孔转移到冒口之中

3、铸造应力

铸造内应力有热应力和机械应力，是铸件产生变形和开裂的基本原因。

热应力的形成——热胀冷缩不均衡

机械应力的形成——收缩受阻

减少和消除应力的措施：

结构上——壁厚均匀，圆角连接，结构对称。

工艺上——同时凝固，去应力退火。

同时凝固和定向凝固比较

定向凝固——用于收缩大或壁厚差距较大，易产生缩孔的合金铸件，如铸钢、铝硅合金等。

定向凝固补缩作用好，铸件致密，但铸件成本高，内应力大。

同时凝固——用于凝固收缩小的灰铸铁。

铸件内应力小，工艺简单，节省金属，组织不致密。

4、铸件的变形

对于厚薄不均匀、截面不对称及具有细长特点的杆件类、板类及轮类等铸件，当残余铸造应力超过铸件材料的屈服强度时，产生翘曲变形。

用反变形法防止箱体、床身导轨的变形。

5、铸件的裂纹

铸钢件热裂纹

（改善型芯的退让性，大的型芯制成中空的或内部填以焦碳）

轮形铸件的冷裂

（减少铸件应力，降低合金的脆性）

1-2砂型铸造

一、砂型铸造造型方法

套筒的砂型铸造过程：

造型方法：

手工造型——单件、小批量生产

机器造型——中、小件大批量生产

机器造芯——中、小件大批量生产

柔性造型单元——各种形状与批量生产

（一）手工造型

手工造型方法和特点

造型方法

特点

整模造型

整体模型，分型面为平面

分模造型

分开模型，分型面多是平面

活块造型

将模样上有妨碍取摸的部分做成活动的

挖沙造型

造型时须挖去阻碍取模的型砂

刮板造型

和铸件截面形状相适应的板状模样

三箱造型

铸件两端截面尺寸较大，需要三个沙箱

（二）机器造型

机器造型是将填砂、紧实和起模等主要工序实现了机械化，并组成生产流水线。

机器造型生产率高，铸型质量好，铸件质量高，适用于中小型铸件的大批量生产。

机器造型方法：

振压造型、高压造型、抛砂造型。

1、振压造型工作原理

a）填砂b）振实c）压实d）起模

2、多触头高压造型

3、抛砂机

（三）机器造芯

在大批量生产中，常用型芯制作设备是射芯机和壳（吹）芯机。

射芯机工作原理和壳（吹）芯制造原理

（四）柔性制造单元

柔性制造单元通过在造型自动线上加设模板库及模板快换机构等，由计算机集中控制模板的调运与更换、造型机工作参数、铸型质量的检验等。

二、砂型铸造工艺设计

铸造工艺图包括：

铸件的浇注位置

铸型分型面

铸造工艺参数

支座的零件图、铸造工艺图、模样图及合型图

（一）浇注位置的选择

浇注位置——浇注时铸件在铸型中的空间位置。

浇注位置的选择原则：

铸件的重要加工面应朝下或位于侧面；

铸件的大平面应朝下；

面积较大的薄壁部分置于铸型下部或侧面；

铸件厚大部分应放在上部或侧面。

（二）铸型分型面的选择

三通的分型方案：

四箱造型、三箱造型、两箱造型

分型面的选择原则：

便于起模，使造型工艺简化；

尽量使铸件全部或大部置于同一砂箱；

尽量使型腔及主要型芯位于下型。

（三）工艺参数的确定

机械加工余量和最小铸出孔；

起模斜度；

铸造收缩率；

型芯头设计。

（四）浇、冒口系统

（五）铸造工艺设计的一般程序

项目

用途

设计程序

铸造工艺图

是制造模样、模底板、芯盒等工装以及进行生产准备和验收的依据。

1.产品零件的技术条件和结构工艺性分析

2.选择造型方法

3.确定分型面和浇注位置

4.选用工艺参数

5.设计浇冒口、冷铁等

6.型芯设计

铸件图

是铸件验收和机加工夹具设计的依据。

7.在完成铸造工艺图的基础上，画出铸件图

铸型装配图

是生产准备、合型、检验、工艺调整的依据。

8.在完成砂箱设计后画出

铸造工艺卡片

是生产管理的重要依据。

9.综合整个设计内容

（五）实例分析

1、气缸套

方案Ⅰ，轴线处于水平位置，铸件易产生缺陷；

用分开模两箱造型，分型面通过圆柱面，有飞边，易错箱。

方案Ⅱ，轴线处于垂直位置，铸件是顺序凝固；

分型面在铸件一端，毛刺易清理，不会错箱

2、支座

方案Ⅰ，沿底版中心分型。

轴孔下芯方便，但底版上四个凸台必须采用活块且铸件在上、下箱各半。

方案Ⅱ，沿底面分型，铸件全部在下箱，不会产生错箱，铸件易清理。

但轴孔内凸台必须采用活块或下芯且轴孔难以铸出。

3、C6140车床进给箱体

方案Ⅰ，能铸出轴孔，型芯稳定性好。

但基准面朝上易产生缺陷且型芯数量较多，槽C妨碍起模需用活块或型芯。

方案Ⅱ，从基准面分型，铸件大部分在下型，基准面朝上，轴孔难以铸出，且凸台E和槽C妨碍起模，需用活块或型芯。

方案Ⅲ，铸件全部置于下型，基准面朝下，铸件最薄处在铸型下部。

但凸台EA和槽C都需用活块或型芯，内型芯稳定性差。

大批量生产时——选用方案Ⅰ，

单件、小批量生产时——选用方案Ⅱ或方案Ⅲ。

车床进给箱体铸造工艺图

1-3铸件的结构设计

铸件的结构工艺性，是指所设计的零件在满足使用性能的前提下，铸造成形的可行性和经济性，即铸造成形的难易程度。

良好的铸件结构性应与金属的铸造性能和铸造工艺相适应。

大批量生产时，铸件的结构应便于采用机器造型；

单件、小批量生产时，则应使所设计的铸件尽可能适应现有生产条件。

一、合金铸造性能对铸件结构的要求

（一）铸件的壁厚

1、铸件壁厚应合理

2、铸件壁厚应均匀

3、致密铸件应符合顺序凝固原则

（二）壁的连接

1、应有结构圆角

2、应避免交叉、锐角接头

3、不同壁厚连接应逐渐过渡

（三）避免变形和开裂的结构

1、结构对称

2、合理设置加强肋

3、应有利于自由收缩

二、铸造工艺对铸件结构的要求

（一）铸件的外形

1、尽量避免外表面内凹

2、尽量示分型面为平面

3、尽量减少分型面的数量

4、应具有结构斜度

（二）铸件的内腔

1、不用或少用型芯和活块

2、有利于型芯的定位、排气和清理

三、组合铸件

对于某些大型复杂铸件，在生产条件不允许整体铸造时，可采用组合铸件。

1-4常用铸件的生产

一、铸铁件的生产

铸铁是含碳量超过2.11的铁碳合金。

工业用铸铁实际上是以Fe、C、Si为主要元素的多元合金。

铸铁中碳的存在形式：

渗碳体——化合状态

石墨——游离状态

铸铁分类：

白口铸铁灰铸铁（片状石墨）

灰口铸铁可锻铸铁（团絮状石墨）

麻口铸铁球墨铸铁（球状石墨）

（一）铸铁的石墨化

1、石墨化过程

石墨化——铸铁中析出石墨的过程。

石墨化形式：

缓慢冷却时，L（A）→石墨

加热时，Fe3C→石墨

因此石墨是稳定相，是亚稳定相。

石墨是碳的一种结晶形态，具有六方晶格。

原子呈层状排列，同一层面上的碳原子呈共价键，结合力强；

层与层之间呈分子键，结合力弱。

因此，石墨结晶形态常易发展为片状，强度、硬度、塑性极低。

2、影响石墨化的因素

（1）化学成分

碳和硅是强烈促进石墨化元素。

碳是石墨的基础，硅促进石墨析出（C:

2.7~3.6%,Si:

1.1~2.5%）。

碳和硅含量高时，石墨量多、尺寸大、铁素体多，因此强度、硬度低。

锰是微弱阻止石墨化元素，可促进珠光体基体形成，提高铸铁强度和硬度（Mn:

0.4~1.2%）。

硫和磷是有害元素（S≤0.1~0.15%,P≤0.2）。

碳当量：

CE=C+（Si+P）/3%

CE=4.28%，共晶成分；

CE＜4.28%，亚共晶成分；

CE＞4.28%，过共晶成分。

（2）冷却速度

同一铸件厚壁处为灰口组织，而薄壁处为白口组织，这说明：

缓慢冷却有利于石墨化过程的进行。

可见，当铁水的碳当量较高，结晶过程中缓慢冷却时，易形成灰口铸铁；

相反易形成白口组织

（二）灰铸铁

1、灰铸铁的组织和性能特点

灰铸铁的组织：

铁素体灰铸铁

铁素体+珠光体灰铸铁

珠光体灰铸铁、

灰铸铁的性能：

（1）机械性能较差——强度低、塑性低、韧性低且壁厚敏感；

抗压强度、硬度与相同基体碳钢相近。

（2）

（2）其它性能耐磨性好、减震性好、缺口敏感性小、铸造性能和切削加工性能良好。

灰铸铁与碳钢机械性能的比较

性能指标

抗拉强度

σb（N/mm2）

延伸率

δ（%）

冲击韧性

αk（J/cm2）

硬度

（HBS）

铸造碳钢

400~650

10~25

20~60

160~230

100~350

0~0.5

0~5

148~298

2、灰铸铁的牌号与用途

HT200——表示灰铸铁，σb≥200N/mm2（壁厚增加，强度降低）

牌号

基体组织

HT100

铁素体

低负荷和不重要的零件。

如手柄、盖板、重锤等。

HT150

铁素体+珠光体

受中等负荷的零件。

如机座、支架、箱体、带轮等。

HT200

珠光体

受较大负荷的重要件。

如汽缸、床身、活塞、中等压力阀体、齿轮箱、飞轮等。

3、灰铸铁的孕育处理

孕育铸铁：

HT250、HT300、H350T

孕育处理：

降低碳、硅含量，以提高铸铁的强度；

浇注前向铁水中加入少量的孕育剂（75%硅铁），可以细化组织，促进石墨化。

孕育铸铁的特点：

强度较高，冷却速度对其组织和性能的影响甚小。

特别适合生产厚大铸件如重型机床、压力机床身、高压液压件、活塞环、齿轮、凸轮等。

（三）球墨铸铁

球墨铸铁是在浇注前往铁水中加少量的球化剂和孕育剂，获得具有球状石墨的铸铁。

1、

球墨铸铁的组织和性能

球墨铸铁的组织：

铁素体球铁

铁素体+珠光体球铁

珠光体球铁

2、球墨铸铁的牌号与用途

QT500-7——表示球墨铸铁，σb≥500N/mm2,δ≥7%

QT450-10

农机具零件、中低压阀门、输气管道。

QT600-3

负荷大、受力复杂的零件。

如汽车、拖拉机曲轴，连杆，凸轮轴，蜗杆机床蜗杆、蜗轮，轧钢机轧辊、大齿轮。

QT700-2

QT800-2

高强度齿轮。

3、球墨铸铁的生产特点

（1）严格控制化学成分（C、Si较高，Mn、P、S较低）

（2）较高的出铁温度（1400-1420℃）

（3）球化处理（获得球状石墨）

（4）孕育处理（促进石墨化，细化均匀组织）

（5）热处理

退火——铁素体+球状石墨QT400-18,

正火——索氏体+球状石墨QT600-3,

调质——回火索氏体+球状石墨QT800-2

等温淬火——下贝氏体+球状石墨QT900-2

4、球墨铸铁铸造工艺特点

（1）流动性比灰铸铁差

（2）收缩较灰铸铁大

球墨铸铁件多应用冒口和冷铁，采用定向凝固原则。

在铸型刚度很好的条件下，也可采用同时凝固原则不用冒口或用小冒口。

（四）铸铁的熔炼

冲天炉的熔炼过程

冲天炉的燃料为焦碳；

金属炉料有：

铸造生铁锭、回炉料、废钢、铁合金；

熔剂为石灰石和氟石。

在冲天炉熔炼过程中，高炉炉气不断上升，炉料不断下降：

底焦燃烧；

金属炉料被预热、熔化和过热；

冶金反应使铁水发生变化。

二、铸钢件的生产

铸钢的应用仅次于铸铁，其产量占铸件总产量的15%。

铸钢的主要优点是力学性能高，特别是塑性和韧性比铸铁高得多，焊接性能良好，适于铸焊联合工艺制造重型机械。

但铸造性能、减震性和缺口敏感性都比铸铁差。

铸钢主要用于制造承受重载荷及冲击载荷的零件，如铁路车辆上的摇枕、侧架、车轮及车钩，重型水压机横梁，大型轧钢机机架、齿轮等。

常用铸钢：

碳素铸钢、低合金铸钢、高合金铸钢。

1、铸钢的铸造工艺特点

铸钢的铸造性能差，铸造工艺复杂：

（1）对砂型性能如强度、耐火度和透气性要求更高。

（2）工艺上大都采用定向凝固原则

（3）必须严格掌握浇注温度

2、铸钢的热处理

为了细化晶粒，改善组织，消除铸造内应力，提高性能，铸钢件必须进行退火和正火处理。

3、铸钢的熔炼

电弧炉炼钢：

钢液质量高，熔炼速度快，温度容易控制。

炼钢的金属材料主要是废钢、生铁和铁合金。

其它材料有造渣材料、氧化剂、还原剂和增碳剂等。

感应电炉炼钢

感应电炉是利用感应线圈中交流电的感应作用，使坩埚内的金属炉料（及钢液）产生感应电流，而发出热量，使炉料熔化的。

（感应电炉的优点是加热速度快，热量散失小；

缺点是炉渣温度较低，不能发挥炉渣在冶炼过程中的作用。

）

1-5特种铸造

特种铸造的分类：

熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造

特种铸造特点（与砂型铸造相比）：

1、铸件精度和表面质量高、铸件内在性能好；

2、原材料消耗低、工作环境好等优点；

3、铸件的结构、形状、尺寸、重量、材料种类往往受到一定限制。

一、熔模铸造

熔模铸造是在易熔模样表面包覆若干层耐火材料，待其硬化后，将模样熔去制成中空型壳，经浇注而获得铸件的成形方法。

熔模铸造工艺过程：

制造熔模、制模组、上涂料（及撒砂）、脱模、焙烧、浇注、落砂、切浇口。

特点：

1、铸件的形状复杂、精度和表面质量较高（IT11~13,Ra1.6~12.5）；

2、合金种类不受限制，钢铁及有色金属均可适用；

3、生产批量不受限制；

4、工艺过程较复杂，生产周期长，成本高铸件尺寸不能太大；

应用：

熔模铸造是一种少、无切削的先进精密成形工艺，最适合25kg以下的高熔点、难加工合金铸件的批量生产。

如汽轮机叶片、泵轮、复杂刀具、汽车上小型精密铸件。

二、金属型铸造

金属型铸造是在重力作用下将液态金属浇入金属铸型的成形方法。

金属型的结构可分为：

水平分型式、垂直分型式及复合分型式等。

铸造铝活塞的金属型及金属型芯

优点：

1、一型多铸，生产效率高

2、铸件尺寸精度高，表面质量好（IT12~14,Ra6.3~12.5）

3、铸件冷却快，组织致密，机械性能好

金属型铸造主要用于铜、铝、镁等有色金属铸件的大批量生产。

如内燃机活塞、汽缸盖、油泵壳体、轴瓦、轴套等。

三、压力铸造

压力铸造是将液态金属在高压作用下快速压入金属铸型中，并在压力下结晶，以获得铸件的方法。

压铸工艺过程：

注入金属→压铸→抽芯→顶出铸件

压力铸造的特点：

1、铸件的尺寸精度高（IT8~12,Ra3.2~0.4）

2、铸件的强度和表面硬度都较高

3、生产效率高（一般为50~150次/小时）

4、铸件表皮下有气孔，不能多余量加工和热处理

5、设备投资大，压铸型制造成本高，适宜大量生产

压力铸造主要用于铝合金、锌合金和铜合金铸件。

压铸件广泛应用与汽车、仪器仪表、计算机、医疗器械等制造业，如发动机汽缸体、汽缸盖、仪表和照相机的壳体与支架、管接头、齿轮等。

四、低压铸造

低压铸造工艺过程：

合型→压铸→取出铸件

低压铸造的特点：

1、浇注时的压力和速度可以调节

2、采用底注式冲型，金属液冲型平稳

3、铸件在压力下结晶，铸件组织致密、轮廓清晰，机械性能高

4、浇注系统简单，金属利用率可达90%以上。

低压铸造目前广泛应用于铝合金铸件的生产，如汽车发动机缸体、缸盖、活塞、叶轮等形状复杂的薄壁铸件。

五、离心铸造

离心铸造是将金属液浇入旋转的铸型中，使其在离心力作用下成形并凝固的铸造方法。

图示：

卧式离心铸造机、铸铁管的离心铸造、离心铸造

离心铸造的特点：

1、铸件组织致密，机械性能好

2、不用型芯和浇注系统，简化生产，节约金属

3、金属液的充型能力强，便于流动性差的合金及薄壁铸件

4、便于制造双金属结构

5、铸件易产生偏析，内孔不准确且内表面粗糙

离心铸造是铸铁管、气缸套、铜套、双金属轴承的主要生产方法，铸件最大可达十多吨。

此外，在耐热钢辊道、特殊钢的无缝管坯、造纸机干燥滚筒等生产中得到应用。

第二章锻压

第一节概述

锻压——借助外力的作用，使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和性能的锻压件。

塑性变形

金属坯料→锻压件

一、锻压加工方法

加工方法：

自由锻、模锻、板料冲压、挤压、拉拔、轧锻

二、锻压加工特点

1、能改善金属的组织，提高金属的机械性能；

2、提高材料的利用率和经济效益（节省材料和切削加工工时）；

3、具有较高的劳动生产率。

缺点：

1、不能获得形状复杂的锻件；

2、初次投资费用高（设备、工模具、厂房）；

3、生产现场劳动条件差。

轧制、挤压、拉拔——金属型材、板材、钢材、线材等；

自由锻、模锻——承受重载的机械零件，如机器主轴、重要齿轮、炮管、枪管等；

板料冲压——汽车制造、电器、仪表及日用品。

第二节金属塑性变形

一、金属塑性变形实质

问题：

金属材料为什么能产生塑性变形？

塑性变形的实质？

金属→晶体——单晶体（理想金属）

——多晶体（实际金属）

1、单晶体的塑性变形

主要方式——滑移变形

单晶体的塑性变形过程：

未变形→弹性变形→弹、塑性变形→塑性变形后

滑移变形实质：

晶体的一部分相对另一部分的移动是位错在切应力作用下沿滑移面的运动。

2、多晶体的塑性变形

晶内变形——晶粒内部的滑移变形

晶间变形——晶粒间的移动和转动

晶粒位向与受力变形关系：

通过塑性变形——硬位向→软位向

——软位向→硬位向

二、塑性变形对金属组织和性能的影响

将拉伸试样拉断后，发现其性能变化，缩颈处更明显；

铝丝反复弯折后，很快脆断。

1、冷变形强化（加工硬化）

冷变形强化——金属材料在冷塑性变形时，其强度、硬度升高，而塑性、韧性下降的现象（变形量增加，强化效果更明显）。

产生原因：

滑移面上产生了微小碎晶，晶格畸变。

（内应力）

加工硬化的应用：

提高强度、使变形均匀、提高安全性。

2、回复和再结晶

回复——保持加工硬化，消除内应力。

如冷卷弹簧进行去应力退火。

再结晶——消除加工硬化，提高塑性。

在结晶速度取决于加热温度和变形程度。

在结晶是一个形核、长大过程。

3、冷变形和热变形

冷变形——再结晶温度以下的塑性变形。

热变形——再结晶温度以上的塑性变形。

冷变形——加工硬化

——冲压、冷弯、冷挤、冷轧——塑性材料

热变形——加工硬化+再结晶

——锻造、热挤、轧制——变形量大，易氧化

4、锻造比和锻造流线

锻造比——变形程度的大小。

镦粗：

y=H0/H

拔长：

y=F0/F

金属材料→组织紧密晶粒细化→形成锻造流线（各向异性）

→流线的纵向性能高于横向

流线的合理分布

流线与工件最大拉应力方向一致，与切应力、冲击方向垂直；

沿工件外轮廓连续分布。

三、金属的锻造性能

金属锻造性能——塑性、变形抗力

塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。

影响因素：

金属的本质——化学成分、金属的组织状态

变形条件——变形温度、变形速度、应力状态、表面质量

第三节自由锻

自由锻——利用冲击力或压力使加热好的金属在上、下抵铁之间产生变形。

（除部分接触表面外，都是自由表面，变形不受限制。

自由锻特点：

1、工具简单，不需造价昂贵的模具

2、可以锻造各种重量的锻件，对于大型锻件几乎是唯一的锻造方法

3、自由锻所需设备的吨位较小

4、锻件的尺寸精度低，加工余量大

5、锻件形状简单，生产率低，劳动强度大

自由锻应用——单件和小批量生产。

一、自由锻设备

手工自由锻——铁砧、锻造工具（生产小型锻件、效率低）

机器自由锻——空气锤、蒸气-空气锤、水压机

自由锻设备

吨位（T）

锻件质量

作用力

动力

空气锤

0.05~1

100kg

冲击力

电动机

蒸气-空气锤

0.5~5

1500kg

蒸气或压缩空气0.4~0.9MPa（4~9个大气压）

水压机

500~15000

1~300T

静压力

高压水

20MPa（200个大气压）

水压机变形量大，锻造深度大，内部质量好，没有振动、噪音小。

二、自由锻的工序

基本工序：

镦粗、拔长、冲孔、弯曲、错移、扭转；

辅助工序：

倒棱、压肩等；

精整工序：

修整鼓形、平整端面、校直弯曲。

三、自由锻工艺规程的制订

1、绘制锻件图

锻件图=零件图+加工余量、锻件公差和余块

2、坯料的质量及尺寸计算

坯料的质量：

G坯料=G锻件+G烧损+G切头+G芯子

（轴类零件——G切头；

盘盖类零件——G芯子）

坯料的尺寸——锻件的锻造比（