《造型材料与工艺》期末复习指导.pdf

造型材料与工艺 期末复习指导 造型材料与工艺 期末复习指导 第一章第一章概述概述 一 材料与设计 二 材料的分类 1 按材料的发展历史分类 1 1 1 1 第一代的天然材料 第一代的天然材料 天然的石头 木材天然的石头 木材 旧石器时代 人类只能使用天然材料 如兽皮 甲骨 羽毛 树木 草叶 石块 泥土兽皮 甲骨 羽毛 树木 草叶 石块 泥土等 之后也 都只是纯天然材料的简单加工而已 2 2 2 2 第二代的加工材料 第二代的加工材料 用矿物通过冶炼 烧结制成金属和陶瓷 新石器时代 铜器时代和铁器时代 是人类利用火来对天然材料进行煅烧 冶炼和加工的时代 主要 材料有 陶 铜和铁 陶 铜和铁 3 3 3 3 第三代的合成材料 第三代的合成材料 将石油 天然气和煤等通过化学方法制成高分子材料 人工合成塑料 合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现 加上已有的金属材料和陶瓷材料 无 机非金属材料 构成了现代材料 除合成高分子材料以外 人类也合成了一系列的合金材料和无机非 金属材料 超导材料 半导体材料 光纤等材料都是这一阶段的杰出代表 4 第四代的复合材料 有机 无机非金属及金属等复合而成 只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料 5 5 5 5 第五代的智能材料或应变材料 第五代的智能材料或应变材料 随环境条件的变化具有应变能力和潜在功能的高级形式的复合材 料 如形状记忆合金 光致变色玻璃等等都是近年研发的智能材料 自然界中的材料都具有自适应 自诊 断和自修复的功能 而目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构 memory metal 记忆合金 主要是镍钛合金材料主要是镍钛合金材料 利用某些合金在固态时其晶体结构随温度发生变化的规律 利用某些合金在固态时其晶体结构随温度发生变化的规律 2 按材料的物理状态 化学性质及用途分类 按物理状态分按物理状态分 气体 氢 氧 氮 固态材料 最常使用 液态材料 有机材料 油脂 涂料 按材料的化学结构分类按材料的化学结构分类 金属材料 金属键 无机材料 离子键 有机材料 共价键 半导体 介于金属材料与无机材料之间 按材料的用途分类按材料的用途分类 建筑材料 电工材料 结构材料 电子材料 研磨材料 光学材料 耐火材料 感光材料 腐蚀材料 包装材料等 3 3 3 3 按材料的来源分类 按材料的来源分类 天然材料天然材料 矿物 石材 粘土 矿石 宝石 熔岩 火山灰 金刚石 煤 水晶矿物 石材 粘土 矿石 宝石 熔岩 火山灰 金刚石 煤 水晶 大气 海水 气 水蒸气 水 冰 海水大气 海水 气 水蒸气 水 冰 海水 动物质 皮 羽毛 骨 毛发 角 牙 油脂动物质 皮 羽毛 骨 毛发 角 牙 油脂 植物质 果实 茎 树皮 花 分泌物 蔓藤植物质 果实 茎 树皮 花 分泌物 蔓藤 加工材料加工材料 纸 混凝土 合板 木棉 颜料 绢纸 混凝土 合板 木棉 颜料 绢 合成材料合成材料 塑料 橡胶 硅酸盐 合成纤维塑料 橡胶 硅酸盐 合成纤维 4 4 4 4 按材料成份分类 按材料成份分类 有机材料 塑料 橡胶 有机纤维 无机材料 金属 硅酸盐 玻璃 复合材料 玻璃纤维增强树脂 其它 石墨 金刚石 碳纤维 5 5 5 5 按材料构造分类按材料构造分类 晶质材料 金刚石 岩盐 单晶体 金属 陶瓷 多晶体 非晶质材料 6 6 6 6 按材料形态分类 按材料形态分类 线材 板状材料 块状材料 本课程着重介绍材料本课程着重介绍材料 金属材料 高分子材料 陶瓷材料 玻璃 木材 涂料 三 材料的一般性质 1 1 1 1 密度 密度 m m m m V V V V 材料的密度 kg m3 m 干燥材料的质量 kg V 材料在绝对密实状态下的体积 m3 容重 容重 又称表观密度 Apparent Density 有的也称毛体积密度 表观密度是指材料在自然状态下 单位体积所具有的质量 按下式计算 m V m V m V m V0 0 0 0 V0 材料在自然状态下的体积 或称表观体积 cm3或m3 材料在自然状态下的体积是指材料的实体积与材料内所含全部孔隙体积之和 对于外形规则的材料 其测定很简便 只要测得材料的重量和体积 即可算得表观密度 不规则 材料的体积要采用排水法求得 但材料表面应预先涂上蜡 以防水分渗人材料内部而影响测定值 三 材料的一般性质 2 2 2 2 熔点 熔点 熔点 纯金属由固态转变为液态时的温度 低于700 为易熔金属 高分子材料 高于glass transition温度 Tg 为高粘度液体或橡胶状材料 热塑性塑料 熔点Tm Tg 热固性塑料无 Tm Tg 3 3 3 3 比热容 比热容 SepcificSepcificSepcificSepcific HeatHeatHeatHeat CapacityCapacityCapacityCapacity 单位质量的材料温度升高1 所需要的热量J Kg K 水的比热较大 金属的比热更小一些 c c c c铝铝 c c c c铁铁 c c c c钢钢 c c c c铅铅 1 不同的物质有不同的比热 比热是物质的一种特性 2 同一物质的比热一般不随质量 形状 温度而变化 如一杯水与一桶水 冷水与热水 它们的比热 相同 3 对同一物质 比热值与物体的状态有关 同一物质在同一状态下的比热是一定的 但在不同的状态 时 比热是不相同的 如 水的比热与冰的比热不同 4 4 4 4 热导率 热导率 coefficientcoefficientcoefficientcoefficientofofofofheatheatheatheatconductivityconductivityconductivityconductivity 相对的两个面给予单位温差 在单位时间内传导的热量称为热导率 导热系数 W m K 5 5 5 5 热膨胀系数 热膨胀系数 coefficientcoefficientcoefficientcoefficientofofofofheatheatheatheatexpansionexpansionexpansionexpansion 材料两点之间的单位距离在温度升高1 时的变化为线膨胀系数 单位体积的变化为体胀系数 6 6 6 6 强度 强度 strengthstrengthstrengthstrength F P R R 材料的极限强度 Pa P 材料破坏的最大载荷 N F 材料受力截面积 cm2 7 7 7 7 弹性与塑性弹性与塑性 elasticityelasticityelasticityelasticityandandandandplasticityplasticityplasticityplasticity 在外力除去后能恢复原来形状的能力称材料的弹性 材料能承受永久变形的能力称材料的塑性 8 8 8 8 脆性与韧性 脆性与韧性 brittleness brittleness brittleness brittlenessandandandandtoughness toughness toughness toughness 材料承受外力无明显变形突然破坏的性质称脆性 承受冲击载荷或振动载荷而不破坏的性能称为材料的韧性 材料的一般性质 9 9 9 9 硬度 硬度 hardness hardness hardness hardness 表面抗塑性变形或破坏的能力 布氏硬度布氏硬度 金属材料 塑料 橡胶 负荷P 1875 3000N 钢球直径D 2 5 10mm 压入被测金属表面保持10 60s后测压痕的直径 洛氏硬度洛氏硬度 以硬质压头的压痕深度来表示材料的硬度HR A B C 维氏硬度维氏硬度 与布氏硬度测量原理相似 所加载荷较小 压头为1360顶角的金刚石棱锥 测出压痕两对 角线的平均长度 HV适合极薄零件和表面渗碳 渗氮层的硬度 精度高 补充金属材料的几点性质 1 1 1 1 导电性 导电性 金属材料传导电流的能力称导电性 衡量导电性好坏的参数 电阻率 计算和衡量金属材料在常温下 200C 电阻值大小的性能指标 导电性 银 铜和铝合金10 塑性较差 适于铸造加工 称为铸造青铜 特殊青铜 例 铝青铜例 铝青铜含铝5 7 塑性最好 适于冷加工 含铝10 强度最高 含铝 12 塑性很差 例 铍青铜例 铍青铜 以铍为主加元素的铜合金工业用含铍量1 7 2 5 3 白铜 白铜是以NiNi为主要合金元素的合金 Ni和Cu在固态下能完全互溶互溶 所以各类铜镍合金均为 单相固溶 体 具有很好的冷热加工性能 不能进行热处理强化 只能用固溶强化和加工硬化来提高强度 按用途可分为结构白铜结构白铜和电工白铜 电工白铜 白铜的用途白铜的用途 各类铜镍合金均为 单相固溶体 具有很好的冷热加工性能 不能进行热处理强化 只能用固溶强化 和加工硬化来提高强度 白铜具有高的抗蚀性和优良的冷热加工成形性 精密仪器仪表 化工机械及医疗器械中的关键材料 二 轴承合金 1 锡基轴承合金 要求在工作温度下有一定的承载能力和抗疲劳能力 有足够的塑性和韧性 较低的耐摩擦系数 良好 的导热性 常用的轴承合金按其化学成分可以分为锡基 铅基 铝基 铜基和铁基等数种 最常见的是锡基和铅基合金 巴氏合金 ZCh 基本元素 锡或铅 的符号 主加元素的符号 主加元素的百分含量 辅加元素的百分含量 例 ZChSnSb 11 6 用于高速 重载下工作的重要轴承 变载荷下易于疲劳 价贵 用高速重载的蒸汽透平机 透平发动机 功率大于750kw发动机 内燃机的轴承 2 铅基轴承合金 在铅锑合金的基础上添加锡和铜 用于中速轻载或静载 例 ZChPbSb 16 16 2 ZCh 轴承合金Pb 基本元素铅Sb 主加元素锑16 主加元素锑16 16 辅加元素锡16 2 辅加元素铜2 其余为基本元素Pb 3 铜基轴承合金 铅青铜 锡青铜 重要的高速重载轴承 ZQPb 30用于高速 重载轴承 能承受变载和冲击 ZQSn 10 1用于中速 重载及受变载荷的轴承 用于不变载荷工作条件下的透平机 电动机 发动机离心泵 压缩机等机器的轴承 三 粉末合金 陶瓷冶金 金属或非金属在模具中 压制或烧结成产品 适于制造 硬度和热硬性很高的硬质合金 减摩材料 优点 各成分彼此不熔合 比重 熔点相差很大都可制成均匀的合金 缺点 原料成本较高 压力大 对合金模具要求很高 不适合形状复杂零件 粉末冶金烧结炉 主要用于压制成型粉末冶金件在气氛保护下的烧结 采用推送式传送 连续作业式电阻炉 由电炉 液压系统 控制系统电炉 液压系统 控制系统三部分组成 四 钛及钛合金 钛在地壳中的储量居第四位 纯钛是纯白色轻金属 具有耐蚀性和耐热性 有一定的强度和高的塑性 密度为密度为4 507g cm4 507g cm3 3 介于 介于AlAl 和和FeFe之间之间 熔点1668 高于铁 在882 5 发生同素异构同素异构转变 882 5 以上为 Ti 体心立方晶 格 882 5 以下为 Ti 密排六方晶格 钛合金的密度也较小 也有同素异构转变 钛合金 以钛为基加入适量的铬 锰 铁 钒 铝铬 锰 铁 钒 铝和钼钼 火箭发动机外壳冲压成型 可时效强化 塑性好 易于锻造 脆性好 热稳定性差 不经时效可强化 抗 强度较高 冲压性好 机叶片 飞机蒙皮稳定性好 发动机压气 组织稳定 热强性热 五 金属材料成型与工艺性 一 铸造加工及其工艺性 1 1 铸造的基本概念 铸造的基本概念 熔化的金属溶液浇注到具有与零件形状相适应的铸型空腔中 待溶液凝固并冷 却后获得毛坯或零件的工艺过程称为铸造 2 2 常用的铸造金属 常用的铸造金属 铸铁 铁碳 硅为主的多元铁基合金 普通铸铁含碳2 11 4 0 2 11 4 0 Si1 3 Mn 0 4 1 5 P 0 01 0 5 S 0 02 0 2 铸钢 ZG45 35 铸铝 外观装饰效果最佳 Al Si Al Cu Al Mg Al Zn 铸铜 通过表面处理后可仿制成各式各样的古代工艺品 3 3 铸造的特点 铸造的特点适应性强成本低廉 4 4 铸造工艺种类 铸造工艺种类 1 1 砂型铸造砂型铸造 砂型铸造 用型砂制做铸型的铸造方法 是目前铸造使用的其本方法 A 手工造型手工造型B 机器造型机器造型 普通机器造型普通机器造型 高压造型高压造型 2 2 熔模铸造熔模铸造 又称 失蜡铸造 它是在蜡模表面包以造型材料 从而获得无分型面的铸型的铸造方法 与砂型铸造比较 熔模铸造有如下特点 铸件的精度高且表面光洁 能够铸造各种铸造合金铸件 尤其适用于那些高熔点及难切削加工合金的铸造 熔模铸件的形状可比较复杂 铸件上可铸出的最小孔径为0 5mm 铸件的最小壁厚为0 3mm 铸件的重量不宜太大 一般不超过25Kg 目前生产的最大熔模铸件为80kg左右 3 3 金属型铸造金属型铸造 将液态金属浇入金属铸型 从而获得铸件的铸造方法称为金属型铸造 由于金属型可以使用 多次 所以又称为永久型铸造 4 4 离心铸造离心铸造 将液态金属浇入高速旋转的铸型中 使金属在离心力的作用下填充铸型并凝固成型的铸造方 法称为离心铸造 特点 工艺过程简单 机械性能较好 便于铸造 双金属 铸件 5 5 压力铸造压力铸造 在高压 5 150MPa 下 将液态合金高速 50 100m s 压入高精度的型腔内 并在压力下 迅速凝 固而获得铸件的方法 5 铸造方法的选择考虑生产批量铸造合金的种类 铸件的重量 形状 尺寸精度及表面粗糙度要求等铸件本身的因素考虑 还要与后续加工的成本及生产现场条件等同素一起综合考虑 6 铸件结构工艺性比较 7 砂型铸件结构设计注意要点 1 力求使铸件的外形简单 轮廓平直 造型时只需一个分型面 2 力求使型芯数目最少 装配 清理方便 排气容易 3 结构斜度 便于脱摸 4 铸件应有合理的壁厚 壁厚尽量均匀 5 应尽量避免铸件中有过大的水平面 二 压力加工及其工艺性 1 压力加工的概念及方法 1 压力加工的概念 在外力作用下 使金属坯料产生塑性变形 从而获得具有一定形状 尺寸和力学性能的原材料 毛坯 或零件的加工方法 2 压力加工方法及设备 轧制轧制 挤压挤压 拉拔拉拔 自由锻自由锻 自由锻是将加热好的金属坯料放在锻造设备的上 下砥铁之间 施加冲击力或压力 直接使坯料产生 塑性变形 从而获得所需锻件的一种加工方法 自由锻由于锻件形状简单 操作灵活 适用于单件 小批量及重型锻件的生产 自由锻分手工自由锻 和机器自由锻 手工自由锻生产效率低 劳动强度大 仅用于修配或简单 小型 小批锻件的生产 在现代工业生产中 机器自由锻已成为锻造生产的主要方法 在重型机械制造中 它具有特别重要的 作用 模锻模锻 模型锻造模型锻造 将加热后的坯料放置在固定于模锻设备上的锻模内锻造成形的 模锻可以在多种设备上进行 在工业生产中 锤上模锻大都采用蒸汽 空气锤 吨位在5KN 300KN 0 5 30t 压力机上的模锻常用热模锻压力机 吨位在25000KN 63000KN 模锻的锻模结构有单模堂锻模和多模膛锻模 如图所示为单模堂锻模 它用燕尾槽和斜楔配合使 锻模固定 防止脱出和左右移动 用键和键槽的配合使锻模定位准确 并防止前后移动 单模膛一般 为终锻模膛 锻造时常需空气锤制坯 再经终锻模膛的多次锤击一次成形 最后取出锻件切除飞边 模锻的生产率和锻件精度比自由锻造高 可锻造形状较复杂的锻件 但要有专用设备 且模具制造模锻的生产率和锻件精度比自由锻造高 可锻造形状较复杂的锻件 但要有专用设备 且模具制造 成本高 只适用于大批量生产 成本高 只适用于大批量生产 板料冲压板料冲压 工序种类 分离工序 剪裁 冲孔 落料 修边 变形工序 弯曲 压延 翻边 胀形 复合 以上两类工序集中于同一模具中完成 其它工序 备料 修饰 辅助工序等 板料冲压选择设备的基本原则 零件的生产类型 零件的几何尺寸大小及结构形式 零件的材料性能及精度要求 2 冲压材料 1 冲压性能 压弯 拉延 成型 翻边 要求较低的屈服极限 s 分离工序 希望稍高 以获得良好的剪截面 好的冲压性能要求 延伸率 40 硬度 45HRB s B 屈强比 0 65 顶压深度符合规定的范围铁素体晶粒度6 7级 2 化学成分的影响 C Si Mn P S含量增加会使材料的塑性降低 脆性增加导致材料冲压性能变坏 含碳量在0 05 0 15 的低碳钢有较好的拉延性能 3 金相组织 晶粒大小均匀 拉延性能好晶粒大小不均 裂纹 深拉延用冷轧薄板晶粒度6 8级 晶粒过大 粗糙表面 桔皮 深拉延用冷轧中板晶粒度5 7级 晶粒过小 塑性降低 易冷作硬化 钢板轧制成后残留的带状组织 炼钢时残留在铁素体晶粒之间的游离碳化物与非金属夹杂物对冲压时 的塑性变形不利 4 厚度公差 表面质量 材料的厚薄 的影响厚度不稳定 的影响 5 表面质量 表面气泡 裂纹 结疤 缩孔 分层等缺陷在冲压变形中可能扩大裂痕 应力集中 断裂 表面粗糙的板在拉延 压弯 成型中会使冲模与钢板摩擦力增加 降低冲模寿命 2 选择材料的原则 1 考虑产品设计与冲压工艺的关系 2 提高效率 3 保证工艺的前提 以廉价材料代替贵重材料 以薄料代用厚料 以黑色金属代替有色金属 4 考虑板材的尺寸规格标准 注意排样 防止浪费 4 压力加工工艺性 1 自由锻件的结构工艺性 2 模锻件的结构工艺性 锻件要有一个分模面加工面上应留有机械加工余量 非加工面及与锤击方向平行的面应设计模锻斜度 转角要圆角过渡 尽量简单 避免凹凸 薄壁等结构尽量避免深孔或多孔结构复杂件采用先锻后焊的方法 3 冲压件的结构工艺性 落料冲孔零件落料冲孔零件 落料的外形尽量简单对称 有规则 排样时尽量将废料降低到最少 冲孔时 孔径 孔距不得小于材料厚度 零件外缘凸起或凹进的尺寸不得小于厚度的1 5倍 轮廓的转角要有圆角半径 弯曲零件弯曲半径不能小于材料许可的最小弯曲半径平直部分H 2t 孔的位置离边缘距离L 1 5 2 t 拉深零件 拉深件高度不宜过大 凸缘不宜过宽 底部转角应有圆角过渡 三 金属焊接技术及其工艺性 1 金属的焊接方法 采用焊接工艺的优点采用焊接工艺与铆接相比 可以节省金属材料 节省制造工时 接头密封性好对 某些结构可以采用铸焊或锻焊联合结构 取代整铸或整锻结构 从而做到以小拼大 以简拼繁 它不仅节省金属材料 还简化了坯料准备工艺 从而降低了制造成本 便于制造双金属结构 2 金属材料的焊接性 1 概念 工艺焊接性使用焊接性 在不需要采用复杂工艺措施的条件下 能获得优质焊接接头 焊接性好 2 影响焊接性的主要因素 金属材料的化学成分 焊接工艺方法 气焊工艺气焊工艺 亚弧焊亚弧焊 等离于焊 电子束焊 激光焊等离于焊 电子束焊 激光焊 3 估算钢材焊接性的碳当量法 1556 CuNiVMnCrMn CC 当 3 焊接结构工艺性 1 焊缝的可焊到性 2 焊缝布置 3 焊接结构工艺性 改善焊接劳动条件注意节省材料尽量避免仰焊焊缝 四 机械加工零件的结构工艺性 1 金属机械加工的种类 钳工基本的加工方法有划线 錾切 锯割 锉削 钻孔 攻丝 套扣和刮研等 机械加工 通过人操纵机床对工件进行切削加工的的主要方法是车 钻 铣 刨 磨和齿轮加工等 是 作为零获得零件更高的精度和更高的光洁表面的最终手段 2 金属切削机床的分类 1 按加工性质和刀具进行分类 车床 铣床 钻床 镗床 磨床 齿轮加工机床 螺纹加工机床 刨插床 拉床 切断机床 超 声波及电加工机床和其他机床 2 按照它们的万能程度分类 通用机床 万能机床 普通车床 卧式镗床 专门化机床 专能机床 精密丝杆车床 凸轮轴车床专用机床 机床主轴箱专用镗床 六 金属表面处理与装饰技术 转化膜转化膜转化膜转化膜 氧化膜氧化膜氧化膜氧化膜 化学转化膜 磷酸盐膜 铬酸盐膜 化学氧化膜 电化学转化膜 转化膜层 1 金属材料的表面处理 1 1 1 1 铝及铝合金的氧化与着色处理 铝及铝合金的氧化与着色处理 电化学氧化 在酸性电解液里 多孔性氧化膜 防护 装饰 化学氧化 碱溶液和含碱金属的盐溶液Al OH 3 氧化膜的着色 化学染色法 整体着色法 电解着色 干涉着色法 基材通过电化学作用 获得银白色的人工氧化膜 常称阳极氧化材 由于氧化膜是一种以针孔为中心 的两层六棱体蜂窝状结构组成的 对针孔进行 封闭 处理 即成为商品 阳极氧化材 在 阳极氧化 处理之前 为消除铝加工过程的挤压痕迹 常进行机械 磨砂处理或 抛丸 处理 化学 酸蚀 碱蚀 处理两种方式 消除痕迹 之后还可以再进行机械抛光 化学抛光 等以适应不 同场合的需求 常见商品有 喷砂铝型材 氧化抛光铝型材 等 经过喷砂处理的铝型材 其疲劳寿命显著延长 产生应力腐蚀开裂的危险性大为下降 2 2 2 2 钢铁的氧化与磷化处理钢铁的氧化与磷化处理磷酸盐化学处理磷酸盐膜高电阻膜层 3 3 3 3 铜及铜合金的氧化处理铜及铜合金的氧化处理 过硫酸盐碱性溶液氧化法 过硫酸甲碱溶液 NaOH K2S2O8 60 650C浸煮5min 形成黑色氧化膜 铜氮溶液化学乳化法 适合含铜量为52 68 的制件 氧化膜为蓝黑色 质量比过硫酸盐溶液氧化的差 可再涂清漆 古铜色化学氧化铜镀层 制件镀铜后 在硫酸溶液中活化 再用过硫酸盐溶液氧化的方法氧化 可 再机械抛光或滚光后再浸涂清漆 碱性溶液电化学氧化法 以铜制件为阳极 置入氢氧化钠热溶液中 钢或镀镍钢板为阴极 通直 流电 形成黑色氧化膜 2 镀层装饰技术 3 涂层装饰技术 在制品表面形成以有机物为主体的涂层 并干燥成膜的工艺 称为涂装技术 保护作用保护作用 防止制品表面受腐蚀 被划伤 脏污 提高制品的耐久性 装饰作用装饰作用 将制品表面装饰成涂层所具有的色彩 光泽和肌理 使制品外观在视觉感受上 成为美观悦目的制品 特殊作用特殊作用 使制品具有隔热 绝缘 耐水 耐辐射 阻尼 杀菌 吸收雷达波 隔音 导 电等特殊功能 涂装工艺一般包括制件表面涂装前处理 徐敷涂料及涂层干燥三大步骤 4 搪瓷被覆技术 5 表面精整加工 将金属材料的表面加工成平滑 光亮美观或具有凹凸换样的表面状态的过程称为表面精整加工 表面精整加工除直接具有装饰效果外 作为电镀和涂装的前处理也是重要的 切削与研削加工 研磨 机械研磨机械研磨电解研磨电解研磨化学研磨化学研磨 蚀刻 利用化学药品的作用使被加工金属表面的持定部位浸蚀溶解而形成凹凸模祥 将整个金属表面用耐药品浸蚀的膜 称隔离膜式掩蔽膜 覆盖 把表面上要求凹下去的部位的膜用机 械的或化学的方法除去 用药水使裸露部分的金属溶解而形成凹部例 铜版画 照相制版法 5 其它表面装饰方法 层压塑料薄膜热浸涂层 热浸作为一种涂覆方法只适用于低熔点金属暂时性防护涂层 防锈油防锈纸可剥性塑料等一些非金属材料 第三章第三章塑料及其工艺性塑料及其工艺性 第一节塑料基本知识 一塑料的概念 一 树脂和塑料的概念 树脂树脂 天然树脂天然树脂 种类 松香 虫胶 沥青等 特点 无明显的熔点 可溶 人造树脂人造树脂 人工合成 塑料塑料 化学方法合成主要成分 树脂 加入添加剂 二 高分子和低分子的区别 分子中所含的原子数分子量分子长度 分子结构 从低分子化合物到高分子化合物的转变 聚合 三 塑料的特征和用途 1 重量轻2 优越的化学稳定性3 优良的电绝缘性能4 比强度高 5 优良的耐磨性 自滑润性和吸震性6 粘结能力强7 着色范围广8 卓越的成型性能 二 二 塑料的成分 树脂树脂 助剂助剂 树脂 在塑料中起决定作用 1 是塑料中主要的必不可少的成分2 赋予塑料的可塑性和流动性 3 将塑料的其它成分粘和在一起4 决定塑料的性能和主要性能 如物理 化学 机械与电性能 助剂 添加剂 为了使复合物 塑料 或其制品具有某种特性而加入的一些物质 1 填充剂2 增强剂3 增塑剂4 稳定剂5 着色剂6 润滑剂7 防静电剂 8 阻燃剂 9 驱避剂10 其它助剂 1 增塑剂 作用作用 提高树脂的可塑性 柔韧性 弹性及其它的性能 加入增强剂后 树脂分子之间距离变大 削弱了分子间的吸引力 分子容易滑移 从而在较低的成型温度下具有良好的可塑性和柔韧性 对增塑性的要求对增塑性的要求 与树脂的相溶性好 挥发性低 减少外逸 游离 萃取和渗出 对热和化学试剂的温度性好 耐光 耐热 耐化学试剂 毒性 污染小 无毒 无臭 不燃 吸湿性小 2 稳定剂 作用 防止或抑制聚合物受外界因素 光 热 细菌 霉菌以致简单的长期存放等 所引起的破坏 作用 稳定剂种类 光稳定剂光稳定剂 包括紫外线吸收剂和光屏蔽剂 光能转移剂 作用 抑制和防止树脂受到紫外线或光的照射而发生光化降解 使其性能变化 外表开裂 起霜 变色 退光起泡以至完全粉化 热稳定剂热稳定剂 抑制树脂在加工过程中受热的作用而降解 以提高塑件的使用寿命 例 PVCHCL 大量生产 树脂分子结构破坏 抗氧剂抗氧剂 许多树脂在正常或较高温度下 贮存 使用过程或制造加工中 受到氧化作用生产降解 使 塑料性能恶化 作用 加入抗氧剂可以延缓或抑制氧化工程 转变降解催化剂的物质转变降解催化剂的物质 通过加入适量的此类螯合剂 可以消除在制造工程中残存于树脂中的重金 属离子等降解催化剂 3 填充剂 目的 改善塑料的性能 以便扩大塑料的使用范围 降低成本 填充剂的要求 一般为粉末状的物质 加入在塑料组成的40 以下 但是近年来发展起来的高填充低发泡制品 其填充剂的加入量可能超过40 的范围 4 增强剂 提高机械性能 目的 加入聚合物中 使其机械性能得到增强提高的纤维状或层状材料 如有的将其称为填料 等 麻布 玻璃布 木片层状填料 纸张 棉布 维等麻 石棉纤维 玻璃纤纤维状材料 棉花 亚 5 着色剂 给予塑料以色彩或特殊光学性能的材料 作用 使制品鲜艳 美观 改变塑料的耐候性能 提高抗御紫外线的能力 例 本色聚甲醛 POM 表面粉化 龟裂 机械性能下降 用碳黑着色可防止光老化 又例 要使塑料具有特殊的光学性能 可在塑料中加入珠光料 磷光色料合荧光料或金属絮片等 6 润滑剂 作用 改善塑料熔体的流动性 减小或避免对于设备合模具的磨损和粘附 以及提高塑件表面光洁度 在模具与坯料之间形成一层薄膜 可使加工出的塑件表面光亮美观 7 防静电剂 在塑料中加入少量防静电剂 可使制品具有适量的导电能力 以消除带静电现象 加入量一般30 特性 柔软 富有弹性 类似橡胶 比橡胶更耐光 更稳定 常温下弹性不及橡胶耐蚀性优于橡胶 不受浓酸 浓碱破坏 不易受氧和臭氧的影响 机械强度 耐磨性及介电性均不如硬聚氯乙烯 易老化 用途 薄膜 压延 吹塑 农业 工业包装 电线 电缆等管 带 包扎带 挤出成型 手柄 绝缘垫圈 注射成型 用于制造软质泡沫塑料 发泡成型 3 成型特性 吸湿性小 为提高流动性 防止气泡 宜事先干燥流动性差成型温度范围小 严格控制料温 模具浇注系统尺寸宜大 不得有死角滞料 4 聚乙烯 聚乙烯树脂 白色或淡白色 柔软 半透明的大理石粒料 又称高分子石蜡由原油裂解而得 聚乙烯塑料 线型分子 简单组分塑料 可直接用于成型 流动性好 产量 产量占第一 2 类型和用途 聚乙烯的类型 按聚合时采用的压力不同 高压 中压 低压高压 中压 低压 按密度的不同分 低密度聚乙烯 中密度聚乙烯 高密度聚乙烯低密度聚乙烯 中密度聚乙烯 高密度聚乙烯 A 高压 低密度 聚乙烯密度0 91 0 925 g cm 2 分子结构 不是单纯的线型 带有许多支链 密度低 分子量较小 结晶度不高 只达60 70 特性 耐热性 耐溶剂性 硬度 机械强度较低有较好的柔软性 耐冲击性好 纯度高 介电性能好成型加工性能较好 用途 吹塑薄膜 工农业包装薄膜中空容器电线电缆 B 低压 高密度 聚乙烯和中压 中密度 聚乙烯 密度0 926 0 948 g cm 2 分子结构 支链很少的线型分子结构 结晶度较高 87 95 密度高 分子量大 特性 耐热性 耐溶剂性 硬度和机械强度高 纯度低 介电性 柔软性 耐冲击性 透明性差成型加工性较差 用途 化工设备 耐腐蚀管道 储槽的耐腐蚀衬里 3 成型特性 流动性好加工温度范围内不易分解 成型性好 操作简单 易实现大规模生产 挤出成型 注射成型 真空成型 结晶性塑料 受机械负荷易产生定向效应 不宜用压延法 5 聚苯乙烯 聚苯乙烯树脂 无色透明 有光泽的粒壮物 原料来源于煤和石油 聚苯乙烯分子结构 线型热塑性树脂 简单组分热塑性塑料 产量 占第三位 仅次于聚乙烯和聚氯乙烯 流动性好 2 类型和用途 特性 吸水性低 尺寸稳定性好 透明度好 透光性高达88 92 光学性能仅次于有机玻璃 着色性好绝缘性好 是理想的高频绝缘材料耐磨性差 较脆 塑件由于内应力易开裂 用途 优良的绝缘材料 用于制造高频插座 骨架 微波元件的介质材料 指示灯罩 包装用的泡沫塑料 加有丁晴橡胶的改性聚苯乙烯 提高耐磨性 降低脆性 用于制造收音机 仪表外壳和电视机结构 零件 3 成型特性 吸水性低 不必预热 干燥性脆易裂 热膨胀系数大 易产生内应力流动性好 防溢料 高料温 高模温 低注射压力 延长注射时间 以降低内应力 防止收缩变形 可用螺杆式注射机和柱塞式注射机 各种浇口 顶出时要求受力均匀 6 聚丙烯 聚丙烯树脂 无毒 无味 白色粒状物 外观象聚乙烯 比聚乙烯更透明 更轻 0 89 0 91g cm 3 聚丙烯塑料 简单组分的线型热塑性塑料 流动性较好产量 第四位 2 类型和用途 特性 具有聚乙烯的优良性能 而且比重小 机械强度高 软化点较高 表面硬度和耐热性较好 耐磨性稍差 成型收缩较大 低温呈脆性 对氧敏感 易受紫外线影响而老化 用途用于制造继电器的小型骨架 高频插座 电容器 微波元件 天线及外壳 外框 法兰 齿 轮 接头 泵的叶轮等机械零件以及化工管道和容器 3 成型特性 吸湿性小 若长期与热金属接触易发生分解流动性极好 易于成型 冷却速度快 因此浇注系统及冷却系统应散热缓慢 须注意控制成型温度 成型收缩范围及收缩率大 易产生缩孔 凹痕 变形 方向性强 壁厚应均匀 避免缺口和尖角 以防应力集中 二 工程塑料 有较高的机械强度 很好的耐磨性 耐腐蚀性 自润滑性和尺寸稳定性 可以代替金属作为结构材料或机械构件 1 尼龙 PA 名称 尼龙 锦纶 聚酰胺 分类按生产尼龙的原料的不同分 脂肪族尼龙 芳香族尼龙 脂环族尼龙 分子类型 线型热塑性树脂粘度低 流动性好 2 特性 抗拉强度高 经过拉伸定向的尼龙抗拉强度接近钢的水平 耐磨性和自润滑性十分突出 超过铜 铜合金 普通钢 不溶于普通有机溶剂 苯 汽油 煤油 和油脂 十分耐弱碱和大多数盐液 但对甲醛 苯酚和浓硫 酸不稳定 易被分解吸水性大介电性不高耐热性低成型收缩率不稳定 3 用途 粒状尼龙 无线电仪器 仪表零件 骨架 垫圈 外壳 支架 接线板 接插件 电线电缆的绝缘层 粉状尼龙 热喷涂到金属零件表面以提高耐磨性或作为修复磨损零件之用 4 成型特性 易吸潮 且热稳定性差 成型前真空干燥 熔点很高 熔融温度范围小 成型工艺困难 喷嘴应加热以免堵塞 熔融粘度低 流动性好 有利成型强度高的薄壁件 要注意流涎和溢料 冷却速度对结晶度 塑件结构及性能影响很大 应严格控制模温 熔融状态的尼龙热稳定性差 不允许在高温料筒停留太长时间 适当增大模具浇道及浇口尺寸 以防缩孔 凹痕 严格控制成型工艺参数 收缩率 收缩率范围大 方向性明显 2 聚甲醛 POM 聚甲醛 60年代问世 聚甲醛树脂 白色粉末 经造粒后为白色或淡黄色半透明有光泽的硬粒 无侧链 高密度 高结晶度 线型热塑性树脂 2 特性 弹性模量很高 刚性和表面硬度都很高 回弹性很好 冲击强度及疲劳强度都十分突出 卓越的耐磨性和自润滑性 仅次于尼龙 良好的耐溶剂性 特别是有机溶剂 但不耐强酸 碱及氧化剂 尺寸稳定性好 可以制造精密零件 吸水性小 较好的介电性能 温度和湿度对其介电性能几乎没有影响 缺点 成型收缩率大 热稳定性差 加热易分解 易燃 在紫外线照射下易老化 3 用途充当塑料 金属材料之间的桥梁 号称金属的竞争者齿轮 轴承 凸轮 滚轮 弹簧 螺帽 垫圈 阀体 管件 骨架 把手 外壳 仪表板 4 成型特性 吸湿性不大 成型前不必干燥 熔融温度范围小 热稳定性差 分解产物甲醛对人和设备有害 熔融 凝固速度快 有利成型 缩短成型周期 但凝固速度过快会使塑件产生毛斑 折皱 熔接痕等 缺陷 温度提高对流动性影响不大 且易引起分解成型收缩大 缓慢冷却以减少收缩 摩擦系数小 弹性高 浅侧凹槽可强行脱模 表面带皱纹浇注系统宜 模具应加热 3 聚碳酸酯 PC 50年代 60年代初发展起来的线型热塑性树脂 透明度高达90 被称为 透明金属 特性 刚柔兼备 具有特殊的坚韧和硬度 高度的尺寸稳定性和范围很宽的使用温度 100 0C 1200C 耐寒性与耐热性较好 化学稳定性高吸水性小介电性较好成型收缩率低无色透明 着色性佳 缺点 疲劳强度低 塑件易开裂 耐磨性较差 3 用途 用于高强度 抗冲击 不变形的结构件 接线板 支架 骨架 插头开关 壳体 用于要求高强度 高刚度 尺寸稳定的传动件 轴承 齿轮 滑轮 凸轮 成型特性 吸水性较小 稍有水分对塑件质量影响很大 原料须在真空中干燥 成型温度高低取决于树脂的类型光气化树脂 熔融温度高酯交换法树脂 熔融温度低 熔融温度高 熔融粘度大 流动性差 对温度敏感 冷却速度快 塑件易产生应力集中 因此对成型 工艺要求苛刻 成型收缩小 控制好成型工艺可以制造精密零件浇注系统宜大 模具应加热 4 ABS塑料 概述 改性聚苯乙烯塑料发展而成的热塑性工程塑料 ABS全名 丙烯晴 A 丁二烯 B 苯乙烯 S 三元共聚物 微黄色或白色不透明粒料 无毒 无味 流动性中等 2 特性 具有优良的综合特性 坚固 坚韧 坚硬 冲击强度和表面硬度比聚苯乙烯显著提高 热变形温度比聚苯乙烯 聚氯乙烯 尼龙高 尺寸稳定性较好具有较好的化学稳定性和良好的介电性能很好的成型加工性 能与其它塑料和橡胶相混熔表面可电镀 缺点 耐热性不高 耐低温性不好 不耐燃 不透明 在紫外线作用下易老化 3 用途广泛用于制造电视机 收音机的外壳 旋钮 电话机壳 话筒 把手 铰链 塑料铭 牌等 4 成型特性 ABS粒料表面易吸潮 成型前须干燥处理比热小 塑化效率高 模塑周期短 表观粘度强烈依赖于剪切速率 应采用点浇口成型收缩率小 熔融温度较低 熔融温度范围宽 流动性好 有利于成型加工 5 聚砜 PSF 60年代的热塑性工程塑料耐高温 高强度 万用的高效能塑料 PSF树脂是白色细粉丝状晶体 2 特性 具有突出的耐热性 耐氧化性和耐蠕变性 热稳定性高 能吸收大量的热辐射能 介电性能优良 耐酸 碱 盐溶液 脂肪油及脂肪烃 不耐酮类 芳香烃等有机溶剂 塑件表面可电镀 缺点 塑件易开裂 3 用途制造在高温下工作是塑件要求尺寸准确及有较高的机械强度和介电性能良好的电子元 件 4 成型特性 易吸潮 成型前必须干燥熔融温度高 熔融粘度大 流动性差 冷却速度快 成型工艺困难 熔融粘度对温度变化敏感 模具应加热成型收缩率较小热稳定性高 回料可多次使用 模具浇注系统尺寸应粗大 6 聚苯醚 PPO A 1965年出现的一种新型的热塑性塑料 树脂为无色或淡黄色的粉末 有的是琥珀色的透明体 树脂 增塑剂 稳定剂 填充剂 造粒 粒状聚苯醚塑料 2 特性 具有热固性塑料的特点的热塑性塑料热变形等性能接近热固性塑料的水平 蠕变值很小 加工出的塑件尺寸稳定性很高具有较高的耐热性 耐寒性 化学稳定性和介电性 有卓越的耐水性和耐蒸汽性 缺点 成型较困难价格高疲劳强度低在光和热作用下易老化塑件易应力开裂 3 用途 用于制造在较高温度下工作的齿轮 凸轮 轴承 水泵零件 紧固件 高频印刷线路板 接 线板 支架 插座 管件 壳体等 4 成型特性 吸湿性很低 但为避免塑件表面形成银丝和产生气泡 成型前必须干燥处理 熔融温度高 粘度大 流动性差 成型加工困难 熔体的粘度对剪切速率敏感性小 对温度敏感性大 凝固快 成型收缩小浇注系统宜大 模具应加热 注射成型宜高料温 高模温 高压 高速注射 不宜保压及冷却时间过长 塑件易开裂 应进行退火 处理 三 其它特殊塑料 1 环氧树脂 EP 环氧树脂 线型的热塑性树脂 环氧塑料 环氧树脂 硬化剂 增塑剂 稀释剂 填充剂降低粘度 提高流动性 2 特性 粘合力很强 十分突出的特性 用于各种材料的粘合 无线电元件的密封和绝缘 浇铸 浸渍玻璃 钢及防腐蚀涂层 油漆机械性能极高 好的耐酸 碱和有机溶剂性能耐热 耐水 抗菌 体质稳 定性好 3 用途 粘合剂 用于金属及非金属的粘合作为增强塑料 环氧玻璃钢 浇铸各种模具 模具生产周期短 节约成本 节省大量金属作为涂层涂料 防腐蚀 耐磨损的作用 4 成型特性 流动性好 硬化速度快硬化收缩小 但热刚性差 塑件不易脱模 硬化时不析出副产物 无需排气常用于浇铸成型 低压挤塑成型及逢装电子零件 2 有机玻璃 PMMA 有机玻璃 俗名 聚甲基丙烯酸甲酯 学名 2 特性 高度的透明性和优异的透光性 PMMA最卓越的性能非常好的耐气候性 重量轻 比重1 18 为无机玻璃的一半 易于成型 注射 挤压 吹塑 机械强度高吸湿性低 成型收缩率小 尺寸稳定性高 缺点 表面硬度不高 抗划痕性低 耐热性 热稳定性差 熔融粘度大 3 用途飞机座舱的风挡 舷窗电视和雷达标图的屏幕 汽车风挡 仪器设备的防护罩塑料铭牌 刻度盘罩 油标 油杯 第二节注射成型工艺 一 注射成型技术及设备 注射模塑注射模塑 又称注射成型 以高速高压将塑料熔体注入到已封闭的模具型腔内 经冷却定型 得到与型腔一致的塑料制件以高速高压将塑料熔体注入到已封闭的模具型腔内 经冷却定型 得到与型腔一致的塑料制件 几乎所有的热塑性塑料都可用此法成型几乎所有的热塑性塑料都可用此法成型其制品占塑料制品总量的其制品占塑料制品总量的20 30 20 30 特点 1 适应生产拖鞋底 鞋底 雨鞋 2 人机介面 全自动动作 3 适用SBS PVC配方料 TPR PVC粒 料 4 操作简便 二 注射成型工艺过程 成型前的准备成型前的准备 1 1 成型前的原料预处理成型前的原料预处理 2 2 料筒的清洗料筒的清洗 3 3 嵌件的预热嵌件的预热 4 4 脱模剂的选用脱模剂的选用 注射过程注射过程加料加料 塑化塑化 注射入模注射入模 稳压冷却稳压冷却 脱模脱模 塑件的后处理塑件的后处理用于改善和提高制件的性能和因次稳定性 用于改善和提高制件的性能和因次稳定性 包括退火包括退火 和调湿处理和调湿处理 三 工艺条件 温度 料筒温度料筒温度 料筒温度的选择 依塑料特性 注射机类型 制品及模具的结构特点的不同进行选择 料筒温度的分布 从料筒一侧 后端 起 至喷嘴 前端 止 逐步升高逐步升高 以使塑料温度平稳 地上升到均匀塑化的目的 喷嘴温度喷嘴温度 通常低于料筒温度低于料筒温度10 0C 300C 以防熔料在直通式喷嘴发生 流涎现象 但不能过低 以防早凝而堵死 模具温度模具温度 模具温度的选择取决于塑料结晶性的有无 制品尺寸与结构 性能要求以及其它工艺条件 控制方法 冷却介质 自然散热 压力 塑化压力 采用螺杆式注射机时采用螺杆式注射机时 螺杆头部熔料在螺杆转动后退时所受到的压力称塑化压力或背压螺杆头部熔料在螺杆转动后退时所受到的压力称塑化压力或背压 塑化压力 熔体温度均匀 色料混合均匀 易于排出熔体中的气体 但会减小塑化速率 控制 保证制品质量越低越好 一般 2 10 5kg m2 注射压力 克服塑料从料筒流向型腔的流动阻力 给予熔料充模的速率以及对熔料进行压实 克服塑料从料筒流向型腔的流动阻力 给予熔料充模的速率以及对熔料进行压实 影响流动阻力的因素 流道结构的几何因素 塑料的摩擦系数和熔融粘度 为了保证制品的 质量 对注射速度有一定的要求 而直接影响注射速率的因素是注射压力 时间 成型周期 注射时间 充模3 5S 保压20 120S 闭模冷却时间 30 120S 其他时间 开模 脱模 涂脱模剂 安放嵌件 闭模 约占50 四 热固性塑料的传递模塑和注射模塑 优点 制品废边少 减少后加工量减少后加工量 能模塑带有精细或易碎嵌件嵌件和穿孔的制品 并能保持嵌件和孔眼的位置正确 制品性能均匀 尺寸准确尺寸准确 质量提高 塑模磨损较小磨损较小 缺点 塑模制造成本高耗料多压制带有纤维性填料时 制品因纤维定向而产生各向异性 围绕在嵌件四周的塑料会因熔接不牢而使制品强度降低 五 热固性塑料的注射模塑 热固性塑料注射模塑的要点及对原料的要求 要点 成型温度成型温度采用恒温控制的水加热系统严格控制在 1 0C 塑料在模内发生交联反应有低分子物析出 故合模部分应能满足放气操作放气操作的要求 塑料在料筒内不能停留停留过长 以防发生硬化 通常采用多模更替 注射机的注射压力注射压力和锁模力锁模力都应该比模塑热塑性塑料的注射机大 对原料的要求 几乎可适用于所有的热固性塑料 要求具有较高的流动性 在料筒温度下加热不会过早硬化 六 注射模塑的发展概况 一 排气式注射成型 采用排气式螺杆 可直接成型具有亲水性或含有较多单体 熔剂及挥发物的热塑性塑料 如 聚碳酸 酯 尼龙 有机玻璃 纤维素等不必经过干燥 排气式挤出机的特点 料筒设有排气口螺杆较排气式挤出机长 轴向移动的螺杆的排气段需始终 对准排气口 采用双阶四段的排气螺杆 第一阶段 加料区 压缩区 第二阶段 减压段 均化段 二 反应式注射成型 在成型过程中伴有化学反应化学反应的一些热固性塑料和弹性体加工的新方法 适用于加工聚氨酯 环氧树脂 和硅橡胶等热固性塑料 聚氨酯注射成型 元醇 二氰酸酯 送入液体混合室 在一定温度 压力下混合 注入模内 以液面上升形成充模 发 泡 成型表面密度大 内层密度低的泡沫塑料 三 流动注射模塑 采用普通移动的螺杆式注射机 螺杆快速转动 将塑料不断塑化并挤入模具型腔 充模后停止螺杆转 动 用螺杆原有的轴向推力使熔料保压一段时间后冷却脱模 制件重量可超过注射机的最大注射量 熔料在料筒的停留时间短 适宜加工热敏性塑料制件应力小 缺点 充模流动速度较慢 薄壁长流程制件易产生缺料 模具须加热 四 无流道赘物的注射成型 热塑性塑料热塑性塑料 热流道模具 绝热流道模具 带热探针的绝热流道模具 热固性塑料热固性塑料 冷 温 流道模具 五 共注射成型 用两个或两个以上注射单元的注射机将不同的品种或不同色泽的塑料同时或先后注入模具 用于生产 多种色彩或多种塑料的复合制品 双色注射双色注射 两个料筒两个料筒和一个公用喷嘴一个公用喷嘴 通过液压系统调整两个推料柱塞注射熔料进入模具的先后 次序来制得所需的不同混色情况的双色塑料制品 双层注射双层注射 采用新旧不同的同一种塑料成型具有新性能的制品 或采用不同色泽或不同品种塑料 的组合 而获得具有组合性能组合性能的制品 设备及加工费较高 第三节挤出及吹塑成型工艺 一 挤出挤出成型1 挤出的用途 管 棒 丝 板 薄膜 电线电缆的涂覆和涂层制品 主要用于热塑性塑料 2 挤出过程 第一阶段 塑料塑化 在压力作用下通过口模成为截面与口模形状相仿的连续体连续体 第二阶段 用适当的方法使挤出物失去塑形状态而成为固体固体得到所需的制品 二 挤出吹塑 熔融塑料 挤出管状型坯 趁热放入吹塑模的瓣合模中 通压缩空气 吹胀 保压 冷却定 型 脱模 制品 三 注射吹塑步骤 步骤步骤 注射机注射机注射出熔融状态的塑料型坯 接吹塑中空成型的2 6步骤 特点特点 壁厚均匀 型坯有底 无拼合缝 强