金属材料及加工工艺

第六章金属材料及加工工艺在钢、铁和合金为代表的现代工业社会，金属材料以其优良的力学性能、加工性能和独特的表面特性，成为现代产品设计中的一大主流材质(图6—1)。第六章金属材料及加工工艺6.1金属材料的固有特性金属材料是金属及其合金的总祢。金属的特性是由金属结合键的性质所决定的。金属的特性表现在以下几个方面：①金属材料几乎都是具有晶格结构的固体，由金属键结合而成。②金属材料是电与热的良导体。③金属材料表面具有金属所特有印色彩与光泽④金属材料具有良好的展延性。⑤金属可以制成金属间化合物，可以与其他金属或氢、硼、碳、氮、氧、磷与硫等非金属元素在熔融态下形成合金，以改善金属的性能。合金可根据添加元素的多少，分为二元合金、二元合金等。⑥除了贵金属之外，几乎所有金属曲化学性能都较为活泼，易于氧化而生锈。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工金属的成型方法可区分为铸造、塑性加工、切削加工、焊接与粉末冶金五类。1．铸造将熔融态金属浇入铸型后，冷却凝固成为具有一定形状铸件的工艺方法。铸造是生产金属零件毛坯的主要工艺方法之一，与其他工艺方法相比，铸造成型生产成本低，工艺灵活性大，适应性强，适合生产不同材料、形状和重量的铸件，并适合于批量生产。但它的缺点是公差较大，容易产生内部缺陷。铸造按铸型所用材料及浇注方式分为砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造、压力铸造以及离心铸造等。常用的铸造材料有铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等，通常根据不同的使用目的、使用寿命和成本等方面来选用铸件材料。图6-2为采用铸造方法生产的产品。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工(1)砂型铸造俗称翻砂，用砂粒制造铸型进行铸造的方法。主要工序有：制造铸模，制造砂铸型(即砂型)，浇注金属液，落砂，清理等。砂型铸造适应性强，几乎不受铸件形状、尺寸、重量及所用金属种类的限制，工艺设备简单，成本低，为铸造业广泛使用。图6—3砂型铸造的基本工艺过程第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工(2)熔模铸造又称失蜡铸造，为精密铸造方法之一，是常闲的铸造方法。熔模铸造的工艺过程如图6-4所示。①制作母模：母模是铸件的基本模样，用于制造压型。可根据设计方案用适当的料制作母模。②制作压型：压型是制造蜡模的特殊铸型可采用易熔合金、石膏或硅橡胶制作。用硅橡胶制作压型时，将母模均匀的刷上压型常用钢或铝合金加工而成，小批量时层硅橡胶，然后贴一层纱布，如此反复五六次，视铸件的大小决定。外层用石膏固定，待硅橡胶模固化后，取出母模，即翻制得硅橡胶模压型。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工③制作蜡模：制造蜡模的材料有石蜡、蜂蜡、硬脂酸和松香等，常用50％石蜡和硬脂酸的混合料。将熔化好的蜡料倒入压型内，同时不断的翻转压型，使蜡料均匀形成蜡模，待蜡料冷却后便可从压型中取出，修毛刺后即得蜡模。批量生产时则将多个蜡模组装成蜡模组。使用蜡棒粘接蜡模制作浇注流道，浇注流道要有浇注口和出口。④制作型壳：在蜡模上均匀地刷一层耐火涂料(如水玻璃溶液)，洒一层耐火砂，使之硬化成壳。如此反复涂三四次，便形成具有一定厚度的由耐火材料构成的型壳(洒耐火砂先细后粗）。⑤脱蜡：将制作好的型壳放入炉中烘烤，使蜡模熔化流出并回收，从而得到一个中空的型壳。⑥焙烧和造型：将型壳进行高温焙烧，以增加型壳强度。为进一步提高型壳强度，防止浇注时型壳变形或破裂，可将型壳放在箱体中，周围用干砂填充。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工⑦浇注：将型壳保持一定温度，浇注金属溶液。⑧脱壳：待金属液凝固后，去除型壳，切去浇口，清理毛刺，获得所需铸件。熔模铸造尺寸精确，铸件表面光洁，无分型面，不必再加工或少加工。熔模铸造工序较多，生产周期较长，受型壳强度限制，铸件重量一般不超过25kg。适用于多种金属及合金的中小型、薄壁、复杂铸件的生产。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工(3)金属型铸造用金属材料制作铸型进行铸造的方法，又称永久型铸造或硬型铸造。铸型常用铸铁、铸钢等材料制成，可反复使用，直至损耗。金属型铸造所得铸件的表面光洁度和尺寸精度均优于砂型铸件，且铸件的组织结构致密，力学性能较高。适用于中小型有色金属(如铝、铜、镁及其合金等)铸件和铸铁铸件的生产。(4)压力铸造简称压铸。在压铸机上，用压射活塞以较高的压力和速度将压室内的金属液压射到模腔中，并在压力作用下使金属液迅速凝固成铸件的铸造方法。属于精密铸造方法。铸件尺寸精确，表面光洁，组织致密，生产效率高。适合生产小型、薄壁的复杂铸件，并能使铸件表面获得清晰的花纹、匿案及文字等。主要用于锌、铝、镁、铜及其合金等铸件的生产。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工(5)离心铸造将液态金属浇入沿垂直轴或水平轴旋转的铸型中，在离心力作用下金属液附着于铸型内壁，经冷却凝固成为铸件的铸造方法。离心铸造的铸件组织致密，力学性能好，可减少气孔、夹渣等缺陷。常用于制造各种金属的管形或空心圆筒形铸件，也可制造其他形状的铸件。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工2．金属塑性加工(1)锻造金属塑性加工方法之一。锻造是利用手锤、锻锤或压力设备上的模具对加热的金属坯料施力，使金属材料在不分离条件下产生塑性变形，以获得形状、尺寸和性能符合要求的零件。为了使金属材料在高塑性下成型，通常锻造是在热态下进行，因此锻造也祢为热锻。按成型是否用模具通常分为：自由锻（如图6-5）模锻（如图6-6）按加工方法分为：手工锻造（图6-7）和机械锻造。在现代金属装饰工艺中，常用的锻造方法是手工锻造。图6-7为锻铜浮雕。是手工锻造作品。手工锻造是一种古老的金属加工工艺，是以手工锻打的方式，在金属板上锻锤出各种高低凹凸不平的浮雕效果。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工手工自由锻：是指在金属板上自由锻造成型。具体过程是(以紫铜浮雕为例)：①首先将铜皮用汽油喷灯进行加温，烧至红色，这一过程称为“退火”，目的是使铜的分子结构重组，使之变软。②将设计好的图案画在铜皮上，用錾子将轮廓錾出。③根据预先的设计将铜皮放在沙袋上，用锤子和錾子锻出大的凹凸起伏。④将铜皮用胶固定在一张平板上，用各种型号和形状的錾子錾出一些精细的造型，其司需要多次退火。⑤将制作好的作品放在铁垫板上，找平，然后整理好边缘。⑥将作品需要抛光印地方进行抛光，然后进行电镀、化学着色、防腐等后处理。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工手工模锻：是指先做好母模再进行锻造成型，具体过程是(以紫铜浮雕为例)：①首先按设计构思，制作好浮雕泥胚。②将泥胚翻制成玻璃钢。③将铜皮用汽油喷灯过火，烧至红色，进行退火。④将浮雕按区域分成几个大块面。⑤将锻好的块面焊接在一起，找平，然后抛光。⑥将作品进行或电镀、或化学着色、或防腐等后处理。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工(2)轧制金属塑性加工工艺之一。如图6—8所示，利用两个旋转轧辊印压力使金属坯料通过一个特定空间产生塑性变形，以获得所要求的截面形状并同时改变其组织性能。通过轧制可将钢坯加工成不同截面形状的原材料，如圆钢、方钢、角钢、下字钢、工字钢、槽钢、z字钢、钢轨等。按轧制方式分为横轧、纵轧和斜轧；按轧制温度分为热轧和冷轧。热轧是将材料加热到再结晶温度以上进行轧制，热轧变形抗力小，变形量大，生产效率高，适合轧制较大断面尺寸，塑性较差或变形量较大的材料。冷轧则是在室温下对材料进行轧制。与热轧相比，冷轧产品尺寸精确，表面光洁，机械强度高。冷轧变形抗力大，变形量小，适于轧制塑性好，尺寸小的线材、薄板材等。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工(3)挤压将金属放入挤压筒内，用强大的压力使坯料从模孔中挤出，从而获得符合模孔截面的坯料或零件印加工方法，如图69所示。常用的挤压方法有：正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压。适合于挤压加工的材料主要有低碳钢、有色金属及其合金。通过挤压可以得到多种截面形状的型材或零件。(4)拔制金属塑性加工方法之一。女口图6-10所示，用拉力使大截面的金属坯料强行穿过一定形状的模孔，以获得所需断面形状和尺寸的小截面毛坯或制品的工艺过程。拉拔生产主要用来制造各种细线材、薄壁管及各种特殊几何形状的型材。拔制产品尺寸精确，表面光洁并具有一定机械性能。低碳钢及多数有色金属及合金部可拔制成型，多用来生产管材、棒材、线材和异型材等。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工(5)冲压金属塑性加工方法之一，又称板料冲压。如图6-11所示，在压力作用下利用模具使金属板料分离或产生塑性变形，以获得所需工件的工艺方法。按冲压加工温度分为热冲压和冷冲压。前者适合变形抗力高，塑性较差的板料加工；后者则在室温下进行，是薄板常用的冲压方法。按冲压加工功能分为冲裁加工和成型加工。冲裁加工又称分离加工，包括冲孔、落料、修边、剪裁等。成型加工是使材料发生塑性变形，包括弯曲、拉深、卷边等。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工3．切削加工又称为冷加工。利用切削刀具在切削机床上(或用手工)将金属工件的多余加工量切去，以达到规定的形状、尺寸和表面质量的工艺过程。按加工方式分为车削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削及钳工等，是最常见的金属加工方法。图6—12和图6—13为铣削工序和车削工序示意图。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工4．焊接加工焊接加工是充分利用金属材料在高温作用下易熔化的特性，使金属与金属发生相互连接的一种工艺，是金属加工的一种辅助手段。常用的焊接方法有熔焊、压焊和钎焊，如图6—14所示。金属的焊接性能是指金属能否适应焊接加工而形成完整的具有一定使用性能的焊接接头印特性。金属焊接性的好坏取于金属材料本身的化学成分和焊接方法。材料化学成分是影响材料焊接性的最基本因素。材料化学成分含量不同，其焊接性也不同。如碳钢的含碳量越高，焊接接头的淬硬倾向越大，就易于产生裂纹，表明碳钢印焊接性随着含碳量的增加而变差。通常，低碳钢有良好的焊接性，高碳钢、高合金钢、铸铁和铝合金的焊接性较差，中碳钢则介于两者之间。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性成型加工5.粉末冶金粉末冶金是以金属粉末或金属化合物粉末为原料状和性能的材料或制品的工艺方法。其主要工序为：①粉末原料的制取和准备。②将粉末加工成所需形状的坯料。经混合、成形和烧结，获得所需形状③将坯料在低于主要组元熔点的温度下进行烧结，使之获得最终的性能。常用的金属粉末有铁、铜、镍、钻、钨、钼、铬和钛等粉末；合金粉末有镍青铜合金、钛合金、高温合金、低合金钢和不锈钢等。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性热处理通过加热和冷却的方法，改变金属内部或表面的绢织结构，以获得预期性能的工艺方法。根据热处理时加热冷却规范的基本特点及其对组织性能的影响，金属热处理可分为普通热处理、表面热处理和特殊热处理。1.普通热处理普通热处理包括退火、正火、淬火和回火处理(如图6—15所示)。①退火是将金属加热到临界温度(Ac3：或Ac1，)以上，保温一段时间后度冷却，使其组织结构接近均衡状态，从而消除或减少内应力，均化组织和成分，有利于加工作业。第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性热处理②正火是将金属加热保温后，在室温下空气中进行冷却，是一种特殊的退火处理。③淬火是将金属加热至临界温度以上，保温后快速冷却至室温，以达到强化金属组织，提高金属的强度、硬度等机械性能。④回火是将淬火后的金属重新加热，再进行保温冷却。其目的是为了消除淬火应力，以达到所要求的组织和性能。图6—15普通热处理过程示意图第六章金属材料及加工工艺6.2金属材料的工艺特性热处理2．表面热处理表面热处理包括表面淬火和化学热处理：①表面淬火是通过快速加热金属表面层至所要求的温度，然后进行淬火，以提高金属表面的硬度和耐磨性。②化学热处理是将金属工件置于一定活性介质