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设计材料及加工工艺,08级工业设计专业,水轮机整铸转轮,“神舟”号载人飞船和长征系列运载火箭的燃料箱（全焊接铝合金结构）,6.1 金属材料的固有特性（了解）6.2 金属材料的工艺特性（掌握）金属材料的成型加工金属材料的热处理金属材料的表面处理技术6.3 常用的金属材料（掌握）产品造型设计中常用的黑色金属产品造型设计中常用的有色金属6.4 金属材料在设计中的应用,第六章 金属材料及加工工艺,本章内容及学习目标：,6.1 金属材料的固有特性（掌握）金属材料是金属及其合金的总称。具体讲，就是钢、铁、有色金属及它们的合金。它仍是现代产品设计中的一大主流材质。,金属材料的特性表现在以下几个方面：1.几乎都是具有晶格结构的固体，由金属键结合而成；2.是电与热的良导体；3.表面具有金属所特有的色彩与光泽；4.具有良好的延展性；5.可以与其他金属或非金属在熔融态下形成合金，以改善金属的性能。6.除了贵金属之外，几乎所有金属的化学性能都较活泼，易氧化而生锈，产生腐蚀。故金属产品表面都要进行保护处理。,6.2 金属材料的工艺特性（掌握）,金属材料有良好的工艺性能，可通过各种变形手段实现产品的各种造型。了解金属材料的工艺特性是设计师快速并可靠地实现设计构思的一个重要途径。6.2.1 金属材料的成型加工 1.铸造工艺 2.塑性加工 3.切削 4.焊接,1.铸造工艺定义：指将熔融金属浇入到铸型腔后，冷却凝固成为具有一定形状铸件的工艺方法。分类：铸造按铸型材料及浇注方式分为砂型、熔模、金属型、压力铸造等。常用的铸造材料：铸铁、铸钢（含碳量低于0.65%的钢）、铸铝、铸铜等，通常根据不同的使用目的、使用寿命和成本等方面来选用铸件材料。,铸造工艺特点,（1）适应性广。适应铸铁，碳钢，有色金属等材料；铸件大小，形状和重量几乎不受限制；壁厚1mm到1m。（2）可复杂成形。适合形状复杂，尤其是有复杂内腔的毛坯或零件。（3）成本较低。与其它工艺方法相比，铸造成型生产成本低，（4）不足点：容易产生组织缺陷，力学性能偏低，质量不稳定。因此，铸件多数做为毛坯用。,砂型铸造：,砂型铸造俗称翻砂，用砂粒制造铸型进行铸造的方法；砂型铸造的主要工序：制造铸模，制造砂铸型（即砂型），浇注金属液，落砂、清理等,砂型铸造工艺的特点：,适用性强，几乎不受铸件形状、尺寸、重量及所用金属种类的限制；工艺设备简单，成本低，为铸造业广泛使用。,熔模铸造,熔模铸造又叫“失蜡铸造”。先用蜡质材料制成模型，然后在蜡模上涂挂耐火材料，经硬化后，再将模型熔化排出成铸模进行铸造。其延伸工艺有陶瓷型铸造和壳型铸造。熔模铸造工艺过程如下：,熔模铸造视频,熔模铸造动画,过程要点：a）制作母模：母模是铸件的基本模样，用于制造压型。母模的材料一般用木质、石膏。b）制作压型：压型是制造蜡模的铸型。用铝合金或钢加工而成。过程：用硅橡胶制作压型时，将母模均匀的刷上一层硅橡胶，然后贴上一层纱布，反复五六次，视铸件的大小决定。外层用石膏固定，待硅橡胶模固化后，取出母模，即可翻制出硅橡胶模压型。,c）制作蜡模：制造蜡模的材料有石蜡、蜂蜡、硬脂酸和松香等，常用50%的石蜡和硬脂酸的混合料。过程：将熔化好的蜡料倒入压型内，同时不断的翻转压型，使蜡料均匀形成蜡模，待蜡模料冷却后便可从压型中取出，修毛刺后即得蜡模。批量生产时将多个蜡模组装成蜡模组。d）制作型壳：在蜡模上均匀地刷一层耐火涂料，洒一层耐火砂，使之硬化成壳。如此反复涂三四次，便形成具有一定厚度的由耐火材料构成的型壳（洒耐火砂应先细后粗）,e）脱蜡：将制作好的型壳放入炉中烘烤，将蜡模熔化流出并回收，从而得到一个中空的型壳。f）焙烧和造型：将型壳进行高温焙烧，以增加型壳强度。为进一步提高型壳强度，防止浇注时型壳变形或破裂，可将型壳放在箱体中，周围用干砂填充。g）浇注：将型壳保持一定的温度，浇注金属溶液。h）脱壳：待金属液凝固后，去除型壳，切去浇口，清理毛刺，获得所需铸件。,熔模铸造工艺的特点：1）可不考虑脱模问题，无分型面。2）铸件形状精度高，表面光洁，不必加工或少加工。3）能够铸造各种合金铸件。4）适用于中小型、薄壁、复杂的铸件，铸件重量一般不超过25Kg。5）熔模铸造工序多，生产周期长。,金属型铸造,用金属材料制造铸型进行铸造的方法，又称永久型铸造或硬型铸造。铸型常用的材料有铸铁、铸钢等材料制成。金属型铸造工艺的特点：1）铸件的表面光洁度和尺寸精度均优于砂型铸件，且铸件的组织结构致密，力学性能较高。2）适用于中小型有色金属（如铝、铜、镁及其合金）铸件和铸铁铸件的生产。,金属型铸造视频,压力铸造,简称压铸。在压铸机上，用压射活塞以较高的压力和速度将压室内的金属液（液态或半液态）压射到模腔中，并在压力作用下使金属液迅速冷却凝固成铸件的方法。属于精密铸造。,压铸机压铸生产中最基本的设备，压铸过程是通过它来实现的。压铸机的种类很多，目前应用较多的是卧式冷压室压铸机。压铸型是压铸时所用的金属型，由定型、动型两部分组成。定型固定在机架上；动型由合型机构带动可沿水平方向移动，实现压铸型的开与合以及压铸过程中的紧固。压铸型装有抽芯和顶出铸件的机构。,卧式冷压室压铸机,压铸工艺视频,压铸工艺动画,常见的压铸件,压铸工艺的特点：1）铸件尺寸精确，表面光洁，组织致密，生产效率高。2）适合生产小型、薄壁的复杂铸件，并能使铸件表面获得清晰的花纹、图案及文字等。3）主要用于锌、铝、镁、铜及其合金等铸件的生产。,离心铸造,离心铸造是将液态金属浇入沿垂直轴或水平轴旋转的铸型中，在离心力作用下金属液附着于铸型内壁，经冷却凝固成为铸件的铸造方法。,离心铸造视频,离心铸造的特点：1）离心铸造的组件组织致密，力学性能好，可减少气孔、夹渣等缺陷。2）常用于制造各种金属的管形或空心圆筒形铸件，也可制造其他形状的铸件，如：水泵叶轮、增加器涡轮等。,2.金属塑性加工,（1）金属材料塑性加工的原理和特点：金属塑性加工又称金属压力加工，是指在外力作用下使金属坯料发生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械力学性能的坯件或零件的加工方法，主要特点有：1）在成型的同时，还能改善材料的组织结构与形态而引起性能的变化。2）不宜于加工脆性材料或形状复杂的制品。3）适于专业大规模生产，要用专门设备和工具,（2）主要加工方法：金属材料塑性加工按加工方法有：锻造、轧制、挤压、拔制和冲压加工。,轧制 体积成形 挤压 拔制 锻造 冲压 板料成形 弯曲 拉深 胀形,金属塑性加工分类,锻造,是利用手锤、锻锤或压力设备上的模具对加热的金属坯料施力，是金属材料在不分离条件下产生塑性变形，以获得形状、尺寸和性能符合要求的零件。为了使金属材料在高塑性下成型，通常锻造是在热态下进行，因此锻造也称为热锻。,分类方法1：按成型是否使用模具,分类方法2：按加工方法分类,自由锻,自由锻是将金属坯料放在上、下砥铁之间，施以冲击压力和静压力，使其产生变形的加工方法。,模锻,模锻是将金属坯料放在具有一定形状的锻模模膛内，施以冲击压力或静压力而使金属坯料产生变形的加工方法。,手工锻造,在现代金属装饰工艺中，仍常用手工锻造。即是以手工锻打的方式，在金属板上锻锤出各种高低凹凸不平的浮雕效果。如图片所示的锻铜浮雕。,手工锻造工艺的工具有：铁锤、木锤、各种型号和形状的錾子、铁垫板、沙袋、汽油喷灯等。,轧制,轧制的定义：利用两个旋转轧辊的压力使金属坯料通过一个特定空间产生塑性变形，以获得所要求的截面形状并同时改变其组织性能。通过轧制可将钢坯加工成不同截面形状的原材料，如圆钢、方钢、角钢、T字钢、工字钢、槽钢、Z字钢、钢轨等。,轧制加工方法：,热轧是将材料加热到再结晶温度以上进行轧制。特点：热轧变形抗力小，变形量大，生产效率高，适合轧制较大断面尺寸，塑性较差或变形量较大的材料。冷轧是在室温下对材料进行轧制。特点：与热轧相比，冷轧产品尺寸精确，表面光洁，机械强度高。冷轧变形抗力大，变形量小，适于轧制塑性好，尺寸小的线材、薄板材等。,挤压,将金属放入挤压筒内，用强大的压力使坯料从模孔中挤出，从而获得符合模孔截面的坯料或零件的加工方法。常用的挤压方法有：正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压。,冲压,又称板料冲压。在压力作用下利用模具使金属板料分离或产生塑性变形，以获得所需工件的工艺方法。,冲压加工的分类：按冲压加工功能分为冲裁加工和成型加工。冲裁加工又称为分离加工，包括冲孔、落料、修边、剪裁等。成型加工是使材料发生塑性变形，包括弯曲、拉深、卷边等。按冲压加工温度分为热冲压和冷冲压。前者适合变形抗力高，塑性较差的板料；后者则在室温下进行，是薄板材常用的冲压方法。,冲压加工的特点：,冲压加工生产效率高，产品尺寸均匀一致，表面光洁，可实现机械化、自动化，适合大批量生产，成本低，广泛应用于航空、汽车、仪器仪表、电器等工业部门和生活日用品的生产。,3.切削加工,又称冷加工。利用切削刀具在切削机床上（或用手工）将金属工件的多余加工量切去，以达到规定的形状、尺寸和表面质量的工艺过程。按加工方式分为：车削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削及钳工等，是最常见的金属加工方法。,4.焊接加工,焊接加工是充分利用金属材料在高温作用下易熔化的特性，使金属与金属发生相互连接的一种工艺，是金属加工的一种辅助手段。常用的焊接方法有熔焊、压焊和钎焊。材料化学成分是影响材料焊接性的最基本因素。材料化学成分含量不同，其焊接性也不同。通常，低碳钢有良好的焊接性，高碳钢、高合金钢、铸铁和铝合金的焊接性较差，中碳钢则介于两者之间。,6.2.2 金属材料的表面处理技术,金属材料或制品的表面受到大气、水分、光照、盐雾霉菌和其他腐蚀性介质等的浸蚀作用，会引起金属材料或制品失光、变色、粉化或开裂，从而遭到损坏。金属材料表面处理及装饰的功效一方面是保护作用，另一方面是装饰作用。1.金属材料的表面前处理2.金属材料的表面装饰技术,1.金属材料的表面前处理,在对金属材料或制品进行表面处理之前，应有前处理或预处理工序，以使金属材料或制品的表面达到可以进行表面处理的状态。表面前处理的方法：机械处理；化学处理；电化学处理机械处理是通过切削、研磨、喷砂等加工清理制品表面的锈蚀及氧化皮等，将表面加工成平滑或具有凹凸模样；化学处理的作用主要是清理制品表面的油污、锈蚀及氧化皮等；,电化学处理则主要用以强化化学除油和浸蚀的过程，有时也可用于弱浸蚀时活化金属制品的表面状态。,2.金属材料的表面装饰技术,金属材料表面装饰技术是保护和美化产品外观的手段，主要分为表面着色工艺和肌理工艺。金属表面着色工艺该工艺是采用化学、电解、物理、机械、热处理等方法，使金属表面形成各种色泽的膜层、镀层或涂层。着色工艺方法：化学着色、电解着色、阳极氧化着色、涂覆着色、珐琅着色、热处理着色、传统着色技术,金属表面肌理工艺该工艺是通过锻打、刻划、打磨、腐蚀等工艺在金属表面制作出肌理效果。肌理工艺方法：表面锻打、表面抛光、表面镶嵌、表面蚀刻,6.3 常用的金属材料,1.金属材料的分类（1）按金属材料构成元素分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料包括铁和以铁为基体的合金。如纯铁、碳钢、合金钢、铸铁、铁合金等，简称钢铁材料。黑色金属材料的特点：钢铁材料资源丰富、冶炼加工较方便、生产率高、成本低、力学性能优良，在应用上最为广泛。,有色金属包括铁以外的金属及其合金。常用的有金、银、铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金等。（2）按金属材料主要性能和用途分为金属结构材料和金属功能材料。（3）按金属材料加工工艺分为铸造金属材料、变形金属材料和粉末冶金材料。（4）按金属材料密度分为轻金属（密度4.5g/cm3）和重金属（密度 4.5g/cm3）。,钢铁材料（黑色金属材料）,工业上应用最广泛的金属材料是钢铁材料，其产量约占金属材料总产量的90%以上。根据含碳量多少，钢铁材料可分为三大类：工业纯铁：应用较少钢：广泛应用于各个领域铸铁：常用的有灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁,钢的分类,碳素钢,合金钢,钢,低碳钢（含碳量0.25%以下）,中碳钢（含碳量0.25%0.6%）,高碳钢（含碳量0.6%以上）,按含碳量分类,碳素钢是一种用量大、用途广的金属材料，多制成不同规格的板材、管材、型材、线材及铸件，广泛用于建筑、桥梁、车辆、化工等各领域。,高合金钢（总含量10%以上）,中合金钢（总含量5%10%）,低合金钢（总含量5%以下）,按合金元素总含量分类,合金钢：以碳素钢为基础适量加入一种或几种合金元素的钢，具有较高的综合机械性能和某些特殊的物理、化学性能。,有色金属材料,常见的有色金属材料有铝及铝合金和铜及铜合金。铝及铝合金工业用量最大的有色金属，是一种常用的现代材料。铝的特性：具有较优良的特性。纯铝密度小，约为2.7g/cm3，相当于铜的三分之一，属于轻金属。铝的导电、导热性优良，仅次于铜。具有很高的塑性，可进行各种塑性加工。纯铝为银白色，在大气中铝与氧的亲和力很大，能形成一层致密的三氧化二铝膜，隔绝空气防止进一步氧化，具有良好的抗氧性。,铝合金的定义：是以铝为基加入其他合金元素（铜、硅、镁、锌、锰、镍等）而组成的合金。铝合金的特性：铝合金质轻、强度高，比强度值接近或超过钢；具有优良的导电、导热性和抗蚀性；易加工，耐冲压，并且可阳极氧化成各种颜色。铝合金的分类：变形铝合金：广泛用作工程结构材料、工业造型材料和建筑装潢材料等。铸造铝合金：生产各种形状复杂，承载不大，重量较轻且具有一定耐蚀、耐热要求的铸件。,铜及铜合金铜及铜合金是历史上应用最早的有色金属，工业上常用的有紫铜、黄铜、青铜、白铜等。纯铜具有玫瑰色，表面氧化后呈紫色，故又称紫铜。纯铜的特性：质地柔软，有极好的延展性，具有良好的加工型和焊接性；易冷、热加工成形，可碾压成极薄的铜箔，拉制成极细的铜丝；导电、导热性极好，仅次于银。,铜合金是以铜为基加入一定量的其他合金元素（锌、锡、铝、硅、镍等）而组成的合金。铜合金的分类：按化学组成分为黄铜、青铜、白铜；按加工方法分为变形铜合金和铸造铜合金；黄铜（Cu-Zn合金）：是锌为主要合金元素的铜合金。黄铜色泽美观，具有高贵的黄金般色泽，导电导热性强，耐腐蚀性能、机械性能和工艺性能良好，易于切削、抛光及焊接。白铜（Cu-Ni合金）：是以镍为主要合金元素的铜合金，色泽呈白色，质地较软，耐腐蚀性好。镍含量的增加，白铜的强度、硬度、弹性和耐蚀性等性能相应提高。,青铜：除黄铜、白铜以外的其他铜合金统称为青铜，常用的合金元素有锡、铝、硅、锰、铬等。根据合金元素种类，青铜分为普通青铜和特殊青铜。普通青铜是以锡为主要合金元素，含锡量为5%20%，又称为锡青铜（Cu-Sn合金），其色泽呈青灰色，具有抗腐蚀性。特殊青铜泛指不含锡的青铜，如铝青铜、铍青铜、锰青铜等。大多数特殊青铜比普通青铜具有较高的机械性能、耐磨性和耐蚀性。,6.4 金属材料在设计中的应用,意大利果盘,