金属材料加工技术与工业应用

金属材料加工技术与工业应用TOC\o"1-2"\h\u17011第一章金属材料加工基础知识 1215971.1金属材料的分类 1252151.2金属材料的功能 2184081.3金属材料的预处理 25616第二章铸造加工技术 2266282.1砂型铸造 3226402.2特种铸造 316803第三章锻造加工技术 4192893.1自由锻造 4164403.2模型锻造 417865第四章焊接加工技术 4312274.1熔化焊 4313294.2压力焊 57984第五章切削加工技术 520315.1车削加工 5114165.2铣削加工 6134715.3磨削加工 617014第六章热处理技术 6203166.1普通热处理 6196736.2表面热处理 720871第七章表面处理技术 7202257.1电镀 7274477.2涂装 729464第八章金属材料加工的工业应用 8139778.1在机械制造中的应用 8185898.2在航空航天领域的应用 8294808.3在汽车工业中的应用 8120798.4在电子行业中的应用 9第一章金属材料加工基础知识1.1金属材料的分类金属材料的种类繁多，按照不同的标准可以进行多种分类。从化学成分上看，金属材料可以分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属主要包括铁、铬、锰以及它们的合金，如钢、生铁等。有色金属则是指除黑色金属以外的其他金属，如铜、铝、锌、镁、钛等，这些金属具有各自独特的功能和用途。另外，根据金属材料的用途，还可以分为结构材料和功能材料。结构材料主要用于承受载荷、传递力和能量，如建筑结构中的钢材、机械零件中的铸铁等。功能材料则主要利用其特殊的物理、化学或生物学功能，实现某种特定的功能，如磁性材料、超导材料、生物医用材料等。金属材料的分类方法还有很多，不同的分类方法有助于我们更好地了解和应用金属材料。1.2金属材料的功能金属材料的功能是决定其使用范围和加工方法的重要因素。金属材料的功能主要包括力学功能、物理功能和化学功能。力学功能是金属材料在受力作用下所表现出的功能，包括强度、硬度、韧性、塑性等。强度是指金属材料抵抗外力破坏的能力，硬度是指金属材料抵抗局部变形的能力，韧性是指金属材料在断裂前吸收能量的能力，塑性是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力。物理功能是指金属材料的物理特性，如密度、熔点、导电性、导热性、磁性等。这些功能对于金属材料在不同领域的应用具有重要意义，例如，导电性好的金属材料常用于制造电线、电缆，导热性好的金属材料常用于制造散热器。化学功能是指金属材料在化学作用下所表现出的功能，如耐腐蚀性、抗氧化性等。化学功能对于金属材料在恶劣环境下的使用，例如，在化工设备中，需要使用耐腐蚀性好的金属材料。1.3金属材料的预处理在进行金属材料加工之前，通常需要进行预处理，以提高材料的加工功能和使用功能。金属材料的预处理主要包括表面清理、除锈、脱脂、酸洗等。表面清理是去除金属材料表面的污垢、灰尘、油污等杂质，以保证后续加工的质量。除锈是去除金属材料表面的锈蚀物，防止锈蚀对材料功能的影响。脱脂是去除金属材料表面的油脂，以提高材料的表面附着力。酸洗是用酸溶液去除金属材料表面的氧化皮和锈蚀物，同时可以起到活化金属表面的作用。金属材料的预处理还包括预热、预变形等工艺，这些工艺可以改善金属材料的组织结构，提高其加工功能和使用功能。第二章铸造加工技术2.1砂型铸造砂型铸造是一种传统的铸造方法，也是应用最广泛的铸造方法之一。它是以型砂为主要造型材料，制作铸型，然后将熔融的金属液浇入铸型中，待金属液冷却凝固后，获得铸件的方法。砂型铸造的工艺流程包括模样制作、型砂制备、造型、合型、熔炼金属、浇注、落砂、清理等环节。在模样制作中，需要根据零件的形状和尺寸制作出模样，模样的质量直接影响到铸件的精度和表面质量。型砂制备是将原砂、粘结剂、附加物等按一定比例混合，制成具有一定强度和透气性的型砂。造型是将型砂填入砂箱中，制成铸型的过程，造型的方法有手工造型和机器造型两种。合型是将铸型的上型和下型合在一起，并在铸型中安放型芯等。熔炼金属是将金属材料加热至熔融状态，使其具有良好的流动性。浇注是将熔融的金属液浇入铸型中，浇注时需要控制好浇注温度和浇注速度，以保证铸件的质量。落砂是将铸件从铸型中取出，清理是去除铸件表面的型砂和飞边等杂物。砂型铸造的优点是成本低，工艺简单，能够生产出形状复杂的铸件。缺点是铸件的精度和表面质量较低，生产效率不高。2.2特种铸造特种铸造是指与砂型铸造不同的其他铸造方法，包括熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造等。这些铸造方法各有特点，适用于不同的生产需求。熔模铸造又称失蜡铸造，是一种精密铸造方法。它是先用易熔材料制成模样，然后在模样表面涂上耐火材料，制成型壳，将模样熔化后，从型壳中取出，再将熔融的金属液浇入型壳中，待金属液冷却凝固后，获得铸件。熔模铸造的优点是铸件的精度高，表面质量好，能够生产出形状复杂的铸件。缺点是工艺复杂，成本高，生产周期长。金属型铸造是将熔融的金属液浇入金属铸型中，获得铸件的方法。金属型铸造的优点是铸件的精度高，表面质量好，生产效率高。缺点是金属型的制造成本高，不适合生产形状复杂的铸件。压力铸造是将熔融的金属液在高压下高速充型，并在压力下凝固，获得铸件的方法。压力铸造的优点是铸件的精度高，表面质量好，生产效率高，能够生产出薄壁铸件。缺点是设备投资大，压铸型的使用寿命短。离心铸造是将熔融的金属液浇入旋转的铸型中，在离心力的作用下，金属液充满铸型，并凝固成铸件的方法。离心铸造的优点是铸件的组织致密，力学功能好，能够生产出空心旋转体铸件。缺点是生产过程中需要专用的设备，且铸件的内表面质量较差。第三章锻造加工技术3.1自由锻造自由锻造是利用冲击力或压力使金属在上下砧块之间产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的锻件的加工方法。自由锻造的设备主要有空气锤、蒸汽锤和水压机等。在自由锻造过程中，金属坯料在砧块的作用下逐渐变形。根据锻造工序的不同，自由锻造可分为基本工序、辅助工序和修整工序。基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲和扭转等，用于改变坯料的形状和尺寸；辅助工序如压钳口、切肩等，是为了方便基本工序的操作；修整工序则是用于提高锻件的表面质量和尺寸精度。自由锻造的优点是灵活性大，可生产各种形状和尺寸的锻件，尤其是大型锻件。但其缺点是生产效率低，劳动强度大，锻件的精度和表面质量相对较低。3.2模型锻造模型锻造是在专用的模锻设备上，利用模具使金属坯料在模膛内受压产生塑性变形，从而获得与模膛形状一致的锻件的加工方法。模锻按使用的设备不同，可分为锤上模锻、压力机上模锻和胎模锻等。模型锻造的工艺流程包括下料、加热、制坯、模锻、切边、冲孔和校正等环节。在模锻过程中，金属坯料在模具的作用下，经过多次变形，逐步充满模膛，从而获得形状复杂、尺寸精度高的锻件。与自由锻造相比，模型锻造的生产效率高，锻件的精度和表面质量好，但模具成本高，适用于中、小型锻件的批量生产。第四章焊接加工技术4.1熔化焊熔化焊是将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。常见的熔化焊方法有电弧焊、气焊、电渣焊等。电弧焊是利用电弧产生的热量来熔化焊件和焊条，实现焊接的方法。根据焊接电源的不同，电弧焊可分为直流电弧焊和交流电弧焊。直流电弧焊的电弧稳定，焊接质量好，但设备成本高；交流电弧焊的设备简单，成本低，但电弧稳定性较差。电弧焊广泛应用于钢结构、压力容器、船舶等领域的焊接。气焊是利用可燃气体与氧气混合燃烧产生的火焰来熔化焊件和焊丝，实现焊接的方法。气焊的火焰温度较低，适用于焊接薄钢板、有色金属等材料。但气焊的生产效率低，焊接质量受操作人员技术水平的影响较大。电渣焊是利用电流通过熔渣产生的电阻热将焊件接头熔化，实现焊接的方法。电渣焊适用于焊接厚板和大截面焊件，但其焊接接头的质量不如电弧焊。4.2压力焊压力焊是在焊接过程中，对焊件施加压力，使焊件在固态下实现原子间结合的焊接方法。常见的压力焊方法有电阻焊、摩擦焊、扩散焊等。电阻焊是利用电流通过焊件接头时产生的电阻热，将焊件加热至塑性状态，然后在压力作用下实现焊接的方法。电阻焊分为点焊、缝焊和对焊三种形式，广泛应用于汽车、航空航天等领域的薄板焊接。摩擦焊是利用焊件接触面之间的摩擦热，使焊件达到塑性状态，然后在压力作用下实现焊接的方法。摩擦焊的焊接质量好，生产效率高，适用于同种金属和异种金属的焊接。扩散焊是在高温和压力的作用下，使焊件接触面之间的原子相互扩散，实现焊接的方法。扩散焊的焊接接头质量高，适用于焊接高温合金、钛合金等高功能材料。第五章切削加工技术5.1车削加工车削加工是在车床上利用车刀对工件进行旋转切削，使其达到所需的形状、尺寸和表面质量的加工方法。车削加工的主要运动是工件的旋转运动和车刀的直线运动。车削加工可以加工各种回转体表面，如外圆柱面、内圆柱面、圆锥面、球面、螺纹等。在车削加工中，根据工件的形状和加工要求，选择合适的车刀和切削参数是保证加工质量和提高生产效率的关键。车削加工的精度一般可达IT8IT7，表面粗糙度Ra值可达1.60.8μm。车削加工具有适应性强、生产效率高、加工精度高等优点，是机械加工中最常用的加工方法之一。5.2铣削加工铣削加工是在铣床上利用铣刀的旋转运动和工件的直线或旋转运动，对工件进行切削加工的方法。铣削加工可以加工平面、台阶、沟槽、成形表面等。铣刀的种类繁多，根据铣刀的结构和用途不同，可分为圆柱铣刀、立铣刀、三面刃铣刀、角度铣刀、锯片铣刀等。在铣削加工中，选择合适的铣刀和切削参数，以及合理的装夹方式，对于保证加工质量和提高生产效率具有重要意义。铣削加工的精度一般可达IT8IT7，表面粗糙度Ra值可达1.60.8μm。铣削加工具有生产效率高、加工范围广等优点，在机械加工中得到了广泛的应用。5.3磨削加工磨削加工是在磨床上利用磨具（如砂轮）对工件进行切削加工的方法。磨削加工可以加工各种表面，如外圆面、内圆面、平面、圆锥面、螺纹、齿轮等。磨削加工的精度高，一般可达IT6IT5，表面粗糙度Ra值可达0.80.2μm。磨削加工时，砂轮的高速旋转和工件的低速旋转或直线运动，使砂轮上的磨粒对工件表面进行切削、刻划和滑擦，从而去除工件表面的多余材料，达到所需的形状、尺寸和表面质量。磨削加工是一种精密加工方法，但磨削过程中会产生大量的热量，需要进行有效的冷却和润滑，以防止工件烧伤和砂轮磨损。第六章热处理技术6.1普通热处理普通热处理包括退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。退火是将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火的目的是降低钢的硬度，提高塑性，改善切削加工功能；消除残余应力，防止工件变形和开裂；细化晶粒，改善组织，为后续热处理做好组织准备。正火是将钢件加热到Ac3或Accm以上3050℃，保温一定时间后，在空气中冷却的热处理工艺。正火的目的与退火相似，但正火的冷却速度较快，得到的组织比退火细，强度和硬度也比退火高。淬火是将钢件加热到Ac3或Ac1以上3050℃，保温一定时间后，快速冷却的热处理工艺。淬火的目的是提高钢的硬度和耐磨性，但淬火后钢的脆性增加，需要进行回火处理。回火是将淬火后的钢件加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间后，冷却到室温的热处理工艺。回火的目的是消除淬火产生的内应力，降低脆性，提高韧性；调整淬火钢的力学功能，达到使用要求。6.2表面热处理表面热处理是只对工件表面进行加热、冷却，改变其表层组织和功能的热处理工艺。表面热处理包括表面淬火和化学热处理。表面淬火是通过快速加热工件表面，使其达到淬火温度，然后迅速冷却，使表面获得马氏体组织，而心部仍保持原始组织的热处理工艺。表面淬火可以提高工件表面的硬度和耐磨性，而心部仍具有良好的韧性。化学热处理是将工件置于一定的活性介质中加热、保温，使介质中的某些元素渗入工件表层，从而改变工件表层的化学成分、组织和功能的热处理工艺。化学热处理包括渗碳、渗氮、碳氮共渗等。化学热处理可以提高工件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度等功能。第七章表面处理技术7.1电镀电镀是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程。电镀的目的是在金属表面形成一层防护性、装饰性或功能性的镀层，以提高金属的耐腐蚀性、耐磨性、导电性、反光性等功能。电镀的基本过程包括镀前处理、电镀和镀后处理。镀前处理是对工件表面进行清洗、除油、除锈等处理，以保证镀层与基体的结合力。电镀是将工件作为阴极，镀层金属作为阳极，在含有镀层金属离子的电解液中进行电解，使镀层金属离子在阴极上沉积形成镀层。镀后处理是对镀层进行清洗、烘干、抛光等处理，以提高镀层的质量和功能。电镀的种类很多，根据镀层金属的不同，可分为镀锌、镀铜、镀镍、镀铬等；根据电镀液的性质不同，可分为酸性电镀、碱性电镀和中性电镀等。7.2涂装涂装是将涂料涂覆在物体表面，形成一层具有保护、装饰或特殊功能的涂层的工艺过程。涂装的目的是保护物体表面不受腐蚀、磨损和划伤，同时赋予物体美观的外观和特定的功能。涂装的工艺流程包括表面预处理、涂装和干燥固化。表面预处理是对物体表面进行清洗、除油、除锈、磷化等处理，以提高涂层的附着力和耐久性。涂装是将涂料通过喷涂、刷涂、浸涂等方法涂覆在物体表面上。干燥固化是使涂料中的溶剂挥发或涂料发生化学反应，形成坚固的涂层。涂装的涂料种类繁多，根据涂料的成膜物质不同，可分为油性涂料、水性涂料和粉末涂料等；根据涂料的功能不同，可分为防腐涂料、装饰涂料和特种涂料等。第八章金属材料加工的工业应用8.1在机械制造中的应用金属材料在机械制造中有着广泛的应用。在各类机械设备中，如机床、起重机、汽车发动机等，都大量使用了金属材料。通过铸造、锻造、焊接、切削加工等工艺，将金属材料加工成各种形状和尺寸的零件，然后组装成机械设备。例如，在机床制造中，床身、立柱等部件通常采用铸造工艺制造，以获得复杂的形状和较好的减震功能；齿轮、轴等零件则通常采用锻造工艺制造，以提高其强度和韧性；一些薄壁零件如箱体等，则可以采用焊接工艺制造，以提高生产效率和降低成本；而对于精度要求较高的零件，如丝杠、导轨等，则需要采用切削加工工艺进行制造，以保证其精度和表面质量。8.2在航空航天领域的应用航空航天领域对材料的功能要求极高，金属材料在该领域中发挥着重