关于材料成型的问题.ppt

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1、材料成型加工技术基础材料成型加工技术基础学时安排：总48学时，每周3学时授课老师：刘力菱课程性质：必修课教材：材料成型工艺技术基础韩建民主编，铁道出版社，最新版E-mail：材料成型加工导论 特点：综合性强，实践性强，技术基础 新观点：先进制造技术包括 设计制造运行 的全过程的全过程。研究有关制造各种机件的工艺方法研究有关制造各种机件的工艺方法的综合性技术学科。的综合性技术学科。钢铁镁铝铜锌纯金属及其合金陶瓷高分子材料塑料橡胶材料金属材料非金属材料复合材料金属基高分子无机非金属复合材料材料分类：材料成型方法分类：以以金属材料金属材料成型方法为例成型方法为例金属材料成型热加工冷加工：铸造锻压焊接

2、热处理车、铣、刨、钻、磨金属材料的性能：金属材料的性能机械性能：加工工艺性能：物理化学性能：强度(b(抗拉强度)，-1(疲劳强度)，s(屈服强度)、弹性、塑性、伸长率、韧性等；导热性、耐蚀性、相变点等；热加工、冷加工、热处理等；认知和实践两条线：材料加工手段组织性能工作条件认知主线认知主线认知和实践两条线：材料加工手段组织性能工作条件实践主线实践主线认知和实践两条线：材料加工手段组织性能工作条件第一篇 铸 造铸造将将液态合金浇注到与浇注到与零件的形状、尺零件的形状、尺寸相寸相适应的适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获中，待其冷却凝固，以获得得毛坯或零件的生产方法。的生产方法。铸造是历史最为悠久

3、的金属成型方法，直铸造是历史最为悠久的金属成型方法，直到今天仍然是毛坯生产的主要方法。在机器设到今天仍然是毛坯生产的主要方法。在机器设备中铸件所占比例很大，如机床、内燃机中，备中铸件所占比例很大，如机床、内燃机中，铸件占总重量的铸件占总重量的70%90%，压气机中占，压气机中占6080%，拖拉机中占，拖拉机中占5070%，农业机械中占，农业机械中占4070%。中国古代金属工艺技术高超、辉煌簋：音gui,盛食物用“门祖丁”簋（西周）青铜器，高青铜器，高 20.3 cm。司母戍大方鼎（商代）青铜器，河南安阳出土，重青铜器，河南安阳出土，重 875 kg,高高 133 cm,长长110 cm，宽，宽

4、 78 cmThree-legged tripod(三足鼎)A delicate incense burner(香炉)They are collected in the Taipeis National Palace Museum.The Copper Carriage was produced in Qin Dynasty(221B.C207 B.C).It is collected in the Museum of the Terra-Cotta Warriors And Horses of Qin Shihuang(秦始皇兵马俑博物馆).The Copper Carriage(秦始皇陵铜

5、马车)错金银铜壶战国时期战国时期，四川成都出土四川成都出土错金银云纹犀尊战国时期战国时期，四川成都出土四川成都出土现代铸造技术现代铸造技术浇注铸件时的情景浇注铸件时的情景用于核反应堆的大型铸件，重量达用于核反应堆的大型铸件，重量达60多吨。多吨。300多吨重的大型锻件多吨重的大型锻件汽轮发电机主轴汽轮发电机主轴小汽车上的铸件小汽车上的铸件发动机的曲轴发动机的曲轴球墨铸铁件球墨铸铁件带有复杂内带有复杂内腔的铸件及腔的铸件及所用型芯所用型芯熔熔模模铸铸件件压铸铝合压铸铝合金机体金机体形状复杂形状复杂的锌合金的锌合金压铸件压铸件铸造生产的特点：适应范围广：如常用的金属材料均可铸造；适应范围广：如常用

6、的金属材料均可铸造；铸件大小、壁厚、批量不限；铸件大小、壁厚、批量不限；可生产复杂形状、复杂内腔的毛坯或零件，可生产复杂形状、复杂内腔的毛坯或零件，如箱体、汽缸体等；如箱体、汽缸体等；成本低：原材料来源广，价格低；成本低：原材料来源广，价格低；铸造生产过程比较复杂，废品率较高。铸造生产过程比较复杂，废品率较高。第一章 铸造工艺基础1-1 液态合金的充型 液态合金的充型能力液态合金的充型能力 液态合金充满铸型液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力晰铸件的能力。若充型能力不足，易引若充型能力不足，易引起起浇不足或或冷隔缺陷。缺陷。浇不足即是铸件未能获得完整

7、的形状；即是铸件未能获得完整的形状；冷隔即是铸件虽可获得完整的外形，但存有未完全熔合即是铸件虽可获得完整的外形，但存有未完全熔合的垂直接缝，铸件的机械性能严重受损。的垂直接缝，铸件的机械性能严重受损。影响充型能力的主要因素：影响充型能力的主要因素：2.浇注条件3.铸型填充条件 1.合金的流动性 内因内因外因外因 1.合金的流动性 (1)流动性的测试流动性的测试 螺旋形试样法：以螺旋形试样的以螺旋形试样的长度l来衡量。来衡量。1试样铸件；试样铸件；2浇口；浇口；3冒口；冒口；4试样凸点试样凸点液态合金本身的流动液态合金本身的流动能力，是合金主要铸造性能之一。合金的流动性能力，是合金主要铸造性能之

8、一。合金的流动性愈好，则充型能力愈强。愈好，则充型能力愈强。合金流动性的大小：合金流动性的大小：l ，流动性(2)影响合金流动性的因素：影响合金流动性的因素：灰口铸铁，硅黄铜灰口铸铁，硅黄铜，其流动性最好；，其流动性最好；铸钢铸钢的流动性最差。（为什么？）的流动性最差。（为什么？）实验得知，在常用的铸造合金中实验得知，在常用的铸造合金中:灰口铸铁：灰口铸铁：l 1000 mm 硅黄铜：硅黄铜：l 1000 mm 铸钢：铸钢：l 200 mm化学成分化学成分AB成分成分(%)温温度度ab结论：共晶成分合金的流动性的流动性最好；其它成分的合金：结晶温度范围结晶温度范围越越小，其流动性越好。小，其流

9、动性越好。过热过热150 C 过热过热50 C2.浇注条件(1)浇注温度：问题：问题：1、对薄壁铸件或流动性较差的合金，对薄壁铸件或流动性较差的合金，怎样防止浇不足和冷隔缺陷的产生？怎样防止浇不足和冷隔缺陷的产生？对合金的充型能力有着确定对合金的充型能力有着确定性影响。性影响。(2)充型压力：如：如：压力铸造、低压铸造压力铸造、低压铸造等，充型压力较等，充型压力较砂型砂型铸造铸造提高甚多，故充型能力较强。提高甚多，故充型能力较强。2、浇注温度是否愈高愈好？浇注温度是否愈高愈好？T T浇浇，粘度，粘度，充型能力，充型能力 能力愈好。能力愈好。液态合金所受的液态合金所受的压力愈大，充型压力愈大，充

10、型(3)铸型中的气体：(2)铸型温度：(1)铸型材料：3.铸型填充条件铸型阻力及铸型与合金铸型阻力及铸型与合金 之间的热交换之间的热交换其蓄热能力其蓄热能力(k,c )，对液态合金的激对液态合金的激冷能力愈强，冷能力愈强，充型能力充型能力；铸型温度铸型温度，充型能力，充型能力，所以金属型要，所以金属型要预热后再浇注合金液；预热后再浇注合金液；铸型的排气能力铸型的排气能力，流动阻力，流动阻力，充型能力，充型能力，所以铸型要留所以铸型要留排排气口气口。总结：影响充型能力的主要因素：2.浇注条件3.铸型填充条件 1.合金的流动性 浇注温度充型压力铸型材料铸型温度铸型中的气体思考题：某定型生产的薄铸铁

11、件，投产以来质某定型生产的薄铸铁件，投产以来质量基本稳定，但近期一时间浇不足和冷隔缺陷量基本稳定，但近期一时间浇不足和冷隔缺陷突然增多，试分析其原因？突然增多，试分析其原因？1-2 铸件的凝固与收缩1.铸件的凝固方式(1)逐层凝固逐层凝固(a)(2)中间凝固中间凝固(b)(3)糊状凝固糊状凝固(c)表层 中心 表层 中心 表层 中心 a)b)c)固液液相线固相线t t铸件t t铸件2.铸件的收缩(1)铸件收缩的三个阶段：铸件收缩的三个阶段：成分(%)T 液态收缩阶段 凝固收缩阶段 固态收缩阶段收缩：合金从合金从液态液态冷却至冷却至常温常温的过程中，体积缩的过程中，体积缩小的现象。通常用小的现象

12、。通常用线收缩率线收缩率或或体收缩率体收缩率来表示。见来表示。见表表1-3 p7凝固收缩阶段产生产生(2)缩孔与缩松：缩孔与缩松：缩孔的形成缩孔的形成缩孔：合金凝固结束后在铸件某些部位出现的合金凝固结束后在铸件某些部位出现的大而大而集中的孔洞。集中的孔洞。缩松：合金凝固结束后在铸件某些部位出现的合金凝固结束后在铸件某些部位出现的细小细小而分散的孔洞。而分散的孔洞。缩孔形成的条件：缩孔形成的条件：金属在恒温金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸或很窄的温度范围内结晶，铸件呈件呈逐层凝固方式逐层凝固方式。缩孔产生的位置：铸件铸件最后凝固的部位最后凝固的部位，一般，一般是铸件的厚大部位。是铸件的厚大部

13、位。可用可用内接圆法内接圆法和和等温线法等温线法确定铸件的确定铸件的最后凝固最后凝固部部位。位。缩松的形成缩松的形成缩松形成的条件：缩松形成的条件：当合金的当合金的结晶温度范围较宽结晶温度范围较宽时，时，其主要呈其主要呈糊状凝固方式糊状凝固方式凝固时形成。凝固时形成。A.采用采用顺序凝固原则进行凝固进行凝固顺序凝固原则：采取各种工艺措施，使铸件上远采取各种工艺措施，使铸件上远离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐递减的温度离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐递减的温度梯度，从而实现梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒口的方向由远离冒口的部分向冒口的方向顺顺序的凝固。序的凝固。缩孔与缩松的防止措施缩孔与

14、缩松的防止措施 冒口冒口和和冷铁冷铁可以实现顺可以实现顺序凝固。顺序凝固可以将序凝固。顺序凝固可以将缩缩孔孔移至冒口中，从而移至冒口中，从而消除消除铸铸件中的件中的缩孔缩孔。生产中多采用顺序凝固，特别是对生产中多采用顺序凝固，特别是对收缩率较收缩率较大大的合金，如的合金，如铸钢铸钢等。等。阀体铸件的冒口和冷铁位置 热热节节同时凝固和顺序凝固示意图B.选用共晶成分的合金：可消除可消除缩松缩松。注意 逐层凝固和糊状凝固逐层凝固和糊状凝固 是一对概念是一对概念 指铸件某截面上，由表面向中心凝固的状况。指铸件某截面上，由表面向中心凝固的状况。由合金的性质由合金的性质(结晶温度范围结晶温度范围)和温度梯

15、度和温度梯度(冷却速冷却速度度)所决定。所决定。顺序凝固和同时凝固顺序凝固和同时凝固 是一对概念是一对概念 指整个铸件各部位凝固的先后，由铸造工艺指整个铸件各部位凝固的先后，由铸造工艺所决定；所决定；1-3 铸造内应力阻碍按形成原因分为阻碍按形成原因分为:热阻碍和和机械阻碍热阻碍是指是指铸件各部分铸件各部分由于由于冷却速度不同冷却速度不同、收缩收缩量不同量不同而引起的阻碍；由热阻碍引起的应力称而引起的阻碍；由热阻碍引起的应力称热应力；机械阻碍是指是指铸型、型芯铸型、型芯等等对铸件收缩的阻碍对铸件收缩的阻碍；由机械阻碍引起的应力称为由机械阻碍引起的应力称为机械应力。铸造应力：铸件的铸件的固态收缩

16、固态收缩受到受到阻碍阻碍而引而引起的应力。起的应力。(1)热应力的形成过程先冷受压后冷受拉应力性质：热应力分布热应力分布是是 厚拉薄压 由机械阻碍作用产生的，落砂后即可自行消由机械阻碍作用产生的，落砂后即可自行消失，是一种失，是一种临时应力临时应力。(2)机械应力(3)热应力的预防 采用采用同时凝固同时凝固工艺工艺均匀温度场避免先冷后冷均匀温度场避免先冷后冷 应用铸铁铸铁缩孔缩松倾向小缩孔缩松倾向小锡青铜锡青铜糊状凝固，对气密性要糊状凝固，对气密性要求不高的铸件求不高的铸件造型工艺上改善铸型和型芯的退让性，合理设置浇口、改善铸型和型芯的退让性，合理设置浇口、冒口冒口铸件结构上尽量避免相互制约收

17、缩的结构，使铸件各尽量避免相互制约收缩的结构，使铸件各部分能自由收缩。如壁厚均匀，壁和壁之部分能自由收缩。如壁厚均匀，壁和壁之间连接均匀，热节小而均匀间连接均匀，热节小而均匀.对于已经产生热应力的铸件，可通过对于已经产生热应力的铸件，可通过时效处理去除热应力去除热应力(去应力退火)。当铸造当铸造内应力内应力超过超过铸件材料的铸件材料的屈服强度屈服强度时，将造时，将造成铸件变形成铸件变形特别对于特别对于壁厚不均匀、截面不对称壁厚不均匀、截面不对称及及具有细长特点的杆类、板类及轮类铸件中容易发生翘具有细长特点的杆类、板类及轮类铸件中容易发生翘曲变形。曲变形。图2-14 车床床身挠曲变形示意图1-4

18、 铸件的变形变形方向变形方向：应力释放的方向应力释放的方向铸件切削后的变形圆柱体铸件圆柱体铸件铸造后的应力分布？铸造后的应力分布？先冷受压、后冷受拉先冷受压、后冷受拉车削外圆后车削外圆后变短？变长？变短？变长？去掉受压部分，收缩变短去掉受压部分，收缩变短钻孔后钻孔后变短？变长？变短？变长？去掉受拉部分，拉伸变长去掉受拉部分，拉伸变长铣削侧面后？铣削侧面后？向去掉一侧弯曲向去掉一侧弯曲防止铸件变形的措施：设计 铸件壁厚要尽可能均匀，采用铸件壁厚要尽可能均匀，采用对称结构对称结构;工艺措施 反变形反变形法；法；采用采用同时凝固原则同时凝固原则；对于某些重要的易变形件，可采用对于某些重要的易变形件，

19、可采用提前落砂提前落砂以消除机械应力。以消除机械应力。(1)热裂纹特征 裂纹短、宽、曲折、缝内呈氧化裂纹短、宽、曲折、缝内呈氧化 色，沿晶界开裂；色，沿晶界开裂；在凝固末期在凝固末期高温高温下下(即准固相区内即准固相区内)形形成。成。1-5 铸件的裂纹 当当铸造应力铸造应力超过铸件材超过铸件材料的料的强度极限强度极限时，铸件便产时，铸件便产生裂纹。裂纹是严重的铸造生裂纹。裂纹是严重的铸造缺陷，必须设法防止。缺陷，必须设法防止。AB成分成分(%)温温度度准固相区准固相区产生热裂的部位一般在铸件的一般在铸件的应力集中部应力集中部位位（尖角或断面突变处）或（尖角或断面突变处）或热节热节处。处。防止热

20、裂的方法：使铸件结构合理；使铸件结构合理；改善铸型和型芯的退让性；改善铸型和型芯的退让性；减少合金中有害杂质减少合金中有害杂质S、P含量；含量；提高合金的高温强度提高合金的高温强度(2)冷裂纹特征 裂纹表面光滑、具有裂纹表面光滑、具有金属光泽金属光泽或有轻微或有轻微氧化色；裂纹穿晶断裂，氧化色；裂纹穿晶断裂，外形规则外形规则，呈，呈圆滑曲线圆滑曲线或或直线状直线状；是铸件处于是铸件处于弹性状态弹性状态即在即在低温低温下形下形成的裂纹成的裂纹冷裂一般出现在冷裂一般出现在脆性大、塑性差脆性大、塑性差的合金中。如白的合金中。如白口铸铁、高碳钢和某些合金钢中。口铸铁、高碳钢和某些合金钢中。冷裂出现的部

21、位冷裂出现的部位在铸件在铸件受拉应力部位受拉应力部位，特别是，特别是有有应力集中应力集中的部位。的部位。防止冷裂的方法：尽量减少铸造应力尽量减少铸造应力防止冷裂的方法：尽量减少铸造应力尽量减少铸造应力常见铸造缺陷1-6 铸件质量控制1.合理选定铸造合金，设计合理的铸件结构 尽量选用铸造性能好的合金，结构要满足铸造工尽量选用铸造性能好的合金，结构要满足铸造工艺的要求。艺的要求。2.合理制订铸件的技术要求 对铸件质量要求必须合理，不能太高，也不能对铸件质量要求必须合理，不能太高，也不能太低。太低。3.模型质量检验 模型、芯盒是保证铸件尺寸的前提。模型、芯盒是保证铸件尺寸的前提。以确定铸件合格、修补或报废，并可分析原因，以确定铸件合格、修补或报废，并可分析原因，以便解决生产问题。以便解决生产问题。5.铸件热处理 为了保证铸件质量，有些铸件必须进行热处理。为了保证铸件质量，有些铸件必须进行热处理。如：消除内应力的时效处理，改善性能的退火或如：消除内应力的时效处理，改善性能的退火或正火处理。正火处理。4.铸件质量检验