工业设计专业《材料与工艺》6第六章、金属材料和及工工艺

金属材料及加工工艺6.2金属材料工艺特性6.1金属材料固有特性6.3常用金属材料6.4金属材料在设计中的应用第六章金属材料及加工工艺6．1金属材料的固有特性6．3常用的金属材料6．2金属材料的工艺特性6．2．3金属材料的表面处理技术:1．铸造2.金属塑性加工3．切削加工4.焊接加工5.粉末冶金6．2．1金属材料的成型加工:6．2．2金属材料的热处理:(1)砂型铸造(2)熔埋铸造(3)金属型铸造(4)压力铸造(5)离心铸造(1)锻造(2)轧制(3)挤压(4)拔制(5)冲压1.普通热处理2．表面热处理3．特殊热处理1金属材料的表面前处理2金属材料的表面装饰技术6．4金属材料在设计中的应用6．1金属材料的固有特性金属材料是金属及其合金的总称。金属的特性是由金属结合键的性质所决定的。金属的特性表现在以下几个方面：①金属材料几乎都是有晶格结构的固体．由金属键结合而成。②金属材料是电与热的良导体。③金属材料表面具有金属所特有的色彩与光泽。④金属材料具有良好的展延性。⑤金属可以制成金属间化合物，可以与其他金属或氢、硼、碳、氮、氧、磷与硫等非金属元素在熔融态下形成合金，以改善金属的性能。合金可根据添加元素的多少，分为二元合金、三元合金等。⑥除了贵金属之外，几乎所有金属的化学性能都较为活泼，易于氧化而生锈，产生腐蚀。6．2金属材料的工艺特性6．2．1金属材料的成型加工金属的成型方法可区分为铸造、塑性加工、切削加工、焊接与粉末冶金五类。1．铸造将熔融态金属浇入铸型后，冷却凝固成为具有一定形状铸件的工艺方法。铸造按铸型所用材料及浇注方式分为砂型铸造和特种铸造(包括：熔模铸造、金属型铸造、压力铸造和离心铸造）等。常用的铸造材料有铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等，通常根据不同的使用目的、使用寿命和成本等方面来选用铸件材料。下图为采用铸造方法生产的产品。(1)砂型铸造俗称翻砂，用砂粒制造铸型进行铸造的方法。主要工序有：制造铸模，制造砂铸型(即砂型)，浇注金属液，落砂，清理等。砂型铸造适应性强，几乎不受铸件形状、尺寸、重量及所用金属种类的限制，工艺设备简单，成本低，为铸造业广泛使用。砂型铸造的基本工艺过程如下：砂型铸造的工艺流程图：工装准备芯砂配置砂型配制造型炉料准备制芯砂型干燥合金熔炼型芯干燥合箱浇注凝固冷却落砂清理铸件检验成品入库砂型铸造造型（制芯）方法1、手工造型常用的手工造型的方法有：整模造型，挖砂造型，假箱造型，分模造型，活块造型，刮板造型等2、机器造型常用的机器造型的方法有：震压造型，抛砂造型，微震压造型，高压造型，射压造型。砂型铸造视频：砂型铸造.avi(2)特种铸造之一——熔模铸造又称失蜡铸造，为精密铸造方法之一，是常用的铸造方法。①制作母模：母模是铸件的基本模样，用于制造压型。可根据设计方案用适当的材料制作母模。②制作压型：压型是制造蜡模的特殊铸型；压型常用钢或铝合金加工而成，小批量时可采用易熔合金、石膏或硅橡胶制作。用硅橡胶制作压型时，将母模均匀的刷上一层硅橡胶，然后贴一层纱布，如此反复五六次，视铸件的大小决定。外层用石膏固定，待硅橡胶模固化后，取出母模，即翻制得硅橡胶模压型。③制作蜡模：制造蜡模的材料有石蜡、蜂蜡、硬脂酸和松香等，常用50％石蜡和50%硬脂酸的混合料。将熔化好的45-48度的蜡料倒入压型内，同时不断的翻转压型，使蜡料均匀形成蜡模，待蜡料冷却后便可从压型中取出，修毛刺后即得蜡模。批量生产时则将多个蜡模组装成蜡模组。使用蜡棒粘接蜡模制作浇注流道，浇注流道要有浇注口和出口。④制作型壳：在蜡模上均匀地刷一层耐火涂料(如水玻璃溶液)，洒一层耐火砂，放入饱和NaCl溶液中使之硬化成壳。如此反复涂三四次，便形成具有5－7mm厚度的由耐火材料构成的型壳(洒耐火砂先细后粗)。⑤脱蜡：将制作好的型壳放入炉中烘烤或放入80—90度热水中，将蜡模熔化流出并回收，从而得到一个中空的型壳。⑥焙烧和造型：将型壳进行高温（800—950度0.5－2小时）焙烧，以增加型壳强度。为进一步提高型壳强度，防止浇注时型壳变形或破裂，可将型壳放在箱体中，周围用干砂填充。⑦浇注：将型壳保持一定温度（600－700度），浇注金属溶液，然后冷却。⑧脱壳：待金属液凝固后，去除型壳，切去浇口，清理毛刺，获得所需铸件。（1）尺寸精度高，表面质量好，表面粗糙度能达到12.5－1.6微米；（2）可制作复杂的铸件，最小壁厚可达到0.3毫米，最小孔径可达到0.5毫米；（3）铸造合金种类不受限制，用于生产高熔点和难切割的合金铸件优越性更强；（4）生产批量不受限制，可大批量和小批量生产。（5）缺点是工序繁杂，生产周期长，成本高，铸件质量一般限制在25Kg以下。应用场合是用于汽轮机的叶片，泵的叶片，切削刀具，飞机汽车拖拉机风动工具和机床上的小型零件。熔模铸造的特点和应用熔模铸造视频：熔模铸造.avi(3)特种铸造之二-----金属型铸造将液体金属在重力作用下浇入金属铸型获得铸件的方法，又称永久型铸造或硬型铸造。铸型常用铸铁、铸钢等材料制成，可反复使用，直至损耗。金属型铸造所得铸件的表面光洁度和尺寸精度均优于砂型铸件，且铸件的组织结构致密，力学性能较高。适用于中小型有色金属(如铝、铜、镁及其合金等)铸件和铸铁铸件的生产。金属性铸造的特点是有较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度（12.5—6.3微米),冷却速度快,铸件力学性能好,可以一型多铸生产率较高,缺点是不适宜生产大型的形状复杂的薄壁铸件且不适合生产高熔点合金铸件.适用场合是用于铜合金\铝合金等非铁金属铸件的大批量生产,如活塞,连杆,气缸盖等.金属型铸造视频：金属型铸造.avi(4)特种铸造之三------压力铸造简称压铸。在压铸机上，用压射活塞以较高的压力和速度将压室内的金属液压射到模腔中，并在压力作用下使金属液迅速凝固成铸件的铸造方法。属于精密铸造方法。铸件尺寸精确，表面光洁(便面粗糙度达到6.3-1.6微米)，组织致密，生产效率高。适合生产小型、薄壁(0.8毫米,孔径可达0.8毫米,螺距可达0.75毫米)的复杂铸件，铸件抗拉强度壁砂型铸造高25%-40%.并能使铸件表面获得清晰的花纹、图案及文字等。主要用于锌、铝、镁、铜及其合金等铸件的生产。压力铸造视频：压力铸造.avi(5)特种铸造之四-----离心铸造将液态金属浇入沿垂直轴或水平轴旋转的铸型中，在离心力作用下金属液附着于铸型内壁，经冷却凝固成为铸件的铸造方法。离心铸造的铸件组织致密，力学性能好，可减少气孔、夹渣等缺陷。常用于制造各种金属的管形或空心圆筒形铸件，也可制造其他形状的铸件。其他的特种铸造还有:低压铸造\消失模铸造\陶瓷型铸造\挤压铸造和连续铸造等.离心铸造视频：离心铸造.avi2金属塑性加工又称金属压力加工。在外力作用下，金属坯料发生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法，其特点是：在成型的同时，能改善材料的组织结构和性能，产品可直接制取或便于加工，无切削，金属损耗小。金属塑性变形过程中遵循最小阻力定律\加工硬化定律和体积不变规律.金属塑性加工按加工方式分为锻造、轧制、挤压、拔制和冲压加工。(1)锻造锻造是利用手锤、锻锤或压力设备上的模具对加热的金属坯料施力，使金属材料在不分离条件下产生塑性变形，以获得形状、尺寸和性能符合要求的零件。为了使金属材料在高塑性下成型，通常锻造是在热态下进行，因此锻造也称为热锻。锻造按成型是否用模具通常分为自由锻和模锻，按加工方式分为手工锻造和机械锻造。自由锻是利用冲击力或压力使金属坯料在上、下砥铁(砧)之间,产生塑性变形而获得所需形状,尺寸和内部质量锻件的加工方法，如图6-5所示。模锻是使金属坯料在具有一定形状的锻模模膛内受压变形，获得所需形状,尺寸和内部质量锻件的加工法方法.由于模膛限制了金属胚料的流动,使得模锻件与模膛形状一致.如图6-6所示。手工锻造是一种古老的金属加工工艺，是以手工锻打的方式，在金属板上锻锤出各种高低凹凸不平的浮雕效果。图6-7为锻铜浮雕。手工锻造有两种形式：一种是手工自由锻，一般用于小型金属工艺品的制作；另一种是手工模锻，一般用于大中型金属工艺品的制作。手工自由锻：是指在金属板上自由锻造成型，其工序可以分为基本工序,辅助工序和修整工序.其中基本工序包括以下几类:(1)镦粗:沿工件轴向进行锻打,使其长度减小,横截面积增大的操作过程;(２)拔长:沿垂直于工件的轴向锻打,长度增加横截面积减小的操作过程;(３)冲孔:利用冲头在工件上冲出通孔或不通孔的操作过程.另外基本工序还有弯曲,切割,扭转,错移等工序.①首先将铜皮用汽油喷灯进行加温，烧至红色，这一过程称为“退火”，目的是使铜的分子结构重组，使之变软。②将设计好的图案画在铜皮上，用錾子将轮廓錾出。③根据预先的设计将铜皮放在沙袋上，用锤子和錾子锻出大的凹凸起伏。④将铜皮用胶固定在一张平板上，用各种型号和形状的錾子錾出一些精细的造型，其间需要多次退火。⑤将制作好的作品放在铁垫板上，找平，然后整理好边缘⑥将作品需要抛光的地方进行抛光，然后进行电镀、化学着色、防腐等后处理。手工自由锻的具体过程是(以紫铜浮雕为例)：手工自由锻视频：唐刀的锻造.avi模锻模锻根据适用设备不同可以分为锤上模锻,压力机上模锻和胎模锻.模锻的优点有:(１)生产效率高;(２)能锻造形状复杂的锻件,并可以使金属流线分布合理,提高了零件的适用寿命;(３)模锻件的尺寸精确,表面质量好,加工余量小;(４)模锻件可以减少切削加工的工作量,在批量足够条件下可以降低零件成本;(５)操作简单,劳动强度低.模锻视频：叉杆的锻造.avi(2)轧制利用两个旋转轧辊的压力使金属坯料通过一个特定空间产生塑性变形，以获得所要求的截面形状并同时改变其组织性能。按轧制温度分为热轧（断面尺寸大）和冷轧（线材、薄板，光洁度好）轧制视频：轧制成形.avi(3)挤压将金属放入挤压筒内，用强大的压力使坯料从模孔中挤出，从而获得符合模孔截面的坯料或零件的加工方法，如图6—9所示。常用的挤压方法有：正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压。适合于挤压加工的材料主要有低碳钢、有色金属及其合金。通过挤压可以得到多种截面形状的型材或零件。挤压成型视频：挤压成形.avi(4)拔制用拉力使大截面的金属坯料强行穿过一定形状的模孔，以获得所需断面形状和尺寸的小截面毛坯或制品的工艺过程。（低碳钢、有色金属、合金，管材、棒材、线材、异形材）无缝钢管(5)冲压又称板料冲压，是在压力作用下利用模具使金属板料分离或产生塑性变形，以获得所需工件的工艺方法。分为热冲压和冷冲压（薄板加工）。按冲压加工功能分为冲裁加工和成型加工。冲压视频：冲压冲压工序及特点冲压基本工序有分离和变形两类.分离工序包括落料,冲孔,切断等;变形工序包括拉深,弯曲,翻边和涨形等.冲压工序的特点:(１)生产操作简单,生产率高,容易实现机械化和自动化;(２)冲压件尺寸精确,表面光洁,质量稳定,互换性好,可以作为零件使用;(３)冲压件质量轻,强度高,刚性好;(４)冲模结构复杂,精度要求高,所以冲压适合在大批量生产条件下采用.3．切削加工又称为冷加工。利用切削刀具在切削机床上(或用手工)将金属工件的多余加工量切去，以达到规定的形状、尺寸和表面质量的工艺过程。按加工方式分为车削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削及钳工等，是最常见的金属加工方法。车削工艺:双主轴数控车削.avi磨削工艺视频：意大利FRB驱动顶尖磨削曲轴.avi4焊接加工焊接加工是充分利用金属材料在高温作用下易熔化的特性，使金属与金属发生相互连接的一种工艺，是金属加工的一种辅助手段。常用的焊接方法有熔焊、压焊和钎焊。锡焊铜焊银焊电阻对焊闪光对焊焊接工艺熔焊\压焊\钎焊熔焊:将工件焊接处局部加热到熔化状态,形成熔池(通常还要加入填充金属),冷却结晶后形成焊缝,被焊工件结合为不可分割的整体.压焊:在焊接过程中无论加热与否,都需要对工件施加压力,使工件在固态或半固态的状态下实现连接.钎焊:采用熔点低于被焊金属的钎料(填充金属)熔化以后,填充接头间隙,并与被焊金属相互扩散实现连接.钎焊过程中被焊工件不熔化,并且一般没有塑性变形.焊接