金属材料及液态成型工艺基础-161-金属材料基础知识课件

1、金属材料及液态成型工艺基础(铸造)1.6.1 金属材料基础知识 一、材料的主要性能二、 金属的晶体结构 三、 金属的结晶过程四、 合 金五、铁碳合金状态图六、钢的分类 2.工艺性能 一、材料的主要性能材料的主要性能是指:1.使用性能（1）力学性能（2）物理性能（3）化学性能加工成形的性能材料的主要性能(一)、材料的力学性能 材料在外力作用下所表现出的特性。1强度：材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。2. 塑性材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。3刚度（E） 材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。4硬度是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。(2)洛氏硬度（HRC）(1)

2、布氏硬度（HB）5冲击韧性 材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。 6疲劳强度材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力。材料的主要性能力学性能bs强度塑性刚度硬度韧性疲劳强度 力学性能与失效形式的关系失效形式断裂塑性变形过量弹变磨损材料的主要性能(四)、材料的工艺性能：加工性能(二)、材料的物理性能：比重、密度、熔点、导电性、导热性、磁性、热膨胀系数。(三)、材料的化学性能：耐酸性、耐碱性、抗氧化性。材料的主要性能二、 金属的晶体结构 原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性。所有的金属和合金都是晶体晶格原子排列形成的空间格子晶胞组成晶体最基本的单元晶体：非晶体：原子作有序排列；有固定

3、的熔点；各向异性。Cr、Mo、W、V、 -Fe、 -FeCu、Ni、Ag、AuMg、Be、Zn、 -Ti、 -Cr金属的典型晶体结构体心立方晶格：面心立方晶格：密排六方晶格：1金属结晶的过冷现象温度时间T0TnT三、 金属的结晶过程冷却曲线过冷度2金属的结晶过程结晶形核长大自发形核非自发形核晶粒晶界 金属是由许多大小、形状、晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体。一般金属的晶粒越细小，其力学性能越好。3细化晶粒的方法1）变质处理2）增大过冷度3）机械的振动和搅拌4）热处理5）压力加工再结晶四、 合 金 合金 以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，所形成的具有金属特性的物质。合金是由两种以上

4、的元素组成的。 固态合金的结构是由组元在结晶时彼此之间所起的作用所决定的。合金的结构 机械混合物固溶体金属化合物1、固溶体溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同固溶体固溶体的性能特点：具有良好的塑性和韧性，强度、硬度较低。F： b = 250MPa = 4550% HB = 80置换固溶体间隙固溶体溶质原子溶剂原子溶质原子溶剂原子2、金属化合物 合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的具有金属特性的物质。金属化合物各元素之间呈整数比关系。如： Fe3C、WC、TiC 等金属化合物的性能特点：脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点。F

5、e3C：HB=800； b =30MPa ； 0%3、机械混合物 合金的组成在固态下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的重量比混合而成的新物质。 机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。性能特点：性能介于各组成物的性能之间。一般具有良好的综合力学性能。P：b = 750MPa =25% HB = 180-200F： b = 250MPa = 4550% HB = 80Fe3C：HB=800； b =30MPa ； 0%铁素体 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶体。 727 0.0218%C 1、铁素体（F） 力学性能：b = 250MPa = 45

6、50% HB = 802、奥氏体（A）奥氏体 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶体。 1148 2.11%C 、727 0.77%力学性能：b = 250 350MPa = 4045% HB = 160200铁碳合金的基本组织4、珠光体（P）力学性能： b = 750MPa =25% HB = 180-2005、莱氏体（Le）力学性能： b = 30MPa = 0 HB = 700 珠光体 是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 727 0.77%莱氏体 是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。 1148 4.3%C 3、渗碳体（Fe3C）渗碳体 是金属化合物。 6.69%C 力学性能： b = 30MP

7、a = 0 HB = 800状态图 表示合金系的成分、温度、组织、状态之间关系的图表。 五、铁碳合金状态图 1、什么是状态图温度时间1538 1394 912 体心面心体心1538 1394 912 温度成分 2、状态图的作用是研究合金的成分、温度、组织、状态之间变化规律的工具。 AESPQGKD4.32.110.770.0218C%11481538 727PLAF3、铁碳合金状态图温度912CFe3C6.69FA纯铁的熔点。DFe3C的熔点。 EC在-Fe中的最大溶解度点。1148 2.11%C 钢和铁的分界点。LeC共晶点，1148 4.3%C 共晶点发生共晶反应的点。 共晶反应 在一定的

8、温度下，由一定成分的液体同时结晶出一定成分的两个固相的反应。 共晶反应的产物共晶体机械混合物 L（4.3%C） A（2.11%C ）+ Fe3C （6.69%C ）1148Le G 纯铁的同素异晶转变点。 912 P C在-Fe中的最大溶解度点。727 0.0218%C S 共析点。 727 0.77% 共析点 发生共析反应的点。 共析反应在一定的温度下，由一定成分的固相同时结晶出一定成分的另外两个固相的反应。 共析反应的产物 共析体 机械混合物 A（0.77%C） F（0.0218%C ）+ Fe3C（6.67%C ）727P 状态图上线的意义AESPQGKD4.32.060.770.02C

9、%11471538 Le727PLAF温度912CFe3C6.67FAECF线固相线 ACD线液相线AEA析出终了线ECF共晶线 1147AC析出ACD析出 Fe3CAL+Fe3CL+Fe3CF+AA+A+LeLe + Fe3CES线 C在-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3C（1）单相区：L、F、A、Fe3C （2）两相区：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C（3） 三相区：L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3CGS线 A析出F的开始线 AFGP线 F析出终了线。PSK线 共析线 727PQ线 碳在-Fe中的溶解度曲线。1按化学成分分类六、钢的分类（1）低合金钢 Me 10%1）碳

10、素钢 2）合金钢（1）低碳钢 C 0.6%2. 按质量分类 P、S 0.030%1）普通钢2）优质钢3）高级优质钢：S：使合金产生热裂、热脆缺陷P：使合金产生冷裂、冷脆缺陷P 0.045% S 0.055%P 0.040% S 1%）+元素符号+数字。如：9SiCr、W18Cr4V、5CrNiMo等。合金工具钢又可分为合金刃具钢、合金模具钢、和合金量具钢。2工具钢1）碳素工具碳素工具钢含碳量为0.65-1.35% ，可制造低速切削的刀具和普通模具、量具。T+数字(含碳量的千分数)加A为高优常用牌号有T7、T8、T9、T10A、T11、T12A、T13等。2）合金工具钢 合金刃具钢 指用于制造各

11、种刀具的钢材。含碳量为0.75-1.50%，典型牌号为9SiCr、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。 合金量具钢 在生产中常用的量具有钢板尺、游标卡尺、卡规、千分尺、塞规、块规等。T10A、T12A 、CrWMn、GCr15 合金模具钢 模具钢是指用于制造各种模具的钢材。冷做模具钢如：冲压模、拉拔模等。典型牌号为Cr12、Cr12MoV。热做模具钢如：热锻模、热挤压模、压铸模等。典型牌号为5CrMnMo、5CrNiMo。是指在一定范围内具有特殊磁、电、弹性、膨胀等物理性能的钢。包括软磁钢、永磁钢、无磁钢、特殊弹性钢、特殊膨胀钢、高电阻钢和合金等。3特殊性能钢1）不锈、耐蚀和耐热钢 不锈、耐

12、蚀钢 不锈钢是指在水、空气、酸、碱或其它介质中，具有较强抵抗腐蚀能力的钢。其含碳量低，主加合金元素为Cr、Ni。常用牌号有：1Cr13、7Cr17、1Cr17、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr17Mo等。 耐热钢 在高温下具有良好的抗氧化性和热强性钢，耐热钢可分为马氏体型、奥氏体型和铁素体型等几种，分别适合于在600以下、700-700、接近1000的高温状态下工作。典型牌号有：1Cr13、4Cr9Si2、4Cr14Ni14W2Mo、。2）特殊物理性能钢1.6.2 金属液态成型(铸造)工艺基础砂型铸造原理 铸造产品(一).什么是液态成型（铸造生产） 将液态金属浇注到与零件形状相适

13、应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。一、概述 根据铸型的特点，或液态合金注入铸型方式及在铸型中凝固成型过程的特点，可分为砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造、连续铸造、实型铸造、真空铸造等。 零件图铸造工艺图铸型型芯芯盒 芯砂型砂模型熔化合 箱落砂、清理检 验铸 件(二)、砂型铸造的工艺过程浇注冷却凝固（1）材料来源广；（2）废品可重熔；（3）设备投资低。 (三)、铸造生产的特点1可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。（1）合金种类不受限制；（2）铸件大小几乎不受限制。2适应性强： 3成本低： 4废品率高、

14、表面质量较低、劳动条件差。 铸造方法受零件的尺寸、重量和复杂程度的限制较少； 可铸壁厚：0.31m 长度范围：几个毫米到几十米 质量范围：几克到几百吨 用铸造方法可以生产铸钢、铸铁、各种铝合金、铜合金、镁合金、钛合金、锌合金等铸件。 在一般机器生产中，铸件占机器总质量的40%80%，而成本只占机器总成本的25%30%。 在铸造生产中，铸铁件应用最广，约占铸件总产量的70%；各种铸造方法中砂型铸造应用最为广泛，约占铸造总产量的60%。充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。 2.液态合金的流动性合金的流动性是： 液态合金本身的流动能力。 充型 液态合金填充铸型的过程。充型能力液体金

15、属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成形件的能力。二、 液态金属的充型能力与流动性1. 充型能力0.45%C 铸钢：200出气口浇口杯4.3%C 铸铁：1800合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点 a）在恒温下凝固b）在一定温度范围内凝固PbSb20406080204060800流动性（cm）100200300温度（）0（3）浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力 越大，充型能力越差。 3. 浇注条件（1）浇注温度 一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。（2）充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大， 充型能力越强。4.铸型充填条件（1）铸型的蓄热系数 铸型的蓄热

16、系数表示铸型从其中的 金属吸取热量并储存在本身的能力。（2）铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差 越小，充型能力越强。（3）铸型中的气体（2）铸件复杂程度 铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的 充填就困难。 5、铸件结构（1）折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积 与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就 好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。 三、 液态金属的凝固与收缩1、铸件的凝固方式 1. 逐层凝固 2. 糊状凝固 3. 中间凝固 影响铸件凝固方式的主要因素 ：（1）合金的结晶温度范围 合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固 。表层中心t铸件

17、固相线液相线成分温度表层中心t铸件液固液表层中心St铸件温度液相线固凝固区（2）铸件的温度梯度 在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄 。表层中心St铸件温度成分温度S1T1T2T浇T液T固T室2、合金的收缩1. 收缩的概念合金的收缩经历如下三个阶段：（1）液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度 之间的收缩。T浇 T液（2）凝固收缩 从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。 T液 T固（3）固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。 T固 T室体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。 体收缩率：线收缩率：线收缩

18、率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。 合金的总体积收缩为上述三个阶段之和。它和金属本身的成分、温度和相变有关。合金的收缩率2. 缩孔与缩松 液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞 。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。1)缩孔和缩松的形成(1) 使缩松转化为缩孔的方法 ： 尽量选择凝固区域较窄的合金，使合金倾向于逐层凝固； 对凝固区域较宽的合金，可采用增大凝固的温度梯度办法。(2) 防止缩孔的方法 要使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，可采用“定向凝固原则”。 定向凝固的优点：冒口补缩作用好，可防止缩孔和缩松，铸件致密

19、。对于凝固收缩大，结晶温度范围较小的合金，常采用定向凝固原则以保证铸件质量。定向凝固的缺点：由于铸件各部分有温差，凝固期间容易产生热裂，凝固后也容易使铸件产生应力和变形。定向凝固使清理工作量大。缩孔、缩松的防止方法2)缩孔和缩松的防止 防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序，使铸件实现“顺序凝固”。 暗冒口冒口 储存补缩用金属液的空腔。顺序凝固 铸件按照一定的次序逐渐凝固。冷铁热节寻找热节的方法等温线法内切圆法冷铁同时凝固 整个铸件几乎同时凝固。三、 液态成形内应力、变形与裂纹 （一）、液态成形内应力 铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻碍，铸件内部即将产生内应力。 1

20、.机械应力（收缩应力） 合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统的机械阻碍而形成的内应力。机械应力是暂时应力。上型下型 由于形状复杂，厚薄不均，各部分的冷却速度不 同，以至在同一时刻，铸件各部位收缩不一致而引起的内应力称为热应力。热应力的形成过程如下图。2热应力 热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。 热应力是永久应力。（二）、铸件的变形与防止 +-防止变形的方法：1）使铸件壁厚尽可能均匀；2）采用同时凝固的原则；3）采用反变形法。（三）、铸件的裂纹与防止 1 热裂 热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。 热裂的防止： 应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。

21、应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。 对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量， 防止热脆性。 2 冷裂 冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。 冷裂的防止：1）使铸件壁厚尽可能均匀；2）采用同时凝固的原则；3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的 含量，防止冷脆性。 四、常见铸件缺陷及特征 名称 特 征名称 特 征气 孔主要为梨形、圆形、椭圆形的孔洞，表面较光滑，一般不在铸件表面露出，大孔独立存在，小孔则成群出现。 缩孔缩松 1缩孔：形状为不规则的封闭或敞露的空洞，孔壁粗糙并带有枝状晶，常出现在铸件最后凝固部位。 2所松：铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。

22、粘 砂铸件的部分或整个表面粘附着一层金属和砂粒的机械混和物，多发生在铸件厚壁和热节处。 裂纹 1热裂：断面严重氧化，无金属光泽，断口沿晶界产生和发展，外形曲折而不规则的裂纹。 2冷裂：穿过晶体而不沿晶界断裂，断口有金属光泽或有轻微氧化色。 夹 砂 铸件表面上有凸起的金属片状物，表面粗糙，边角锐利，有小部分与铸件本体相连。 化学成分及力学性能不合格 铸件的化学成分和硬度、强度、伸长率、冲击韧度、耐热、耐蚀及耐磨等性能不符合技术条件要求。 白 口灰铸铁件断面全部或表面出现亮白色组织，常在铸件薄的断面，棱角及边缘部分。 五、 常用液态成形合金（一） 铸铁件铸铁是含碳量大于2.11%（通常为2.5%-

23、4.0%）的铁碳合金。3麻口铸铁： 组织中既存在石墨、又有莱氏体，是白口和灰 口之间的过渡组织，因断口处有黑白相间的麻 点，故而得名。根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为：1.白口铸铁：碳全部以Fe3C的形式存在，断口呈银色。由于白口铸铁具有良好的耐磨性，所以有时也用来制造一些耐磨件，如轧辊、粉碎机锤头、衬板、球磨机磨球和犁铧等。2灰口铸铁：碳大部或全部以石墨形式存在，断口呈暗灰色。(4)蠕墨铸铁 ： 其石墨呈蠕虫状。如图d所示。 abcd根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为：(1)普通灰铸铁 ： 简称灰铸铁，其石墨呈片状。如图a所示。(2)可锻铸铁： 其石墨呈团絮状。如图b所示。(

24、3)球墨铸铁： 其石墨呈球状。如图c所示。1. 灰口铸铁铸铁壁厚（mm）102030405060704.05.06.07.0（wC+wSi）%白口铸铁麻口铸铁灰口铸铁白口铸铁：灰口铸铁：麻口铸铁：珠光体灰口铸铁珠光体+铁素体灰口铸铁铁素体灰口铸铁P+Fe3C+LeP+Fe3C+G+Le珠光体灰口铸铁：铁素体灰口铸铁：珠光体+铁素体灰口铸铁：P+G片P+F+G片F+G片2 灰铸铁的机械性能 2）良好的减振性 3）良好的耐磨性 4）低的缺口敏感性 1）力学性能：b=120-250Mpa，仅为钢件的20-30%， 0差灰铸铁的工艺性能1 良好的铸造性能。良好的流动性、小的收缩率。2 良好的切削加工性

25、能。3 锻造性和焊接性差。(2 )灰铸铁的牌号选用灰铸铁的牌号用汉语拼音“HT”和一组数字表示，数字表示其最低抗拉强度b （Mpa）。(1 )灰铸铁件的生产特点1）灰铸铁一般在冲天炉中熔炼，成本低廉；2）具有良好的铸造性能。3）灰铸铁一般不通过热处理来提高其性能。3. 灰铸铁生产特点及牌号选用灰铁 牌 号 组织 用途举例 HT100F+G片 盖、外罩、油盘、手轮、支架、底板、镶导轨的机床底座等对强度无要求的零件 HT150F+P+G片底座、床身、与HT200相配的溜板、工作台；泵壳、容器、法兰盘;工作压力不太大的管件 HT200F+P+G片要求高的强度和一定耐蚀能力的泵壳、容器、塔器、法兰、硝

26、化塔 机床床身、立柱、平尺、划线平板、汽缸、齿轮、活塞、刹车轮、联轴器盘、水平仪框架 压力为80Mpa以下的油缸、泵体、阀门 HT250P+G片HT300P细+G细片床身导轨、车床、冲床等受力较大的床身、机座、主轴箱、卡盘、齿轮、高压油缸、水缸、泵体、阀门、衬套、凸轮、大型发动机曲轴、气缸体、气缸盖；冷镦模、冷冲模 HT350P细+G细片4. 可锻铸铁的组织、性能、牌号及选用 (1 )可锻铸铁的组织、性能具有良好的塑性和韧性，耐蚀性较高，适于制造承受振动和冲击、形状复杂的薄壁小件，如汽车拖拉机的底盘类零件、各种水管接头、农机件等。 其强度、硬度、耐磨性优良，并可通过淬火、调质等热处理强化。可取

27、代锻钢制造小型连杆、曲轴等重要件。 1）铁素体（黑心）可锻铸铁（F+G团）：2）珠光体（P+ G团）：(2 )可锻铸铁的牌号 可锻铸铁的牌号用汉语拼音和两组数字表示，第一组数字表示其最低抗拉强度b （Mpa），第二组数字表示其最低伸长率 。KTH30006 KTZ45006 可铁黑可铁珠bb 牌 号 组织 用 途 举 例 KTH30006 F+G团三通、管件、中压阀门 KTH33008F+G团 输电线路件、汽车、拖拉机的前后轮壳、差速器壳、转向节壳、制动器；农机件及冷暖器接头等。KTH35010F+G团KTH37012 F+G团KTZ45006 P+ G团 曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、摇臂、活塞

28、环、轴套、犁片、耙片、闸、万向接头、棘轮、扳手、传动链条、矿车轮 KTZ55004 P+ G团KTZ65002P+ G团KTZ70002 P+ G团5球墨铸铁的组织、性能、牌号及用途 1）珠光体球墨铸铁（P + F少+G球） 正火其性能特点是：a）强度高。特别是屈服强度高，屈、强比（0.2/b0.70.8）高于45号钢（0.2/b0.6)。b）疲劳强度较高c）硬度和耐磨性远比高强度灰铸铁高因此，珠光体球墨铸铁可代替碳钢制造某些受较大交变负荷的重要件，如曲轴、连杆、凸轮、蜗杆等。 b=600800 MPa ; =2%我国主要用于代替可锻铸铁制造汽车、拖拉机底盘类零件，如后桥壳等。国外则大量用于铸

29、管，如上、下水管道及输气管道等。 2）铁素体球墨铸铁 （F + P少+G球） 退火其性能特点：b=450500 MPa ; =17%球墨铸铁的牌号用汉语拼音“QT”和两组数字表示，两组数字分别表示最低抗拉强度和伸长率。 球铁 牌 号 组织 用 途 举 例 QT40017 F+G球汽车、拖拉机底盘类零件，轮毂、驱动桥壳、差速器壳、拨叉、中低压阀门、管道。QT42010 F+G球QT50005 F+P+G球机座、传动轴、机车护瓦等。QT60002 P+G球曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、摇臂、活塞环、轴套、汽缸套、机床蜗轮、蜗杆等 QT70002 P+ G球QT80002 P+ G球QT120001 B

30、下+ G球汽车后桥螺旋锥齿轮、大减速器齿轮、曲轴、凸轮等6、蠕墨铸铁蠕墨铸铁的性能特点：（1）力学性能（强度和韧性）比灰铸铁高，与铁素体球墨 铸铁相近。（2）壁厚敏感性比灰铸铁小得多。（3）导热性和耐疲劳性比球墨铸铁高得多，与灰口铸铁相近。（4）耐磨性比灰口铸铁好，为HT300的2.2倍以上。蠕墨铸铁主要用来代替高强度灰铸铁、合金铸铁、铁素体球墨铸铁和铁素体可锻铸铁生产复杂的大型铸件。如大型柴油机机体、大型机床立柱等，更适合制造在热循环作用下工作的零件，如大型柴油机汽缸盖、排汽管、制动盘、钢锭模及金属型等（6）工艺性能良好，铸造性能近于灰口铸铁，切削 加工性能近于球墨铸铁。（5）减振性比球墨铸

31、铁高，但比灰口铸铁低。牌号组织用 途 举 例 RT260 F+G蠕汽车、拖拉机底盘类零件、驱动桥壳、阀体等RT300 F+P+G蠕 排气管、变速箱体、汽缸盖、纺织零件、液压件等 RT340 F+P+G蠕重型机床件、大型齿轮箱体、盖、刹车鼓、玻璃模具、飞轮等RT380 P+G蠕 活塞环、气缸套、制动盘、玻璃模具、刹车鼓、钢珠研磨盘吸泥泵体等 RT420 P+ G蠕（二）、 铸钢件 1、铸钢的分类、性能、牌号及应用 （1 ）碳素钢（2） 合金钢1）低碳钢2）中碳钢3）高碳钢C0.25%C=0.250.45%C=0.500.60 %1）低合金钢2）高合金钢Me5%Mn13铸造性能差、应用较少。铸造性

32、能较好、应用广泛。铸造性能差、应用较少。钢号旧钢号化学成分的质量分数（%）用途举例CSiMnP、SZG200400ZG150.200.500.800.04用于受力不大、要求韧性高的各种机械零件，如机座、箱体等ZG230450ZG250.300.500.900.04用于受力不大、要求韧性较高的各种机械零件，如外壳、轴承盖、阀体、砧座等ZG270500ZG350.400.500.900.04用于轧钢机机架、轴承座、连杆、曲轴、缸体、箱体等ZG310570ZG450.500.600.900.04用于负荷较高的零件，如大齿轮、缸体、制动轮、棍子等ZG340640ZG550.600.600.900.04

33、用于齿轮、棘轮、联接器、叉头等2、铸钢的熔铸工艺特点 （1）. 铸钢的铸造性能差流动性差、收缩大。1）铸件要安放冒口和冷铁；2）必须严格控制浇注温度；3）铸件的壁不能太薄；（2）. 铸钢的热处理退火：C 0.35%正火：C 0.35%（3）. 铸钢的熔炼电炉（三） 铸造有色合金1、铸造铜合金（1）铸造黄铜 （2）铸造青铜 (Cu-Zn)铸造黄铜有相当高的力学性能，如b=250450Mpa，=730%，HBS=60120。因其含铜量低，价格低于铸造青铜，而且它的凝固温度范围小，有优良的铸造性能。所以铸造黄铜常用于生产重载低速下或一般用途下的轴承、衬套、齿轮等耐磨件和阀门及大型螺旋桨等耐蚀件等。青

34、铜是指除了铜锌合金以外的其它铜合金 。铸造锡青铜的力学性能虽低于黄铜，但其耐磨、耐蚀性优于黄铜，锡青铜特别适合制造高速滑动轴承和衬套。除锡青铜外，还有铝青铜、铅青铜、铍青铜等，其中铝青铜有优良的力学性能和耐磨、耐蚀性，但铸造性能较差，仅用于重要用途的耐磨、耐蚀件。 2、铸造铝合金（1 ）铝硅合金（Al-Si）铝硅合金流动性好、线收缩率低、热裂倾向小、气密性好，又有足够的强度，所以应用最广。常用于制造形状复杂的 薄壁件或气密性要求较高的铸件，如内燃机缸体、 化油器、仪表外壳等。 （2） 铝铜合金（Al-Cu）（3 ）铝镁合金（Al-Mg）（4） 铝锌合金（Al-Zn）铝铜合金的铸造性能差，热裂倾

35、向大、气密性和耐蚀性较差，但耐热性较好，主要用于制造活塞、汽缸头等。 铝镁合金是所有铝合金中比强度最高的，主要用于航天、航空或长期在大气、海水中工作的零件等 。六、 砂型铸造成形工艺（一）、手工造型（二）、机器造型 适用于单件、小批量生产1)生产效率高; 2)铸型质量好（紧实度高而均匀、型腔轮廓清晰）;3)设备和工艺装备费用高，生产准备时间较长。 适用于中、小型铸件的成批、大批量生产。 用造型混合料及模样等工艺装备制造铸型的过程称为造型。造型是砂型铸造的最基本工序，通常分为手工造型和机器造型两大类。（一）手工造型 手工造型是全部用手工或手动工具完成的造型工序。手工造型操作灵活、适应性广、工艺装

36、备简单、成本低，但其铸件质量差、生产率低、劳动强度大、技术水平要求高，所以手工造型主要用于单件小批生产，特别是重型和形状复杂的铸件。 手工造型方法分类 根据砂型的不同特征，手工造型方法可分为：两箱造型、三箱造型、脱箱造型、地坑造型、组芯造型； 根据模样的不同特征，手工造型方法可分为：整模造型、分模造型、挖砂造型、假箱造型、活块造型、刮板造型。 整模造型模型为一个整体，型腔在一个砂箱中，分型面是平面，其造型简单，铸件不会产生错型缺陷。适用于铸件最大截面在一端，且为平面的铸件。 整模造型两箱造型是造型的最基本方法，铸型由成对的上型和下型构成，操作简单。适用于各种生产批量和各种大小的铸件。 两箱造型

37、三箱造型的铸型由上、中、下三型构成。中型高度需与铸件两个分型面的间距相适应。三箱造型操作费工。主要适用于具有两个分型面的单件、小批生产的铸件。 三箱造型叠箱造型除最上和最下砂箱外，其余砂箱的上下两面都有型腔，多个砂箱叠起来由一个直叫道浇注，可节省造型场地，适用于薄而小零件的批量生产。叠箱造型脱箱造型主要采用活动砂箱来造型，在铸型合型后，将砂箱脱出，重新用于造型。 一个砂箱可制出许多铸型。金属浇注时为防止错型，需用型砂将铸型周围填紧，也可在铸型上套箱。常用于生产小铸件，因砂箱无箱带，故砂箱一般小于400mm。 地抗造型是利用车间地面砂床作为铸型的下箱。大铸件需在砂床下面铺以焦炭，埋上出气管，以便

38、浇注时引气。地坑造型仅用或不用上箱即可造型，因而减少了造砂箱的费用和时间，但造型费工、生产率低，要求工人技术水平高。适用于砂箱不足，或生产要求不高的中、大型铸件，如砂箱、压铁、炉栅、芯骨等。 地坑造型组芯造型是用若干块砂芯组合成铸型，而无需砂箱。它可提高铸件的精度，但成本高。适用于大批量生产形状复杂的铸件。 组芯造型挖砂造型的模样是整体的，但铸件分型面为曲面。为便于起模，造型时用手工挖去阻碍起模的型砂、其造型费工、生产率低，工人技术水平要求高。用于分型面不是平面的单件、小批生产铸件。 挖砂造型假箱造型是为克服挖砂造型的挖砂缺点，在造型前预先做个底胎（即假箱），然后在底胎上制下箱，因底胎不参予浇

39、注，故称假箱。比挖砂造型操作简单，且分型面整齐。适用于成批生产中需要挖砂的铸件。 假箱造型分模造型是将模样沿最大截面处分成两半，型腔位于上、下两个砂箱内，造型简单省工。常用于最大截面在中部的铸件。 分模造型活块造型是在制模时将铸件上的妨碍起模的小凸台，肋条等这些部分作成活动的（即活块）。起模时，先起出主体模样，然后再从侧面取出活块。其造型费时，工人技术水平要求高。主要用于单件、小批生产带有突出部分、难以起模的铸件。 活块造型刮板造型是用刮板代替实体模样造型，它可降低模样成本，节约木材，缩短生产周期。但生产率低，工人技术水平要求高。用于有等载面或回转体的大、中型铸件的单件、小批生产、如带轮、铸管

40、、弯头等。 刮板造型 机器造型是指用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序。 机器造型铸件尺寸精确、表面质量好、加工余量小，但需要专用设备，投资较大，适合大批量生产。（二）机器造型 机器造型方法分类 常用的机器造型方法有：压实紧实、高压紧实、震击紧实、震压紧实、微震紧实、抛砂紧实、射压紧实、射砂紧实。压实紧实方法单纯借助压力紧实砂型，机器结构简单、噪声小，生产率高，消耗动力少，型砂的紧实度沿砂箱高度方向分布不均匀，上下紧实度相差很大。主要适用于成批生产高度小于200mm薄而小的铸件。 a) 压实紧实 高压紧实主要是用较高压实比压（一般在0.7MPa-1.5MPa）压实砂型。砂型紧实度高，铸件

41、尺寸精度高，表面粗糙度Ra值小，废品率低，生产率高、噪声低、灰尘小、易于机械化、自动化、但机器结构复杂、制造成本高。主要适用于需大量生产的中、小型铸件，如汽车、机械车辆、缝纫机等产品较为单一的制造业。 b) 高压紧实高压造型示意图成型压头多触头压头震击紧实主要依靠震击力坚实砂型。该方法机器结构简单，制造成本低，但噪声大、生产率低、要求厂房基础好。砂型坚实度沿砂箱高度方向愈往下愈大。主要适用于需成批生产的中，小型铸件。 c) 震击紧实震压造型机紧砂过程示意图进气排气震击压实震压紧实是经过多次震击后再压实砂型。该方法生产率高，能量消耗少，机械磨损少，砂型坚实度较均匀，但噪声大。广泛用于成批生产中、

42、小型铸件。 c) 震压紧实微震紧实是在加压坚实型砂的同时，砂箱和模板作高频率、小振幅震动。此方法生产率较高、紧实度均匀、噪声小。广泛用于成批生产中、小型铸件。 e) 微震紧实抛砂紧实是利用离心力抛出型砂，使型砂在惯性力下完成填砂和坚实。该方法生产率高，能量消耗少、噪声低、型砂坚实度均匀、适用性广。主要适用于单件、小批、成批、大量生产中、大型铸件或大型芯。 f) 抛砂紧实射压紧实是使压缩空气骤然膨胀，将型砂射人砂箱进行填砂和坚实，再进行压实。该方法生产率高，坚实度均匀，砂型型腔尺寸精确、表面光滑、工人劳动强度低、易于自动化、但造型机调整维修复杂。主要适用于大批、大量生产的形状简单的中、小型铸件。

43、 g) 射压紧实射砂紧实是用压缩空气将型（芯）砂高速射入砂箱或芯盒而进行紧实。因其将填砂、紧实两个工序同时完成，故生产率高，但用于造型，其坚实度不高、需进行辅助压实。广泛用于制芯、并开始用于造型。 与手工造型一样，在单件、小批量生产中，多用手工制芯，但在成批、大量生产中，需用机器制芯才能满足高速造型对砂芯量的需求。 目前使用较多的是射芯机和壳芯机。射芯机制芯工作原理图吹砂法壳芯机制芯工作原理(a)顶吹法 (b)底吹法（一）、熔模铸造 （二）、金属型铸造 （三）、压力铸造七、 特种铸造熔模铸造是用易熔材料制成模样，然后在模样上涂挂若干层耐火涂料制成型壳，经硬化后再将模样熔化，排出型外，从而获得无

44、分型面的铸型。铸型经高温焙烧后即可进行浇注。 （一）、熔模铸造 图7-1 熔模铸造流程图 1. 熔模铸造的工艺过程 熔模铸造的工艺过程包括：蜡模制造、结壳、脱蜡、焙烧和浇注等。 图7-2 熔模铸造过程示意图1）铸件的精度和表面质量较高，尺寸公差等级可达IT14-IT11，表面粗糙度Ra值可达12.5mm-1.6mm。2）适用于各种合金铸件。3）可制造形状较复杂的铸件，铸出孔的最小直径为0.5mm，最小壁厚可达0.3mm。4）工艺过程较复杂，生产同期长，制造费用和消耗的材料费用较高，多用于小型零件（从几十克到几千克），一般不超过25kg。2. 熔模铸造的主要特点及适用范围消失模铸造 消失模铸造（

45、Expendale Pattern Casting，简称EPC），又称实型铸造、气化铸造。 EPC法采用遇液态金属即气化的泡沫塑料模造型，模型无分型面、不用起模，不用砂型、采用无水分，无粘结剂和附加物的干砂造型，在负压下使铸型获得强度并进行浇注，有其独特的优越性，是一种新型的铸造工艺方法。喷砂造型浇注成型落砂起模1-喷砂管 2-砂箱 3-抽气管 4-振动台 5-塑料模 6-薄模 7-落砂栅格 8-铸件 金属型铸造又称硬模铸造，是将液体金属浇入金属铸型，在重力作用下充填铸型，以获得铸件的铸方法。金属型材料一般选用铸铁、碳素钢或低合金钢。(二)、金属型铸造1. 金属型预热 金属型预热温度主要通过试

46、验来确定，一般不低于150。2. 刷涂料 金属型表面应喷刷一层耐火涂料（厚度为0.3mm0.4mm），以保护型壁表面，免受金属液的直接冲蚀和热击。3.浇注 由于金属型的导热能力强，因此浇注温度应比砂型铸造高2030。铝合金为680740，铸铁为13001370，锡青铜为11001150，对薄壁小件取上限，对厚壁大件取下限。4.开型时间 对于金属型铸造，要根据不同的铸件选用合适的开型时间，具体数值需通过试验来确定。 金属型铸造的工艺特点1）金属型铸件冷却快，组织致密，力学性能高。2）铸件的精度和表面质量较高3）浇冒口尺寸较小，液体金属耗量减少，一般可节约15%30%。4）不用砂或少用砂。金属型铸

47、造的主要缺点是金属型无透气和退让性，铸件冷却速度大，容易产生浇不到、冷隔、裂纹等缺陷。 金属型铸造的特点压力铸造（简称压铸）的实质是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填金属型型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。常用压射压力为51500MPa，充填速度约55m/s，充填时间很短，约0.0102s。 压铸过程主要由压铸机来实现。压铸机分热压室式和冷压室式两类。 图7-3 热压室式压铸机工作原理(三)、压力铸造冷压室式压铸特点是压室和熔化合金的坩埚连成一体，压室浸在液体金属中， 多用于低熔点合金。冷压室式压铸机分立式和卧式两种类型，卧式冷压室式压铸机工作原理见图7-4。图7-4

48、冷压室式压铸机工作原理1. 压铸优点：1）铸件的尺寸精度最高，表面粗糙度Ra值最小。2）铸件强度和表面硬度都较高。3）生产效率很高，生产过程易于机械化和自动化。压铸的特点和应用2. 压铸缺点：1）压铸时，高速液流会包住大量空气，凝固后在铸件表皮下形成许多气孔，故压铸件不宜进行较多余量的切削加工，以免气孔外露。2）压铸黑色金属时，压铸型寿命很低，困难较大。3）设备投资大，生产准备周期长。（四）、离心铸造离心铸造的特点之一是铸型高速旋转。使铸型旋转的装置称为离心铸造机，常简称离心机。离心铸造机工作原理图（a）立式离心机 （b）卧式离心机 离心铸造的特点及应用（1）离心力可使金属液充型能力提高，容易

49、获得较薄壁的零件；（2）可不用型芯而制得圆筒形、管类、套类零件；（3）金属液在离心力作用下充型与结晶，有利于排气与排杂，故可提高铸件的致密度；（4）便于制造圆筒形、管类、套类等双层或多层金属铸件。（1）合金中密度相差较大的元素在离心力作用下易产生密度偏析；（2）铸件的形状、尺寸受到一定的限制，主要用于筒类、管类、套类铸件；（3）设备、工装投资大。优点：缺点：铸件结构的铸造工艺性包括：铸件结构的合理性；铸件结构的工艺性；铸件结构对铸造方法的适应性。 八、 零件结构的铸造工艺性（一）、铸件结构的合理性1. 铸件应有合理的壁厚每一种铸造合金都有其适宜的铸件壁厚范围，铸件壁厚过大或过小都会对铸件产生不

50、良影响。若选定合金的适宜壁厚不能满足零件力学性能的要求，则应改选高强度的材料或选择合理的截面形状以及增设加强肋等措施。 图8-1 铸件的壁厚应合理2. 铸件壁厚应力求均匀所谓壁厚均匀，是指铸件的各部分具有冷却速度相近的壁厚。 铸件的内壁厚度应略小于外壁厚度。图8-2 铸件的壁厚应均匀 铸件如果因为结构需要不能做冷压室式压铸到壁厚均匀，则不同壁厚的联接应采用逐渐过渡的形式。 图8-3 铸件壁厚的过渡形式3. 铸件壁的联接形式要合理 对于铸件结构中有两个或三个甚至更多个壁相连的情况，可采用交错接头或环形接头的形式，见图84。 图8-4 铸件壁联结应尽量避免金属积聚 过大的平面不利于金属液的填充，容

51、易产生浇不到等缺陷，在进行铸件的结构设计时，应尽量将水平面设计成倾斜形状，见图85。 图8-5 避免大水平壁的结构4. 尽量避免过大的水平面 铸件在结构设计时，应尽量使其能自由收缩，以减小应力，避免裂纹。如图86所示的弯曲轮辐和奇数轮辐的设计，可使铸件能较好地自由收缩。 图8-6 轮辐的设计5. 铸件结构应避免冷却收缩受阻和有利于减小变形(二)、铸件结构的工艺性1. 应使铸件具有最少的分型面 减少铸件分型面的数量，不仅可以减少砂箱的用量，降低造型工时，而且可以减少错箱、偏芯等缺陷，从而提高铸件的精度。 图87所示端盖结构，由于图a)存在法兰凸缘，不能采用简单的两箱造型。若改成图b)所示的结构，

52、取消上部的凸缘，使铸件仅有一个分型面，则将大大简化造型操作。 图8-7 端盖的设计 平直的分型面可避免操作费时的挖砂造型或假箱造型；同时，铸件的毛边少，便于清理。 如图a)所示的杠杆零件，在造型时只能采用不平分型面，若改成图b)所示的形状，铸型的分型面则为一简单的平面。 图8-8杠杆铸件结构2. 应尽量使分型面平直设计铸件上的凸台、凸缘和肋条结构时，应考虑便于造型起模，尽量避免使用活块或外壁型芯。如图所示。 图8-10 铸件整体凸台结构设计3. 改进妨碍起模的凸台、凸缘和肋条的结构 5. 铸件要有结构斜度 铸件上垂直于分型面的不加工表面应设计出一定的斜度，称为结构斜度。结构斜度便于起模，并可延

53、长模具的使用寿命。见图811。 铸件结构斜度的大小和许多因素有关，如铸件的高度、造型的方法等，高度越低，斜度应越大。凸台的结构斜度可达30-50。 图8-11 铸件结构斜度6. 应使铸件尽可能不用或少用型芯 图812是悬臂支架的两种设计方案，图a)采用方形中空截面，为形成其内腔，必须采用型芯；若改为图b)所示工字形开式截面，则可避免型芯的使用，这样在简化造型的同时，也可保证铸件的质量，故后者的设计是合理的。 图8-12 悬臂支架7. 铸件的内腔设计应使型芯安放稳固、排气容易、清砂方便。 型芯的固定主要依靠芯头来保证，如图所示轴承支架铸件，若采用图a)的结构，则需要两个型芯，而且其中大的型芯呈悬

54、臂状态，装配时必须采用芯撑作辅助支撑，若改成图b)所示的形状，采用一个整体型芯来形成铸件的空腔，则既可增加型芯的稳固性，又改善了型芯排气和清理条件，显然后者的设计是合理的。 图8-13 轴承架铸件 对于因芯头不足而难于固定型芯的铸件，在不影响使用功能的前提下，可设计出适当大小和数量的工艺孔，用以增加芯头的数量，稳固型芯。如图814b所示。 图8-14 增设工艺孔结构8. 铸件结构设计中应避免封闭空腔。 图a)所示铸件为封闭空腔结构，其型芯安放困难、排气不畅、难于清砂，若改成图b)所示的结构，上述问题将迎刃而解，故后者是合理的设计。 图8-15 铸件结构避免封闭内腔1.铸件浇注位置的选择2.分型

55、面的选择3.砂芯设计铸造工艺方案的确定典 型 浇 注 系 统顶浇式浇注系统底浇式浇注系统中浇式浇注系统(三)、铸造方法对铸件结构的特殊要求1. 熔模铸件(1). 便于蜡模的制造(2). 铸件上的孔、槽不宜过小或过深 过小或过深的孔、槽，不利于制壳时涂料和砂粒顺利地充填熔模上相应的孔洞，形成合适的型腔；同时，过深的孔、槽也给铸件的清砂工作带来困难。(3). 减少热节，壁厚力求均匀 熔模铸造一般不单独设置冒口，而是利用加粗的直浇道作为冒口直接补缩铸件。与此工艺相适应，应尽量采用薄壁结构，并使壁厚分布符合定向凝固原则。 (4). 避免大平板结构 由于熔模型壳的高温强度较低，容易变形，所以设计铸件结构

56、时，应尽量避免大的平面。2. 金属型铸件(1). 铸件的外形和内腔应力求简单，尽可能加大铸件的结构斜度，避免采用直径过小或过深的孔，以便于抽出型芯和保证铸件顺利取出。(2). 铸件的壁厚要均匀，以防出现缩松和裂纹缺陷；同时要注意壁厚不能太薄，尽量避免大的水平壁，以防止浇不到、冷隔等缺陷，如铝硅合金铸件的最小壁厚为2mm4mm，铝镁合金的最小壁厚为3mm5mm。3. 压铸件(1). 压铸件应尽量消除侧凹和深腔。(2). 尽量采用壁厚均匀的薄壁结构。压铸件适宜的壁厚一般为：锌合金1mm-3mm，铝合金1.5mm-5mm，铜合金2mm-5mm。(3). 压铸可以采用镶嵌件，应充分发挥镶嵌件的优越性，

57、以便制出复杂件、改善压铸件局部性能和简化装配工艺。为使嵌件在铸件中的联接可靠，应将嵌件镶入铸件部分制出凹槽、凸台或滚花等。16-2 金属塑性成型工艺基础 一、概 述 5模型锻造1、金属塑性成形（压力加工）金属材料在外力作用下产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的生产方法。2、塑性成形的基本生产方式 1轧制 2挤压3拉拔4自由锻造6板料冲压上砥铁下砥铁坯料1）零件大小不受限制；2）生产批量不受限制。3、塑性成形（压力加工）的特点1力学性能高1）组织致密；2）晶粒细化；3）压合铸造缺陷；4）使纤维组织合理分布。2节约材料1）力学性能高，承载能力提高；2）减少零件制造中的金属消

58、耗（与切削加工相比）。 3生产率高4适用范围广二、金属的塑性成形原理 各种压力加工方法，都是通过对金属材料施加外力，使之产生塑性变形来实现的。单晶体的塑性变形形式主要有滑移。（一）、金属塑性变形的实质1.单晶体的塑性变形滑移：晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对滑动。要实现上述钢性滑移，从理论上计算所需的外力比实际上测得的要大几千倍。所以实际金属的滑移是靠位错的移动来实现的。2. 多晶体的塑性变形晶内变形晶间变形滑移滑动转动多晶体塑性变形的实质：晶粒内部发生滑移；同时晶粒之间发生滑移和转动。（二）、塑性变形后金属的组织和性能1.冷变形及其影响1）组织变化的特征：晶粒沿变形最大方向伸长；晶

59、格与晶粒均发生畸变；晶粒间产生碎晶。2）性能变化的特征：加工硬化：随着变形程度的增加，其强度和硬度不断提高，塑性和韧性不断下降。有利：强化金属材料不利：进一步的塑性变形带来困难2. 回复T回 = （0.250.3）T熔3. 再结晶T再 = （0.350.4）T熔T再冷变形热变形以上以下(K)(K)4 . 热变形及其影响1）不产生加工硬化2）使组织得到改善，提高了力学性能 细化晶粒； 压合了铸造缺陷；3）形成纤维组织 组织致密。5 . 纤维组织（1）在平行于纤维组织的方向上：材料的抗拉强度提高（2）在垂直于纤维组织的方向上：材料的抗剪强度提高三、 金属塑性成形工艺基础（一）、金属的可锻性是金属材料在压力加工时成形的难易程度。1 . 可锻性的衡量指标1）塑性：2）变形抗力：材料的塑性