材料成型概论 经典课件.ppt

材料成型概论,1.1.1 材料的发展,材料是人类用来制造各种机器、构件和产品的物质，是人类生产和生活的物质基础。人类社会的发展伴随着材料的发明和发展，人类的文明史是按材料发展阶段划分的，材料是人类社会进步的里程碑。,材料在社会与社会发展中的地位,1.1.1 材料的发展,石器时代石器是用坚硬的容易纵裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。新石器时代（公元前6000 5000年）用粘土烧制成陶器。,铜器时代经历了25003000年在新石器时代后期开始使用天然金属，首先是铜。然后发现和认识了金属矿石尤其铜矿石（孔雀石）并在烧制陶器生产中创造了冶金技术。,1.1.1 材料的发展,铁器时代 经历了约3000年陨铁不如天然铜容易识别，约公元前3000年开始使用天然陨铁。铁的冶炼大约始于公元前1250年，人类的发展进入铁器时代。我国春秋战国时期（公元前770 221年）已开始大量使用人工铁器。,1.1.1 材料的发展,钢铁时代中国古代冶金铸造技术先进，但限于手工锻打，没有发展轧制技术。16世纪中叶，欧洲出现比林古桥的火法技艺和阿格里科拉的论冶金冶金文献。1740年炼钢和铸钢技术被突破后，钢铁开始蓬勃发展，伴随产业革命发展为人类社会的支柱工业。,1.1.1 材料的发展,这标志着18世纪前是铁的时代，18世纪后是钢的时代，也是冶金学形成的时代。这一时期钢铁工业的中心在欧洲，英国为代表。以后，随着冶金理论不断发展，新的技术、方法和装备不断被发明直至上世纪80年代。材料的品种、数量和质量代表现代化程度之一。,1.1.1 材料的发展,硅时代、新材料时代 在当代，科学技术和生产飞跃发展。材料、能源和信息作为现代技术的三大支柱，发展格外迅猛。材料的发展呈现出合成化、多元化、复合化，正向纳米化发展。,1.1.1 材料的发展,20世纪20年代出现人工合成高分子材料，到70年代中期有机合成材料与钢的体积产量相等。20世纪60年代半导体材料（晶体管、集成电路等）的出现，引发了计算机及信息产业的革命。20世纪90年代后期，开始新一代钢铁材料即超细化钢铁材料的研究。21世纪将是纳米材料时代。,鞍钢,新中国成立后，先后建起了鞍钢、马钢、宝钢等大型钢铁基地。粗钢产量由49年的15.8万吨上升到2011年粗钢产量的6.83亿吨,1996年：1亿吨2003年：2亿吨2008年：5.02 亿吨，世界钢产量13.3亿吨，占37.72011年：6.83 亿吨，世界钢产量15.3亿吨，占44.6当前的任务是：担负起世界钢铁生产中心的责任，从钢铁生产大国迈向钢铁技术强国！,中国,日本,美国,欧洲,中国,日本,美国,欧洲,近年来中国钢产量在世界的位置,材料成形的学科体系与重点,工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。按组成与结合键分：1、金属材料 2、无机非金属 3、有机高分子材料 4、复合材料,1.1.2 工程材料的分类,金属,无机非金属,材 料,钢铁,有色,重金属,轻金属,稀有金属,有机高分子,黑色,贵金属,特种陶瓷,传统陶瓷,塑料,橡胶,合成纤维,半金属,传统陶瓷、水泥、玻璃、耐火材料、搪瓷、砖瓦、琉璃、铸石、碳素材料，非金属矿,先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、磨料、无机涂层、无机纤维及其他们的复合材料等,复合材料,金属陶瓷,1.1.2 工程材料的分类(按成分分),以金属键结合为主;良好的导电性、导热性，强度、延展性，焊接性能好，耐热耐蚀性好和金属光泽;用量最大、应用最广泛。,金属材料,半金属:Si As Se 等,砷，硒,3.5g/cm3,3.5g/cm3,金属材料,以共价键和离子键为主；由金属元素和非金属元素或非金属元素之间组成的化合物，如氧化物、氮化物、碳化物；熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大，好的绝缘材料 分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类。,陶 瓷 材 料,高分子材料,以分子键和共价键为主;基于C、H元素的有机化合物，具有非常大的分子结构，塑性好、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小;分塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等五类。,包括：金属基复合材料 应用多;陶瓷基复合材料;高分子复合材料 应用多.,是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。,玻璃纤维增强高分子复合材料,复 合 材 料,1,黑色金属铁（钢）,分子式：Fe密 度：7.86g/cm3熔 点：1538Fe+(C，Si，S，P，Mn),Fe,铁,钢,铸铁工业纯铁,碳钢合金钢,1.1.2 工程材料的分类(按用途分),按领域分类：机械工程材料、建筑工程材料、能源工程材料、信息工程材料、生物工程材料等,功能材料,结构材料,1.1.2 工程材料的分类(按用途分),材料成型就是把不定形或初定形的原材料按一定方法加工成形状、尺寸和性能满足要求的产品。,1.2.1 材料成型的方法和特点,车，铣，刨，削，磨，钻,铸造，焊接，铆接，电解沉积，涂镀,轧制，锻造，冲压，拉拔，挤压,尺寸精确，表面光洁；耗料，能耗高，成本高，生产效率低，无法改善组织,原料消耗少，能制备复杂形状产品；缩孔，砂眼，偏析，机械性能差,无屑加工，产量高，效率高，改善产品组织，性能好；产品形状相对简单，设备投入较大，大多需要成型,1.2.1 材料成型的方法和特点,1.切削成型（机械加工）体积和质量减小；即由大质量的金属上面去除一部分质量而获得一定形状及尺寸的工件。如：车、铣、刨、削、磨、钻等,1.2.1 材料成型的方法和特点,2.铸造、连接成型（焊接、铆接）、电解沉积、涂镀、粉末冶金等体积或质量增大。即由小质量的金属逐渐积累成大质量的产品。如铸造、铆焊等。,1.2.1 材料成型的方法和特点,3.塑性成型体积和质量不变；即利用金属的塑性，对金属施加一定的外力作用使金属产生塑性变形，获得一定形状、性能和尺寸的产品金属塑性（压力）加工。如：轧制、挤压拉拔、锻造、冲压。,1.2.1 材料成型的方法和特点,4.组合成型 上述几种成型方法的联合使用。如液态铸轧方法，是铸造与轧制方法的联合；辊锻加工是轧制和锻造方法的联合。,1.2.1 材料成型的方法和特点,结构、性能、成分与加工工艺四者之间的关系,1.2.2 材料的关键要素,1.加工工艺,在材料塑性加工成型时，一方面改变了材料外部形状，内部组织结构发生了变化，另一方面也改变了材料性能。例如，一根金属丝当它通过模具拉拔时，它的直径减小了，同时本身也强化和变硬了。在一般作为导电体用的铜丝中是不希望这种硬化的；而在生产子午线轮胎中的钢丝时恰恰是利用这个过程来实现材料的强化。,1.2.2 材料的关键要素,1.2.2 材料的关键要素,2.成分/组织结构,1.2.2 材料的关键要素,2.成分/组织结构,材料的性能取决于材料的成分和内部结构.组织结构：表示材料微观特征的。组织是相的形态、分布的 图象；结构是指材料中原子或分子的排列方式。宏观组织 用肉眼或用放大几十倍的放大镜所观察到的 组织称低倍组织；显微组织 100-2000倍显微镜观察到的组织称高倍组织；电镜组织 用放大几千倍到几十万倍的电子显微镜所观 察到的组织称精细组织.,1.2.2 材料的关键要素,3.性能 Properties,材料的性能包括使用性能、工艺性能、环保性能和经济性。使用性能:材料在使用条件下表现出来的性能，包括机械(力学)性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命.,材料的使用性能,物理性能:密度,熔点,电性能,磁性能,光学性能,导热性等.化学性能:指材料在不同条件下抵抗各种化学作用的性能.耐腐蚀性能,高温抗氧化性能,抗老化性能,降解性能等.力学性能:指材料在力的作用下表现出来的各种性能.抗拉强度,断裂韧性,疲劳强度,抗蠕变强度,硬度等.,材料的工艺性能,材料在塑性加工过程中所表现的性能。（冷热加工条件和环境下）金属材料工艺性能的好坏，决定了它在塑性加工中加工成形的适应能力.包括铸造性能,锻造性能,切削性能,焊接性能,热处理性能,冲压成形性能等.,材料的工艺性能,铸造性能:铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的能力。对金属材料而言，铸造性主要包括流动性、收缩率、偏析倾向等指标。流动性好、收缩率小、偏析倾向小的材料其铸造性也好。锻造性能:锻造性能是指材料是否易于进行压力加工的性能。锻造性能的好坏主要以材料的塑性和变形抗力来衡量。一般来说，钢的可锻性较好，而铸铁不能进行任何压力加工。,材料的工艺性能,切削性能:切削性能是指材料是否易于切削加工的性能。它与材料种类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。有利切削的硬度为HB160230，切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁。金属和塑料相比，切削工艺有不同的要求。焊接性能:焊接性能是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能，一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。低碳钢具有优良的可焊性，而铸铁和铝合金的可焊性就很差。,第二章 锻压,21 概述22 金属的加热和锻件冷却23 自由锻24 模锻25 冲压,锻压对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。,一、锻造二、冲压,一、锻造,锻造在加压设备及工（模）具的作用下，使金属坯料或铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得一定几何形状、尺寸和质量的锻件的加工方法。锻件金属材料经过锻造变形而得到的工件或毛坯。,自由锻,模锻,锻件,锻造特点：改善金属的内部组织，提高金属的力学性能 具有较高的劳动生产率 适应范围广 可以大大地节省金属材料和减少切削加工工时 不能锻造形状复杂的锻件,二、冲压,冲压使板料经分离或成形而得到制件的工艺。冲压件用冲压的方法制成的工件或毛坯。,冲压的特点：,在分离或成形过程中，板料的厚度变化很小，内部组织也不产生变化。生产效率很高，易实现机械化、自动化生产。冲压制件尺寸精确，表面光洁，一般不再进行加工或仅按需要补充进行机械加工即可使用。适应范围广，从小型的仪表零件到大型的汽车横梁等均能生产，并能制出形状较复杂的冲压制件。冲压使用的模具精度高，制造复杂，成本高，所以主要适用于大批量生产。,三、压力加工简介,轧制 拉拔 挤压,22 金属的加热和锻件冷却,一、锻造温度范围二、锻件的冷却方法,金属加热的目的：提高塑性，降低变形抗力，并使内部组织均匀。,1始锻温度开始锻造的温度。2终锻温度终止锻造的温度。3锻造温度范围锻件的始锻温度到终锻温度的温度间隔。4加热速度加热时坯料表面温度升高的速度（/h）。,一、锻造温度范围,二、锻件的冷却方法,1冷却规范,冷却规范冷却过程中温度与时间的关系。,2冷却方式,空冷：热态锻件在空气中冷却 堆冷：将热态锻件成堆放在空气中进行冷却 坑冷：将热态锻件放在地坑（或铁箱）中缓慢冷却 灰砂冷：将热态锻件埋入炉渣、灰或砂中缓慢冷却 炉冷：锻后锻件放入炉中缓慢冷却,23 自由锻,一、加热炉二、自由锻设备三、自由锻方法四、自由锻常见缺陷五、自由锻实例,自由锻只用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧间直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件的锻造方法。,二、自由锻设备,常用设备有空气锤和水压机。,水压机,空气锤,三、自由锻方法,自由锻的工序：基本工序、辅助工序和精整工序。自由锻的基本工序：镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割。,1镦粗和局部镦粗,镦粗使毛坯高度减小、横断面积增大的锻造工序。局部镦粗在坯料上某一部分进行的镦粗。,2拔长,拔长使毛坯横断面积减小、长度增加的锻造工序。,沿螺旋线翻转法,反复90翻转法,3心棒拔长和扩孔,扩孔减小空心毛坯壁厚而增大其内径和外径的锻造工序。,心棒拔长在空心毛坯中加心棒进行变形以减小空心毛坯外径（即壁厚）而增加其长度的锻造工序。,冲头扩孔,心轴扩孔,4冲孔,冲孔在坯料上冲出透孔或不透孔的锻造工序。,双面冲孔 单面冲孔,5弯形,弯形采用一定的工模具将毛坯弯成所规定外形的锻造工序。,1成形压铁2坯料 3成形垫铁,自由弯形,成形弯形,6切割,切割把板材或型材等切成所需形状和尺寸的坯料或工件的锻造工序。,单面切割 双面切割和四面切割 圆料切割,四、自由锻常见缺陷,裂纹 末端凹陷 轴心裂纹 折叠,末端凹陷和轴心裂纹,折叠,模锻利用模具使毛坯变形而获得锻件的锻造方法。,一、胎模锻二、模锻,一、胎模锻,1特点,胎模锻在自由锻设备上使用可移动模具生产锻件的一种锻造方法。,自由锻简单、灵活能制造形状复杂、尺寸准确锻件适用于小批量生产中用自由锻成形困难、模锻又不经济的复杂形状锻件的生产,（2）成形模,套模,合模,二、模锻,1模锻设备 常用的横锻设备有模锻空气锤、螺旋压力机、平锻机等。2锻模及模膛 锻模模锻时使坯料成形而获得模锻件的工具。,一、冲压常用设备二、分离工序三、成形工序,一、冲压常用设备,机械压力机,剪切机,二、分离工序,分离工序使板料的一部分和另一部分分开的工序，包括冲裁和切断。,1冲裁,冲裁利用冲模将板料以封闭的轮廓与坯料分离的一种冲压方法。,落料：利用冲裁取得一定外形的制件或坯料的冲压方法。冲孔：将冲压坯料内的材料以封闭的轮廓分离开来，得到带孔制件的一种冲压方法。,落料,冲孔,2切断,切断将板料沿不封闭的曲线分离的一种冲压方法。分切断和切口。,切断：两部分板料沿不封闭曲线完全分离。切口：两部分板料沿不封闭曲线部分地分离，且分离部分的材料发生弯曲。,切口,三、成形工序,成形工序使板料发生塑性变形，以获得规定形状工件的工序，包括弯形和拉深。,第3部分 焊接,焊接方法的种类很多，按照焊接过程的物理特点可分为熔焊、压焊和钎焊三类。常用焊接方法有:,熔焊,堆焊与喷涂,高能焊,电渣焊,电弧焊,气焊,激光焊,电子束焊,等离子弧焊,气体保护焊,埋弧焊,焊条电弧焊,压焊,摩擦焊,扩散焊,电阻焊,超声波焊,爆炸焊,对焊,点焊,缝焊,钎焊,真空钎焊,感应钎焊,炉中钎焊,电阻钎焊,盐浴钎焊,火焰钎焊,烙铁钎焊,4.2.1 熔焊,4.2.1.1 焊条电弧焊,焊条电弧焊是利用电弧作为热源，手工操纵焊条进行焊接的方法，又称手工电弧焊。手工电弧焊的特点：1）设备简单、操作灵活；2）可焊接多种金属材料；3）室内、外焊接效果相近；4）对焊工操作水平要求较高，生产率较低。,4.2.1.2 埋弧焊,埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，其电弧的引燃、焊条送进和电弧移动都采用机械来完成。1.埋弧焊设备 埋弧焊设备由焊接电源、焊车、控制箱三部分组成。焊车由送丝机头、行走小车、控制盘、焊丝盘和焊剂漏斗等组成。2.埋弧焊的焊接过程及工艺埋弧焊焊丝从导电嘴深处长度较短，故可采用大电流焊接，比手工电弧焊高4倍，故适宜焊接较厚材料，也可焊接大直径筒体。,气体保护焊是用外加气体作为电弧介质并保护电弧区的熔滴和熔池及焊缝的电弧焊。常用保护气体有惰性气体（氩气、氦气和混合气体）和活性气体（二氧化碳气）两种，分别成为惰性气体保护焊和CO2焊。,4.2.1.3 气体保护电弧焊,4.2.1.4 电渣焊 电渣焊是利用电流通过熔渣产生的熔渣电阻热加热熔化母材与电极（填充金属）的一种焊接方法。按电极形状可分为丝极电渣焊、板极电渣焊、熔嘴电渣焊和熔管电渣焊。丝极电渣焊焊接过程为先引弧，形成渣池，电弧过程变为电渣过程，熔化金属凝固成形。,电渣焊的特点:1）可一次焊成很厚的焊缝；2）生产率高，焊接材料消耗少，不需开坡口；3）焊缝金属较纯净，渣池覆盖住熔池，保护良好，有利于气体和杂质浮出；4）接头金属在高温下停留时间长，过热区大，接头金属组织粗大，焊后应进行正火处理。,4.2.1.5 高能焊,高能焊是利用高能量密度的束流，如等离子弧、电子束、激光束等作为焊接热源的熔焊方法。,1.等离子弧焊和切割1）等离子弧的产生。2）等离子切割3）等离子弧焊接,等离子弧焊用于航空航天等军工和尖端工业技术的铜及铜合金、钛及钛合金、合金钢、不锈钢、钼等金属的焊接。,2.电子束焊 电子束焊是利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接的方法。电子束焊不需要加焊丝。电子束焊可分为：1）真空电子束焊。把工件放在真空室内，利用在真空室内产生的电子束经聚焦和加速，撞击工件后动能转化为热能的一种熔化焊。需严格除锈和清洗。2）低真空电子束焊。使电子束通过隔离阀及气阻孔道进入焊接工作室。工作室的真空度保持在1 13Pa。,3）非真空电子束焊，将真空条件下形成的电子束流经过充氦的气室，然后与氦气一起进入大气的环境中施焊。电子束焊的特点：1）保护效果极佳，焊接质量好；2）能量密度大；106 108W/cm2；3）焊接变形小；4）焊接工艺参数调节范围广，适应性强；5）设备复杂，造价高，焊件尺寸受真空室限制。,电子束焊用于原子能、航空航天等军工尖端技术部门的特殊材料和结构的焊接；也用于大批量生产和流水线生产，如齿轮组合件、轴承等。,3.激光焊与切割 1）激光焊：利用聚焦后的激光束的高能量密度（1013W/cm2)，对工件进行焊接。分为脉冲激光焊接和连续激光焊接。2）激光焊的特点：能量密度大，适合于高速加工，能避免热损伤和焊接变形；灵活性比较大；激光辐射放出能量极其迅速，不仅焊接生产率高，而且被焊材料不易氧化，可以在大气中焊接，不需真空环境或气体保护；装置复杂，效率较低。,4.堆焊与喷涂1）堆焊：为增大或恢复焊件尺寸，或使焊件表面获得具有特殊性能的熔敷金属而进行的焊接。有振动电弧堆焊、等离子弧堆焊、气体保护堆焊和电渣堆焊等。2）堆焊加工的特点与应用：采用堆焊修复已失去精度或表面破损的零件，可节省材料、费用、工时，延长零件使用寿命；堆焊层的特殊性能可提高零件表面耐磨、耐热、耐蚀等性能，发挥材料的综合性能和工作潜力；具有明显的异种金属焊接特点，对焊接工艺及其参数要求较高。堆焊应用于机械产品的制造和维修，在冶金机械、重型机械、汽车、动力机械、石油化工设备等领域有广泛应用。,3）喷涂：将金属粉末或其他物质熔化，并用压缩空气将其以雾状喷射到被加工工件的表面上，形成覆盖层的工艺方法。使材料表面具备防腐、导电、耐蚀、耐热、外形美观。常用热喷涂的热源为氧乙炔、电弧、等离子弧、电子束、激光束等；喷涂材料可用低熔点金属和高熔点金属以及各种合金、金属氧化物、碳化物、非金属陶瓷、塑料等。常用喷涂方法有氧乙炔焰喷涂、氢氧焰喷涂、等离子弧喷涂等。4）喷涂特点：加热温度较低，工件表面温升较小，对工件组织和性能影响小；可喷涂加工的对象广泛，金属和大部分非金属均可；操作工艺过程简单，零件大小不受限制。,4.2.2 压焊,压焊是指在加热或不加热状态下对组合焊件加压，使其产生塑性变形，并通过再结晶和扩散等作用，使两个分离表面的原子达到形成金属键而连接的焊接方法。常用的有电阻焊和摩擦焊。,4.2.2.1 电阻焊,电阻焊是利用电流通过焊接接头的接触面及邻近区域产生的电阻热，把焊件加热到塑性或局部熔化状态，再在电极压力作用下形成接头的一种焊接方法。电阻焊可分为点焊、缝焊、对焊。,1.点焊 点焊：是利用电流通过两圆柱形电极和搭接的两焊件产生电阻热，将焊件加热并局部熔化，形成一个熔核（其周围为塑性状态），然后在压力下熔核结晶，形成一个焊点的焊接方法。点焊的主要焊接参数是电极压力、焊接电流和通电时间。压力过大、电流过小，会使热量少，焊点强度下降；压力过小、电流大会使热量大而不稳定，易飞溅，烧穿。点焊时会发生点焊分流现象，故焊点间距不宜过小。,2.缝焊 缝焊与点焊同属于搭接电阻焊，焊接过程与点焊相似，采用滚盘作电极，边焊边滚，相邻两个焊点重叠一部分，形成一条有密封性的焊缝。焊接分流现象较严重，故同等条件下焊接电流较大，主要用于有密封性要求的薄板件。,3.对焊 对焊是利用电阻热将焊件断面对接焊合的一种电阻焊，可分为电阻对焊和闪光对焊。,1）电阻对焊：先加预压，使两端面压紧，再通电加热，使待焊处达到塑性温度后，再断电加压顶锻，产生一定塑性变形而焊合。适于截面简单、直径小于20mm和强度要求不高的杆件。2）闪光对焊：两焊件不接触，先加电压，再移动焊件使之接触，由于接触点少，其电流密度很大，接触点金属迅速达到熔化、蒸发、爆破，呈高温颗粒飞射出来，称为闪光；经多次闪光加热后，端面均匀达到半熔化状态，同时多次闪光把端面的氧化物也清除干净，于是断电加压顶锻，形成焊接接头。对焊断面形状应相近，以保证断面均匀加热。其焊接质量较高，常用于重要零件焊接。,铸造概述,铸造是将通过熔炼的金属液体浇注入铸型内，经冷却凝固获得所需形状和性能的零件的制作过程。铸造是常用的制造方法，优点是：（1）适应性广，工艺灵活性大（2）最适合形状复杂的箱体（3）成本较低（铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近）缺点：生产环境噪声大，温度高，易产生粉尘等颗 粒，污染环境,铸造分类,铸造按原材料可分成黑色铸造和有色铸造两类。黑色铸造可分为：灰铸铁、球墨铸铁等。有色铸造可分为：铸铝、铸镁、铸铜等。,铸造分类,铸造从造型方法来分，则可分为 砂型铸造和特种铸造两大类。其中特种铸造又包含 金属型铸造 压力铸造、低压铸造、离心铸造 陶瓷型铸造 实型铸造（消失模铸造）等。,砂型铸造,砂型铸造是传统的铸造方法，它适用于各种形状、大小及各种常用合金铸件的生产。砂型铸造工艺 如下：,砂型铸造中的最重要的两道工序 造型 造（制）芯。造型是砂型铸造最基本的工序，通常分为 手工造型 机器造型两大类。,特种铸造：铸型用砂较少或不用砂、采用特殊工艺装备进行铸造的方法，如金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造和实型铸造。特点 特种铸造具有铸件精度和表面质量高、铸件内在性能好、原材料消耗低、工作环境好等优点。但铸件的结构、形状、尺寸、重量、材料种类往往受到一定限制。,特种铸造,低压铸造 使液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。工艺过程 在密封的坩埚（或密封罐）中，通入干燥的压缩空气，金属液在气体压力的作用下，沿升液管上升，通过浇口平稳地进入型腔，并保持坩埚内液面上的气体压力，一直到铸件完全凝固为止。然后解除液面上的气体压力，使开液管中未凝固的金属液流坩埚，再由气缸开型并推出铸件。,一、低压铸造,特点：（1）浇注时的压力和速度可以调节，故可适用于各种不同铸型（如金属型、砂型等），铸造各种合金及各种大小的铸件。（2）采用底注式充型，金属液充型平稳，无飞溅现象，可避免卷入气体及对型壁和型芯的冲刷，提高了铸件的合格率。（3）铸件在压力下结晶，铸件组织致密、轮廓清晰、表面光洁，力学性能较高，对于大薄壁件的铸造尤为有利。（4）省去补缩冒口，金属利用率提高到9098%。（5）劳动强度低，劳动条件好，设备简易，易实现机械化和自动化。,一、低压铸造,低压铸造模具 有金属型和非金属型两类。金属型 多用于大批、大量生产的有色金属铸件非金属铸型 多用于单件小批量生产，如砂型，石墨型，陶瓷型和熔模型壳等都可用于低压铸造,一、低压铸造,低压铸造的工艺1）充型和增压2）充型压力和充型速度 3）增压和增压速度 4）保压时间 5）铸型温度及浇注温度 6）涂料,金属压铸是压力铸造的简称。将熔融的液态金属注入压铸机的压室，通过压射冲头的运动，使液态金属在高压作用下，高速通过模具浇注系统填充型腔，在压力下结晶并迅速冷却凝固形成压铸件。高压和高速是压铸工艺的重要特征。,二、压力铸造,实型铸造，又称为消失模铸造。采用聚苯乙烯发泡塑料模样代替普通模样，造好型后不取出模样就浇入金属液，在金属液的作用下，塑料模样燃烧、气化、消失，金属液取代原来塑料模所占据的空间位置，冷却凝固后获得所需铸件的铸造方法。其工艺过程如图所示。,三、实型铸造,优点（1）采用了遇金属液即气化的泡沫塑料模样，无需起模（2）减少了加工装配时间，可降低铸件成本10%30%（3）造型效率比砂型铸造提高25倍。缺点：实型铸造的模样只能使用一次用途：实型铸造主要用于不易起模等复杂铸件的批量,三、实型铸造特点,金属型铸造：将液体金属在重力作用下浇入金属铸型，以获得铸件的一种方法。1、金属型的结构与材料 根据分型面位置的不同，金属型可分为垂直分型式、水平分型式和复合分型式三种结构，其中垂直分型式金属型开设浇注系统和取出铸件比较方便，易实现机械化，应用较广,四、金属型铸造,2、金属型的铸造工艺措施由于金属型导热速度快，没有退让性和透气性，为了确保获得优质铸件和延长金属型的使用寿命，必须采取下列工艺措施：（1）加强金属型的排气（2）表面喷刷防粘砂涂料（3）预热金属型（4）开 型,铸造主要件缺陷 多肉类：飞边，毛刺，涨砂，掉砂等；孔洞类：气孔，针孔，缩孔，疏松等；裂纹冷隔类：冷裂，热烈，冷隔等；残缺类：浇不足，型漏等；形状重量类：错型，偏芯等；夹杂类：夹渣，砂眼等；,铸造常见缺陷与控制,特征 主要产生在分型面及砂芯结合面，通常为垂直于铸件表面的厚度不均匀的薄片状金属突起物。形成原因 间隙过大，模具变形等防止措施 定期维护模具工装，检测合箱间隙是否正常,飞边,特征 铸件表面的形状不规刺状金属突起物。形成原因 型、芯砂性能低下，组织疏松，易开裂，搬运过程中产生开裂等；防止措施 严格按照生产工艺进行混砂，烘干温度和浇铸温度不宜过高，适当增加拔模斜度，在搬运过程中防止破坏砂芯等。,毛刺,特征：涨砂由于铸件局部涨大而引起。冲砂由于砂子被冲刷掉而形成，冲刷掉的砂子常常在铸件上部形成砂眼。铸件表面的形状不规刺状金属突起物。掉砂是局部砂块掉落形成金属突起。,涨砂，冲砂，掉砂,形成原因：涨砂 砂子紧实度不够，湿度过高，强度不均冲砂 浇铸系统设计不合理，受到金属液冲刷时间过长掉砂：型、芯过硬化，脆化失去强度,涨砂，冲砂，掉砂,形成原因气孔：出现在铸件内部或表层，截面呈圆形，椭圆形，腰圆形，梨形或针头形，独立存在或成群分布的空洞。缩孔 铸件在凝固过程中因补缩不良而在热节或最后凝固部位形成的宏观孔洞。缩松 疏松是细小的分散缩孔。缩松的宏观断口形貌呈海绵状，有时需要放大镜才能发现。疏松：铸件凝固缓慢区域因微观补缩通道堵塞而在枝晶间及枝晶的晶臂之间形成的细小孔洞。,气孔，缩孔，缩松，疏松,形成原因夹渣 铸件表面或内部由渣熔引起的非金属夹杂物，形状不规则。夹渣经常与气孔或缩孔共生，伴有气孔或缩孔的夹渣称为渣气孔或渣缩孔。砂眼 铸件内部或表面包裹有砂粒、砂块或涂料块的孔洞。,夹渣、砂眼,起皮 是压铸中的常见缺陷，由于高速填充，快速冷却，型腔中气体来不及排除，常有气孔及氧化夹杂物存在。高温时气孔内的气体膨胀会使压铸件表面鼓泡。控制方法 可通过改善压铸的排气系统或采用真空压铸的方式。,起皮,钢铁材料及热处理,钢？铁？按有无共晶转变碳含量：c 2.11%铸铁 c=2.11%1148 奥氏体最大溶碳量 c=2.11%727 铁素体最大溶碳量,钢分类：碳素钢、合金钢碳素钢：c 0.25%低碳钢 c=0.25%0.6%中碳钢 c 0.6%高碳钢合金钢：5%低合金钢=5%10%中合金钢 10%高合金钢,采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。钢号中化学元素采用国际化学符号表示，例如Si,Mn,Cr 等。混合稀土元素用“RE”（或“Xt”）表示。产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，一般采用汉语拼音的缩写字母表示。钢中主要化学元素含量（%）采用阿拉伯数字表示。字母意义见下表,二、我国钢铁产品牌号表示方法标准号GB/T221,1.总则,表1 产品名称、用途、特性个工艺方法表示符号,质量等级：A、B、C、D、E,由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。意义：Q-代表钢材的屈服点，数字表示屈服点数值（单位MPa）例如Q235表示屈服点s=235MPa的碳素结构钢。必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。质量等级符号分别为A、B、C、D、E；脱氧方法符号：F表示沸腾钢；b表示半镇静钢；Z表示镇钢；TZ表示特殊镇静钢。如平均含碳量为0.08%的沸腾钢，其牌号表示为“08F”；平均含碳量为0.1%的半镇静钢，其牌号表示为“10b”；,2.我国钢铁牌号,2.1碳素结构钢,专门用途的碳素钢，例如桥梁钢、船用钢等，基本上采用碳素结构钢的表示方法，但在钢号最后附加表示用途的字母。注：镇静钢可不标符号，即Z和TZ都可不标。例如 Q235-AF表示A级沸腾钢。碳素结构钢牌号表示为：Q235AF,Q235BZ；低合金高强度结构钢牌号表示为：Q345C，Q345D。,阿拉伯数字和元素符号、表1中规定的符号组合成牌号。钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示。例如平均碳含量为 0.45%的钢，钢号为“45”锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出。平均含碳 量为0.50%，含锰量为0.70%1.00%的钢，其牌号表示为“50Mn”镇静钢S、P分别0.035%一般不标符号。例如：平均含碳 量为0.45%的镇静钢，其牌号表示为“45”。高级优质碳素结构钢S、P分别0.03%，在牌号后加符号“A”。例如：平均含碳量为0.45%的高级优质碳素结构钢，其牌号表示为“45A”。,2.2优质碳素结构钢,钢号冠以“T”，以免与其他钢类相混。钢号中的数字表示碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。例如“T 8”表示平均碳含量为 0.8%。锰含量较高者，在钢号最后标出“Mn”，例如“T8Mn”。高级优质碳素工具钢的磷、硫含量，比一般优质碳素工具钢低，在钢号最后加注字母“A”，以示区别，例如“T8MnA”。,2.3碳素工具钢,2.4易切削钢,钢号冠以“Y”，以区别于优质碳素结构钢。字母“Y”后的数字表示碳含量，以平均碳含量的万分之几表示。例如：平均碳含量为 0.3%的易切削钢，其钢号表示为“Y30”；平均含碳量为0.15的易切削钢，其牌号表示为“Y15”。锰含量较高者，在钢号后标出“Mn”，例如：平均含碳量为0.40%，含锰量为1.201.55的易切削钢，其牌号表示为“40Mn”。含钙、铅等易切削元素的易切削钢，在符号“”和阿拉伯数字后加易切削元素符号。例如：“Y45Ca”、“Y15Pb”,合金结构钢牌号采用阿拉伯数字和化学元素符号表示。用两位阿拉伯数字表示平均含碳量（以万分之几计），放在牌号头部。合金元素含量表示方法为：平均含量小于1.50%时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量；,2.5合金结构钢,钢中主要合金元素以百分之几表示（除个别微合金元素外）。合金元素含量表示方法为：平均含量小于1.50%时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量；平均合金含量为1.50%2.49%、2.50%3.49%、3.50%4.49%、4.50%5.49%、时，在合金元素后相应写成、。例如：碳、铬、锰、硅的平均含量分别为0.30%、0.95%、0.85%、1.05%的合金结构钢，当S、P含量分别0.035%时，其牌号表示为“30CrMnSi”,钢中的钒V、钛Ti、铝AL、硼B、稀土RE 等合金元素，均 属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。例如 20MnVB 钢中。钒为 0.07-0.12%，硼为 0.001-0.005%。高级优质合金结构钢 S、P含量分别0.025，在牌号尾部加符号“”表示以区别于一般优质钢。例如：“30CrMnSiA”。特级优质合金结构钢 S0.015、P0.025，在牌号尾部加符号“”，例如：“30CrMnSiE”。专门用途的合金结构钢，钢号冠以（或后缀）代表该钢种用途 的符号。例如，铆螺专用的 30CrMnSi 钢，钢号表示为：ML30CrMnSi。,钢号的表示方法，基本上和合金结构钢相同。对专业用低合金高强度钢，应在钢号最后标明。例如 16Mn 钢，用于桥梁的专用钢种为“16Mnq”，汽车大梁的专用钢种为“16MnL”，压力容器的专用钢种为“16MnR”。,2.6低合金高强度钢,弹簧钢按化学成分可分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢两类，碳素弹簧钢基本上与优质碳素结构钢相同。合金弹簧钢牌号的表示方法与合金结构钢相同。例如：碳、硅、锰的平均含量分别为0.60、1.75、0.75的弹簧钢，其牌号表示为“60Si2Mn”。高级优质弹簧钢，在牌号尾部加符号“”，其牌号表示为“60Si2MnA”,2.7 弹簧钢,钢号冠以字母“G”，表示滚动轴承钢类。高碳铬轴承钢钢号的碳含量不标出，铬含量以千分之几表示。例如 GCr15。渗碳轴承钢的钢号表示方法，基本上和合金结构钢相同。,2.8 滚动轴承钢,合金工具钢的平均碳含量 1.0%时，不标出碳含量，例如 Cr12、CrWMn；当平均碳含量1.0%时，以千分之几表示。例如 9SiCr、3Cr2W8V。,2.9合金工具钢和高速工具钢,钢中合金元素含量的表示方法，基本上与合金结构钢相同。但对铬含量较低的合金工具钢钢号，其铬含量以千分之几 表示，并在表示含量的数字前加“0”，以便把它和一般 元素含量按百分之几表示的方法区别开来。例如1：Cr06。例如2：平均含碳量为1.60%，含铬11.75%、钼0.5%，钒 0.22%的合金工具钢，其牌号表示为“Cr12MoV”；,高速工具钢的钢号一般不标出碳含量，只标出各种合金元 素平均含量的百分之几。例如钨系高速钢的钢号表示为“W18Cr4V”。钢号冠以字母“C”者，表示其碳含量高于未 冠“C”的通用钢号。例如：平均含碳量为0.85，含钨、钼、铬、钒含量分别为6.00、5.00、4.00、2.00的高速工具钢，其牌号表示为“W6MoV5Cr4V2”。,一般用一位阿拉伯数字表示平均含碳量（以千分之几计）当平均含碳量1.00%时，用两位阿拉伯数字表示；当含碳量上限0.10%时，以“0”表示含碳量；当含碳量上限0.03%，0.01%时超低碳，以“0.3”表示含碳量；当含碳量上限0.01%时极低碳，以“01”表示含碳量。含碳量没有规定下限时，采用阿拉伯数字表示含碳量的上限数字。合金元素含量表示方法同合金结构钢（对钢中主要合金元素以百分之几表示）。老标准：若钢中含碳量0.03%或0.08%者,钢号前分别冠以“00”及“0”表示之。例如 00Cr17Ni14Mo2、0Cr18 Ni9 等,2.10 不锈钢和耐热钢,例如：平均含碳量为0.2%，含铬量为13%的不锈钢，其牌号为“2Cr13”；含碳量上限为0.08%，平均含铬18%，含镍9%的铬镍不锈钢，其牌 号表示为“0Cr18Ni9”；含碳量上限为0.12%，平均含铬17%的加硫易切削铬不锈钢，其牌 号表示为“Y1Cr17”；平均含碳量为1.10%，含铬17%的高碳铬不锈钢，其牌号表示为“11Cr17”；含碳量上限为0.03%，平均含铬19%，含镍10%的超低碳不锈钢，其牌号表示为“03Cr19Ni10”；含碳量上限为0.01%，平均含铬量为19%，含镍量为11的极低碳不 锈钢，其牌号表示为“01Cr19Ni11”。,合金元素在钢中的作用,镍：增加强韧性、耐蚀性、耐磨性、弹性细述和低温冲击抵抗性铬：增加耐磨性、耐蚀性及高温强度钨：增加耐磨性及高温强度、硬度硅：增加耐热性、耐蚀性；低合金钢之强度增加，增加电磁气性质锰：高温之抗拉强度、硬度增加，防止因硫而产生的脆性钼：作用与钨相同，但效果大两倍钴：增加硬度与磁性钒：增加韧性、耐磨性、淬火性钛：增加耐高温强度及对海水的耐蚀性铜：增加在空气中之抗氧化性及抗蚀性铝：增加流动性磷：增加耐蚀性，但超过0.1时会有热脆性硫：增加钢的切削性及热脆性，但一般含量要少,焊接用钢包括焊接用碳素钢、焊接用合金钢和焊接用不锈钢等，其牌号表示方法是在各类焊接用钢牌号头部加符号“H”。例如：“H08”、“H08Mn2Si”、“H1Cr18Ni9”。高级优质焊接用钢，在牌号尾部加符号“A”。例如：“H08A”、“8Mn2SiA”。,2.11 焊条钢,钢号由字母和数字组成。钢号头部字母 DR 表示电工用热轧硅钢，DW 表示电工用冷轧无取向硅钢，DQ 表示电工用冷轧取向硅钢。字母之后的数字表示铁损值（W/kg）的100 倍。钢号尾部加字母“G”者，表示在高频率下检验的；未加“G”者，表示在频率为 50 周波下检验的。例如：钢号 DW470 表示电工用冷轧无取向硅钢产品在50赫频率时的最大单位重量铁损值为 4.7W/kg。,2.12 电工用硅钢,它的牌号由字母“DT”和数字组成，“DT”表示电工用纯 铁，数字表示不同牌号的顺序号，例如DT3。在数字后面所加的字母表示电磁性能