产品造型材料与工艺教材

产品造型材料与工艺第三讲第二章金属材料及其加工技术第一节常用金属材料及其特性第二节金属材料成型与工艺性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2.1.1金属材料的特性及分类2.1.2钢铁材料2.1.3有色金属及其合金2.1.4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金属的微观特性结合键：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结合键没有饱和性、方向性和选择性金属的宏观特性①良好的导电性和导热性；②正的电阻温度系数；且绝大多数金属具有超导性；③良好的反射能力、不透明性及金属光泽；④良好的塑性变形能力（延展性）反映出金属的本质：有特殊光泽优良的导电性和导热性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金属材料的性能①使用性能使用过程中表现出来的性能机械(力学)性能：强度、塑性、弹性、刚度等物理性能：导热性、导电性、热膨胀性、磁性等化学性能：抗蚀性、抗氧化等②工艺性能

制造和加工过程中表现出来的性能如铸造性能、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2.1.1金属材料的特性及分类2.1.2钢铁材料2.1.3有色金属及其合金2.1.4造型设计中金属材料的选用2.1.2钢铁材料钢铁材料可分为三大类：纯铁(c<=0.02%)塑性好、强度低，主要用于制造磁铁钢(0.02%<=c<2.11%)铸铁(c>=2.11%)2.1.2钢铁材料钢(0.02%<=c<2.11%)碳钢按含碳量：低碳钢、中碳钢、钢碳钢按品质：普通碳素钢、优质碳素钢按用途：碳素结构钢、碳素工具钢合金钢合金结构钢：合金弹簧钢、合金轴承钢等合金工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢特殊用途钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢铸铁(0.02%<=c<2.11%)按碳存在的的不同形式式灰口铸铁：碳以石墨墨形式存在在，断口呈呈灰色白口铸铁：碳以渗碳碳体形式存存在，断口口白色麻口铸铁：按用途：：碳素结构构钢、碳素素工具钢按石墨的形形态：灰口铸铁：钢基+片状状石墨，强度、塑塑性、韧性性不如钢，，减震性好好、缺口敏敏感性低，，适于制各各种承受压压力和要求求消震的床床身、机架架、箱体、、缸体、壳壳体可锻铸铁：铸态白口铸铸铁热处理理成，高强度、、塑性、冲冲击韧性，，制汽车后后桥外壳、、管接头、、低压阀门门球墨铸铁：铁水+球化化剂，铸造性优优良，取代代了可锻铸铸铁，制造造受力复杂杂、负荷大大、耐磨的的铸件，如如曲轴、凸凸轮轴、齿齿轮、蜗轮轮蜗杆、活活塞、工作作缸等第一节常常用金属材材料及其特特性2.1.1金属材材料的特性性及分类2.1.2钢铁材材料2.1.3有色金金属及其合合金2.1.4造型设设计中金属属材料的选选用2.1.3有色色金属及其其合金铝及铝合金金铜及铜合金金铝及铝合金金纯铝：纯度98%~99.996%，密度小、导导电、导热热性优良；主要用于于科研及制制造电容器器铝合金：纯铝强度低低，加入合合金以提高高强度变形铝合金金1.防锈铝铝合金：含锰、镁镁等，不可热处理理强化，耐耐蚀性好，用于制造造高耐蚀性性薄板容器器2.硬铝：含铜、镁镁等，强度、硬度度高（与高高强钢相近近），塑性性低、韧性性差，用于制造造飞机大梁梁、螺旋桨桨、铆钉等等3.超硬铝铝合金：含锌、铜铜等，强度接近超超高强度钢钢4.锻铝：含镁、硅硅、铜等，，热塑性、耐耐蚀性好，，适于锻造造，用于航空空等形状复复杂、要求求强度较高高的锻件铸造铝合金金：要求有良良好的铸造造性能，分分为铝硅、、铝铜、铝铝镁、铝锌锌四系。铜及铜合金金1.纯铜（紫铜铜）：纯度99.5%~99.95%,极好的塑性性,抗蚀蚀、导电、导导热性、抗磁性极好好，用于电工工导体和防防磁器械2.黄铜：：含锌<50%普通黄铜：：含锌<32%,极好的变形形能力，用于弹壳壳等；含锌锌>32%：热加工黄铜铜(含锌40%),强强度较高高，含铜量量少，价格格低、用于于制作电器器上的导电电、耐蚀及及有一定强强度的结构构件特殊黄铜：：加入锡、铅铅、铝等元元素3.青铜锡青铜：一般含锡3%~14%,强度、塑性性增加特殊青铜：：指不含锡锡的青铜铜，如铝铝青铜、、铍青铜铜等，比锡青铜铜具有更更高的力力学性能能、耐磨磨性与耐耐蚀性。。第一节常常用金金属材料料及其特特性金金属材料料的特性性及分类类钢钢铁材料料有有色金属属及其合合金造造型设计计中金属属材料的的选用金属材料料设计是是造型设设计的重重要组成成部分，，它包括括：材料的选选用材料加工工工艺的的制定造型设计计中，金金属材料料的选用用是一个个复杂的的决策问问题，它它需要：：首先要掌掌握金属属材料理理论及其其应用知知识明确目标标及限制制条件进行必要要的试验验和选材材方案对对比造造型设计计中金属属材料的的选用如何进行行金属材材料的选选材？先掌握几几个基本本的选材材原则根据使用用性能选选材变形失效效：弹性变变形和塑塑性变形形影响形形状、尺尺寸精度度重要螺栓栓、弹簧簧、精密密丝杠等等，应选选高弹性性模量材材料断裂失效效：塑性断裂裂：明显塑塑性变形形后断裂裂，应选选高强度度材料低应力脆脆性断裂裂：无宏观观塑性变变形下断断裂，如如高强度度的锤杆杆，应选选强韧性性材料疲劳断裂裂：交变应应力作用用下的裂裂纹形成成、扩展展造成断断裂，如如齿轮，，应表面面强化处处理表面损伤伤失效：磨损、、腐蚀、、表面疲疲劳选材的经经济性原原则：材材料价格格、加工工费用等等其他因素素：环保保、市场场等造型设计计中金属属的选材材原则根据工艺艺性能选选材铸造性能能金属构件件承载不不大，受受力简单单而结构构复杂，，尤其是是具有复复杂内腔腔结构铸造性能能：铸造铝合合金和铜铜合金>灰口铸铸铁>铸铸铁>铸铸钢锻造性能能承载较大大、受力力复杂的的构件热锻性：：低碳钢钢>中碳碳钢>高高碳钢焊接性能能体积较大大，要求求气密性性好，能能承受一一定压力力，如输输气管道道、蒸汽汽锅炉等等钢材最适适合焊接接，含碳碳和合金金元素越越多，焊焊接性能能越差；；铝合金金、铜合合金焊接接性较差差，灰口口铸铁基基本不能能焊接2.2.1铸造加工工及其工艺艺性2.2.2压力加工工及其工艺艺性2.2.3焊接技术术及其工艺艺性2.2.4切削加工工（机械加工）及其工艺艺性2.2.5特种加工工及其工艺艺性第二节金金属材材料成型型与工艺艺性后母辛方方鼎家用缝纫纫机机架架铸铸造加工工及其工工艺性铸造——将熔熔融的金金属液体体浇注到到与零件件形状相相对应的的铸造模模型腔中中，待冷冷却后得得到实体体毛坯或或零件的的工艺过过程铸造加工工的特点点：适应性强强：不受零件件体积、、重量大大小、形形状、结结构复杂杂程度的的限制，，不受合合金种类类限制成本低廉廉：原材料消消耗及切切削加工工费低、、动力消消耗少、、接近成成品零件件铸造组织织存在一一定缺陷陷：缩孔、、疏松、、气孔、、沙眼等等导致力力学性能能不如锻锻件；工艺过程程较难控控制：废品率较较高，工工人劳动动强度大大等铸铸造加工工及其工工艺性铸件性能能：合金性能能铸型性能能工艺控制制铸造方法法分类砂型铸造造：用型型砂做铸铸型的铸铸造方法法，使用率90%特种铸造：砂型铸造以外的其其他铸造方法法，包括熔模铸造、金属型铸造、压力铸铸造、低压铸铸造、离心铸铸造、陶瓷型铸造等铸造方法分类类凝固方式：重力场凝固非重力场凝固固压力铸造离心铸造挤压铸造电磁场快速凝固无论哪种铸造造，其工艺过过程中的基本本内容和成型型原理都是相相同的，只是是过程的方法法依不同铸造造而有所不同同。各种铸造的基基本过程：铸铸造加工及及其工艺性砂型铸造造型制芯———金属液态砂砂型成形最基基本的工序，，通常分为：：手工造型：机器造型：利用简单的器器械进行砂型型（芯）的制制作利用造型机和和制芯机进行行砂型（芯））的制作砂型成形方法法手工造型的特特点：操作方便灵活活，适应性强强生产率低劳动强度大铸件质量不易易保证适用于单件小小批量生产砂型成形方法法机器造型的特特点：生产效率高劳动条件好劳动强度低铸件的表面质质量好、尺寸寸精度高适用于成批大大量生产砂型铸造砂型铸件的结构设设计应注意：：力求外形简单单，轮廓平直直，只需一个个分型面力求铸件的内内腔铸造时，，型芯数目最最少，方便装装配、清理、、排气起模方向应设设计结构斜度度铸件应有合理理的壁厚力求铸件壁厚厚均匀，防止止局部积聚变变形，造成裂裂纹、缩孔、、缩松等缺陷陷尽量避免铸件件中有过大的的水平面，防防止由于横截截面突然增大大，导致金属属液面上升缓缓慢，致使型型腔顶部受到到长时间烘烤烤，造成夹砂砂缺陷、产生生气孔等；将将平面改为倾倾斜面金属型铸造金属型铸造特特点可以“一型多多铸”铸件的力学性性能提高因为金属型铸铸件的冷却速速度较快、组组织比较致密密铸件精度较高高，可以少加加工或不加工工但是，成本高高、周期长；；铸造透气性性差、无退让让性，易产生生冷隔、浇不不足、裂纹等等缺陷；铸件件熔点不宜太太高，重量也也不宜太大主要用于：大大批量的有色色金属铸件，，如内燃机的的铝活塞、气气缸体、缸盖盖、油泵壳体体等熔模铸造（失失蜡铸造）在蜡模表面包包以造型材料料，待其硬化化，将其中的的蜡模熔去，，从而获得无无分型面的铸铸型的铸造方方法蜡模制造→结结壳→脱蜡→→造型→焙烧烧→浇铸→落落砂清理蜡模制造：包括压型制制造、蜡模压压制和蜡模组组装三步结壳：在腊模上涂涂挂耐火材料料，制成一定定强度的耐火火型硬壳脱腊：将附有型壳壳的蜡模组浸浸泡于85-95℃的热热水中，蜡料料熔化造型：加固型壳，，防止浇注时时变形或破裂裂，将脱蜡后后的型壳置于于铁箱之中，，周围用粗砂砂填充焙烧：为进一步去去掉水分、残残余蜡料及杂杂质，浇注前前必须将型壳壳送入热炉内内加热800-1000℃进行焙烧烧，可增强强强度，型腔更更干净浇铸：焙烧出炉后后趁热（600-700℃）进行浇浇注，可提高高合金充型能能力，防止浇浇不足，冷隔隔等缺陷。落砂清理：冷却后将型型壳破坏取出出铸件，去掉掉浇口毛刺等等。熔模铸造（失失蜡铸造）钢水浇注方向向熔模铸造（失失蜡铸造）的的特点铸件的精度高且表面面光洁适用于各种铸铸造合金铸件件，尤其是高熔点及难切削的合金金的铸造熔模铸件的形状可以比较较复杂，最小小孔径0.5mm，壁厚厚0.3mm铸件的重量不宜太大大，一般<=25kg,最最大80kg左右工艺过程复杂杂，不易控制制，使用和消消耗的材料较较贵，适用于形状复复杂、精度较较高或难以机机加工的小型型零件，如发发动机叶片和和叶轮等压力铸造在高压下(比比压约为500一1500N／cm2)快速地地(充型时间间约为0.001～0.2s)将液液态或半液态态合金压入金金属铸型中，，并在压力下下结晶，以获获得铸件的方方法。工作流程：注入金属：先闭合铸型型，用手工将将定量勺内金金属液通过压压室上的注液液孔向压室内内注入．压铸：压射冲头向向前推进，金金属液被压入入铸型中。取出铸件：铸件凝固后后，抽芯机构构将型腔两侧侧型芯同时抽抽出，铸型开开型，铸件借借助冲头的前前伸动作离开开压室，在继继续开型中，，顶杆顶出铸铸件。优点：铸件表面质量量高，可铸出复杂形形状薄壁件或或镶嵌件，生生产率高。主要适合于于有色金属合合金，如锌合合金、铝合金金、镁合金。。压力铸造低压铸造：介介于重力铸造造和压力铸造造之间的一种种方法，所用用压力为2-7N/cm2。主要用用于生产质量量高的铝镁合合金铸件离心铸造：将将液态合金浇浇入高速旋转转（250-1500r/min））的铸型中，，使金属液在在离心力作用用下充填铸型型并结晶。主主要用于生产产圆筒形铸件件。铸造质量的好好坏主要决定定于合金的充充型能力，影影响合金充型型能力的主要要因素是合金金的流动性、、浇注条件和和铸型的结构构。材料的可铸性性材料的可铸性性决定某材料是是否可铸造成成型，应考虑虑材料的波动动性，收缩性性和偏析性，，是否合乎要要求．流动性：指材料熔熔融后易于流流动，不粘滞滞的性能。流流动性好的材材料易于充满满砂型，能铸铸成较薄、较较细，形状复复杂的铸件收缩性：指材料经冷冷却后，体积积收缩程度的的大小，收缩缩性小的材料料拎却后体积积变化小，不不易出现疏松松、变形、裂裂纹等缺陷，，灰口铸铁最最好偏析性：材料冷却后后，各种成分分分布的均匀匀程度。由由于合金不是是一种成分，，如果偏析、、拎却过程中中会有一部分分先析出，致致使材料性能能下降，影响响强度和加工工性能。铸造产品设计的特点由铸造零件的的工艺看，产产品的外形是是由模型的型型腔决定的，，无论是砂型型