第二篇热加工.

第二篇热加工第一章铸造第二章金属压力加工第三章焊接第一章铸造熔炼金属，制造铸型，将熔化的金属液浇注到具有和零件形状相适应的铸型空腔中，凝固后获得一定形状铸件的工艺方法称为铸造。铸造生产中，最基本的方法是砂型铸造，目前，用砂型浇注的铸件约占铸件总重量的９０%以上，除一般砂型铸造以外还有许多种特种铸造方法，如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造、低压铸造、壳型铸造等。一、铸造生产的优点⒈用铸造方法可制成形状复杂，特别是具有复杂内腔的毛坯，如箱体、汽缸体、机座、机床床身等。第一章铸造⒉铸造的适应性广，工业中常用的金属材料，如碳素钢、合金钢、铸铁、青铜、黄铜、铝合金等，都可以用于铸造。其中应用十分广泛的铸铁，只能用铸造的方法来制造毛坯。铸件的重量可以为几克或重达数百吨，铸件的壁厚可由1mm到1m左右。在大件的生产中铸造的优越性尤为显著。⒊铸造所用的原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接用报废的机件、废钢和切屑做原料。在一般情况下，铸造设备需要的投资少。因此铸件的成本低廉。⒋铸件的形状和尺寸与零件非常接近，因而节约金属，并减少了切削加工的工作量。第一章铸造二、铸造生产目前存在的问题⒈同种金属材料制成的铸件，其机械性能不如锻件高。这是由于铸造组织粗大，且内部常有缩孔、缩松、气孔和砂眼等缺陷，这就使得铸件笨重，增加了机器设备的重量。⒉铸造工序多，一些工艺过程还难以精确地控制，使得铸件质量不够稳定，废品率较高。⒊在砂型铸造中，特别是在单件、小批量生产中，铸件的表面质量不高。工人的劳动环境、条件差，劳动强度高。随着现代铸造技术的不断发展，这些缺点正在逐步地得到改善。第一章铸造由于铸造生产有许多优点，在工业生产中得到广泛的应用。在机器设备中，铸件所占比重很大，如机床、内燃机中，铸件占总重量的70~90%，拖拉机占50~70%，农业机械占40~70%。近年来，由于精密铸造的迅速发展，铸件的表面质量有了很大提高，精度可达IT10~IT11，表面粗糙度可达Ra0.8，成为无切屑加工的重要方法之一。同时，由于球墨铸铁等新型铸造合金的普遍采用，以及小型铸钢件的推广，铸件的机械性能显著提高，使用范围也在日益扩大。第一节铸造工艺基础一、液态合金的充型液态合金填充铸型的过程，称为液态合金的充型。将铸型型腔充满是获得形状完整、轮廓清晰铸件的基本条件。如果液态合金是在纯液态下填充铸型型腔，便可以得到结构完整的铸件；如果液态合金在填充铸型的流动过程中伴随着结晶过程，则液态合金的粘度增大、流动性下降，结晶形成的晶粒有可能堵塞充型通道，严重时液态合金被迫停止向前流动，这种情况下，会产生浇不到（足）或冷隔等铸造缺陷。将液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，称为液态合金的充型能力。第一节铸造工艺基础影响液态合金充型能力的因素：⒈合金的流动性合金的流动性是指液态合金本身的流动能力，是铸造性能之一，合金的流动性越好，充型能力越强，便于浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。⒉浇注条件⑴浇注温度浇注温度对液态合金的充型能力有显著影响。在一定温度范围内，充型能力随着温度的升高而明显增强。若超过此界限，由于温度过高，液态合金吸气增多、氧化严重，充型能力提高幅度不断减小，甚至降低。第一节铸造工艺基础⑵充型压力液态合金流动时所受的正压力称为充型压力，充型压力越大，流动速度越快，充型能力越强。砂型铸造中可以用加高直浇道的办法来提高充型压力。其他铸造方法中可用外加压力或利用离心力来提高充型压力。⒊铸型条件⑴铸型导热能力铸型导热能力差，散热慢，合金保持液态的时间长，充型能力好。⑵铸型阻力浇注过程中，铸型型腔中的气体若能顺利排除，则可提高液态合金的充型能力；此外，零件的壁厚、型腔的复杂程度对充型能力也有较大影响。第一节铸造工艺基础二、铸件的凝固⒈铸件的凝固在铸件凝固过程中，一般存在着固相区、凝固区和液相区三个区域，其中凝固区是液相与固相共存的区域，凝固区的范围宽窄对铸件的质量影响较大，按照凝固区的宽窄，分为逐层凝固、中间凝固和体积凝固三种凝固方式。⑴逐层凝固纯金属和共晶成分的合金在恒温下结晶，凝固过程中，固相和液相的界面分明，也就是铸件截面上的凝固区域的宽度为零。随着温度的下降，固相区不断增大，逐渐到达铸件中心。因此，其凝固过程为由外向内的逐层凝固。第一节铸造工艺基础⑵体积凝固当金属的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸件凝固时，其液、固共存凝固区很宽，甚至贯穿整个铸件截面。⑶中间凝固当金属的结晶温度范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固和体积凝固之间。影响铸件凝固方式主要因素是金属的结晶温度范围（取决于化学成分）铸件的温度梯度。合金的结晶温度范围越小，凝固区越窄，越倾向于逐层凝固。当合金成分一定时，铸件截面上的温度梯度越大对应的凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。第一节铸造工艺基础⒉铸件的晶粒组织铸件的晶粒组织是指铸件的晶粒形状和大小而言的。根据一次结晶条件的不同，铸件具有不同的晶粒组织。图2-3（a）中铸件的晶粒组织由表面细晶粒区、内部柱状晶粒区和中心等轴晶区组成。表面细晶粒区由无方向的等轴晶粒组成。浇注后，与铸型接触的一层液态金属强烈过冷，生成大量晶核，并长大为许多细小的没有方向的细的等轴晶粒。柱状晶区由有方向性的柱状晶粒组成。表面细晶粒区形成后，与型腔壁垂直的方向为导热最强方向，晶核在这个方向的长大速度最快，形成柱状晶。第一节铸造工艺基础中心等轴晶区由均一的、无方向的等轴晶粒组成。该区的等轴晶粒比表面的细等轴晶粒要粗大。图2-3(b)中铸件的晶粒组织由表面细晶粒区和柱状晶区组成。图2-3(c)中铸件的晶粒组织由单一的等轴晶区组成。⒊铸件晶粒组织的控制晶粒组织对铸件力学性能有很大影响。柱状晶本身比较致密，有较高的强度和塑性，但在柱状晶的晶界上富集杂质，削弱了晶粒间的联系。因此柱状晶组织的力学性能有明显的方向性，纵向好，横向差。第一节铸造工艺基础等轴晶的晶界面积大，杂质分布较分散，各向的力学性能差异小，而且晶粒越细小，铸件的综合力学性能越好。所以通常希望铸件为细等轴晶粒组织。铸造生产中细化晶粒的主要措施：①降低浇注温度、提高铸型的激冷能力（如用金属铸型代替砂铸型）；②孕育处理（通过外来晶核增加晶核的数目）；③采用机械振动、旋转磁场搅拌等方法，使结晶过程中，晶枝折断，从而增加晶核的数目。三、铸件的收缩⒈合金收缩的三个阶段液态收缩从浇注温度冷却到凝固开始温度的收缩；凝固收缩从凝固开始温度到凝固终止温度的收缩；固态收缩从凝固终止温度冷却到室温的收缩。合金的液态收缩和凝固收缩表现为型腔内液面的降低，通常用体积收缩率表示，它们是铸件产生缩孔、缩松缺陷的基本原因。合金的固态收缩表现为铸件尺寸的减小，通常用线收缩率表示。固态收缩是铸件产生内应力、变形和裂纹的根本原因。不同合金的收缩率不同。第一节铸造工艺基础⒉铸件中的缩孔和缩松⑴缩孔与缩松的形成液态合金在冷却凝固过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成孔洞。按孔洞的大小和分布，可分为缩孔和缩松两类。①缩孔缩孔是在铸件最后凝固部位容积大而集中的孔洞，呈倒圆锥形，内表面粗糙，并常可见到树枝状晶体的末梢。在铸件检查中，若铸件厚大部位的上表面（浇注位置）出线内凹，则可以判断内凹下有集中缩孔。第一节铸造工艺基础第一节铸造工艺基础②缩松细小而分散的缩孔称为缩松。缩松常分布在铸件轴线区域、厚大部位、冒口根部附近。当缩孔与缩松的容积相同时，缩松的分布面积比缩孔要大的多。缩松的形成是由于被树枝状晶体分隔开的小液体区的液态收缩和凝固收缩得不到补足所至。缩孔分为宏观缩松和显微缩松两种。宏观缩松是用肉眼或放大镜可以看出的小孔，多分布在铸件中心轴线处或缩孔的下方；显微缩松是分布在晶粒之间的微小孔洞，用显微镜才能观察出来。显微缩松难以完全避免，一般铸件不按缺陷对待，但对气密性、力学性能或化学性能要求很高的铸件，则必须设法减少。第一节铸造工艺基础⑵缩孔和缩松的防止缩孔和缩松使铸件的力学性能下降，因此必须采取适当的工艺措施来防止。液态合金在冷却过程中收缩容积是不能避免的，但铸件的缩孔是可以防止的。只要根据合金的收缩特点，合理控制铸件的凝固，使之实现顺序凝固（定向凝固）就可以避免缩孔。顺序凝固就是在铸件可能出现缩孔的热节处，通过增设冒口或冷铁等一系列工艺措施，使铸件远离冒口的部位先凝固，尔后是靠近冒口部位凝固，最后才是冒口本身凝固。第一节铸造工艺基础为了控制铸件的定向凝固，在安放冒口的同时，还可以在铸件上某些厚大部位增设冷铁。冷铁加快了这些厚大部位的冷却速度，使之较快凝固并完成补缩。冷铁通常用钢或铸铁制造。正确估计铸件上缩孔或缩松可能产生的部位是合理安置冒口和冷铁的重要依据。在实际生产中常以内节圆法或等温线法近似地找出缩孔的部位（热节处）。安放冒口和冷铁，实现定向凝固，虽可有效地防止缩孔和缩松，但却耗费许多合金和工时，加大了铸件的成本。同时，定向凝固扩大了铸件各部分的温差，增大了铸件变形和开裂的倾向。第一节铸造工艺基础⒊铸造应力、变形和裂纹铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩若是受到阻碍，便在铸件内部产生内应力，称为铸造内应力。这种应力有时是冷却过程中暂存的，有的一直残留到室温，后者称为残余内应力。铸造应力是铸件产生变形、裂纹等缺陷的主要原因。⑴铸造应力按铸造应力产生的原因，分为热应力和收缩应力。①热应力热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部位冷却速度不同，致使同一时期内铸件各部分收缩不一致所引起的。下面来分析热应力的形成。第一节铸造工艺基础第一节铸造工艺基础热应力的特征是铸件的厚壁或心部受拉，薄壁或表层受压。合金固态收缩率越高，铸件的壁厚差越大，热应力也越大。减小热应力的基本途径是，尽量减小铸件各部分的温度差，使其均匀的冷却。为此，在设计零件时，应尽量使壁厚均匀。在制订铸造工艺时采取同时凝固，即采取措施保证铸件各个部分没有大的温差，如将内浇口设置在铸件薄壁处，以增加薄壁处的热量，减缓其冷却速度。也可以在铸件厚壁处增设冷铁，以加快厚壁处的冷却速度。第一节铸造工艺基础②收缩应力它是铸件固态收缩时受到铸型和型芯的阻碍所产生的应力也称为机械应力。在砂型铸造中，通过提高砂型和砂芯的退让性，可以减少收缩应力。收缩应力是暂时的，铸件经落砂后可自行消除。但它可与热应力共同作用，增大某些部位的应力，增加铸件裂纹的倾向。第一节铸造工艺基础⑵铸件的变形和防止具有内应力的铸件是不稳定的，将自发的通过变形来释放应力，以趋稳定状态。因此，铸件由于内应力的作用，常常发生不同程度的变形，变形方向同应力符号相反。为防止铸件变形，应尽可能使铸件壁厚均匀或对称。此外，在铸造工艺上应采取措施，使之同时凝固。有时，对易变形的铸件，可采用反变形法，即在制造模型时，做出“反挠量”，用来抵消铸件的变形。对于重要铸件，机加工前必须进行时效处理。包括自然时效和人工时效。人工时效是将铸件加热到550~650°C进行去应力退火。第一节铸造工艺基础⑶铸件的裂纹与防止铸造过程中，当铸件的内部应力超过此时金属的抗拉强度，铸件就会产生裂纹，裂纹是铸件的严重缺陷，必须防止。铸造裂纹分为热裂纹和冷裂纹。热裂纹是在固相线附近形成的裂纹。其形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内表面呈氧化色，热裂纹是铸钢件和铝合金铸件常见的缺陷。研究发现，在凝固末期，结晶出来的晶体已形成完整的骨架，开始固态收缩，但晶粒之间还有少量液体相，形成液膜，强度很低。如果固态收缩受到砂型或砂芯的阻碍，收缩应力超过其抗拉强度，即产生热裂纹。总之，零件的结构不合理、合金的收缩率高、型砂或芯砂的退让性差，合金的高温强度低等，都使铸件易于产生热裂纹。为防止热裂纹，除正确设计零件结构外，应合理地选用型砂和芯砂的黏结剂，以改善其退让性。因硫能增加钢的热淬性，应限制钢和铸铁中硫的含量。冷裂纹是低温下形成的裂纹，