材料成型與工藝 - 3金屬

1、材 料 成 型 與 工 藝3 金屬材料金屬材料是指金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱。包括純金屬、合金、金屬材料金屬間化合物和特種金屬材料等。 （注：金屬氧化物（如氧化鋁）不屬于金屬材料）金屬材料3.1.1鋼鐵材料鋼鐵是鐵與C（碳）、Si（硅）、Mn（錳）、P（磷）、S（硫）以及少量的其他元素所組成的合金。其中除Fe（鐵）外，C的含量對鋼鐵的機械性能起著主要作用，故統(tǒng)稱為鐵碳合金。它是工程技術(shù)中最重要、也是最有最主要的，用量最大的金屬材料。3.1.1鋼鐵材料u低碳鋼-含碳量wc0.25%。u中碳鋼-含碳量wc0.25%0.61%。u高碳鋼-含碳量wc0.60%高碳鋼一般在軍

2、工業(yè)和工業(yè)醫(yī)療業(yè)比較多。鐵碳合金分為鋼與生鐵兩大類，鋼是含碳量為鐵碳合金分為鋼與生鐵兩大類，鋼是含碳量為0.03%0.03%2%2%的鐵碳合金。的鐵碳合金。隨含碳量升高，碳鋼的硬度增加、韌性下降。3.1.1鋼鐵材料生鐵硬而脆，但耐壓耐磨。鐵碳合金分為鋼與生鐵兩大類，含碳量鐵碳合金分為鋼與生鐵兩大類，含碳量2%2%4.3%4.3%的鐵碳合金稱的鐵碳合金稱生鐵。生鐵。白口鐵灰口鐵球墨鑄鐵碳以Fe3C形態(tài)分布，斷口呈銀白色，質(zhì)硬而脆，不能進行機械加工，是煉鋼的原料，故又稱煉鋼生鐵。碳以片狀石墨形態(tài)分布的稱灰口鐵，斷口呈銀灰色，易切削，易鑄，耐磨。若碳以球狀石墨分布則稱球墨鑄鐵，其機械性能、加工性能接

3、近于鋼。3.1.1鋼鐵材料鋼材結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼: :各種工程構(gòu)件和機器零件用鋼各種工程構(gòu)件和機器零件用鋼含碳量約0.05%0.70%，個別可高達0.90%?？煞譃槠胀ㄌ妓亟Y(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼兩類。用途很多，用量很大，主要用于鐵道、橋梁、各類建筑工程，制造承受靜載荷的各種金屬構(gòu)件及不重要不需要熱處理的機械零件和一般焊接件。碳素結(jié)構(gòu)鋼3.1.1鋼鐵材料鋼材結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼: :各種工程構(gòu)件和機器零件用鋼各種工程構(gòu)件和機器零件用鋼這是一類可焊接的低碳工程結(jié)構(gòu)用鋼。其含碳量通常小于0.25%，比普通碳素結(jié)構(gòu)鋼有較高的屈服點s或屈服強度 0.2(3080kgf/mm2)和屈強比s/b(0.650.95),較好

4、的冷熱加工成型性，良好的焊接性，較低的冷脆傾向、缺口和時效敏感性，以及有較好的抗大氣、海水等腐蝕能力。低合金高強度鋼3.1.1鋼鐵材料鋼材結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼: :各種工程構(gòu)件和機器零件用鋼各種工程構(gòu)件和機器零件用鋼這種鋼中所含的硫、磷及非金屬夾雜物比碳素結(jié)構(gòu)鋼少，機械性能較為優(yōu)良。主要用來制造較為重要的機件。在工程中一般用于生產(chǎn)重要的機械零件和彈簧。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼3.1.1鋼鐵材料鋼材結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼: :各種工程構(gòu)件和機器零件用鋼各種工程構(gòu)件和機器零件用鋼用作機械零件和各種工程構(gòu)件并含有一種或數(shù)種一定量的合金元素的鋼。由于具有合適的淬透性，經(jīng)適宜的金屬熱處理后，顯微組織為均勻的索氏體、貝氏體或極細的珠

5、光體，因而具有較高的抗拉強度和屈強比（一般在0.85左右），較高的韌性和疲勞強度，和較低的韌性脆性轉(zhuǎn)變溫度，可用于制造截面尺寸較大的機器零件。合金結(jié)構(gòu)鋼3.1.1鋼鐵材料鋼材結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼: :各種工程構(gòu)件和機器零件用鋼各種工程構(gòu)件和機器零件用鋼一種鑄造鐵合金，是在凝固過程中不經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變的用于生產(chǎn)鑄件的鐵基合金的總稱。鑄鋼分為鑄造碳鋼、鑄造低合金鋼和鑄造特種鋼3類。鑄鋼的優(yōu)點是有更大的設計靈活性、冶金制造最強的靈活性和可變性、提高整體結(jié)構(gòu)強度和大范圍的重量變化鑄 鋼特殊性能的鋼：最常見不銹鋼特殊性能的鋼：最常見不銹鋼3.1.1鋼鐵材料鋼材不銹鋼（Stainless Steel）是不銹耐酸鋼的簡

6、稱，耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)或具有不銹性的鋼種稱為不銹鋼；而將耐化學腐蝕介質(zhì)（酸、堿、鹽等化學浸蝕）腐蝕的鋼種稱為耐酸鋼。3.1.1鋼鐵材料鑄鐵灰鑄鐵有一定的強度，但塑性和韌性很低，這種性能特點與石墨本身的性能及其在鑄鐵組織中的存在形態(tài)有關。有良好的減震性，用灰鑄鐵制作機器設備上的底座或機架等零件時，能有效地吸收機器震動的能量；有良好的潤滑性能；還有良好的導熱性能，這是因石墨是熱的良好導體；此外其熔煉也比較方便，并且還有良好的鑄造性能。其流動性能良好，線收縮率和體收縮率較小，鑄件不易產(chǎn)生開裂，因此適宜于鑄造結(jié)構(gòu)復雜的鑄件和薄壁鑄件，如汽車的汽缸體、汽缸蓋等?；铱阼T鐵3.1.1鋼鐵材料鑄鐵由

7、一定化學成分的鐵液澆注成白口坯件，再經(jīng)退火而成的鑄鐵，有較高的強度、塑性和沖擊韌度，可以部分代替碳鋼。這種鑄鐵因具有-定的塑性和韌性，所以俗稱瑪鋼、馬鐵，又叫展性鑄鐵或韌性鑄鐵。黑心可鍛鑄鐵用于沖擊或震動和扭轉(zhuǎn)載荷的零件，常用于制造汽車后橋、彈簧支架、低壓閥門、管接頭、工具扳手等。可鍛鑄鐵3.1.1鋼鐵材料鑄鐵其綜合性能接近于鋼，正是基于其優(yōu)異的性能，已成功地用于鑄造一些受力復雜，強度、韌性、耐磨性要求較高的零件。球墨鑄鐵已迅速發(fā)展為僅次于灰鑄鐵的、應用十分廣泛的鑄鐵材料。所謂“以鐵代鋼”，主要指球墨鑄鐵。球墨鑄鐵是通過球化和孕育處理得到球狀石墨，有效地提高了鑄鐵的機械性能，特別是提高了塑性和

8、韌性，從而得到比碳鋼還高的強度。球墨鑄鐵3.1.1鋼鐵材料鑄鐵蠕墨鑄鐵的石墨形態(tài)介于片狀和球狀石墨之間。蠕墨鑄鐵的石墨形態(tài)在光學顯微鏡下看起來像片狀，但不同于灰口鑄鐵的是其片較短而厚、頭部較圓（形似蠕蟲）。所以可以認為蠕蟲狀石墨是一種過渡型石墨。由于蠕墨鑄鐵兼有球墨鑄鐵和灰鑄鐵的性能，因此，它具有獨特的用途，在鋼錠模、汽車發(fā)動機、排氣管、玻璃模具、柴油機缸蓋、制動零件等方面的應用均取得了良好的效果。蠕墨鑄鐵3.1.1鋼鐵材料合金鋼又叫特種鋼，在碳鋼的基礎上加入一種或多種合金元素，使鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而具有一些特殊性能，如高硬度、高耐磨性、高韌性、耐腐蝕性，等等。經(jīng)常加入鋼中的合金元

9、素有Si、W、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Ti等。合金鋼的資源相當豐富，除Cr、Co不足,Mn品位較低外,W、Mo、V、Ti和稀土金屬儲量都很高。3.1.2鋁及鋁合金工業(yè)純鋁一般定為純度為99.0%99.9%的鋁。工業(yè)純鋁具有鋁的一般特點，密度小，導電、導熱性能好，抗腐蝕性能好，塑性加工性能好，可加工成板、帶、箔和擠壓制品等，可進行氣焊、氬弧焊、點焊。工業(yè)純鋁不能熱處理強化，可通過冷變形提高強度，惟一的熱處理形式是退火，再結(jié)晶開始溫度與雜質(zhì)含量和變形度有關，一般在200左右。(1(1) ) 工業(yè)工業(yè)純鋁純鋁3.1.2鋁及鋁合金(2) (2) 鋁合金鋁合金用于制造低中強度的形狀復雜的鑄件，如蓋板

10、、電機殼、托架等，也用作釬焊焊料。硅含量較低時（比如0.7），鋁硅合金的延展性較好，常用來做變形合金；硅含量較高時（比如7%），鋁硅合金熔體的填充性較好，常用來做鑄造合金。在含硅量超過Al-Si共晶點（硅12.6%）的鋁硅合金中，硅的顆粒含量高達14.5%25%時，再加入一定量的Ni，CU，Mg等元素能改善其綜合力學性能。它們可用于汽車發(fā)動機中代替鑄鐵汽缸而明顯減輕重量。用作汽缸的鋁硅合金，可經(jīng)過電化學處理以浸蝕表層鋁而在缸內(nèi)壁保留鑲嵌于基體的初生硅質(zhì)點，其抗擦傷能力和抗磨損性以明顯改善。其中含硅量11%13%的合金以其質(zhì)輕、低膨脹系數(shù)和高耐蝕性能等特點而成為最佳的活塞材料之一。鋁硅合金3.1

11、.2鋁及鋁合金(2) (2) 鋁合金鋁合金鋁鎂合金鋁板主要元素是鋁，再摻入少量的鎂或是其它的金屬材料來加強其硬度。以Mg為主要添加元素的鋁合金，由于它抗蝕性好，又稱防銹鋁合金。因本身就是金屬，其導熱性能和強度尤為突出。鋁鎂合金3.1.2鋁及鋁合金(2) (2) 鋁合金鋁合金特點是強度高，通常稱為硬鋁合金，其耐熱性能和加工性能良好，但耐蝕性不如大多數(shù)其他鋁合金好，在一定條件下會產(chǎn)生晶間腐蝕，因此板材往往需要包覆一層純鋁或6系列鋁合金，提高抗腐蝕性。該系提供板材、型材、鍛件、線材、棒材、管材、箔材，應用廣泛，有航空航天結(jié)構(gòu)件、焊條焊料、機械加工品、發(fā)動機活塞機輪等等。鋁銅合金3.1.2鋁及鋁合金(

12、2) (2) 鋁合金鋁合金黃銅替代品，可做穩(wěn)定結(jié)構(gòu)零件。鋁鋅合金3.1.3銅及銅合金（1 1）工業(yè)）工業(yè)純銅純銅良的導電性、導熱性、適中的機械性能。可用來配制銅合金和作合金元素。廣泛用于電器電工領域作導電、導熱材料。用反射爐等火法冶煉銅，用電解法精煉銅。3.1.3銅及銅合金（2 2）銅）銅合金合金黃銅是由銅和鋅所組成的合金，由銅、鋅組成的黃銅就叫作普通黃銅，如果是由二種以上的元素組成的多種合金就稱為特殊黃銅。黃銅有較強的耐磨性能，黃銅常被用于制造閥門、水管、空調(diào)內(nèi)外機連接管和散熱器等。黃 銅3.1.3銅及銅合金（2 2）銅）銅合金合金青銅是金屬冶鑄史上最早的合金，在純銅（紫銅）中加入錫或鉛的合

13、金，有特殊重要性和歷史意義，與純銅（紫銅）相比，青銅強度高且熔點低（25%的錫冶煉青銅，熔點就會降低到800。純銅（紫銅）的熔點為1083）。青銅鑄造性好，耐磨且化學性質(zhì)穩(wěn)定。青 銅3.1.3銅及銅合金（2 2）銅）銅合金合金白銅是以鎳為主要添加元素的銅基合金，呈銀白色，有金屬光澤，故名白銅。銅鎳之間彼此可無限固溶，從而形成連續(xù)固溶體，即不論彼此的比例多少，而恒為-單相合金。當把鎳熔入紅銅里，含量超過16%以上時，產(chǎn)生的合金色澤就變得潔白如銀，鎳含量越高，顏色越白。白銅中鎳的含量一般為25%。白 銅3.1.4其他有色金屬及其合金(1)(1)鎂及鎂的合金鎂及鎂的合金鎂是航空工業(yè)的重要材料，鎂合金

14、用于制造飛機機身、發(fā)動機零件等；鎂還用來制造照相和光學儀器等；鎂及其合金的非結(jié)構(gòu)應用也很廣；鎂作為一種強還原劑，還用于鈦、鋯、鈹、鈾和鉿等的生產(chǎn)中。純鎂的強度小，但鎂合金是良好的輕型結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于空間技術(shù)、航空、汽車和儀表等工業(yè)部門。一架超音速飛機約有5%的鎂合金構(gòu)件，一枚導彈一般消耗100200公斤鎂合金。鎂是其他合金（特別是鋁合金）的主要組元，它與其他元素配合能使鋁合金熱處理強化；球墨鑄鐵用鎂作球化劑；而有些金屬（如鈦和鋯）生產(chǎn)又用鎂作還原劑；鎂是燃燒彈和照明彈不能缺少的組成物；鎂粉是節(jié)日煙花必需的原料；鎂是核工業(yè)上的結(jié)構(gòu)材料或包裝材料；鎂肥能促使植物對磷的吸收利用，缺鎂植物則生長趨于

15、停滯。鎂在人民生活中占有重要地位的一種基礎材料。3 3.1.4其他有色金屬及其合金(1)(1)鋅及鋅的合金鋅及鋅的合金鋅（Zinc）是第四常見的金屬，僅次于鐵、鋁及銅，不過地殼含量最豐富的元素前幾名分別是氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂。外觀呈現(xiàn)銀白色，在現(xiàn)代工業(yè)中對于電池制造上有不可磨滅的地位，為一相當重要的金屬。鍍鋅鋅具有優(yōu)良的抗大氣腐蝕性能，在常溫下表面易生成一層保護膜，因此鋅最大的用途是用于鍍鋅工業(yè)。被主要用于鋼材和鋼結(jié)構(gòu)件的表面鍍層(如鍍鋅板)，廣泛用于汽車、建筑、船舶、輕工等行業(yè)。鋅合金用于汽車制造和機械行業(yè)。鋅具有適用的機械性能。3.1.4其他有色金屬及其合金(1)(1)鈦及鈦的合

16、金鈦及鈦的合金 耐腐蝕性能 耐熱性能好 耐低溫性能好 抗阻尼性能強 無磁性、無毒 抗拉強度與其屈服強度接近 換熱性能好 彈性模量低 吸氣性能3.2 金屬材料成型3.2.1金屬液態(tài)成型（1 1）砂型）砂型鑄造鑄造3.2.1金屬液態(tài)成型（2 2） 特種鑄造特種鑄造熔模鑄造1. 工人在攪拌蠟原料2. 融化的蠟注入金屬模具。3.2.1金屬液態(tài)成型（2 2） 特種鑄造特種鑄造熔模鑄造3. 等到初步凝固后，就可以從模具中取出蠟模型。4. 蠟模型放入冷水中，進一步冷卻固化3.2.1金屬液態(tài)成型（2 2） 特種鑄造特種鑄造熔模鑄造5. 成型的蠟模型移入儲藏室。它們是金屬零件的原型，那些零件可以用于制造汽車、火

17、車、飛機、機械設備、電站設備等。6. 蠟模型都放在一個個竹筐里。3.2.1金屬液態(tài)成型（2 2） 特種鑄造特種鑄造熔模鑄造7. 下一步是將同樣的模型都合并在一起，形成一個模型樹。通過加熱，把它們黏合。8. 排列好的模型樹，將被送入下一道工序。3.2.1金屬液態(tài)成型（2 2） 特種鑄造特種鑄造熔模鑄造9. 這一步是形成陶模（ceramic mold）。簡單說，就是反復執(zhí)行三個步驟：涂料、撒砂和硬化。首先，模型樹被浸入硅酸乙酯或者硅酸鈉的復合溶液。溶液的氣味很像氨水，但是現(xiàn)場沒有一個工人戴著呼吸系統(tǒng)保護裝置。10. 完成涂料的模型樹，再被手工灑上二氧化硅晶體或者鋯石晶體。這個步驟會反復進行多次，然

18、后模型樹會被懸掛，等待風干硬化。3.2.1金屬液態(tài)成型（2 2） 特種鑄造特種鑄造熔模鑄造 11.涂料和撒砂需要一直做，直到陶模的厚度達到一厘米左右。12.完成之后，陶模就被放在一邊，由夜班工人處理3.2.1金屬液態(tài)成型（2 2） 特種鑄造特種鑄造熔模鑄造13. 鑄造車間的熔爐使用煤炭作為燃料。陶模被推進去，里面的蠟芯開始融化，二氧化硅晶體互相結(jié)合，形成了一個堅硬抗熱的空心陶瓷部件。這一步叫做燒芯。14. 工人用推車，將燒制好的陶模取出熔爐。3.2.1金屬液態(tài)成型（2 2） 特種鑄造特種鑄造熔模鑄造15.燒得通紅的陶模，被直接放置在砂石上16. 工人用鐵耙子，將砂石圍在陶模四周，只露出口上的部

19、分。陶模被牢固地固定了。3.2.1金屬液態(tài)成型（2 2） 特種鑄造特種鑄造熔模鑄造17. 廢鋼加入電熔爐融化。18.融化后的鋼水被倒入一個可以移動的坩堝。兩個工人用長桿子架住坩堝3.2.1金屬液態(tài)成型（2 2） 特種鑄造特種鑄造熔模鑄造19. 鋼水被倒出坩堝，倒入一個個陶模之中。20. 如果鋼水倒得不好，沒有正好填滿陶模，或者在倒的過程中形成氣泡，整個零件就成了次品和廢品。工廠的利潤和成本就要受到影響3.2.1金屬液態(tài)成型（2 2） 特種鑄造特種鑄造熔模鑄造21.陶模和里面的零件，被拉到樓外22. 工人用噴燈除去零件上面蠟模的殘片，這一步必須重復執(zhí)行3.2.1金屬液態(tài)成型（2 2） 特種鑄造特

20、種鑄造熔模鑄造23.工人從零件上去除二氧化硅的殘渣。有時會用到榔頭24.鋼鐵零件會進一步用機器清潔表面，把澆鑄過程的痕跡完全去掉噴砂完成后，零件成品就從機器里落在手推車上。3.2.1金屬液態(tài)成型（2 2） 特種鑄造特種鑄造熔模鑄造3.2.1金屬液態(tài)成型（2 2） 特種鑄造特種鑄造金屬型鑄造金屬合模狀態(tài)傾轉(zhuǎn)澆筑3.2.1金屬液態(tài)成型（2 2） 特種鑄造特種鑄造壓力鑄造壓力鑄造high pressure die casting（簡稱壓鑄）的實質(zhì)是在高壓作用下，使液態(tài)或半液態(tài)金屬以較高的速度充填壓鑄型（壓鑄模具）型腔，并在壓力下成型和凝固而獲得鑄件的方法消失模鑄造（又稱實型鑄造）是將與鑄件尺寸形狀相似的石蠟或泡沫模型粘結(jié)組合成模型