金屬工藝熱加工工藝基礎(chǔ)

金屬工藝學(xué)冶金與材料工程學(xué)院LJH@CQUST主講教師：李建輝聯(lián)系電話子信箱：ljh_hit@126.com金屬熱加工工藝金屬液態(tài)凝固成形（鑄造）金屬固態(tài)塑性成形（鍛壓）金屬連接成形（焊接）熱加工工藝金屬液態(tài)成形（鑄造）的概念金屬液態(tài)成形的作用金屬液態(tài)成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。按鑄型材料的不同，金屬液態(tài)成形一般可分為砂型鑄造和特種鑄造（包括熔模鑄造、壓力鑄造、金屬型鑄造、離心鑄造、消失模鑄造等）。其中砂型鑄造是最基本的液態(tài)成形方法，所生產(chǎn)的鑄件占鑄件總量的80%以上。液態(tài)金屬自重或壓力作用下預(yù)制型腔鑄件（毛坯）冷卻凝固

將液態(tài)金屬澆入與零件形狀相適應(yīng)的鑄型空腔中，待其冷卻凝固，以獲得毛坯或零件的工藝方法，亦稱為鑄造。金屬液態(tài)成形的優(yōu)點1.適于做復(fù)雜外形，特別是復(fù)雜內(nèi)腔的毛坯（發(fā)動機箱體、氣缸等）2.對材料的適應(yīng)性廣，鑄件的大小幾乎不受限制（幾克~數(shù)百噸，幾毫米~幾十米，壁厚0.2mm~1m，材質(zhì)幾乎不限）3.成本低，原材料來源廣泛，價格低廉，一般不需要昂貴的設(shè)備；鑄件的機械加工余量相對較小，進一步降低后續(xù)成本是某些塑性很差的材料（如鑄鐵等）制造其毛坯或零件的唯一成形工藝金屬液態(tài)成形優(yōu)點鑄造工藝靈活性大，生產(chǎn)成本低。大型鑄件小型鑄件復(fù)雜型腔1.液態(tài)成形工藝過程比較復(fù)雜，一些工藝過程還難以控制，尤其容易出現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔、砂眼、夾渣、夾砂、裂紋等缺陷，產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定，廢品率較高2.液態(tài)成形零件內(nèi)部組織均勻性、致密性一般較差，晶粒較粗大，且常伴有缺陷，其力學(xué)性能較差3.液態(tài)成形零件精度難以控制，尤其砂型鑄造鑄件精度一般較差金屬液態(tài)成形缺點鑄造工藝一般不適用于對性能、精度要求很高的成形加工。金屬液態(tài)成形的缺點一、合金的鑄造性能液態(tài)合金的工藝性能表征為液態(tài)合金的鑄造性能：合金在鑄造過程中所表現(xiàn)出的適應(yīng)能力通常是指合金的流動性、收縮性、吸氣性以及偏析等性能，其中尤以流動性和收縮性重要。合金鑄造性能是選擇鑄造金屬材料，確定鑄件的鑄造工藝方案及進行鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。第一節(jié)鑄造工藝基礎(chǔ)（1）合金的流動性及影響因素充型能力的概念：液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得尺寸精確、輪廓清晰鑄件的能力充型的概念:液態(tài)合金填充鑄型的過程。充型能力不足澆不足冷隔夾砂氣孔夾渣充型能力的決定因素合金的流動性澆注條件鑄型性質(zhì)鑄件結(jié)構(gòu)等（1）合金的流動性及影響因素合金流動性的測試方法:

如右圖,將液態(tài)合金澆入螺旋型試樣鑄型中，冷凝后測出充滿型腔的試樣長度。澆出的試樣越長，合金的流動性越好，合金充型能力越好。1.合金的流動性：液態(tài)合金本身的流動能力，是合金主要鑄造性能之一。幾種不同合金流動性的比較鑄鐵的流動性鑄鋼的流動性實驗證明鑄鐵的流動性好，鑄鋼的流動性差。比較下面兩種合金流動性能（1）合金的流動性及影響因素2.合金流動性的影響因素合金種類:合金不同其流動性不同（鑄鐵>硅黃銅>鋁）?；瘜W(xué)成分：同種合金，成分不同具有不同的結(jié)晶特點，流動性也不同。（共晶鑄鐵>亞共晶鑄鐵）。結(jié)晶特性:恒溫下結(jié)晶（純金屬，共晶成分合金），流動性較好；兩相區(qū)內(nèi)結(jié)晶，流動性較差。（1）合金的流動性及影響因素影響響合合金金流流動動性性的的因因素素很很多多，，以以化化學(xué)學(xué)成成分分的的影影響響最最為為顯顯著著。。對于于純純金金屬屬或或具具有有共共晶晶成成分分的的合合金金，，其其結(jié)結(jié)晶晶溫溫度度恒恒定定，，凝凝固固時時是是由由鑄鑄件件壁壁表表面面逐逐漸漸向向中中心心推推進進，，凝凝固固后后的的表表面面比比較較光光滑滑，，對對尚尚未未凝凝固固的的金金屬屬液液的的流流動動阻阻力力較較小小，，故故流流動動性性最最好好。。（1）合合金金的的流流動動性性及及影影響響因因素素亞共晶鑄鐵流動性隨含碳量增加而提高，具有共晶成分的C點合金流動性最高。澆注注條條件件對對充充型型能能力力（（流流動動性性））的的影影響響澆注注條件件澆注注溫溫度度充型型壓壓力力澆注注系系統(tǒng)統(tǒng)澆注注溫溫度度越越高高，，液液態(tài)態(tài)金金屬屬的的粘粘度度越越小小，，過過熱熱度度大大，，液液態(tài)態(tài)金金屬屬含含熱熱量量多多，，保保持持液液態(tài)態(tài)的的時時間間長長，，充充型型能能力力強強。。液態(tài)態(tài)金金屬屬在在流流動動方方向向上上所所受受的的壓壓力力稱稱為為充充型型壓壓力力。。充充型型壓壓力力越越大大，，充充型型能能力力越越強強。。澆注注系系統(tǒng)統(tǒng)的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)越越復(fù)復(fù)雜雜，，則則流流動動阻力越大，充充型能力越差差。（1）合金的流動動性及影響因因素鑄型充填條件件對充型能力力（流動性））的影響鑄型溫溫度鑄型預(yù)預(yù)熱后后，可可減緩緩金屬屬液的冷冷卻速速度，，從而而使充充型能力力提高高。但但預(yù)熱熱溫度度不能過過高。。鑄型材材料鑄型材材料的的導(dǎo)熱熱系數(shù)數(shù)和比熱熱容越越大，，對液液態(tài)合金金的激激冷能能力越越強，充充型能能力越越差。。鑄型的的發(fā)氣氣和透透氣能能力澆鑄時時產(chǎn)生生氣體體能在在金屬屬液與與鑄型間間形成成氣膜膜，減減小摩摩擦阻阻力，有有利于于充型型。但但發(fā)氣氣能力力過強，，透氣氣能力力又差差時，，若澆澆鑄速度度太快快，則則型腔腔中的的氣體體壓力增增大，，充型型能力力減弱弱。（1）合金金的流流動性性及影影響因因素鑄件結(jié)結(jié)構(gòu)對對充型型能力力（流流動性性）的的影響響折算算厚厚度度：：折算算厚厚度度也也叫叫當(dāng)當(dāng)量量厚厚度度或或模模數(shù)數(shù)，，是是鑄鑄件件體體積積與與鑄鑄件件表表面面積積之之比比。。折折算算厚厚度度越越大大，，熱熱量量散散失失越越慢慢，，充充型型能能力力就就越越好好。。鑄鑄件件壁壁厚厚相相同同時時，，垂垂直直壁壁比比水水平平壁壁更更容容易易充充填填（（大大平平面面鑄鑄件件不不易易成成形形））。。復(fù)雜程度度：鑄件結(jié)構(gòu)構(gòu)越復(fù)雜雜，流動動阻力就就越大，，鑄型的的充填就就越困難難。（1）合金的的流動性性及影響響因素（2）合金的的收縮性性三種凝固固方式逐層凝固固，糊狀狀凝固，，中間凝凝固。*鑄件的凝凝固鑄件在凝凝固過程程中，其其截面一一般存在在三個區(qū)區(qū)域，即即液相區(qū)、、凝固區(qū)區(qū)、固相相區(qū)。對鑄件件質(zhì)量影影響較大大的主要要是液相相和固相相并存的的凝固區(qū)區(qū)的寬窄窄。鑄件件的凝固固方式就就是依據(jù)據(jù)凝固區(qū)區(qū)的寬窄窄來劃分分的。鑄件的三三種凝固固方式（1）逐層凝凝固方式式

合金金在凝固固過程中中其斷面面上固相相和液相相由一條條界線清清楚地分分開，這這種凝固固方式稱稱為逐層層凝固。。常見合合金如灰灰鑄鐵、、低碳鋼鋼、工業(yè)業(yè)純銅、、工業(yè)純純鋁、共共晶鋁硅硅合金及及某些黃黃銅都屬屬于逐層層凝固的的合金。。（2）糊狀凝凝固方式式合金在凝凝固過程程中先呈呈糊狀而而后凝固固，這種種凝固方方式稱為為糊狀凝凝固。球球墨鑄鐵鐵、高碳碳鋼、錫錫青銅和和某些黃黃銅等都都是糊狀狀凝固的的合金。。（3）中間凝凝固方式式大大多數(shù)合合金的凝凝固介于于逐層凝凝固和糊糊狀凝固固之間，，稱為中中間凝固固方式。。中碳鋼鋼、高錳錳鋼、白白口鑄鐵鐵等具有有中間凝凝固方式式。（2）合金的的收縮性性影響凝固固的主要要因素1.合金的結(jié)結(jié)晶溫度度范圍：：合金的結(jié)結(jié)晶溫度度范圍越越小，凝凝固區(qū)越越窄，越越趨向于于逐層凝凝固。在在鐵碳合合金中普普通灰鑄鑄鐵為逐逐層凝固固，高碳碳鋼為糊糊狀凝固固。2.鑄件的溫溫度梯度度：在合金結(jié)結(jié)晶溫度度范圍已已定的前前提下，，凝固區(qū)區(qū)的寬窄窄取決于于鑄件內(nèi)內(nèi)外層之之間的溫溫度差，，若鑄件件內(nèi)外層層之間的的溫度差差由小變變大，則則其凝固固區(qū)相應(yīng)應(yīng)由寬變變窄。即即增大溫溫度梯度度可使合合金的凝凝固方式式向逐層層凝固轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化；反反之，鑄鑄件的凝凝固方式式向糊狀狀凝固轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化。（2）合金的的收縮性性合金的收縮合金從液態(tài)冷冷卻至室溫的的過程中，其其體積或尺寸寸縮減的現(xiàn)象象。合金的收收縮給液態(tài)成成形工藝帶來來許多困難，，會造成許多多鑄造缺陷（（如縮孔、縮縮松、裂紋、、變形等）。。合金收縮的三三個階段（2）合金的收縮縮性合金收縮引發(fā)發(fā)的鑄造缺陷陷合金收縮固態(tài)合金冷卻卻液態(tài)合金冷卻卻液態(tài)收縮凝固收縮縮孔:恒溫下結(jié)晶縮松:兩相區(qū)結(jié)晶固態(tài)收縮(線性收縮)裂紋變形內(nèi)應(yīng)力不同合金收縮縮率不同，鑄鑄鋼的收縮率率大約是灰鑄鑄鐵的2倍。（2）合金的收縮縮性（1）鑄件中的的縮孔與縮松松縮孔的形成:純金屬、共晶晶成分和凝固固溫度范圍較較窄的合金，，澆注后在型型腔內(nèi)是由表表及里的逐層凝固。在凝固過程程中，如得不不到合金液的的補充，在鑄鑄件最后凝固固的地方就會會產(chǎn)生縮孔。。二、鑄造缺陷陷分析與鑄件件質(zhì)量控制縮松的形成:鑄件最后凝固固的收縮未能能得到補足，，或者結(jié)晶溫溫度范圍寬的的合金呈糊狀凝固，凝固區(qū)域較較寬，液、固固兩相共存，，樹枝晶發(fā)達達，枝晶骨架架將合金液分分割開的小液液體區(qū)難以得得到補縮所致致。（1）鑄件中的的縮孔與縮松松縮孔縮松的特特點:縮孔總是集中中出現(xiàn)在鑄件件的上部或最最后凝固的部部位，其外形形特征：內(nèi)表表面粗糙，形形狀不規(guī)則，，多近于倒圓圓錐形。通常?？s孔隱藏于于鑄件的內(nèi)部部，有時經(jīng)切切削加工才能能暴露出來。?？s孔形成的的主要原因是是液態(tài)收縮和和凝固收縮大大于固態(tài)收縮縮。宏觀縮松多多分布在鑄鑄件最后凝凝固的部位位，顯微縮縮松則是存存在于晶粒粒之間的微微小孔洞，，縮松形成成的主要原原因也是液液態(tài)收縮和和凝固收縮縮大于固態(tài)態(tài)收縮所致致。（1）鑄件中中的縮孔與與縮松影響縮孔縮縮松形成的的因素:（1）合金成分分：結(jié)晶溫溫度范圍越越小的合金金（傾向于于逐層凝固固）容易產(chǎn)產(chǎn)生縮孔；；而結(jié)晶溫溫度范圍越越大的合金金（傾向于于糊狀凝固固）容易產(chǎn)產(chǎn)生縮松。。（2）澆注過程程：澆注溫溫度、澆注注速度等均均影響合金金的收縮過過程。一般般情況下，，澆注溫度度越高，形形成縮孔的的傾向大；；澆注緩慢慢，縮孔的的容積較小小。（3）鑄型條件件：鑄型對對縮孔、縮縮松的影響響主要表現(xiàn)現(xiàn)在鑄型對對鑄件冷卻卻速度的影影響上。鑄鑄型激冷能能力越大，，縮松的容容積越小（（破碎枝晶晶）。（4）鑄件結(jié)構(gòu)構(gòu)：鑄件的的結(jié)構(gòu)直接接關(guān)系著縮縮孔、縮松松的形成，，設(shè)計鑄件件時必須考考慮逐漸結(jié)結(jié)構(gòu)的工藝藝合理性。。（1）鑄件中中的縮孔與與縮松縮孔和縮松松的防止定向凝固原原則（順序凝固固）鑄件中讓遠遠離冒口的的地方先凝凝固，靠近近冒口的地地方次凝固固，最后才才是冒口本本身凝固。。實現(xiàn)以厚厚補薄，將將縮孔轉(zhuǎn)移移到冒口中中去。原理合理布置內(nèi)內(nèi)澆道及確確定澆鑄工工藝。方法合理應(yīng)用冒冒口、冷鐵鐵和補貼等等工藝措施施。冒口的概念念為避免鑄件件出現(xiàn)缺陷陷而附加在在鑄件上方方或側(cè)面的的補充部分分，其主要要作用之一一是避免出出現(xiàn)縮孔、、縮松等。。（1）鑄件中中的縮孔與與縮松定向凝固原原則解決縮縮孔縮松利用冒口和和冷鐵實現(xiàn)現(xiàn)定向凝固固加大了鑄鑄造成本，，同時增大大了產(chǎn)生變變形、裂紋紋的傾向，，主要用于于必須補縮縮的場合，，如鑄鋼件件、鋁青銅銅等。（1）鑄件中中的縮孔與與縮松內(nèi)應(yīng)力熱應(yīng)力機械應(yīng)力變形裂紋鑄件在凝固固和冷卻的的過程中，，由于鑄件件的壁厚不不均勻，導(dǎo)導(dǎo)致不同部部位不均衡衡的收縮而而引起的應(yīng)應(yīng)力。鑄件在固態(tài)態(tài)收縮時，，因受到鑄鑄型、型芯芯、澆冒口口、砂箱等等外力阻礙礙而產(chǎn)生的的應(yīng)力。殘余熱應(yīng)力力的存在，，使鑄件處處在一種非非穩(wěn)定狀態(tài)態(tài)，將自發(fā)發(fā)地通過鑄鑄件的變形形來緩解其其應(yīng)力，以以回到穩(wěn)定定的平衡狀狀態(tài)。當(dāng)熱應(yīng)力大大到一定程程度會導(dǎo)致致出現(xiàn)裂紋紋。固態(tài)收收縮（2）鑄造應(yīng)力力、變形和和裂紋熱應(yīng)力的形形成過程（2）鑄造應(yīng)力力、變形和和裂紋熱應(yīng)力的消消除方法—同時凝固原原則鑄件的結(jié)構(gòu)構(gòu)：鑄件各部分分能自由收收縮工藝方面：：采用同時凝凝固原則時效處理：：人工時效；；自然時效效鑄件的結(jié)構(gòu)構(gòu)盡可能對對稱鑄件的壁厚厚盡可能均均勻（2）鑄造應(yīng)力力、變形和和裂紋同時凝固原原則主要適適用于灰鑄鑄鐵（收縮縮小）、錫錫青銅（糊糊狀凝固））等。機械應(yīng)力：：機械應(yīng)力會會導(dǎo)致形成成裂紋，鑄造過程程中應(yīng)適時開箱箱以加以防防止。（2）鑄造應(yīng)力力、變形和和裂紋鑄件的變形形原因結(jié)論：1）變形方向向：應(yīng)力釋放的的方向2）厚部、心心部受拉應(yīng)力，，出現(xiàn)內(nèi)凹變形。薄部、表面面受壓應(yīng)力，，出現(xiàn)外凸變形。（2）鑄造應(yīng)力力、變形和和裂紋鑄件的上表表面冷卻快快鑄件變形的的消除方法法防止變形的的方法：與防止應(yīng)力力的方法基基本相同。。帶有殘余余應(yīng)力的鑄鑄件，變形形使殘余應(yīng)應(yīng)力減小而而趨于穩(wěn)定定。鑄件的變形形包括鑄件件凝固后所所發(fā)生的變變形以及隨隨后的切削削加工變形形。防止鑄鑄件變形還還有以下幾幾種方法：：1.采用反變形形法：可在在模樣上做做出與鑄件件變形量相相等而方向向相反的預(yù)預(yù)變形量來來抵消鑄件件的變形，，此種方法法稱為反變變形法。2.去應(yīng)力退火火或自然時時效：鑄件件機加工之之前先進行行去應(yīng)力退退火，以穩(wěn)穩(wěn)定尺寸，，降低切削削加工變形形程度。3.設(shè)置工藝加加強筋：為為了防止鑄鑄件的鑄態(tài)態(tài)變形，可可在容易變變形的部位位設(shè)置工藝藝加強筋。。（2）鑄造應(yīng)力力、變形和和裂紋鑄件裂紋的的分類及其其形貌鑄件一般有有熱裂和冷冷裂兩種開開裂方式。。當(dāng)合金凝凝固末期的的線收縮受受到阻礙，，產(chǎn)生的應(yīng)應(yīng)力若超過過該溫度下下合金的強強度，即產(chǎn)產(chǎn)生熱裂；；而冷裂是是鑄件處于于低溫的彈彈性狀態(tài)時時，鑄造應(yīng)應(yīng)力超過合合金的強度度極限而產(chǎn)產(chǎn)生的（脆脆性大的合合金容易發(fā)發(fā)生）。熱熱裂裂紋一一般沿晶界界產(chǎn)生和發(fā)發(fā)展，其外外形曲折短短小，裂紋紋縫內(nèi)表面面呈氧化色色；冷裂裂裂紋常常是是穿晶斷裂裂，裂紋細細小，外形形呈連續(xù)直直線狀或圓圓滑曲線狀狀，裂紋縫縫內(nèi)干凈，，有時呈輕輕微氧化色色。鑄件裂紋的的防止為有效地防防止鑄件裂裂紋的發(fā)生生，應(yīng)盡可可能采取措措施減小鑄鑄造應(yīng)力；；同時金屬屬在熔煉過過程中，應(yīng)應(yīng)嚴格控制制有可能擴擴大金屬凝凝固溫度范范圍元素的的加入量及及鋼鐵中的的硫、磷含含量。鑄件的裂紋紋及防止（2）鑄造應(yīng)力力、變形和和裂紋鑄件的裂紋紋及防止彎曲輪輻和和奇數(shù)輪輻輻的設(shè)計，，可使鑄件件能較好地地自由收縮縮，防止冷冷裂的發(fā)生生。鑄件壁厚力力求均勻，，避免局部部過厚形成成熱節(jié)導(dǎo)致致熱裂紋的的產(chǎn)生（2）鑄造應(yīng)力力、變形和和裂紋9、靜夜四無無鄰，荒居居舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中黃黃葉樹，，燈下白白頭人。。。21:54:3521:54:3521:5412/29/20229:54:35PM11、以以我我獨獨沈沈久久，，愧愧君君相相見見頻頻。。。。12月月-2221:54:3521:54Dec-2229-Dec-2212、故人人江海海別，，幾度度隔山山川。。。21:54:3521:54:3521:54Thursday,December29,202213、乍見翻疑夢夢，相悲各問問年。。12月-2212月-2221:54:3521:54:35December29,202214、他他鄉(xiāng)鄉(xiāng)生生白白發(fā)發(fā)，，舊舊國國見見青青山山。。。。29十十二二月月20229:54:35下下午午21:54:3512月月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月229:54下下午午12月月-2221:54December29,202216、行動出成成果，工作作出財富。。。2022/12/2921:54:3521:54:3529December202217、做前，能夠夠環(huán)視四周；；做時，你只只能或者最好好沿著以腳為為起點的射線線向前。。9:54:35下午9:54下下午21:54:3512月-229、沒沒有有失失敗敗，，只只有有暫暫時時停停止止成成功功！！。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、很多事事情努力力了未必必有結(jié)果果，但是是不努力力卻什么么改變也也沒有。。。21:54:3521:54:3521:5412/29/20229:54:35PM11、成功就是日日復(fù)一日那一一點點小小努努力的積累。。。12月-2221:54:3521:54Dec-2229-Dec-2212、世間成成事，不不求其絕絕對圓滿滿，留一一份不足足，可得得無限完完美。。。21:54:3521:54:3521:54Thursday,December29,202213、不知香香積寺，，數(shù)里入入云峰。。。12月-2212月-2221:54:3521:54:35December29,202214、意意志志堅堅強強的的人人能能把把世世界界放放在在手手中中像像泥泥塊塊一一樣樣任任意意揉揉捏捏。。29十十二二月月20229:54:35下下午午21:54:3512月月-2215、楚塞三湘湘接，荊門門九派通。。。。十二月229:54下下午12月-2221:54December29,202216、少年十五二二十時，步行行奪得胡馬騎騎。。2022/12/2921:54:3521:54:3529December202217、空山山新雨雨后，，天氣