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1、材料成型基础材料成型基础讲授：刘玉高电话：13780956831 E-Mail：1 材料成形技术主要研究: 各种成形工艺方法本身的规律性及其 在机械制造中的应用； 各种成形方法的工艺过程和成形件的 结构工艺性。简单说，这门课程是研究获得零件毛坯 的方法。2 机械产品的产生过程大致如下：设计与制造 （1）设计: 图纸 （2）制造: 一般是先用铸造、压力加工、焊接、粉末冶金 等材料成形方法获得毛坯； 然后再经过机械加工来获得合格零件； 而且为了改善零件的机械性能，常要经过热处 理； 最后，将合格零件组合（装配）到一起便得到 所需要的机械产品。3本课程讲授的主要内容: 铸造、压力加工、焊接、毛坯的选
2、择。 前三部分是研究成形工艺的，每一种成形工艺 都包括五方面内容：成形原理、成形方法、工 艺设计、成形件结构工艺性及新技术新发展。 毛坯的选择则主要介绍各类毛坯的特点及应用 场合、毛坯的选择原则。 4学习本课程应达到的 基本要求： 掌握各种毛坯成型工艺的基本原理及工 艺特点； 能够初步设计一般零件的毛坯结构； 具有选择毛坯及工艺分析的初步能力。5参考教材： 热加工工艺基础主编：任福东机械工业出版社 金属工艺学主编：丁德全机械工业出版社61.金属的液态成型71. 金属的液态成型 又称铸造，它是利用液 态金属的流动来获得具有一定尺寸和形状 的铸件的成型方法。 u 其生产过程为：准备铸型（造型）将熔
3、融金属浇入铸 型（浇注）凝固成形落砂清理铸件 892.铸件 铸造成形所得的毛坯或零件。 3.生产特点 （1）成形方便液体的形状 = 容器的形 状 （2）适应性强 （3）成本较低 （4）力学性能特别是冲击性能较低。 104.应用场合（1）形状复杂，具有复杂内腔的毛坯或零件，如发动机机体和缸盖等。（2）尺寸大、重量大的零件，如重型机械零件、机床床身等。（3）力学性能要求不高，或主要承受压应力作用的零件，如各种底座、支架。（4）特殊性能要求的零件，如内燃机主轴瓦为用嵌铸生产的双金属件。115铸造方法（液态成型方法）： 砂型铸造：应用最广泛的铸造方法； 特种铸造：金属型铸造；压力铸造；离心 铸造；熔模
4、铸造；低压铸造； 新型铸造方法：陶瓷型铸造、消失模铸造 、磁型铸造、真空吸铸、连续铸造。121-1 金属液态成型工艺基础13 合金的铸造性能：铸造过程中所表现出来的 工艺性能。包括：氧化性、吸气性、流动性及充型能力、 收缩性和偏析等方面。 良好铸造性能是指： 熔化时合金不易氧化，熔液不易吸收气体； 浇注时合金熔液易充满型腔； 凝固时铸件不易产生缩孔，且成分均匀(无偏析 ） 冷却时铸件不易发生变形和开裂。141金属（合金）的流动性（1）流动性：指熔融金属的流动能力，是 金属的主要铸造性能之一，也是影响充型 能力的主要因素之一，是金属本身固有的 属性。 （2）衡量指标：常用“螺旋形试样”长度来 衡
5、量。15图1-1螺旋形流动性试样 1-模样 2-浇口杯 3-出气口 4-试样凸点16（3）影响流动性的因素1）合金的种类：灰铸铁的流动性最好， 铸钢的流动性最差 2）化学成分的影响：共晶成分的合金流 动性最好。 17（4）合金的充型能力液态合金充满铸型型腔的能力，考虑铸型及工艺 因素对熔融金属的流动性的影响。1）充型能力对铸件质量的影响充型能力高-可浇注薄壁及形状复杂件，且 不易产生夹渣、砂眼、气孔和浇不足等缺陷；充型能力低-只能铸造厚壁及形状简单的铸 件，且易产生夹渣、砂眼、气孔和浇不足等缺陷 ； 182）影响充型能力的因素:（a）合金的流动性对充型能力影响最大，一般说来，流动性好的合金充型
6、能力较强；（b）工艺条件(浇注条件）的影响浇注温度浇注温度高，充型能力增强铸型的影响 （c）铸件结构192. 合金的收缩性1.收缩的概念 合金熔液在型腔内凝 固和冷却的过程中， 所发生的体积缩小的 现象。收缩性是合金 的重要铸造性能之一 ，它与铸件的缩孔、 缩松、裂纹、变形等 铸造缺陷密切相关。合金的收缩过程液态收缩凝固收缩固态收缩20212.影响收缩的因素 （1）化学成分 （2）浇注温度：浇注温度，合金的液态收 缩量。 （3）铸型条件和铸件结构223.缩孔和缩松（1）概念 缩孔：铸件在凝固过程中，由于补缩不良而 产生的孔洞，形状不规则、孔壁粗糙并带有 枝晶，常出现在铸件最后凝固的部位。缩孔
7、通常在铸件的内部，有时也可能暴露在上表 面，呈明显的凹坑。 缩松：铸件断面上出现的分散而细小的缩孔 。有缩松缺陷的铸件易产生渗漏。23缩孔的形成24确定缩孔位置的方法： 画凝固等温线法和内接圆法25缩松的形成26（2）防止缩孔和缩松的措施采取工艺措施，实现“顺序凝固（定向凝固）”。如图 1-5所示铸件，凝固顺序为冒口。2728合理确定 浇注系统的 引入位置和 浇注工艺；29 冷铁：冷铁的作用是对铸件热节部位进行激冷 （加快热节部位的冷却速度）。一般设在厚壁 处。分外冷铁和内冷铁两种。 补贴：为增加冒口的补缩效果，向着冒口沿铸 件断面逐渐增厚的多余金属。其作用是扩大冒 口的有效补缩距离，实现铸件
8、的定向凝固冒口、冷铁和补贴综合运用是消除缩孔、缩 松的有效措施。 合理设置冒口、冷铁和补贴3031铸钢轮缘加冒口补贴324.铸造应力、变形和裂纹 固态收缩是铸件产生铸造应力、变形及 裂纹的根本原因。33（1）铸造应力1）铸造应力的产生铸件凝固后的固态收缩受到阻碍，而在铸件中产生的应力。按产生的原因不同分为热应力、收缩应力（机械应力）和相变应力。热应力由于铸件壁厚不均匀，各部分的冷却速度不同， 以致在同一时期内铸件各部分的收缩不一致而引起的。 34收缩应力（机械应力）是指铸件在固态收缩时，因受到铸型或型芯的机械阻碍而产生的应力 ，这种应力是暂时的，在铸件清理后便消失。35相变应力如碳钢中的铁由-
9、铁转变为-铁时体 积增大，由-铁转变为-铁时体积减小。 因各部分冷却速度不同，则相变不同时发 生，所以便产生了内应力。362）减小铸造应力的措施主要措施： 减小铸件各部分的温差，使铸件冷却均匀，即 实现同时凝固原则； 在铸件结构方面，壁厚力求均匀，尽量使铸件 各部分能自由收缩，避免受阻收缩； 改善铸型、型芯的退让性，减小机械阻碍； 对重要的铸件，可进行时效处理来消除内应力 。37（2）铸件的变形与防止铸造应力的释放过程（应力松弛）- 带有残余内应力的铸件是不稳定的，会自 发地变形使残余应力减少而趋于稳定。381）变形规律对于厚薄不均匀、截面不对称及具有 细长特点的杆类、板类、箱体类零件， 往往
10、产生翘曲变形，变形的规律是弯向 厚壁部分。 39402)防止变形的措施减小铸造应力；采取工艺措施：反变形法用人为的反向变形 抵消铸造变形，如图1-10中双点划线为反变形的模型轮廓，虚线为获得的铸件的轮廓；41铸件结构方面，可 设计适当的加强筋以 增加铸件的刚度；具有一定塑性的铸件如铸钢件，变形 后可用机械方法校正。42（3）铸件的裂纹与防止当铸造应力超过了金属的抗拉强度时 ，铸件便产生裂纹。裂纹是严重的铸造缺 陷。按产生裂纹时的温度范围分为热裂纹 和冷裂纹：43热应力及裂纹的形成过程441）热裂纹热裂是铸钢件（结晶温度范围宽、熔点高）、可锻 铸铁（白口）和某些铝合金（吸气、氧化严重）铸件常 见
11、的缺陷之一。 防止热裂的措施： 使铸件结构合理，尽可能使铸件壁厚均匀，形成铸件同 时凝固条件，减小热应力；避免铸件壁十字相交或壁厚 突变，减小应力集中。 改善铸型和型芯的退让性，减小机械应力。可在混合料 中渗入少量木屑、采用有机粘合剂（植物油、合成树脂 ）配制型芯砂。 减少浇、冒口对铸件收缩的机械阻碍（机械应力），内 浇道的设置应符合同时凝固原则(热应力)。 减少合金中有害杂质硫、磷含量，可提高合金的高温强 度。452）冷裂纹灰铸铁、白口铸铁、高锰钢等塑性较差的合金易产生冷裂。塑性好的合金因内应力可以通 过塑性变形而缓解，所以冷裂倾向小。防止冷裂的措施：改善铸件结构，减少铸型的机械阻碍-减小铸
12、造应力；控制钢、铸铁的含磷量（含磷量，冷裂倾向 ），如铸钢的含磷量0.1%，铸铁的含磷量 0.5%；465.合金的吸气性合金在熔炼和浇注时吸收气体的性能 1.对铸件质量的影响合金液吸收的气体如不能逸出而停留在合金液 内，则使铸件产生气孔缺陷。破坏了合金的连 续性，减少了承载的有效面积，引起应力集中 ，降低力学性能。 气孔的特征：气孔孔壁光滑，形状较规则。472.气孔的产生原因及防止措施（1）侵入气孔产生原因：是由于铸型表面聚集的气体侵入合 金液而产生的气孔，主要来自造型材料中的 水分、粘结剂和各种附加物以及浇注时卷入 的气体。 防止措施：铸型的发气量（如用干型）； 铸型的排气能力；正确设计浇冒
13、口系统 。 48（2）析出气孔产生原因：溶解于合金液中的气体在合金凝固过 程中，因溶解度下降而析出，铸件中因此形成 析出气孔。防止措施：严格控制炉料质量、熔炼操作及浇注工艺。如尽量缩短熔炼时间，熔炼时加覆盖 剂，避免剧烈搅拌等；控制合金液的温度，温度越高，吸气性越强。 49（3）反应气孔产生原因：合金液与铸型材料、型心撑、冷铁或 熔渣之间，由于化学反应产生气体而形成的气 孔。这类气孔大多数位于铸件表皮下13mm处 ，形状多为针状，因此常称为皮下针孔或皮下 气孔。 防止措施：提高合金液质量，控制型砂水分； 冷铁、型心撑无锈蚀、干燥、无油污。50作业题：1.共晶成分的合金与其它成分的合金的流动 性有何不同？为什么？ 2.如何防止铸件产生缩孔？ 3.铸造热应力是如何形成的？51
