金屬及加工工藝課件

第二章金屬及加工工藝

金屬概述

金屬材料的性能

金屬材料的加工工藝

產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中常用的黑色金屬

產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中常用的有色金屬

金屬材料在產(chǎn)品中的運(yùn)用2.1金屬概述金屬的生產(chǎn)和使用，開創(chuàng)了人類文明新的歷史青銅器時(shí)代鐵器文化煉金術(shù)時(shí)代輕金屬開發(fā)時(shí)代

煉金術(shù)是中世紀(jì)的一種化學(xué)哲學(xué)的思想和始祖，是化學(xué)的雛形。其目標(biāo)是通過化學(xué)方法將一些基本金屬轉(zhuǎn)變?yōu)辄S金，制造萬靈藥及制備長生不老藥。現(xiàn)在的科學(xué)表明這種方法是行不通的。但是直到19世紀(jì)之前，煉金術(shù)尚未被科學(xué)證據(jù)所否定。包括牛頓在內(nèi)的一些著名科學(xué)家都曾進(jìn)行過煉金術(shù)嘗試。

近代化學(xué)的出現(xiàn)，使人們對(duì)制金的可能性產(chǎn)生了懷疑，到了17世紀(jì)以后，煉金術(shù)遭到了批判。煉金術(shù)的希望破滅了。常見合金簡介無聲金屬記憶合金吸附合金彩色不銹鋼合金（一）無聲合金

鑄鐵、錳鋼合金、鐵鉻合金在機(jī)械加工時(shí)能把大量的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為材料的熱能散發(fā)出去，從而使振動(dòng)和噪聲都迅速衰減，所以稱他們?yōu)闊o聲合金。（二）記憶合金

鎳鈦合金，具有“記憶功能”，無論外力將其作用成什么樣子。只要遇到特定的溫度條件，就會(huì)立即喚醒記憶，恢復(fù)自己的原形，人們把它成為記憶合金。（三）吸附合金

氫吸附合金，當(dāng)這種合金經(jīng)過加熱或減壓后，它又會(huì)重新還原成金屬和氫氣。（四）彩色不銹鋼合金

在不銹鋼表面形成一層無色透明的氧化膜對(duì)光的反射不同，從而顯示藍(lán)色、金色、紅色、綠色等，耐腐蝕性耐熱性都優(yōu)于普通的不銹鋼。2.2金屬材料的性能2.2.1一般特性晶格體結(jié)構(gòu)的固體，由金屬鍵結(jié)合而成電與熱的良導(dǎo)體表面色彩與光澤良好的展延性可形成合金，改善金屬的性能易于氧化

金屬材料的優(yōu)缺點(diǎn)

為更合理使用金屬材料，充分發(fā)揮其作用，必須掌握各種金屬材料制成的零、構(gòu)件在正常工作情況下應(yīng)具備的性能（使用性能）及其在冷熱加工過程中材料應(yīng)具備的性能（工藝性能）。

材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性等）、化學(xué)性能（耐用腐蝕性、抗氧化性），力學(xué)性能也叫機(jī)械性能。

材料的工藝性能指材料適應(yīng)冷、熱加工方法的能力。

機(jī)械性能是指金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的特性。

1、強(qiáng)度：材料在外力（載荷）作用下，抵抗變形和斷裂的能力。材料單位面積受載荷稱應(yīng)力。

2、屈服點(diǎn)（бs）：稱屈服強(qiáng)度，指材料在拉抻過程中，材料所受應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，載荷不再增加變形卻繼續(xù)增加或產(chǎn)生0.2%L。時(shí)應(yīng)力值，單位用牛頓/毫米2（N/mm2）表示。

3、抗拉強(qiáng)度（бb）也叫強(qiáng)度極限指材料在拉斷前承受最大應(yīng)力值。單位用牛頓/毫米2（N/mm2）表示。

2.2.2金屬材料的機(jī)械性能

4、延伸率（δ）：材料在拉伸斷裂后，總伸長與原始標(biāo)距長度的百分比。

5、斷面收縮率（Ψ）:材料在拉伸斷裂后、斷面最大縮小面積與原斷面積百分比。

6、硬度：指材料抵抗其它更硬物壓力其表面的能力.

7、沖擊韌性（Ak）：材料抵抗沖擊載荷的能力.

2.2.3金屬材料的工藝性能

指材料承受各種加工、處理的能力的那些性能。

1、鑄造性能：指金屬或合金是否適合鑄造的一些工藝性能，主要包括流性能、充滿鑄模能力；收縮性、鑄件凝固時(shí)體積收縮的能力；偏析指化學(xué)成分不均性。

2、焊接性能：指金屬材料通過加熱或加熱和加壓焊接方法，把兩個(gè)或兩個(gè)以上金屬材料焊接到一起，接口處能滿足使用目的的特性。

3、冷彎性能：指金屬材料在常溫下能承受彎曲而不破裂性能。4、沖壓性能：金屬材料承受沖壓變形加工而不破裂的能力。在常溫進(jìn)行沖壓叫冷沖壓。檢驗(yàn)方法用杯突試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

5、鍛造性能：金屬材料在鍛壓加工中能承受塑性變形而不破裂的能力。

2.2.4化學(xué)性能

指金屬材料與周圍介質(zhì)接觸時(shí)抵抗發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的性能。

1、耐腐蝕性：指金屬材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力。

2、抗氧化性：指金屬材料在高溫下，抵抗產(chǎn)生氧化皮能力。2.3金屬材料的加工工藝

2.3.1金屬的成型加工金屬的主要成型方法：鑄造、塑性加工、焊接和切削加工等2.3.1.1鑄造加工:鑄造基本原理:金屬鑄造是將熔融態(tài)金屬澆入鑄型后，冷卻凝固成為具有一定形狀鑄件的工藝方法。工藝特點(diǎn):適應(yīng)性強(qiáng)成本低廉鑄造方法：砂型鑄造特種鑄造

鑄造一般按造型方法來分類，習(xí)慣上分為普通砂型鑄造和特種鑄造（熔模鑄造，金屬型鑄造，壓力鑄造，離心鑄造）。鑄造工藝可分為三個(gè)基本部分，即鑄造金屬準(zhǔn)備、鑄型準(zhǔn)備和鑄件處理。鑄造特點(diǎn)：（1）適應(yīng)性強(qiáng)（2）成本低廉特種鑄造:有別于砂型鑄造的其他鑄造方法統(tǒng)稱為特種鑄造其生產(chǎn)過程易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，鑄件精度較高，表面粗糙度低，但它的適應(yīng)性差。熔模鑄造：打高爾夫球的人總希望用頭更大的球桿打球。鈦的比重小，強(qiáng)度大，可以把球頭做得更大，而不會(huì)增加球桿的總重量熔模鑄造又稱“石蠟鑄造"，通常是在蠟?zāi)１砻嫱可蠑?shù)層耐火材料，待其硬化干燥后，將其中的蠟?zāi)Ｈ廴ザ瞥尚蜌?，再?jīng)過焙燒，然后進(jìn)行澆注，而獲得鑄件的一種方法，由于獲得的鑄件具有較高的尺寸精度和表面光潔度，故又稱"熔模精密鑄造"

熔模鑄造鈦合金開式葉輪

金屬型鑄造:將液態(tài)金屬澆入金屬鑄型，從而獲得鑄件壓力鑄造：在壓鑄機(jī)上以較高的壓力和速度將壓室內(nèi)的金屬液壓射到模腔中，并在壓力作用下使金屬液迅速凝固成鑄件。大型鋁合金鑄件

壓鑄特點(diǎn)

高壓和高速充填壓鑄型是壓鑄的兩大特點(diǎn)。與其它鑄造方法相比，壓鑄有以下三方面優(yōu)點(diǎn)：

1.產(chǎn)品質(zhì)量好

鑄件尺寸精度高；表面光潔度好；強(qiáng)度和硬度較高，尺寸穩(wěn)定；可壓鑄薄壁復(fù)雜的鑄件。

2.生產(chǎn)效率高

機(jī)器生產(chǎn)率高，平均八小時(shí)可壓鑄600～700次，小型熱室壓鑄機(jī)平均每八小時(shí)可壓鑄3000～7000次；壓鑄型壽命長，壽命可達(dá)幾十萬次，甚至上百萬次；易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。

3.經(jīng)濟(jì)效果優(yōu)良

由于壓鑄件尺寸精確，表泛光潔等優(yōu)點(diǎn)。一般不再進(jìn)行機(jī)械加工而直接使用，或加工量很小，所以既提高了金屬利用率，又減少了大量的加工設(shè)備和工時(shí)；鑄件價(jià)格便易。

缺點(diǎn):

1)壓鑄時(shí)由于液態(tài)金屬充填型腔速度高，流態(tài)不穩(wěn)定，鑄件易產(chǎn)生氣孔，不能進(jìn)行熱處理；

2）高熔點(diǎn)合金（如銅，黑色金屬），壓鑄型壽命較低；

3）不宜小批量生產(chǎn)，其主要原因是壓鑄型制造成本高，壓鑄機(jī)生產(chǎn)效率高，小批量生產(chǎn)不經(jīng)濟(jì)。離心鑄造：將液態(tài)金屬澆入高速旋轉(zhuǎn)的鑄型中，使金屬在離心力的作用下填充鑄型并凝固成型的鑄造方法。立式離心鑄造示意圖1-澆包2-鑄型3-液體金屬4皮帶輪和皮帶5-旋轉(zhuǎn)軸6-鑄件7-電動(dòng)機(jī)離心鑄造的鋼管2.3.1.2金屬塑性加工

金屬塑性加工原理及特點(diǎn)金屬塑性加工是指在外力作用下，使金屬坯料產(chǎn)生預(yù)期的塑性變形，從而獲得具有一定形狀、尺寸和機(jī)械性能的毛坯或零件的加工方法。利用金屬塑性成型過程不僅能得到強(qiáng)度高、材料消耗少等優(yōu)點(diǎn)，使其在各行業(yè)中成為不可缺少的材料成型方法。金屬塑性加工過程鍛造：利用手捶、鍛捶、或壓力設(shè)備上的模具對(duì)加熱的金屬坯料施力，使金屬材料在不分離條件下產(chǎn)生塑性變形，以獲得形狀、尺寸和性能符合要求的零件。鍛造按成型是否用模具通常分為：自由鍛和模鍛鍛造按加工方法分為：手工鍛造和機(jī)械鍛造冰斧的前、后鎬由機(jī)械鍛壓合金鋼制造而成鍛造圓鋼鍛造中空軸精密鍛造模

2軋制將金屬靠摩擦力的作用，連續(xù)通過軋機(jī)上兩個(gè)相對(duì)回轉(zhuǎn)軋輥之間的空隙，進(jìn)行壓延變形成為型材的加工方法。按軋制溫度分：熱軋和冷軋熱軋是將材料加熱到再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行軋制，它變形抗力小，變形量大，生產(chǎn)效率高，適合軋制較大斷面尺寸，塑性較差或變形量較大的材料。熱連軋鋼板產(chǎn)品是以熱軋卷為原料，在室溫下在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行軋制而成，包括板和卷。其中成張交貨的稱為鋼板，也稱盒板或平板；長度很長、成卷交貨的稱為鋼帶，也稱卷板。

冷軋板卷冷軋廠產(chǎn)品卷板平板彩板產(chǎn)品3.擠壓將金屬坯料置于一封閉的擠壓模內(nèi)，用強(qiáng)大的擠壓力將金屬從?？字袛D出成型，從而獲得符合模孔截面的坯料或零件的加工方法。冷擠壓產(chǎn)品

4、拉拔:用拉力使大截面的金屬坯料強(qiáng)行穿過一定形狀的拉拔模的?？?，以獲得所需斷面積形狀和尺寸的小截面毛坯或制品的工藝過程。

拉拔產(chǎn)品

各種規(guī)格的金屬絲

5.沖壓金屬板料在沖壓模之間受壓力產(chǎn)生分離或產(chǎn)生塑性變形的加工方法。

優(yōu)點(diǎn)：改善金屬的內(nèi)部組織，提高金屬的機(jī)械性能。生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品尺寸均勻一致，表面光潔。

缺點(diǎn)：只適用于加工塑性金屬材料，對(duì)于脆性材料如鑄鐵、青銅等則無能為力；不適于加工形狀太復(fù)雜的零件。沖壓加工方法適應(yīng)范圍廣，從1克重的表針到幾百噸重的發(fā)電機(jī)大軸均可生產(chǎn)。廣泛應(yīng)用于航空、汽車、儀器儀表、電器等工業(yè)部門和生活日用品的生產(chǎn)。沖壓的軸承生活日用品沖壓的消聲器五金沖壓雜件2.3.1.3金屬的焊接加工金屬焊接加工原理及特點(diǎn)將分離的金屬用局部加熱或加壓等手段，借助于金屬內(nèi)部原子的結(jié)合與擴(kuò)散作用牢固地連接起來，形成永久接頭的過程稱為焊接。與鉚接比較：焊接具有節(jié)省材料、減輕質(zhì)量、接頭的密封性好，可承受高壓，簡化加工與裝配工序等優(yōu)點(diǎn)

2金屬的焊接加工方法分類：按其過程特點(diǎn)分為三大類：熔焊、壓焊和釬焊。熔焊。熔焊是將母材接頭加熱到溶化溫度以上，使他們?cè)谝簯B(tài)下相互熔合，從而冷卻凝固在一起的焊接方法。熔化焊接由于加熱方式及熔煉方式的區(qū)別，有以下幾種類型。氣焊

電子束焊接:是利用高壓靜電場把熱陰極發(fā)射的電子會(huì)聚成電子束，經(jīng)電磁聚焦成一能量密度極高的小斑點(diǎn)，轟擊被焊工件，使焊縫兩側(cè)的金屬迅速熔化，實(shí)現(xiàn)焊接目的的一種工藝技術(shù)。熔焊機(jī)壓焊：在壓力作用下，被焊的分離金屬結(jié)合面處產(chǎn)生塑性變形而使金屬連接成整體的工藝。冷壓焊是在室溫下，借助壓力使待焊金屬生產(chǎn)塑性變形而實(shí)現(xiàn)固態(tài)焊接的方法。鋁壓焊機(jī)(圖)釬焊:釬焊是一種在金屬與金屬表面之間及陶瓷與金屬表面之間形成冶金接合的工藝.釬焊與錫焊的不同之處在于，釬焊只是焊料熔化，基體材料不熔化。為確保釬焊合金材料比基體金屬的熔點(diǎn)低，釬焊合金可含有溫度抑制材料例如硅和/或硼。釬焊機(jī)(圖)2.3.1.4金屬的切削加工金屬切削加工的原理：利用切削刀具在切削機(jī)床上將金屬工件的多余加工量切去，從而獲得符合要求的幾何形狀、尺寸精度和表面粗糙度的加工方法。金屬切削加工的分類：鉗工和機(jī)械加工（簡稱機(jī)加工）兩部分。機(jī)械加工又包括：車削、銑削、刨削、磨削、鉆削、鏜削等。

銑床鉆床磨床車床牛頭刨BH607

鏜床2.3.2金屬的表面處理技術(shù)表面處理的功效：一方面是保護(hù)產(chǎn)品；另一方面起到美化、裝飾產(chǎn)品.通過各種方法處理而顯示不同顏色、不同表面紋理的不銹鋼薄片組成的馬賽克屏風(fēng)。通過各種方法處理而顯示不同顏色、不同表面紋理的不銹鋼薄片組成的馬賽克屏風(fēng)。1.金屬材料的表面前處理金屬表面的機(jī)械處理（切削、研磨、噴砂）：金屬表面的化學(xué)處理金屬表面的電化學(xué)處理油污及某些吸附物，較薄的氧化層可先后用溶劑清洗、化學(xué)處理和機(jī)械處理，或直接用化學(xué)處理。電化學(xué)除銹是在酸或堿溶液中對(duì)金屬制品進(jìn)行陰極或陽極處理除去銹層。

2金屬材料的表面裝飾技術(shù)金屬表面處理的分類:

金屬材料的表面裝飾也稱作表面被覆處理.表面覆蓋一層皮膜，從而改變材料表面的物理化學(xué)性質(zhì)，賦予材料的表面肌理、色彩等。1

金屬表面著色工藝。采用化學(xué)、電解、熱處理等方法，使金屬表面形成各種色澤的膜層、鍍層或涂層。2

金屬表面的肌理工藝。通過鍛打、刻畫、打磨、腐蝕等工藝在金屬表面制作出肌理效果?，m瑯著色：琺瑯飾品是先將金、銀、銅、鈦等飾品用金屬制成底胎，再將琺瑯彩釉料點(diǎn)繪于金屬胎上的凹坑花紋處，然后至入高溫窯爐中經(jīng)800度爐火高溫?zé)Y(jié)成一體而成。用來承載琺瑯的金屬基板只能采用金和銅，其中銅僅能用于不透明琺瑯制品。如果要制作的是透明或是彩色琺瑯制品，選用的金屬需要在高溫下，表面特性不能改變；該金屬也不能在高溫下和原料接觸中產(chǎn)生任何化學(xué)反應(yīng)。以銀為例，產(chǎn)生黃色的鉛，在高溫下和銀作用后會(huì)變?yōu)殚偕踔潦情蠙焐?。掐絲琺瑯:約在元朝時(shí)由傳教士自中亞傳入中國，由于當(dāng)時(shí)中國在基礎(chǔ)技術(shù)如鑄銅等冶金技術(shù)以及玻璃和琉璃的制作知識(shí)上原本就相當(dāng)先進(jìn)，所以在中國人吸收了這種琺瑯的制造技術(shù)后，又經(jīng)改良和不斷發(fā)揚(yáng)光大。明朝景泰年間這種琺瑯的制造盛極一時(shí)，填色的色料由國外進(jìn)口的琺瑯彩換成了帶有中國獨(dú)有的藍(lán)色琺瑯色料，當(dāng)時(shí)的成品常以一種特有的藍(lán)色為基調(diào)，景泰藍(lán)也因而得名，并在中文里成為掐絲琺瑯的代名詞。電解著色法:是指鋁或鋁合金經(jīng)陽極氧化后浸入到更貴的金屬鹽溶液里，通過使用交流電進(jìn)行極化或用直流電進(jìn)行陰極極化來進(jìn)行著色的一種方法。熱處理著色工藝:將金屬制件置于氧化氣氛中進(jìn)行加熱處理，使其表面生成氧化膜。由于氧化膜有色干擾特點(diǎn)，故隨著加熱時(shí)間不同，氧化膜厚度不同，表面會(huì)呈現(xiàn)不同的顏色。鎏金：是把金和水銀合成的金汞劑，涂在銅器表層，加熱使水銀蒸發(fā)，使金牢固地附在銅器表面不脫落的技術(shù)。表面裝飾性的鍍鉻層，使得水龍頭具有精致細(xì)膩如鏡面一般的拋光效果。將造型和材料表面效果完美的結(jié)合在一起，水流出來的時(shí)候，水龍頭表面能倒映出水的姿態(tài)。金屬表面