材料成型技術(shù)基礎(chǔ)1

材料成型技術(shù)基礎(chǔ)

BasicKnowledgeaboutTechnologiestoShapetheMaterial東華大學(xué)機(jī)械學(xué)院丁浩機(jī)械學(xué)院樓3059Tel:67792584Introduction1.Howtoshape?massincreasemassdecreasemassformationCastingPlasticformingFabricationbyjoiningMachiningPowdermetallurgyRapidprototypeMainshapingtechnologies2.AboutThisCurriculumTechnologyBasicCourse以研究常用工程材料及機(jī)器零件的成型工藝原理為主的綜合性基礎(chǔ)課涉及的課程知識：材料學(xué)、傳熱學(xué)、力學(xué)、冶金學(xué)、機(jī)械制圖MainTopicsinThisCurriculum鑄造Foundry壓力加工MechanicalWorking焊接WeldingFabrication3.Howtostudy?課程要求掌握各種成型技術(shù)的基本原理熟悉各種成型工藝的特點及其主要應(yīng)用熟悉零件成型的結(jié)構(gòu)工藝性掌握常用金屬的工藝性能以及影響因素成績評定平時成績占30%閉卷考試占70%教學(xué)方法授課：必須認(rèn)真聽，記筆記作業(yè)：獨立、按時完成自學(xué)：認(rèn)真對待錄像：開闊視野實驗學(xué)習(xí)方法重視各個教學(xué)環(huán)節(jié)重視實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)總結(jié)知識能力培養(yǎng)分析解決問題能力4.主要參考書References沈其文主編《材料成型工藝基礎(chǔ)》，華中理工大學(xué)出版社，1999.9

李遇昌等主編《熱加工工藝》，成都科技大學(xué)出版社，1989.6[美]E.PaulDeGarmoMaterialsandProcessesinManufacturing—機(jī)械制造工藝及材料，機(jī)械工業(yè)出版社，1985只是參考，主要教材第二篇鑄造Foundry什么叫鑄造Casting？(p33)Theproductionofshapedarticlesbypouringmoltenmetalintothemould鑄造方法砂型鑄造sandcasting特種鑄造熔模鑄造investmentcasting金屬型鑄造permanentmouldcasting壓力鑄造diecasting低壓鑄造low-pressurecasting離心鑄造centrifugalcastingspinningcasting鑄造生產(chǎn)的特點及局限廣泛wide-ranging精度相對較高Precision、便宜LowCost鑄造的局限性鑄造的特點形狀：復(fù)雜、特別是內(nèi)腔復(fù)雜的零件Especiallyfortheproductionofarticleswithcomplicateshapeandstructure例如：機(jī)箱、閥體、汽缸等

各種材料

Suitforalmostallkindsofalloy

大?。篻~t

castingweight:fromseveralgramstotons

批量：單件~大量材料力學(xué)性能比鍛件低Structureandproperty容易產(chǎn)生鑄造缺陷勞動條件差第一章鑄造工藝基礎(chǔ)

TheBasicKnowledge鑄造性能獲得好鑄件（PerfectCasting）的難易程度形狀完整：Shapeisproperlyformed

內(nèi)部質(zhì)量好：Internallysound

沒有缺陷：Freefromdefects取決于：充型、凝固、冷卻、結(jié)晶Dependonliquidmetal,flowpropertyunderfoundrycondition,solidificationprocess,coolingprocess§1液態(tài)合金的充型

TheMouldFillingofLiquidAlloy充型能力mouldfillingcapacity(p34)液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力形狀不完整、輪廓不清晰產(chǎn)生缺陷問：影響鑄件充型的因素有哪些？澆不足ShortRun冷隔ColdShut充型能力差合金本質(zhì)：流動性環(huán)境條件：澆注、充型工件結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)工藝性1.合金的流動性FluidityCastability1)合金的流動性的概念合金本身流動的能力；粘度viscosity流動性好容易澆鑄出輪廓清晰、薄而復(fù)雜的鑄件氣體、夾雜上浮與排除補縮流動性差薄壁鑄件：澆不足復(fù)雜鑄件：冷隔2)合金流動性測量螺旋型試樣法：用澆注后試樣的長度來表示1—試樣鑄件2—澆口3—冒口4—試樣凸點流道長：1.5mP34,fig2-1

3)影響合金的流動性的主要因素

variablesinfluencingfluidity成分composition:固液二相區(qū)間距越大，流動性越差純金屬及共晶點成分合金流動性好，后者的熔點更低，流動性更好。鐵碳合金流動性與含碳量關(guān)系p35,fig2-2freezingrang凝固區(qū)間,凝固范圍2.影響液態(tài)合金充型的其它因素1）溫度：合金T↑，流動性好，充型容易溫度取決于澆注溫度、鑄型溫度和鑄型材料預(yù)熱：鑄型溫度↑金屬型鑄造，壓力鑄造，熔模鑄造鑄型材料：蓄熱系數(shù)↑干砂型，濕砂型。石英砂，剛玉，鋯砂澆注溫度T↑，流動性好，充型能力強(qiáng)澆注溫度Pouringtemperature不能過高，why？熔煉溫度高，吸氣增加，氣孔收縮增加，縮孔、縮松凝固速度降低，粗晶易產(chǎn)生粘砂溫度2)充型壓力：靜壓頭；低壓鑄造；離心鑄造3)鑄型中的氣體：排氣口，真空澆注§2鑄件的凝固與收縮FreezingandShrinkage1.鑄件的三種凝固方式thewidenessofpastezoneP36圖2-3逐層凝固Freezinglayerbylayer糊狀凝固Pastefreezing中間凝固Middlefreezing液態(tài)收縮和凝固收縮得不到補償，將產(chǎn)生縮孔或縮松Noted:凝固方式(thewidenessofpastezone)取決于合金的成分：freezingrang凝固區(qū)間,凝固范圍溫度梯度temperaturegradient

凝固方式?jīng)Q定了合金的補縮性能feedingcharacters

傾向于逐層凝固的合金（灰口鑄鐵，近共晶點鋁硅合金）補縮性能好、鑄件致密度高、不容易產(chǎn)生縮松傾向于糊狀凝固的合金：錫青銅，鋁青銅，球墨鑄鐵補縮性能差、鑄件致密度不高、不容易產(chǎn)生縮松2.鑄造合金的收縮

ShrinkageoftheCastingAlloys

合金從澆注、凝固、直至冷卻到室溫，其體積和尺寸縮減現(xiàn)象（p36）鑄鋼＞白口鑄鐵＞灰口鑄鐵(p37表2-1)液態(tài)收縮和凝固收縮得不到補償，將產(chǎn)生縮孔或縮松液態(tài)收縮liquidContraction體收縮凝固收縮freezingcontraction體收縮固態(tài)收縮solidcontraction

線收縮3.鑄件中的縮孔和縮松3.1縮孔與縮松的形成縮孔（又稱集中縮孔）Shrinkagevoid由于凝固收縮得不到補償，在最后凝固部位或者熱節(jié)處(thermalcenter)，形成容積較大的孔洞TheformationofShrinkageVoid

p37Fig.2-4縮松（又稱分散縮孔）Porosity由于凝固收縮得不到補償，在鑄件一定區(qū)域內(nèi)，形成分散的小縮孔宏觀縮松—肉眼可見分布在鑄件心軸線處或縮孔下方微觀縮松—在顯微鏡下可見縮松影響鑄件的氣密性和力學(xué)性能左P38Fig.2-5

TheformationofShrinkageVoidandPorosity3.2縮孔和縮松傾向

縮孔、縮松傾向取決于合金的收縮和補縮能力

合金的收縮包括液態(tài)收縮和凝固收縮合金的凝固區(qū)間（凝固溫度范圍）:freezingrang

鑄鋼〉白口鑄鐵〉灰口鑄鐵球墨鑄鐵、錫青銅易形成縮松澆注溫度鑄件的補縮性能：凝固方式，補縮條件凝固方式與凝固區(qū)間和溫度梯度有關(guān)逐層凝固的合金補縮性能好，不容易產(chǎn)生縮松糊狀凝固的合金補縮性能差，容易產(chǎn)生縮松

壓力下凝固，可以防止縮松3.3縮孔和縮松的防止選用縮孔和縮松傾向小的合金:共晶合金

eutecticalloy

對于縮孔：用冒口(riser)補縮采用順序凝固progressivesolidification原則順序凝固（定向凝固）：在鑄件厚大部位安放冒口，鑄件遠(yuǎn)離冒口處先凝固，靠近冒口處后凝固，最后冒口本身凝固。注意：冷鐵本身沒有補縮作用，但可以加快該處鑄件的冷卻速度，與冒口一起使用，實現(xiàn)順序凝固如何避免縮松？對于傾向粥狀凝固的合金,例如錫青銅,縮松很難避免一般采用同時凝固的原則避免局部產(chǎn)生較大尺寸的縮松不管壁厚如何，同時一起收縮要求更高，采用金屬型離心鑄造也可以采用壓力鑄造，液態(tài)模鍛等工藝§3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋

InternalStress,DeformationandCrack1.鑄造應(yīng)力鑄件冷卻，固態(tài)收縮受阻礙，在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力得不到釋放，形成殘余內(nèi)應(yīng)力超過屈服極限，產(chǎn)生變形超過斷裂極限，形成裂紋形成方式：熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、相變應(yīng)力熱應(yīng)力：鑄件各部分冷卻速度不同，收縮過程不一致造成的應(yīng)力相變應(yīng)力：鑄件各部分相變時間不一致而產(chǎn)生的應(yīng)力有時形成殘留應(yīng)力，有時為臨時應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力：鑄件受到機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力一般不形成殘留應(yīng)力P39圖2-8鑄件中厚的部分最后冷卻，總是受拉應(yīng)力，薄的部分受壓應(yīng)力;熱應(yīng)力形成殘留應(yīng)力熱應(yīng)力的預(yù)防：采用同時凝固的方法（很少用）、合理結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力的消除：自然時效、人工時效熱應(yīng)力的形成FormationofThermalStress2.鑄件的變形與防止CastDistortionandtheSolution鑄造應(yīng)力超過材料的屈服極限，鑄件將產(chǎn)生塑性變形機(jī)架的變形T型型材的變形預(yù)防鑄件變形的措施設(shè)計時：鑄件結(jié)構(gòu)的壁厚均勻，形狀對稱采用反變形法：在模型上預(yù)先加一個反變形量采用同時凝固，但須考慮到縮孔同時凝固主要適用于灰鑄鐵和錫青銅，why?p40,fig2-93.鑄件的裂紋與防止CrackingandPrevention鑄造應(yīng)力超過材料的斷裂極限，鑄件將產(chǎn)生裂紋熱裂紋（晶間、高溫、凝固裂紋）hottearing寬，曲折，氧化色冷裂紋（低溫裂紋）coldcrack：細(xì)，直，輕微氧化色防止裂紋措施選用裂紋傾向小的合金熱裂傾向：凝固區(qū)間solidificationrang和鋼中的S冷裂傾向：塑性plastic和鋼中的P

鑄件的結(jié)構(gòu)：避免熱節(jié)、應(yīng)力集中stressconcentration

鑄型的退讓性p40,fig2-10第二章常用合金鑄件的生產(chǎn)

TypicalCastAlloys§1鑄鐵件生產(chǎn)灰鑄鐵GrayCastIron1.1灰鑄鐵的組織性能特點灰鑄鐵的組織鑄造性能好，成本低、應(yīng)用廣泛，產(chǎn)量高常用鑄造合金的組織、性能以及鑄件的生產(chǎn)特點基體+片狀石墨G：片狀（特點）3基體類:F，P，F(xiàn)+P灰鑄鐵的性能特點力學(xué)性能差，脆性材料流動性好縮孔縮松傾向小熱裂、冷裂傾向低優(yōu)良的減震性優(yōu)良的減摩性灰鑄鐵的鑄造性能好強(qiáng)度、硬度低，塑、韌性幾乎為0由于G片尖端相當(dāng)于裂紋，造成應(yīng)力集中灰鑄鐵的理想組織是什么？基體：P石墨：細(xì)小、均勻1.2影響鑄鐵組織和性能的因素化學(xué)成分C,Si,Mn,S,P碳、硅→碳當(dāng)量C.E=C%+0.3Si%Ⅰ—白口鑄鐵，Ⅱa—麻口鑄鐵，Ⅱ—珠光體灰口鑄鐵Ⅱb—珠光體—鐵素體灰口鑄鐵，Ⅲ—鐵素體灰口鑄鐵問題：1.獲得高牌號灰口鑄鐵而不產(chǎn)生麻口2.鑄件壁厚不一致，但性能均勻

冷卻速度1.3孕育處理Inoculation定義將孕育劑（75硅鐵）0.25-0.6%加入到低碳、低硅(2.7-3.3%C,1-2%Si)的鐵水中，攪拌后澆注，以獲得細(xì)小且分布均勻石墨的灰鑄鐵件處理工藝孕育鑄鐵InoculatedCastIron組織：細(xì)小、均勻的G+P基體性能特點強(qiáng)度、硬度高冷速對組織和性能的影響小灰鑄鐵牌號HT100——HT3502.可鍛鑄鐵MalleableCastIron

什么叫可鍛鑄鐵？性能特點：有一定的塑性、韌性，不可鍛造可鍛鑄鐵的生產(chǎn)過程白口鑄鐵→高溫退火→石墨呈團(tuán)絮狀成分：低碳、低硅；2.4～2.8%C，0.4～1.4%Si

適用范圍：中壓閥門形狀復(fù)雜的薄壁小件：大件容易產(chǎn)生麻口受一定沖擊的零件大批量生產(chǎn):單件成本高牌號KTH300-063.球墨鑄鐵SpheroidCastIron

3.1組織、性能特點及牌號QT700-2

性能好制造曲軸、連桿：疲勞性能高組織：球狀G+基體球化劑：稀土鎂合金孕育劑：75%硅鐵目的：促進(jìn)石墨化，防止球化劑造成的白口傾向P49,fig2-17沖入法球化處理3.2生產(chǎn)關(guān)鍵

熔煉成分：高碳（3.6～4%C），低P、低S

溫度：1420℃球化處理、孕育處理F，P，B，F(xiàn)+P，A-B4.蠕墨鑄鐵鑄型工藝增加鑄型剛度用干型防止皮下氣孔澆注系統(tǒng)，擋渣熱處理：基體改善蠕蟲狀G+基體；力學(xué)性能介于灰鐵與球鐵之間優(yōu)異的耐熱疲勞性球墨鑄鐵易產(chǎn)生縮孔、縮松、皮下氣孔、夾渣等缺陷§2鑄鋼件生產(chǎn)ProductionofCastSteelElement

1.鑄鋼牌號及成分牌號：ZG270-500p51Table2-6

成分特點：中碳

0.25～0.45%Cwhy?

含碳量過低→熔點高，流動性差，易粘砂，氣孔多；含碳量過高→熔點雖低，但塑性差，易冷裂鑄鋼的特點熔點高，易氧化、吸氣鑄造性能差流動性差、收縮大(縮孔縮松傾向大)、熱裂傾向大電爐熔煉防止粘砂，用涂料氣孔，干型，水玻璃型澆不足，開放式澆注系統(tǒng)縮孔縮松，順序凝固，冒口補縮裂紋，退讓性糖漿木屑§3銅、鋁合金鑄件生產(chǎn)熔化設(shè)備：坩堝爐銅合金的氧化問題（形成CuO2）→加覆蓋劑鋁合金的吸氫問題→加氯化鋅（ZnCl2）、六氯乙烷（C2Cl6）或加Cl2第三章砂型鑄造Sandcasting用型砂緊實成型的鑄造方法稱為砂型鑄造砂型鑄造是應(yīng)用最廣泛的一種鑄造方法可追溯到公元前3000～4000年砂型鑄造工藝流程合適的鑄造合金正確的熔煉和澆注合理的鑄型工藝獲得健全的鑄件砂型鑄造的鑄型工藝主要體現(xiàn)在鑄造工藝圖和鑄型裝配圖鑄造工藝圖定義：用工藝符號和參數(shù)，表示鑄造工藝方案的圖形一般直接畫在零件圖上作用：指導(dǎo)模型（芯盒）設(shè)計，生產(chǎn)準(zhǔn)備，鑄型制造作為鑄件檢驗依據(jù)選擇造型方法后，就開始制定鑄型工藝砂型鑄造概略圖鑄型工藝實線：分型面；文字、箭頭：鑄