材料成型技术

第11章材料成型技术11.1铸造11.2锻压11.3焊接11.1铸造11.1.1概述11.1.2金属的铸造性能11.1.3合金的收缩11.1.4铸件的结构设计11.1.5特种铸造1.铸造的定义

将液态金属浇注到铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。

11.1.1概述2.铸造生产的特点优点——零件的形状复杂；工艺灵活；成本较低。缺点——机械性能较低；精度低；效率低；劳动条件差。铸造生产过程3.铸造方法的分类砂型铸造——90%以上特种铸造——铸件性能较好，精度低，效率高4.铸件的常见缺陷11.1.2金属的铸造性能

合金的铸造性能是表示合金铸造成型获得优质铸件的能力。通常用流动性和收缩性来衡量。

1、流动性概念流动性——液态合金的充型能力。流动性好的合金：易于浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件；有利于非金属夹杂物和气体的上浮和排除；易于补缩及热裂纹的弥合。合金的流动性是以螺旋形流动试样的长度来衡量。试样越长，流动性越好。2、影响合金流动性的因素（1）合金性质方面纯金属、共晶合金流动性好,亚、过共晶合金流动性差。螺旋形流动性试样（2）铸型和浇注条件提高流动性的措施：提高铸型的透气性，降低导热系数；确定合理的浇注温度；提高金属液的压头；浇注系统结构简单。（3）铸件结构铸件壁厚>最小允许壁厚11.1.3合金的收缩1.收缩的概念

收缩是铸件中的缩孔、缩松、变形和开裂等缺陷产生的原因。收缩的三个阶段：液态收缩形成缩孔、缩松（体收缩率）凝固收缩固态收缩——产生变形和裂纹（线收缩率）2、铸件的缩孔和缩松缩孔的形成：纯金属或共晶成分的合金易形成缩孔。缩松的形成：结晶温度范围大的合金易形成缩松。缩孔和缩松的防止：定向凝固——在铸件可能出现缩孔的厚大部位，通过增设冒口或冷铁等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固，尔后是靠近冒口的部位凝固，冒口本身最后凝固。结果——使铸件各个部分的凝固收缩均能得到液态金属的补充，而将缩孔转移到冒口之中3、铸造应力铸造内应力有热应力和机械应力，是铸件产生变形和开裂的基本原因。热应力的形成——热胀冷缩不均衡机械应力的形成——收缩受阻减少和消除应力的措施：结构上——壁厚均匀，圆角连接，结构对称。工艺上——同时凝固，去应力退火。4、铸件的变形对于厚薄不均匀、截面不对称及具有细长特点的杆件类、板类及轮类等铸件，当残余铸造应力超过铸件材料的屈服强度时，产生翘曲变形。用反变形法防止箱体、床身导轨的变形。5、铸件的裂纹铸钢件热裂纹（改善型芯的退让性，大的型芯制成中空的或内部填以焦碳）轮形铸件的冷裂（减少铸件应力，降低合金的脆性）11.1.4铸件的结构设计铸件的结构工艺性，是指所设计的零件在满足使用性能的前提下，铸造成形的可行性和经济性，即铸造成形的难易程度。良好的铸件结构性应与金属的铸造性能和铸造工艺相适应。1、合金铸造性能对铸件结构的要求（1）铸件的壁厚壁厚合理、壁厚均匀、符合凝固原则（2）壁的连接圆角连接、避免交叉、逐渐过渡（3）避免变形和开裂的结构结构对称、加强筋合理、自由收缩铸件的壁厚均匀结构圆角壁间大角度连接2、铸造工艺对铸件结构的要求（1）铸件的外形1）尽量避免外表面内凹2）尽量示分型面为平面3）尽量减少分型面的数量4）应具有结构斜度（2）铸件的内腔1）不用或少用型芯和活块2）有利于型芯的定位、排气和清理

凸缘外伸凸缘内伸11.1.5特种铸造1、概述

（1）特种铸造的分类：熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、（2）特种铸造特点（与砂型铸造相比）：1）铸件精度和表面质量高、铸件内在性能好；2）原材料消耗低、工作环境好等优点；3）铸件的结构、形状、尺寸、重量、材料种类往往受到一定限制。2、熔模铸造（1）定义：熔模铸造是在易熔模样表面包覆若干层耐火材料，待其硬化后，将模样熔去制成中空型壳，经浇注而获得铸件的成形方法。（2）熔模铸造工艺过程：制造熔模、制模组、上涂料（及撒砂）、脱模、焙烧、浇注、落砂、切浇口。（3）特点：1）铸件的形状复杂、精度和表面质量较高2）合金种类不受限制，钢铁及有色金属均可适用；3）生产批量不受限制；4）工艺过程较复杂，生产周期长，成本高铸件尺寸不能太大。（4）应用：熔模铸造是一种少、无切削的先进精密成形工艺，最适合25kg以下的高熔点、难加工合金铸件的批量生产。如汽轮机叶片、泵轮、复杂刀具、汽车上小型精密铸件。3、金属型铸造（1）定义：金属型铸造是在重力作用下将液态金属浇入金属铸型的成形方法。金属型的结构可分为：水平分型式、垂直分型式及复合分型式等。水平分型式垂直分型式铸造铝活塞的金属型及金属型芯（2）特点：1）一型多铸，生产效率高；2）铸件尺寸精度高，表面质量好；3）铸件冷却快，组织致密，机械性能好；4）适用性差。（3）应用：金属型铸造主要用于铜、铝、镁等有色金属铸件的大批量生产。如内燃机活塞、汽缸盖、油泵壳体、轴瓦、轴套等。4、压力铸造（1）定义：压力铸造是将液态金属在高压作用下快速压入金属铸型中，并在压力下结晶，以获得铸件的方法。压铸工艺过程：注入金属→压铸→抽芯→顶出铸件a)注入金属b)压铸c)抽芯d)顶出铸件卧式压铸机（2）压力铸造的特点：1）铸件的尺寸精度高；2）铸件的强度和表面硬度都较高；3）生产效率高（一般为50~150次/小时）；4）铸件表皮下有气孔，不能多余量加工和热处理；5）设备投资大，压铸型制造成本高，适宜大量生产。（3）应用：压力铸造主要用于铝合金、锌合金和铜合金铸件。压铸件广泛应用与汽车、仪器仪表、计算机、医疗器械等制造业，如发动机汽缸体、汽缸盖、仪表和照相机的壳体与支架、管接头、齿轮等。常见的压铸件5、离心铸造（1）定义：离心铸造是将金属液浇入旋转的铸型中，使其在离心力作用下成形并凝固的铸造方法。离心铸造示意图卧式离心铸造机（2）离心铸造的特点：1）铸件组织致密，机械性能好2）不用型芯和浇注系统，简化生产，节约金属3）金属液的充型能力强，便于流动性差的合金及薄壁铸件4）便于制造双金属结构5）铸件易产生偏析，内孔不准确且内表面粗糙（3）应用：离心铸造是铸铁管、气缸套、铜套、双金属轴承的主要生产方法，铸件最大可达十多吨。此外，在耐热钢辊道、特殊钢的无缝管坯、造纸机干燥滚筒等生产中得到应用。11.2.1概述11.2锻造1、锻压——借助外力的作用，使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和性能的锻压件。金属坯料锻压件塑性变形2、种类自由锻、模锻、板料冲压、挤压、拉拔、轧锻3、特点优点：（1）能改善金属的组织，提高金属的机械性能；（2）提高材料的利用率和经济效益（节省材料和切削加工工时）；（3）具有较高的劳动生产率。缺点：（1）不能获得形状复杂的锻件；（2）初次投资费用高（设备、工模具、厂房）；（3）生产现场劳动条件差。

4、应用：轧制、挤压、拉拔——金属型材、板材、钢材、线材等；自由锻、模锻——承受重载的机械零件，如机器主轴、重要齿轮、炮管、枪管等；板料冲压——汽车制造、电器、仪表及日用品。11.2.2自由锻1、概述（1）定义：利用冲击力或压力使加热好的金属在上、下抵铁之间产生变形。（除部分接触表面外，都是自由表面，变形不受限制。）（2）特点：（1）工具简单，不需造价昂贵的模具（2）可以锻造各种重量的锻件，对于大型锻件几乎是唯一的锻造方法（3）自由锻所需设备的吨位较小（4）锻件的尺寸精度低，加工余量大（5）锻件形状简单，生产率低，劳动强度大（3）应用：单件和小批量生产。2、自由锻设备手工自由锻——铁砧、锻造工具（生产小型锻件、效率低）机器自由锻——空气锤、蒸气-空气锤、水压机水压机变形量大，锻造深度大，内部质量好，没有振动、噪音小。空气锤3、自由锻的工序基本工序：镦粗、拔长、冲孔、弯曲、错移、扭转；辅助工序：倒棱、压肩等；精整工序：修整鼓形、平整端面、校直弯曲。基本工序——拔长基本工序——镦粗基本工序——冲孔基本工序——弯曲11.2.3模锻1、概述（1）定义：将加热后的坯料放在模膛内受压变形而获得锻件的一种加工方法。（2）特点：1）尺寸精度高；2）锻件形状复杂；3）操作简单，生产效率高；4）流线完整、性能好。（3）应用：中、小型锻件的成批和大量生产。2、模锻设备1）模锻锤可以镦粗、拔长、滚挤、弯曲、成形、预锻、终锻。2）曲柄压力机行程不能调节；不能拔长和滚挤；每个变形工步在一次行程中完成。3）平锻机4）摩擦压锻机螺杆与滑块非刚性连接，承受偏心能力差；滑块行程、打击能量可自动调节。3、锤上模锻工艺模锻的变形工步和模锻模膛变形——制坯（制坯模膛）——初步成形——模锻工步（模锻模膛）——最终成形。制坯工步，制坯模膛（锻件初步成形）模锻工步，模锻模膛（锻件最终成形）弯曲连杆的多模膛锻模11.2.4板料冲压1、板料冲压：2、设备：金属板料产生分离、变形冲压件冲模和冲床冲床——冲压设备冲模——冲压工具（分上模和下模）（1）冲裁：板料沿封闭轮廓分离的工序（落料和冲孔）。相同：1、模具结构；2、坯料变形过程。落料冲孔（2）弯曲：将平直板料弯成一定的角度和圆弧。（3）拉深：平面板料→开口中空形件。（4）成形：使板料或半成品改变局部形状的工序。刚模压坑软模胀形刚模胀形4、特点：（1）可冲压形状复杂的零件，废料少；（2）冲件尺寸精度高，质量稳定，互换性好；（3）质量轻、强度高、刚性好；（4）操作简单，生产率高；（5）板料必须具备足够的塑性，冲模制造复杂、费用高。5、板料冲压的应用：飞机、汽车、电机、仪器、仪表等。11.3焊接11.3.1概述1、定义：通过加热或加压，使焊件达到原子结合的一种加工方法。2、种类：熔化焊——气焊、电弧焊、电渣焊等；压力焊——电阻焊、压力焊；钎焊——软钎焊、硬钎焊。3、焊接的特点与应用优点：连接性能好，省工省料成本低，重量轻，简化工艺缺点：结构不可拆卸，焊接接头的组织、性能变坏，产生残余应力和变形，易产生焊接缺陷应用：金属结构件——自行车三角架、钢窗、锅炉、压力容器、管道、船舶、车辆等；机器部件——轴、齿轮、刀具等。11.3.2熔焊过程和焊接质量

1、熔焊冶金过程和电焊条（1）熔焊的冶金过程空气中的O2、N2、H2O在电弧的作用下：O2→2O发生氧化反应，焊缝性能降低；N2→2N高温熔入液态金属，冷却后形成气孔；H2O→2H+O形成气孔，产生氢脆。保证焊缝质量措施：减少有害元素进入熔池，消除已进入熔池的有害元素，增加金属元素。（2）电焊条1）焊条的组成：专用焊接金属丝，由多种矿石粉和铁合金配成。专用焊接金属丝由多种矿石粉铁合金配成2）焊芯的作用：作电极传导电流，产生电弧；作填充金属（调整成分）3）药皮的作用：机械保护作用(气体和熔渣)冶金处理（熔渣）改善焊接工艺性（引弧容易燃烧稳定）（3）焊条的种类、型号与牌号种类按用途分按熔渣性质分碳钢焊条低合金钢焊条不锈钢焊条铸铁焊条堆焊焊条镍和镍合金焊条铜和铜合金焊条铝和铝合金焊条酸性焊条（SiO2、MnO等）碱性焊条（CaO、FeO等）碱性焊条和酸性焊条的特性：碱性焊条：机械性能好（韧性高，抗裂性好）；焊接工艺性能差；对油污、锈、水敏感性大；排出有毒烟尘。酸性焊条与碱性焊条相反（4）焊条的选用选用原则：焊缝和母材具有相同水平的使用性能。不绣钢、耐热钢焊条——按相同成分选择焊条结构钢焊条——按等强原则选相同强度等级焊条2、焊接接头的组织和性能（1）低碳钢焊接接头的组成1——焊缝区（熔化区）2——熔合区（半熔化区）3——热影响区4——母材（2）焊缝的组织和性能铸态组织，性能可以达到要求。（3）熔合区的组织和性能成分不均匀，组织粗大，机械性能很低。（4）热影响区的组织和性能过热区（1100℃）组织粗大，机械性能很低,正火区（Ac3～1100℃）晶粒细小，机械性能高，部分相变区（Ac1～Ac3）晶粒不均匀，机械性能低。可见，熔合区、过热区是接头中性能最差的薄弱的部位，会严重影响焊接接头的质量。3、焊接变形和焊接应力（1）焊接变形和残余应力的不利影响：造成焊件的尺寸、形状变化；矫正变形会使性能降低，成本增加；焊接应力会降低承载能力；引起焊接裂纹；应力衰减会产生变形。（2）焊接变形和残余应力产生原因在焊接过程中，对焊件进行局部的不均匀加热，会产生焊接应力和变形。下图为平板对接焊缝的应力和变形过程示意图（3）减少焊接应力与变形的工艺措施：焊前预热及焊后热处理；选择合理的焊接次序；刚性固定法；反变形法；锤击焊缝法；采用机械矫正和火焰矫正。11.3.3常用焊接方法

1、手工电弧焊（1）焊接电弧：电弧——气体电离、电极发射电子（2）焊接过程：电弧在焊条与被焊件之间燃烧,电弧热使工件和焊条同时熔化成熔池；电弧使焊条的药皮熔化或燃烧,产生熔渣和气体,对熔化金属和熔池起保护作用；电弧使焊条的药皮熔化或燃烧,产生熔渣和气体,对熔化金属和熔池起保护作用。（3）特点优点：设备简单，操作灵活，适应性强。缺点：生产效率低，劳动强度大，质量不易保证。2、埋弧自动焊（1）焊接过程自动焊——焊接动作由机械装置自动完成。埋弧焊——电弧在颗粒状焊剂层下燃烧进行焊接。焊丝焊剂自动焊小车埋弧焊生产（2）特点与应用特点：生产效率高（比手弧焊提高5～10倍）焊接质量好（焊缝内气孔、夹渣少，焊缝美观）成本低（省工、省时、省料）劳动条件好（无弧光,、飞溅,劳动强度低）适应性差（平焊、长直焊缝和较大直径的环缝）焊接设备复杂，焊前准备工作严格应用：成批生产、中厚板结构的长直焊缝和较大直径的环缝，如锅炉、压力容器、船舶等。压力容器焊接生产3、气体保护焊（1）保护气体：氩气→氩弧焊CO2→CO2气体保护焊钨极金属极（2）氩弧焊特点1)保护效果好，电弧稳定，焊接质量好；2)电弧热量集中，热影响区小，焊后变形小；3)可全方位焊接，便于观察、易于自动控制；4)氩气成本高，一般情况下不采用。（3）应用：用于焊接易氧化的有色金属、合金钢和不锈钢。11.3.4常用金属材料的焊接

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：焊接性形成焊接缺陷的敏感性（裂纹）使用性能（机械性能）影响焊接性的因素：金属材料本身性质焊接方法、焊接材料、焊接工艺CE＜0.4%时，冷裂纹倾向不明显,焊接性良好；CE＝0.4%～0.6%时，冷裂倾向明显，焊接性较差；CE＞0.6%时，冷裂倾向很强,焊接性很差。CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15焊接性碳、合金元素