材料加工工艺01

材料加工工艺

1.1材料加工工艺及其 在制造业中的地位

材料加工工艺(MaterialsProcessingTechnology) 所包含的内容:1.液态金属成形，2.金属塑性成形，3.金属焊接成形，4.塑料成形，5.粉末冶金成形，6.快速原型制造，

等等各种成形方法。及其表面工程材料加工工艺的本质它是利用熔化、结晶、塑性变形、扩散、相变等各种物理、化学变化使工件成形；达到预定的机器零件设计要求。

材料加工的四要素材料的性能取决于材料的组织和成分，而材料的使用性能最终取决于材料的制备与成形加工过程。因而，材料的成形加工工艺过程是制造高质量、低成本产品的中心环节，是材料科学与工程四要素中极为关键的一个要素，是促进新材料研究、开发、应用和产业化的决定因素。材料加工的四要素材料加工行业与国民经济中的各行各业休戚相关。交通工具工程机械IT产品坦克军用舰艇我国是制造大国我国机械工业总产值已占全国工业总产值的25％。我国钢年产量2003年已达2.7亿吨，居世界第一位，生铁17,074万吨，成品钢材19,218万吨。我国汽车产量2001年已达234万辆，其中轿车产量为70.36万辆，比1991年增加了10倍多，2002年的产销量又有迅速、大幅度增长，已成为我国国民经济的支柱产业。全世界75％的钢材经塑性加工，45％的金属结构用焊接得以成形。我国的铸造行业有100万职工，20000多个工厂，2003年产量达1,600万吨，在世界上是第一铸造大国。220600040002000

机械工业总产值及其比重18000160001400012000总产值10000（亿元）80001980年1985年1990年1995年1999年2019242625占全国工业总产值23 的比重 （％） 21数据来源：中国机械工业年鉴（2000）家电：总产量世界第一；手机：销量世界第一，产量很快成为世界第一。大国变为面临的问题：如何从制造

强国制造材料加工工艺的重要性:汽车发动机汽车覆盖件中国正着手研制“航天飞机”相关部门正进行技术储备推动“航天飞机”的新一代火箭最大运载能力将达25吨发动机是关键

发动机是航天运载系统的“心脏”，要实施中国未来重复使用运输系统，造出中国的“航天飞机”，就必须从改进发动机着手。

据悉，目前中国正在改进现有的一次性运载火箭、加快研制新一代运载火箭，并使新一代运载火箭在技术上与未来重复使用航天运输系统良好衔接。

有关权威人士透露，依据中国现有的发动机技术状态，火箭的推力大致在5吨－8吨之间。新一代运载火箭的低地球轨道最大运载能力将达到25吨，地球同步转移轨道最大运载能力达到14吨。相关人士评价说，这样的火箭运载能力可以满足未来20年－30年的国内外运载需求。 记者了解到，新一代运载火箭的两个关键项目——120吨液氧／煤油和50吨氢氧两种发动机均已试车成功。权威人士表示，中国航天已经作好了着手研制、生产新一代运载火箭的各项准备。（-2004.8.31）材料加工工艺的重要性机器生产的一般过程:设计⇒毛坯⇒加工⇒装配制造一部质量优良的机器,不但需要好的设计,更需要好的制造工艺来保证;发展趋势材料加工产品精密化、轻量化、集成化；产品性能高、成本低、周期短；材料加工原料与能源消耗低、污染少；制造性好、成品率高。材料正由单一的传统型向复合型、多功能型发展；材料加工技术逐渐综合化、多样化、柔性化、多学科化。全新的加工方法与工艺，及传统加工方法的改进与工序综合。1.221世纪材料加工工艺展望净成形工艺（NetShapeProcess)新的工艺不断出现（例如：金属的半固态成形、喷射成形、金属的注射成形等等）计算机技术的发展引起材料加工工艺的新革命新型材料的成形（复合材料、金属材料）铝镁合金铸件钢的密度：7.85g/cm3铝的密度：2.71g/cm3镁的密度：1.78g/cm3机器人焊接……激光焊接流水线快速成形技术•机器零件原型；•直接制造机器零件；•生物医学制造工程（骨骼、皮肤、牙齿等等）

喷塑打印制模技术 ——在办公室里生产样品利用喷塑打印制模技术，可以在产品开发设计的初期就得到三维设计样品。制作这种三维样件的设备类似于办公室中常用的喷墨打印机，利用这种方法，能够在产品设计的前期及时发现设计中的缺陷，大大提高了产品设计的成功率，缩短产品研发的时间。喷塑打印制模技术工作原理Thermo-Jet喷塑打印机（德国德累斯顿工业大学）产品研发时间进度安排计算机凝固模拟技术纳米材料加工技术环境与可持续发展“绿色”即“无公害化”是利用现代科学技术，形成资源节约型的新型生态持续性工业发展模式。把保护环境纳入工业发展过程之中；在发展经济的过程中，将工业开发和环境保护并重。整个制造生产过程中应满足对环境无害、合理使用和节约自然资源、依靠科学技术得到最大的产出和效益等几个要求。因此，在材料加工工艺的应用和发展中，必须充分重视环境保护和资源的合理利用。1.3材料加工工艺的任务介绍金属材料加工成形主要方法及设备了解材料加工行业现状及其发展趋势与《材料加工原理》课程和《材料加工系列实验》的关系先修课程：“工程材料”、“金属工艺学”作业、复习与考试第2章金属液态成形2.1概述

什么是金属液态成形─液态金属在铸型中冷却、凝固形成零件。

通常称为：铸造铸造工艺的特点1.适用范围广2.可以制造各种合金铸件3.铸件尺寸精度高（与一般焊接件、锻件比较）4.成本低廉5.可以生产形状复杂的零件四羊方尊（公元前13～11世纪）青铜，高58.3曾候乙尊盘

公元前476年～公元前4世纪上半页秦皇铜车马（公元前221～206年），长317cm，高106.2cm秦皇铜车马，青铜，高106mm，长317mm虎牛祭案（春秋晚期），青铜青铜镜唐代，618～907年）直径23.9cm,边厚1.5cm,最薄处2.6mm永乐大钟明代（1368～1644）锡青铜，46.5t镶宝“戒指树”美国，现代；18k金嵌钻石、红宝石三缸柴油机缸体灰铸铁，200kg卡车各种铸件（灰口铸铁、球墨铸铁）各种轧钢机机架（铸钢，400吨）特大型轧钢机机架（218t）机架及浇冒口系统的三维造型（左）与计算机温度场模拟（右）汽车球墨铸铁件微观组织及性能计算机模拟（a)(b)(c)

(d)(a)汽车球墨铸铁件(b)汽车球墨铸铁件铸造工艺三维造型(e)熔化造型与环境友好的日本铸造厂熔化造型减少工业

废弃物追求“3R”再循环（Recycling）再用（Reuse）减少（Reduce）冲天炉 炉渣熔炼粉尘集尘粉尘混凝土块除臭剂滤水器

土壤添加剂喷丸清理铸铁粉隔音装置达到零污染排放序号铸造工艺适用合金 种类铸件重量 范围/kg最小壁厚/mm铸件表面粗糙 度Ra/μm铸件尺寸精 度等级CT最小批量 /件1砂型铸造不限不限312.5~1008~10不限2壳型铸造不限<5031.6~506~910003熔模铸造不限<251.50.8~12.55~710004金属型铸造不限中、小件3(铝)5（铁）3.2~1007~910005低压铸造非铁合金中、小件23.2~1005~810006压力铸造非铁合金小件2（铜）0.5~1.0(其他)0.4~25(铝)0.2~25(镁)4~810007离心铸造不限管件、套筒类不限3.2~100—10089陶瓷型铸造连续铸造钢、铁不限中、大件坯料或型材不限41.6~12.512.5~1006~8—5600010真空铸造不限小件不限－—100011挤压铸造不限<2561.6~507~9100012消失模铸造不限不限不限3.2~1007~9不限各种铸造方法应用范围铸件基本尺寸/mm铸件公差等级CT1234567891011121314151610——0.200.280.380.540.781.11.62.23.04.4————100——0.300.440.620.881.21.82.53.65.0710121620400———0.640.901.21.82.63.65710141822284000————————7.010142028354456一些铸件基本尺寸的公差等级（CT-CastingTolerances）

（单位：mm）*此表为一些铸件基本尺寸所对应的公差等级举例，详细内容见国家标准GB6414-1986。复习铁碳平衡相图铸铁的组织铸铁的熔炼灰铸铁A型石墨D型石墨E型石墨石墨分布形状分类A)型B)型C)型石墨化铸铁按稳定系结晶，析出石墨的过程称为石墨化过程共晶反应阶段析出石墨过程称为一次石墨化共析反应阶段析出石墨过程称为二次石墨化灰铸铁的基体组织×500a）铁素体b）珠光体球墨铸铁的组织基体●铁素体●珠光体+铁素体球墨铸铁的结晶球墨晶核奥氏体球状石墨奥氏体球状石墨生核共晶凝固完毕冲天炉熔炼■熔炼原理感应电炉熔炼■原理电能→热能■双联法熔炼铸铁冲天炉----感应电炉

2.2铸造合金的工艺性能

2.2.1铸造合金的充型能力1.铸造合金流动性

流动性是指液态铸造合金本身的流动能力。铸造合金的流动性是合金的重要铸造性能之一，并且与合金的化学成分、温度、杂质含量及其它物理性质有关。充型能力流动性与液态金属的充型能力是两个不同的概念。充型能力是液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰健全铸件的能力。充型能力的好与差，首先取决于铸造合金的流动性，同时又受到外界条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映，要注意两者的差别。铸造合金流动性的测试影响铸造合金流动性的因素1.合金的化学成分及结晶特点的影响金属在结晶状态下流动（a)纯金属(b）结晶温度范围宽的合金Fe-C合金状态图Fe-C合金流动性与状态图的关系铸铁流动性纯铁的流动性比较好；亚共晶成分的铸铁，成分愈接近共晶，流动性就愈好，在共晶成分处流动性最好铸铁种类稀土镁球铁镁球铁球铁原铁液Wc=3％灰铸铁浇注温度/℃螺旋线长度／mm127011071250750128010821295380几种铸铁的流动性比较铸铁中的其他合金元素对流动性的影响（2）合金结晶潜热和晶粒形状的影响在合金的结晶过程中放出潜热愈多，则液态合金保持时间就愈久，流动性就好。但是，结晶潜热对流动性的良好作用是否能充分发挥，则取决于合金的结晶特点。对于纯金属和共晶成分的合金其结晶潜热提高流动性的作用能够比较充分地发挥；而对于结晶温度范围较宽的合金则影响不显著。（3）合金的物理性质对流动性的影响1）合金的热导率（λ），比热容（C）和密度（ρ）对流动性的影响C、ρ较大，λ较小的合金，因其本身含有较多的热量，而热量的散失又较慢，因此，流动性就好；反之，流动性就差。2）合金的表面张力对流动性的影响在相同条件下，一般合金表面张力大的，流动性差；相反，则流动性就好。3）液态合金的粘度对流动性的影响液态合金的粘度与其化学成分、温度及夹杂物的含量和状态等有关。一般粘度愈大，流动性就愈差，而粘度愈小流动性就愈好。 总的来说，流动性好的合金在多数情况下其充型能力都较强；流动性差的合金其充型能力较差，但也可以通过改善其它条件来提高充型能力（如提高熔炼质量、浇注温度和浇注速度，改善铸型条件及铸件结构等），以获得健全铸件。结晶晶粒的形状对流动性的影响在固定温度下结晶的三种Al－Cu合金：中间化合物AlCu（Wcu—54％）、Al＋AlCu共晶（Wcu—33％）和纯Al（WAl＝100％）。由于前两种合金形成球状及规则形状的晶粒，其流动性就比形成树枝状晶粒的纯铝好。3.影响合金充型能力的其他因素

(1)铸型性质方面除了合金熔体本身的流动性之外，铸型性质方面的因素对金属液的充型能力有重要的影响。1）铸型的蓄热系数；2）铸型的温度；3）铸型中的气体：1）浇注温度：2）充型压头：3）浇注系统的结构：浇注系统的结构趋复杂，流动阻力越大，在静压头相同的情况下，充型能力越低。(2)浇注条件方面(3)铸件结构方面1）模数模数大的铸件，由于与铸型的接触表面积相对较小，热量散失比较缓慢，则充型能力较高、铸件的壁越薄，模数越小，则越不容易被充满。2）铸件的复杂程度：铸件结构复杂，则型腔结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就困难。2.2.2铸造合金的收缩性及 缩孔、缩松的形成1.铸造合金的收缩性液态合金当温度下降,而由液态转变为固态时，因为金属原子由近程有序逐渐转变为远程有序，以及空穴的减少或消失，一般都会发生体积减小。液态合金凝固后，随温度的继续下降，原子间的距离还要缩短，体积也进一步减小。铸造合金在液态、凝固态和固态冷却的过程中，由于温度的降低而发生的体积减小现象，称为铸造合金的收缩性。铸件的收缩缺陷——缩孔、缩松、热裂、应力、变形和裂纹等体收缩——铸造合金由液态到常温的收缩。长度改变量来表示合金在固态时的收缩，称为线收缩。在设计和制造模样时，线收缩更有意义。矩形铸件体积亏损

Ⅰ）型腔容积，即金属液原 始体积V原始

V原始＝S×S×H

Ⅱ）常温下铸件假想轮廓外 形体积V假

V假＝S’×S’×h

Ⅲ）铸件轮廓体积亏损V亏

V亏＝v原始一V假

Ⅳ）常温下铸件轮廓外形体 积V轮廓。

1一外缩孔2一内缩孔3一缩松4一缩陷缩陷容积＝V假－V轮廓合金的收缩经历三个相互联系的阶段：液态收缩阶段（I）；凝固收缩阶段（Ⅱ）；固态收缩阶段（Ⅲ）。a)合金状态图b）具有结晶温度范围合金（m成分）的收缩过程c）共晶合金（n成分）的收缩过程（1）液态收缩当液态合金从浇注温度t浇冷却至开始凝固的液相线温度t液时的收缩，由于合金是处于液体状态，故称其为液态收缩，表现为型腔内液面的降低。

液态收缩率εv液可用下式表示：εV液=αv液（t浇－t液）X100％（2）凝固收缩对于具有一定结晶温度范围的合金，由液态t液转变为固态t固时，由于合金处于凝固状态，故称为凝固收缩。这类合金的凝固体收缩率主要包括温度降低（与合金的结晶范围有关）和状态改变（状态改变时的体积变化）两部分。金属种类FeAlMgCuCoZnAgSnPbSbBiαV液4.06．244．834．84．84．444．352．792．69-0．93-3．1液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因

各种纯金属的凝固体收缩率（%）（3）固态收缩当铸造合金从固相线温度t固冷到室温t室时的收缩，由于合金处于固体状态，故称为固态收缩。其固态收缩率表示如下：εV固=αv固（t固－t室）X100%但在实际生产中，由于固态收缩往往表现为铸件外形尺寸的减小，因此，一般采用线收缩率来表示：εL＝αL（t固－t室）X100％合金类别收缩率（％）合金类别收缩率（％）自由收缩受阻收缩自由收缩受阻收缩灰铸铁：中小型与小型件中、大型铸件圆筒形件：长度方向直径方向孕育铸铁可锻铸铁球墨铸铁白口铸铁1.00.90.90.71.0-1.50.75-1.01.01.751.90.80.80.50.8-1.00.5-0.750.81.5铸造碳钢和低合金钢含铬高合金钢铸造铝硅合金铸造铝镁合金铝铜合金(wCu＝7％～18％）锡青铜锌黄铜1．6—2．01.3-1.71.0-1.21.31.61.41.8-2.01．3—l．71.0-1.40.8-1.01.01.41.21.5-1.7铸件的铸造收缩率不仅与所用合金的因素有关，而且还与铸型工艺特点、铸件结构形状以及合金在熔炼过程中溶解的气体量等因素有关。合金类别收缩率 （％）合金类别收缩率（％）自由收缩受阻收缩自由收缩受阻收 缩灰铸铁：中小型与小型件中、大型铸件圆筒形件：长度方向直径方向孕育铸铁可锻铸铁球墨铸铁白口铸铁1.00.90.90.71.0-1.50.75-1.01.01.751.90.80.80.50.8-1.00.5-0.750.81.5铸造碳钢和低合金钢含铬高合金钢铸造铝硅合金铸造铝镁合金铝铜合金(w＝7

Cu％～18％）锡青铜锌黄铜1．6—2．01.3-1.71.0-1.21.31.61.41.8-2.01.3—l.71.0-1.40.8-1.01.01.41.21.5-1.7常用铸造合金的铸件线收缩率缩孔、缩松铸件在冷却和凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的地方出现孔洞。容积大而且比较集中的孔洞称为缩孔；细小而且分散的孔洞称为缩松。缩孔的形状不规则，表面粗糙，可以看到发达的树枝晶末梢，故可以明显地与气孔区别开来。 缩孔和缩松是铸件中常见的缺陷之一，因此，在生产中必须设法防止。铸件中缩孔形成过程示意图合金成分与缩孔、缩松形成的关系

定向凝固的合金倾向于产生集中缩孔； 糊状凝固的合金倾向于产生缩松.合金的不同凝固特性碳素钢金属液凝固时，结晶从铸型型壁开始，外生晶粒群体形成的凝固前沿是光滑的。凝固前沿向集中在铸件中心部的液相逐层推进，当相互面向的凝固前沿在铸件中心会合时，凝固告终。凝固开始形成的外生壳承载能力高，凝固时液相补缩通道畅通，铸件接受补缩（受补）能力高。这种凝固有光滑的凝固前沿，是外生壳状凝固方式。灰口铸铁液态金属及有色金属（例

如铝合金）液凝固晶粒在金属液内部形核、长大。但在铸型型壁处的晶粒由于热量能迅速传出，故形核、长大速度快，结晶得快形成固体外壳，有粗糙的凝固前沿，故称为内生壳状凝固。球墨铸铁的凝固属于糊状凝固方式。金属液凝固时，按内生生长方式结晶，等轴晶晶粒或晶粒集合体（共晶晶粒、共晶团）在型腔金属液整个容积内生长。晶粒大小是靠近型壁的细些，在铸件中心的粗些，但布满于整个熔液中，此时固相与液相的混合体犹如糊粥，故称之为糊状凝固方式。(4)影响缩孔、缩松大小的因素及防

止措施铸造合金的液态收缩愈大，则缩孔形成的倾向愈大；合金的结晶温度范围愈宽，凝固收缩愈大，则缩松形成的倾向愈大。凡能促使合金减小液态和凝固期间收缩的工艺措施（如调整化学成分，降低浇注温度和减慢浇注速度，增加铸型的激冷能力，增加在凝固过程中的补缩能力，对于灰口铸铁可促进凝固期间的石墨化等），都能有利于减小缩孔和缩松的形成。铸件的凝固方式要使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，主要是通过控制铸件的凝固方式（采用设置冒口和冷铁配合）使之符合于“定向凝固原则”、“同时凝固原则”或“均衡凝固”。1）顺序凝固：铸件的顺序凝固原则，是采用各种措施保证铸件结构上各部分，按照远离冒口的部分最先凝固，然后是靠近冒口部分，最后才是冒日本身凝固的次序进行，也即在铸件上远离冒口或浇道的部分到冒口或浇道之间建立一个递增的温度梯度。2）同时凝固：同时凝固原则，是采取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差很小．使各部分同时凝固。（3）均衡凝固：铸铁（灰铸铁和球墨铸铁）液态冷却时要产生体积收缩，凝固时析出石墨又产生体积膨胀。均衡凝固是利用膨胀和收缩动态叠加的自补缩和浇冒口系统的外部补缩，采取工艺措施，使单位时间的收缩与膨胀、收缩与补缩按比例进行的一种凝固工艺原则。2.2.3铸造应力、变形与裂纹1.铸造应力

铸件在凝固以后的冷却过程中，由于温度下降而产生收缩，有些合金还会发生固态相变而引起膨胀或收缩，这些都使铸件的体积和长度发生变化，若这些变化受到阻碍（热阻碍、外力阻碍等），便会在铸件中产生应力，称为铸造应力。铸造应力的种类铸造应力按其产生的原因可分为三种：热应力、相变应力和收缩应力临时应力：产生应力的原因消除以后，应力即告消失；剩余（残余）应力：产生应力的原因消除以后，应力依然存在于铸件中。在铸件冷却过程中，两种应力可能同时起作用，冷却至常温并落砂以后，只有剩余应力对铸件质量有影响。(1)热应力热应力是铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。影响热应力大小的因素如下:1)铸件中热应力的大小与合金的弹性模量E成正比，E值愈大，热应力也愈大。如铸钢和球墨铸铁的热应力就比灰铸铁大。2）合金的线收缩（膨胀）系数a愈大，则热应力也愈大。3）铸件的壁厚差愈大，冷却时厚薄两部分温差也就愈大；合金的导热性能较小，温差’(‘就愈大（如合金钢就比碳钢的导热性能差）；铸型的蓄热系数愈大，或降低浇注温度，铸件的冷却速度就愈快，引起的温差也就愈大，产生的热应力也增大；相反，产生热应力就愈小。(2)相变应力铸件由于固态相变，各部分体积发生不均衡变化而引起的应力。如铸铁的共折转变，由奥氏体转变为珠光体或铁素体加石墨，及钢的共折转变，都会使铸件的体积膨胀。相变应力的方向可能与热应力方向相同，也可能相反，前者使应力叠加，加剧应力对铸件质量的不利影响，后者则减轻其不利影响。相变应力可以是临时应力，也可能是剩余应力。(3)收缩应力铸件固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱带等外力的阻碍而产生的应力称为收缩应力。收缩应力通常表现为拉应力和压应力。铸件落砂后形成应力的原因即消除，应力也随之基本消失。因此，收缩应力是一种临时应力。但若在落砂前与剩余应力方向相同时，两种应力相互叠加，有时会使铸件产生冷裂。若与剩余应力方向相反，则可相互抵消。铸造应力是热应力、相变应力和收缩应力三者的矢量和。在不同情况下，三种应力有时相互抵消，有时相互叠加；有时是临时的，有时是剩余的。但在实际生产中，对于不同形状的铸件，其铸造应力的大小分布是十分复杂的。铸件部位热应力相变应力机械阻碍应力共折转变石墨析出落砂前落砂后厚处或中心处十－－十0（或十）薄处或外层处－十十十0（或十）铸件中各种应力与产生部位的关系注：表中“＋”表示受拉应力，“－”表示受压应力。(4)减小和消除铸造应力的方法1）采取各种措施减小铸件冷却过程中各部分的温差，以及改善铸型和型芯的退让性。具体方法如下：a.工艺上采取冒口、冷铁配合使用，加快厚大部分的冷却，尽量让铸件形成同时凝固；在满足使用要求的前提下，减小铸件的壁厚差，分散或减小热节；提高铸型温度，以减小各部分的温差，此法广泛用于金属型和熔模铸造。。b.控制合适的型、芯紧实度，加入退让性比较好的材料（如木屑等）铸件提早打箱或松砂，以减小收缩时的阻力等措施。c.在满足铸件使用性能的前提下，选择弹性模量E和收缩系数α小的铸造合金2）消除铸造应力的方法a.人工时效这种方法是将铸件重新加热到合金的临界温度tK以上，即使铸件处于塑性状态的温度范围。在此温度下保温一定时间，使铸件各部分的温度均匀，让应力充分消失，然后随炉缓慢冷却以免重新形成新的应力，通常将此法称为人工时效（也叫热时效、消除内应力退火等）。这种方法的优点是：去除应力彻底、周期短、占地少，生产中广泛应用；其缺点是燃料消耗大、易产生氧化皮和尺寸变化、费用较高。b.自然时效此法是将具有残余应力的铸件露天放置数个月乃至一年，随着长时间及自然温度的变化，使铸件发生非常缓慢的变形，从而使剩余应力消除。c.振动时效这种方法是将铸件在共振条件下（振动频率在400～6000Hz）振动10—60min，以达到消除剩余应力的目的。2(5)铸造应力大小的测定

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σ—铸造应力 e1-e2—