金屬材料第三講.

1、第二章 金屬材料及其加工技術(shù)n第一節(jié) 常用金屬材料及其特性n第二節(jié) 金屬材料成型與工藝性n第三節(jié) 金屬表面處理與裝飾技術(shù)第一節(jié) 常用金屬材料及其特性n2.1.1 金屬材料的特性及分類n2.1.2 鋼鐵材料n2.1.3 有色金屬及其合金n2.1.4 造型設(shè)計中金屬材料的選用2.1.1 金屬材料的特性及分類n結(jié)合鍵：晶體的結(jié)合力。固體狀態(tài)下，原子（離子或分子）聚為晶體，原子之間產(chǎn)生較強的相互作用力n金屬晶體中，價電子彌散在整個體積內(nèi)，所有金屬離子皆處于相同的環(huán)境之中n結(jié)合鍵沒有飽和性、方向性和選擇性n良好的導電性和導熱性；n正的電阻溫度系數(shù)；且絕大多數(shù)金屬具有超導性；n良好的反射能力、不透明性及金

2、屬光澤；n良好的塑性變形能力（延展性）：n有特殊光澤n優(yōu)良的導電性和導熱性n是良好的塑性變形固體物質(zhì)2.1.1 金屬材料的特性及分類n金屬材料的性能金屬材料的性能n 使用過程中表現(xiàn)出來的性能n機械(力學)性能：強度、塑性、彈性 、剛度等 n物理性能：導熱性、導電性、熱膨脹性、磁性等 n化學性能：抗蝕性、抗氧化等n 制造和加工過程中表現(xiàn)出來的性能n如鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等 2.1.1 金屬材料的特性及分類n常用金屬材料的分類2.1.1 金屬材料的特性及分類第一節(jié) 常用金屬材料及其特性n2.1.1 金屬材料的特性及分類n2.1.2 鋼鐵材料n2.1.3 有色金屬及

3、其合金n2.1.4 造型設(shè)計中金屬材料的選用2.1.2 鋼鐵材料n鋼鐵材料可分為三大類： (c=0.02%)n 塑性好、強度低，主要用于制造磁鐵 (0.02%=c=2.11%)2.1.2 鋼鐵材料 (0.02%=c2.11%)n碳鋼：低碳鋼、中碳鋼、鋼碳鋼：普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼：碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼n合金鋼：合金彈簧鋼、合金軸承鋼等：刃具鋼、模具鋼、量具鋼：不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼 (0.02%=c2.11%)n按碳存在的不同形式n灰口鑄鐵灰口鑄鐵：碳以石墨形式存在，斷口呈灰色n白口鑄鐵白口鑄鐵：碳以滲碳體形式存在，斷口白色n麻口鑄鐵麻口鑄鐵：按用途：碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼n按石墨的形態(tài)：n

4、灰口鑄鐵灰口鑄鐵：鋼基+片狀石墨，強度、塑性、韌性不如鋼，減震性好、缺口敏感性低，適于制各種承受壓力和要求消震的床身、機架、箱體、缸體、殼體n可鍛可鍛鑄鐵鑄鐵：鑄態(tài)白口鑄鐵熱處理成，高強度、塑性、沖擊韌性，制汽車后橋外殼、管接頭、低壓閥門n球墨球墨鑄鐵鑄鐵：鐵水+球化劑，鑄造性優(yōu)良，取代了可鍛鑄鐵，制造受力復雜、負荷大、耐磨的鑄件，如曲軸、凸輪軸、齒輪、蝸輪蝸桿、活塞、工作缸等第一節(jié) 常用金屬材料及其特性n2.1.1 金屬材料的特性及分類n2.1.2 鋼鐵材料n2.1.3 有色金屬及其合金n2.1.4 造型設(shè)計中金屬材料的選用2.1.3 有色金屬及其合金n鋁及鋁合金n銅及銅合金鋁及鋁合金純度9

5、8%99.996%，密度小、導電、導熱性優(yōu)良；主要用于科研及制造電容器純鋁強度低，加入合金以提高強度n變形鋁合金變形鋁合金n1.防銹鋁合金：含錳、鎂等，不可熱處理強化，耐蝕性好，用于制造高耐蝕性薄板容器n2.硬鋁：含銅、鎂等，強度、硬度高（與高強鋼相近），塑性低、韌性差，用于制造飛機大梁、螺旋槳、鉚釘?shù)萵3.超硬鋁合金：含鋅、銅等，強度接近超高強度鋼n4.鍛鋁：含鎂、硅、銅等，熱塑性、耐蝕性好，適于鍛造，用于航空等形狀復雜、要求強度較高的鍛件n鑄造鋁合金鑄造鋁合金：要求有良好的鑄造性能，分為鋁硅、鋁銅、鋁鎂、鋁鋅四系。銅及銅合金n1.：純度99.5%99.95%, 、導電、導熱性、，用于電工導

6、體和防磁器械含鋅50%n普通黃銅：含鋅32%：熱加工黃銅(含鋅40%), 強度較高，含銅量少，價格低、用于制作電器上的導電、耐蝕及有一定強度的結(jié)構(gòu)件n特殊黃銅：加入錫、鉛、鋁等元素n錫青銅：一般含錫3%14%, n特殊青銅：指不含錫的青銅，如鋁青銅、鈹青銅等，第一節(jié) 常用金屬材料及其特性n2.1.1 金屬材料的特性及分類n2.1.2 鋼鐵材料n2.1.3 有色金屬及其合金n材料的選用n材料加工工藝的制定n首先要掌握金屬材料理論及其應(yīng)用知識n明確目標及限制條件n進行必要的試驗和選材方案對比2.1.4 造型設(shè)計中金屬材料的選用如何進行金屬材料的選材？n先掌握幾個基本的選材原則：彈性變形和塑性變形影

7、響形狀、尺寸精度n重要螺栓、彈簧、精密絲杠等，應(yīng)選高彈性模量材料：n塑性斷裂：明顯塑性變形后斷裂，應(yīng)選高強度材料n低應(yīng)力脆性斷裂：無宏觀塑性變形下斷裂，如高強度的錘桿，應(yīng)選強韌性材料n疲勞斷裂：交變應(yīng)力作用下的裂紋形成、擴展造成斷裂，如齒輪，應(yīng)表面強化處理：磨損、腐蝕、表面疲勞造型設(shè)計中金屬的選材原則n金屬構(gòu)件承載不大，受力簡單而結(jié)構(gòu)復雜，尤其是具有復雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)n鑄造性能：n承載較大、受力復雜的構(gòu)件n熱鍛性：低碳鋼中碳鋼高碳鋼n體積較大，要求氣密性好，能承受一定壓力，如輸氣管道、蒸汽鍋爐等n鋼材最適合焊接，含碳和合金元素越多，焊接性能越差；鋁合金、銅合金焊接性較差，灰口鑄鐵基本不能焊接n2.2

8、.1 鑄造加工及其工藝性n2.2.2 壓力加工及其工藝性n2.2.3 焊接技術(shù)及其工藝性n2.2.4 切削加工（機械加工）及其工藝性n2.2.5 特種加工及其工藝性第二節(jié) 金屬材料成型與工藝性后母辛方鼎后母辛方鼎家用縫紉機機架 2.2.1 鑄造加工及其工藝性將熔融的金屬液體澆注到與零件形狀相對應(yīng)的鑄造模型腔中，待冷卻后得到實體毛坯或零件的工藝過程不受零件體積、重量大小、形狀、結(jié)構(gòu)復雜程度的限制，不受合金種類限制原材料消耗及切削加工費低、動力消耗少、接近成品零件：縮孔、疏松、氣孔、沙眼等導致力學性能不如鍛件；廢品率較高，工人勞動強度大等2.2.1 鑄造加工及其工藝性n鑄件性能：鑄件性能：n 合金

9、性能合金性能n 鑄型性能鑄型性能n 工藝控制工藝控制n鑄造方法分類n砂型鑄造：用型砂做鑄型的鑄造方法，使用率90%n特種鑄造：砂型鑄造以外的其他鑄造方法，包括熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造、陶瓷型鑄造等鑄造方法分類n凝固方式：凝固方式：n 重力場凝固重力場凝固n 非重力場凝固非重力場凝固n 壓力鑄造壓力鑄造n 離心鑄造離心鑄造n 擠壓鑄造擠壓鑄造n 電磁場電磁場n 快速凝固快速凝固n無論哪種鑄造，其工藝過程中的基本內(nèi)容和成型原理都是相同的，只是過程的方法依不同鑄造而有所不同。 n各種鑄造的基本過程：各種鑄造的基本過程： 2.2.1 鑄造加工及其工藝性砂型砂型鑄造鑄造造型制芯

10、造型制芯金屬液態(tài)砂型成形最基本的工序，通金屬液態(tài)砂型成形最基本的工序，通常分為：常分為：手工造型：手工造型：機器造型：機器造型：利用簡單的器械進行砂型（芯）的制作利用簡單的器械進行砂型（芯）的制作 利用造型機和制芯機進行砂型（芯）利用造型機和制芯機進行砂型（芯）的制作的制作 砂型成形方法砂型成形方法手工造型的特點：手工造型的特點：u 操作方便靈活，適應(yīng)性強操作方便靈活，適應(yīng)性強u 生產(chǎn)率低生產(chǎn)率低u 勞動強度大勞動強度大u 鑄件質(zhì)量不易保證鑄件質(zhì)量不易保證 適用于單件小批量生產(chǎn)適用于單件小批量生產(chǎn) 砂型成形方法砂型成形方法機器造型的特點：機器造型的特點：u 生產(chǎn)效率高生產(chǎn)效率高u 勞動條件好勞

11、動條件好u 勞動強度低勞動強度低u 鑄件的表面質(zhì)量好、尺寸精度高鑄件的表面質(zhì)量好、尺寸精度高適用于成批大量生產(chǎn)適用于成批大量生產(chǎn) n砂型砂型鑄造鑄造砂型砂型鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意：鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意：n力求外形簡單，輪廓平直，只需一個分型面n力求鑄件的內(nèi)腔鑄造時，型芯數(shù)目最少，方便裝配、清理、排氣n起模方向應(yīng)設(shè)計結(jié)構(gòu)斜度n鑄件應(yīng)有合理的壁厚n力求鑄件壁厚均勻，防止局部積聚變形，造成裂紋、縮孔、縮松等缺陷n盡量避免鑄件中有過大的水平面，防止由于橫截面突然增大，導致金屬液面上升緩慢，致使型腔頂部受到長時間烘烤，造成夾砂缺陷、產(chǎn)生氣孔等；將平面改為傾斜面n金屬型金屬型鑄造鑄造金屬型鑄造特點金屬型鑄造

12、特點n可以“一型多鑄”n鑄件的力學性能提高n因為金屬型鑄件的冷卻速度較快、組織比較致密n鑄件精度較高，可以少加工或不加工n但是，成本高、周期長；鑄造透氣性差、無退讓性，易產(chǎn)生冷隔、澆不足、裂紋等缺陷；鑄件熔點不宜太高，重量也不宜太大n主要用于：大批量的有色金屬鑄件，如內(nèi)燃機的鋁活塞、氣缸體、缸蓋、油泵殼體等熔模鑄造（失蠟鑄造）熔模鑄造（失蠟鑄造）n在蠟?zāi)１砻姘栽煨筒牧?，待其硬化，將其中的蠟?zāi)Ｈ廴?，在蠟?zāi)１砻姘栽煨筒牧?，待其硬化，將其中的蠟?zāi)Ｈ廴?，從而獲得無分型面的鑄型的鑄造方法從而獲得無分型面的鑄型的鑄造方法n蠟?zāi)Ｖ圃欤喊▔盒椭圃?、蠟?zāi)褐坪拖災(zāi)＝M裝三步n結(jié)殼：在臘模上涂掛耐火材料，制成

13、一定強度的耐火型硬殼n脫臘：將附有型殼的蠟?zāi)＝M浸泡于85-95的熱水中，蠟料熔化n造型：加固型殼，防止?jié)沧r變形或破裂，將脫蠟后的型殼置于鐵箱之中，周圍用粗砂填充n焙燒：為進一步去掉水分、殘余蠟料及雜質(zhì)，澆注前必須將型殼送入熱爐內(nèi)加熱800-1000進行焙燒，可增強強度，型腔更干凈n澆鑄：焙燒出爐后趁熱（600-700）進行澆注，可提高合金充型能力，防止?jié)膊蛔?，冷隔等缺陷。n落砂清理：冷卻后將型殼破壞取出鑄件，去掉澆口毛刺等。n熔模鑄造（失蠟鑄造）熔模鑄造（失蠟鑄造）鋼水澆注方向鋼水澆注方向熔模鑄造（失蠟鑄造）的特點熔模鑄造（失蠟鑄造）的特點n鑄件的精度高且表面光潔n適用于各種鑄造合金鑄件，尤

14、其是高熔點及難切削的合金的鑄造n熔模鑄件的形狀可以比較復雜，最小孔徑0.5mm，壁厚0.3mmn鑄件的重量不宜太大，一般=25kg,最大80kg左右n工藝過程復雜，不易控制，使用和消耗的材料較貴，適用于形狀復雜、精度較高或難以機加工的小型零件，如發(fā)動機葉片和葉輪等壓力鑄造n在高壓下(比壓約為500一1500Ncm2)快速地(充型時間約為0.0010.2s)將液態(tài)或半液態(tài)合金壓入金屬鑄型中，并在壓力下結(jié)晶，以獲得鑄件的方法。n工作流程：先閉合鑄型，用手工將定量勺內(nèi)金屬液通過壓室上的注液孔向壓室內(nèi)注入：壓射沖頭向前推進，金屬液被壓入鑄型中。：鑄件凝固后，抽芯機構(gòu)將型腔兩側(cè)型芯同時抽出，鑄型開型，鑄

15、件借助沖頭的前伸動作離開壓室，在繼續(xù)開型中，頂桿頂出鑄件。n優(yōu)點：鑄件表面質(zhì)量高，可鑄出復雜形狀薄壁件或鑲嵌件，生產(chǎn)率高。主要適合于有色金屬合金，如鋅合金、鋁合金、鎂合金。壓力鑄造壓力鑄造n低壓鑄造：介于重力鑄造和壓力鑄造之間的一種方法，所用壓力為2-7N/cm2。主要用于生產(chǎn)質(zhì)量高的鋁鎂合金鑄件n離心鑄造：將液態(tài)合金澆入高速旋轉(zhuǎn)（250-1500r/min）的鑄型中，使金屬液在離心力作用下充填鑄型并結(jié)晶。主要用于生產(chǎn)圓筒形鑄件。 材料的可鑄性材料的可鑄性決定某材料是否可鑄造成型，應(yīng)考慮材料的波動性，收縮性和偏析性，是否合乎要求： 指材料熔融后易于流動，不粘滯的性能。流動性好的材料易于充滿砂型

16、，能鑄成較薄、較細，形狀復雜的鑄件：指材料經(jīng)冷卻后，體積收縮程度的大小，收縮性小的材料拎卻后體積變化小，不易出現(xiàn)疏松、變形、裂紋等缺陷，灰口鑄鐵最好：材料冷卻后，各種成分分布的均勻程度。 由于合金不是一種成分，如果偏析、拎卻過程中會有一部分先析出，致使材料性能下降，影響強度和加工性能。設(shè)計的特點設(shè)計的特點n由鑄造零件的工藝看，產(chǎn)品的外形是由模型的型腔決定的，無論是砂型還是金屬型或蠟型，在澆注需要良好的金屬充型能力要求的前提下，鑄型的型腔不可能做的太復雜、太有棱角以及太細小。設(shè)計的特點設(shè)計的特點如：佛像、燈座、紀念章、青銅器餐具、藝術(shù)品等。如：機床底座、車床床身導軌、汽車小零件等。設(shè)計時應(yīng)注意哪些設(shè)計時應(yīng)注意哪些問題？問題？1. 外形輪廓尺寸是漸變的，無分明的棱角；外形輪廓尺寸是漸變的，無分明的棱角；2. 由于金屬流動性的限制，由于金屬流動性的限制，造型的細部不能反映，也不能造型的細部不能反映，也不能鑄造太薄的產(chǎn)品以及在造型上有急劇轉(zhuǎn)彎的部位鑄造太薄的產(chǎn)品以及在造型上有急劇轉(zhuǎn)彎的部位；3. 由于鑄造后要由于鑄造后要有退模工序，則金屬型鑄造不能