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1、第二章金属及加工工艺 金属概述金属材料的性能金属材料的加工工艺产品造型设计中常用的黑色金属产品造型设计中常用的有色金属金属材料在产品中的运用2.1金属概述l金属的生产和使用，开创了人类文明新的历史l青铜器时代l铁器文化l炼金术时代l轻金属开发时代 炼炼金金术术是中世是中世纪纪的一种化学哲学的思想和始祖，的一种化学哲学的思想和始祖，是化学的是化学的雏雏形。其目形。其目标标是通是通过过化学方法将一些基本化学方法将一些基本金属金属转变为转变为黄金，制造万灵黄金，制造万灵药药及制及制备长备长生不老生不老药药。现现在的科学表明在的科学表明这这种方法是行不通的。但是直到种方法是行不通的。但是直到19世世纪
2、纪之前，之前，炼炼金金术术尚未被科学尚未被科学证证据所否定。包括牛据所否定。包括牛顿顿在内的一些著名科学家都曾在内的一些著名科学家都曾进进行行过炼过炼金金术尝试术尝试。 近代化学的出近代化学的出现现，使人，使人们对们对制金的可能性制金的可能性产产生了生了怀怀疑，到了疑，到了17世世纪纪以后，以后，炼炼金金术术遭到了批判。遭到了批判。炼炼金金术术的希望破的希望破灭灭了。了。常见合金简介常见合金简介无声金属无声金属记忆合金记忆合金吸附合金吸附合金彩色不锈钢合金彩色不锈钢合金（一）无声合金（一）无声合金铸铁、锰钢合金、合金、铁铬合金在机械加工合金在机械加工时能把大量的能把大量的振振动能能转化化为材料
3、的材料的热能散能散发出去，从而使振出去，从而使振动和噪声都迅和噪声都迅速衰减，所以称他速衰减，所以称他们为无声合无声合金金。（二）（二）记忆合金合金镍钛合金，具有合金，具有“记忆功能功能”，无，无论外力将其作用外力将其作用成什么成什么样子。只要遇到特定子。只要遇到特定的温度条件，就会立即的温度条件，就会立即唤醒醒记忆，恢复自己的原形，人，恢复自己的原形，人们把它成把它成为记忆合金。合金。（三）吸附合金（三）吸附合金氢吸附合金，当吸附合金，当这种合金种合金经过加加热或减或减压后，它又会重新后，它又会重新还原成原成金属和金属和氢气。气。（四）彩色不（四）彩色不锈钢合金合金在不在不锈钢表面形成一表面
4、形成一层无色透无色透明的氧化膜明的氧化膜对光的反射不同，从而光的反射不同，从而显示示蓝色、金色、色、金色、红色、色、绿色等，色等，耐腐耐腐蚀性耐性耐热性都性都优于普通的不于普通的不锈钢。2.2金属材料的性能l2.2.1一般特性晶格体结构的固体，由金属键结合而成电与热的良导体表面色彩与光泽良好的展延性可形成合金，改善金属的性能易于氧化l金属材料的优缺点为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。 材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性
5、能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能也叫机械性能。 材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。机械性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。1、强度：材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料单位面积受载荷称应力。2、屈服点（s）：称屈服强度，指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生0.2%L。时应力值，单位用牛顿/毫米2（N/mm2）表示。3、抗拉强度（b）也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值。单位用牛顿/毫米2（N/mm2）表示。2.2.2金属材料的机械性能4、延伸率（）：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。5、断
6、面收缩率（）:材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。6、硬度：指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力.7、冲击韧性（Ak）：材料抵抗冲击载荷的能力.2.2.3金属材料的工艺性能指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。1、铸造性能：指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流性能、充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；偏析指化学成分不均性。2、焊接性能：指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法，把两个或两个以上金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。3、冷弯性能：指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。4、冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在
7、常温进行冲压叫冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。5、锻造性能：金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。2.2.4化学性能指金属材料与周围介质接触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。1、耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。2、抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。2.3金属材料的加工工艺2.3.1金属的成型加工金属的主要成型方法：铸造、塑性加工、焊接和切削加工等2.3.1.1铸造加工:铸造基本原理:金属铸造是将熔融态金属浇入铸型后，冷却凝固成为具有一定形状铸件的工艺方法。工艺特点:适应性强成本低廉铸造方法：砂型铸造特种铸造 l铸造一般按造型方法来分类，习惯上分为普通
8、砂型铸造和特种铸造（熔模铸造，金属型铸造，压力铸造，离心铸造）。铸造工艺可分为三个基本部分，即铸造金属准备、铸型准备和铸件处理。铸造特点：（1）适应性强（2）成本低廉l特种铸造:有别于砂型铸造的其他铸造方法统称为特种铸造其生产过程易于实现机械化、自动化，铸件精度较高，表面粗糙度低，但它的适应性差。熔模铸造：打高尔夫球的人总希望用头更大的球杆打球。钛的比重小，强度大，可以把球头做得更大，而不会增加球杆的总重量熔模熔模铸铸造又称造又称“石蜡石蜡铸铸造造 ，通常是在蜡模表面涂，通常是在蜡模表面涂上数上数层层耐火材料，待其硬化干燥后，将其中的蜡模耐火材料，待其硬化干燥后，将其中的蜡模熔去而制成型壳，再
9、熔去而制成型壳，再经过经过焙焙烧烧，然后，然后进进行行浇浇注，而注，而获获得得铸铸件的一种方法，由于件的一种方法，由于获获得的得的铸铸件具有件具有较较高的高的尺寸精度和表面光尺寸精度和表面光洁洁度，故又称度，故又称 熔模精密熔模精密铸铸造造 熔模铸造钛合金合金开式叶开式叶轮 金属型铸造:将液态金属浇入金属铸型，从而获得铸件压力铸造：在压铸机上以较高的压力和速度将压室内的金属液压射到模腔中，并在压力作用下使金属液迅速凝固成铸件。大型铝合金铸件大型铝合金铸件压铸压铸特点特点特点特点 高高压压和高速充填和高速充填压铸压铸型是型是压铸压铸的两大特点。与其它的两大特点。与其它铸铸造方法相比，造方法相比，
10、压铸压铸有以下三方面有以下三方面优优点：点：1.1.产产品品质质量好量好 铸铸件尺寸精度高；表面光件尺寸精度高；表面光洁洁度好；度好；强强度和硬度度和硬度较较高，高，尺寸尺寸稳稳定；可定；可压铸压铸薄壁复薄壁复杂杂的的铸铸件。件。 2.生产效率高机器生产率高，平均八小时可压铸600700次，小型热室压铸机平均每八小时可压铸30007000次；压铸型寿命长，寿命可达几十万次，甚至上百万次；易实现机械化和自动化。3.经济效果优良由于压铸件尺寸精确，表泛光洁等优点。一般不再进行机械加工而直接使用，或加工量很小，所以既提高了金属利用率，又减少了大量的加工设备和工时；铸件价格便易。缺点:1)压铸时由于液
11、态金属充填型腔速度高，流态不稳定，铸件易产生气孔，不能进行热处理；2）高熔点合金（如铜，黑色金属），压铸型寿命较低；3）不宜小批量生产，其主要原因是压铸型制造成本高，压铸机生产效率高，小批量生产不经济。离心铸造：将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下填充铸型并凝固成型的铸造方法。立式离心铸造示意图1-浇包2-铸型3-液体金属4皮带轮和皮带5-旋转轴6-铸件7-电动机离心铸造的钢管离心铸造的钢管2.3.1.2金属塑性加工金属塑性加工原理及特点金属塑性加工是指在外力作用下，使金属坯料产生预期的塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法。利用金属塑性成型过程
12、不仅能得到强度高、材料消耗少等优点，使其在各行业中成为不可缺少的材料成型方法。金属塑性加工过程1.锻造：利用手捶、锻捶、或压力设备上的模具对加热的金属坯料施力，使金属材料在不分离条件下产生塑性变形，以获得形状、尺寸和性能符合要求的零件。锻造按成型是否用模具通常分为：自由锻和模锻锻造按加工方法分为：手工锻造和机械锻造冰斧的前、后镐由机械锻压合金钢制造而成锻造圆钢锻造中空轴精密锻造模 2轧制将金属靠摩擦力的作用，连续通过轧机上两个相对回转轧辊之间的空隙，进行压延变形成为型材的加工方法。按轧制温度分：热轧和冷轧热轧是将材料加热到再结晶温度以上进行轧制，它变形抗力小，变形量大，生产效率高，适合轧制较大
13、断面尺寸，塑性较差或变形量较大的材料。热连轧钢板产品是以热轧卷为原料，在室温下在再结晶温度以下进行轧制而成，包括板和卷。其中成张交货的称为钢板，也称盒板或平板；长度很长、成卷交货的称为钢带，也称卷板。冷轧板卷冷轧板卷冷轧厂产品卷板平板彩板产品3.挤压将金属坯料置于一封闭的挤压模内，用强大的挤压力将金属从模孔中挤出成型，从而获得符合模孔截面的坯料或零件的加工方法。冷挤压产品4、拉拔:用拉力使大截面的金属坯料强行穿过一定形状的拉拔模的模孔，以获得所需断面积形状和尺寸的小截面毛坯或制品的工艺过程。拉拔产品各种规格的金属丝5.冲压金属板料在冲压模之间受压力产生分离或产生塑性变形的加工方法。优点：改善金
14、属的内部组织，提高金属的机械性能。生产效率高，产品尺寸均匀一致，表面光洁。缺点：只适用于加工塑性金属材料，对于脆性材料如铸铁、青铜等则无能为力；不适于加工形状太复杂的零件。冲压加工方法适应范围广，从1克重的表针到几百吨重的发电机大轴均可生产。广泛应用于航空、汽车、仪器仪表、电器等工业部门和生活日用品的生产。冲压的轴承生活日用品冲压的消声器五金冲压杂件2.3.1.3金属的焊接加工l金属焊接加工原理及特点将分离的金属用局部加热或加压等手段，借助于金属内部原子的结合与扩散作用牢固地连接起来，形成永久接头的过程称为焊接。与铆接比较：焊接具有节省材料、减轻质量、接头的密封性好，可承受高压，简化加工与装配
15、工序等优点2金属的焊接加工方法分类：按其过程特点分为三大类：熔焊、压焊和钎焊。l熔焊。熔焊是将母材接头加热到溶化温度以上，使他们在液态下相互熔合，从而冷却凝固在一起的焊接方法。熔化焊接由于加热方式及熔炼方式的区别，有以下几种类型。气焊 电子束焊接:是利用高压静电场把热阴极发射的电子会聚成电子束，经电磁聚焦成一能量密度极高的小斑点，轰击被焊工件，使焊缝两侧的金属迅速熔化，实现焊接目的的一种工艺技术。熔焊机l压焊：在压力作用下，被焊的分离金属结合面处产生塑性变形而使金属连接成整体的工艺。冷压焊是在室温下，借助压力使待焊金属生产塑性变形而实现固态焊接的方法。铝压焊机机( (图) )l钎焊:钎焊是一种
16、在金属与金属表面之间及陶瓷与金属表面之间形成冶金接合的工艺.钎焊与锡焊的不同之处在于，钎焊只是焊料熔化，基体材料不熔化。为确保钎焊合金材料比基体金属的熔点低，钎焊合金可含有温度抑制材料例如硅和/或硼。钎焊机机( (图) )2.3.1.4金属的切削加工1.金属切削加工的原理：利用切削刀具在切削机床上将金属工件的多余加工量切去，从而获得符合要求的几何形状、尺寸精度和表面粗糙度的加工方法。金属切削加工的分类：钳工和机械加工（简称机加工）两部分。机械加工又包括：车削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削等。 铣床钻床磨床车床牛头刨BH607镗床2.3.2金属的表面处理技术表面处理的功效：一方面是保护产品；另一
17、方面起到美化、装饰产品.通过各种方法处理而显示不同颜色、不同表面纹理的不锈钢薄片组成的马赛克屏风。通过各种方法处理而显示不同颜色、不同表面纹理的不锈钢薄片组成的马赛克屏风。1.金属材料的表面前处理金属表面的机械处理（切削、研磨、喷砂）：金属表面的化学处理金属表面的电化学处理油污及某些吸附物，较薄的氧化层可先后用溶剂清洗、化学处理和机械处理，或直接用化学处理。电化学除锈是在酸或碱溶液中对金属制品进行阴极或阳极处理除去锈层。2金属材料的表面装饰技术金属表面处理的分类: 金属材料的表面装饰也称作表面被覆处理. 表面覆盖一层皮膜，从而改变材料表面的物理化学性质，赋予材料的表面肌理、色彩等。1 金属表面
18、着色工艺。采用化学、电解、热处理等方法，使金属表面形成各种色泽的膜层、镀层或涂层。2 金属表面的肌理工艺。通过锻打、刻画、打磨、腐蚀等工艺在金属表面制作出肌理效果。l珐琅着色：珐琅饰品是先将金、银、铜、钛等饰品用金属制成底胎，再将珐琅彩釉料点绘于金属胎上的凹坑花纹处，然后至入高温窑炉中经800度炉火高温烧结成一体而成。l用来承载珐琅的金属基板只能采用金和铜，其中铜仅能用于不透明珐琅制品。如果要制作的是透明或是彩色珐琅制品，选用的金属需要在高温下，表面特性不能改变；该金属也不能在高温下和原料接触中产生任何化学反应。以银为例，产生黄色的铅，在高温下和银作用后会变为橘色，甚至是橄榄色。l掐丝珐琅:约
19、在元朝时由传教士自中亚传入中国，由于当时中国在基础技术如铸铜等冶金技术以及玻璃和琉璃的制作知识上原本就相当先进，所以在中国人吸收了这种珐琅的制造技术后，又经改良和不断发扬光大。明朝景泰年间这种珐琅的制造盛极一时，填色的色料由国外进口的珐琅彩换成了带有中国独有的蓝色珐琅色料，当时的成品常以一种特有的蓝色为基调，景泰蓝也因而得名，并在中文里成为掐丝珐琅的代名词。电解着色法电解着色法:是指铝或铝合金经阳极氧化后浸入是指铝或铝合金经阳极氧化后浸入到更贵的金属盐溶液里，通过使用交流电进行到更贵的金属盐溶液里，通过使用交流电进行极化或用直流电进行阴极极化来进行着色的一极化或用直流电进行阴极极化来进行着色的
20、一种方法。种方法。热处理着色工艺热处理着色工艺:将金属制件置于氧化气氛中进将金属制件置于氧化气氛中进行加热处理，使其表面生成氧化膜。由于氧化行加热处理，使其表面生成氧化膜。由于氧化膜有色干扰特点，故随着加热时间不同，氧化膜有色干扰特点，故随着加热时间不同，氧化膜厚度不同，表面会呈现不同的颜色。膜厚度不同，表面会呈现不同的颜色。鎏金鎏金：是把金和水是把金和水银银合成的金汞合成的金汞剂剂，涂在，涂在铜铜器器表表层层，加，加热热使水使水银银蒸蒸发发，使金牢固地附在，使金牢固地附在铜铜器器表面不脱落的技表面不脱落的技术术。l表面装饰性的镀铬层，使得水龙头具有精致细腻如镜面一般的抛光效果。将造型和材料表
21、面效果完美的结合在一起，水流出来的时候，水龙头表面能倒映出水的姿态。金属表面处理工艺在产品设计中的应用金属表面处理工艺在产品设计中的应用 抛光研磨工艺的应用使得这些枕头看起来并不如我们想象的那样坚硬，外观柔和而灵活，简直就像我们平常见到的普通枕头。l采用1mm厚的优质钢材组成，钢材经过回火处理，具有良好的韧性，弹性优越，就有强烈的视觉效果。给人华丽、精致和现代感。为了椅子发亮的表面在搬运和使用中不留下滑痕，其表面覆盖有一层塑料膜。l椅子由9部分镀镍钢丝网焊接而成。，各部分的边缘相交焊接点同时覆盖环氧树脂，底部四边采用钢条加固，以支撑椅子的框架。l电铸工艺则是通过在模具表面缓慢积淀一层具有一定厚度的金属层来实现造型。l设计师对产品采用的铝材料应用了阳极氧化工艺处理，使得水壶得到新鲜氧化膜，具有多孔状结构，使膜层具有极好的吸附性，对各种染料表现出极强的吸附能力，因而再进过一定的工艺处理，就可染上鲜艳的色彩。锻打出肌理效果肌理效果肌理效果l金属材料是现代工业的支柱，金属材料的工艺性能优异，能够按照设计师的构思实现产品的多种造型。广泛应用于工业产品造型设计中，是设计师快速实现设计构思的重要途径。随着科学技术的发展，肯定会有越来越多的处理工艺被发明出来。这些都会对产品设计的发展做出重要影响。
