課題二金屬材料的工藝性能

1、課題二：金屬的工藝性能所謂金屬材料的工藝性能是指金屬材料在加工過(guò)程在所表現(xiàn)出的特性，或者難易程度。常見(jiàn)的金屬類零件的加工過(guò)程一般為：下料（毛坯）預(yù)先熱處理（如退火、正火）（粗）機(jī)械加工中間熱處理（如調(diào)質(zhì)）半精加工最終（如滲碳、氮，表面熱處理、淬火、回火等）下料（毛坯）制造方法有鑄造，焊接，成形。本課題主要討論鑄造，鍛造，焊接，熱處理及切削加工性能。2-1金屬材料的鑄造性能我們先看看鑄造的過(guò)程，了解一下什么叫鑄造。當(dāng)零件外形比較復(fù)雜（如機(jī)床的床身、變速箱箱體等），同時(shí)對(duì)強(qiáng)度要求不是很高時(shí)候，一般采用鑄造的方法制造毛坯，以節(jié)省加工費(fèi)用和材料。鑄造性能通常指流動(dòng)性，收縮性，鑄造應(yīng)力，偏析，吸氣傾向和

2、裂紋敏感性。1、 影響合金流動(dòng)性因素影響因素：合金化學(xué)成分，澆鑄溫度和鑄型填充條件。合金化學(xué)成分：含碳量：純鐵流動(dòng)性好，含碳量越大，流動(dòng)性越差。2%左右流動(dòng)性最差，鑄鐵中，共晶成分鑄鐵流動(dòng)性最好。合金成分中凡能形成高熔點(diǎn)夾雜物的元素均會(huì)降低合金的流動(dòng)性?；诣F中MnS熔點(diǎn)為1620，不利于流動(dòng)。P可形成Fe-Fe3P-Fe3C，熔點(diǎn)為950，利于流動(dòng)。2、 鑄件的收縮鑄鐵的縮孔與縮松含碳量增加，析出石墨有利于消除此類現(xiàn)象3、 鑄件的裂紋冷裂和熱裂，P和S合金強(qiáng)度提高，產(chǎn)生裂紋傾向增大。2-2 金屬材料的鍛造性能 利用簡(jiǎn)單的工具和開(kāi)放式的模具（砧塊）對(duì)金屬進(jìn)行鍛造成形的方法。自由鍛時(shí)，金屬僅有部分

3、表面與工具或砧塊接觸，其余部分為自由變形表面。自由鍛使用的都是通用的模具和工具，靈活性大，費(fèi)用低，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，適合于單件、小批量生產(chǎn)。但自由鍛造的生產(chǎn)率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，鍛件的精度差，加工余量大，因此自由鍛件在鍛件總量中所占的比重隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步而日趨減少。自由鍛造也是大型鍛件的主要生產(chǎn)方法，在重型的冶金機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械、礦山機(jī)械、粉碎機(jī)械、鍛壓機(jī)械、船舶和機(jī)車制造工業(yè)中占有重要的地位。 自由鍛造分為手工鍛造和機(jī)器自由鍛。手工鍛造是靠手掄鐵錘鍛打金屬使之成形，是最簡(jiǎn)單的自由鍛。它是一種古老的鍛造工藝，在某些零星修理或農(nóng)具配件行業(yè)中仍然存在，但正逐漸被淘汰。機(jī)器自由鍛是在鍛錘或水壓機(jī)上進(jìn)行

4、。錘上自由鍛時(shí)金屬變形速度快，可以較長(zhǎng)時(shí)間保持金屬的鍛造溫度，有利于鍛出所需要的形狀。錘上自由鍛主要用軋制或鍛壓過(guò)的鋼材作為坯料，用于生產(chǎn)小批量的中小型鍛件。水壓機(jī)上自由鍛的鍛壓速度較慢，金屬變形深入鍛坯內(nèi)部，主要用于鋼錠開(kāi)坯和大鍛件（幾噸以上）制造，如冷、熱軋輥，低速大功率柴油機(jī)曲軸，汽輪發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，核電站壓力殼筒體和法蘭等，鍛件質(zhì)量可達(dá)250噸。自由鍛工序自由鍛的基本成形工序有鋼錠開(kāi)坯、拔長(zhǎng)、鐓粗、沖孔、芯棒擴(kuò)孔、芯棒拔長(zhǎng)、彎曲、扭轉(zhuǎn)和壓實(shí)等（圖1自由鍛的基本工序）。鋼錠開(kāi)坯把鋼錠鍛壓成鍛坯的工序。鋼錠開(kāi)坯的主要作用是：在鋼錠冒口端壓出便于夾持操作的鉗把；倒棱、滾圓，把多棱錐形的鋼

5、錠壓制成圓柱形的坯料；將有縮孔和偏析缺陷的冒口和底部的料頭切掉，這部分通常占鋼錠重量的2535；根據(jù)需要切成一定長(zhǎng)度的坯料。拔長(zhǎng)使坯料橫截面減小而長(zhǎng)度增加的鍛造工序。拔長(zhǎng)是通過(guò)反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)和送進(jìn)坯料進(jìn)行壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)的，是自由鍛生產(chǎn)中最常用的工序。它常用于鍛造各類方、圓截面的軸、桿等。鐓粗使坯料斷面增大而高度減小的鍛造工序。鐓粗用于：以較小斷面的坯料制造斷面大、高度小的鍛件，如圓盤(pán)、法蘭、齒輪等盤(pán)形鍛件；沖孔前的預(yù)備工序；增加金屬變形量,提高內(nèi)部質(zhì)量的預(yù)備工序,也是提高鍛造比為下一步拔長(zhǎng)的預(yù)備工序。沖孔在坯料上沖壓出通孔或盲孔的鍛造工序。沖孔用于制造帶孔的盤(pán)形鍛件，也用于芯棒拔長(zhǎng)或擴(kuò)孔的準(zhǔn)備工序。擴(kuò)孔

6、減小空心坯料臂厚而增加其內(nèi)外徑的鍛造工序。擴(kuò)孔的方法有:沖頭擴(kuò)孔，先在坯料上沖出孔,然后用直徑較大的沖頭將孔徑逐步擴(kuò)大到所需尺寸。芯棒擴(kuò)孔，利用芯棒在馬架上將坯料壁厚減薄，內(nèi)外徑同時(shí)增加，而高度增加不多，可以鍛制薄壁鍛件。芯棒拔長(zhǎng)使空心坯料外徑減小、長(zhǎng)度增加而內(nèi)徑不變的拔長(zhǎng)工序。主要用于制造缸套、容器等筒形鍛件。芯棒可以是實(shí)心的，也可以是空心帶水冷的。彎曲將坯料彎成曲線形或一定角度的鍛造工序，與其他鍛造工序結(jié)合,可以鍛成各種彎曲形狀的鍛件,如吊鉤、叉子等。扭轉(zhuǎn)使坯料的一部分相對(duì)于另一部分繞共同的中軸線旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度的工序。鍛造時(shí)，可使鍛件不在同一平面內(nèi)的幾部分，先在一個(gè)平面內(nèi)鍛制成坯，然后再扭轉(zhuǎn)

7、到所要求的位置。扭轉(zhuǎn)用于制造多拐曲軸等鍛件。壓實(shí)在鍛造過(guò)程中，為了避免大鋼錠中心部位出現(xiàn)拉應(yīng)力，采用寬平砧強(qiáng)壓，使鍛坯中心呈壓應(yīng)力狀態(tài)，以達(dá)到壓實(shí)和焊合內(nèi)部孔穴和疏松的目的。也可采用表面強(qiáng)冷中心壓實(shí)的綜合鍛造工藝：加熱的坯料經(jīng)過(guò)不對(duì)稱寬砧強(qiáng)壓之后，表面強(qiáng)冷到800左右，形成硬層,心部則仍保持在1000以上。這時(shí)采用平砧強(qiáng)壓，可壓實(shí)內(nèi)部空穴和疏松等缺陷，使中心部分致密。胎模鍛造一種在自由鍛設(shè)備上用可移動(dòng)模具和簡(jiǎn)單工具進(jìn)行鍛造的方法。屬于自由鍛性質(zhì)，也帶有局部模鍛性質(zhì)。由于鍛件尺寸和形狀可以局部用模具控制，可以獲得比自由鍛形狀較為復(fù)雜、尺寸較為精確的鍛件，并可減少后續(xù)的切削加工量和材料的消耗，提高

8、生產(chǎn)率。胎模鍛造所用模具一般比較簡(jiǎn)單,容易制造,工藝萬(wàn)能性強(qiáng)；但鍛造工序較多,金屬留在模子中的時(shí)間較長(zhǎng),模具抬上抬下的勞動(dòng)強(qiáng)度較大，生產(chǎn)率一般仍低于模鍛。鍛件的表面質(zhì)量也比模鍛差。 由于胎模鍛可分段逐步成形，所以同樣的鍛件可以在較小的錘上鍛出。例如鍛造中間齒輪軸，模鍛時(shí)需要3噸模鍛錘，但若配備胎模就可以在750千克空氣錘上鍛出。）。胎模鍛造是中小批量生產(chǎn)的有效鍛造方法。在實(shí)際鍛造過(guò)程中，一般采用自由鍛制坯、胎模最終成形的工藝。展望自由鍛時(shí)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，只有實(shí)現(xiàn)輔助工作機(jī)械化，才能改善鍛工的勞動(dòng)條件，取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。鍛造機(jī)械化包括鍛坯裝出爐機(jī)械化、鍛造操作機(jī)械化、坯料旋轉(zhuǎn)調(diào)頭機(jī)械化、

9、工模具夾持機(jī)械化、胎模轉(zhuǎn)換機(jī)械化、鍛件尺寸測(cè)量和鍛件搬運(yùn)機(jī)械化等。為了提高鍛件的質(zhì)量和尺寸精度，自由鍛造工序正向自動(dòng)控制方向發(fā)展?，F(xiàn)代化的水壓機(jī)已實(shí)現(xiàn)程序控制，工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大大減少?？慑懶裕核苄院妥冃慰沽?4.2.1. 萊氏體高合金工具鋼鍛造目的是打碎鋼中粗大的共晶碳化物。鍛后緩冷（爐冷）防止裂紋產(chǎn)生。14.2.2. 不銹鋼的鍛造不銹鋼由于其組織特殊，注意鍛后熱處理工藝晶間腐蝕475脆性：含Cr量大于15%的高Cr鋼在400-525范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間停留或緩冷，Cr原子有序化，與母相共晶格引起較大的晶圖畸變引起大的內(nèi)應(yīng)力。 馬氏體不銹鋼：緩冷至600左右空冷，以免發(fā)生馬氏體相變。 鐵素體和奧氏體

10、不銹鋼：在晶間腐蝕及475脆性溫度范圍內(nèi)快冷（空冷）。14.2.3. 高溫合金鍛造高溫合金在高溫下有較大的變形抗力及較低的塑性。模具堅(jiān)固，功率大。對(duì)鍛造溫度敏感，鍛后堆放空冷。14.2.4. 有色金屬鍛造鋁：鍛造溫度窄。鎂：鍛造溫度窄，傳熱快，易冷卻，模具需預(yù)熱。銅：鍛造溫度窄，模具需預(yù)熱，鍛造時(shí)需保護(hù)，避免氧化。鈦：變形抗力大，化學(xué)性質(zhì)活潑，注意保護(hù)。2-3金屬材料焊接性能金屬的焊接性能是指金屬材料在焊接過(guò)程中的難易程度。常見(jiàn)的焊接方法有：電弧焊，電渣焊，磨擦焊，釬焊，爆炸焊等摩擦焊：利用高速旋轉(zhuǎn)使被焊接件之間產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦，達(dá)到融化溫度，使之焊接在一起的方法釬焊：用在接觸處熔化諸如黃銅和釬焊

11、料之類的非鐵填充金屬(其熔點(diǎn)低于基體金屬的熔點(diǎn))來(lái)焊接金屬。主要用于不同金屬間的焊接，其連接強(qiáng)度不如熔化焊。如電子產(chǎn)品焊接的錫釬焊、硬質(zhì)合金刀片焊接在刀桿上的銅釬焊。一、 碳鋼及合金鋼焊接低碳鋼，低合金鋼焊接性好。對(duì)于中高碳鋼和合金鋼采取焊前預(yù)熱和焊后熱處理。改善組織并消除焊接應(yīng)力。二、 不銹鋼焊接奧氏體不銹鋼：考慮晶間腐蝕。馬氏體不銹鋼：焊接后焊縫區(qū)在空冷條件下得到馬氏體組織，焊前預(yù)熱（200-400）焊后熱處理，加熱至730-790后緩冷至540，空冷。 鐵素體不銹鋼：焊前預(yù)熱，焊后熱處理（730-840）三、 有色金屬的焊接銅：焊接性能差，采用釬焊。鋁：氬弧焊，焊件表面要求高。鈦：自動(dòng)焊

12、，表面要求高。2-4 金屬材料的加工性能工件機(jī)加工難易程度稱為材料的加工性。影響因素：加工性與金屬材料的化學(xué)成分，硬度，韌性，導(dǎo)熱性，金相組織和加工硬化能力等因素有關(guān)。一、化學(xué)成分的影響1、含碳量降低鋼的強(qiáng)度和硬度的元素：S，Al提高鋼的強(qiáng)度和硬度的合金元素：2、石墨化：游離石墨改善加工性。3、 組織與熱處理工藝的影響組織不同，機(jī)械性能不同，加工性不同。珠光體，索氏體，馬氏體，加工性下降。衡量材料切削加工性能的優(yōu)勢(shì)常用相對(duì)加工性Kr指標(biāo)衡量。表14.2 材料切削加工性分級(jí)加工性等級(jí)名稱及種類相對(duì)加工性Kr代表性材料1很容易切削材料一般有色金屬3.05-5-5銅鋁合金，9-4鋁銅合金，鋁鎂合金2

13、容易切削材料易切削鋼2.53.015Cr退火b=380450MPa，自動(dòng)機(jī)鋼b=400500MPa，30鋼正火b=450560MPa，3較易切削鋼1.62.54普通材料一般鋼及鑄鐵1.01.645鋼，灰鑄鐵2Cr13調(diào)質(zhì)b=850MPa，35鋼b=900MPa，5稍難切削材料0.651.06難切削材料較難切削材料0.50.6545Cr調(diào)質(zhì)b=1050MPa，65Mn調(diào)質(zhì)b=9501000MPa，50CrV調(diào)質(zhì)1Cr18Ni9Ti某些鈦合金，某些鈦合金，鑄造鎳基高溫合金，7難切削材料0.150.58很難切削材料0.15不同級(jí)織，不同硬度對(duì)不同切削加工操作（如車，銑，刨，鏜，拉等）切削加工性是不同

14、的。如回火索氏體的中碳鋼，車削加工性較好，鉆削加工性中等，拉，撥加工性較差。熱處理工藝性能機(jī)床主軸在選用機(jī)床主軸的材料和熱處理工藝時(shí)，必須考慮以下幾點(diǎn)：（1） 受力的大小。不同類型的機(jī)床，工作條件有很大差別，如高速機(jī)床和精密機(jī)床主軸的工作條件與重型機(jī)床主軸的要作條件相比，無(wú)論在彎曲或扭轉(zhuǎn)疲勞特性方面差別都很大。（2） 軸承類型。如在滑動(dòng)軸承上工作時(shí)，軸頸需要有高的耐磨性。（3） 主軸的形狀及其可能引起的熱處理缺陷。結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的主軸在熱處理時(shí)易變形甚至開(kāi)裂，因此在選材上應(yīng)給予重視。主軸是機(jī)床中主要零件之一，其質(zhì)量好壞直接影響機(jī)床的精度和壽命。因此必須根據(jù)主軸的工作條件和性能要求，選擇用鋼和制定

15、合理的冷熱加工工藝。1、 機(jī)床主軸的工作條件和性能要求。該主軸的工作條件如下：（1） 承受交變的彎曲應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，有時(shí)受到?jīng)_擊載荷的作用；（2） 主軸大端內(nèi)錐孔和錐度外圓，經(jīng)常與卡盤(pán)、頂針有磨擦；（3） 花鍵部分經(jīng)常有碰撞或相對(duì)滑動(dòng)。由此定出技術(shù)條件：（1） 整體調(diào)質(zhì)后硬度應(yīng)為HB200230，金相組織為回火索氏體；（2） 內(nèi)錐孔和外圓錐面處硬度為HRC4550，表面35mm內(nèi)金相組織為回火屈氏體和少量回火馬氏體；（3） 花鍵部分的硬度為HRC4853，金相組織同上。2、 選擇用鋼C515車床屬于中速，中負(fù)荷，在滾動(dòng)軸承中工作的機(jī)床，因此選用45鋼。3、 主軸工藝路線下料鍛造正火粗加工（外圓余留45mm）調(diào)質(zhì)半精車外圓（余留2.53.5mm），鉆中心孔，精車外圓（余留0.60.7mm，錐孔留余0.60.7mm），銑鍵槽局部淬火（錐孔及外錐體）車定刀槽，粗磨外圓（余留0.40.5mm），滾銑花鍵花鍵淬火精磨。4、 熱處理工序作用正火處理是為了得到合適的硬度（HB170230），以便機(jī)加工，改善鍛造組織，為調(diào)質(zhì)作準(zhǔn)備。調(diào)質(zhì)處理是為了主軸的綜合機(jī)械性能和疲勞強(qiáng)度，調(diào)質(zhì)后硬度為HB200230，組織為回火索氏體。內(nèi)錐孔和外圓錐面部分經(jīng)鹽