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1、产品造型材料与工艺产品造型材料与工艺第三讲第三讲第二章 金属材料及其加工技术n第一节 常用金属材料及其特性n第二节 金属材料成型与工艺性n第三节 金属表面处理与装饰技术第一节 常用金属材料及其特性n2.1.1 金属材料的特性及分类n2.1.2 钢铁材料n2.1.3 有色金属及其合金n2.1.4 造型设计中金属材料的选用2.1.1 金属材料的特性及分类n n金属的微观特性金属的微观特性n结合键：晶体的结合力。固体状态下，原子（离子或分子）聚为晶体，原子之间产生较强的相互作用力n金属晶体中，价电子弥散在整个体积内，所有金属离子皆处于相同的环境之中n结合键没有饱和性、方向性和选择性n n金属的宏观特
2、性金属的宏观特性金属的宏观特性金属的宏观特性n良好的导电性和导热性；n正的电阻温度系数；且绝大多数金属具有超导性；n良好的反射能力、不透明性及金属光泽；n良好的塑性变形能力（延展性）n n反映出金属的本质反映出金属的本质反映出金属的本质反映出金属的本质：n有特殊光泽n优良的导电性和导热性n是良好的塑性变形固体物质2.1.1 金属材料的特性及分类n金属材料的性能金属材料的性能n使用性能使用性能 使用过程中表现出来的性能n机械(力学)性能：强度、塑性、弹性、刚度等 n物理性能：导热性、导电性、热膨胀性、磁性等 n化学性能：抗蚀性、抗氧化等n工艺性能工艺性能 制造和加工过程中表现出来的性能n如铸造性
3、能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等 2.1.1 金属材料的特性及分类n常用金属材料的分类2.1.1 金属材料的特性及分类第一节 常用金属材料及其特性n2.1.1 金属材料的特性及分类n2.1.2 钢铁材料n2.1.3 有色金属及其合金n2.1.4 造型设计中金属材料的选用2.1.2 钢铁材料n钢铁材料可分为三大类：n n纯铁纯铁纯铁纯铁(c=0.02%)n 塑性好、强度低，主要用于制造磁铁n n钢钢钢钢(0.02%=c=2.11%)2.1.2 钢铁材料n n钢钢钢钢(0.02%=c2.11%)n碳钢n n按含碳量按含碳量：低碳钢、中碳钢、钢碳钢n n按品质按品质：普通碳素钢、优
4、质碳素钢n n按用途按用途：碳素结构钢、碳素工具钢n合金钢n n合金结构钢合金结构钢：合金弹簧钢、合金轴承钢等n n合金工具钢合金工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢n n特殊用途钢特殊用途钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢n n铸铁铸铁铸铁铸铁(0.02%=c2.11%)n按碳存在的不同形式n灰口铸铁灰口铸铁：碳以石墨形式存在，断口呈灰色n白口铸铁白口铸铁：碳以渗碳体形式存在，断口白色n麻口铸铁麻口铸铁：按用途：碳素结构钢、碳素工具钢n按石墨的形态：n灰口铸铁灰口铸铁：钢基+片状石墨，强度、塑性、韧性不如钢，减震性好、缺口敏感性低，适于制各种承受压力和要求消震的床身、机架、箱体、缸体、壳体n可锻可锻铸铁铸
5、铁：铸态白口铸铁热处理成，高强度、塑性、冲击韧性，制汽车后桥外壳、管接头、低压阀门n球墨球墨铸铁铸铁：铁水+球化剂，铸造性优良，取代了可锻铸铁，制造受力复杂、负荷大、耐磨的铸件，如曲轴、凸轮轴、齿轮、蜗轮蜗杆、活塞、工作缸等第一节 常用金属材料及其特性n2.1.1 金属材料的特性及分类n2.1.2 钢铁材料n2.1.3 有色金属及其合金n2.1.4 造型设计中金属材料的选用2.1.3 有色金属及其合金n铝及铝合金n铜及铜合金铝及铝合金n n纯铝：纯铝：纯铝：纯铝：纯度98%99.996%，密度小、导电、导热性优良；主要用于科研及制造电容器n n铝合金：铝合金：铝合金：铝合金：纯铝强度低，加入合
6、金以提高强度n变形铝合金变形铝合金n1.防锈铝合金：含锰、镁等，不可热处理强化，耐蚀性好，用于制造高耐蚀性薄板容器n2.硬铝：含铜、镁等，强度、硬度高（与高强钢相近），塑性低、韧性差，用于制造飞机大梁、螺旋桨、铆钉等n3.超硬铝合金：含锌、铜等，强度接近超高强度钢n4.锻铝：含镁、硅、铜等，热塑性、耐蚀性好，适于锻造，用于航空等形状复杂、要求强度较高的锻件n铸造铝合金铸造铝合金：要求有良好的铸造性能，分为铝硅、铝铜、铝镁、铝锌四系。铜及铜合金n1.纯铜（紫铜）纯铜（紫铜）纯铜（紫铜）纯铜（紫铜）：纯度99.5%99.95%,极好的塑极好的塑极好的塑极好的塑性性性性,抗蚀抗蚀抗蚀抗蚀、导电、导热
7、性、抗磁性极好抗磁性极好抗磁性极好抗磁性极好，用于电工导体和防磁器械n n2.2.黄铜：黄铜：黄铜：黄铜：含锌50%n普通黄铜：含锌32%：热加工黄铜(含锌40%),强度较高，含铜量少，价格低、用于制作电器上的导电、耐蚀及有一定强度的结构件n特殊黄铜：加入锡、铅、铝等元素n n3.3.青铜青铜青铜青铜n锡青铜：一般含锡3%14%,强度、塑性增加强度、塑性增加强度、塑性增加强度、塑性增加n特殊青铜：指不含锡的青铜，如铝青铜、铍青铜等，比比比比锡青铜具有更高的力学性能、耐磨性与耐蚀性。锡青铜具有更高的力学性能、耐磨性与耐蚀性。锡青铜具有更高的力学性能、耐磨性与耐蚀性。锡青铜具有更高的力学性能、耐磨
8、性与耐蚀性。第一节 常用金属材料及其特性n2.1.1 金属材料的特性及分类n2.1.2 钢铁材料n2.1.3 有色金属及其合金n n2.1.4 造型设计中金属材料的选用造型设计中金属材料的选用n n金属材料设计是造型设计的重要组成部分，它金属材料设计是造型设计的重要组成部分，它包括：包括：n材料的选用n材料加工工艺的制定n n造型设计中，金属材料的选用是一个复杂的决造型设计中，金属材料的选用是一个复杂的决策问题，它需要：策问题，它需要：n首先要掌握金属材料理论及其应用知识n明确目标及限制条件n进行必要的试验和选材方案对比2.1.4 造型设计中金属材料的选用如何进行金属材料的选材？n先掌握几个基
9、本的选材原则n n根据使用性能选材根据使用性能选材根据使用性能选材根据使用性能选材n n变形失效变形失效变形失效变形失效：弹性变形和塑性变形影响形状、尺寸精度n重要螺栓、弹簧、精密丝杠等，应选高弹性模量材料n n断裂失效断裂失效断裂失效断裂失效：n塑性断裂：明显塑性变形后断裂，应选高强度材料n低应力脆性断裂：无宏观塑性变形下断裂，如高强度的锤杆，应选强韧性材料n疲劳断裂：交变应力作用下的裂纹形成、扩展造成断裂，如齿轮，应表面强化处理n n表面损伤失效表面损伤失效表面损伤失效表面损伤失效：磨损、腐蚀、表面疲劳n n选材的经济性原则：材料价格、加工费用等选材的经济性原则：材料价格、加工费用等选材的
10、经济性原则：材料价格、加工费用等选材的经济性原则：材料价格、加工费用等n n其他因素：环保、市场等其他因素：环保、市场等其他因素：环保、市场等其他因素：环保、市场等造型设计中金属的选材原则根据工艺性能选材根据工艺性能选材n n铸造性能铸造性能铸造性能铸造性能n金属构件承载不大，受力简单而结构复杂，尤其是具有复杂内腔结构n铸造性能：铸造铝合金和铜合金铸造铝合金和铜合金铸造铝合金和铜合金铸造铝合金和铜合金灰口铸铁灰口铸铁灰口铸铁灰口铸铁铸铁铸铁铸铁铸铁铸钢铸钢铸钢铸钢n n锻造性能锻造性能锻造性能锻造性能n承载较大、受力复杂的构件n热锻性：低碳钢中碳钢高碳钢n n焊接性能焊接性能焊接性能焊接性能n
11、体积较大，要求气密性好，能承受一定压力，如输气管道、蒸汽锅炉等n钢材最适合焊接，含碳和合金元素越多，焊接性能越差；铝合金、铜合金焊接性较差，灰口铸铁基本不能焊接n2.2.1 铸造加工及其工艺性n2.2.2 压力加工及其工艺性n2.2.3 焊接技术及其工艺性n2.2.4 切削加工（机械加工）及其工艺性n2.2.5 特种加工及其工艺性第二节 金属材料成型与工艺性后母辛方鼎后母辛方鼎家用缝纫机机架 2.2.1 铸造加工及其工艺性n n铸造铸造铸造铸造将熔融的金属液体浇注到与零件形状相对应的铸造模型腔中，待冷却后得到实体毛坯或零件的工艺过程n n铸造加工的特点：铸造加工的特点：铸造加工的特点：铸造加工
12、的特点：n n适应性强：适应性强：适应性强：适应性强：不受零件体积、重量大小、形状、结构复杂程度的限制，不受合金种类限制n n成本低廉：成本低廉：成本低廉：成本低廉：原材料消耗及切削加工费低、动力消耗少、接近成品零件n n铸造组织存在一定缺陷铸造组织存在一定缺陷铸造组织存在一定缺陷铸造组织存在一定缺陷：缩孔、疏松、气孔、沙眼等导致力学性能不如锻件；n n工艺过程较难控制：工艺过程较难控制：工艺过程较难控制：工艺过程较难控制：废品率较高，工人劳动强度大等2.2.1 铸造加工及其工艺性n铸件性能：铸件性能：n 合金性能合金性能n 铸型性能铸型性能n 工艺控制工艺控制n铸造方法分类n砂型铸造：用型砂
13、做铸型的铸造方法，使用率90%n特种铸造：砂型铸造以外的其他铸造方法，包括熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造等铸造方法分类n凝固方式：凝固方式：n 重力场凝固重力场凝固n 非重力场凝固非重力场凝固n 压力铸造压力铸造n 离心铸造离心铸造n 挤压铸造挤压铸造n 电磁场电磁场n 快速凝固快速凝固n无论哪种铸造，其工艺过程中的基本内容和成型原理都是相同的，只是过程的方法依不同铸造而有所不同。n各种铸造的基本过程：各种铸造的基本过程：2.2.1 铸造加工及其工艺性砂型砂型铸造铸造造型制芯造型制芯金属液态砂型成形最基本的工序，通金属液态砂型成形最基本的工序，通常分为：常分为：
14、手工造型：手工造型：机器造型：机器造型：利用简单的器械进行砂型（芯）的制作利用简单的器械进行砂型（芯）的制作 利用造型机和制芯机进行砂型（芯）利用造型机和制芯机进行砂型（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点：手工造型的特点：u 操作方便灵活，适应性强操作方便灵活，适应性强u 生产率低生产率低u 劳动强度大劳动强度大u 铸件质量不易保证铸件质量不易保证 适用于单件小批量生产适用于单件小批量生产 砂型成形方法砂型成形方法机器造型的特点：机器造型的特点：u 生产效率高生产效率高u 劳动条件好劳动条件好u 劳动强度低劳动强度低u 铸件的表面质量好、尺寸精度高铸件的表面质量好、尺寸精
15、度高适用于成批大量生产适用于成批大量生产 n砂型砂型铸造铸造砂型砂型铸件的结构设计应注意：铸件的结构设计应注意：n力求外形简单，轮廓平直，只需一个分型面n力求铸件的内腔铸造时，型芯数目最少，方便装配、清理、排气n起模方向应设计结构斜度n铸件应有合理的壁厚n力求铸件壁厚均匀，防止局部积聚变形，造成裂纹、缩孔、缩松等缺陷n尽量避免铸件中有过大的水平面，防止由于横截面突然增大，导致金属液面上升缓慢，致使型腔顶部受到长时间烘烤，造成夹砂缺陷、产生气孔等；将平面改为倾斜面n金属型金属型铸造铸造金属型铸造特点金属型铸造特点n可以“一型多铸”n铸件的力学性能提高n因为金属型铸件的冷却速度较快、组织比较致密n
16、铸件精度较高，可以少加工或不加工n但是，成本高、周期长；铸造透气性差、无退让性，易产生冷隔、浇不足、裂纹等缺陷；铸件熔点不宜太高，重量也不宜太大n主要用于：大批量的有色金属铸件，如内燃机的铝活塞、气缸体、缸盖、油泵壳体等熔模铸造（失蜡铸造）熔模铸造（失蜡铸造）n在蜡模表面包以造型材料，待其硬化，将其中的蜡模熔去，在蜡模表面包以造型材料，待其硬化，将其中的蜡模熔去，从而获得无分型面的铸型的铸造方法从而获得无分型面的铸型的铸造方法n n蜡模制造蜡模制造结壳结壳脱蜡脱蜡造型造型焙烧焙烧浇铸浇铸落砂清理落砂清理n蜡模制造：包括压型制造、蜡模压制和蜡模组装三步n结壳：在腊模上涂挂耐火材料，制成一定强度的
17、耐火型硬壳n脱腊：将附有型壳的蜡模组浸泡于85-95的热水中，蜡料熔化n造型：加固型壳，防止浇注时变形或破裂，将脱蜡后的型壳置于铁箱之中，周围用粗砂填充n焙烧：为进一步去掉水分、残余蜡料及杂质，浇注前必须将型壳送入热炉内加热800-1000进行焙烧，可增强强度，型腔更干净n浇铸：焙烧出炉后趁热（600-700）进行浇注，可提高合金充型能力，防止浇不足，冷隔等缺陷。n落砂清理：冷却后将型壳破坏取出铸件，去掉浇口毛刺等。n熔模铸造（失蜡铸造）熔模铸造（失蜡铸造）钢水浇注方向钢水浇注方向熔模铸造（失蜡铸造）的特点熔模铸造（失蜡铸造）的特点n铸件的精度高且表面光洁n适用于各种铸造合金铸件，尤其是高熔点
18、及难切削的合金的铸造n熔模铸件的形状可以比较复杂，最小孔径0.5mm，壁厚0.3mmn铸件的重量不宜太大，一般=25kg,最大80kg左右n工艺过程复杂，不易控制，使用和消耗的材料较贵，适用于形状复杂、精度较高或难以机加工的小型零件，如发动机叶片和叶轮等压力铸造n在高压下(比压约为500一1500Ncm2)快速地(充型时间约为0.0010.2s)将液态或半液态合金压入金属铸型中，并在压力下结晶，以获得铸件的方法。n工作流程：n n注入金属注入金属注入金属注入金属：先闭合铸型，用手工将定量勺内金属液通过压室上的注液孔向压室内注入n n压铸压铸压铸压铸：压射冲头向前推进，金属液被压入铸型中。n n
19、取出铸件取出铸件取出铸件取出铸件：铸件凝固后，抽芯机构将型腔两侧型芯同时抽出，铸型开型，铸件借助冲头的前伸动作离开压室，在继续开型中，顶杆顶出铸件。n优点：铸件表面质量高，可铸出复杂形状薄壁件或镶嵌件，生产率高。主要适合于有色金属合金，如锌合金、铝合金、镁合金。压力铸造压力铸造n低压铸造：介于重力铸造和压力铸造之间的一种方法，所用压力为2-7N/cm2。主要用于生产质量高的铝镁合金铸件n离心铸造：将液态合金浇入高速旋转（250-1500r/min）的铸型中，使金属液在离心力作用下充填铸型并结晶。主要用于生产圆筒形铸件。铸造质量的好坏主要决定于合金的充型能力，影铸造质量的好坏主要决定于合金的充型
20、能力，影响合金充型能力的主要因素是合金的流动性、响合金充型能力的主要因素是合金的流动性、浇注条件和铸型的结构。浇注条件和铸型的结构。材料的可铸性材料的可铸性决定某材料是否可铸造成型，应考虑材料的波动性，收缩性和偏析性，是否合乎要求n n流动性流动性流动性流动性：指材料熔融后易于流动，不粘滞的性能。流动性好的材料易于充满砂型，能铸成较薄、较细，形状复杂的铸件n n收缩性收缩性收缩性收缩性：指材料经冷却后，体积收缩程度的大小，收缩性小的材料拎却后体积变化小，不易出现疏松、变形、裂纹等缺陷，灰口铸铁最好n n偏析性偏析性偏析性偏析性：材料冷却后，各种成分分布的均匀程度。由于合金不是一种成分，如果偏析
21、、拎却过程中会有一部分先析出，致使材料性能下降，影响强度和加工性能。铸造产品铸造产品设计的特点设计的特点n由铸造零件的工艺看，产品的外形是由模型的型腔决定的，无论是砂型还是金属型或蜡型，在浇注需要良好的金属充型能力要求的前提下，铸型的型腔不可能做的太复杂、太有棱角以及太细小。因此从总体上看，铸造产的特点是外观因此从总体上看，铸造产的特点是外观线条圆润且有力度感，棱角不够分明。线条圆润且有力度感，棱角不够分明。铸造产品铸造产品设计的特点设计的特点n n在艺术造型上多用于表现敦厚、圆润、古典、在艺术造型上多用于表现敦厚、圆润、古典、在艺术造型上多用于表现敦厚、圆润、古典、在艺术造型上多用于表现敦厚
22、、圆润、古典、尊贵的效果。尊贵的效果。尊贵的效果。尊贵的效果。如：佛像、灯座、纪念章、青铜器餐具、艺术品等。n n在工业上由于铸铁性脆，耐压不耐拉，广泛用在工业上由于铸铁性脆，耐压不耐拉，广泛用在工业上由于铸铁性脆，耐压不耐拉，广泛用在工业上由于铸铁性脆，耐压不耐拉，广泛用于在工作中承受较大的压力、有震动、需有自于在工作中承受较大的压力、有震动、需有自于在工作中承受较大的压力、有震动、需有自于在工作中承受较大的压力、有震动、需有自润滑功能的机器零部件以及有复杂外形结构又润滑功能的机器零部件以及有复杂外形结构又润滑功能的机器零部件以及有复杂外形结构又润滑功能的机器零部件以及有复杂外形结构又很难用
23、其他方法造型的零件。很难用其他方法造型的零件。很难用其他方法造型的零件。很难用其他方法造型的零件。如：机床底座、车床床身导轨、汽车小零件等。铸造产品铸造产品设计时应注意哪些设计时应注意哪些问题？问题？1.外形轮廓尺寸是渐变的，无分明的棱角；外形轮廓尺寸是渐变的，无分明的棱角；2.由于金属流动性的限制，由于金属流动性的限制，造型的细部不能反映，也不能造型的细部不能反映，也不能铸造太薄的产品以及在造型上有急剧转弯的部位铸造太薄的产品以及在造型上有急剧转弯的部位；3.由于铸造后要由于铸造后要有退模工序，则金属型铸造不能铸造复杂有退模工序，则金属型铸造不能铸造复杂的形状；的形状；4.所设计的产品应在整体上体现铸造产品的特点，在不重所设计的产品应在整体上体现铸造产品的特点，在不重要的地方做其它处理；要的地方做其它处理；5.铸造产品由于是液态金属在模具中冷凝而成，过程中有铸造产品由于是液态金属在模具中冷凝而成，过程中有一系列的物理化学反应生成，会使产品产生变形，砂一系列的物理化学反应生成，会使产品产生变形，砂眼等缺陷，应在设计中巧妙处理。眼等缺陷，应在设计中巧妙处理。箱体箱体n参考资料n1.教材n2.王南老师讲义n3.郑州轻工业学院网络课程