材料成型技術基礎

材料成型技術基礎BasicTechnologiestoShapetheMaterials東華大學機械學院丁浩Address:機械學院樓3057E-mail:dinghao@

Tel:67792584ntroduction

1.Howtoshape?massincrease:Rapidprototypemassdecrease:MachiningmassformationCastingPlasticformingFabricationbyjoiningPowdermetallurgy2.AboutThisCurriculumTechnologyBasicCourse以研究常用工程材料及機器零件的成型工藝原理為主的綜合性基礎課涉及的課程知識：材料學、傳熱學、力學、冶金學、機械制圖MainTopicsinThisCurriculum鑄造Foundry壓力加工MechanicalWorking焊接WeldingFabrication3.Howtostudy?課程要求掌握各種成型技術的基本原理熟悉各種成型工藝的特點及其主要應用熟悉零件成型的結構工藝性掌握常用金屬的工藝性能以及影響因素成績評定平時成績占30%閉卷考試占70%教學方法授課：必須認真聽，記筆記作業(yè)：獨立、按時完成自學：認真對待錄像：開闊視野,

取消實驗學習方法重視各個教學環(huán)節(jié)重視實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)總結知識能力培養(yǎng)分析解決問題能力4.主要參考書References沈其文主編《材料成型工藝基礎》，華中理工大學出版社，1999.9

李遇昌等主編《熱加工工藝》，成都科技大學出版社，1989.6[美]E.PaulDeGarmoMaterialsandProcessesinManufacturing—機械制造工藝及材料，機械工業(yè)出版社，1985只是參考，主要教材第二篇鑄造Foundry什么叫鑄造Casting？(p33)Theproductionofshapedarticlesbypouringmoltenmetalintothemould廣泛wide-ranging精度相對較高Precision、便宜LowCost鑄造生產(chǎn)的特點形狀：復雜、特別是內(nèi)腔復雜的零件Especiallyfortheproductionofarticleswithcomplicateshapeandstructure例如：機箱、閥體、汽缸等

各種材料

Suitforalmostallkindsofalloy

大?。篻~t

castingweight:fromseveralgramstotons

批量：單件~大量鑄造的局限性材料力學性能比鍛件低Structureandproperty容易產(chǎn)生鑄造缺陷勞動條件差砂型鑄造sandcasting特種鑄造熔模鑄造investmentcasting金屬型鑄造permanentmouldcasting壓力鑄造diecasting低壓鑄造low-pressurecasting離心鑄造centrifugalcastingspinningcasting鑄造方法第一章鑄造工藝基礎

TheBasicKnowledge鑄造性能:獲得好鑄件（PerfectCasting）的難易程度形狀完整：Shapeisproperlyformed

內(nèi)部質(zhì)量好：Internallysound

沒有缺陷：Freefromdefects取決于：充型、凝固(結晶)、冷卻Dependonliquidmetal,flowpropertyunderfoundrycondition,solidificationprocess,coolingprocess§1液態(tài)合金的充型

TheMouldFillingofLiquidAlloy充型能力mouldfillingcapacity(p34)液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力形狀不完整、輪廓不清晰產(chǎn)生缺陷問：影響鑄件充型的因素有哪些？澆不足ShortRun冷隔ColdShut充型能力差合金本質(zhì)：流動性環(huán)境條件：澆注、充型工件結構：結構工藝性1.合金的流動性FluidityCastability1)合金的流動性的概念合金本身流動的能力；粘度viscosity流動性好容易澆鑄出輪廓清晰、薄而復雜的鑄件氣體、夾雜上浮與排除補縮流動性差薄壁鑄件：澆不足復雜鑄件：冷隔2)合金流動性測量1—試樣鑄件2—澆口3—冒口4—試樣凸點流道長：1.5mP34,fig2-1螺旋型試樣法：用澆注后試樣的長度來表示流動性越好，所澆出的試樣越長灰鑄鐵、硅黃銅流動性好鑄鋼流動性差3)影響合金的流動性的主要因素

variablesinfluencingfluidity成分composition:固液二相區(qū)間距越大，流動性越差freezingrang凝固區(qū)間,凝固范圍純金屬及共晶點成分合金流動性好后者的熔點更低，流動性更好。鐵碳合金流動性與含碳量關系p35,fig2-22.影響液態(tài)合金充型的環(huán)境因素1）澆注條件澆注溫度Pouringtemperature：過熱度澆注溫度↑→過熱度↑→流動能力↑→充型容易澆注溫度不能過高，why？熔煉溫度↑→

吸氣↑→氣孔過熱度↑→收縮增加↑→縮孔、縮松凝固速度降低↓

→粗晶易產(chǎn)生粘砂溫度充型壓力：靜壓頭；低壓鑄造；離心鑄造2）鑄型充填條件鑄型溫度和鑄型材料預熱：鑄型溫度↑金屬型鑄造，壓力鑄造，熔模鑄造鑄型材料：蓄熱系數(shù)↑干砂型，濕砂型。石英砂，剛玉，鋯砂鑄型中的氣體：排氣口，真空澆注§2鑄件的凝固與收縮FreezingandShrinkage1.鑄造合金的收縮ShrinkageoftheCastingAlloys

合金從澆注、凝固、直至冷卻到室溫,其體積和尺寸縮減現(xiàn)象鑄鋼＞白口鑄鐵＞灰口鑄鐵(p37表2-1)液態(tài)收縮和凝固收縮得不到補償，將產(chǎn)生縮孔或縮松液態(tài)收縮liquidContraction體收縮凝固收縮freezingcontraction體收縮固態(tài)收縮solidcontraction線收縮2.鑄件的三種凝固方式thewidenessofpastezoneP36圖2-3逐層凝固Freezinglayerbylayer糊狀凝固Pastefreezing中間凝固MiddlefreezingNoted:凝固方式(thewidenessofpastezone)取決于合金的成分：freezingrang凝固區(qū)間,凝固范圍溫度梯度temperaturegradient

凝固方式?jīng)Q定了合金的補縮性能feedingcharacters

傾向于逐層凝固的合金（灰口鑄鐵，近共晶點鋁硅合金）補縮性能好、鑄件致密度高、不容易產(chǎn)生縮松傾向于糊狀凝固的合金：錫青銅，鋁青銅，球墨鑄鐵補縮性能差、鑄件致密度不高、容易產(chǎn)生縮松3.鑄件中的縮孔和縮松縮孔（又稱集中縮孔）Shrinkagevoid由于凝固收縮得不到補償，在最后凝固部位或者熱節(jié)處(thermalcenter)，形成容積較大的孔洞TheformationofShrinkageVoidp37Fig.2-4由于凝固收縮得不到補償，在鑄件一定區(qū)域內(nèi)，形成分散的小縮孔宏觀縮松—肉眼可見分布在鑄件心軸線處或縮孔下方微觀縮松—在顯微鏡下可見縮松影響鑄件的氣密性和力學性能左P38Fig.2-5

TheformationofShrinkageVoidandPorosity縮松（又稱分散縮孔）Porosity4.縮孔和縮松的防止

選用縮孔和縮松傾向小的合金凝固溫度范圍窄的合金(純金屬、共晶合金eutecticalloy)縮孔、縮松傾向取決于合金的收縮和補縮能力合金的收縮包括液態(tài)收縮和凝固收縮合金的凝固區(qū)間（凝固溫度范圍）:freezingrang

鑄鋼〉白口鑄鐵〉灰口鑄鐵;球墨鑄鐵、錫青銅易形成縮松澆注溫度:溫度↑→液態(tài)收縮↑鑄件的補縮性能：凝固方式，補縮條件凝固方式與凝固區(qū)間和溫度梯度有關逐層凝固的合金補縮性能好，不容易產(chǎn)生縮松糊狀凝固的合金補縮性能差，容易產(chǎn)生縮松壓力下凝固，可以防止縮松防止縮孔的工藝措施用冒口(riser)補縮，采用順序凝固progressivesolidification原則在鑄件厚大部位安放冒口，鑄件遠離冒口處先凝固，靠近冒口處后凝固，最后冒口本身凝固。如何避免縮松？對于傾向粥狀凝固的合金,例如錫青銅,縮松很難避免冷鐵不補縮,↑冷卻速度冒口補縮，↓冷卻速度→實現(xiàn)順序凝固§3鑄造內(nèi)應力、變形和裂紋

InternalStress,DeformationandCrack1.鑄造應力鑄件冷卻，固態(tài)收縮受阻礙，在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生的應力得不到釋放，形成殘余內(nèi)應力超過屈服極限，產(chǎn)生變形超過斷裂極限，形成裂紋形成方式：熱應力、機械應力、相變應力熱應力：鑄件各部分冷卻速度不同，收縮過程不一致造成的應力相變應力：鑄件各部分相變時間不一致而產(chǎn)生的應力有時形成殘留應力，有時為臨時應力機械應力：鑄件受到機械阻礙而產(chǎn)生的應力一般不形成殘留應力P39圖2-81)熱應力的形成FormationofThermalStress鑄件中厚的部分最后冷卻，總是受拉應力，薄的部分受壓應力熱應力形成殘留應力4）內(nèi)應力的消除：內(nèi)應力不均勻，重新分布，會導致鑄件變形，影響精度自然時效、人工時效2）熱應力的預防FreefromtheThermalStress不管壁厚如何，同時一起收縮P39圖2-9合理結構

同時凝固:很少用p40,fig2-103）機械應力2.鑄件的變形與防止CastDistortionandtheSolution鑄造應力超過材料的屈服極限，鑄件將產(chǎn)生塑性變形機架的變形T型型材的變形預防鑄件變形的措施設計時：鑄件結構的壁厚均勻，形狀對稱采用同時凝固，但須考慮到縮孔同時凝固主要適用于灰鑄鐵和錫青銅，why?p40,fig2-9采用反變形法：在模型上預先加一個反變形量長而易變形的鑄件3.鑄件的裂紋與防止CrackingandPrevention鑄造應力超過材料的斷裂極限，鑄件將產(chǎn)生裂紋熱裂紋（晶間、高溫、凝固裂紋）hottearing寬，曲折，氧化色冷裂紋（低溫裂紋）coldcrack：細，直，輕微氧化色防止裂紋措施選用裂紋傾向小的合金熱裂傾向：凝固區(qū)間solidificationrang和鋼中的SQT,HT??；ZG,KT,ZL大冷裂傾向：塑性plastic和鋼中的P

鑄件的結構：避免熱節(jié)、應力集中stressconcentration

鑄型的退讓性§4鑄件的質(zhì)量控制控制組織性能、形狀尺寸、鑄造缺陷合理選材，合理設計合理制定鑄件技術要求，高低適合嚴格管理和檢驗：工裝，鑄件合理熱處理：力學性能、內(nèi)應力、加工性能第二章常用合金鑄件的生產(chǎn)

TypicalCastAlloys§1鑄鐵件生產(chǎn)灰鑄鐵GrayCastIron1.1灰鑄鐵的組織性能特點灰鑄鐵的組織鑄造性能好，成本低、應用廣泛，產(chǎn)量高常用鑄造合金的組織、性能以及鑄件的生產(chǎn)特點基體+片狀石墨G：片狀（特點）3基體類:F，P，F(xiàn)+P灰鑄鐵的性能特點力學性能差，脆性材料流動性好縮孔縮松傾向小熱裂、冷裂傾向低優(yōu)良的減震性優(yōu)良的減摩性灰鑄鐵的鑄造性能好強度、硬度低，塑、韌性幾乎為0由于G片尖端相當于裂紋，造成應力集中灰鑄鐵的理想組織是什么？基體：P石墨：細小、均勻化學成分C,Si,Mn,S,P碳、硅→碳當量C.E=C%+0.3Si%Ⅰ—白口鑄鐵，Ⅱa—麻口鑄鐵，Ⅱ—珠光體灰口鑄鐵Ⅱb—珠光體—鐵素體灰口鑄鐵，Ⅲ—鐵素體灰口鑄鐵

1.2影響鑄鐵組織和性能的因素1.3孕育處理Inoculation

問題：1.獲得高牌號灰口鑄鐵而不產(chǎn)生麻口2.鑄件壁厚不一致，但性能均勻

冷卻速度灰鑄鐵牌號HT100——HT350P47,table2-3將孕育劑（75硅鐵）0.25-0.6%加入到低碳、低硅(2.7-3.3%C,1-2%Si)的鐵水中，攪拌后澆注，以獲得細小且分布均勻石墨的灰鑄鐵件處理工藝1.4灰鑄鐵牌號孕育鑄鐵InoculatedCastIron組織：細小、均勻的G+P基體P47,table2-3灰鑄鐵牌號HT100——HT350要求：會認強度、硬度高冷速對組織和性能的影響小性能特點2.可鍛鑄鐵MalleableCastIron

什么叫可鍛鑄鐵？可鍛鑄鐵的生產(chǎn)過程白口鑄鐵→高溫退火→石墨呈團絮狀性能特點：有一定的塑性、韌性，不可鍛造成分：低碳、低硅；2.4～2.8%C，0.4～1.4%Si

適用范圍：中壓閥門形狀復雜的薄壁小件：大件容易產(chǎn)生麻口受一定沖擊的零件大批量生產(chǎn):單件成本高牌號KTH300-063.球墨鑄鐵SpheroidCastIron

3.1組織、性能特點及牌號QT700-2

性能好制造曲軸、連桿：疲勞性能高組織：球狀G+基體球化劑：稀土鎂合金孕育劑：75%硅鐵孕育目的：促進石墨化，防止球化劑造成的白口傾向P49,fig2-17沖入法球化處理3.2生產(chǎn)關鍵熔煉成分：高碳（3.6～4%C），低P、低S

溫度：1420℃

球化處理、孕育處理F，P，B，F(xiàn)+P，A-B4.蠕墨鑄鐵鑄型工藝增加鑄型剛度用干型防止皮下氣孔澆注系統(tǒng)，擋渣熱處理：基體改善蠕蟲狀G+基體；力學性能介于灰鐵與球鐵之間優(yōu)異的耐熱疲勞性球墨鑄鐵易產(chǎn)生縮孔、縮松、皮下氣孔、夾渣等缺陷§2鑄鋼件生產(chǎn)

ProductionofCastSteelElement

1.鑄鋼牌號牌號：ZG270-500p51Table2-62.鑄鋼的特點熔點高，易氧化、吸氣鑄造性能差流動性差、收縮大(縮孔縮松傾向大)、熱裂傾向大電爐熔煉防止粘砂，用涂料氣孔，干型，水玻璃型澆不足，開放式澆注系統(tǒng)縮孔縮松，順序凝固，冒口補縮裂紋，退讓性糖漿木屑§3銅、鋁合金鑄件生產(chǎn)熔化設備：坩堝爐銅合金的氧化問題（形成CuO2）→加覆蓋劑鋁合金的吸氫問題→加氯化鋅（ZnCl2

）、六氯乙烷（C2Cl6）或加Cl2第三章砂型鑄造Sandcasting用型砂緊實成型的鑄造方法稱為砂型鑄造砂型鑄造是應用最廣泛的一種鑄造方法可追溯到公元前3000～4000年砂型鑄造概略圖砂型鑄造工藝流程合適的鑄造合金正確的熔煉和澆注合理的鑄型工藝獲得健全的鑄件砂型鑄造的鑄型工藝主要體現(xiàn)在鑄造工藝圖和鑄型裝配圖用造型混合料及模樣等工藝裝備制造鑄型的過程稱為造型手工造型全部用手工或手動工具完成的造型工序手操作靈活、適應性廣、工藝裝備簡單、成本低鑄件質(zhì)量差、生產(chǎn)率低、勞動強度大、技術水平要求高手工造型主要用于單件小批生產(chǎn)特別是重型和形狀復雜的鑄件機器造型用機器全部完成或至少完成緊砂操作的造型工序鑄件尺寸精確、表面質(zhì)量好、加工余量小需要專用設備，投資較大適合大批量生產(chǎn)§1造型方法的選擇手工造型兩箱造型三箱造型地坑造型脫箱造型組芯造型整模造型分模造型挖砂造型假箱造型活塊造型刮板造型機器造型壓實緊實高壓緊實震擊緊實微震緊實拋砂緊實射壓緊實手工造型與機器造型重要區(qū)別震壓緊實手工造型可以用2、3、多箱、地坑機器造型一般2箱手工造型用模樣，機器造型用模板手工造型允許挖砂、活塊機器造型絕不允許鑄造（型）工藝設計確定澆注位置和分型面確定主要工藝參數(shù)澆注系統(tǒng)的設計：確保液態(tài)金屬能夠平穩(wěn)而合理地充滿型腔補縮系統(tǒng)的設計：為消除縮孔和疏松，合理設置冒口、冷鐵等澆注系統(tǒng)的組成BushorbasinDownrunnerrunneringates鑄造工藝圖鑄造工藝圖:用工藝符號和參數(shù)，表示鑄造工藝方案的圖形一般直接畫在零件圖上選擇造型方法后，就開始制定鑄型工藝鑄造工藝圖作用：指導模型（芯盒）設計，生產(chǎn)準備，鑄型制造作為鑄件檢驗依據(jù)鑄造工藝圖的內(nèi)容鑄型工藝實線：分型面；文字、箭頭：鑄件的澆注位置型芯的數(shù)量、形狀、尺寸、固定方法等工藝參數(shù)：加工余量（涂黑），拔模斜度、收縮率（數(shù)字）澆注工藝：澆注系統(tǒng)、冒口、冷鐵§2澆注位置與分型面的選擇

CastingSituationandPartingface1.澆注位置的選擇原則

鑄件的重要加工面應朝下或者側面,why?有數(shù)個重要加工面時，應使較大者處于下部上部組織不致密容易產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等缺陷鑄件的大平面應朝下，防止夾砂型砂受高溫急劇膨脹，強度下降而拱起或開裂

面積較大的薄壁部分,置于下部、處于垂直或傾斜位置防止鑄件薄壁部分澆不足或冷隔缺陷對容易產(chǎn)生縮孔的鑄件，厚的部分放在鑄型的上部或側面以便在鑄件厚壁處直接安置冒口,進行補縮,定向(順序)凝固澆注位置與分型面的選擇實例車床床身卷揚機筒平板澆注時的位置油盤鑄件分型面為鑄型組元間的接合面選擇分型面原則：簡化造型、保證精度、方便裝配簡化造型分型面平直、數(shù)量少：用2箱造型，避免挖砂、假箱

不用、少用型芯和活塊（機器造型，不能使用活塊）保證精度應盡量使鑄件全部或大部置于同一砂箱方便裝配

應盡量使型腔及主要型芯位于下箱使造型、下芯、合箱、檢驗鑄件壁厚，操作方便

下箱不宜過深，并盡量避免吊芯和大的吊砂2.分型面的選擇Fig.2-32支架分型方案Fig.2-31三通分型方案分型面的選擇實例1分型面的選擇實例2圖2-35機床支柱簡化造型:自帶型芯§3工藝參數(shù)的選擇

TechnologicalParameters

(CastingDimensionCriterion)

工藝參數(shù)很多：機械加工余量，最小鑄孔，拔模斜度收縮率，型芯頭的結構和尺寸上述原則一般不能同時被滿足，有時甚至是互相矛盾的對質(zhì)量要求很高的鑄件，應在滿足澆注位置的前提下，再考慮簡化工藝對質(zhì)量要求不高的鑄件，以簡化鑄造工藝為主1.機械加工余量和鑄孔MachiningAllowanceandCastingHole什么叫機械加工余量？P63機械加工余量確定原則：主要考慮經(jīng)濟性生產(chǎn)批量與造型方法大→考慮省料→↑鑄件精度（機器造型）→↓加工余量小→考慮省工（手工造型）→↑加工余量→保證成品率合金種類：決定鑄件精度、表面粗糙鑄件精度高、表面粗糙度低→余量小加工余量：有色金屬<鑄鐵<鑄鋼鑄件大小，加工面與基準的距離、加工面位置等尺寸和距離，絕對誤差加工面在澆注時的位置：上面缺陷多，余量大2.拔模斜度PatternDraft鑄件的工藝結構之一：垂直于分型面?zhèn)缺诘膬A斜度與造型方法、模型材料、立壁高度有關加工表面—結合加工余量直接畫出不加工表面—用文字注明15’～3oforoutsurface3o～10oforinnersurfaceDependon:castingheight,thewaytoproducemould,thepatternmaterial鑄孔：主要考慮能否鑄出，經(jīng)濟性但零件圖上不要求加工孔、槽，無論大小，原則上都要鑄出3.收縮率contractionruler合金冷卻過程中有線收縮模樣的尺寸比鑄件相應放大取決于合金種類和鑄件收縮阻礙情況自由收縮率：灰口鑄鐵0.7～1.0%，鑄鋼1.3～2.0%，鋁硅合金0.8～1.2%，錫青銅1.2～1.4%在畫鑄造工藝圖時不畫，用數(shù)據(jù)標出；模樣：定制的尺（縮尺）4.型芯頭型芯作用？型芯依靠芯頭與型腔定位和固定垂直芯芯頭有斜度。上芯頭6～150，下芯頭為5～100水平芯頭有一定的長度,懸臂芯的芯頭更長芯頭與芯座之間有間隙：1～4mm§4綜合分析舉例examples1.造型方法選擇Howtoproducesandmould2.澆鑄方案Pouringcriterion澆注位置castingsituation澆注系統(tǒng)gatingsystem冒口和冷鐵risersandchills3.鑄型方案Mouldingcriterion分型面partingface、型芯cores4.工藝參數(shù)Dimensioncriterion機加工余量allowanceformachining拔摸斜度draftangle收縮率contractionruler芯頭結構coreprint圖2-38支座圖2-39支座的鑄造工藝圖C6140車床進給箱C6140車床進給箱分型面的選擇進給箱的鑄造工藝圖C6140車床進給箱鑄造工藝第五章鑄件結構設計

StructureDesignoftheCast滿足使用要求前提下，容易加工1.無缺陷

2.性能好3.操作方便鑄件基本工藝結構：1.合理的壁厚2.壁厚均勻過渡3.鑄造圓角4.加強筋5.