第2章 金属材料的成形

1、第2章 金属材料的成形 2.1 铸造 铸造可分为砂型铸造和特种铸造两类。目前，砂型铸造应用最广。 2.1.1 砂型铸造 用型砂紧实成型的铸造方法称为砂型铸造，其生产过程如下图。 2.1.1 砂型铸造（续）1. 造型造型 用造型材料及模样等工艺装备制造铸型的过程称为造型。造型材料造型材料：砂型铸造用的造型材料主要指型砂和芯砂。型砂和芯砂用原砂、粘结剂（粘土、水玻璃、树脂等）、附加物（煤粉、木屑等）等按一定比例配制而成。型（芯）砂应具备下列主要性能：强度、透气性 、耐火度 、退让性。 造型方法造型方法：造型方法可分为手工造型和机器造型两类。浇注系统浇注系统：为使金属液顺利充填型腔而在砂型中开设的通

2、道，称为浇注系统。浇注系统通常由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成。 2.1.1 砂型铸造（续） 常常用用手手工工造造型型方方法法的的特特点点和和应应用用 2.1.1 砂型铸造（续）造芯 ：型芯主要用来形成铸件的内腔。为了简化某些复杂铸件的造型工艺，型芯也可以用来形成铸件的外形。型芯通常采用芯盒制造。芯盒的种类如图2-3所示。合型。将铸型的各个部分组合成一个完整铸型的操作过程称为合型。 2.1.1 砂型铸造（续）2. 金属的熔炼和浇注金属的熔炼和浇注 熔炼。熔炼的目的是为了获得一定化学成分和温度的金属液。铸铁的熔炼常采用冲天炉，铸钢的熔炼采用电炉，非铁合金的熔炼采用坩埚炉。冲天炉的炉料有金属料

3、、燃料和熔剂。金属料包括铸造生铁、回炉铁、废钢和铁合金。铸造生铁是炉料的主要成分。利用浇冒口、废铸铁件等回炉铁可降低铸件成本。加入废钢以及硅铁、锰铁等铁合金可调整金属液的化学成分。冲天炉的燃料为焦碳。 浇注。浇注是将金属液从浇包注入铸型的过程。浇注时应注意安全，并控制好浇注温度和浇注速度.3. 3. 落砂和清理落砂和清理 落砂。落砂是指用手工或机械使铸件和型砂、砂箱分开的过程。铸件在砂型中要冷却到一定温度才能落砂。 清理。落砂后从铸件上清除浇冒口、型芯、毛刺、表面粘砂等过程称为清理。灰铸铁件、铸钢件、非铁合金铸件的浇冒口可分别用敲击、气割、锯割等方式去除。 2.1.2 金属的铸造性能 1. 金

4、属的流动性金属的流动性 ：金属的流动性是指熔融金属的流动能力；在实际生产中，则是指熔融金属充填铸型的能力。金属的流动性主要受下列因素的影响：（1）化学成分（2）浇注温度（3）铸型条件和铸件结构。 2. 2. 金属的收缩金属的收缩：金属在铸型内随着温度下降，其体积和尺寸会逐渐缩小，这种现象称为收缩。金属的收缩过程分为液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个阶段。金属的收缩主要受以下因素影响：化化学成分、浇注温度学成分、浇注温度 、铸型、铸型条件和铸件结构条件和铸件结构。 收缩对铸件质量的影响收缩对铸件质量的影响：缩孔和缩松、铸造应力。 2.1.3 铸造工艺设计基础 1. 1.浇注位置浇注位置 浇注时，铸

5、件在铸型中所处的位置称为浇注位置。浇注位置的选择应遵循以下基本原则：铸件的重要表面应朝下或位于侧面 ；铸件的宽大平面应朝下 ；铸件的薄壁部分应放在型腔的下部或垂直、倾斜位置，以利于金属液的充填，防止产生冷隔和浇不足等缺陷；铸件较厚的部分，浇注时应处于型腔的上部，以便安放冒口，实现自下而上的定向凝固，防止缩孔。 2.1.3 铸造工艺设计基础（续）2.分型面的选择：1）分型面应选择在铸件的最大截面处，以便于起模。2）尽量使分型面为平直面，且数量只有一个，以便简化造型，减少错型等缺陷。3）尽量使铸件的全部或大部分处于同一砂箱中，以保证铸件精度。4）应考虑下芯、检验和合型的方便。3. 3. 主要铸造工

6、艺参数的选择：主要铸造工艺参数的选择：加工余量 、起模斜度及铸造圆角。 2.1.3 铸造工艺设计基础（续） 4. 铸造工艺图铸造工艺图 把铸造工艺设计的内容用文字和红、蓝色符号在零件图上表示出来，所得的图形称为铸造工艺图。它表明了铸件的形状、尺寸、生产方法和工艺过程，是指导模样和铸型制造，进行生产准备和铸件检验的基本工艺文件。 2.1.4 铸件结构工艺性 1. 铸件质量对铸铸件质量对铸件结构的要求件结构的要求 ：壁厚要适当、壁厚应均匀、壁间连接应合理、避免大的水平面。 2. 2. 铸造工艺对铸铸造工艺对铸件结构的要件结构的要求求 ：尽量减少分型面、尽量使分型面平直、尽量少用活块、应有结构斜度、

7、尽量少用或不用型芯。 215 特种铸造 1. 金属型铸造：金属型铸造：用重力浇注将金属液浇入金属铸型以获得铸件的方法，称为金属型铸造。 2. 压力铸造：压力铸造：金属液在高压下高速充型，并在压力下凝固成形的铸造方法，称为压力铸造。 3. 熔模铸造熔模铸造 ：熔模铸造是用易熔材料（如蜡料）制成所需的熔模，在熔模上涂覆若干层耐火涂料并硬化，将熔模熔化并排出，经高温焙烧即可浇注的铸造方法。 4. 离心铸造离心铸造 ：将金属液浇入高速旋转的铸型中，使其在离心力作用下充填铸型并凝固成形的铸造方法，称为离心铸造。 22 锻压加工 2.2.1 金属的塑性变形 1.1.金属塑性变形基本知识：金属塑性变形基本知

8、识：单晶体金属的塑性变形、多晶体金属的塑性变形2. 2. 塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响:金属组织的变化和晶体缺陷的增加，会阻碍位错的运动，从而导致金属的力学性能发生改变;金属在塑性变形后，由于变形的不均匀性以及变形造成的晶格畸变，内部会产生残余应力。 3.3.冷塑性变形金属在加热时的变化冷塑性变形金属在加热时的变化: :为了消除冷变形金属中存在的残余应力或加工硬化，需对冷变形金属进行加热。在加热过程中，冷变形金属的组织和性能将发生一系列变化,如图2-29所示。4. 4. 金属的冷加工和热加工：金属的冷加工和热加工：金属冷热加工的区分；热加工对金属组织和性能的影响

9、（改善钢锭和钢坯的组织和性能、形成热加工流线）。 2.2.2 锻造 在加压设备及工（模）具的作用下，使坯料或铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法，称为锻造。锻造通常可分为自由锻、模锻和胎模锻三类。1.1.金属的锻造性能金属的锻造性能 ：金属的锻造性能主要受下列因素影响 （1）化学成分 （2）组织状态 （3）变形温度。 2.坯料的加热与锻件的冷却：坯料的加热与锻件的冷却：锻造的工艺过程主要有坯料的加热、锻造成形及锻后冷却。 （1）坯料的加热。为了提高金属的锻造性能，坯料在成形前必须加热。坯料的加热常在电阻炉或火焰炉中进行。当坯料加热到预定温度后即可出炉锻造

10、。 （2）锻件的冷却。坯料锻造成形后，应以适当的方法冷却，以免因冷却速度过快，使锻件表面硬度过高而难以切削加工，或使锻件中产生内应力而变形和开裂。常用的冷却方法有空冷、坑冷和炉冷三种。 3. 自由锻自由锻 ：只用简单的通用性锻造工具，或在锻造设备的上、下砧之间直接使坯料变形而获得锻件的锻造方法，称为自由锻。自由锻可加工各种大小的锻件，对于大型锻件，自由锻是唯一的生产方法。自由锻有手工自由锻和机器自由锻两种。 自由锻设备自由锻设备 ：空气锤 、蒸汽-空气自由锻锤 、水压机 。 自由锻基本工序主要有：自由锻基本工序主要有：镦粗 拔长 冲孔 扩孔 2.2.2 锻造（续）自由锻锻件图自由锻锻件图。自由

11、锻锻件图是以零件图为基础，加上余块、切削加工余量和锻件公差后所绘制成的图样。锻件图是锻件生产和检验的主要依据。4. 4. 模锻：模锻：模锻是利用模具使坯料变形而获得锻件的锻造方法。模锻方法较多，常用的有锤上模锻。 锻模结构：锻模结构：锻模结构如图2-36所示。 连皮：连皮：带通孔的锻件在锻打过程中不能直接形成通孔，总是留下一层金属，称为连皮，如图2-37所示。5. 5. 胎模锻胎模锻 ：胎模锻是在自由锻设备上使用可移动模具生产锻件的一种锻造方法。 223 冲压 使板料经分离或成形而得到制件的加工方法称为冲压。1.1.冲压设备：冲压设备：冲压设备主要有冲床（压力机）、剪板机和折弯机等。2. 2.

12、 冲压基本工序：冲压基本工序：冲裁（包括落料和冲孔两种），弯曲，拉深。板料的冲裁过程如2-40图所示。常用的排样法如图2-41所示。 3. 3. 冲模冲模：简单模 、连续模 、复合模。 2.2.4 粉末冶金 1.粉末冶金的概念及工艺过程粉末冶金的概念及工艺过程 ：粉末冶金是用两种以上的金属粉末或金属与非金属粉末经混合、压制成形和烧结，制成金属材料或零件的方法。粉末冶金的工艺过程为：粉末制备混料压制成形烧结后处理。2.2.粉末冶金的特点与应用粉末冶金的特点与应用 粉末冶金的特点：（1）能生产具有特殊性能的材料和制品，如用其他方法不能生产的含油轴承、过滤材料、热交换材料等多孔材料。（2）能生产一般

13、熔炼和铸造难以生产的难熔金属材料制品及复合材料制品。（3）能制成一些组元熔点相差悬殊，用普通熔化法生产会造成严重偏析和低熔点组元大量烧损的合金。（4）可直接制造出尺寸精确、表面光洁的零件，省时、省料，实现少、无切削加工。 粉末冶金的应用 ：制造机械零件 、制造各种工具、制造各种特殊用途的材料或元件 。 23 焊接 焊接是通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子间结合的一种加工方法。按使焊件达到原子间结合的方法，焊接可分为熔焊、压焊和钎焊等三类。 （1）熔焊。熔焊是在焊接过程中，将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。常用的熔焊方法有手弧焊、埋弧焊、气体保护焊和气

14、焊等。（2）压焊。压焊是在焊接过程中，对焊件通过施加压力（加热或不加热）完成焊接的方法。常用的压焊方法有电阻焊、摩擦焊等。 （3）钎焊。钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热至高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。 231 手工电弧焊手工电弧焊 电弧焊是以电弧作为焊接热源的熔焊方法。用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊称为手工电弧焊。1. 1. 焊接过程：手工电弧焊的焊接过程如图焊接过程：手工电弧焊的焊接过程如图2-462-46所示。所示。2. 焊接电弧：焊接电弧：焊接电弧是在焊件和焊条间的气体介质中产生的强烈而持

15、久的放电现象。焊接电弧可分为阳极区、阴极区和弧柱区三部分，如图2-47所示。231 手工电弧焊 （续）3. 焊接设备：焊接设备：手工电弧焊的主要设备是电弧焊机，它为焊接电弧提供电源。电弧焊机有以下两类：交流弧焊机、直流弧焊机。4. 4. 焊条：焊条：焊条是涂有药皮的供手工电弧焊用的熔化电极。焊条由焊芯和药皮两部分组成。焊芯是焊条中被药皮包覆的金属丝。其作用是导电，引弧，熔化后填充焊缝。药皮是压涂在焊芯表面的涂料层，其组成很复杂。焊条的直径和长度是用焊芯的直径和长度表示的，常用的直径为2.06.0mm，长度为300400mm。焊条的型号。焊条的型号。碳钢焊条的型号由字母E加四位数字组成。字母E表

16、示焊条。前两位数字表示熔敷金属最低抗拉强度；第三位数字表示适用的焊接位置：0和1表示适用于各种焊接位置，2表示适用于平焊；第三位和第四位数字组合起来，表示焊接电流的种类及药皮类型。 焊条的分类：焊条的分类：酸性焊条 、碱性焊条。5. 5. 焊接工艺：焊接工艺：手工电弧焊焊接工艺主要包括以下内容：接头形式、坡口形式及焊接位置。 231 手工电弧焊 （续）6. 焊接接头的组织与性能焊接接头的组织与性能 ：焊接接头由焊缝区、熔合区和热影响区组成。低碳钢焊接接头的组织变化情况如图2-51所示。 7. 焊接应力与变形焊接应力与变形 ：焊接变形的基本形式如图2-52所示。减小焊接应力和变形的措施主要有以下

17、几种：a.设计焊接结构时，应尽量减少焊缝数量，尽可能使焊缝对称分布，尽量避免焊缝的密集和交叉。B.焊前预热，焊后缓冷。c.刚性固定法。焊前将焊件加以固定，能使焊件避免变形，但会增加内应力。d.反变形法。焊前，朝可能变形的相反方向装配焊件，以抵消焊接变形。e.选择合理的焊接顺序，如图2-53所示。F.每焊好一道焊缝，趁热用小锤轻轻加以敲击，以降低内应力。g.重要的焊件在焊后进行去应力退火。 232 其它焊接方法 1. 埋弧焊埋弧焊:埋弧焊是指电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。其焊接过程如图2-54所示。 2. 气体保护焊气体保护焊 气体保护焊是用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。常

18、用的气体保护焊有 :（1）氩弧焊 , （2）二氧化碳气体保护焊。图2-55,2-56所示 3. 气焊和气割气焊和气割 （1）气焊。气焊是利用气体火焰作热源的熔焊方法，最常用的是以氧-乙炔焰作热源的氧-乙炔焊。（2）气割。图2-57,2-58所示 4. 电阻焊电阻焊 电阻焊是焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法。电阻焊可分为点焊、缝焊及对焊。分别见图2-59,2-60，2-61所示。 5摩擦焊摩擦焊 摩擦焊的热能来源于焊接端面的摩擦。其焊接过程如图2-62所示。 233 金属的焊接性 1. 焊接性的概念：焊接性的概念：焊接性是指金属材料对焊接加

19、工的适应性。它主要是指在一定的焊接工艺条件下获得优质焊接接头的难易程度。金属焊接性的好坏应从以下两方面进行衡量：其一是接合性能，即在一定焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性；其二是使用性能，即在一定焊接工艺条件下，一定金属的焊接接头对使用要求的适应性。 2. 钢的焊接性钢的焊接性 ：钢材的碳当量越高，焊接性就越差。当CE0.4%时，钢材的焊接性良好，焊接时一般不需预热。当CE0.4%0.6%时，焊接性较差，需采取预热、缓冷等工艺措施，以防裂纹产生。当CE0.6%后，焊接性差，需采取较高的预热温度，严格的工艺措施 。3. 铸铁的焊接性：铸铁的焊接性：铸铁塑性差，脆性大，在焊接过程中易产生裂纹，并且由于碳、硅元素的大量烧损，易产生白口组织及气孔等缺陷，因此铸铁的焊接性差，通常只进行焊补