机械工程材料教程及课后答案

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1、.课程名称 ：工程材料及成形技术基础总学时 ： 64/48学时 适用专业：机械设计制造及其自动化、机械电子工程/汽车服务工程一、课程的性质与任务工程材料及成型技术基础是研究机械零件的材料、性能及成形方法的综合性课程,是高等工科师范院校机械工程专业必修的专业基础课,其内容包括工程材料和成形技术基础两部分。本课程是在修完高等数学、大学物理含实验和机械制图等课程的基础上开设的。其任务是使学生掌握工程材料及成形技术的基本知识,为后继学习机械设计、模具制造工艺、先进制造技术和毕业设计等课程,培养专业核心能力；为今后从事职业学校机械类专业相关课程的教学,奠定必要的专业基础。本课程教学开设了实验教学。通过实

2、验教学,在巩固和验证课程的基本理论知识的同时,拓展学生的创新思维,着重培养学生实践动手能力和创新能力。二、课程教学基本要求1、获得有关材料学的基本理论与工程材料的一般知识,掌握常用工程材料的成分、热加工工艺与组织、性能及应用之间的相互关系,熟悉常用工程材料的种类、牌号与特点,使学生具备合理选用工程材料、热处理方法、妥善安排热处理工艺路线的基本能力。2、初步掌握工程材料主要成形方法的基本原理与工艺特点,获得具有初步选择常用工程材料、成形方法的能力和进行工艺分析的能力。3、具有综合运用工艺知识,初步分析零件结构工艺性的能力。4、初步了解新材料、新技术、新工艺的特点和应用。四、本课程的教学内容 绪

3、论一、材料科学的发展与地位：材料科学的发展通常是和人类文明联系在一起的。古代文明：人类的发展史上,最先使用的工具是石器；新石器时代烧制成陶器；东汉时期发明了瓷器；到了西汉时期, 炼铁技术又有了很大的提高,采用煤作为炼铁的燃料,这要比欧洲早1700多年。在XX巩县汉代冶铁遗址中,发掘出20多座冶铁炉和锻炉。炉型庞大,结构复杂,并有鼓风装置和铸造坑。可见当年生产规模之壮观。三次产业革命：产业经济迅猛发展是以新材料的发现为依托的。如：半导体材料等。知识经济时代：进入21世纪,被称为现代科学技术四大支柱领域的材料、信息、能源和生物工程得到了前所未有的重视和发展。材料作为人类生产和社会发展的物质基础,占

4、有十分重要的地位。我国在新材料新工艺的研究和应用方面取得重大成果：航空、航天事业迅速崛起,带动航空、航天材料的发展。飞船 运载火箭 卫星歼10战斗机 北京奥运会主会场鸟巢结构设计奇特新颖,钢结构最大跨度达到343米。如果使用普通钢材,厚度至少要达到220毫米。这样一来,鸟巢钢材重量将超过8万吨。从工程的实际需求出发,Q460是最好的选择。需要的大约是4.3万吨高质量钢材 低合金高强度钢。二、材料分类：材料按工业工程来分类：机械工程材料,土建工程材料,电子材料等等；本课程主要涉及的是机械工程材料三、金属材料及其学习方法金属材料的性能均其化学成分、显微组织及加工工艺之间的关系四、这门课的主要内容：

5、工程材料：金属材料主要、非金属材料次要主线：性能与化学成分、组织和热处理工艺之间关系成型技术：铸、锻、焊；非金属材料实验：性能测试、材料热处理第一章 工程材料结构与性能 1.1 材料原子的相互作用 各种工程材料是由各种不同的元素组成,由不同的原子、离子或分子结合而成。原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。一般可把结合键分为离子键、共价健、金属键和分子键四种。一、离子键当周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子接触时,前者失去最外层价电子变成带正电荷的正离子,后者获得电子变成带负电荷的满壳层负离子。正离子和负离子由静电引力相互吸引；同时当它们十分接近时发生排斥,引力和斥力相等即形成稳定

6、的离子键。NaCl、CaO、Al2O3等由离子键组成。离子键的结合力很大,因此离子晶体的硬度高,强度大,热膨胀系统小,都是良好的绝缘体。在离子键结合中,由于离子的外层电子比较牢固地被束缚,可见光的能量一般不足以使其受激发,因而不吸收可见光,所以典型的离子晶体是无色透明的。二、共价键处于周期表中间位置的三、四、五价元素,原子既可能获得电子变为负离子,也可能丢失电子变为正离子。当这些元素原子之间或与邻近元素原子形成分子或晶体时,以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。这种由共用价电子对产生的结合键叫共价键。最具有代表性的共价晶体为金刚石。金刚石由碳原子组成,每个碳原子贡献出4个价电子与周围

7、的4个碳原子共有,形成4个共价键,构成正四面体：一个碳原子在中心,与它共价的另外4个碳原子在4个顶角上。硅、锗、锡等元素也可构成共价晶体。属于共价晶体的还有SiC、Si3N4、BN等化合物。三、金属键周期表中、族元素的原子在满壳层外有一个或几个价电子。原子很容易丢失其价电子而成为正离子。被丢失的价电子不为某个或某两个原子所专有或共有,而是为全体原子所公有。这些公有化的电子叫做自由电子,它们在正离子之间自由运动,形成所谓电子气。正离子在三维空间或电子气中呈高度对称的规则分布。正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力,使全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键。在金属晶体中,价电子弥漫在整个体积内,

8、所有的金属离子皆处于相同的环境之中,全部离子均可被看成是具有一定体积的圆球,所以金属键无所谓饱和性和方向性。金属由金属键结合,因此金属具有下列特性：1. 良好的导电性和导热性。金属中有大量自由电子存在,当金属的两端存在电势差或外加电场时,电子可以定向地流动,使金属表现出优良的导电性。金属的导热性很好,一是由于自由电子的活动性很强,二是依靠金属离子振动的作用而导热。2. 正的电阻温度系数。即随温度升高电阻增大。绝大多数金属具有超导性,即在温度接近于绝对零度时电阻突然下降,趋近于零。3. 不透明并呈现特有的金属光泽。金属中的自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到表面的光能。4. 良好的塑性变形能力

9、,金属材料的强韧性好。金属键没有方向性,原子间也没有选择性,所以在受外力作用而发生原子位置的相对移动时,结合键不会遭到破坏。四、分子键原子或分子之间是靠范特瓦尔斯力结合起来,这种结合键叫分子键。在含氢的物质,特别是含氢的聚合物中,一个氢原子可同时和两个与电子亲合能力大的、半径较小的原子相结合, 形成所谓氢键。氢健是一种较强的、有方向性的范特瓦尔斯键。其产生的原因是由于氢原子与某一原子形成共价健时,共有电子向那个原子强烈偏移,使氢原子几乎变成一半径很小的带正电荷的核,因而它还可以与另一个原子相吸引。1.2 晶体材料的原子排列1.2.1 理想晶体结构常见的金属晶体结构：（1） 体心立方晶格：纯铁9

10、12度以下Cr、M。、W、V、K等。2面心立方晶格Cu、A1、Au、（3） 排六方晶格Be、Mg、Zn1.2.2 实际晶体结构1 单晶体与多晶体单晶体：结晶方位完全一致的晶体称为单晶体：单晶体具有各向异性多晶体：实际金属结构是有许多单晶体组成：晶粒。多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。多晶体呈现各向同性2晶体缺陷点缺陷：间隙原子；置换原子；线缺陷：即位错,在晶体中,有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。面缺陷：金属中的晶界和亚晶界1.3 合金的晶体结构 1.3.1 合金的相、组织及其关系相是指合金中具有相同的物理、化学性能,并与其余部分以界面分开的物质部分固态合金中有两类基本相：固溶体和金属化

11、合物组织：将一小块金属材料用金相砂纸磨光后进行抛光, 然后用侵蚀剂侵蚀, 即获得一块金相样品。在金相显微镜下观察,可以看到金属材料内部的微观形貌。这种微观形貌称做显微组织。是合金的微观形态。1.3.2 固溶体置换固溶体间隙固溶体 1.3.3 金属间化合物：金属化合物一般熔点较高, 硬度高, 脆性大。合金中含有金属化合物时, 强度、硬度和耐磨性提高, 而塑性和韧性降低 。 Fe3C是钢铁中的一种重要的间隙化合物,又称为渗碳体具有复杂的斜方晶格,它作为强化相对钢铁材料的性能有重大的影响。1.3.4 合金性能实际金属的强化机制1 固溶体与固溶强化点缺陷2位错强化线缺陷3细晶强化面缺陷4化合物与第二相

12、强化体缺陷1.4 高聚物的结构 1.4.1 大分子链的结构线型结构：线型结构是由许多链节联成一条长链体型结构：体型结构是分子链与分子链之间有许多链节相互交联在一起,形成网状或立体结构1.5 陶瓷的结构1.7.工程材料的力学性能常见的有强度、硬度、塑性、冲击韧性和断裂韧性等。强度：是指在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力,是材料最重要、最基本的力学性能指标之一。屈服强度：表示材料抵抗微量塑性的能力抗拉强度：反映了材料产生最大均匀变形的抗力塑性：材料在外力作用下,产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。硬度：在外力作用下材料抵抗局部塑性变形的能力。1布氏硬度:HB /HBS2洛氏硬度:HRC/HRB/

13、HRA 3维氏硬度:HV性能指标工程意义：结合材料的拉伸试验引出材料的抗拉强度和屈服强度的概念,这两个指标在工程设计中的意义。一个是设计机械零件的强度指标,一个是安全性指标配合延伸率。硬度是材料局部强度的指标。疲劳是材料在循环作用下的安全指标。断裂韧性也是材料安全性指标,这一指标更注重材料缺陷方面的安全性。第二章金属材料的凝固与固态相变2.1 纯金属的结晶2.1.1 凝固的基本概念结晶：原子由近程有序状态转变为长程有序状态的过程。过冷度概念: 理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度,用T表示。结晶的必要和充分条件是具有一定的过冷度2.1.2 金属的结晶金属的结晶过程：形核和长大两个过

14、程。自发形核均质形核、非自发形核异质形核影响形核和长大的因素：过冷度的影响 难熔杂质的影响晶粒大小及控制方法。 1) 增大过冷度2变质处理2.1.3 材料的同素异构现象晶体的同素异构：有些晶体随着外界条件的变化而具有不同类型的晶体结构,称为同素异构现象。铁发生同素异构转变,不仅晶体结构发生变化,而且体积也发生改变,这是钢铁可进行热处理主要原因。2.2 合金的凝固 2.2.1 二元合金相图与凝固1 匀晶相图；两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图称为二元匀晶相图。杠杆定律： 设合金的质量为Q合金 , 其中 Ni质量分数为b%, 在 T1温度时, L相中的 Ni质量分数为a%,相中的Ni质量分

15、数为c%。则合金中含Ni的总质量=L相中含Ni的质量+ 相中含Ni的质量 即因为 所以 化简后得 c-b为线段 bc的长度; b-a为线段 ab的长度。 故得： 或 这个式子与力学中的杠杆定律相似, 因而亦被称作杠杆定律。由杠杆定律不难算出合金中液相和固相在合金中所占的质量分数即相对质量分别为：运用杠杆定律时要注意, 它只适用于相图中的两相区, 并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点, 而支点为合金的成分点。2.共晶相图：两组元在液态无限互溶,在固态有限溶解,并在结晶时发生共晶转变所构成的相图称为二元共晶相图共晶反应式2.2.2 合金的性能与相图的关系1合金的使用性能

16、与相图的关系；2合金的工艺性能与相图的关系2.2.3 铸锭的凝固2.3 铁碳合金平衡态的相变基础2.3.1 FeFe3C相图1铁碳合金的相结构与性能2相图分析3.相图中重要三条水平线2.3.2 铁碳合金在平衡状态下的相变；2.4 钢在加热时的转变2.4.1 钢在实际加热时的转变点2.4.2 奥氏体的形成过程及影响因素1奥氏体的形成过程；2奥氏体形成的影响因素2.5 钢在冷却时的转变钢在奥氏体化后的冷却过程决定了冷却后钢的组织类型和性能。热处理时常用的冷却方式有两种：一是等温冷却；二是连续冷却。过冷奥氏体的转变可分为三种基本类型,即珠光体型转变、贝氏体型转变和马氏体型转变。2.5.1 过冷奥氏体

17、等温转变图C曲线的左边一条线为过冷奥氏体转变开始线,右边一条线为过冷奥氏体转变终了线。该曲线下部还有两条水平线,分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms线和转变结束温度Mf线。1含碳量的影响2合金元素的影响3 奥氏体化温度和保温时间的影响2.5.2 过冷奥氏体连续冷却转变图 2.5.3 过冷奥氏体的转变产物及性能珠光体类型组织、贝氏体类型组织和马氏体类型 第三章金属材料的塑性变形3.1 单晶体和多晶体的塑性变形3.1.1单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形有两种,即滑移和孪生。滑移是指在切应力作用下,晶体的一部分沿一定晶面滑移面和晶向滑移方向相对于另一部分发生的滑动。 滑移是通过位错的运动来实现的

18、。孪生是指在切应力作用下,晶体的一部分沿一定的晶面孪晶面和晶向挛晶方向相对于另一部分所发生的切变表现为各向同性特性3.1.2 多晶体金属塑性变形的特点 1.晶粒取向对塑性变形的影响2晶界对塑性变形的影响细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。表现为各向异性特性。大量的图标见讲稿。3.2 金属的形变强化3.2.1 形变强化现象金属经过冷态下的塑性变形后其性能发生很大的变化,最明显的特点强度随塑性变形的增加而大为提高,其塑性却随之有较大的降低：这种现象称为形变强化,也称为加工硬化或冷作硬化。3.2.2 塑性变形后金属的组织结构变化3.2.3 塑性变形产生的残余应力3.3 塑性变形金属在加热时组织和

19、性能的变化3.3.1 回复加工硬化后的金属,在加热到一定温度后原子获得热能,使原子得以恢复正常排列,消除了晶格扭曲可使加工硬化得到部分消除。这一过程称为回复,这时的温度称为回复温度。3.3.2 再结晶当温度继续升高到该金属熔点热力学温度的0.4倍时,金属原子获得更多的热能,则开始以某些碎晶或杂质为核心结晶成新晶粒,从而消除了残余应力和加工硬化现象。这个过程称为再结晶,这时的温度称为最低再结晶温度利用金属的形变强化可提高金属的强度,这是工业生产中强化金属材料的一种手段。在塑性加工生产中,加工硬化给金属继续进行塑性变形带来困难,应加以消除。常采用加热的方法使金属发生再结晶,从而再次获得良好塑性。3

20、.3.3 晶粒长大3.3.4 冷变形和热变形凡在金属的再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷加工；而在再结晶温度以上进行的塑性变形称为热加工。热加工通常不会带来强化效果。3.5 金属纤维组织及其应用为了获得具有最好力学性能的零件,在设计和制造零件时,都应使零件在工作中产生的最大正应力方向与纤维方向一致,最大切应力方向与纤维方向垂直,并使纤维分布与零件的轮廓相符合,尽量使纤维组织不被切断。3.4 塑性加工性能及影响因素 3.4.1 塑性加工性能及其指标塑性加工性能常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。3.4.2 塑性加工性能的影响因素1金属的本质：2加工条件：第四章金属材料热处理金属材料的热处理是金属

21、材料在固态下,通过适当的方式进行加热、保温和冷却改变材料内部组织结构,从而改善材料性能的一种工艺方法,也称之为金属材料的改性处理。4.1 退火与正火 在机械零件或工具的加工制造过程中,退火与正火常作为预备热处理。4.1.1 退火退火是将钢加热到预定温度,保温一定时问后缓慢冷却,获得接近于平衡组织的热处理工艺。1完全退火2.球化退火3.扩散退火均匀化退火4.去应力退火4.1.2 正火正火是将钢加热到Ac3或Accm以上3050 ,保温适当时间后在静止空气中冷却的热处理工艺。4.2钢的淬火 淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上3050度,经过保温后在冷却介质中迅速冷却的热处理工艺。目的：淬火可以使钢

22、件获得马氏体和贝氏体组织,以提高钢的力学性能。淬火是强化钢件的最主要的而且是最常用的热处理方法。亚共析钢的淬火加热温度为加热到Ac3以上3050度。淬火后的组织为均匀细小的马氏体。过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上3050度,淬火后的组织为均匀细小的马氏体和粒状二次渗碳体,有利于增加钢的硬度和耐磨性。4.2.2 淬火冷却介质4.2.3 淬火冷却方法1单介质淬火法2双介质淬火3 马氏体分级淬火4贝氏体等温淬火5冷处理4.3 钢的表面淬火 表面淬火方法是将淬火零件表层金属迅速加热至相变温度以上而心部末被加热然后迅速冷却,使零件表层获得马氏体而心部仍为原始组织的外硬内韧状态。表面淬火法所用零件材料的

23、含碳量:0.400. 50。4.3.1 感应加热表面淬火感应加热是将钢件置于通人交变电流的线圈中,由于电磁感应,钢件产生频率相同、方向相反的交变电流。由于集肤效应,集中在钢件表层的高密度电流在具有较大电阻的钢件表层呈涡旋流动并产生热效应,将钢件表层迅速加热至淬火温度而钢件中心电流几乎为零温度变化很小,这时经喷水冷却钢件表面快冷淬火,得到一定深度的马氏体层。低温回火。4.3.2 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火法是用乙炔氧或其他可燃气体燃烧时形成的高温火焰将工件表面加热到相变温度以上,然后立即喷水淬火冷却的方法。4.4 钢的回火 回火就是把经过淬火的零件重新加热到低于Ac1,的某一温度,适当保温

24、后,冷却到室温的热处理工艺。4.4.1 回火目的4.4.2 回火组织转变及性能变化1钢在回火时的组织转变2. 回火后的组织和性能回火马氏体是由淬火马氏体分解的极细小的高度弥散的碳化物分布在针状的低过饱和固溶体基体上,并保持共格关系。 回火托氏体是由高度弥散的渗碳体分布在铁索体基础上 回火索氏体是由较细的渗碳体颗粒分布在铁索体基体上。硬度和强度随回火温度升高而下降其塑性和韧性随回火温度升高而提高。其原因是由于回火温度的提高,产生马氏体分解渗碳体析出和聚集长大,固溶强化消失,弥散强化减弱,内应力消除。4.4.3 回火工艺及应用1低温回火2.中温回火3高温回火4.4.4 回火脆性第一类回火脆性；第二

25、类回火脆性4.5钢的淬透性 钢的淬透性；淬透层的深度；钢的淬硬性钢的淬透性的影响因素：影响钢的淬透性主要是钢的临界冷却速度淬透性与选材的关系。4.7 钢的化学热处理 化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温,使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表面,以改变钢件表层化学成分和组织,进而达到改进表面性能,满足技术要求的热处理工艺。化学热处理基本过程：化学介质的分解即活性原子的产生；活性原子被钢件表面吸收和溶解；活性原子由表面向内部扩散,形成一定的扩散层。4.7.1 渗碳将钢放入渗碳的介质中加热并保温,使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。 注意和表面淬火的区别1渗碳方法；2渗碳工艺参数渗碳

26、时主要工艺参数是加热温度和保温时间。加热温度高可以使渗碳速度加快,但温度过高会使钢件品粒粗大,渗碳温度一般在900950度。而渗碳后零件表面含碳量最好在0.85。105范围内。渗碳后的组织 常用于渗碳的钢为低碳钢和低碳合金钢,如20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为：过共析组织珠光体+碳化物、共析组织珠光体、亚共析组织珠光体+铁素体的过渡区,直至心部的原始组织。3.渗碳后的热处理渗碳后的工件表面为过共析钢组织,其硬度和耐磨性满足不了零件要求,必须进行淬火和低温回火。渗碳件在淬火后必须要进行低温回火,回火温度为150200度,以减少应力和脆性。回火后

27、零件表面组织为回火马氏体和渗碳体4.7.2 渗氮渗氮是在一定温度下使活性氯原子渗人工件表面的化学热处理工艺4.8热处理零件的结构工艺性及技术条件标注第六章 金 属 材 料6.1 工业用钢概述6.1.1 钢中杂质锰、硅、硫、磷在钢中的分布、对性能的影响。6.1.2 钢的分类与编号1钢的分类：10min1.按化学成分分类；2.按质量分类；3按用途分类2.钢的编号20min按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号：1.普通碳素结构钢 Q253-A.F2.优质碳素结构钢 45、40Mn3.碳素工具钢 T8或T10A4.铸造碳钢3合金钢的编号1.低合金结构钢 Q353-C2.合金结构钢 60Si

28、2Mn3.合金工具钢 5CrMnMo4.特殊性能钢6.2 合金元素在钢中的作用6.2.1 合金元素对钢中基本相的影响15min 1形成合金铁素体2形成碳化物6.2.2 合金元素对铁碳相图的影响10min6.2.3 合金元素对热处理及性能的影响15min1对钢在加热时奥氏体化的影响2对过冷奥氏体分解的影响3对回火转变的影响6.3 结构钢 6.3.1 普通结构钢 10min普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢1成分特点2热处理特点普通结构钢使用时一般不进行热处理,大多数是在热轧状态下或热轧后正火状态下使用。其组织为铁素体和少量珠光体普通碳素结构钢：一般工程用热轧钢板、钢带、型钢、棒钢等低合金高强度结

29、构钢：这类材料是用来制造桥梁、船舶、大型钢结构优质结构钢 40min硫、磷含量均控制在0.035以下1性能要求2.成分特点3.热处理特点机器零件制造工艺流程一般为：下料毛坯成形预备热处理粗加工最终热处理精加工装配。6.4 工具钢 6.4.1 性能要求6.4.2 成分特点6.4.3 锻造及热处理特点6.5 特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢,如不锈钢、耐热钢和耐磨钢等6.5 特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢,如不锈钢、耐热钢和耐磨钢等.6.6 铸铁 6.6.1 铸铁的石墨化 20min6.6.2 常用铸铁50min1.铸铁的组织、分类与牌号铸铁的性能除了

30、与成分及基体组织有关外,更主要的是取决于石墨的形态,因此,工业铸铁一般根据石墨的形态来进行分类。2.成分特点3铸铁性能特点4热处理特点5铸铁的应用6.6.3 合金铸铁 20min1耐磨铸铁2耐热铸铁3耐蚀铸铁6.7铝及其合金 6.7.1 纯铝6.7.2 铝合金的分类形变铝合金和铸造铝合金两大类形变铝合金又可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金。铝硅铸造铝合金：又称为硅铝明6.8铜及其合金 6.8.1 纯铜6.8.2 黄铜黄铜是以锌作为主要合金元素的铜合金通常把铜锌二元合金称为普通黄铜,用黄字汉语拼音字首H表示,其后附以数字表示平均含铜量。6.8.3 青铜6.9 轴承合金锡基轴承合金

31、6.10新型金属材料 形状记忆合金第七章铸造金属液态成形7.1砂型铸造60min砂型铸造的工艺过程包括：混砂、造型和造芯、烘干、合箱、熔化与浇注、铸件的清理和检验等工序。液态成形铸造的优点：1适应性广,工艺灵活性大材料、大小、形状几乎不受限制2最适合形状复杂的箱体、机架、阀体、泵体、缸体等3成本较低铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近主要问题：组织疏松、晶粒粗大,铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生,导致铸件力学性能,特别是冲击性能较低。分类：铸造从造型方法来分,可分为砂型铸造和特种铸造两大类。其中砂型铸造工艺如图7-1所示。图7-1 砂型铸造工艺流程图7.1.1 造型方法造型是砂型铸造的重要

32、工序,有手工造型和机器造型两类。1.手工造型手工造型特点：操作方便灵活、适应性强,模样生产准备时间短。但生产率低,劳动强度大,铸件质量不易保证。只适用于单件小批量生产。各种常用手工造型方法的特点及其适用范围见下表：表 常用手工造型方法的特点和应用范围造型方法主要特点适用范围按砂箱特征区分铸型由上型和下型组成,造型、起模、修型等操作方便适用于各种生产批量,各种大、中、小铸件铸型由上、中、下三部分组成,中型的高度须与铸件两个分型面的间距相适应。三箱造型费工,应尽量避免使用主要用于单件、小批量生产具有两个分型面的铸件在车间地坑内造型,用地坑代替下砂箱,只要一个上砂箱,可减少砂箱的投资。但造型费工,而

33、且要求操作者的技术水平较高常用于砂箱数量不足,制造批量不大的大、中型铸件铸型合型后,将砂箱脱出,重新用于造型。浇注前,须用型砂将脱箱后的砂型周围填紧,也可在砂型上加套箱主要用在生产小铸件,砂箱尺寸较小按模样特征区分模样是整体的,多数情况下,型腔全部在下半型内,上半型无型腔。造型简单,铸件不会产生错型缺陷适用于一端为最大截面,且为平面的铸件模样是整体的,但铸件的分型面是曲面。为了起模方便,造型时用手工挖去阻碍起模的型砂。每造一件,就挖砂一次,费工、生产率低用于单件或小批量生产分型面不是平面的铸件为了克服挖砂造型的缺点,先将模样放在一个预先作好的假箱上,然后放在假箱上造下型,省去挖砂操作。操作简便

34、,分型面整齐用于成批生产分型面不是平面的铸件将模样沿最大截面处分为两半,型腔分别位于上、下两个半型内。造型简单,节省工时常用于最大截面在中部的铸件铸件上有妨碍起模的小凸台、肋条等。制模时将此部分作成活块,在主体模样起出后,从侧面取出活块。造型费工,要求操作者的技术水平较高主要用于单件、小批量生产带有突出部分、难以起模的铸件用刮板代替模样造型。可大大降低模样成本,节约木材,缩短生产周期。但生产率低,要求操作者的技术水平较高主要用于有等截面的或回转体的大、中型铸件的单件或小批量生产2.机器造型：机器造型是指用机械设备实现紧砂和起模的造型方法。机器造型特点：大批量生产砂型的主要方法,能够显著提高劳动

35、生产率,改善劳动条件,并提高铸件的尺寸精度、表面质量,使加工余量减小。1.基本原理图7-2所示为顶杆起模式震压造型机的工作过程。图7-2震压造型机的工作过程填砂震击紧砂辅助压实起模2.工艺特点机器造型工艺是采用模底板进行两箱造型。模底板是将模样、浇注系统沿分型面与底板联结成一个整体的专用模具。造型后,底板形成分型面,模样形成铸型空腔。3.造芯用途：当制作空心铸件,或铸件的外壁内凹,或铸件具有影响起模的外凸时,经常要用到型芯,制作型芯的工艺过程称为造芯。型芯可用手工制造,也可用机器制造。形状复杂的型芯可分块制造,然后粘合成形。注意：为了提高型芯的刚度和强度,需在型芯中放入芯骨；为了提高型芯的透气

36、性,需在型芯的内部制作通气孔；为了提高型芯的强度和透气性,一般型芯需烘干使用。7.1.2砂型铸造工艺目的：为了获得健全的合格铸件,减小铸型制造的工作量,降低铸件成本,在砂型铸造的生产准备过程中,必须合理地制订出铸造工艺方案,并绘制出铸造工艺图。铸造工艺图：在零件图中用各种工艺符号表示出铸造工艺方案的图形,其中包括：铸件的浇注位置；铸型分型面；型芯的数量、形状、固定方法及下芯次序；加工余量；起模斜度；收缩率；浇注系统；冒口；冷铁的尺寸和布置等。铸造工艺图是指导模样芯盒设计、生产准备、铸型制造和铸件检验的基本工艺文件。依据铸造工艺图,结合所选造型方法,便可绘制出模样图及合箱图。图7-3为支座的铸造

37、工艺图、模样图及合箱图。图7-3支座的铸造工艺图、模样图及合型图a零件图 b铸造工艺图左和模样图右 c合型图一浇注位置的选择浇注位置：浇注时铸件在铸型中所处的位置,选择原则如下：1铸件的重要加工面应朝下或位于侧面图7-4所示为车床床身铸件的浇注位置方案。由于床身导轨面是重要表面,不允许有明显的表面缺陷,而且要求组织致密,因此应将导轨面朝下浇注。图7-4车床床身的浇注位置图7-5为起重机卷扬筒的浇注位置方案。采用立式浇注,由于全部圆周表面均处于侧立位置,其质量均匀一致、较易获得合格铸件。图7-5卷扬筒的浇注位置1 铸件的大平面应朝下型腔的上表面除了容易产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷外,大平面还常容易

38、产生夹砂缺陷。因此,对平板、圆盘类铸件的大平面应朝下。2 面积较大的薄壁部分置于铸型下部或使其处于垂直或倾斜位置可以有效防止铸件产生浇不足或冷隔等缺陷。图7-6为油盘铸件的合理浇注位置。图7-6薄壁件的浇注位置3 对于容易产生缩孔的铸件,应将厚大部分放在分型面附近的上部或侧面以便在铸件厚壁处直接安置冒口,使之实现自下而上的定向凝固。如前述之铸钢卷扬筒,浇注时厚端放在上部是合理的；反之,若厚端在下部,则难以补缩。二铸型分型面的选择铸型分型面的选择恰当与否会影响铸件质量,使制模、造型、造芯、合箱或清理等工序复杂化,甚至还可增大切削加工的工作量。分型面的选择原则：1便于起模,使造型工艺简化尽量使分型

39、面平直、数量少,避免不必要的活块和型芯。图7-7为一起重臂铸件,按图中所示的分型面为一平面,故可采用较简便的分模造型；如果选用弯曲分型面,则需采用挖砂或假箱造型,而在大量生产中则使机器造型的模底板的制造费用增加。图7-7起重臂的分型面应尽量使铸型只有一个分型面,以便采用工艺简便的两箱造型。多一个分型面,铸型就增加一些误差,使铸件的精度降低。图7-8a所示的三通,其内腔必须采用一个T字型芯来形成,但不同的分型方案,其分型面数量不同。当中心线ab呈垂直时图7-8b,铸型必须有三个分型面才能取出模样,即用四箱造型。当中心线cd呈垂直时图7-8c,铸型有两个分型面,必须采用三箱造型。当中心线ab和cd

40、都呈水平位置时图7-8d,因铸型只有一个分型面,采用两箱造型即可。显然,图7-8d是合理的分型方案。图7-8三通的分型方案图7-9所示支架分型方案是避免用活块的例子。按图中方案I,凸台必须采用四个活块制出,而下部两个活块的部位较深,取出困难。当改用方案II时,可省去活块,仅在A处稍加挖砂即可。图7-9支架的分型方案铸件的内腔一般是由型芯形成的,有时可用型芯简化模样的外形,制出妨碍起模的凸台、侧凹等。但制造型芯需要专门的工艺装备,并增加下芯工序,会增加铸件成本。因此,选择分型面时应尽量避免不必要的型芯。如图7-10所示的轮形铸件,由于轮的圆周面外侧内凹,在批量不大的生产条件下,多采用三箱造型。但

41、在大批量生产条件下,采用机器造型,需要改用图中所示的环状型芯,使铸型简化成只有一个分型面,这种方法尽管增加了型芯的费用,但可通过机器造型所取得的经济效益得到补偿。图7-10使用型芯减少分型面2尽量使铸件全部或大部置于同一砂箱,以保证铸件精度如图7-11所示。图7-11车床床身铸件3尽量使型腔及主要型芯位于下型这样便于造型、下芯、合箱和检验铸件壁厚。但下型型腔也不宜过深,并尽量避免使用吊芯和大的吊砂。如图7-12所示。图7-12机床支架注意：选择分型面的上述诸原则,对于某个具体的铸件来说难以全面满足,有时甚至互相矛盾。因此,必须抓住主要矛盾、全面考虑,至于次要矛盾,则应从工艺措施上设法解决。三工

42、艺参数的确定在铸造工艺方案初步确定之后,还必须选定铸件的机械加工余量、起模斜度、收缩率、型芯头尺寸等具体参数。1. 加工余量和最小铸出孔在铸件上为切削加工而加大的尺寸称为机械加工余量。数值取决于：铸件生产批量、合金的种类、铸件的大小、加工面与基准面之间的距离及加工面在浇注时的位置等。采用机器造型,铸件精度高,余量可减小；手工造型误差大,余量应加大。铸钢件因表面粗糙,余量应加大；非铁合金铸件价格昂贵,且表面光洁,余量应比铸铁小。铸件的尺寸愈大或加工面与基准面之间的距离愈大,尺寸误差也愈大,故余量也应随之加大。浇注时铸件朝上的表面因产生缺陷的机率较大,其余量应比底面和侧面大。灰铸铁的机械加工余量见

43、下表。灰铸铁的机械加工余量mm铸件最大尺寸浇注时位置加工面与基准面之间的距离50 50120 120260 260500 500800 8001250 120 顶面底、侧面3.54.5 2.53.5 4.04.5 3.03.5 120260 顶面底、侧面4.05.0 3.04.0 4.55.0 3.54.0 5.05.5 4.04.5 260500 顶面底、侧面4.56.0 3.54.5 5.06.0 4.04.5 6.07.0 4.55.0 6.57.0 5.06.0 500800 顶面底、侧面5.07.0 4.05.0 6.07.0 4.55.0 6.57.0 4.55.5 7.08.0

44、5.06.0 7.59.0 6.57.0 8001250 顶面底、侧面6.07.0 4.05.5 6.57.5 5.05.5 7.08.0 5.06.0 7.58.0 5.56.0 8.09.0 5.57.0 8.510 6.57.5 铸件的孔、槽：一般来说,较大的孔、槽应当铸出,以减少切削加工工时,节约金属材料,并可减小铸件上的热节；较小的孔则不必铸出,用机加工较经济。最小铸出孔的参考数值见下表。对于零件图上不要求加工的孔、槽以及弯曲孔等,一般均应铸出。表 铸件毛坯的最小铸出孔mm生产批量最小铸出孔的直径d 灰铸铁件铸钢件大量生产1215 成批生产1530 3050 单件、小批量生产3050

45、 50 2. 起模斜度为了使模样或型芯易于从砂型或芯盒中取出,凡垂直于分型面的立壁,制造模样时必须留出一定的倾斜度,此倾斜度称为起模斜度,如图7-13所示。在铸造工艺图上,加工表面上的起模斜度应结合加工余量直接表示出,而不加工表面上的斜度结构斜度仅需用文字注明即可。图7-13起模斜度3. 收缩率铸件冷却后的尺寸比型腔尺寸略为缩小,为保证铸件的应有尺寸,模样尺寸必须比铸件放大一个该合金的收缩率。铸造收缩率K表达式为：式中模样或芯盒工作面的尺寸,单位为mm；铸件的尺寸,单位为mm。通常,灰铸铁的铸造收缩率为0.7%1.0%,铸造碳钢为1.3%2.0%,铸造锡青铜为1.2%1.4%。4. 型芯头型芯

46、头可分为垂直芯头和水平芯头两大类,如图7-14所示。图7-14型芯头的构造a垂直芯头 b水平芯头四铸造工艺设计的一般程序铸造工艺设计：在生产铸件之前,编制出控制该铸件生产工艺的技术文件。铸造工艺设计主要是画铸造工艺图、铸件毛坯图、铸型装配图和编写工艺卡片等,它们是生产的指导性文件,也是生产准备、管理和铸件验收的依据。因此,铸造工艺设计的好坏,对铸件的质量、生产率及成本起着决定性的作用。一般大量生产的定型产品、特殊重要的单件生产的铸件,铸造工艺设计订得细致,内容涉及较多。单件、小批生产的一般性产品,铸造工艺设计内容可以简化。在最简单的情况下,只须绘制一张铸造工艺图即可。铸造工艺设计的内容和一般程

47、序见表。表 铸造工艺设计的内容和一般程序项目 内容 用途及应用范围 设计程序 铸造工艺图在零件图上用规定的红、兰等各色符号表示出：浇注位置和分型面,加工余量,收缩率,起模斜度,反变形量,浇、冒口系统,内外冷铁,铸肋,砂芯形状、数量及芯头大小等是制造模样、模底板、芯盒等工装以及进行生产准备和验收的依据适用于各种批量的生产产品零件的技术条件和结构工艺性分析选择铸造及造型方法确定浇注位置和分型面选用工艺参数设计浇冒口、冷铁和铸肋型芯设计铸件图把经过铸造工艺设计后,改变了零件形状、尺寸的地方都反映在铸件图上是铸件验收和机加工夹具设计的依据。适用于成批、大量生产或重要铸件的生产在完成铸造工艺图的基础上,

48、画出铸件图铸型装配图表示出浇注位置,型芯数量、固定和下芯顺序,浇冒口和冷铁布置,砂箱结构和尺寸大小等是生产准备、合箱、检验、工艺调整的依据适用于成批、大量生产的重要件,单件的重型铸件通常在完成砂箱设计后画出铸造工艺卡片说明造型、造芯、浇注、打箱、清理等工艺操作过程及要求是生产管理的重要依据根据批量大小填写必要条件综合整个设计内容五实例分析以C6140车床进给箱体为例分析毛坯的铸造工艺方案如下：C6140车床进给箱体,该件质量约35Kg,如图1-31所示,该零件没有特殊质量要求的表面,仅要求尽量保证基准面D不得有明显铸造缺陷,以便进行定位。它的材料为铸造性能优良的灰铸铁HT150,勿需考虑补缩。

49、在制订铸造工艺方案时,主要应着眼于工艺上的简化。图7-15车床进给箱体零件图1.分型面进给箱体的分型面,有如图1-32所示的三个方案供选择：方案I：分型面在轴孔的中心线上。此时,凸台A因距分型面较近,又处于上型,若采用活块,型砂易脱落,故只能用型芯来形成,槽C可用型芯或活块制出。本方案的主要优点是适于铸出轴孔,铸后轴孔的飞边少,便于清理。同时,下芯头尺寸较大,型芯稳定性好,不容易产生偏芯。其主要缺点是基准面D朝上,使该面较易产生气孔和夹渣等缺陷,且型芯的数量较多。方案II：从基准面D分型,铸件绝大部分位于下型。此时,凸台A不妨碍起模,但凸台E和槽C妨碍起模,也需采用活块或型芯来克服。它的缺点除

50、基准面朝上外,其轴孔难以直接铸出。轴孔若拟铸出,因无法制出型芯头,必须加大型芯与型壁的间隙,致使飞边清理困难。方案III：从B面分型,铸件全部置于下型。其优点是铸件不会产生错型缺陷；基准面朝下,其质量容易保证；同时,铸件最薄处在铸型下部,金属液易于充满铸型。缺点是凸台E、A和槽C都需采用活块或型芯,而内腔型芯上大下小稳定性差；若拟铸出轴孔,其缺点与方案II相同。图7-16车床进给箱体分型面的选择方案上述诸方案各有其优缺点,需结合具体生产条件,找出最佳方案。大批量生产条件下,为减少切削加工工作量,九个轴孔需要铸出。此时,为了使下芯、合箱及铸件的清理简便,只能按照方案I从轴孔中心线处分型。为了便于

51、采用机器造型、尽量避免活块,故凸台和凹槽均应用型芯来形成。为了克服基准面朝上的缺点,必须加大D面的加工余量。单件、小批量生产条件下,因采用手工造型,使用活块造型较型芯更为方便。同时,因铸件的尺寸允许偏差较大,九个轴孔不必铸出,留待直接切削加工而成。此外,应尽量降低上型高度,以便利用现有砂箱。显然,在单件生产条件下,宜采用方案II或方案III。2. 铸造工艺图分型面确定后,便可绘制出铸造工艺简图,采用分型方案I时的铸造工艺图如图7-17所示。图7-17车床进给箱体铸造工艺图局部7.2特种铸造40min7.2.1 熔模铸造熔模铸造又名失蜡铸造,是用易熔的蜡质材料制作模型,用造型材料将其包覆若干层后

52、形成型壳,再将其中蜡模熔化到出,烘干后浇入金属液而获得铸件的方法。图7-18 熔模铸造示意图一熔模铸造的工艺过程1制造蜡模蜡模材料常用50%石蜡和50%硬脂酸配制而成。如图1-34a所示。为提高生产率,常把数个蜡模熔焊在蜡棒上,成为蜡模组,如图1-34b所示。2制造型壳在蜡模组表面浸挂一层以水玻璃和石英粉配制的涂料,然后在上面撒一层较细的硅砂,并放入固化剂如氯化铵水溶液等中硬化。使蜡模组外面形成由多层耐火材料组成的坚硬型壳一般为410层,型壳的总厚度为57mm,如图1-34c所示。3熔化蜡模脱蜡通常将带有蜡模组的型壳放在8090的热水中,使蜡料熔化后从浇注系统中流出。4型壳的焙烧把脱蜡后的型壳

53、放入加热炉中,加热到800950,保温0.52h,烧去型壳内的残蜡和水分,并使型壳强度进一步提高。5浇注将型壳从焙烧炉中取出后,周围堆放干砂,加固型壳,然后趁热600700浇入合金液,并凝固冷却。6脱壳和清理用人工或机械方法去掉型壳、切除浇冒口,清理后即得铸件。熔模铸造的特点是：1铸件精度高、表面质量好,是少、无切削加工工艺的重要方法之一,其尺寸精度可达IT11IT14,表面粗糙度为Ra12.51.6m。如熔模铸造的涡轮发动机叶片,铸件精度已达到无加工余量的要求。2可制造形状复杂铸件,其最小壁厚可达0.3mm,最小铸出孔径为0.5mm。对由几个零件组合成的复杂部件,可用熔模铸造一次铸出。3铸造

54、合金种类不受限制,用于高熔点和难切削合金,更具显著的优越性。4生产批量基本不受限制,既可成批、大批量生产,又可单件、小批量生产。缺点：工序繁杂,生产周期长,原辅材料费用比砂型铸造高,生产成本较高,铸件不宜太大、太长,一般限于25kg以下。产品：生产汽轮机及燃气轮机的叶片,泵的叶轮,切削刀具,以及飞机、汽车、拖拉机、风动工具和机床上的小型零件。金属型铸造金属型铸造是将金属液浇注到金属铸型中获得铸件的方法铸造金属液态成形：将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中,待其凝固冷却后,获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的方法。1、金属型的结构与材料根据分型面位置的不同,金属型可分为垂直分型式、水平分型式和复

55、合分型式三种结构,其中垂直分型式金属型开设浇注系统和取出铸件比较方便,易实现机械化,应用较广,如图7-19所示。图7-19垂直分型式金属型图7-20所示为铸造铝合金活塞用的垂直分型式金属型,它由两个半型组成。上面的大金属芯由三部分组成,便于从铸件中取出。当铸件冷却后,首先取出中间的楔片及两个小金属芯,然后将两个半金属芯沿水平方向向中心靠拢,再向上拔出。制造金属型的材料熔点一般应高于浇注合金的熔点。如浇注锡、锌、镁等低熔点合金,可用灰铸铁制造金属型；浇注铝、铜等合金,则要用合金铸铁或钢制金属型。金属型用的芯子有砂芯和金属芯两种。图7-20铝合金活塞的金属型简图2、金属型的铸造工艺措施由于金属型导

56、热速度快,没有退让性和透气性,为了确保获得优质铸件和延长金属型的使用寿命,必须采取下列工艺措施：1加强金属型的排气2表面喷刷防粘砂涂料3预热金属型4开型因金属型无退让性,除在浇注时正确选定浇注温度和浇注速度外,浇注后,如果铸件在铸型中停留时间过长,易引起过大的铸造应力而导致铸件开裂。因此,铸件冷凝后,应及时从铸型中取出。通常铸铁件出型温度为780950左右,开型时间为1060s。3、金属型铸件的结构工艺性1铸件结构一定要保证能顺利出型,铸件结构斜度应较砂型铸件为大。2铸件壁厚要均匀,壁厚不能过薄Al-Si合金24mm,Al-Mg合金为35mm。3铸孔的孔径不能过小、过深,以便于金属型芯的按放和

57、抽出,4、金属型铸造的特点及应用范围金属型铸造的特点是：1尺寸精度高IT12IT16、表面粗糙度小Ra12.56.3m,机械加工余量小。2铸件的晶粒较细,力学性能好。3可实现一型多铸,提高了劳动生产率,且节约造型材料。但金属型的制造成本高,不宜生产大型、形状复杂和薄壁铸件；由于冷却速度快,铸铁件表面易产生白口,切削加工困难；受金属型材料熔点的限制,熔点高的合金不适宜用金属型铸造。用途：铜合金、铝合金等铸件的大批量生产,如活塞、连杆、汽缸盖等；铸铁件的金属型铸造目前也有所发展,但其尺寸限制在300mm以内,质量不超过8kg,如电熨斗底板等。7.2.3 低压铸造一、比压3070MPa,充型时间0.

58、010.2sec。一压铸机和压铸工艺过程压铸机分类：根据压室工作条件不同,分为冷压室压铸机和热压室压铸机两类。热压室压铸机的压室与坩埚连成一体,而冷压室压铸机的压室是与坩埚分开的。冷压室压铸机又可分为立式和卧式两种,目前以卧式冷压室压铸机应用较多,其工作原理如图7-21所示。压铸铸型：定型、动型,将定量金属液浇入压室,柱塞向前推进,金属液经浇道压入压铸模型腔中,经冷凝后开型,由推杆将铸件推出。冷压室压铸机,可用于压铸熔点较高的非铁金属,如铜、铝和镁合金等。图7-21卧式冷压室压铸机工作原理二压铸件的结构工艺性1压铸件上应消除内侧凹,以保证压铸件从压型中顺利取出。2压力铸造可铸出细小的螺纹、孔、

59、齿和文字等,但有一定的限制。3应尽可能采用薄壁并保证壁厚均匀。由于压铸工艺的特点,金属浇注和冷却速度都很快,厚壁处不易得到补缩而形成缩孔、缩松。压铸件适宜的壁厚：锌合金为14mm,铝合金为1.55mm,铜合金为25mm。4对于复杂而无法取芯的铸件或局部有特殊性能如耐磨、导电、导磁和绝缘等要求的铸件,可采用嵌铸法,把镶嵌件先放在压型内,然后和压铸件铸合在一起。三压力铸造的特点及其应用压铸有如下特点：1压铸件尺寸精度高,表面质量好,尺寸公差等级为IT11IT13,表面粗糙度Ra值为6.31.6m,可不经机械加工直接使用,而且互换性好。2可以压铸壁薄、形状复杂以及具有很小孔和螺纹的铸件,如锌合金的压铸件最小壁厚可达0.8mm,最小铸出孔径可达0.8mm、最小可铸螺距达0.75mm。还能压铸镶嵌件。3压铸件的强度和表面硬度较高。压力下结晶,加上冷却速度快,铸件表层晶粒细密,其抗拉强度比砂型铸件高25%40%。4生产率高,可实现半自