第一章铸造成形工艺理论基础(李)

材料成形工艺基础主编华中科技大学沈其文主讲制造教研室李春燕学时32FundamentalofMaterialsForming材料科学与工程的四大要素合成加工组织结构材料科学与工程性能使用效能材料科学与工程的多学科化材料科学与工程物理学冶金学化学陶瓷学计算数学生物学材料科学与材料工程的差异材料科学和材料工程是一个整体，不可分割；它们之间的差异主要表现在学科的侧重点不同。材料科学侧重于发现和揭示四个要素之间的关系，提出新概念、新理论。材料工程侧重于寻求新手段实现新材料的设计思想并使之投入应用，二者相辅相成。尼龙纤维的研制：1928年杜邦公司开始研究天然尼龙Carother等成功合成聚酯等高分子物理化学家发现聚酯能够冷拉丝成形利用X射线发现拉伸纤维强度源于高分子链的高度取向Carother等提出熔融纺纤的新概念工程技术人员发明尼龙熔融纺纤技术小分子流体力学不使用于高分子物质纺纤设备的要求铜容器腐蚀造成尼龙熔体颜色污染1938年首批合成尼龙纤维产品问世材料科学材料科学材料科学材料工程材料工程材料工程材料科学材料工程材料工程所涉及的三大制备技术根据所需材料的性能、结构要求，进行材料的提纯净化、原料(成分)配制和合成或合金化的过程．是材料制备工程的首要环节。熔融凝固制备技术原材料熔融精炼凝固坯料常用于金属、无机非金属化合物、半导体材料坯锭和玻璃制品的制备。粉末冶金制备技术原料粉末压制烧结混合这是陶瓷材料、水泥以及硬质合金以及铁基合金等材料的主要成材途径。单体聚合制备技术这是高分子材料的典型的制备技术。天然气聚合聚合物单体煤炭石油材料工程的加工成形技术通过上述三种材料制备技术得到的材料，大多数不是材料的最终产品，需要进一步的后续加工处理。玻璃材料有它的特殊性，从原材料配制、熔化，到熔体快冷成形为制品，必须一步完成。材料的常规加工技术主要有锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔、焊接以及注射成形等。课程的主要目的•《材料成形工艺基础》是机械类或近机械类专业的一门学科基础课，学习本课程的主要目的是使学生比较全面系统的获得机械制造中铸造、压力加工、粉末成形、焊接、塑料、橡胶、陶瓷以及有关模具设计、加工、制造方面的专业知识。其主要任务是介绍以下内容：•1）制定铸造过程图，了解合金的熔炼与浇注过程的基本知识以及砂型铸造、特种铸造等；•2）制定锻造过程图，了解材料塑性变形基本规律；了解粉末成形、塑料、橡胶、陶瓷成型过程和板料冲压成形过程；•3）了解常用金属材料焊接过程基本知识；材料与人类文明•人类的文明进程是依据什么而划分的？材料应用的发展是人类发展的里程碑：——石器时代、铜器时代、铁器时代……。——发展得越来越快。历史中国古代三大铸造技术•在我国古代金属加工工艺中，铸造占着突出的地位，具有广泛的社会影响，像“模范”、“陶冶”、“熔铸”、“就范”等习语，就是沿用了铸造业的术语。劳动人民通过世代相传的长期生产实践，创造了具有我国民族特色的传统铸造工艺。其中特别是泥范、铁范和熔模铸造最重要，称古代三大铸造技术。泥范铸造我国自新石器晚期，就进入铜石并用时代。河北唐山等地出土的早期铜器，有锻打成形的，也有熔铸成形的，说明范铸技术在我国源远流长，很早就发展起来。熔模铸造传统的熔模铸造一般称失蜡、出蜡或捏蜡、拨蜡。它和用来制造汽轮机叶片、铣刀等精密铸件的现代熔模铸造，无论在所用蜡料、制模、造型材料、工艺方法等方面，都有很大不同。但是，它们的工艺原理是一致的，并且现代的熔模铸造是从传统的熔模铸造发展而来的。••金属型铸造铸型材料从石和泥、砂改用金属，从一次型经多次型又改进成为耐用性更高的所谓“永久”型（金属型），在铸造技术的历史发展上具有重要的意义。1953年河北兴隆铁范的发现，证明我国早在战国时期已经用白口铁的金属型浇注生铁铸件。这批铁范包括锄、镰、斧、凿、车具等类共87件，大部完整配套。其中，镰和凿是一范两件，锄和斧还采用了金属芯。它们的结构十分紧凑，颇具特色。范的形状和铸件相吻合，使壁厚均匀，利于散热：范壁带有把手，以便握持，又能增加范的刚度。可以说是创造了一种中国风格的金属型，并且在那个时候已经大体定型了。近年来，在河南南阳、郑州、镇平和河北满城、山东莱芜等地又陆续出土汉代铁范许多件，品种比战国时期显著增多，型式却基本相同。河南泥池汉魏铁器窖藏中还有铸造成形铁板和矢镞的铁范以及长达半米的大型铁犁范。4,500BC——1,000BC青铜时代（BronzeAge）•从矿石中提炼铜——冶金业的黎明这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一•青铜，古称金或吉金，是红铜与其它化学元素（锡、镍、铅、磷等）的合金。•史学上所称的“青铜时代”是指大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。保守的估计，这一时期主要从夏商周直至秦汉，时间跨度约为两千年左右，这也是青铜器从发展、成熟乃至鼎盛的辉煌期。•到春秋战国时期，齐国工匠总结科技经验写成的《考工记》一书中，提出了「金有六齊」，這是世界科技史上最早的冶铜经验总结。青铜：第一种合金夏钺戈历史青铜文化商代青铜bronze文化仰韶文化的后期，即大约在公元前3500年以后的一个时期，我们的祖先已经知道了铜，并且已会制造简单的小件铜器。现已知道的最早的青铜器物，是1975年在甘肃东乡县林家的甘肃仰韶文化马家窑类型遗址中出土的一件公元前3000年左右青铜刀。到了商代，青铜器冶铸工艺高度发展，商代晚期即殷墟时期，已经出现特别巨大或精细的器物，技术水平和艺术水平都很高。西周晚期，事实上是青铜器走向衰落的时期。青铜文化四羊方尊虎食人卣you青铜文化二里冈出土饕(tie)餮乳钉纹方鼎大禾人面方鼎青铜文化饕餮纹鼎司母辛方鼎司母戊鼎青铜文化商代青铜文化司母戊鼎，1939年安阳武官村出土，高133厘米，重833千克，是中国目前发现最重的青铜器。据估计，铸造这样大型青铜器，需300多人同时工作。青铜文化豕(shi)尊司母辛觥(gong)湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑历史三星堆•立人像铸于商代晚期，人像高172厘米，底座高90厘米，通高262厘米，是世界上最大的青铜立人像，被尊称为“世界铜像之王”。•突目面具铸于商代晚期，原件高64.5厘米，宽138厘米，眼球柱状外突长达13.5厘米，其造型在世界上亦属首见。历史•铜钟通高6.75米，钟壁厚度不等，最厚处185毫米，最薄处94毫米，重w约46吨。钟体内外遍铸经文，共22.7万字。铜钟合金成分为：铜80.54％、锡16.40％、铝1.12％，为泥范铸造。永乐大钟历史中国古代铁器中带有球状石墨的金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄ronAge（I）铁时器代历史现代铸造•我国已成功地生产出了世界上最大的轧钢机机架铸钢件（重410t）和长江三峡电站巨型水轮机的特大型铸件•大飞机、航空母舰。第一篇金属的铸造成形工艺第一章铸造成形工艺理论基础第一节铸造成形工艺的特点和分类定义：所谓金属液态成型，即铸造，casting，是将液态金属借助外力充填到型腔中，使其凝固冷却而获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的工艺。注意2个过程：（1）充填型腔；（2）凝固冷却实质：液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中凝固和冷却。砂型铸造概略图一、铸造工艺特点（1）适应性广。适应铸铁，碳钢，有色金属等材料；铸件大小，形状和重量几乎不受限制；壁厚1mm到1m，质量零点几克到数百吨（三峡的水轮机叶轮重达430T）。•（2）可复杂成形。适合形状复杂，尤其是有复杂内腔的毛坯或零件。•（3）成本较低。可直接利用成本低廉的废机件和切屑，设备费用较低；在金属切削机床中，铸件占机床总重量75%以上，而生产成本仅占15-30%•（4）但也存在一些不足，如组织缺陷，力学性能偏低，质量不稳定，工作环境较差。因此，铸件多数做为毛坯用。组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低.（发展了铸锻联合工艺）•污染环境。铸造生产会产生粉尘、有害气体和噪声对环境的污染，比起其他机械制造工艺来更为严重，需要采取措施进行控制。（特种铸造工艺）•二、铸件成形工艺分类按照形成铸件的铸型分可分为：•砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、磁型铸造等。铸件的生产工艺方法按充型条件的不同，可分为：•重力铸造、压力铸造、离心铸造等。•传统上，将有别于砂型铸造工艺的其他铸造方法统称为“特种铸造”。•砂型铸造应用最为广泛，世界各国用砂型铸造生产的铸件占铸件总产量的90％以上。砂型铸造可分为手工造型和机器造型两种，其工艺流程如图1所示。工艺三大块：冶炼，造型（芯）和浇注落砂shakeout清理cleaning铸件检验入库砂型sandmould铸造工艺流程图合型浇注凝固冷却型砂moldingsand配制造型砂型干燥工装准备炉料准备合金冶炼芯砂coresand配制造芯coremaking型芯干燥砂型铸造造型生产线动画•铸件的质量(品质)直接影响到机械产品的质量(品质)。提高铸造生产工艺水平是机械产品更新换代、新产品的开发的重要保证，是机械工业调整产品结构、提高生产质量(品质)和经济效益、改变行业面貌的关键之一。在材料成形工艺发展过程中，铸造是历史上最悠久的一种工艺，在我国已有6000多年历史了，目前我国铸件年产量已超过1000万t。由于历史原因，长期以来，我国的铸造生产处于较落后状态。与当前世界工业化国家先进水平相比，我国的铸造生产的差距不是表现在规模和产量上，而是集中在质量和效率上。国内外铸造生产技术水平的比较见表1。表1国内外铸造生产技术水平的比较比较项目国外国内尺寸精度汽缸体和汽缸盖：一般为CT8～CT9CT10，与国外差2～4级表面粗糙度汽缸体和汽缸盖：25μm50μm使用寿命汽缸套为6000～10000h3000～6000h铸件废品率美、英、法、日约为2%8～15%耗能/吨铸件360～370kg标准煤(合格铸件)650kg标准煤劳动生产率65t/人年8t/人年熔炼技术富氧送风，铁水温度1500℃1400℃造型工艺广泛采用流水线，采用高压造型、射压造型、和气冲造型除汽车等行业中少数厂采用半自动、自动化流水线外，多数厂普遍采用40年代造型技术铸造工艺装备造型机精度和精度保持能力很高。造型线精度可保持1～2年，设备综合开工率80%，装备全部标准化、系列化、商品化精度低，精度保持能力差(半年)。设备综合开工率50%。装备标准化、系列化、商品化程度很低铸造用工艺材料质量很高，如日本硅砂都经水洗，含泥量小于0.2%质量很差，砂只作筛分，含泥量在2%以上第二节合金的铸造性能•合金的铸造性能是指在铸造过程中获得尺寸精确、结构完整的铸件的能力。•主要包括合金的流动性、收缩性、吸气性及其成分偏析倾向性等性能。一、合金的充型液态合金填充铸型的过程简称充型；液态金属充满铸型，获得尺寸精确、轮廓清晰的铸件的能力，简称充型能力。在液态合金充型过程中，一般伴随结晶现象，若充型能力不足时，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。浇不足使铸件未能获得完整的形状；冷隔时，铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全熔合的垂直接缝，铸件的力学性能严重受损。充型能力首先取决于金属液本身的流动能力，同时又受铸型性质、浇注条件及铸件结构等因素的影响。影响充型能力的因素有：合金的流动性、合金的收缩性、合金的吸气性等。•1.流动性定义：flowability,液态合金充满型腔，形成轮廓清晰，形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力(CSS,configuration,shapeandsize)。流动性通义是流体的流动能力，但不同学科对流动性有不同的定义，这里是材料成形学的定义。它的定义说流动性是这样的一种能力，这种能力体现在2个方面：（1）充满型腔；（2）形成符合要求的优质铸件。这个定义突出地表明了流动性对金属液态成型工艺的重要性。如果流动性不好，就不能充满型腔，就不能形成符合要求的优质铸件。也说明不同的合金具有不同的流动性特点。在进行铸件设计和铸造工艺制定时，必须