金属工艺学(热)教学内容

序言一、金属工艺学（热）教学内容•各种毛坯制造方法的生产原理、特点和应用–液态成形：铸造–固态塑变成形：锻压–连接成形：焊接各种毛坯的结构工艺性各种毛坯工艺的制订新技术、新工艺二、教学方式讲课为主，自学为辅作业讨论课投影、录像作业、测验三、几个问题教学计划安排：教学资料：教材、作业、参考书第一章铸造Foundry概述Summarization铸造Foundry：是一种液态金属成形的方法，即将金属加热到液态，使其具有流动性，然后浇入到具有一定形状的型腔的铸型中，液态金属在重力场或外力场（压力、离心力、电磁力等）的作用下充满型腔，冷却并凝固成具有型腔形状的铸件。一、铸造的实质PouringMeltintheMold→Solidification→Casting优点：complexinshapeadaptabilityintechnologycheapinproduction缺点：lowermechanicalpropertiesunstablequalityworseworkcondition铸造的特点（1）可以铸造出内腔、外形很复杂的毛坯。（2）工艺灵活性大、适应性广。铸件重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm到1m左右；铸件材料可用铸铁、铸钢、碳钢和有色金属等。（3）铸件成本低。（4）有铸造缺陷，机械性能不如锻件等。二、砂型铸造生产工艺流程三、铸造方法分类ClasficationoffoundryMethods砂型铸造SandCasting手工造型HandMolding机器造型MachineMolding震压造型VibrationRamming微震压实造型VibratorysqueezingMolding高压造型HighPressureMolding射压造型ShootingandSqueezingMolding空气冲击造型AirImpactingMolding抛砂造型ImpellerRamming特种铸造SpecialCasting熔模铸造FusiblePatternMolding金属型铸造PermanentMoldCasting压力铸造PressureDieCasting低压铸造LowPressureDieCasting离心铸造TrueCentrifugalCasting实型铸造1-1液态成形基础知识一、金属的凝固MeltSolidification1.液态金属的结构与性质液态金属由许多近程有序排列的“游动的原子集团”所组成,瞬间存在、瞬间消失。–原子的排列和原有的固体相似–存在很大的能量起伏，热运动很强–温度越高，原子集团越小，游动越快。液态金属具有粘度和表面张力等特性。–粘度是介质中一部分质点对另一部分质点作相对运动时所受到的阻力。粘度的倒数称为流动性。–表面张力是在液体表面上平行于表面方向、且在各方向均相等的张力。2．铸件的凝固方式SolidificationStyle逐层凝固方式：恒温下结晶的纯金属或共晶合金，在凝固过程中其铸件断面上的凝固区域宽度等于零。糊状凝固方式：如果铸件断面温度场较平坦，或合金的结晶温度范围很宽，铸件凝固的某一段时间内，其凝固区域在某时刻贯穿整个铸件断面。中间凝固方式：介于上述二者之间。3.铸件的凝固原则solidificationPrinciple顺序凝固原则：DirectionalSolidification在铸件上从远离冒口或浇口到冒口或浇口之间建立一个递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒口的方向顺序地凝固。同时凝固原则：SimultaneouslySolidification是采取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固。如图所示。二、金属和合金的铸造性能铸造性能：FoundryTechnologicalProperties是表示合金铸造成形获得优质铸件的能力，是一个极其重要的工艺性能。通常用流动性和收缩性等来衡量。1.合金的充型能力moldfillingcapacity⑴充型能力的概念（流动性）液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状正确的优质铸件的能力。它是考虑铸型及工艺因素影响的熔融金属的流动性。流动性不好时，易产生冷隔、浇不到、气孔、夹杂、缩孔、热裂等。合金的流动性好坏用浇注螺旋型流动试样的长度来衡量。⑵改善充型能力的措施合金性质propertiesofalloys.同类金属的结晶温度范围越小，结晶时固液両相区越窄，对内部液体的流动阻力越小，流动性越好。铸型条件mouldcondition。铸型的导热速度越大或对金属液流动阻力越大，流动性越差。浇注条件pouringcondition。浇注温度越高，流动性越好。铸件结构castingstructure。壁厚过小、壁厚急剧变化、结构复杂及有大的水平面等结构时，都使金属液的流动困难。通过两个途径发生作用：影响金属与铸型之间的热交换条件，改变金属液的流动时间；影响金属液在铸型中的水动力学条件，改变金属液的流动速度。2.合金的收缩性TheContractionofAlloys⑴收缩的概念：合金从液态冷却到常温的过程中，尺寸和体积缩小的现象称为收缩。TheConceptionoftheContraction体收缩率rateofvolumeContraction:εv＝v0_-v1/v0*100％线收缩率rateoflinearContraction：εl=l0-l1/l0*100％⑵收缩的阶段ContractionStages液态收缩LiquidContraction凝固收缩SolidificationContraction固态收缩SolidContraction前两个阶段的收缩使合金体积减少，表现为铸型内液面的降低，用体收缩率表示；后一阶段表现为铸件的外形尺寸减小，用线收缩率表示。⑶影响收缩的因素自由收缩freeContraction受阻收缩hinderedContraction和浇注、铸型条件和铸件结构等有关。同时和金属本身的成份、温度及相变有关三、铸造性能对铸件质量的影响1.缩孔和缩松ShrinkageandDispersedShrinkage⑴缩孔和缩松的形成（图－7为缩松的形成；图1－8为缩孔的形成）⑵缩孔和缩松的防止办法1、变缩松为缩孔，选择结晶温度范围窄的合金。2、采用顺序凝固Directionalolidification原则。3、合理应用冒口Riser、冷铁Chilling和补贴等工艺措施。控制热节HotSpot2、铸件的热裂热裂是在铸件凝固末期高温下形成的，裂纹表面与空气接触而被氧化，呈氧化色。热裂的形成与两方面因素有关：铸件的凝固方式，呈糊状凝固方式最易产生热裂。凝固时期受到阻碍2．铸造应力CastingStress铸造应力：铸件的固态收缩受到阻碍而引起的应力称为铸造应力。分为：热阻碍和机械阻碍，由热阻碍引起的应力为热应力，由机械阻碍引起的应力为机械应力。残留应力ResidualStress临时应力TemporaryStress⑴热应力以框形铸件为例，如图所示：冷到室温ThermalStress2杆：压应力：CompressionStress1杆：拉应力TensileStress⑵机械应力ContractionStress：铸件冷到弹性状态后，由于受到铸型、型芯和浇冒口等的阻碍而产生的应力为机械应力。机械应力为拉应力，如图：TensileStress⑶减小和消除铸造应力的方法同时凝固SimultaneouslySolidifying在工艺上采取措施减少铸造应力，如改善型芯砂的退让性、合理设置浇、冒口。在结构上避免阻碍收缩的结构。如壁厚均匀、壁之间连接均匀、热节小而分散的结构。减小机械阻碍：ReductionofRestraint去应力退火：ReliefAnnealing3．铸件的变形和冷裂DeformationandCrackofCasting⑴铸件的变形DeformationofCasting对厚薄不均匀、截面不对称及具有细长特点的杆类、板类及轮类等铸件，当残余应力大于材料的屈服极限时，产生翘曲变形，如图所示。薄壁冷速快，压应力，伸长或外凸厚壁冷速慢，拉应力，压缩或内凹⑵冷裂ColdCracking：铸件在低温时形成的裂纹。特点：裂纹表面光滑、有金属光泽呈微氧化色、穿晶，外形规则。脆性大、塑性差的合金，如白口铸铁、高碳钢等。如上图所示。4.热裂HotTearing铸件的凝固方式凝固时期受到阻碍5.气孔和非金属夹杂物(1)气孔(2)非金属夹杂物作业：一、问答题1、可采用哪些措施提高合金的流动性？2、缩孔和缩松是怎样形成的？可采用什么措施防止？3、什么是顺序凝固原则和同时凝固原则？