课题二金属材料的工艺性能

课题二：金属的工艺性能所谓金属材料的工艺性能是指金属材料在加工过程在所表现出的特性，或者难易程度。常见的金属类零件的加工过程一般为：下料（毛坯）—预先热处理（如退火、正火）—（粗）机械加工—中间热处理（如调质）—半精加工—最终（如渗碳、氮，表面热处理、淬火、回火等）下料（毛坯）制造方法有铸造，焊接，成形。本课题主要讨论铸造，锻造，焊接，热处理及切削加工性能。ξ2-1金属材料的铸造性能我们先看看铸造的过程，了解一下什么叫铸造。当零件外形比较复杂（如机床的床身、变速箱箱体等），同时对强度要求不是很高时候，一般采用铸造的方法制造毛坯，以节省加工费用和材料。铸造性能通常指流动性，收缩性，铸造应力，偏析，吸气倾向和裂纹敏感性。1、影响合金流动性因素影响因素：合金化学成分，浇铸温度和铸型填充条件。合金化学成分：含碳量：纯铁流动性好，含碳量越大，流动性越差。2%左右流动性最差，铸铁中，共晶成分铸铁流动性最好。合金成分中凡能形成高熔点夹杂物的元素均会降低合金的流动性。灰铁中MnS熔点为1620，不利于流动。P可形成Fe-Fe3P-Fe3C，熔点为950，利于流动。2、铸件的收缩铸铁的缩孔与缩松含碳量增加，析出石墨有利于消除此类现象3、铸件的裂纹冷裂和热裂，P和S合金强度提高，产生裂纹倾向增大。ξ2-2金属材料的锻造性能利用简单的工具和开放式的模具（砧块）对金属进行锻造成形的方法。自由锻时，金属仅有部分表面与工具或砧块接触，其余部分为自由变形表面。自由锻使用的都是通用的模具和工具，灵活性大，费用低，生产准备周期短，适合于单件、小批量生产。但自由锻造的生产率低，工人劳动强度大，锻件的精度差，加工余量大，因此自由锻件在锻件总量中所占的比重随着生产技术的进步而日趋减少。自由锻造也是大型锻件的主要生产方法，在重型的冶金机械、动力机械、矿山机械、粉碎机械、锻压机械、船舶和机车制造工业中占有重要的地位。自由锻造分为手工锻造和机器自由锻。手工锻造是靠手抡铁锤锻打金属使之成形，是最简单的自由锻。它是一种古老的锻造工艺，在某些零星修理或农具配件行业中仍然存在，但正逐渐被淘汰。机器自由锻是在锻锤或水压机上进行。锤上自由锻时金属变形速度快，可以较长时间保持金属的锻造温度，有利于锻出所需要的形状。锤上自由锻主要用轧制或锻压过的钢材作为坯料，用于生产小批量的中小型锻件。水压机上自由锻的锻压速度较慢，金属变形深入锻坯内部，主要用于钢锭开坯和大锻件（几吨以上）制造，如冷、热轧辊，低速大功率柴油机曲轴，汽轮发电机和汽轮机转子，核电站压力壳筒体和法兰等，锻件质量可达250吨。自由锻工序自由锻的基本成形工序有钢锭开坯、拔长、镦粗、冲孔、芯棒扩孔、芯棒拔长、弯曲、扭转和压实等（图1[自由锻的基本工序]）。钢锭开坯把钢锭锻压成锻坯的工序。钢锭开坯的主要作用是：①在钢锭冒口端压出便于夹持操作的钳把；②倒棱、滚圆，把多棱锥形的钢锭压制成圆柱形的坯料；③将有缩孔和偏析缺陷的冒口和底部的料头切掉，这部分通常占钢锭重量的25～35％；④根据需要切成一定长度的坯料。拔长使坯料横截面减小而长度增加的锻造工序。拔长是通过反复转动和送进坯料进行压缩来实现的，是自由锻生产中最常用的工序。它常用于锻造各类方、圆截面的轴、杆等。镦粗使坯料断面增大而高度减小的锻造工序。镦粗用于：①以较小断面的坯料制造断面大、高度小的锻件，如圆盘、法兰、齿轮等盘形锻件；②冲孔前的预备工序；③增加金属变形量,提高内部质量的预备工序,也是提高锻造比为下一步拔长的预备工序。冲孔在坯料上冲压出通孔或盲孔的锻造工序。冲孔用于制造带孔的盘形锻件，也用于芯棒拔长或扩孔的准备工序。扩孔减小空心坯料臂厚而增加其内外径的锻造工序。扩孔的方法有:①冲头扩孔，先在坯料上冲出孔,然后用直径较大的冲头将孔径逐步扩大到所需尺寸。②芯棒扩孔，利用芯棒在马架上将坯料壁厚减薄，内外径同时增加，而高度增加不多，可以锻制薄壁锻件。芯棒拔长使空心坯料外径减小、长度增加而内径不变的拔长工序。主要用于制造缸套、容器等筒形锻件。芯棒可以是实心的，也可以是空心带水冷的。弯曲将坯料弯成曲线形或一定角度的锻造工序，与其他锻造工序结合,可以锻成各种弯曲形状的锻件,如吊钩、叉子等。扭转使坯料的一部分相对于另一部分绕共同的中轴线旋转一个角度的工序。锻造时，可使锻件不在同一平面内的几部分，先在一个平面内锻制成坯，然后再扭转到所要求的位置。扭转用于制造多拐曲轴等锻件。压实在锻造过程中，为了避免大钢锭中心部位出现拉应力，采用宽平砧强压，使锻坯中心呈压应力状态，以达到压实和焊合内部孔穴和疏松的目的。也可采用表面强冷中心压实的综合锻造工艺：加热的坯料经过不对称宽砧强压之后，表面强冷到800℃左右，形成硬层,心部则仍保持在1000℃以上。这时采用平砧强压，可压实内部空穴和疏松等缺陷，使中心部分致密。胎模锻造一种在自由锻设备上用可移动模具和简单工具进行锻造的方法。属于自由锻性质，也带有局部模锻性质。由于锻件尺寸和形状可以局部用模具控制，可以获得比自由锻形状较为复杂、尺寸较为精确的锻件，并可减少后续的切削加工量和材料的消耗，提高生产率。胎模锻造所用模具一般比较简单,容易制造,工艺万能性强；但锻造工序较多,金属留在模子中的时间较长,模具抬上抬下的劳动强度较大，生产率一般仍低于模锻。锻件的表面质量也比模锻差。由于胎模锻可分段逐步成形，所以同样的锻件可以在较小的锤上锻出。例如锻造中间齿轮轴，模锻时需要3吨模锻锤，但若配备胎模就可以在750千克空气锤上锻出。）。胎模锻造是中小批量生产的有效锻造方法。在实际锻造过程中，一般采用自由锻制坯、胎模最终成形的工艺。展望自由锻时，工人劳动强度比较大，只有实现辅助工作机械化，才能改善锻工的劳动条件，取得较好的经济效果。锻造机械化包括锻坯装出炉机械化、锻造操作机械化、坯料旋转调头机械化、工模具夹持机械化、胎模转换机械化、锻件尺寸测量和锻件搬运机械化等。为了提高锻件的质量和尺寸精度，自由锻造工序正向自动控制方向发展。现代化的水压机已实现程序控制，工作人员劳动强度大大减少。可锻性：塑性和变形抗力14.2.1.莱氏体高合金工具钢锻造目的是打碎钢中粗大的共晶碳化物。锻后缓冷（炉冷）防止裂纹产生。14.2.2.不锈钢的锻造不锈钢由于其组织特殊，注意锻后热处理工艺晶间腐蚀475℃脆性：含Cr量大于15%的高Cr钢在400-525℃范围内长时间停留或缓冷，Cr原子有序化，与母相共晶格引起较大的晶图畸变引起大的内应力。马氏体不锈钢：缓冷至600℃左右空冷，以免发生马氏体相变。铁素体和奥氏体不锈钢：在晶间腐蚀及475℃脆性温度范围内快冷（空冷）。14.2.3.高温合金锻造高温合金在高温下有较大的变形抗力及较低的塑性。模具坚固，功率大。对锻造温度敏感，锻后堆放空冷。14.2.4.有色金属锻造铝：锻造温度窄。镁：锻造温度窄，传热快，易冷却，模具需预热。铜：锻造温度窄，模具需预热，锻造时需保护，避免氧化。钛：变形抗力大，化学性质活泼，注意保护。ξ2-3金属材料焊接性能金属的焊接性能是指金属材料在焊接过程中的难易程度。常见的焊接方法有：电弧焊，电渣焊，磨擦焊，钎焊，爆炸焊等摩擦焊：利用高速旋转使被焊接件之间产生强烈摩擦，达到融化温度，使之焊接在一起的方法钎焊：用在接触处熔化诸如黄铜和钎焊料之类的非铁填充金属(其熔点低于基体金属的熔点)来焊接金属。主要用于不同金属间的焊接，其连接强度不如熔化焊。如电子产品焊接的锡钎焊、硬质合金刀片焊接在刀杆上的铜钎焊。一、碳钢及合金钢焊接低碳钢，低合金钢焊接性好。对于中高碳钢和合金钢采取焊前预热和焊后热处理。改善组织并消除焊接应力。二、不锈钢焊接奥氏体不锈钢：考虑晶间腐蚀。马氏体不锈钢：焊接后焊缝区在空冷条件下得到马氏体组织，焊前预热（200-400℃）焊后热处理，加热至730-790℃后缓冷至540℃，空冷。铁素体不锈钢：焊前预热，焊后热处理（730-840℃）三、有色金属的焊接铜：焊接性能差，采用钎焊。铝：氩弧焊，焊件表面要求高。钛：自动焊，表面要求高。ξ2-4金属材料的加工性能工件机加工难易程度称为材料的加工性。影响因素：加工性与金属材料的化学成分，硬度，韧性，导热性，金相组织和加工硬化能力等因素有关。一、化学成分的影响1、含碳量降低钢的强度和硬度的元素：S，Al提高钢的强度和硬度的合金元素：2、石墨化：游离石墨改善加工性。3、组织与热处理工艺的影响组织不同，机械性能不同，加工性不同。珠光体，索氏体，马氏体，加工性下降。衡量材料切削加工性能的优势常用相对加工性Kr指标衡量。表14.2材料切削加工性分级加工性等级名称及种类相对加工性Kr代表性材料1很容易切削材料一般有色金属＞3.05-5-5铜铝合金，9-4铝铜合金，铝镁合金2容易切削材料易切削钢2.5～3.015Cr退火σb=380～450MPa，自动机钢σb=400～500MPa，30钢正火σb=450～560MPa，3较易切削钢1.6～2.54普通材料一般钢及铸铁1.0～1.645钢，灰铸铁2Cr13调质σb=850MPa，35钢σb=900MPa，5稍难切削材料0.65～1.06难切削材料较难切削材料0.5～0.6545Cr调质σb=1050MPa，65Mn调质σb=950～1000MPa，50CrV调质1Cr18Ni9Ti某些钛合金，某些钛合金，铸造镍基高温合金，7难切削材料0.15～0.58很难切削材料＜0.15不同级织，不同硬度对不同切削加工操作（如车，铣，刨，镗，拉等）切削加工性是不同的。如回火索氏体的中碳钢，车削加工性较好，钻削加工性中等，拉，拨加工性较差。热处理工艺性能机床主轴在选用机床主轴的材料和热处理工艺时，必须考虑以下几点：（1）受力的大小。不同类型的机床，工作条件有很大差别，如高速机床和精密机床主轴的工作条件与重型机床主轴的要作条件相比，无论在弯曲或扭转疲劳特性方面差别都很大。（2）轴承类型。如在滑动轴承上工作时，轴颈需要有高的耐磨性。（3）主轴的形状及其可能引起的热处理缺陷。结构形状复杂的主轴在热处理时易变形甚至开裂，因此在选材上应给予重视。主轴是机床中主要零件之一，其质量好坏直接影响机床的精度和寿命。因此必须根据主轴的工作条件和性能要求，选择用钢和制定合理的冷热加工工艺。1、机床主轴的工作条件和性能要求。该主轴的工作条件如下：（1）承受交变的弯曲应力与扭转应力，有时受到冲击载荷的作用；（2）主轴大端内锥孔和锥度外圆，经常与卡盘、顶针有磨擦；（3）花键部分经常有碰撞或相对滑动。由此定出技术条件：（1）整体调质后硬度应为HB200～230，金相组织为回火索氏体；（2）内锥孔和外圆锥面处硬度为HRC45～50，表面3～5mm内金相组织为回火屈氏体和少量回火马氏体；（3）花键部分的硬度为HRC48～53，金相组织同上。2、选择用钢C515车床属于中速，中负荷，在滚动轴承中工作的机床，因此选用45钢。3、主轴工艺路线下料——锻造——正火——粗加工（外圆余留4～5mm）——调质——半精车外圆（余留2.5～3.5mm），钻中心孔，精车外圆（余留0.6～0.7mm，锥孔留余0.6～0.7mm），铣键槽——局部淬火（锥孔及外锥体）——车定刀槽，粗磨外圆（余留0.4～0.5mm），滚铣花键——花键淬火——精磨。4、热处理工序作用正火处理是为了得到合适的硬度（HB170～230），以便机加工，改善锻造组织，为调质作准备。调质处理是为了主轴的综合机械性能和疲劳强度，调质后硬度为HB200～230，组织为回火索氏体。内锥孔和外圆锥面部分经盐浴局部淬火和回火后得到所要求的硬度，以保证装配精度和耐磨性。5、热处理工艺调质中淬火时由于主轴各部分的直径不同，应注意变形问题。调质后变形虽可用校直来修正，但校直时的附加应力对主轴精加工后的尺寸稳定性是不利的。为减小变形，应注意淬火操作方法。可采取预冷淬火和控制水中冷却时间来减小变形。花键部分高频淬火以减小变形和达到硬度要求。经淬火后的内锥孔和外圆锥面部分需经260～300℃回火，花键部分需经240～250℃回火，以消除淬火应力并达到规定的硬度值。球铁代替