工程材料及机械制造基础教案课件.ppt
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1、,第一章 铸造,第一节 慨述一、定义 将固态金属炉料按零件所需技术要求熔炼成合金熔液,将液态合金浇注到具有与零件形状相适应的铸型空腔中,待其冷却凝固后,以获得零件或毛坯的方法,称为铸造。二、分类 湿型 中、小铸件 手工 干型 大型铸件,1、砂型铸造 低压、中压 机器 高压2、特种铸造三、铸造生产的特点: 1、可以铸造出内腔、外形很复杂的毛坯。 2、工艺灵活性大。 3、铸造成本较低。 4、铸件的形状和尺寸与零件非常相近,因而节约金属,减少了切削加工的工作量。,铸造生产存在的主要问题:,1、铸件笨重,增加了机器设备的重量。 2、质量不稳定,废品率高。 3、铸件表面质量不高,工人劳动条件较差。,第二
2、节 金属的液态成形,一、铸件的凝固合金从液态转变为固态的状态变化,称为凝固。1、铸件的温度场2、铸件的凝固区域3、铸件的凝固方式二、液态合金的充型能力,铸造性能是表示合金铸造成形获得优质铸件的能力。通常用流动性、收缩性等来衡量。1、合金的流动性(1)、流动性的概念 是指液态金属本身的流动能力。流动性不好时,铸件易产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣、缩孔、热裂等缺陷。合金流动性的好坏,通常以螺旋形流动性试样的长度来衡量。,(2)、影响流动性的因素,1)合金性质方面的影响 共晶成分合金的流动性最好。合金的结晶间隔越宽,其流动性越差。2)铸型和浇注条件 铸型的导热速度愈大或对金属液流动阻力愈大,合金的流动
3、性越差。在一定范围内,浇注温度愈高,流动性愈好。3)铸件结构 当铸件壁厚过小,壁厚急剧变化,有大的水平面等结构时,都使金属液的流动困难。,2、合金的收缩,(1)、收缩的概念 合金从液态冷却至常温的过程中,体积缩小的现象称为收缩。1)液态收缩 缩孔、缩松形成的基本原因2)凝固收缩3)固态收缩 铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因,(2)、缩孔和缩松,凝固结束后往往在铸件某些部位出现孔洞,大而集中的孔洞称缩孔;细小而分散的孔洞称缩松。1)缩孔的形成缩孔产生的基本原因是合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值,且得不到补偿。2)缩松的形成基本原因相同,但主要出现在呈糊状凝固方式的合金中或断面较大
4、的铸件壁中。,3)影响缩孔、缩松形成的因素 a、合金的成分 b、浇注条件和铸型条件 c、铸件结构4)缩孔和缩松的防止方法 a、按照顺序凝固原则进行凝固 b、合理确定内浇口位置及浇注工艺 c、合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施,(3)、铸造应力,铸件的固态收缩受到阻碍而引起的内应力称为铸造应力。1)热应力热应力是由于铸件壁厚不均,各部分收缩受到热阻碍而引起的,是一种残留铸造应力。2)机械应力(收缩应力)铸件冷却到弹性状态以后,由于受到铸型、型芯和浇、冒口等的机械阻碍而产生的应力,称机械应力。机械应力一般都是拉应力,是一种临时应力。,3)减小和消除铸造应力的方法 a、同时凝固原则 b、采取相应的工
5、艺措施 c、合理设计铸件结构 d、去应力退火(4)、铸件的变形 当残留铸造应力超过铸件材料的屈服极限时,往往产生翘曲变形。 前述防止铸造应力的方法,也是防止变形的根本方法。,(5)、铸件的裂纹,1)热裂 是在凝固末期高温下形成的裂纹。防止热裂的方法是使铸件结构合理。2)冷裂 是铸件处于弹性状态即在低温时形成的裂纹。 冷裂往往出现在铸件受拉应力部位,特别是有应力集中的地方。 防止冷裂的方法是尽量减小铸造应力。三、合金的铸造性能对铸件结构的要求(见表1-5) (6)、铸件中的气体 1)侵入性气体 2)析出性气体 3)反应性气体,第三节 砂型(芯)制造,一、手工造型手工造型时,紧砂和起模是用手工来进
6、行的,其操作灵活、适应 性强 、模型成本低、生产准备时间短,但铸件质量较差,生产率低,且劳动强度大。因此,主要用于单件、小批生产。1、整模造型 2 、分模造型 3、挖砂造型 4 、假箱造型 5 、活块造型 6、刮板造型 7、三箱造型 8、地坑造型 9 、脱箱造型,二、机器造型,它可大大提高劳动生产率,铸件尺寸精确,表面光洁,加工余量小,改善工人劳动条件。在大批量生产中,铸件成本显著降低。1、震压造型 2 、微震压实造型 3 、高压造型4、射压造型 5、空气冲击造型 6、抛砂造型,三、造型生产线,将造型机和其它辅助设备按照铸件工艺流程,用运输设备联系起来,组成一套机械化、自动化铸造生产系统。四、
7、机器造芯1、热芯盒射芯机制芯 此法生产率很高,型芯尺寸精确,强度高,表面光洁。2、壳芯机制芯 壳芯强度更高,因型芯中空,故树脂耗量少,通气性很高。主要缺点是酚醛树脂的价格昂贵,固化时间长,生产率低,制芯时也有臭味产生。,五、机器造型的工艺特点,机器造型是不能进行三箱造型的,同时也应避免活块,因为取出活块费时,使造型机的生产率显著降低。,第四节 砂型铸件结构的工艺性,铸造工艺及其对铸件结构的要求一、铸造工艺的设计(一)、准备 主要依据 生产任务:1、零件结构特点2 、 合金牌号、金相组织、机械性能3、零件的工作条件4、生产批量,生产条件,1、起重设备2、炉子的吨位和生产率3、造型设备4、工人的技
8、术条件5、工艺装备制造能力,(二)、铸造工艺内容,工艺图 毛坯图 铸型装配图 铸造工艺图中应表示出:1、浇注位置 2、分型面3、型芯的数量、形状、尺寸及固定方法4、机械加工余量、拔模斜度和收缩率5、浇口、冒口、冷铁的尺寸和位置等,二、浇注位置和分型面的选择,1、浇注位置和分型面的概念 铸件的浇注位置是指浇注时铸件在型腔内所处的空间位置。铸件的分型面是指分开铸型便于取模的接合面。2、浇注位置和分型面的选择原则(见表16,1-7),三、铸造工艺参数的确定,1、铸造收缩率 L模L件 铸造收缩率 K = 100 L 件 式中: L模-模样尺寸, L件-铸件尺寸2、加工余量 灰口铸铁件表面较平整, 加工
9、余量小;铸钢件因浇注温度高,铸件表面不够平整,加工余量应比铸铁大;有色金属材料昂贵,铸件表面又光洁,所以加工余量比铸铁还小。 大批量生产,机器造型,加工余量小; 单件、小批量生产,手工造型,加工余量大。,3、起模斜度:机器造型应比手工造型小;铸件的内壁应比外壁斜度大。4、最小铸出孔和槽 一般说来,在单件、小批生产条件下,灰口铸铁件上直径小于30mm和铸钢件上直径小于50mm的孔可不铸出。,四、型芯设计,五、铸造工艺图的绘制,它是在零件图上以规定的红、蓝等色符号表示铸造工艺内容所得到的图形。它决定了铸件的形状、尺寸、生产方法和工艺过程。 1、分析铸件质量要求和结构特点 2、选择造型方法 3、选择
10、浇注位置和分型面 4、确定工艺参数 5、设计型芯 6、设计浇、冒口系统 7、绘制铸造工艺图,六、铸造工艺对铸件结构的要求(见表1-4),1-4铸铁件生产,铸铁是含碳量大于2.11%(通常为2.8-3.5%),含杂质比钢多的铁碳合金.根据碳在铸铁中存在形式不同,可分为:1、白口铸铁 碳主要以Fe3C形式存在,断口呈银白色.2、麻口铸铁 一部分碳以Fe3C形式存在,另一部分碳以石墨形式存在,断口为灰白色相间.3、灰口铸铁 碳主要以片状石墨形态出现,断口为暗灰色.,4、可锻铸铁 碳主要以团絮状石墨形态出现.5、球墨铸铁 石墨大部分或全部呈球状,有时出现少量团絮状.6、蠕墨铸铁 大部分石墨为蠕虫状.一
11、、铸铁的结晶过程和石墨化1、一次结晶过程和共晶石墨化 一次结晶过程决定了石墨形态、分布特征和共晶团尺寸、数目.2、二次结晶过程和共晶石墨化,二次结晶过程决定了铸铁的基体组织.3、影响铸铁石墨化的因素(1)化学成分a、碳和硅 碳和硅含量过高,将形成强度甚低的铁素体灰口铸铁;反之,容易出现硬、脆的白口组织,并使熔化和铸造增加困难.b、锰和硫 含S,使铸铁具有热脆性,并使铸造性变坏.Mn能抵消S的有害作用.Mn+SMnS. Mn+FeSFe+MnS.c、磷 含P过高,会增加铸铁冷脆倾向.,(2)冷却速度,铸铁的冷却速度主要取决于铸型材料和铸件的壁厚.二、灰口铸铁1、灰口铸铁的性能(1)机械性能 抗拉
12、强度低,塑性和韧性近于零,抗压强度与钢相近,属脆性材料.(2)减振性 石墨对机械振动起缓冲作用.(3)耐磨性 灰口铸铁的耐磨性比钢好,适于制造导轨、衬套、活塞环等.,(4)缺口敏感性 缺口敏感性低.从而增加了零件工作的可靠性.(5)工艺性能 不能锻造和冲压.可焊性较差,铸造性和切削加工性能好.2、灰铸铁的分类(1)普通灰铸铁(2)孕育铸铁 提高灰口铸铁机械性能的有效方法是向铁水中冲入孕育剂,进行孕育处理,然后浇注,用这种方法制成的铸铁称为孕育铸铁.,3、孕育处理(1)铁水中C、Si含量要低(2)铁水出炉温度要高(3)孕育剂 为含硅量75%的硅铁,加入量为铁水重量的0.2-0.7%.(4)孕育处
13、理的方法 孕育剂放在出铁槽中.,三、球墨铸铁,它是向出炉的铁水中加入球化剂和孕育剂而得到的球状石墨铸铁.1、球墨铸铁的组织与性能 (1)铁素体球铁 塑性、韧牲好. (2)珠光体球铁 强度、硬度高.2、球墨铸铁件的生产特点(1)铁水 制造球铁所用的铁水与灰口铸铁原则相同,但要有足够高的含碳量,低的硫、磷含量,有时还要求低的含锰量.,(2)球化处理和孕育处理 球化剂: 稀土镁合金 作用:使石墨呈球状析出.加入量:为铁水重量的1.3-1.8%.孕育剂:含硅量为75%的硅铁.作用:促进石墨化,防止球化元素所造成的白口倾向.同时通过孕育还可使石墨球圆整、细化,改善球铁的机械性能.加入量:为铁水重量的0.
14、4-1.0%.,(3)铸型工艺球铁较灰铁容易产生缩孔、缩松、皮下气孔、夹渣等缺陷,因而在工艺上要求较为严格.四、可锻铸铁 可锻铸铁又称玛钢或玛铁,它是将白口铸铁经石墨化退火而成的一种铸铁.抗拉强度得到提高,有高的塑性和韧性.1、可锻铸铁的牌号和应用,(1)黑心可锻铸铁的牌号用“KTH”代表,后面的两组数字分别表示其最低抗拉强度和延伸率. 塑性、韧性好.耐磨性较高.(2)珠光体可锻铸铁用“KTZ”代表,后面数字含义与前相同. 强度、硬度较高,并可通过淬火等 热处理来强化.2、可锻铸铁的生产特点用碳硅含量均较低的铁水浇注出白口铸铁坯料,将清理后的白口坯料叠放于退火箱中,将箱盖,用泥封好后送入退火炉
15、中,缓缓地加热到920-980C的高温,保温20-30小时,并按规范冷却到室温.石墨化退火的总周期一般为40-70小时.五、蠕墨铸铁1、性能 突出优点是导热性优于球铁,而抗生长和抗氧化性较其它铸铁均高.此外,它的耐磨性优于孕育铸铁及高磷耐磨铸铁.2、制取 蠕化剂:稀土镁钛、稀土镁钙合金或镁钛合金. 加入量:为铁水重量的1-2%.,它的铸造性能接近灰铁,缩孔、缩松倾向比球铁小,故铸造工艺较简便.3、应用 适于制造工作温度较高或具有较高温度梯度的零件,如大型柴油机气缸盖、制动盘、 钢锭模、金属型等. 还可制造形状复杂的大铸件,如重型机床和大型柴油机机体等.,1-5铸钢件和有色合金铸件生产,一、铸钢
16、件生产 流动性差,主要用于强度、塑性、韧性要求较高的机件.1、铸钢的种类(1)碳素铸钢 常用于制造机器零件的铸钢主要是含碳量为0.25-0.45%的中碳钢.低碳钢熔点高,铸造性能差.高碳钢熔点低,铸造性能较中碳钢好,但塑性,韧性差,仅用于少量耐磨件.(2)合金铸钢 低合金铸钢中合金元素总量10%.加入合金元素后,铸钢的强度、耐磨性和耐热性都明显提高,因而能减轻铸件重量,节约钢材,提高铸件使用寿命 .,2、铸钢的铸造工艺特点,钢的铸造性能差;熔点高,钢液易氧化;流动性不好,收缩大.因此,铸造困难,常出现各种铸造缺陷.如易形成缩孔、气孔、裂纹和粘砂等缺陷.(1)对型砂性能要求较高;(2)铸型工艺上
17、大多采用顺序凝固原则;(3)必须严格掌握浇注温度(1500-1650C),3、铸钢件的热处理,热处理是生产铸钢件的必要工序,因为铸态钢件晶粒粗大,组织不均,且常存有残余内应力,致使铸件的强度,特别是塑牲和韧性不够高,铸钢件必须进行正火或退火.,二、有色合金铸件生产,1、铝合金铸件的生产 铝合金的最大特点是比重轻,熔点低,导电、导热性能优良,耐腐蚀性能好.(1)铸造铝合金的分类、性能特点及应用铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金等四大类.(2)铝合金的铸造工艺特点 它一般在坩埚炉或电阻炉内熔炼.它在高温下的氧化和吸气能力很强.,它一般熔点低,流动性好,对型砂耐火性要求
18、低,可采用细砂造型,以降低粗糙度. 对于铸造性能较差的铝镁合金和铝铜合金,应保证型砂和芯砂有足够的退让性.2、铜合金铸件的生产(1)铸造用铜合金 黄铜 铜和锌的合金,锌可提高塑性和强度.黄铜价廉,常用来制造耐腐蚀或耐磨件. 青铜 铜和锌以外的元素组成的铜合金.,锡青铜凝固收缩及线收缩率均低,不易产生缩孔,耐腐蚀性及耐磨性均比黄铜好,多用于制造壁厚不均匀,要求致密性不高的耐磨或耐腐蚀铸件.(2)铜合金的铸造特点 铜合金熔化特点是金属料不与燃料直接接触,以便减少铜及合金元素的损耗,保持金属料的纯洁. 熔化青铜,常加熔剂(如玻璃、硼砂)以覆盖铜液,同时还常加入0.3-0.6%的磷铜,进行脱氧黄铜中的
19、锌本身就是良好的脱氧剂,所以熔化黄铜时,不需加熔剂和脱氧剂.,1-6 特种铸造,特种铸造是指与普通砂型铸造有显著区别的一些铸造方法.一、熔模铸造它是用易熔材料制成模型,然后用造型材料将其包住,经过硬化,再将模型熔失,从而获得无分型面的铸型.由于熔模广泛采用蜡质材料来制造,故又称为“失蜡铸造”.1、熔模铸造的特点和适用范围(1)铸件的精度和表面质量较高,且可浇注形状复杂件.,(2)能够铸造各种合金铸件. (3)生产批量不受限制,从单件、小批到大量生产. (4)工艺过程较复杂、生产周期长,多用于小型零件.二、金属型铸造 将液体金属浇入金属铸型以获得铸件的方法.又称永久型铸造.1、工艺特点:由于金属
20、型导热快,且没有退让性,因此,铸件易于产生浇不足、冷隔、裂纹等缺陷.,而灰口铸铁还常出现硬脆的白口组织. (1)金属型预热 (2)刷涂料 (3)浇注温度 (4)开型时间2、金属型铸造的特点和应用范围(1)提高劳动生产率、改善劳动条件.(2)提高铸件的机械性能(3)铸件精度和表面质量较高(4)节约金属和造型材料(5)主要用于大批量生产有色金属铸件,三、压力铸造,是在高压下,快速地将液态或半液态金属压入金属型中,并在压力下凝固以获得铸件的一种工艺方法.1、压力铸造的特点及应用范围(1)可浇注出薄而复杂的精密铸件,并可直接铸出各种孔眼、螺纹和齿轮,且产品质量好.(2)压铸的生产率比其它任何铸造方法都
21、高得多,且易于实现生产的自动化和半自动化.(3)零件成本低.(4)主要适用于铝、镁、锌等有色金属.,(5)压铸件不能进行热处理.四、低压铸造 是介于重力铸造(如一般砂型、金属型铸造)和压力铸造之间的一种铸造方法.1、特点(1)适应性强,可用于各种铸型(金属型、砂型、树脂壳型、熔模型壳等)(2)浇注时压力较低,金属液充填平稳,减少了金属液对型腔的冲刷和飞溅.(3)铸件组织致密.,五、离心铸造,将液体金属浇入高速旋转的铸型中,使金属在离心力作用下填充铸型和结晶,这种铸造方法称为离心铸造.1、特点(1)一般适用于回转体,可省去型芯和浇注系统.(2)铸件结晶细密,无缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷,机械性
22、能好.(3)不足之处是铸出的内孔不准确,内表面质量比较差.,六、消失模铸造,用泡沫塑料制造铸型后不取出模样,浇注时模样气化消失而获得铸件的方法称为消失模铸造,也称实型铸造。1、特点和应用范围优点:(1)铸件尺寸精度高、表面粗糙度低。 (2)工序简单,缩短了生产周期,生产率高。 (3)节省投资,经济效果好。 (4)适应性广。,消失模铸造存在的主要问题是: (1)铸件浪费较大。 (2)铸件易出现与泡沫塑料高温热解产物有关的缺陷。 (3)烟雾、气体对环境有污染。七、各种铸造方法的比较 见表1-19,第二章 锻 压,锻压(压力加工)是借助于外力的作用,使金属坯料产生塑性变形,从而获得具有一定形状、尺寸
23、和机械性能的原材料、毛坯或零件的加工方法.一、锻压加工的特点1、能改善金属的组织、提高金属的机械性能.2、可节约金属材料和切削加工工时,提高金属材料的利用率和经济效益.3、具有较高的劳动生产率.,二、锻压加工的主要生产方式,1、轧制 2、挤压 3、拉拔 4、自由锻 5、模锻 6、板料冲压 2-1金属的塑性变形一、金属塑性变形的实质1、单晶体的塑性变形单晶体是指原子排列方式完全一致的晶体. (1)滑移 是晶体的一部分相对另一部分,沿原子排列紧密的晶面作相对滑动. (2)双晶(孪晶) 其特点是晶体在外力作用下,晶体内一部分原子晶格相对于另一部分原子晶格发生转动. 产生双晶变形所需要的切应力一般都高
24、于产生滑移变形所需要的切应力.2、多晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形可分为晶内变形与晶间变形,晶粒内部的塑性变形称为晶内变形.晶粒之间相互移动或转动称为晶间变形. 大量实验结果表明,多晶体的塑性变形正是由于存在着晶界和各晶粒的位向差别,其变形抗力比同种金属的单晶体高得多,塑性变形的实质是由于外力在金属内所形成的较大应力,迫使组成金属的晶粒内部产生滑移,同时晶粒间也产生滑移与转动.二、塑性变形对金属组织及性能的影响 金属在常温下经过塑性变形后,内部组织发生变化: (1)晶粒沿变形最大的方向伸长; (2)晶格与晶粒均发生扭曲,产生内应力; (3)晶粒间产生碎晶.1、冷变形强化(加工硬化),这种随变
25、形程度增加,强、硬度升高而塑性、韧性下降的现象,称为加工硬化.2、回复和再结晶随着温度的升高,使原子回复正常排列,消除晶格扭曲,这一过程称为回复.T回 =(0.25-0.30)T熔 T再=(0.35-0.40) T熔 随着温度的继续升高,将有新的晶粒代替原变形晶粒的过程称为金属的再结晶.此时,加工硬化全部消除.3、冷变形和热变形,冷变形是指金属在其再结晶温度以下进行塑性变形. 热变形是指金属在其再结晶温度以上进行塑性变形.4、锻造流线(亦称纤维组织) 铸锭中分布在晶粒边界上的杂质,随着晶粒的变形被拉长,而再结晶时金属晶粒形状改变,但杂质依然沿被拉长的方向保留下来,形成纤维形状,叫纤维组织.三、
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