专业概论教案

辽宁工程技术大学教 案2012 2013 学年第 1 学期教学单位材料科学与工程学院教研室(实验室)材料成型课 程 名 称专业概论授 课 班 级成型1214主 讲 教 师李明伟职 称 讲师使 用 教 材辽宁工程技术大学教务处制辽宁工程技术大学材料科学与工程学院教案(首页)任课教师： 职称： 课程名称专业概论课程编号0801E0016总学时： 16 学时授 课： 学时上 机： 学时实 验： 学时学 分课程类别（ ）理论课（ ） 公共课（ ） 必 修 课（ ）实验课（ ） 专业课（ ） 院级任选课（ ）授课对象专业班级：材料成型与控制工程专业 共 4 个班教学目的要求专业概论是专业介绍性的课程，主要讲述材料成型及控制工程专业的历史、在工业生产中的地位、国内外发展现状及主要专业领域和主要工艺方法，是学生加深对本专业的了解和热爱，同时也对学生将来选课和选择专业方向起到一定的知道作用。本课程讲授时本着浅显一定、内容广泛、生动有趣、贴近实际的原则，广泛介绍专业的重点、热点、前沿领域，即使学生对专业有所了解，有不使其觉得高深难懂、枯燥乏味，真正从课程中有所收益。教学重点难点1 炼钢的基本原理和工艺过程、炼铁的基本原理和工艺工程。2 铸造的优缺点和使用范围，铸造技术分类、砂型铸造的原理和工艺工程。3 焊接的物理本质，焊接方法的分类，焊接的优缺点，各宗焊接方法的原理和特点4 锻造的特点和适用范围、锻造方法的分类，各种锻造方法的原理和工艺工程。教材参考书金属工艺学（第二版）王雅然编 机械工业出版社铸造工艺学王文清 李魁盛编 机械工艺出版社焊接工艺学与设计芮树祥 哈尔滨工程大学出版社锻造工艺学与模具设计姚泽坤 西北工业大学出版社 专业概论 课程教案授课时间第 周 周 第 节课次授课方式（请打）理论课 讨论课 实验课 习题课 其他课时安排16授课题目：第一章 材料成型的发展历史和专业范围教学目的、要求：了解人类社会材料的发展、古代的成型技术、材料的分类、材料成型的内容和特点、材料成型在机械制造中的地位、本课程的内容和学习方法。教学重点及难点：材料成型的内容和特点、材料成型在机械制造中的地位。教 学 基 本 内 容一 材料的发展与分类1 材料的发展1）材料是人类用来制造各种机器、构件和产品的物质，材料是人类生产和社会发展的重要物质基础，也是我们日常生活中不可分割的一个组成部分。2) 人类社会的发展伴随着材料的发明和发展，人类的文明史是按材料发展阶段划分的。3) 材料对社会、经济、技术发展有巨大的影响。60年代70年代新型材料信息技术 新技术革命的主要标志生物技术新材料是根据我们特定的需要设计和加工而成的，这些新材料使新技术得以产生和应用，而新技术又促进了新工业的出现和发展，从而对人类社会的文明与经济发展，有着不可估量的作用。 金属的使用标志着社会生产力的发展，人类开始逐渐进人文明的社会。石器时代青铜器时代铁器时代钢时代的来临，引起世界范围的工业革命。硅时代是信息技术革命的时代对当今世界产生了深远的影响钢时代硅时代新材料时代q 石器时代经历了200300万年。v 人类使用材料是始于对工具尤其猎杀工具的需求。v 人类最先使用的工具是石器，是用坚硬的容易纵裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。v 新石器时代（公元前6000 5000年）用粘土烧制成陶器。q 铜器时代经历了25003000年v 人类寻找石器工具过程中发现和认识了天然金属，在新石器时代后期开始使用天然金属，首先是铜。v 然后发现和认识了金属矿石尤其铜矿石（孔雀石）；并在烧制陶器生产中创造了冶金技术。v 铜器时代大约始于公元前3800年。公元前3000 前2500在两河流域出现青铜。q 铁器时代经历了约3000年v 陨铁不如天然铜容易识别，约公元前3000年开始使用天然陨铁。v 铁的冶炼大约始于公元前1250年，人类的发展进入铁器时代。v 我国春秋战国时期（公元前770 221年）已开始大量使用人工铁器。v 16世纪以前铁的冶炼是经验型的。v 16世纪中叶，欧洲出现比林古桥的火法技艺和阿格里科拉的论冶金冶金文献。v 1740年炼钢和铸钢技术被突破后，钢铁开始蓬勃发展，伴随产业革命发展为人类社会的支柱工业。v 这标志着18世纪前是铁的时代，18世纪后是钢的时代，也是冶金学形成的时代。v 这一时期钢铁工业的中心在欧洲，英国为代表。v 以后，随着冶金理论不断发展，新的技术、方法和装备不断被发明直至上世纪80年代。铜器时代大约始于公元前3800年。公元前3000 前2500在两河流域出现青铜。q 新材料时代 在当代，科学技术和生产飞跃发展。材料、能源和信息作为现代社会和现代技术的三大支柱，发展格外迅猛。 材料的发展呈现出合成化、多元化、复合化，正向纳米化发展。v 20世纪20年代出现人工合成高分子材料，到70年代中期有机合成材料与钢的体积产量相等。v 20世纪60年代半导体材料（晶体管、集成电路等）的出现，引发了计算机及信息产业的革命。v 20世纪90年代后期，开始新一代钢铁材料即超细化钢铁材料的研究。v 21世纪将是纳米材料时代。2 材料的分类1） 按属性分： 金属无机非金属材 料钢铁有色重金属轻金属稀有金属有机高分子黑色贵金属特种陶瓷传统陶瓷塑料橡胶合成纤维半金属传统陶瓷、水泥、玻璃、耐火材料、搪瓷、砖瓦、琉璃、铸石、碳素材料，非金属矿先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、磨料、无机涂层、无机纤维及其他们的复合材料等 黑色金属有色金属金 属重金属: Cu Pb Zn Ni Co 等轻金属：Al Mg K Na Ca 等稀有金属: V Nb Ti 等铸铁 碳素钢合金钢贵金属: Au Ag Pt 等钢铁占全部金属总重的94( 86种) ( 3种)( 83种)半金属: Si As Se 等砷，硒n 金属: 一般是由金属元素组成的材料，金属往往是较好的导热体和导电体，具有高的强度和好的延展性，抛光后具有金属光泽。n 陶瓷: 一般是由金属元素和非金属元素或非金属元素之间组成的化合物，如氧化物、氮化物、碳化物，具有高的硬度但很脆，很好的耐高温性能等，且大多是电的绝缘材料； n 高分子:又称为高聚物n 一般是基于C、H元素的有机化合物，具有非常大的分子结构，往往具有很低的密度，而且在高温时不稳定。塑性好、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小; n 分塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等五类。 高聚物根据机械性能和使用状态可分为: 塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等五类。n 复合材料: 由两个或两个以上类型的材料组成的复合体，按基体类型可分为： 金属基复合材料、陶瓷基复合材料、高分子基复合材料。n 其它材料: 如半导体材料等电子材料，等等。2）按使用性能分 材 料结构材料以力学性能为主用于结构和建筑工程。功能材料以物理化学性能为主用于电子、信息、能源等物理性能 :密度, 熔点, 电性能, 磁性能, 光学性能, 导热性等.化学性能 :指材料在不同条件下抵抗各种化学作用的性能.耐腐蚀性能, 高温抗氧化性能, 抗老化性能, 降解性能等.力学性能 :指材料在力的作用下表现出来的各种性能.抗拉强度, 断裂韧性, 疲劳强度, 抗蠕变强度, 硬度等. 3 材料成型的方法和特点q 材料成型就是把不定形或初定形的原材料按一定方法加工成形状、尺寸和性能满足要求的产品。q 按材料的变化 金属材料成型分为：1 切削成型（机械加工）体积和质量减小； 即由大质量的金属上面去除一部分质量而获得一定形状及尺寸的工件。 如：车、刨、铣、磨等。2 塑性成型体积和质量不变； 即金属本身不分离出多余的质量，也不积累增加质量的成型方法。 即利用金属的塑性，对金属施加一定的外力作用使金属产生塑性变形，获得一定形状、性能和尺寸的产品金属塑性（压力）加工。3液态成型（铸造）、连接成型（铆、焊）、电解沉积、涂镀、粉末冶金等体积或质量增大。 即由小质量的金属逐渐积累成大质量的产品。 如铸造、铆焊等。4 组合成型 上述几种成型方法的联合使用。如液态铸轧方法，是铸造与轧制方法的联合；辊锻加工是轧制和锻造方法的联合。n 金属材料的成型方法主要有： 铸造、塑性成型、焊接、切削和粉末冶金等。n 陶瓷材料的成型方法主要有： 铸造、压力加工和烧结等。n 高分子材料的成型方法主要有： 铸造（如注塑）、压力加工、切削等。5 材料成型在机械制造中的地位材料成形工艺在汽车、拖拉机与农用机械、工程机械、动力机械、起重机械、石油化工机械、桥梁、冶金、机床、航空航天、兵器、仪器仪表、轻工和家用电器等制造业中，起着极为重要的作用。它是实现这些行业中的铸件、锻件、钣金件、焊接件、塑料件和橡胶件等生产的主要方式和方法。 专业概论 课程教案授课时间第 周 周 第 节课次授课方式（请打）理论课 讨论课 实验课 习题课 其他课时安排16授课题目：第二章 钢铁生产简介教学目的、要求：了解炼钢的基本原理和工艺过程、炼铁的基本原理和工艺过程、冶金加工产品的种类和生产方法、钢的分类。教学重点及难点：炼钢的基本原理和工艺过程、炼铁的基本原理和工艺过程教 学 基 本 内 容一 炼钢的基本原理和工艺流程1 炼钢的基本原理：炼钢原理就是在高温条件下，用氧气或铁的氧化物把生铁中所含的过量的碳和其它杂质转为气体或炉渣而除去。1.1 炼钢基本任务1.1.1钢和铁的主要区别钢和生铁都是铁基合金，都含有碳、硅、锰、硫、磷5种元素。其主要区别见表1-1。 表1-1 钢和铁的主要区别项目钢生铁碳含量（质量分数）2，一般为0.041.72，一般为2.54.3硅锰硫磷含量较少较多熔点1450153011001150机械性能强度、塑性、韧性好硬而脆，耐磨性好可锻性好差焊接性好差热处理性能好差铸造性好更好 钢和生铁最根本的区别是含碳量不同，生铁中C%2%.钢中C%2%。含碳量的变化引起铁碳合金质的变化。钢的综合性能，特别是机械性能（抗拉强度、韧性、塑性)比生铁好得多，从而用途也比生铁广泛得多。以此，除约占生铁总量10%的铸造生铁用于生产铁铸件外，约占生铁总量90%的炼钢生铁要进一步冶炼成钢，以满足国民经济各部门的需要1.1.2炼钢的基本任务所谓炼钢，就是通过炼钢降低生铁中的碳和去除有害杂质，再根据对钢性能的要求加入适量的合金元素，使之成为具有性能优良的钢。炼钢的基本任务可归纳如下：1、脱碳。在高温熔融状态下进行氧化熔炼，把生铁中的碳氧化降低到所炼钢号的规格范围内，是炼钢过程的一项最主要任务。2、去磷和去硫。把生铁中的有害杂质磷和硫降低到所炼钢号的规格范围内。3、去气和去非金属夹杂物。把熔炼过程中进入钢液的有害气体（氢和氮）及非金属夹杂物（氧化物、硫化物和硅酸盐等）排除掉。4、脱氧与合金化。把氧化熔炼过程中生成的对钢质有害的过量的氧（以FeO形式存在）从钢液中排除掉；同时加入合金元素，将钢液中的各种合金元素调整到所炼钢号的规格范围内。5、调温。按照熔炼工艺的需要适时地提高和调整钢液温度到出钢温度。6、浇注。把熔炼好的合格钢液浇注成一定尺寸和形状的钢锭和连铸坯，以便下一步扎成钢材。浇注包括铸锭和连续铸钢。1.1.3现代炼钢方法及其发展趋势现代炼钢方法主要有氧气转炉炼钢法、电炉炼钢法、平炉炼钢法。平炉炼钢法由于用重油成本高、冶炼周期长、热效率低等致命弱点，已基本上被淘汰。氧气转炉炼钢法以氧气顶吹转炉炼钢法为主，同时还有底吹氧气转炉炼钢法、顶底复合吹炼氧气转炉炼钢法。1996年我国产钢量已达到一亿多吨，其中氧气转炉炼钢法所炼钢约占70%。电炉炼钢法以交流电弧炉炼钢为主，同时也有少部分直流电弧炉炼钢、感应炉炼钢及电渣重熔等。纵观国内外炼钢方法的发展，以上三种主要炼钢方法的总发展趋势是：转炉炼钢方法大力发展，成为主要的炼钢方法；电炉炼钢法稳步发展、长兴不衰；平炉炼钢法则趋于淘汰。转炉炼钢、和电炉炼钢方法。现分别介绍如下： 1）. 转炉炼钢法：这种炼钢法使用的氧化剂是氧气。把空气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量（含1%的硅可使生铁的温度升高200摄氏度），可使炉内达到足够高的温度。因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。转炉炼钢是在转炉里进行。转炉的外形就像个梨，内壁有耐火砖，炉侧有许多小孔（风口），压缩空气从这些小孔里吹炉内，又叫做侧吹转炉。开始时，转炉处于水平，向内注入1300摄氏度的液态生铁，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空气并转动转炉使它直立起来。这时液态生铁表面剧烈的反应，使铁、硅、锰氧化 (FeO,SiO2 , MnO,) 生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用，使反应遍及整个炉内。几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化，生成一氧化碳（放热）使钢液剧烈沸腾。炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现巨大的火焰。最后，磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁。磷酸亚铁再跟生石灰反应生成稳定的磷酸钙和硫化钙，一起成为炉渣。当磷于硫逐渐减少，火焰退落，炉口出现四氧化三铁的褐色蒸汽时，表明钢已炼成。这时应立即停止鼓风，并把转炉转到水平位置，把钢水倾至钢水包里，再加脱氧剂进行脱氧。整个过程只需15分钟左右。如果空气是从炉低吹入，那就是低吹转炉。随着制氧技术的发展，现在已普遍使用氧气顶吹转炉 （也有侧吹转炉）。这种转炉吹如的是高压工业纯氧，反应更为剧烈，能进一步提高生产效率和钢的质量。2）. 电炉炼钢法：钢还可以在以电能为热源的电炉里冶炼。使用电炉炼钢可以炼出优质的合金钢。电炉的种类很多，应用最广泛的是电弧炉。目前平炉炼钢在我国已基本淘汰，2006年我国转炉炼钢产量所占比重为85%，电炉炼钢所占比重为15%。2、炼钢厂工艺流程图 双流板坯连铸机5流方坯连铸机LF炉精炼吹氩+喂线造渣料50吨氧气顶吹转炉合格废钢（计量后）合格铁水（计量后）铁水预处理600吨混铁炉高炉铁水 二 炼铁的基本原理和工艺流程1 炼铁的原理高炉炼铁的本质是铁的还原过程，即焦炭做燃料和还原剂，在高温下将铁矿石或含铁原料的铁，从氧化物或矿物状态（如Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO4、Fe3O4TiO2等）还原为液态生铁。冶炼过程中，炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉内。从下部风口鼓入的高温热风与焦炭发生反应，产生的高温还原性煤气上升，并使炉料加热、还原、熔化、造渣，产生一系列的物理化学变化，最后生成液态渣、铁聚集于炉缸，周期地从高炉排出。上升过程中，煤气流温度不断降低，成分逐渐变化，最后形成高炉煤气从炉顶排出。炼铁高炉示意图 高炉示意图1） 炼铁的原料铁矿石、焦炭、石灰石2） 常见的几种铁矿石常见的几种铁矿石的成分黄铁矿主要成分 FeS2菱铁矿主要成分FeCO3磁铁矿主要成分 Fe3O4主要成分 Fe2O3赤铁矿70% 72% 48% 56%主要成分中的含铁量3） 原理Fe2O3+3CO = 2Fe+3CO2aCo3 = CaO+co2高温3co+Fe2o3 = 2Fe+3co2高温CaO+SiO2aSio3高温c+co2 = 2co高温c+o2= co2点燃（供热、CO2）（制还原剂）（造渣）处理方法：回收再利用高炉内发生的化学反应3 高炉炼铁的工艺流程三 冶金加工产品的种类和生产方法、钢的分类1 什么是冶金冶金是一项从金属矿中提炼金属、提纯与合成金属，以及用金属制造有用物质过程的技术。2 冶金加工产品的种类 冶金按照行业分类可以分为：黑色冶金（铁、铬和锰）+有色冶金（铝、 铜等）。 冶金工业是重要的原材料工业部门，为国民经济各部门提供金属材料，也是经济发展的物质基础。 2 钢的分类钢是以铁、碳为主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11%。钢是经济建设中极为重要的金属材料。钢按化学成分分为碳素钢（简称碳钢）与合金钢两大类。碳钢是由生铁冶炼获得的合金，除铁、碳为其主要成分外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。碳钢具有一定的机械性能，又有良好的工艺性能，且价格低廉。因此，碳钢获得了广泛的应用。但随着现代工业与科学技术的迅速发展，碳钢的性能已不能完全满足需要，于是人们研制了各种合金钢。合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入某些元素（称为合金元素）而得到的多元合金。与碳钢比，合金钢的性能有显著的提高，故应用日益广泛。由于钢材品种繁多，为了便于生产、保管、选用与研究，必须对钢材加以分类。按钢材的用途、化学成分、质量的不同，可将钢分为许多类：（一）按用途分类 按钢材的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。1.结构钢：（1）.用作各种机器零件的钢。它包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。（2）用作工程结构的钢。它包括碳素钢中的甲、乙、特类钢及普通低合金钢。2.工具钢：用来制造各种工具的钢。根据工具用途不同可分为刃具钢、模具钢与量具钢。3.特殊性能钢：是具有特殊物理化学性能的钢。可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。（二）按化学成分分类 按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢：按含碳量又可分为低碳钢（含碳量0.25%）；中碳钢（0.25%含碳量0.6%；高碳钢（含碳量0.6%）。合金钢：按合金元素含量又可分为低合金钢（合金元素总含量5%）；中合金钢（合金元素总含量=5%-10%）；高合金钢（合金元素总含量10%）。此外，根据钢中所含主要合金元素种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬镍钢、铬锰钛钢等。（三）按质量分类 按钢材中有害杂质磷、硫的含量可分为普通钢（含磷量0.045%、含硫量0.055%；或磷、硫含量均0.050%）；优质钢（磷、硫含量含硫量0.030%）。此外，还有按冶炼炉的种类，将钢分为平炉钢（酸性平炉、碱性平炉），空气转炉钢（酸性转炉、碱性转炉、氧气顶吹转炉钢）与电炉钢。按冶炼时脱氧程度，将钢分为沸腾钢（脱氧不完全），镇静钢（脱氧比较完全）及半镇静钢。钢厂在给钢的产品命名时，往往将用途、成分、质量这三种分类方法结合起来。如将钢称为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢等。均0.040%）；高级优质钢（含磷 专业概论 课程教案授课时间第 周 周 第 节课次授课方式（请打）理论课 讨论课 实验课 习题课 其他课时安排授课题目：第三章 铸造生产简介教学目的、要求：了解铸造的优缺点和使用范围、铸造技术的分类、砂型铸造的原理和工艺工程、特种铸造的原理和工艺过程教学重点及难点：教 学 基 本 内 容一 铸造的优缺点1 什么是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。2 铸造的优点：1）优点（1）可以铸造出内腔、外形很复杂的毛坯。（2）工艺灵活性大。适用于几乎各种合金，各种尺寸、形状、重量和数量的零件或毛坯生产。（3）铸件成本较低。由于上述优点，铸造在工业生产中应用较广：各类机械工业中铸件重量比缺点：（1）铸造组织疏松、晶粒粗大；内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷。所以与锻件比，机械性能低。（2）铸造工序多，精度难以控制，质量不稳定。（当然有精密铸造方法）（3）劳动条件较差。二 铸造技术的分类：铸造分为砂型铸造和特种铸造两大类。 砂型铸造是以型砂为主要造型材料制备铸型的铸造工艺方法，它具有适应性广、生产准备简单、成本低廉等优点，是应用最广的铸造方法；特种铸造是除砂型铸造以外其它铸造方法的总称，常用的特种铸造方法有金属型铸造、压力铸造、熔模铸造、离心铸造、实型铸造等。特种铸造一般具有铸件质量好或生产率高等优点，具有很大的发展潜力。三 铸造技术的应用范围：砂型铸造：适用范围：手工造型：单件、小批量和难以使用造型机的形状复杂的大型铸件 机械造型：适用于批量生产的中、小铸件、各种材质。工艺特点：手工：灵活、易行，但效率低，劳动强度大，尺寸精度和表面质量低。机械：尺寸精度和表面质量高，但投资大。金属型铸造：适用范围：小批量或大批量生产的非铁合金铸件，也用于生产钢铁铸件。工艺特点：铸件精度、表面质量高，组织致密，力学性能好，生产率高。熔模铸造：适用范围：各种批量的铸钢及高熔点合金的小型复杂精密铸件，特别适合铸造艺术品、精密机械零件。工艺特点：尺寸精度高、表面光洁，但工序繁多，劳动强度大。陶瓷型铸造：适用范围：模具和精密铸件。工艺特点：尺寸精度高、表面光洁，但生产率低。低压铸造：适用范围：小批量，最好是大批量的大、中型有色合金铸件，可生产薄壁铸件。工艺特点：铸件组织致密，工艺出品率高，设备较简单，可采用各种铸型，但生产效率低。 压力铸造：适用范围：大量生产的各种有色合金中小型铸件、薄壁铸件、耐压铸件。工艺特点：铸件尺寸精度高、表面光洁，组织致密，生产率高，成本低。但压铸机和铸型成本高。 离心铸造：适用范围：小批量到大批量的旋转体形铸件、各种直径的管件。工艺特点：铸件尺寸精度高、表面光洁，组织致密，生产率高。连续铸造：适用范围：固定截面的长形铸件，如钢锭、钢管等。工艺特点：组织致密，力学性能好，生产率高。消失模铸造：适用范围：不同批量的较复杂的各种合金铸件。工艺特点：铸件尺寸精度较高，铸件设计自由度大，工艺简单，但模样燃烧影响环境。 四 砂型铸造的原理和工艺流程1 砂型铸造的特征及工艺流程配制型砂造型合型浇注冷却落砂清理检查热处理检验获得铸件特征：使用型砂构成铸型并进行浇注的方法，通常指在重力作用下的砂型铸造过程。（1）型砂的配置按粘结剂的不同，型砂可分为下列几种：.粘土砂 是以粘土上（包括膨润土和普通粘土）为粘结剂的型砂。其用量约占整个铸造用砂量的（7080）。其中湿型砂使用最为广泛，因为湿型铸造不用烘干，可节省烘干设备和燃料，降低成本；工序简单，生产率高；便于组织流水生产，实现铸造机械化和自动化。但湿型砂强度不高，多用于中小铸件生产。为节约原材料，合理使用型砂，往往把湿型砂分成面砂和背砂。与模样接触的那一层型砂，称为面砂。其强度、透气性等要求较高，需专门配制。在面砂背后，只作为填充加固用的型砂称为背砂，一般使用旧砂。在大量生产中，为提高生产率，简化操作，往往不分面砂和背砂，而用一种砂，称为单一砂。铸铁件常用湿型砂的配比和性能见。.水玻璃砂 是由水玻璃（硅酸钠的水溶液）为粘结剂配制而成的型砂。水玻璃加入量为砂子质量的（68）。水玻璃砂型浇注前需进行硬化，以提高强度。硬化方法有：通CO2气化学硬化和加热表面烘干，还可以在型砂中先加入硬化剂，起模后砂型自行硬化。由于取消或大大缩短了烘干工序，水玻璃砂的出现使大件造型工艺大为简化。但水玻璃砂的溃散性差，落砂、清砂及旧砂回用都很困难。在浇注铸铁件时粘砂严重，故不适于做铸铁件，主要应用在铸钢件生产中。.树脂砂 是以合成树脂（酚醛树脂和呋喃树脂等）为粘结剂的型砂。树脂加入量约为砂子质量的36。树脂砂加热后12min可快速硬化，且干强度很高，做出的铸件尺寸精确、表面光洁；溃散性极好，落砂时只要轻轻敲打铸件，旧砂就会自动溃散落下。由于有快干自硬特点，使造型过程易于实现机械化和自动化。树脂砂是一种有发展前途的新型造型材料，目前主要用于制造复杂的砂芯。型砂的制备型砂的制配工艺对型砂的性能有很大影响。浇注时，砂型表面受高温铁水的作用，砂粒粉碎变细、煤粉燃烧分解，型砂中灰分增多而透气性降低，部分粘土丧失粘结力，均使型砂的性能变坏。所以，落砂后的旧砂，一般不直接用于造型，需掺入新材料，经过混制，恢复型砂的良好性能后才能使用。旧砂混制前需经磁选及过筛以去除铁块及砂团。型砂的混制是在混砂机中进行的，在碾轮的碾压及揉搓作用下，各种原材料混合均匀并形成图1-2所示的型砂结构。型砂的制配过程是：先加入新砂、旧砂、膨润土和煤粉等干混23min，再加水湿混512min，性能符合要求后即从出砂口卸砂。混好的型砂应堆放45 h，使粘土膜内水分均匀（调匀）。使用前还要用筛砂机或松砂机进行松砂，以打碎砂团和提高型砂性能，使之松散好用。2 砂型(芯)的烘干、合箱与浇注1、砂型(芯)的烘干 1）表面烘干：为了缩短生产周期，减少燃料消耗，有利于组织流水作业，在保证质量的条件下，应尽量应用表面烘干。表面烘干的方法主要有喷灯火焰烘干、移动式焦碳炉或煤气炉烘干、红外线辐射烘干以及高频干燥炉烘干和微波技术烘干。2）体烘干：大型和较重要的砂型(芯)都要进行整体烘干，一般在周期作业或连续作业的烘干炉中进行。周期式烘干炉有台车室式烘干炉和抽屉式烘干炉。前者用于大中型砂型(芯)的烘干，后者用于较小砂芯的烘干。连续式烘干炉用在批量生产的铸造车间，这种烘干炉有卧式和立式两种，后者占地面积小。炉内各部位按烘干规范的要求保持确定的温度和运行时间，使砂芯逐渐升温、保温和降温冷却。所以，烘干操作可连续地进行，效率高于周期式烘干炉。2、合箱 合箱就是把砂型和砂芯按要求组合为铸型的过程。铸型的合箱是制备铸型的最后工序，合箱质量不高，铸件形状、尺寸和表面质量就得不到保证，甚至会因偏芯、错箱、抬箱跑火等原因而使铸件报废。合箱一般按以下步骤进行：1）全面检查、清扫、修理所有的砂型和砂芯，特别要注意检查砂芯的烘干程度和通气道是否畅通。不符合要求者，应进行返修或废弃。2）下芯次序依次将砂芯装入砂型，严格检查，保证铸件壁厚、砂芯固定、芯头排气和填补接缝处的间隙。无牢固支撑的砂芯，要用芯撑在上下和四周加固，防止砂芯在浇注时移动、漂浮。装在上箱的砂芯，要插栓吊紧，砂芯与砂芯之间接缝相对较大时，需使用填补料修平，并用喷灯烘干。3）仔细清除型内散砂，全面检查下芯质量，在分型面上沿型腔外围放上一圈泥条或石棉绳，保证合箱后分型面密合，避免液态金属从分型面间隙流出。4）放上压铁或用螺栓、金属卡子固紧铸型。放好浇口杯、冒口圈，在分型面四周接缝处抹上砂泥，防止跑火。最后全面清理场地，以便安全方便地浇注。3、浇注1) 浇注前的准备工作 铸型合箱紧固后浇注前应做好下述浇注准备工作：了解浇注合金的种类、牌号、待浇注铸型的数量和估算所需金属液的重量；检查浇包的修理质量、烘干预热情况及其运输与倾转机构的灵活性和可靠性；熟悉各种铸型在车间所处的位置，以便确定浇注次序；检查冒口、冒口圈的安放及铸型的紧固情况；清理浇注场地，确保浇注安全。2) 浇注工艺 为了获得合格铸件，必须控制浇注温度、浇注速度，严格遵守浇注操作规程。 浇注温度：应根据合金的种类、铸件结构和铸型特点确定合理的浇注温度范围。金属液由炉中注入浇包时，温度都会降低。为了减小包内降温，修好的浇包一定要充分烘干，浇注前需预热；尽量避免倒包，减少金属液在包中的停留时间和缩短运输距离；浇包壁可采用高效保温材料，金属液出炉后，在包内液面加保温集渣覆盖剂；加强测温，严格监控金属液在包内的降温情况和浇注温度。 浇注要点：浇注前需除去浇包中金属液面上的熔渣；根据规定的速度和时间范围进行浇注；浇注时应避免金属液流的飞溅和中断；开始慢浇，且不能直冲浇口，以免冲毁砂型；中间快浇，以充满浇注系统；浇口杯中应始终保持一定数量的金属液，防止渣、气进入铸型；快充满时应慢浇，防止溢出和减小抬箱力。有冒口的铸型，浇注后期应进行点浇和补浇。浇注后应注意引燃从铸型排出的气体。待铸件凝固完毕，及时卸除压铁和箱卡，以减少铸件收缩阻力，避免裂纹。3、铸件的落砂、清理及后处理1、铸件的落砂 铸件凝固冷却到一定温度后，把铸件从砂箱中取出，去掉铸件表面及内腔中的型砂和芯砂，落砂通常分为人工落砂和机械落砂两种。1) 人工落砂 在一般铸造车间，由浇注场地人工就地落砂。这主要用于单件小批生产，对于有色合金铸件，基本上都采用手工落砂。2) 机械落砂 在机械化生产线上，通常采用机械化落砂。它是把铸件放在震动落砂机上通过震动使砂子下落。机械落砂效率高，但机械易损坏，维修调整困难，而且噪音大。3) 清除砂芯的方法 生产中常采用下述清砂除芯方法：水力清砂除芯：它是利用高压水来切割、冲刷铸件上残留的芯砂与粘砂的一种有效方法。该法无粉尘，改善了劳动条件；生产效率高，为手工清砂的510倍。缺点是需要庞大的沉淀池和湿砂干燥设备。为了提高清砂效果，特别是清理铸钢件芯砂时，可在高压水射流中加入砂子，这种方法还可部分地用来清理铸件表面的粘砂，称为水砂清砂法。水爆清砂除芯：待铸件冷却到适当温度，从铸型中取出立即浸入水中，水迅速进入砂芯，急剧汽化膨胀，当水汽达到一定压力后便产生爆炸，使砂芯爆裂而脱离铸件。水爆清砂设备主要是水爆池和吊车，设备简单。2、铸件的清理为了提高铸件表面质量，还需进一步对铸件进行清理，切除浇冒口，打磨毛刺并进行吹砂。1) 浇冒口的切除 铸件必须除去浇注系统和冒口。对于中小型铸铁件，可用锤打掉浇冒口。铸钢件一般用氧气切割或电弧切割来去掉浇冒口。不能用气割法切除浇冒口的铸钢件和大部分铝镁合金铸件，采用车床、圆盘锯及带锯等进行切割。在大批量生产中，许多定型铸铁、铸钢生产线都采用专用浇冒口切除线，甚至配备专用机器人或机械手来完成。2) 铸件的表面清理 包括去除铸件内外表面的粘砂、分型面和芯头处的披缝、毛刺、冒口切除痕迹。其方法有： 手工清理：适用于单件、小批量和形状复杂的零件； 滚筒清理：将铸件装入滚筒，利用铸件之间以及铸件与附加角铁之间的磨擦、碰撞来去除铸件表面粘砂、毛刺和氧化铁皮。其设备结构简单，易于制造，清理效果较好；缺点是生产率低，噪音大。适合于中小型铸造车间； 喷、抛丸清理：喷丸清理是用4.905.88MPa的压缩空气，使弹丸从喷嘴以5070m/s的高速喷射到铸件表面，将粘附在铸件表面的型砂、氧化皮等清除掉。抛丸清理是用高速旋转的叶轮将弹丸以6080m/s的速度呈扇形扩散角抛射到铸件表面进行清理。3、铸件表面处理 有些铸件经过上述处理以后，还需进行表面处理。如镁合金铸件在吹砂后，需进行表面氧化处理，在表面生成一层致密而的薄膜，防止或减轻镁合金在使用过程中产生腐蚀。铸铁件、铸钢件在检验合格入库前，需涂上底漆，以防生锈，并作为进一步油漆的底漆。4、铸件质量检验与缺陷修补铸件质量包括铸件的内在质量、外表质量、使用质量等。其具体要求，一般在零件图和有关技术文件中都有明确规定。为了保证铸件质量，铸造生产的各个环节，特别是清理后，都要进行质量检验。凡是有缺陷的铸件，经修补后能满足要求，不影响使用者均应进行修补。1、铸造缺陷的检验1)外观缺陷的检验 检查时用肉眼或借助放大镜及尖嘴锤等工具，观察寻找暴露在铸件外表的缺陷，如裂纹、表面气孔和缩孔、粘砂等缺陷；利用量具、样板和工作平台等检验铸件尺寸是否符合图纸要求，借助各种称量工具来检验铸件重量是否在允许的偏差范围内。2)表面缺陷检验 荧光探伤法：把铸件浸泡在荧光液中，由于毛细现象，荧光液渗透入铸件表面缺陷处，然后取出铸件并擦净，置于紫外线(水银石英灯)照射下。利用荧光液经紫外线照射发光的原理，可判断表面裂纹等缺陷的部位，如图2-9所示。 着色法：利用液体的渗透性质，在被检铸件的表面涂上一层渗透性很好的着色液(如煤油、丙酮、颜料等的混合物)，待液体渗透入表面缺陷处，擦去面上的着色液，喷上一层锌白等白色显示粉液，这时残留在缺陷孔隙处的着色剂又被吸到表面显示粉上来，呈现出缺陷的形状。3) 内部缺陷检验 射线检验：可发现铸件内部缺陷，如气孔、缩孔、裂纹、夹杂等。图2-10所示为射线检验示意图。对重要铸件，如国防工业用I类铸件，一般都要经过100%的射线检验。常用的射线有：X射线和g射线。前者的穿透力不如后者，但灵敏度高于后者，这些射线能穿透金属，使底片感光。射线穿透物体时，与物体中的原子相互作用，射线的能量不断地被吸收和散射而逐渐衰减。物体的密度越大，能量衰减越快，铸件中孔洞、夹杂等的密度远低于金属密度，射线与这些缺陷作用时，衰减较小，在底片上的能量比无缺陷部位大，因而，能在底片上显示出缺陷的形状。（图29荧光探伤示意图，图2-10 射线检验示意图） 超声波检验：也可发现铸件内部缺陷，如气孔、裂纹、夹杂、缩松等。对铸钢件，用此法可探测壁厚最大（1000mm）的一种方法。超声波检验用的工作频率常在1MHz以上。超声波从一种介质传播到另一种介质时在界面上会产生反射，特别当超声由金属传向空气时差不多有99%从界面反射回去。超声波检验就是应用这一特性来发现铸件内部缺陷的。当探头在铸件上缓慢移动时，如铸件无缺陷，则在示波屏上只出现探测面上反射的T波和底面上反射形成的B波；如铸件上某部位有缺陷，则还出现因缺陷反射的F波，如图2-11所示，缺陷越大，F波的高度也越大，从而可确定铸件中缺陷的位置及严重程度。 压力试验：对高压、真空用的铸件，如泵体、阀门等，需做压力试验，以检查铸件是否存在孔洞缺陷。试验时将有一定压力的空气(或水、油等)通入被密封的铸件内腔中，如铸件有穿透的裂纹、孔洞等，就会出现渗漏，从而发现缺陷位置。试验压力通常要超过铸件工作压力的3050%，这对铸件也是一种强度考核。当铸件不易构成密封空腔，从而无法进行压力试验时，可用渗透煤油的方法检验铸件的致密性。（图2-11 超声波检验示意图）2、铸件缺陷的修补铸件出现缺陷并不等于铸件报废，根据铸件的设计要求，在满足使用的情况下，能修补的要进行修补。常见的铸件修补方法有三种：用腻子和环氧树脂修补、焊接修补和浸渗修补。1）用腻子和环氧树脂修补：对铸件不十分重要但又有装饰意义的部位上发现的孔眼类缺陷，可根据铸件的颜色来配制腻子予以修补。对于铸铁件，可使用铁粉、水玻璃和水泥配制；对于铸铝件，可使用铝粉、高效粘接剂配制；对于铸件的非加工面、静止面和非主要位置上的缺陷以及油箱、油池的漏油缺陷等，可用环氧树脂粘补剂修补。2）焊接修补：这是最常见的铸件修补手段。电弧焊主要用于焊补铸钢件缺陷。一般不需预热即可焊补，但铸件重要部位，或者结构很复杂，需要焊补较多的金属时，为防止和消除内应力，提高堆焊金属的塑性和降低硬度，需在焊前预热和焊后退火。气焊大多数用来焊补铸铁和有色金属铸件。铸铁较脆，为防止补焊时产生内应力和裂纹，往往需缓慢预热至500550C，焊后缓冷至50100C，形状复杂的铸铁件，焊后还需在700800C下退火。铝镁合金铸件补焊时，为了防止氧化，常采用氩弧焊，并且对焊接工艺有严格的要求，否则，补焊过程中也会产生缺陷。3）浸渗补焊：浸渗是解决铸件渗漏问题的新技术。它是将呈胶状的浸渗剂渗入铸件的孔隙，然后使浸渗剂硬化，与铸件孔隙内壁联成一体，从而达到堵漏目的。常用的浸渗剂有水玻璃型和合成树脂型两大类。目前，国内一般应用真空加压法对铸件进行整体修补。铸件装入专用的笼子内后放入浸渗罐内，抽真空1.52min(压力低于5KPa)，注入浸渗液淹没铸件，使浸渗剂渗入到缺陷孔隙中，然后通入0.50.7MPa的压缩空气，保压20min，进一步加强浸渗效果。取出铸件，清洗干净，待浸渗液固化即可。五 特种铸造的原理和工艺过程1 常见的特种铸造方法：熔模铸造、金属型铸造、离心铸造、压力铸造、低压铸造、连续铸造、实型铸造。（1）熔模铸造定义：在易熔材料（如蜡料）制成的模样上包覆若干层耐火涂料，待其干燥硬化后熔出模样而制成型壳，型壳经高温培烧后即可浇注的铸造方法。1） 工艺工程2） 特点A 可生产形状复杂、轮廓清晰、薄壁铸件。B 铸件精度高，表面质量好。C 能够铸造各种合金铸件。D 生产批量不受限制。 但工序繁多，生产周期较长，铸件不能太长、太大，铸件成本比砂型铸件高。应用实例;主要用于生产汽轮机、水轮机上小型的叶片和叶轮、切削刀具及汽车、拖拉机、船舶、机床和风动工具上的小型零件等。(2) 金属型铸造 定义：将液体金属浇注到金属型中获得铸件的方法。1) 金属型铸造的工艺特点金属型的导热速度快和无退让性，使铸件易产生浇不足、冷隔、裂纹及白口等缺陷。a）预热金属型：有利于金属液的充型及铸铁的石墨化过程。生产铸铁件，金属型预热至250350；生产有色金属件预热至100250。b）型腔须喷刷耐火涂料：保护其免受金属液直接冲蚀和热击，可调节铸件各部分的冷却速度。c)浇注温度应比采用砂型高出2030，铸铁件的壁厚不小于15mm，以防白口组织。 2)金属型铸造的优缺点:A 优点a)金属型铸造一型多铸，生产率高，劳动条件好；b)铸件的组织致密、晶粒细小，机械性能高 ； c)铸件精度高、表面粗糙度值低。B 缺点a)不宜铸造结构复杂、薄壁或大型铸件； b)铸型寿命短，灰铸铁件铸造时还易于白口组织；c)成本高，周期长，需批量生产。金属型铸造的应用： 主要用于成批生产铝、铜合金等的中、小型铸件， 如活塞、缸体、液压泵壳体、轴瓦和轴套等。(3) 离心铸造定义：将金属液浇入高速旋转的铸型中，在离心力作用下充型和凝固的铸造方法。铸件的各部分冷却速度相同，壁厚均匀。主要用来生产长度大于直径的套、管类铸件。污水管金属液的自由表面在离心力作用下呈抛物面，主要生产高度小于直径的盘、环类铸件。（4）压力铸造定义：压力铸造是指金属液在高压下高速充型，并在压力下凝固的铸造方法。1）压铸机的种类及工作原理 A分类：热压式压铸机、冷压式压铸机3） 压力铸造的特点：A 优点：a)铸件质量好，尺寸精度高;b)压铸件的强度和表面硬度较高; c)生产率操作简便，易于实现自动化。B 缺点：a)充型速度快，型腔中的空气很难完全排出，且厚壁处也很难补缩; b）压铸件不宜进行热处理或在高温下使用；c）可压铸的合金种类受到限制；d）设备投资大，压铸型的制造成本高 应用范围：压力铸造的应用：大批量生产有色合金铸件， 压铸件应尽量避免机加工，以防内部孔洞外露（5）低压铸造低压铸造是采用较压力铸造低的压力（一般为0.02-0.06 Mpa），将金属液从铸型的底部压入，并在压力下凝固获得铸件的方法。1）低压铸造的特点及应用： a、浇注及凝固时的压力容易调整、适应性强，可用于各种铸型、各种合金及各种尺寸的铸件。b、底注式浇注充型平稳，减少了金属液的飞溅和对铸型的冲刷，可避免气孔缺陷。c、铸件在压力下充型和凝固，其浇口能提供金属液来补缩，因此铸件轮廓清晰，组织致密。d、低压铸造的金属利用率高，约90%以上。e、设备简单，劳动条件较好，易于机械化和自动化。主要用来铸造一些质量要求高的铝合金和镁合金铸件，如气缸体、缸盖、和高速内燃机的铝活塞等薄壁件。 (6) 实型铸造又称消失模铸造或气化模铸造。英文名为 Expendable Pattern Casting或缩写EPC。其原理是用泡沫塑料代替木模和金属模样，造型后不取出模样，当浇入高温金属液时泡沫塑料模样气化消失，金属液填充模样的位置，冷却凝固后获得铸件的方法。下图为实型铸造工艺过程示意图。 实型铸造时不用起模、不用型芯、不合型，大大减化了造型工艺，并减少了由制芯、取模、合型引起的铸造缺陷及废品；由于采用了干砂造型，使砂处理系统大大简化，极易实现落砂，改善劳动条件；由于不分型，铸件无飞翅毛刺，使清理打磨工作量减少 50%以上。但实型铸造气化模造成空气污染；