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工程材料的成形技术机械工程学院陈鸿玲•工程材料使用性能工艺性能：使用性能在加工过程中的综合反映，指是否易于采用各种成形工艺进行加工的性能力学性能物理性能化学性能工程材料只有通过各种不同的成形工艺，制造成毛坯或制品，才能体现其使用价值成形：利用熔化、结晶、塑性变形、扩散变形等物理化学变化，按预订的设计要求成形为所需的具有一定形状、性能的机械构件。•成形方法热加工冷（机）加工－金属切削（减料）快速成形RP(RapidPrototyping)（增料）：快速出样件技术成形技术•通过一定工艺、手段使材料具备某种形状，以便加工成装备部件的方法。•液态成形、塑性成形、连接成形、冷加工成形……概述一、金属材料的热加工成形的分类1、液态成形（铸造）－熔融状态（高温）的金属浇入具有一定形状的型腔的铸型中，在重力或外力作用下，冷却并凝固成具有型腔形状的铸件。2、固态成形(锻造）－坯料加热至一定温度下，对坯料施加压力，使其塑性变形以改变尺寸、形状及性能，用以制造零件的方法。冷冲压。3、连接成形（焊接）－通过加热或加压，两部分固态金属局部融化（局部高温）后融合成一整体。二、内容1、成形方法介绍各种成形的基本工艺原理与相关的影响因素。2、成形工艺各种成形生产过程中的基本工艺参数及条件。（温度、尺寸等）3、结构工艺工件通过各种成形方法生产时所需的基本结构要求。三、学习方法1、时间2、教学方式3、考核要求4、参考书机械制造基础、工程材料与成形技术、金属工艺学（邓文英）第六章金属液态成形技术一、概述1、定义：液态合金、浇注、型腔、冷却、取出（获得）－－毛坯。2、种类（按造型方法）：砂型、特种3、铸造的特点：（1）应用广泛（2）是机械零件或毛坯的主要加工方法（内腔和外形复杂的毛坯）（3）铸件的形状和尺寸与零件接近（4）绝大多数金属均能用铸造制成铸件（5）缺点：缩孔、缩松、气孔、浇不足、冷隔等二、液态合金的凝固特点（凝固与结晶）1、按合金的结晶性能：温度范围a、逐层凝固方式：纯金属或共晶成分的合金b、糊状凝固方式：合金的结晶温度范围宽c、中间凝固：表面先结晶呈等轴状晶粒，而后在铸件截面一定宽度的凝固区内同时结晶。2、影响凝固方式的因素a、合金的结晶温度范围---成分b、铸件的温度梯度－过冷度合金的性质、铸型的蓄热能力、浇注温度实质：液态金属逐步冷却凝固成形的三、液态合金的充型：液态金属充满型腔获得与型腔尺寸、形状相符合的铸件，这种获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。（一）、影响充型能力的途径：（1）金属液的流动时间—金属与铸型间的热交换条件（2）流动速度(二)、影响充型能力的因素:液态合金的流动性、浇注条件、铸型条件及铸型结构1、液态合金的流动性：（1）定义：液态金属本身的流动能力（2）流动性好－充型能力；排杂能力；补缩（3）测量：螺旋形流动试样（4）影响因素A、合金种类灰铸铁－铝硅合金－铸钢（熔点）B、合金的化学成分温度范围*形式：a、逐层b、糊状c、中间C、合金的纯净度2、浇注条件对充型能力的影响A、浇注温度的影响保证充型能力足够的前提下，尽量降低浇注温度。高温出炉，低温浇注？薄壁上限、厚大下限？B、充型压力：3、铸型条件对充型能力的影响A、铸型材料：导热－冷却B、铸型温度：温度差C、铸型表面：粗糙度、附加层（涂料）D、铸型中的气体4、铸件的结构：宽窄程度－－－最小允许壁厚临界壁厚四、收缩性1、三阶段液态－－凝固－－固态液面下降收缩收缩是缺陷产生的根本原因：液态和凝固收缩是产生缩孔和缩松的主要原因；固态收缩是产生内应力、变形和裂纹的主要原因2、影响因素a、合金种类（灰铸铁－铝合金－铜合金－铸钢）b、浇注温度C、铸件形状三、缩孔的形成与防止1、定义：縮孔形成必然性縮松2、形成位置热节？内切圆法、凝固等温线法、计算机模拟3、防止定向（顺序）凝固：使离开“进口”的温度梯度下降A、冒口：转移缺陷B、浇口直补C、设置冷铁（厚大）：提高局部冷却速度d、选择流动性好的合金四、铸造应力与变形、裂纹1、铸造应力－拉应力，压应力－残余应力按产生原因：热应力、机械应力、相变应力按阻碍收縮的原因：热应力、收縮应力(1)、热（内）应力的形成由于冷却速度不同－－各部分收缩量不同－彼此相互制约－应力(热应力）哪部分受拉？规律？(2)、收縮应力－机械阻碍应力（3）、内应力的防止A、结构上：壁厚均匀、对称B、尽量采用线收縮率小、E小的合金C、提高铸型温度D、工艺上：同时凝固E、改善铸型和型芯的退让性F、去应力退火2、变形的控制A、判断变形方向（变形规律）B、“预变形”（反变形)C、机加工的工艺安排D、改变铸件结构：减少差异，趋向于同时凝固E、控制铸件的打箱时间F、在铸造应力集中的部位设置拉筋：防止变形铸筋有两类：拉筋与收缩筋收缩筋：防止铸件产生热裂G、对于平板类的铸件，浇注时加大压铁的重量可提高铸型刚度防止变形，但增大应力。特征：尺寸短、缝隙较宽、形状曲折、缝内呈氧化色4、铸件的裂纹与防止措施据形成的温度不同：热裂、冷裂（1）热裂：是在合金凝固末期的高温下形成的。高温下金属的强度低，若受到铸型或型芯的阻碍，超过该温度下的抗拉强度。在铸钢件和铝合金常见影响因素：a、合金的性质（结晶范围宽—倾向大；硫的存在）b、铸型阻力：凝固收缩受阻防止:选择结晶温度范围小的合金；增加型芯、型砂的退让性；S的含量；收缩筋；铸件的结构（2）冷裂：在低温下合金冷却至弹性状态下，当大于σb形成的。（P)在铸件受拉应力的部位---应力集中地集中特征:表面光滑,具有金属光泽或微呈氧化色圆滑曲线或直线防止：a、适当的调整合金的化学成分（P量），缩小凝固温度范围或接近共晶成分b、减低内应力（同时凝固）和合金的脆性c、提高铸型和型芯的退让性以减少收缩应力•温裂：铸件在切割浇冒口、焊补缺陷或进行热处理等较低温度下，由于操作不当而增大了温差应力防止：清场时不可过早开箱，不可重复敲击一处，用力要均匀铸件中常见的缺陷：粘沙、气孔、砂眼（铸件的表面或端面，抛丸或机加工才见）、渣眼、冷隔、白口1.偏析::铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。铸件的偏析可分为晶内偏析、区域偏析和体积质量偏析三类。•(1)晶内偏析（又称枝晶偏析）是指晶粒内各部分化学成分不均匀的现象，这种偏析出现在具有一定凝固温度范围的合金铸件中。为防止和减少晶内偏析的产生，在生产中常采取缓慢冷却或孕育处理的方法。•(2)区域偏析是指铸件截面的整体上化学成分和组织的不均匀。避免区域偏析的发生，主要应该采取预防措施，如控制浇注温度不要太高，采取快速冷却使偏析来不及发生，或采取工艺措施造成铸件断面较低的温度梯度，使表层和中心部分接近同时凝固。•(3)比重偏析铸件上、下部分化学成分不均匀的现象称为比重偏析。为防止比重偏析，在浇注时应充分搅拌金属液或加速合金液的冷却，使液相和固相来不及分离，凝固即告结束。铸造合金的偏析和吸气性5、铸件中的气孔按来源分：侵入性、析出性、反应性（1）侵入性气孔：是由于铸型表面聚集的气体侵入金属液中而形成的孔洞。多位于铸件的上表面附近，尺寸较大，呈椭圆形或梨形，孔壁光滑，表面有光泽或有轻微氧化色。防止：降低型砂的发气量，增加铸型、型芯的排气，刷涂料使型砂与金属隔开（2）析出性气孔：是溶解在金属液中的气体，在凝固时由金属液中析出而未能逸出铸件所产生的气孔。其特征是尺寸细小，多而分散，形状多为圆形、椭圆形或针状，往往分布于整个铸件断面内。防止：减少合金的吸气量，对金属进行除气，提高冷却速度或在压力下凝固（3）反应性气孔：浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或溶渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔，统称反应性气孔。这种气孔经常出现在铸件表面层下1mm-2mm处，孔内表面光滑，孔径1mm-3mm。防止：保持工具的干燥六、常用合金的铸造性能1、铸铁:是一系列主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。铸铁的分类:根据碳在铸铁中的存在形式分类（1）白口铸铁指碳主要以游离碳化铁形式出现的铸铁，断口呈银白色。（2）灰铸铁指碳主要以片状石墨形式出现的铸铁，断口呈灰色。它是工业中应用最广的铸铁。（3）麻口铸铁指碳部分以游离碳化铁形式出现，部分以石墨形式出现，断口灰白相间。根据铸铁中石墨形态分类灰铸铁（HT）：流动性好、收缩性小球墨铸铁（QT）：流动性略差、收缩性，内应力较大，需要工艺上增加控制蠕墨铸铁石墨呈蠕虫状可锻铸铁：熔点高，无石墨化，收缩大，定向凝固2、铸钢：温度高、糊状，缺陷大（塑性、韧性比铸铁高---承受重载荷及冲击载荷的零件）3、铸铝：具有良好的铸造性能4、铸铜：收縮大，需设置冷铁和冒口，定向凝固防止缩孔三类收缩的对铸件质量的影响液态收缩和凝固收缩缩孔缩松固态收缩（线收缩）影响铸件尺寸精度铸造应力变形裂纹第二节金属液态成形的方法•按铸型的特点：砂型铸造和特种铸造一、砂型铸造：以型砂为造型材料，用人工或机械方法在砂箱内制造出型腔及浇注系统的方法。传统－－适用于各种形状、大小及各种常用合金－－回收率好砂型铸造流程型芯型（芯）砂模样金属材料的熔炼型腔（型芯）冷却带砂的工件破碎后的型砂工件造型是砂型铸造最基本的工序：手工、机器1、特点：手工：适应性强（尺寸）、成本低；单件、小批量；劳动强度大、效率低、精度质量都较差；操作技术要求高；环境差。机器：质量较稳定，大批量；投资大。凝固速度慢，晶粒粗大影响力学性能，不太适合作精密产品。二、特种铸造•铸型用砂少或不用砂，通过改变铸型的材料、造型工艺或液态金属的充填条件等因素进行铸造的方法。•特点：铸件精度和表面质量高铸件内在性能好、原材料消耗低铸件的结构、形状、尺寸、材料种类等受到一定限制一、金属型铸造（重力）铸型用金属制成：制造铸型的熔点应高于浇注合金的熔点1、根据分型面位置不同：垂直、水平和复合分型式2、工艺过程：（制造铸型）－表面涂料（减缓冷却速度等）－加热铸型（降低温差，防白口、出型容易）－合模（抽芯结构）－浇注－冷却－开模－取出铸件特点：尺寸精度高、机械加工余量小；晶粒较细，力学性能好；铸型重复使用缺点：铸铁件表面易产生白口，切削加工困难；受材料熔点的限制，熔点高的合金不适用2、压力铸造液态或半固态金属在高压下高速充型并凝固而获得铸件的方法A、过程：同金属型类似，区别在于浇注、凝固与冷却（结晶）高压下进行（30-70MPa）、并高速充型（速度0.01-0.2s）。同时工件从模中自动顶出。按压室工作条件不同分为冷、热压。B、特点：形状复杂、精密度高、效率好、气孔3、低压铸造缓慢向坩埚炉内通入干燥的压縮空气，金属液受气体压力的作用，由下而上充满型腔A、过程利用气体压力（0.1MPa）使坩埚里的液态金属自下而上压入铸型并在压力下凝固冷却。B、特点：浇注时压力与速度可调节；充型平稳、排气性好、组织缺陷少、材料利用率高，适合做要求较高的重要零件4、离心铸造A、过程离心铸造是将金属液浇入旋转的铸型中，在离心力的作用下填充铸型而凝固成型。有卧式和立式离心铸造两类。根据铸件直径的大小来确定转速B、特点生产中空(筒、管类)铸件不用型芯、无浇冒口系统；可提高充型能力；改善了补縮条件；内孔尺寸难以准确控制、表面粗糙；5、熔模铸造A、过程用易熔材料（蜡）－模样－型壳:涂敷多层耐火材料（挂浆、撒砂、硬化）－型壳加热，融化倒出蜡模－焙烧－外围填砂（固定）－浇入液体金属－冷却－取出。B、特点无分型面铸件精度高，表面质量好；可铸形状复杂、精密的铸件；适应各种材料，工序复杂、尺寸和质量限制一般不超过25kg；铸件冷却慢，晶粒粗大。6、消失模铸造A、过程利用泡沫塑料模样进行铸造，由于浇注时高温金属液进入后，模样迅速气化、燃烧而消失，模样位置由金属液逐步充填，冷却凝固形成铸件。这种铸型呈实体，不存有空腔，故又称实型铸造。B、特点无分型面、工序简单、形状复杂、适应各种材料、成本低。7、挤压铸造将定量金属液浇入铸型型腔内并施加较大的机械压力，使其凝固、成形的方法（1）工艺过程：清理铸型－浇注－合型加压（依靠冲头压力使金属液充型）－取出铸件（2）特点：铸件的尺寸精度高，组织致密，工艺简单；需定量浇注，夹杂物无法排出液态成形基本过程加入熔化后的（金属