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第2篇 金属材料的成形加工基础,1.主要内容 铸造 压力加工 焊接 2.重点 各个方法对质量的影响及其应用,第3章 铸 造,3.1 概述 一定义 液态金属注入铸型中,凝固后得到一定形状、尺寸产品的工艺。 二铸造生产特点 1)可制造形状复杂的制品。如四羊尊,龙凤,发动机箱体等。 2)可制造各种尺寸的铸件。如绣花针,沧州铁狮(五代),山东13 层的铁塔等。 3)可制造塑性差的制品。 4)成本低。 5)工序复杂。 6)质量不稳定。,3.2 液态金属的充型能力,一概念 液态金属充满型腔,获得形状完整、轮廓清晰的健全铸件的能力。 二金属液与铸型之间的作用 热作用:高温、导热 机械作用:力 物理化学作用:吸附、反应等,三影响充型能力的因素 1合金流动性 成分(温度间距,杂质)、物性(蓄热系数、焓、粘度)、温度 2铸型 蓄热系数、铸型温度、铸型表面、铸型气体 3浇注条件 外力场、浇注系统 4铸件结构 厚度、复杂程度 四提高充型能力的措施 1选择合理的合金成分 2工艺措施,流动性螺旋试样,3.3 铸造收缩,一合金的收缩特性 总收缩=液态收缩+液固收缩+固态收缩 1液态收缩:TPTL 2液固收缩:TLTS 液固相变体积变化 TLTS温度降低的体积收缩 3固态收缩:TSTO 4线收缩开始温度:合金固相骨架形成温度 介于TLTS之间,液相占2040%,合金的线收缩开始温度与成分的关系,二收缩对铸件质量的影响,1液态收缩+液固收缩导致缩孔和疏松 缩孔:铸件在凝固过程中收缩而产生的集中孔洞 缩松:铸件最后凝固的区域没有得到补缩而形成的分散的孔洞 控制措施:(1)顺序凝固 (2)冒口补缩 (3)加压补缩 (4)压缩变形 (5)电磁搅拌 2线收缩导致热裂、应力、变形和冷裂,三热裂及其控制,1热裂:在固相线温度附近出现的断裂或裂纹 2形成温度:线收缩开始温度液相结束温度 3形成机理:铸件收缩引起的应力大于铸件高温下的强度, 或铸件收缩引起的应变大于铸件高温下的变形极限。 1)高温脆性:合金在固相线附近延伸率、强度极低,称脆性温度区间。 强度为1/100-1000,延伸率为1% 2)液膜理论:晶间液膜的存在 4热裂倾向:T,热裂倾向;,热裂倾向 5防止热裂的主要措施: 1)提高合金抗热裂的能力 2)改善铸型退让性 3)合理设计铸件结构(减少热节和应力集中、加加强筋) 4)提高铸件温度的均匀性(同时凝固),脆性温度区间,线收缩开始至固相线以下某温度,3.4 铸件的应力、变形和冷裂,一铸造应力 1)概念:固态铸件在冷却过程中由于体积和尺寸的变化受到阻碍 而 产生的应力 2)分类,1热应力 1)概念:由于各部位冷速不同而造成的收缩受阻所产生的应力。 2)影响因素:温差,膨胀系数,E,(t0-t1):当铸件处于高温阶段时,两杆都处于塑性状态,尽管此时两杆的冷速不同、收缩也不同步,但瞬时的应力可通过塑性变形来自行消失,在铸件内无应力产生; (t1-t2):继续冷却,冷速较快的杆II进入弹性状态,粗杆I仍然处于塑性状态此时由于细杆II的冷速较快、收缩较大,所以细杆II会受到拉伸,粗杆I会受到压缩(图b),形成暂时内应力,但此内应力很快因粗杆I发生了微量的受压塑性变形而自行消失(图c); (t2-t3):当进一步冷至更低温度时两杆均进入了弹性状态,此时由于两杆的温度不同、冷却速度也不同,所以二者的收缩也不同步,粗杆I的温度较高,还要进行较大的收缩,细杆II的温度较低,收缩已趋于停止,因此粗杆I的收缩必定受到细杆II的阻碍,使其收缩不彻底,在部产生拉应力;而杆II则受到杆I因收缩而施与的压应力(图d)。直到室温,残留热应力一直存在。,2相变应力 1)概念:由于固态相变时的体积变化受阻而产生的应力。 2)影响因素:温差,比容差,E 3)特点:可能收缩,也可能膨胀 3机械阻碍应力 1)概念:材料变形受到外界的机械阻碍而造成的应力。 2)影响因素:铸型退让性 3)特点: 临时应力,4减小铸造应力的途径 1)铸件壁厚尽量均匀 2)采用合理的工艺使温度均匀 3)控制铸型的退让性及打箱时间 5消除铸造应力的途径 1)自然时效 2)人工时效 3)共振方法,二变形 当铸造应力大于屈服强度时,产生变形。 1危害 无法加工而报废 加工后变形,影响精度或报废 2防范 减小铸造应力 预变形法 附加工艺筋,三冷裂,当铸造应力大于断裂强度时,发生断裂。 1)冷裂特征:穿晶断裂 2)冷裂倾向: 铸件应力,冷裂 塑韧性,冷裂 3)防止: 减小铸造应力 控制合金的成分及质量,3.5 铸件中的偏析,1. 偏析:材料化学成分的不均匀性称偏析 2. 形成原因:凝固过程中溶质的再分配 3. 偏析系数:1-K=(Cl-Cs)/Cl 4. 分类:,1微观偏析:晶粒尺度化学成分的不均匀现象 1)晶内偏析:晶粒内部化学成分的不均匀现象 (先结晶部分的溶质含量少于后结晶部分) 2)晶间偏析:晶粒与晶间化学成分的差异现象。 (晶间溶质含量高,且富含杂质) 3)对比:前者成分连续变化,后者有突变。 4)减少微观偏析的措施 细化晶粒 快速凝固 扩散退火:晶内偏析可消除,晶间偏析不能完全消除,2宏观偏析(区域偏析):铸件不同区域化学成分不均匀现象 1)正常偏析:在宏观上符合溶质再分配规律的偏析 2)反(逆)偏析:与正常偏析相反的宏观偏析 产生原因:铸件收缩造成铸件内部富含溶质的残留液体流向铸件外层,使溶质出现反常分布。 影响因素: 枝晶粗大,反偏析 收缩率,反偏析 气体含量,反偏析 防止措施: 增大温度梯度 减少含气量 细化晶粒 3)比重偏析:由于比重不同而在重力作用下所形成的宏观偏析 4)带状偏析:铸件内部与凝固方向相垂直的带状的化学成分不均匀现象 5) V型/倒V型偏析,3.6 砂型铸造,以型砂和芯砂为造型材料制成铸型,液态金属在重力下充填铸型来生产铸件的铸造方法。,砂型铸造的工艺过程,砂型铸造方法分类,手工造型 机器造型 震压造型 微震压实造型 高压造型 射压造型 空气冲击造型 抛砂,1. 手工造型,生产率低; 对工人技术水平要求较高; 铸件尺寸精度及表面质量较差; 主要用于单件、小批生产,有时也可用于大批量的生产。,2. 机器造型,生产率高,劳动条件好,铸件尺寸精确,表面光洁,加工余量小,用于大批生产。,浇注系统,浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道之总称。 典型浇注系统的结构:浇口杯、直浇道 、直浇道窝 、横浇道、末端延长段 、内浇道,直浇道 提供必要的充型压力,保证铸件轮廓、棱角清晰。 横浇道 良好的阻渣能力。 内浇道 位置、方向和个数应符合铸件的凝固原则或补缩方法。 在规定的浇注时间内充满型腔。 金属液进入型腔时避免飞溅、冲刷型壁或砂芯。,冒口,冒口是在铸型中设置的一个储存金属液的空腔。,3.7 特种铸造,熔模铸造 金属型铸造 压力铸造 低压铸造 离心铸造 实心(消失模)铸造,一、熔模铸造(失蜡铸造) 将易熔材料制成模样,在模样表面包覆若干层耐火材料制成型壳,再将模样熔化排出型壳,从而获得无分型面的铸型,经高温焙烧后即可填砂浇铸的铸造方法。,熔模铸造工艺流程,熔模制造的特点: 铸型精密无分型面,铸件精度高,表面质量好。 可制造形状很复杂的铸件,最小壁厚可达0.7mm,最小孔径可达1.5mm。 适用于各种铸造合金。尤其适用于高熔点、难加工合金的生产,如高速钢、不锈钢汽轮机叶片等。 工序复杂且周期长,铸件成本高,且铸件不宜太大。 适用范围: 适用于制造形状复杂、难以加工的高熔点合金及有特殊要求的精密铸件,如:气轮机叶片、汽车、拖拉机、机床、刀具等。,二、金属型铸造(永久型) 在重力作用下将液态金属浇入金属铸型,并凝固成形以获得铸件的方法。 1、金属型的构造 金属型的结构主要取决于铸件的形状、尺寸,合金的种类及生产批量。,整体式; 垂直分型式; 水平分型式; 复合分型式。,2、金属型铸造的工艺要点 金属型预热 刷涂料 浇注温度 及时开箱 3、金属型铸造的特点和适用范围 铸件冷却速度快,组织致密,力学性能好; 铸件精度和表面质量较高; 实现“一型多铸”,提高了生产效率,改善了劳动条件; 金属型不透气且无退让性,铸件易产生浇不足、裂纹或白口等缺陷。 适用范围:主要用于批量生产非铁合金铸件,如铝活塞、气缸盖、油泵壳体、铜瓦、衬套。,三、压力铸造 熔融金属在高压下(3070MPa)高速充型(0.550m/s)并凝固而获得铸件的方法称为压力铸造,简称压铸。 1、压铸机及压铸工艺过程 合型,注入金属 压铸 开型,取出铸件,2、压力铸造的特点和使用范围 压铸件加工精度和表面质量较其它铸造方法均高,压铸件大都不需机加工即可直接使用; 可压铸形状复杂的薄壁精密铸件,或直接铸出小孔、螺纹、齿轮等; 压铸件组织致密,力学性能好,强度和硬度都较高; 生产率较其它铸造方法均高; 由于压铸速度高,铸件凝固速度快,铸件内部易产生气孔和缩松; 压铸件不能用热处理方法来提高性能; 设备投资大,铸型制造费用高,周期长,只适用于大批量生产; 适用范围:主要用于铝、镁、锌合金铸件生产,如汽缸体、箱体、喇叭外壳、化油器等。,四、低压铸造 用较低的压力(0.020.06Mpa)使金属液自下而上充填型腔,并在压力下结晶,获得铸件的方法。 1、低压铸造的工艺过程,2、低压铸造的特点和应用范围 充型平稳,无冲击、飞溅现象,不易产生夹渣、砂眼、气孔等缺陷; 铸件组织致密、轮廓清晰,对于薄壁、耐压、防渗漏气密性铸件的生产尤为有利; 浇注系统简单,浇口兼冒口,金属利用率高,通常达到90%以上; 充型压力和速度便于调节,可适用于金属型、砂型、石膏型、陶瓷型及熔模型壳等,容易实现自动化、机械化生产。 适用范围:主要用于生产质量要求高的铝、镁、锌合金铸件, 如汽缸体、缸盖、活塞、曲轴箱等。,五、离心铸造 将液态合金浇入高速旋转的铸型,使使其在离心力作用下充填铸型并结晶。 1、离心铸造的类型,2、离心铸造的特点和适用范围 组织致密,铸件无缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷,力学性能好; 生产圆筒形或环形铸件时,可省去型芯和浇注系统,因而省工省料,降低了铸件成本。 便于制造双金属铸件。 依靠自由表面所形成的内孔尺寸偏差大,因而表面粗糙,加工余量大; 铸件易发生成分偏析,不适于密度偏析大的合金及轻合金铸件。 适用范围:离心铸造是生产管、套类铸件的主要生产方法,如铸铁管、气缸套、铜套、双金属轴承等,铸件最大重量可达十多吨。,五、消失模造型,1. 铸造原理和工艺过程 消失模铸造(EPC)为美国1958年专利,1962年开始应用,又称实型铸造和气化模铸造,其原理是用泡沫聚苯乙烯塑料模样(包括浇冒口)代替普通模样,造好型后不取出模样就浇入金属液,在灼热液态金属的热作用下,泡沫塑料气化、燃烧而消失,金属液取代了原来泡沫塑料模所占的空间位置,冷却凝固后即可获得所需要的铸件。,消失模铸造主要用于形状结构复杂,难以起模或活块和外型芯较多的铸件。 与普通铸造相比,具有以下优点: 工序简单、生产周期短、效率高,铸件尺寸精度高(造型后不起模、不分型,没有铸造斜度和活块),精度达CT8级,可采用无粘结剂型砂,增大了铸件设计的自由度,简化了铸造生产工序,降低了劳动强度。,2. 消失模铸造特点和应用范围,本章重点,1、铸造收缩及影响 2、铸造应力及影响 3、铸造偏析 4、概念,第4章 金属塑性压力加工,4.1 概述 1. 定义:金属坯料在外力作用下产生塑性变形,从而获得一定形状尺寸和力学性能制品的工艺过程。 2.特点 可减少金属的消耗 改变(改善)金属的组织 空隙压合 细化晶粒 减小偏析(组织细化、偏析相破碎) 形成纤维组织 改变性能 难以加工复杂制品 无法加工脆性材料 成本高,3.分类,热变形有再结晶现象,无加工硬化现象,冷变形无再结晶现象,只有加工硬化现象,锻造,冲压,轧制,拉拔,挤压,世界上最大吨位的油压机,4.2 金属的塑性压力加工成形性,金属的塑性压力加工成形性: 金
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