常用金属材料及其成形

第七章常用金属材料及其成形这是用铸造方法生产出的电机外壳金属材料在许多领域中的应用都十分广泛，特别是在机械行业中更是主要的使用对象。要合理的选择材料和成形加工方法，就要掌握和了解金属材料的种类、性能特点、成形加工方法和应用范围等知识。学习本章后应掌握和应了解的具体内容如下：1.铸造成形的方法，工艺技术2.几种常用铸造方法的工艺过程、特点，适用铸造合金，应用范围3.锻造成形的方法，设备，工艺技术4.锻造毛坯的组织和性能特点，应用范围5.冲压成形的加工对象，基本工序6.钢的分类、牌号，性能特点，应用7.铸铁的分类，组织和性能特点，应用8.非铁金属的分类，性能特点，应用金属材料包括钢铁（黑色金属）和非铁（有色）金属两大类。钢铁材料在各个领域中的应用都十分广泛，尤其在机械行业中更是起到基础材料的作用。金属材料的主要成形技术——铸造和锻造由来已久，是人类最早应用的工业技术。直到现在高科技迅速发展的信息时代，这些传统的工艺技术仍在不断发展，仍在起着不可替代的重要作用。通过本章的学习，你将了解到：金属材料的种类，各种金属材料的性能特点、应用范围，金属成形加工的方法、工艺过程、特点和应用。这些知识都是工程师和设计师所必需的基础知识。7.1.1概述金属零件的制造过程一般包括毛坯成形和对毛坯的切削加工，有时需要进行热处理以获得所希望的性能（见图7.1-1）。金属成形方法主要指获得毛坯的生产加工方法。工业上应用的金属成形方法（即毛坯生产方法）主要有：铸造，压力加工，焊接，粉末冶金等（见图7.1-2）。图7.1-1机器生产过程示意图图7.1-2金属毛坯的生产方法及其分类图7.1-2列举了一些主要的金属成形方法。每一种成形方法都有自己的特点和适用范围，所应用的原理也各不相同。铸造是将所需的金属熔化成液体，浇注到铸型中，待其冷却凝固后获得铸件（毛坯）的。因此，铸造也可以称为液态成形。压力加工则是利用固态金属的塑性变形来实现成形加工的。焊接成形是将金属局部熔化，通过焊缝的凝固把单个的构件连接组合在一起，形成一个完整的毛坯或零件。粉末冶金是利用烧结过程中原子的扩散，使粉末颗粒紧密结合在一起。下面将选择几种常用的金属成形方法作简要介绍。7.2.1铸造历史铸造(Casting)是历史最悠久、至今仍是应用最广泛的金属成形方法。工艺过程包括熔炼金属、制造铸型、浇注，凝固后获得一定形状和性能的铸件。中国古代的铸造技术水平非常之高，令当今世人惊叹不已。这里介绍几例（引自：温林、李建平，彩图版十万个为什么(艺术卷)，京华出版社，2001），以飨读者。图7.2-1商代司母戊鼎在河南安阳出土，用青铜铸造，重875kg，高133cm，长110cm，宽78cm。图7.2-2西周时代的簋青铜器。簋(音gui)：盛食物用的器皿图7.2-3西汉透光铜镜(上)和它的透光效果图7.2-4商厚期的青铜器7.2.2铸造的特点由于是液态成形，铸造可以生产形状很复杂的铸件，见图7.2-5。铸件大小几乎不受限制，质量从几克到几百吨，壁厚从1mm到1m以上都可以铸造，见图7.2-6。可用于铸造的金属与合金的种类很多。从原理上讲，所有金属与合金都可以熔化成液体，能够用于铸造。但是金属材料的铸造性能有差别，实际生产中主要使用那些容易铸造的合金，如铸铁。铸造所用原材料价格较低，所以铸件生产成本较低。由于铸造具有如此突出的优点，所以才会经久不衰，且不断发展，直到现在仍然在制造业中得到广泛应用。图7.2-5具有复杂形状和内腔的铝合金铸件（汽车发动机箱体——压铸件）(引自：E.Paul,DeGarmo,MaterialsandProcessesinManufacturing)图7.2-660多吨重的大型铸件(引自：GregoryS.Graham,MetalworkingAnIntroduction)铸造生产过程较为复杂，铸件质量不易控制，铸件的力学性能较同种材料的锻压件差。但是，由于铸造工艺的不断改进，现代科技在铸造中的应用，以及一些新型铸造方法的出现和应用，这些缺点正在逐步被克服，铸件的力学性能、形状和尺寸精度、表面质量大大提高。这使得铸造的应用范围更加广泛。例如，原来用钢锻造的内燃机曲轴，已用球墨铸铁铸造生产，见图7.2-7。图7.2-7球墨铸铁曲轴（铸件）7.2.3砂型铸造砂型铸造(Sandcasting)是最基本、应用最普遍的铸造方法。其基本工艺过程如图7.2-8所示。图7.2-8砂型铸造基本工艺过程示意图型砂一般是由石英（SiO2）砂、粘结剂、水等混合而成。工业生产常用的粘结剂有粘土，水玻璃、树脂、植物油等。粘土砂、树脂砂主要用于铸铁件生产；水玻璃砂用于铸钢件生产；油砂则主要用于制造特殊的型芯，以形成铸件复杂的内腔。砂型铸造就是用配制好的型砂和模型来制作铸型（此过程称为造型）。在砂箱中将型砂舂紧，然后取出模型，合箱后就成为铸型。将熔炼好的金属液体浇注到铸型中，冷却凝固后，落砂、清理出铸件。砂型铸造的适应性很强，各种大小、形状的，各种合金的铸件都可以生产。一个铸型只能使用一次，造型耗费的时间较多；另外，工人的工作环境较差。7.2.4熔模铸造除了砂型铸造，其他还有许多种铸造方法，这些铸造方法统称为特种铸造。下面简单介绍几种常用的特种铸造方法。（以下几种铸造方法可以仅作一般性了解）熔模铸造(Investmentcasting)也称为精密铸造或失蜡铸造(Lost-waxcasting)。生产工艺过程如图7.2-9所示(具体生产工艺过程将在《金属工艺学》或《材料成型加工技术》课程中讲解，这里仅作简介）。图7.2-9熔模铸造工艺过程示意图与砂型铸造相比，熔模铸造有如下优点：由于没有分型面，所以能生产形状非常复杂的铸件；铸件精度和表面质量高；适用于各种合金铸件，特别适合高熔点、难加工、形状复杂的高合金钢铸件。如高速钢刀具，不锈钢叶片、叶轮等（图7.2-10）。图7.2-10用熔模铸造法生产的叶轮叶轮形状复杂，叶轮片很薄，用其他铸造方法难以制造。(引自：E.Paul,DeGarmo,MaterialsandProcessesinManufacturing)看更多的关于熔模铸造的图片，请点击更多图片。工序繁多，生产周期长，生产效率较低；铸件大小受限，一般不超过25kg；铸件生产成本较高。7.2.5压力铸造压力铸造(Diecasting)是用高的压力（比压为30~70Mpa）将金属液体压入金属铸型，并在压力下凝固成为铸件。生产率极高。原因是操作简便，自动化或半自动化生产。每小时可压铸50~500件。铸件质量高。包括铸件尺寸精度和表面质量高，铸件的力学性能高。这是因为铸件在高压下凝固，组织细密，所以强度硬度高。便于铸出形状复杂的薄壁铸件。图7.2-11是具有复杂形状和内腔的压铸件。图7.2-11铝合金压铸件(引自：E.Paul,DeGarmo,MaterialsandProcessesinManufacturing)设备投资大。包括压铸机（图7.2-12）和压型（模具），价格都很高。压铸合金一般都是低熔点合金，如铝合金、锌合金。这是因为压铸钢铁材料时，压型的寿命太短。由于金属液体充型和冷却速度太快，型腔内的气体难以排尽，铸件内往往有气孔存在。真空压铸可以解决气孔问题，但是抽真空会降低生产率。图7.2-12压铸机(引自：E.Paul,DeGarmo,MaterialsandProcessesinManufacturing)目前压力铸造主要用于大批量生产非铁合金铸件：铝合金约占30~60%，锌合金次之，铜合金约占1~2%。7.2.6其他铸造法金属型铸造(Permanentcasting)的铸型是用金属（大都是用钢）加工而成的，可以反复使用，因此，也称为永久型铸造。使用金属铸型省掉了造型工序，和砂型铸造相比大大提高了生产效率；同时，由于金属铸型对铸件的冷却速度快，所以也提高了铸件的力学性能。由于受铸型寿命问题的限制，金属型铸造主要用于铝合金、锌合金、镁合金、铜合金铸件的生产。离心铸造(Centrifugalcasting)是将金属液体浇入高速旋转的铸型中，在离心力的作用下充型和凝固从而获得铸件的方法。离心铸造分为立式和卧式两种基本形式。绕垂直轴旋转的称为立式，绕水平轴旋转的则叫做卧式。卧式离心铸造主要用于较长铸铁管件（如水管、汽缸的缸套等）的生产。图7.2-14为立式离心铸造生产火车轮的示意图，为了提高生产率，一次铸出5个车轮铸件。离心铸造主要适用于大批量生产的回转体铸件。图7.2-14火车轮的离心铸造示意图(引自：GregoryS.Graham,MetalworkingAnIntroduction)低压铸造(Pressurecasting)的工作原理见动画演示。保温坩埚炉用于熔炼和储存金属液，升液管与铸型型腔相通。铸型可以是金属型、干砂型或石墨型等。在压缩空气的压迫下，金属液在升液管中缓慢上升，直至充满型腔，并保持压力，使铸件在压力下凝固。铸件凝固后，卸去压力，升液管中未凝固的金属液在重力的作用下流回到坩埚中。取出铸件，安装好铸型，再进行下一件的生产。低压铸造原理演示金属液充型平稳，型腔内的气体容易排除。可以防止铸件生产缩孔、缩松缺陷，并且不需要安放冒口，从而提高了金属的利用率。铸件在压力下凝固，组织致密，力学性能高。所用设备比压铸机价格低得多，而且容易实现自动化操作。目前主要用于铝合金铸件的大批量生产，如汽缸体、汽缸盖、小汽车的车轮毂、活塞等。也可以用于球墨铸铁件，铜合金铸件的生产。7.2.7几种常用铸造方法的比较比较项目铸造方法砂型铸造熔模铸造金属型铸造压力铸造低压铸造A适用金属适用于任何金属：铸铁、铸钢、铸造有色金属。任何金属，以铸钢为主。基本不限制，考虑到金属铸型的使用寿命，常以有色金属为主。铝、锌、镁等低熔点合金。基本不限制，以有色金属为主。B铸件大小C最小壁厚D表面质量E内部质量F加工余量G生产批量H生产效率7.3.1概念及其基本生产方式压力加工(Forgingoperations)是利用金属在外力的作用下所产生的塑性变形(Plasticdeformation)，来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的生产方法。根据金属坯料变形时被加热的温度高低，压力加工分为热加工（Hotworking）和冷加工(Coldworking)。变形温度在再结晶温度(Recrystallizationtemperature)以上时，称为热加工或热变形；变形温度在再结晶温度以下时，则称为冷加工或冷变形。经过冷变形的金属强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象称为加工硬化（Strainhardening）。再结晶可以使加工硬化完全消除，所以热加工不会造成加工硬化。然而，由于金属经塑性变形后内部组织致密、晶粒细化，所以冷、热加工生产的毛坯或零件具有更高的力学性能。压力加工的基本生产方式有：7.3.2自由锻造自由锻造(Freeforging)是在锻造设备的上、下砧之间（或只是应用简单的通用性工具）直接使金属坯料发生变形的锻造方法。锻件(Forgepiece)的成形主要取决于操作工人的操作方法和技能。通用、灵活，大小锻件均可生产（小到不足1kg，大到300t以上）。（见图7.3-1,图7.3-2）由于自由锻造可以实现坯料的局部变形（而模型锻造是坯料整体变形），所以，对于大型或巨型锻件只能采用自由锻造法生产。锻件形状简单、尺寸精度低、表面粗糙，要求操作工人的技术水平高、且劳动强度大，生产效率比模型锻造低得多。图7.3-1典型自由锻造锻件的形状图7.3-2巨型自由锻锻件(引自：E.Paul,DeGarmo,MaterialsandProcessesinManufacturing)自由锻造的设备分为锻锤和液压机两类。锻锤对金属坯料施加的是冲击力，液压机则是使坯料在静压力下变形。工业上常用的锻锤有空气锤和蒸汽-空气锤（图7.3-3），空气锤可锻100kg以下的锻件，蒸汽-空气锤可锻1500kg以下的锻件，再大的锻件则需要用液压机了。液压机有水压机和油压机，大型水压机(图7.3-4)可锻造300t以上的锻件。图7.3-3蒸汽-空气锤(引