材料成型技术基础1

材料成型技术基础

BasicKnowledgeaboutTechnologiestoShapetheMaterial东华大学机械学院丁浩机械学院楼3059Tel:67792584Introduction1.Howtoshape?massincreasemassdecreasemassformationCastingPlasticformingFabricationbyjoiningMachiningPowdermetallurgyRapidprototypeMainshapingtechnologies2.AboutThisCurriculumTechnologyBasicCourse以研究常用工程材料及机器零件的成型工艺原理为主的综合性基础课涉及的课程知识：材料学、传热学、力学、冶金学、机械制图MainTopicsinThisCurriculum铸造Foundry压力加工MechanicalWorking焊接WeldingFabrication3.Howtostudy?课程要求掌握各种成型技术的基本原理熟悉各种成型工艺的特点及其主要应用熟悉零件成型的结构工艺性掌握常用金属的工艺性能以及影响因素成绩评定平时成绩占30%闭卷考试占70%教学方法授课：必须认真听，记笔记作业：独立、按时完成自学：认真对待录像：开阔视野实验学习方法重视各个教学环节重视实践环节培养总结知识能力培养分析解决问题能力4.主要参考书References沈其文主编《材料成型工艺基础》，华中理工大学出版社，1999.9

李遇昌等主编《热加工工艺》，成都科技大学出版社，1989.6[美]E.PaulDeGarmoMaterialsandProcessesinManufacturing—机械制造工艺及材料，机械工业出版社，1985只是参考，主要教材第二篇铸造Foundry什么叫铸造Casting？(p33)Theproductionofshapedarticlesbypouringmoltenmetalintothemould铸造方法砂型铸造sandcasting特种铸造熔模铸造investmentcasting金属型铸造permanentmouldcasting压力铸造diecasting低压铸造low-pressurecasting离心铸造centrifugalcastingspinningcasting铸造生产的特点及局限广泛wide-ranging精度相对较高Precision、便宜LowCost铸造的局限性铸造的特点形状：复杂、特别是内腔复杂的零件Especiallyfortheproductionofarticleswithcomplicateshapeandstructure例如：机箱、阀体、汽缸等

各种材料

Suitforalmostallkindsofalloy

大小：g~t

castingweight:fromseveralgramstotons

批量：单件~大量材料力学性能比锻件低Structureandproperty容易产生铸造缺陷劳动条件差第一章铸造工艺基础

TheBasicKnowledge铸造性能获得好铸件（PerfectCasting）的难易程度形状完整：Shapeisproperlyformed

内部质量好：Internallysound

没有缺陷：Freefromdefects取决于：充型、凝固、冷却、结晶Dependonliquidmetal,flowpropertyunderfoundrycondition,solidificationprocess,coolingprocess§1液态合金的充型

TheMouldFillingofLiquidAlloy充型能力mouldfillingcapacity(p34)液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力形状不完整、轮廓不清晰产生缺陷问：影响铸件充型的因素有哪些？浇不足ShortRun冷隔ColdShut充型能力差合金本质：流动性环境条件：浇注、充型工件结构：结构工艺性1.合金的流动性FluidityCastability1)合金的流动性的概念合金本身流动的能力；粘度viscosity流动性好容易浇铸出轮廓清晰、薄而复杂的铸件气体、夹杂上浮与排除补缩流动性差薄壁铸件：浇不足复杂铸件：冷隔2)合金流动性测量螺旋型试样法：用浇注后试样的长度来表示1—试样铸件2—浇口3—冒口4—试样凸点流道长：1.5mP34,fig2-1

3)影响合金的流动性的主要因素

variablesinfluencingfluidity成分composition:固液二相区间距越大，流动性越差纯金属及共晶点成分合金流动性好，后者的熔点更低，流动性更好。铁碳合金流动性与含碳量关系p35,fig2-2freezingrang凝固区间,凝固范围2.影响液态合金充型的其它因素1）温度：合金T↑，流动性好，充型容易温度取决于浇注温度、铸型温度和铸型材料预热：铸型温度↑金属型铸造，压力铸造，熔模铸造铸型材料：蓄热系数↑干砂型，湿砂型。石英砂，刚玉，锆砂浇注温度T↑，流动性好，充型能力强浇注温度Pouringtemperature不能过高，why？熔炼温度高，吸气增加，气孔收缩增加，缩孔、缩松凝固速度降低，粗晶易产生粘砂温度2)充型压力：静压头；低压铸造；离心铸造3)铸型中的气体：排气口，真空浇注§2铸件的凝固与收缩FreezingandShrinkage1.铸件的三种凝固方式thewidenessofpastezoneP36图2-3逐层凝固Freezinglayerbylayer糊状凝固Pastefreezing中间凝固Middlefreezing液态收缩和凝固收缩得不到补偿，将产生缩孔或缩松Noted:凝固方式(thewidenessofpastezone)取决于合金的成分：freezingrang凝固区间,凝固范围温度梯度temperaturegradient

凝固方式决定了合金的补缩性能feedingcharacters

倾向于逐层凝固的合金（灰口铸铁，近共晶点铝硅合金）补缩性能好、铸件致密度高、不容易产生缩松倾向于糊状凝固的合金：锡青铜，铝青铜，球墨铸铁补缩性能差、铸件致密度不高、不容易产生缩松2.铸造合金的收缩

ShrinkageoftheCastingAlloys

合金从浇注、凝固、直至冷却到室温，其体积和尺寸缩减现象（p36）铸钢＞白口铸铁＞灰口铸铁(p37表2-1)液态收缩和凝固收缩得不到补偿，将产生缩孔或缩松液态收缩liquidContraction体收缩凝固收缩freezingcontraction体收缩固态收缩solidcontraction

线收缩3.铸件中的缩孔和缩松3.1缩孔与缩松的形成缩孔（又称集中缩孔）Shrinkagevoid由于凝固收缩得不到补偿，在最后凝固部位或者热节处(thermalcenter)，形成容积较大的孔洞TheformationofShrinkageVoid

p37Fig.2-4缩松（又称分散缩孔）Porosity由于凝固收缩得不到补偿，在铸件一定区域内，形成分散的小缩孔宏观缩松—肉眼可见分布在铸件心轴线处或缩孔下方微观缩松—在显微镜下可见缩松影响铸件的气密性和力学性能左P38Fig.2-5

TheformationofShrinkageVoidandPorosity3.2缩孔和缩松倾向

缩孔、缩松倾向取决于合金的收缩和补缩能力

合金的收缩包括液态收缩和凝固收缩合金的凝固区间（凝固温度范围）:freezingrang

铸钢〉白口铸铁〉灰口铸铁球墨铸铁、锡青铜易形成缩松浇注温度铸件的补缩性能：凝固方式，补缩条件凝固方式与凝固区间和温度梯度有关逐层凝固的合金补缩性能好，不容易产生缩松糊状凝固的合金补缩性能差，容易产生缩松

压力下凝固，可以防止缩松3.3缩孔和缩松的防止选用缩孔和缩松倾向小的合金:共晶合金

eutecticalloy

对于缩孔：用冒口(riser)补缩采用顺序凝固progressivesolidification原则顺序凝固（定向凝固）：在铸件厚大部位安放冒口，铸件远离冒口处先凝固，靠近冒口处后凝固，最后冒口本身凝固。注意：冷铁本身没有补缩作用，但可以加快该处铸件的冷却速度，与冒口一起使用，实现顺序凝固如何避免缩松？对于倾向粥状凝固的合金,例如锡青铜,缩松很难避免一般采用同时凝固的原则避免局部产生较大尺寸的缩松不管壁厚如何，同时一起收缩要求更高，采用金属型离心铸造也可以采用压力铸造，液态模锻等工艺§3铸造内应力、变形和裂纹

InternalStress,DeformationandCrack1.铸造应力铸件冷却，固态收缩受阻碍，在铸件内部产生的应力得不到释放，形成残余内应力超过屈服极限，产生变形超过断裂极限，形成裂纹形成方式：热应力、机械应力、相变应力热应力：铸件各部分冷却速度不同，收缩过程不一致造成的应力相变应力：铸件各部分相变时间不一致而产生的应力有时形成残留应力，有时为临时应力机械应力：铸件受到机械阻碍而产生的应力一般不形成残留应力P39图2-8铸件中厚的部分最后冷却，总是受拉应力，薄的部分受压应力;热应力形成残留应力热应力的预防：采用同时凝固的方法（很少用）、合理结构内应力的消除：自然时效、人工时效热应力的形成FormationofThermalStress2.铸件的变形与防止CastDistortionandtheSolution铸造应力超过材料的屈服极限，铸件将产生塑性变形机架的变形T型型材的变形预防铸件变形的措施设计时：铸件结构的壁厚均匀，形状对称采用反变形法：在模型上预先加一个反变形量采用同时凝固，但须考虑到缩孔同时凝固主要适用于灰铸铁和锡青铜，why?p40,fig2-93.铸件的裂纹与防止CrackingandPrevention铸造应力超过材料的断裂极限，铸件将产生裂纹热裂纹（晶间、高温、凝固裂纹）hottearing宽，曲折，氧化色冷裂纹（低温裂纹）coldcrack：细，直，轻微氧化色防止裂纹措施选用裂纹倾向小的合金热裂倾向：凝固区间solidificationrang和钢中的S冷裂倾向：塑性plastic和钢中的P

铸件的结构：避免热节、应力集中stressconcentration

铸型的退让性p40,fig2-10第二章常用合金铸件的生产

TypicalCastAlloys§1铸铁件生产灰铸铁GrayCastIron1.1灰铸铁的组织性能特点灰铸铁的组织铸造性能好，成本低、应用广泛，产量高常用铸造合金的组织、性能以及铸件的生产特点基体+片状石墨G：片状（特点）3基体类:F，P，F+P灰铸铁的性能特点力学性能差，脆性材料流动性好缩孔缩松倾向小热裂、冷裂倾向低优良的减震性优良的减摩性灰铸铁的铸造性能好强度、硬度低，塑、韧性几乎为0由于G片尖端相当于裂纹，造成应力集中灰铸铁的理想组织是什么？基体：P石墨：细小、均匀1.2影响铸铁组织和性能的因素化学成分C,Si,Mn,S,P碳、硅→碳当量C.E=C%+0.3Si%Ⅰ—白口铸铁，Ⅱa—麻口铸铁，Ⅱ—珠光体灰口铸铁Ⅱb—珠光体—铁素体灰口铸铁，Ⅲ—铁素体灰口铸铁问题：1.获得高牌号灰口铸铁而不产生麻口2.铸件壁厚不一致，但性能均匀

冷却速度1.3孕育处理Inoculation定义将孕育剂（75硅铁）0.25-0.6%加入到低碳、低硅(2.7-3.3%C,1-2%Si)的铁水中，搅拌后浇注，以获得细小且分布均匀石墨的灰铸铁件处理工艺孕育铸铁InoculatedCastIron组织：细小、均匀的G+P基体性能特点强度、硬度高冷速对组织和性能的影响小灰铸铁牌号HT100——HT3502.可锻铸铁MalleableCastIron

什么叫可锻铸铁？性能特点：有一定的塑性、韧性，不可锻造可锻铸铁的生产过程白口铸铁→高温退火→石墨呈团絮状成分：低碳、低硅；2.4～2.8%C，0.4～1.4%Si

适用范围：中压阀门形状复杂的薄壁小件：大件容易产生麻口受一定冲击的零件大批量生产:单件成本高牌号KTH300-063.球墨铸铁SpheroidCastIron

3.1组织、性能特点及牌号QT700-2

性能好制造曲轴、连杆：疲劳性能高组织：球状G+基体球化剂：稀土镁合金孕育剂：75%硅铁目的：促进石墨化，防止球化剂造成的白口倾向P49,fig2-17冲入法球化处理3.2生产关键

熔炼成分：高碳（3.6～4%C），低P、低S

温度：1420℃球化处理、孕育处理F，P，B，F+P，A-B4.蠕墨铸铁铸型工艺增加铸型刚度用干型防止皮下气孔浇注系统，挡渣热处理：基体改善蠕虫状G+基体；力学性能介于灰铁与球铁之间优异的耐热疲劳性球墨铸铁易产生缩孔、缩松、皮下气孔、夹渣等缺陷§2铸钢件生产ProductionofCastSteelElement

1.铸钢牌号及成分牌号：ZG270-500p51Table2-6

成分特点：中碳

0.25～0.45%Cwhy?

含碳量过低→熔点高，流动性差，易粘砂，气孔多；含碳量过高→熔点虽低，但塑性差，易冷裂铸钢的特点熔点高，易氧化、吸气铸造性能差流动性差、收缩大(缩孔缩松倾向大)、热裂倾向大电炉熔炼防止粘砂，用涂料气孔，干型，水玻璃型浇不足，开放式浇注系统缩孔缩松，顺序凝固，冒口补缩裂纹，退让性糖浆木屑§3铜、铝合金铸件生产熔化设备：坩埚炉铜合金的氧化问题（形成CuO2）→加覆盖剂铝合金的吸氢问题→加氯化锌（ZnCl2）、六氯乙烷（C2Cl6）或加Cl2第三章砂型铸造Sandcasting用型砂紧实成型的铸造方法称为砂型铸造砂型铸造是应用最广泛的一种铸造方法可追溯到公元前3000～4000年砂型铸造工艺流程合适的铸造合金正确的熔炼和浇注合理的铸型工艺获得健全的铸件砂型铸造的铸型工艺主要体现在铸造工艺图和铸型装配图铸造工艺图定义：用工艺符号和参数，表示铸造工艺方案的图形一般直接画在零件图上作用：指导模型（芯盒）设计，生产准备，铸型制造作为铸件检验依据选择造型方法后，就开始制定铸型工艺砂型铸造概略图铸型工艺实线：分型面；文字、箭头：铸