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第4章•第4章金属材料成形工艺••4.1常用金属铸造工艺••将熔化的金属液浇注到具有与零件形状相适应的铸型型腔中，待其凝固、冷却后，获得零件或毛坯的生产方法称为铸造。用铸造方法得到的毛坯或零件称为铸件。••铸造具有如下特点：••（1）可以制造各种形状的铸件，且铸件形状和尺寸与零件很接近，节约金属，节省工时。••（2）铸件的尺寸和重量几乎不受限制。••（3）可以适应各种材料，特别是低塑性及不能锻造和焊接的材料。••（4）铸造用原材料来源广，价格低廉，可回收利用。••铸造生主要可分为砂型铸造和特种铸造两类。其中砂型铸造是铸造生产中的最基本的方法。••第4章•4.1.1砂型铸造工艺•砂型铸造是指用模样（型芯）在型（芯）砂制造的砂型中注入金属液，获得铸件的方法。其工艺过程如图4.1所示。1造型材料造型材料指用于制造砂型和型芯的材料，包括型砂、芯砂和涂料等。它们用砂、水、黏结剂和附加物配制而成。型（芯）砂的性能好坏，直接影响到铸件的质量，因此配制好的型（芯）砂，必须具备良好的可塑性，足够的强度，好的透气性，高的耐火性，还要有一定的退让性。第4章•2造型•制造铸型的工艺过程称为造型，造型分手工造型和机器造型两大类。•（1）手工造型。手工造型时紧砂和起模用手工完成，操作灵活，适应性强，模样成本低，但铸件质量较差，生产率低，劳动强度大，主要用于单件、小批生产。•（2）机器造型。机器造型是用模板和砂箱在专门的造型机上进行造型。它使填砂、紧砂和起模等操作实现机械化。其生产率高，铸型质量好，改善了工人劳动条件，适于大批生产。•3造芯•当铸件有内腔时，一般需制作型芯。型芯用芯盒制成，芯盒结构有整体式、对开式和拆开式三种，如图4.3所示。造芯方法也分手工造芯和机器造芯两种。第4章•1．手工造芯•手工将芯砂填入芯盒，经紧实修整后制成型芯。形状简单、高度不大的型芯用整体式芯盒；回转体及形状对称的型芯用对开式芯盒；形状复杂的大、中型型芯采用拆开式芯盒。•2．机器造芯•机器造芯用于成批、大量生产的型芯，常用方法有振压式造芯和射芯法。4浇注系统。金属液进入铸型型腔时所经过的一系列彼此相连的通道称为浇注系统。完整的浇注系统包括外浇口、直浇道、横浇道和内浇道，如图4.4所示。（1）外浇口。金属液的直接注入处。作用是减轻液流对铸型的直接冲击，阻拦熔渣流入直浇道。（2）直浇道。外浇口下一段圆锥形垂直通道。作用是使金属液产生一定静压力，改善铸型的填充性。（3）横浇道。将金属液引入内浇道的水平通道。作用是挡渣，并向内浇道分配液流。第4章•（4）内浇道。把金属液直接导入型腔的通道。利用内浇道的位置、大小和数量，可以控制金属液进入型腔的速度和方向。4.1.2合金的铸造性能合金在铸造过程中表现出来的工艺性能称为铸造性能。包括流动性、收缩、偏析倾向、吸气性和氧化性等。1流动性合金的流动性是指液态金属的流动能力。合金流动性越好，液态金属填充铸型的能力越强，易于浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。影响合金流动性的因素主要是化学成分、浇注温度和铸型的填充性等。2合金的收缩（1）收缩概念及影响因素。铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩。合金液从浇注温度冷却到室温要经历三个阶段：液态收缩、凝固收缩和固态收缩。影响收缩的因素有：化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件等。（2）缩孔的形成及防止措施。金属液在铸型内凝固时，由于液态和凝固收缩造成体积减小，若得不到金属液补足，将在铸件最后凝固部位形成孔洞，称为缩孔。缩孔分为集中缩孔和分散缩孔两类。合理控制铸件的凝固过程，建立良好的补缩条件，就能获得致密铸件。第4章（3）铸造内应力、变形和裂纹•①铸造内应力。铸件在凝固和冷却过程中由于收缩不均匀和相变等因素而引起的内应力，称铸造应力。铸造应力是铸件产生变形、裂纹等缺陷的主要原因。•②变形。当铸件中存在着内应力时，其厚的部分受拉应力，薄的部分受压应力，铸件将自发地通过变形来减少或消除内应力。对变形量较大的铸件，可用反变形法或开设拉筋。重要铸件，可用时效处理彻底去除残余应力。•③裂纹。当铸造应力超过合金的强度极限时，铸件便产生裂纹。裂纹分热裂纹与冷裂纹两种。4.1.3铸钢件的铸型工艺特点铸钢熔点高，流动性差，收缩率大，易产生浇不足、冷隔、黏砂、缩孔（松）、裂纹等缺陷。因此，除合理设计铸件外，还应采取相应的工艺措施。首先，加大浇注系统的截面尺寸，设置冒口，采用顺序凝固，对少数薄壁均匀件，可采用同时凝固，多开内浇口，快速浇注。其次，采用颗粒大而均匀的石英砂，在铸型表面涂石英粉涂料，铸型用干型或快干型，以提高铸型的透气性、耐火性和退让性。此外，浇注温度要严格控制，不能过高或过低。第4章•4.1.4铸件的质量检验与缺陷分析•常见铸件缺陷的特征及缺陷产生原因见下表：第4章第4章第4章•4.2特种铸造简介•特种铸造指有别于砂型铸造的其他铸造方法，如金属型铸造、熔模铸造、离心铸造、压力铸造、磁型铸造等。•4.2.1金属型铸造•将金属液浇入到金属铸型中，依靠重力作用而获得铸件的铸造方法称为金属型铸造。金属型可以重复使用，所以又称为“永久型铸造”。•1．金属型铸造的特点及应用范围•金属型铸造：金属型使用寿命长，节约造型工时，提高生产率；铸件尺寸精度高，表面粗糙度小；铸件冷却快，晶粒细小，力学性能好；铸件工艺利用率高，金属液消耗量少。缺点是金属型生产周期长，成本高；铸型无退让性和透气性；铸件易形成白口，不易生产大型、复杂铸件。金属型铸造适于大批量生产有色金属合金铸件。•2．金属型的构造及铸造工艺特点•根据分型面位置的不同，金属型一般分为垂直分型式、水平分型式和复合分型式等。如图4.5所示。其中垂直分型式便于设置浇冒口及取出铸件，易于实现机械化，所以应用最多。第4章图4.5金属型的结构金属型铸造时应采取以下一些工艺措施：（1）金属型腔要涂0.2～1.0mm厚的耐火衬料与表面涂料。（2）喷刷涂料和浇注前金属型要预热，以使铸件冷却速度降低。（3）掌握好铸件出型温度和出型时间，防铸件产生裂纹和白口，提高生产率。4.2.2熔模铸造熔模铸造是用易熔材料制成模型，在模型上涂若干层耐火涂料，经干燥硬化后，再将模型熔失，获得无分型面的型壳，将金属液浇入型壳中，冷凝后即成铸件。第4章•1熔模铸造的工艺过程•熔模铸造的工艺过程见图4.7所示。2熔模铸造的特点及应用熔模铸件精度高，粗糙度小；可以浇注形状复杂的各种合金铸件，如合金钢件、碳钢件、耐热合金件；生产批量没有限制，可以从单件到成批大量生产。但熔模铸造的生产工序多，周期长，只能铸造中小型铸件。熔模铸造主要适于生产各种形状复杂的小型零件，如汽轮机和涡轮发动机上的叶片及其他小型零件。第4章•4.2.3压力铸造与低压铸造•1压力铸造•压力铸造是在高压下，快速将液态或半液态金属压入金属型中，并在压力下充型、凝固的一种铸造方法。压铸与其他铸造方法相比有如下优点：•（1）压铸件可获得高的尺寸精度，粗糙度小，铸件晶粒细密，强度和硬度提高很多。•（2）在高速高压下充型，可铸出薄壁复杂件及各种孔眼、螺纹及花纹等。•（3）生产率高，且易于实现自动化生产。•（4）经济效益好，省料，省工时，省设备。•压铸也存在一些缺点：如压力设备及压型投资大，只适于定型产品的大量生产；型腔中气体难以完全排出，铸件易产生细小的气孔和缩松；压铸件不能热处理，以免加热时气体膨胀使铸件变形；压铸件的塑性低，不宜在冲击和振动的情况下工作。压力铸造适于有色金属的中小型薄壁件的大量生产。第4章•2低压铸造•低压铸造是介于一般重力铸造（金属型、砂型、壳型等）与压力铸造之间的一种铸造方法。其基本原理如图4.9所示，在储有一定温度金属液的密封坩埚中通入干燥的压缩空气或惰性气体，使坩埚内的金属液在气体压力作用下自下而上地通过升液管和浇道压入型腔内，继续保持一定的压力，直到型腔内的金属液全部凝固为止，然后撤除液面上的压力，使升液管和浇道中没有凝固的金属液由于重力作用而流回容器中，这样就完成了低压铸造过程。低压铸造适用于各种不同铸件；铸件在压力下结晶，顺序凝固，铸件组织致密；金属利用率和铸件合格率高，劳动条件好，设备投资少。第4章•4.2.4离心铸造•将金属液浇入高速旋转的铸型中，使金属液在离心作用下充满铸型并形成铸件，这种铸造方法称为离心铸造。离心铸造既适合浇注中空铸件，又能铸造成形铸件。•离心铸造具备以下优点：•（1）铸件组织致密，力学性能好。•（2）不用设置冒口和浇注系统。铸造圆柱形内腔的回转体铸件时，不用型芯。•（3）便于铸造“双金属”铸件，如钢套镶铜轴承等。•其缺点是铸件内表面质量较差，内孔孔径不准确，不适于浇注易产生比重偏析的合金。第4章•4.3锻造•锻造是利用外力，通过工具或模具使金属材料发生塑性变形，获得一定形状、尺寸和性能的毛坯或零件的加工方法。根据所用设备和工具的不同，锻造分为自由锻造、模型锻造、胎模锻造和特种锻造四类。与其他加工方法相比，锻造具有以下特点：•（1）改善金属的组织，提高力学性能。•（2）生产率较高。•（3）节省材料和加工工时。。•（4）适用范围广。•锻造的不足之处是不能获得形状很复杂的锻件。•4.3.1金属的锻造性能•金属的锻造性能是指金属材料锻造的难易程度。锻造性常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。塑性越好，变形抗力越小，则金属的锻造性越好；反之则差。•影响金属锻造性能的因素有以下几方面。•1．金属的化学成分和组织•一般纯金属及其固溶体的锻造性最好，化合物的锻造性最差。钢中的Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素，会降低锻造性，而S、Cu、Sn、Pb等元素分布于晶界，也降低锻造性。铸态的粗晶结构比细晶粒组织的锻造性差。第4章•2．变形温度•提高金属锻造时的温度，塑性增加，变形抗力减小，改善了金属的锻造性。•3．变形速度•变形速度指单位时间内的变形程度。变形速度对金属塑性的影响有两方面：一方面变形速度增加，加快了加工硬化速度，降低了塑性。另一方面变形速度增加时，变形过程中的热效应使金属软化，塑性增加。•4．应力状态•金属的变形方法不同，所产生的应力大小和性质也不同。拉应力有助于晶间变形发生，金属的塑性下降；压应力阻碍晶间变形发生，提高了金属的塑性。4.3.2常用合金的锻造性能1．碳钢。低碳钢的塑性较好，锻造温度范围较宽，很适宜用锻造方法制造毛坯。2．合金钢。碳钢相比，合金钢中合金元素的固溶强化现象明显，且硬而脆的合金碳化物较多，所以可锻性较差。第4章•3．铝合金。铝合金的锻造温度低，锻造温度范围狭窄，锤击时要轻、快，变形量不能太大，否则容易产生裂纹。•4．铜合金。铜合金的始锻温度比铝合金高一些，锻造温度范围也比较窄。4.3.3自由锻造自由锻造指采用通用工具或直接在锻造设备（锻锤或水压机）的上、下砧之间进行锻造。原材料用钢锭或轧材，主要用于单件和小批生产，是特大型锻件唯一的生产方法。自由锻造应用广泛，且工艺灵活，工具简单，成本低。但与其他锻造方法相比，其生产率较低，锻件质量由锻工操作水平保证。自由锻造的基本工序有拔长、镦粗、冲孔、扩孔、切割、弯曲、扭转和错移等八种。1．拔长。使金属坯料的横截面积减少，长度增加的工序。如图4.13所示，得到具有长轴线的锻件，如光轴、曲轴、台阶轴、拉杆、连杆等。2．镦粗。使金属坯料的横截面积增大，高度减小的工序。用来锻齿轮坯、圆盘等；也可以作为环、套类空心件冲孔前的预备工序；还可以增加拔长的锻造比。见图4.14。第4章3．冲孔用冲头在坯料上冲出通孔或不通孔的工序。用于锻造空心工件，如齿轮坯、圆环、套筒等。如图4.15所示。4．扩孔减小空心坯料壁厚，增加其内、外径的工序。用于锻造各种圆环锻件。如图4.16所示，冲头扩孔用于扩孔量不大的空心件，芯棒扩孔用于薄壁空心件。第4章•5．弯曲•将坯料弯曲成一定形状的工序，可以锻造吊钩、角尺、U形弯板等锻件。弯曲变形的锻件，金属的纤维组织沿锻件轮廓连续分布，锻造质量好。弯曲方法见图4.17。•6．切割•用剁刀切去坯料上一部分坯料的工序，主要用于下料和切除料头等。•7．扭转•将坯料的一部分相对另一部分绕其共同轴线转过一定角度的工序。用