材料成型技术基础 讲稿

1材料成型技术基础讲稿2第一章铸造概述铸造——将液态金属浇注到铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。铸造生产的特点：优点——零件的形状复杂；工艺灵活；成本较低。缺点——机械性能较低；精度低；效率低；劳动条件差。分类：砂型铸造——90%以上特种铸造——铸件性能较好，精度低，效率高我国铸造技术历史悠久，早在三千多年前，青铜器已有应用；二千五百年前，铸铁工具已经相当普遍。泥型、金属型和失蜡型是我国创造的三大铸造技术。§1-1金属的铸造性能合金的铸造性能是表示合金铸造成型获得优质铸件的能力。通常用流动性和收缩性来衡量。一、合金的流动性1、流动性概念流动性——液态合金的充型能力。流动性好的合金：易于浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件；有利于非金属夹杂物和气体的上浮和排除；易于补缩及热裂纹的弥合。合金的流动性是以螺旋形流动试样的长度来衡量。试样越长，流动性越好。２、影响合金流动性的因素a、合金性质方面纯金属、共晶合金流动性好。（恒温下结晶，凝固层内表面光滑）亚、过共晶合金流动性差。（（在一定温度范围内结晶，凝固层内表面粗糙不平））b、铸型和浇注条件提高流动性的措施：提高铸型的透气性，降低导热系数；确定合理的浇注温度；提高金属液的压头；3浇注系统结构简单。C、铸件结构铸件壁厚最小允许壁厚二、合金的收缩1、收缩的概念收缩是铸件中的缩孔、缩松、变形和开裂等缺陷产生的原因。收缩的三个阶段：液态收缩形成缩孔、缩松（体收缩率）凝固收缩固态收缩——产生变形和裂纹（线收缩率）几种铁碳合金的体积收缩率合金种类含碳量（%）浇注温度（℃）液态收缩（%）凝固收缩（%）固态收缩（%）总体积收缩（%）线收缩率（%）碳素铸钢白口铸铁灰铸铁0.353.03.51610140014001.62.43.53.04.00.17.865.4~6.33.3~4.212.4612~12.96.9~7.81.38~2.01.35~2.00.8~1.02、铸件的缩孔和缩松缩孔的形成：纯金属或共晶成分的合金易形成缩孔。缩松的形成：结晶温度范围大的合金易形成缩松。缩孔和缩松的防止：定向凝固——在铸件可能出现缩孔的厚大部位，通过增设冒口或冷铁等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固，尔后是靠近冒口的部位凝固，冒口本身最后凝固。结果——使铸件各个部分的凝固收缩均能得到液态金属的补充，而将缩孔转移到冒口之中3、铸造应力铸造内应力有热应力和机械应力，是铸件产生变形和开裂的基本原因。热应力的形成——热胀冷缩不均衡机械应力的形成——收缩受阻减少和消除应力的措施：结构上——壁厚均匀，圆角连接，结构对称。工艺上——同时凝固，去应力退火。同时凝固和定向凝固比较定向凝固——用于收缩大或壁厚差距较大，易产生缩孔的合金铸件，如4铸钢、铝硅合金等。定向凝固补缩作用好，铸件致密，但铸件成本高，内应力大。同时凝固——用于凝固收缩小的灰铸铁。铸件内应力小，工艺简单，节省金属，组织不致密。4、铸件的变形对于厚薄不均匀、截面不对称及具有细长特点的杆件类、板类及轮类等铸件，当残余铸造应力超过铸件材料的屈服强度时，产生翘曲变形。用反变形法防止箱体、床身导轨的变形。5、铸件的裂纹铸钢件热裂纹（改善型芯的退让性，大的型芯制成中空的或内部填以焦碳）轮形铸件的冷裂（减少铸件应力，降低合金的脆性）5§1-2砂型铸造一、砂型铸造造型方法套筒的砂型铸造过程：造型方法：手工造型——单件、小批量生产机器造型——中、小件大批量生产机器造芯——中、小件大批量生产柔性造型单元——各种形状与批量生产（一）手工造型手工造型方法和特点造型方法特点整模造型整体模型，分型面为平面分模造型分开模型，分型面多是平面活块造型将模样上有妨碍取摸的部分做成活动的挖沙造型造型时须挖去阻碍取模的型砂刮板造型和铸件截面形状相适应的板状模样三箱造型铸件两端截面尺寸较大，需要三个沙箱（二）机器造型机器造型是将填砂、紧实和起模等主要工序实现了机械化，并组成生产流水线。机器造型生产率高，铸型质量好，铸件质量高，适用于中小型铸件的大批量生产。机器造型方法：振压造型、高压造型、抛砂造型。1、振压造型工作原理a)填砂b)振实c)压实d)起模2、多触头高压造型3、抛砂机（三）机器造芯在大批量生产中，常用型芯制作设备是射芯机和壳（吹）芯机。6射芯机工作原理和壳（吹）芯制造原理（四）柔性制造单元柔性制造单元通过在造型自动线上加设模板库及模板快换机构等，由计算机集中控制模板的调运与更换、造型机工作参数、铸型质量的检验等。二、砂型铸造工艺设计铸造工艺图包括：铸件的浇注位置铸型分型面铸造工艺参数支座的零件图、铸造工艺图、模样图及合型图（一）浇注位置的选择浇注位置——浇注时铸件在铸型中的空间位置。浇注位置的选择原则：铸件的重要加工面应朝下或位于侧面；铸件的大平面应朝下；面积较大的薄壁部分置于铸型下部或侧面；铸件厚大部分应放在上部或侧面。（二）铸型分型面的选择三通的分型方案：四箱造型、三箱造型、两箱造型分型面的选择原则：便于起模，使造型工艺简化；尽量使铸件全部或大部置于同一砂箱；尽量使型腔及主要型芯位于下型。（三）工艺参数的确定机械加工余量和最小铸出孔；起模斜度；铸造收缩率；型芯头设计。（四）浇、冒口系统（五）铸造工艺设计的一般程序（五）铸造工艺设计的一般程序7项目用途设计程序铸造工艺图是制造模样、模底板、芯盒等工装以及进行生产准备和验收的依据。1.产品零件的技术条件和结构工艺性分析2.选择造型方法3.确定分型面和浇注位置4.选用工艺参数5.设计浇冒口、冷铁等6.型芯设计铸件图是铸件验收和机加工夹具设计的依据。7.在完成铸造工艺图的基础上，画出铸件图铸型装配图是生产准备、合型、检验、工艺调整的依据。8.在完成砂箱设计后画出铸造工艺卡片是生产管理的重要依据。9.综合整个设计内容（五）实例分析1、气缸套方案Ⅰ，轴线处于水平位置，铸件易产生缺陷；用分开模两箱造型，分型面通过圆柱面，有飞边，易错箱。方案Ⅱ，轴线处于垂直位置，铸件是顺序凝固；分型面在铸件一端，毛刺易清理，不会错箱2、支座方案Ⅰ，沿底版中心分型。轴孔下芯方便，但底版上四个凸台必须采用活块且铸件在上、下箱各半。方案Ⅱ，沿底面分型，铸件全部在下箱，不会产生错箱，铸件易清理。但轴孔内凸台必须采用活块或下芯且轴孔难以铸出。3、C6140车床进给箱体8方案Ⅰ，能铸出轴孔，型芯稳定性好。但基准面朝上易产生缺陷且型芯数量较多，槽C妨碍起模需用活块或型芯。方案Ⅱ，从基准面分型，铸件大部分在下型，基准面朝上，轴孔难以铸出，且凸台E和槽C妨碍起模，需用活块或型芯。方案Ⅲ，铸件全部置于下型，基准面朝下，铸件最薄处在铸型下部。但凸台EA和槽C都需用活块或型芯，内型芯稳定性差。大批量生产时——选用方案Ⅰ，单件、小批量生产时——选用方案Ⅱ或方案Ⅲ。车床进给箱体铸造工艺图9§1-3铸件的结构设计铸件的结构工艺性，是指所设计的零件在满足使用性能的前提下，铸造成形的可行性和经济性，即铸造成形的难易程度。良好的铸件结构性应与金属的铸造性能和铸造工艺相适应。大批量生产时，铸件的结构应便于采用机器造型；单件、小批量生产时，则应使所设计的铸件尽可能适应现有生产条件。一、合金铸造性能对铸件结构的要求（一）铸件的壁厚1、铸件壁厚应合理2、铸件壁厚应均匀3、致密铸件应符合顺序凝固原则（二）壁的连接1、应有结构圆角2、应避免交叉、锐角接头3、不同壁厚连接应逐渐过渡（三）避免变形和开裂的结构1、结构对称2、合理设置加强肋3、应有利于自由收缩二、铸造工艺对铸件结构的要求（一）铸件的外形1、尽量避免外表面内凹2、尽量示分型面为平面3、尽量减少分型面的数量4、应具有结构斜度（二）铸件的内腔1、不用或少用型芯和活块2、有利于型芯的定位、排气和清理三、组合铸件对于某些大型复杂铸件，在生产条件不允许整体铸造时，可采用组合铸件。10§1-4常用铸件的生产一、铸铁件的生产铸铁是含碳量超过2.11的铁碳合金。工业用铸铁实际上是以Fe、C、Si为主要元素的多元合金。铸铁中碳的存在形式：渗碳体——化合状态石墨——游离状态铸铁分类：白口铸铁灰铸铁（片状石墨）灰口铸铁可锻铸铁（团絮状石墨）麻口铸铁球墨铸铁（球状石墨）（一）铸铁的石墨化1、石墨化过程石墨化——铸铁中析出石墨的过程。石墨化形式：缓慢冷却时，L(A)→石墨加热时，Fe3C→石墨因此石墨是稳定相，是亚稳定相。石墨是碳的一种结晶形态，具有六方晶格。原子呈层状排列，同一层面上的碳原子呈共价键，结合力强；层与层之间呈分子键，结合力弱。因此，石墨结晶形态常易发展为片状，强度、硬度、塑性极低。2、影响石墨化的因素（1）化学成分碳和硅是强烈促进石墨化元素。碳是石墨的基础，硅促进石墨析出（C:2.7~3.6%,Si:1.1~2.5%）。碳和硅含量高时，石墨量多、尺寸大、铁素体多，因此强度、硬度低。锰是微弱阻止石墨化元素，可促进珠光体基体形成，提高铸铁强度和硬度(Mn:0.4~1.2%)。硫和磷是有害元素（S≤0.1~0.15%,P≤0.2）。碳当量：CE=C+(Si+P)/3%CE=4.28%，共晶成分；CE＜4.28%，亚共晶成分；CE＞4.28%，过共晶成分。（2）冷却速度同一铸件厚壁处为灰口组织，而薄壁处为白口组织，这说明：缓慢冷却有利于石墨化过程的进行。可见，当铁水的碳当量较高，结晶过程中缓慢冷却时，易形成灰口铸铁；相反易形成白口组织（二）灰铸铁1、灰铸铁的组织和性能特点11灰铸铁的组织：铁素体灰铸铁铁素体+珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁、灰铸铁的性能：（1）机械性能较差——强度低、塑性低、韧性低且壁厚敏感；抗压强度、硬度与相同基体碳钢相近。（2）（2）其它性能耐磨性好、减震性好、缺口敏感性小、铸造性能和切削加工性能良好。灰铸铁与碳钢机械性能的比较性能指标抗拉强度σb(N/mm2)延伸率δ(%)冲击韧性αk(J/cm2)硬度(HBS)铸造碳钢400~65010~2520~60160~230灰铸铁100~3500~0.50~5148~2982、灰铸铁的牌号与用途HT200——表示灰铸铁，σb≥200N/mm2（壁厚增加，强度降低）牌号基体组织用途HT100铁素体低负荷和不重要的零件。如手柄、盖板、重锤等。HT150铁素体+珠光体受中等负荷的零件。如机座、支架、箱体、带轮等。HT200珠光体受较大负荷的重要件。如汽缸、床身、活塞、中等压力阀体、齿轮箱、飞轮等。3、灰铸铁的孕育处理孕育铸铁：HT250、HT300、H350T孕育处理：降低碳、硅含量，以提高铸铁的强度；浇注前向铁水中加入少量的孕育剂（75%硅铁），可以细化组织，促进石墨化。孕育铸铁的特点：强度较高，冷却速度对其组织和性能的影响甚小。特别适合生产厚大铸件如重型机床、压力机床身、高压液压件、活塞环、齿轮、凸轮等。（三）球墨铸铁球墨铸铁是在浇注前往铁水中加少量的球化剂和孕育剂，获得具有球状石墨的铸铁。1、球墨铸铁的组织和性能球墨铸铁的组织：铁素体球铁铁素体+珠光体球铁珠光体球铁2、球墨铸铁的牌号与用途12QT500-7——表示球墨铸铁，σb≥500N/mm2,δ≥7%牌号基体组织用途QT450-10铁素体农机具零件、中低压阀门、输气管道。QT600-3铁素体+珠光体负荷大、受力复杂的零件。如汽车、拖拉机曲轴，连杆，凸轮轴，蜗杆机床蜗杆、蜗轮，轧钢机轧辊、大齿轮。QT700-2珠光体QT800-2珠光体高强度齿轮。3、球墨铸铁的生产特点（1）严格控制化学成分（C、Si较高，Mn、P、S较低）（2）较高的出铁温度（1400-1420℃）（3）球化处理（获得球状石墨）（4）孕育处理（促进石墨化，细化均匀组织）（5）热处理退火——铁素体+球状石墨QT400-18,正火——索氏体+球状石墨QT600-3,调质——回火索氏体+球状石墨QT800-2等温淬火——下贝氏体+球状石墨QT900-24、球墨铸铁铸造工艺特点（1）流动性比灰铸铁差（2）收缩较灰铸铁大球墨铸铁件多应用冒口和冷铁，采用定向凝固原则。在铸型刚度很好的条件下，也可采用同时凝固原则不用冒口或用小冒口。（四）铸铁的熔炼冲天炉的熔炼过程冲天炉的