材料成型技术基础

材料成型技术基础BasicTechnologiestoShapetheMaterials东华大学机械学院丁浩Address:机械学院楼3057E-mail:dinghao@

Tel:67792584ntroduction

1.Howtoshape?massincrease:Rapidprototypemassdecrease:MachiningmassformationCastingPlasticformingFabricationbyjoiningPowdermetallurgy2.AboutThisCurriculumTechnologyBasicCourse以研究常用工程材料及机器零件的成型工艺原理为主的综合性基础课涉及的课程知识：材料学、传热学、力学、冶金学、机械制图MainTopicsinThisCurriculum铸造Foundry压力加工MechanicalWorking焊接WeldingFabrication3.Howtostudy?课程要求掌握各种成型技术的基本原理熟悉各种成型工艺的特点及其主要应用熟悉零件成型的结构工艺性掌握常用金属的工艺性能以及影响因素成绩评定平时成绩占30%闭卷考试占70%教学方法授课：必须认真听，记笔记作业：独立、按时完成自学：认真对待录像：开阔视野,

取消实验学习方法重视各个教学环节重视实践环节培养总结知识能力培养分析解决问题能力4.主要参考书References沈其文主编《材料成型工艺基础》，华中理工大学出版社，1999.9

李遇昌等主编《热加工工艺》，成都科技大学出版社，1989.6[美]E.PaulDeGarmoMaterialsandProcessesinManufacturing—机械制造工艺及材料，机械工业出版社，1985只是参考，主要教材第二篇铸造Foundry什么叫铸造Casting？(p33)Theproductionofshapedarticlesbypouringmoltenmetalintothemould广泛wide-ranging精度相对较高Precision、便宜LowCost铸造生产的特点形状：复杂、特别是内腔复杂的零件Especiallyfortheproductionofarticleswithcomplicateshapeandstructure例如：机箱、阀体、汽缸等

各种材料

Suitforalmostallkindsofalloy

大小：g~t

castingweight:fromseveralgramstotons

批量：单件~大量铸造的局限性材料力学性能比锻件低Structureandproperty容易产生铸造缺陷劳动条件差砂型铸造sandcasting特种铸造熔模铸造investmentcasting金属型铸造permanentmouldcasting压力铸造diecasting低压铸造low-pressurecasting离心铸造centrifugalcastingspinningcasting铸造方法第一章铸造工艺基础

TheBasicKnowledge铸造性能:获得好铸件（PerfectCasting）的难易程度形状完整：Shapeisproperlyformed

内部质量好：Internallysound

没有缺陷：Freefromdefects取决于：充型、凝固(结晶)、冷却Dependonliquidmetal,flowpropertyunderfoundrycondition,solidificationprocess,coolingprocess§1液态合金的充型

TheMouldFillingofLiquidAlloy充型能力mouldfillingcapacity(p34)液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力形状不完整、轮廓不清晰产生缺陷问：影响铸件充型的因素有哪些？浇不足ShortRun冷隔ColdShut充型能力差合金本质：流动性环境条件：浇注、充型工件结构：结构工艺性1.合金的流动性FluidityCastability1)合金的流动性的概念合金本身流动的能力；粘度viscosity流动性好容易浇铸出轮廓清晰、薄而复杂的铸件气体、夹杂上浮与排除补缩流动性差薄壁铸件：浇不足复杂铸件：冷隔2)合金流动性测量1—试样铸件2—浇口3—冒口4—试样凸点流道长：1.5mP34,fig2-1螺旋型试样法：用浇注后试样的长度来表示流动性越好，所浇出的试样越长灰铸铁、硅黄铜流动性好铸钢流动性差3)影响合金的流动性的主要因素

variablesinfluencingfluidity成分composition:固液二相区间距越大，流动性越差freezingrang凝固区间,凝固范围纯金属及共晶点成分合金流动性好后者的熔点更低，流动性更好。铁碳合金流动性与含碳量关系p35,fig2-22.影响液态合金充型的环境因素1）浇注条件浇注温度Pouringtemperature：过热度浇注温度↑→过热度↑→流动能力↑→充型容易浇注温度不能过高，why？熔炼温度↑→

吸气↑→气孔过热度↑→收缩增加↑→缩孔、缩松凝固速度降低↓

→粗晶易产生粘砂温度充型压力：静压头；低压铸造；离心铸造2）铸型充填条件铸型温度和铸型材料预热：铸型温度↑金属型铸造，压力铸造，熔模铸造铸型材料：蓄热系数↑干砂型，湿砂型。石英砂，刚玉，锆砂铸型中的气体：排气口，真空浇注§2铸件的凝固与收缩FreezingandShrinkage1.铸造合金的收缩ShrinkageoftheCastingAlloys

合金从浇注、凝固、直至冷却到室温,其体积和尺寸缩减现象铸钢＞白口铸铁＞灰口铸铁(p37表2-1)液态收缩和凝固收缩得不到补偿，将产生缩孔或缩松液态收缩liquidContraction体收缩凝固收缩freezingcontraction体收缩固态收缩solidcontraction线收缩2.铸件的三种凝固方式thewidenessofpastezoneP36图2-3逐层凝固Freezinglayerbylayer糊状凝固Pastefreezing中间凝固MiddlefreezingNoted:凝固方式(thewidenessofpastezone)取决于合金的成分：freezingrang凝固区间,凝固范围温度梯度temperaturegradient

凝固方式决定了合金的补缩性能feedingcharacters

倾向于逐层凝固的合金（灰口铸铁，近共晶点铝硅合金）补缩性能好、铸件致密度高、不容易产生缩松倾向于糊状凝固的合金：锡青铜，铝青铜，球墨铸铁补缩性能差、铸件致密度不高、容易产生缩松3.铸件中的缩孔和缩松缩孔（又称集中缩孔）Shrinkagevoid由于凝固收缩得不到补偿，在最后凝固部位或者热节处(thermalcenter)，形成容积较大的孔洞TheformationofShrinkageVoidp37Fig.2-4由于凝固收缩得不到补偿，在铸件一定区域内，形成分散的小缩孔宏观缩松—肉眼可见分布在铸件心轴线处或缩孔下方微观缩松—在显微镜下可见缩松影响铸件的气密性和力学性能左P38Fig.2-5

TheformationofShrinkageVoidandPorosity缩松（又称分散缩孔）Porosity4.缩孔和缩松的防止

选用缩孔和缩松倾向小的合金凝固温度范围窄的合金(纯金属、共晶合金eutecticalloy)缩孔、缩松倾向取决于合金的收缩和补缩能力合金的收缩包括液态收缩和凝固收缩合金的凝固区间（凝固温度范围）:freezingrang

铸钢〉白口铸铁〉灰口铸铁;球墨铸铁、锡青铜易形成缩松浇注温度:温度↑→液态收缩↑铸件的补缩性能：凝固方式，补缩条件凝固方式与凝固区间和温度梯度有关逐层凝固的合金补缩性能好，不容易产生缩松糊状凝固的合金补缩性能差，容易产生缩松压力下凝固，可以防止缩松防止缩孔的工艺措施用冒口(riser)补缩，采用顺序凝固progressivesolidification原则在铸件厚大部位安放冒口，铸件远离冒口处先凝固，靠近冒口处后凝固，最后冒口本身凝固。如何避免缩松？对于倾向粥状凝固的合金,例如锡青铜,缩松很难避免冷铁不补缩,↑冷却速度冒口补缩，↓冷却速度→实现顺序凝固§3铸造内应力、变形和裂纹

InternalStress,DeformationandCrack1.铸造应力铸件冷却，固态收缩受阻碍，在铸件内部产生的应力得不到释放，形成残余内应力超过屈服极限，产生变形超过断裂极限，形成裂纹形成方式：热应力、机械应力、相变应力热应力：铸件各部分冷却速度不同，收缩过程不一致造成的应力相变应力：铸件各部分相变时间不一致而产生的应力有时形成残留应力，有时为临时应力机械应力：铸件受到机械阻碍而产生的应力一般不形成残留应力P39图2-81)热应力的形成FormationofThermalStress铸件中厚的部分最后冷却，总是受拉应力，薄的部分受压应力热应力形成残留应力4）内应力的消除：内应力不均匀，重新分布，会导致铸件变形，影响精度自然时效、人工时效2）热应力的预防FreefromtheThermalStress不管壁厚如何，同时一起收缩P39图2-9合理结构

同时凝固:很少用p40,fig2-103）机械应力2.铸件的变形与防止CastDistortionandtheSolution铸造应力超过材料的屈服极限，铸件将产生塑性变形机架的变形T型型材的变形预防铸件变形的措施设计时：铸件结构的壁厚均匀，形状对称采用同时凝固，但须考虑到缩孔同时凝固主要适用于灰铸铁和锡青铜，why?p40,fig2-9采用反变形法：在模型上预先加一个反变形量长而易变形的铸件3.铸件的裂纹与防止CrackingandPrevention铸造应力超过材料的断裂极限，铸件将产生裂纹热裂纹（晶间、高温、凝固裂纹）hottearing宽，曲折，氧化色冷裂纹（低温裂纹）coldcrack：细，直，轻微氧化色防止裂纹措施选用裂纹倾向小的合金热裂倾向：凝固区间solidificationrang和钢中的SQT,HT小；ZG,KT,ZL大冷裂倾向：塑性plastic和钢中的P

铸件的结构：避免热节、应力集中stressconcentration

铸型的退让性§4铸件的质量控制控制组织性能、形状尺寸、铸造缺陷合理选材，合理设计合理制定铸件技术要求，高低适合严格管理和检验：工装，铸件合理热处理：力学性能、内应力、加工性能第二章常用合金铸件的生产

TypicalCastAlloys§1铸铁件生产灰铸铁GrayCastIron1.1灰铸铁的组织性能特点灰铸铁的组织铸造性能好，成本低、应用广泛，产量高常用铸造合金的组织、性能以及铸件的生产特点基体+片状石墨G：片状（特点）3基体类:F，P，F+P灰铸铁的性能特点力学性能差，脆性材料流动性好缩孔缩松倾向小热裂、冷裂倾向低优良的减震性优良的减摩性灰铸铁的铸造性能好强度、硬度低，塑、韧性几乎为0由于G片尖端相当于裂纹，造成应力集中灰铸铁的理想组织是什么？基体：P石墨：细小、均匀化学成分C,Si,Mn,S,P碳、硅→碳当量C.E=C%+0.3Si%Ⅰ—白口铸铁，Ⅱa—麻口铸铁，Ⅱ—珠光体灰口铸铁Ⅱb—珠光体—铁素体灰口铸铁，Ⅲ—铁素体灰口铸铁

1.2影响铸铁组织和性能的因素1.3孕育处理Inoculation

问题：1.获得高牌号灰口铸铁而不产生麻口2.铸件壁厚不一致，但性能均匀

冷却速度灰铸铁牌号HT100——HT350P47,table2-3将孕育剂（75硅铁）0.25-0.6%加入到低碳、低硅(2.7-3.3%C,1-2%Si)的铁水中，搅拌后浇注，以获得细小且分布均匀石墨的灰铸铁件处理工艺1.4灰铸铁牌号孕育铸铁InoculatedCastIron组织：细小、均匀的G+P基体P47,table2-3灰铸铁牌号HT100——HT350要求：会认强度、硬度高冷速对组织和性能的影响小性能特点2.可锻铸铁MalleableCastIron

什么叫可锻铸铁？可锻铸铁的生产过程白口铸铁→高温退火→石墨呈团絮状性能特点：有一定的塑性、韧性，不可锻造成分：低碳、低硅；2.4～2.8%C，0.4～1.4%Si

适用范围：中压阀门形状复杂的薄壁小件：大件容易产生麻口受一定冲击的零件大批量生产:单件成本高牌号KTH300-063.球墨铸铁SpheroidCastIron

3.1组织、性能特点及牌号QT700-2

性能好制造曲轴、连杆：疲劳性能高组织：球状G+基体球化剂：稀土镁合金孕育剂：75%硅铁孕育目的：促进石墨化，防止球化剂造成的白口倾向P49,fig2-17冲入法球化处理3.2生产关键熔炼成分：高碳（3.6～4%C），低P、低S

温度：1420℃

球化处理、孕育处理F，P，B，F+P，A-B4.蠕墨铸铁铸型工艺增加铸型刚度用干型防止皮下气孔浇注系统，挡渣热处理：基体改善蠕虫状G+基体；力学性能介于灰铁与球铁之间优异的耐热疲劳性球墨铸铁易产生缩孔、缩松、皮下气孔、夹渣等缺陷§2铸钢件生产

ProductionofCastSteelElement

1.铸钢牌号牌号：ZG270-500p51Table2-62.铸钢的特点熔点高，易氧化、吸气铸造性能差流动性差、收缩大(缩孔缩松倾向大)、热裂倾向大电炉熔炼防止粘砂，用涂料气孔，干型，水玻璃型浇不足，开放式浇注系统缩孔缩松，顺序凝固，冒口补缩裂纹，退让性糖浆木屑§3铜、铝合金铸件生产熔化设备：坩埚炉铜合金的氧化问题（形成CuO2）→加覆盖剂铝合金的吸氢问题→加氯化锌（ZnCl2

）、六氯乙烷（C2Cl6）或加Cl2第三章砂型铸造Sandcasting用型砂紧实成型的铸造方法称为砂型铸造砂型铸造是应用最广泛的一种铸造方法可追溯到公元前3000～4000年砂型铸造概略图砂型铸造工艺流程合适的铸造合金正确的熔炼和浇注合理的铸型工艺获得健全的铸件砂型铸造的铸型工艺主要体现在铸造工艺图和铸型装配图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手工造型全部用手工或手动工具完成的造型工序手操作灵活、适应性广、工艺装备简单、成本低铸件质量差、生产率低、劳动强度大、技术水平要求高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机器造型用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序铸件尺寸精确、表面质量好、加工余量小需要专用设备，投资较大适合大批量生产§1造型方法的选择手工造型两箱造型三箱造型地坑造型脱箱造型组芯造型整模造型分模造型挖砂造型假箱造型活块造型刮板造型机器造型压实紧实高压紧实震击紧实微震紧实抛砂紧实射压紧实手工造型与机器造型重要区别震压紧实手工造型可以用2、3、多箱、地坑机器造型一般2箱手工造型用模样，机器造型用模板手工造型允许挖砂、活块机器造型绝不允许铸造（型）工艺设计确定浇注位置和分型面确定主要工艺参数浇注系统的设计：确保液态金属能够平稳而合理地充满型腔补缩系统的设计：为消除缩孔和疏松，合理设置冒口、冷铁等浇注系统的组成BushorbasinDownrunnerrunneringates铸造工艺图铸造工艺图:用工艺符号和参数，表示铸造工艺方案的图形一般直接画在零件图上选择造型方法后，就开始制定铸型工艺铸造工艺图作用：指导模型（芯盒）设计，生产准备，铸型制造作为铸件检验依据铸造工艺图的内容铸型工艺实线：分型面；文字、箭头：铸件的浇注位置型芯的数量、形状、尺寸、固定方法等工艺参数：加工余量（涂黑），拔模斜度、收缩率（数字）浇注工艺：浇注系统、冒口、冷铁§2浇注位置与分型面的选择

CastingSituationandPartingface1.浇注位置的选择原则

铸件的重要加工面应朝下或者侧面,why?有数个重要加工面时，应使较大者处于下部上部组织不致密容易产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷铸件的大平面应朝下，防止夹砂型砂受高温急剧膨胀，强度下降而拱起或开裂

面积较大的薄壁部分,置于下部、处于垂直或倾斜位置防止铸件薄壁部分浇不足或冷隔缺陷对容易产生缩孔的铸件，厚的部分放在铸型的上部或侧面以便在铸件厚壁处直接安置冒口,进行补缩,定向(顺序)凝固浇注位置与分型面的选择实例车床床身卷扬机筒平板浇注时的位置油盘铸件分型面为铸型组元间的接合面选择分型面原则：简化造型、保证精度、方便装配简化造型分型面平直、数量少：用2箱造型，避免挖砂、假箱

不用、少用型芯和活块（机器造型，不能使用活块）保证精度应尽量使铸件全部或大部置于同一砂箱方便装配

应尽量使型腔及主要型芯位于下箱使造型、下芯、合箱、检验铸件壁厚，操作方便

下箱不宜过深，并尽量避免吊芯和大的吊砂2.分型面的选择Fig.2-32支架分型方案Fig.2-31三通分型方案分型面的选择实例1分型面的选择实例2图2-35机床支柱简化造型:自带型芯§3工艺参数的选择

TechnologicalParameters

(CastingDimensionCriterion)

工艺参数很多：机械加工余量，最小铸孔，拔模斜度收缩率，型芯头的结构和尺寸上述原则一般不能同时被满足，有时甚至是互相矛盾的对质量要求很高的铸件，应在满足浇注位置的前提下，再考虑简化工艺对质量要求不高的铸件，以简化铸造工艺为主1.机械加工余量和铸孔MachiningAllowanceandCastingHole什么叫机械加工余量？P63机械加工余量确定原则：主要考虑经济性生产批量与造型方法大→考虑省料→↑铸件精度（机器造型）→↓加工余量小→考虑省工（手工造型）→↑加工余量→保证成品率合金种类：决定铸件精度、表面粗糙铸件精度高、表面粗糙度低→余量小加工余量：有色金属<铸铁<铸钢铸件大小，加工面与基准的距离、加工面位置等尺寸和距离，绝对误差加工面在浇注时的位置：上面缺陷多，余量大2.拔模斜度PatternDraft铸件的工艺结构之一：垂直于分型面侧壁的倾斜度与造型方法、模型材料、立壁高度有关加工表面—结合加工余量直接画出不加工表面—用文字注明15’～3oforoutsurface3o～10oforinnersurfaceDependon:castingheight,thewaytoproducemould,thepatternmaterial铸孔：主要考虑能否铸出，经济性但零件图上不要求加工孔、槽，无论大小，原则上都要铸出3.收缩率contractionruler合金冷却过程中有线收缩模样的尺寸比铸件相应放大取决于合金种类和铸件收缩阻碍情况自由收缩率：灰口铸铁0.7～1.0%，铸钢1.3～2.0%，铝硅合金0.8～1.2%，锡青铜1.2～1.4%在画铸造工艺图时不画，用数据标出；模样：定制的尺（缩尺）4.型芯头型芯作用？型芯依靠芯头与型腔定位和固定垂直芯芯头有斜度。上芯头6～150，下芯头为5～100水平芯头有一定的长度,悬臂芯的芯头更长芯头与芯座之间有间隙：1～4mm§4综合分析举例examples1.造型方法选择Howtoproducesandmould2.浇铸方案Pouringcriterion浇注位置castingsituation浇注系统gatingsystem冒口和冷铁risersandchills3.铸型方案Mouldingcriterion分型面partingface、型芯cores4.工艺参数Dimensioncriterion机加工余量allowanceformachining拔摸斜度draftangle收缩率contractionruler芯头结构coreprint图2-38支座图2-39支座的铸造工艺图C6140车床进给箱C6140车床进给箱分型面的选择进给箱的铸造工艺图C6140车床进给箱铸造工艺第五章铸件结构设计

StructureDesignoftheCast满足使用要求前提下，容易加工1.无缺陷

2.性能好3.操作方便铸件基本工艺结构：1.合理的壁厚2.壁厚均匀过渡3.铸造圆角4.加强筋5.