(17)--《金属工艺学（第二版）》金属工艺学.ppt

金属工艺学金属工艺学12第第 一一 章章 绪绪 论论l1.1 本课程的研究内容本课程的研究内容l1.2 制造技术的发展及对国民经济贡献制造技术的发展及对国民经济贡献l1.3 制造业的变革及挑战制造业的变革及挑战l1.4 制造技术给制造业带来的变革制造技术给制造业带来的变革l1.5 金属工艺技术的发展趋势金属工艺技术的发展趋势2 2本课程的研究内容本课程的研究内容 金属工艺学课程是研究金属材料成形和零件加工方法金属工艺学课程是研究金属材料成形和零件加工方法的综合性技术基础课程，是现代工程材料和装备制造学科领的综合性技术基础课程，是现代工程材料和装备制造学科领域的重要组成部分，是高等工科教育的重要内容，是完成素域的重要组成部分，是高等工科教育的重要内容，是完成素质教育和应用基础型特色名校人才培养目标的重要课程。质教育和应用基础型特色名校人才培养目标的重要课程。金属工艺学在专业培养目标中的定位是专业必修的基金属工艺学在专业培养目标中的定位是专业必修的基础课程，主要讲授各种材料成形方法本身的规律性及其在机础课程，主要讲授各种材料成形方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系，金属零件加工工艺过程和结构械制造中的应用和相互联系，金属零件加工工艺过程和结构工艺性，常用金属材料的性能对加工工艺的影响，工艺方法工艺性，常用金属材料的性能对加工工艺的影响，工艺方法的综合比较等。的综合比较等。金属工艺学课程的目标是通过课程学习，使学生了解金属工艺学课程的目标是通过课程学习，使学生了解材料成形工艺在机械制造中的作用，能综合运用已学过的知材料成形工艺在机械制造中的作用，能综合运用已学过的知识进行材料成形方法和加工方法的选择。识进行材料成形方法和加工方法的选择。金属工艺学课程是学生进入专业领域学习的金属工艺学课程是学生进入专业领域学习的“先导先导”课程，内容涉及了机器制造的主要环节：毛坯生产（包括铸课程，内容涉及了机器制造的主要环节：毛坯生产（包括铸造、压力加工以及焊接等）和零件加工，为机械类专业建立造、压力加工以及焊接等）和零件加工，为机械类专业建立机器制造相关知识与技能的基础平台。课程主线与主要内容机器制造相关知识与技能的基础平台。课程主线与主要内容如图如图1-1所示。所示。图1-1本课程的研究内容本课程的研究内容 机械制造过程是指产品从原材料经加工后获得预机械制造过程是指产品从原材料经加工后获得预定的形状和组织性能的过程，由于成形过程的不同，定的形状和组织性能的过程，由于成形过程的不同，可分为热加工、冷加工。可分为热加工、冷加工。热加工是采用物理、化学等方法使材料转移、去除、结合或改性，从而高效、低耗、少无余量地制造优质半成品或精密零部件的加工方法，包括铸造、压力加工、焊接、热处理与表面处理等技术。热加工的重点是获得优质高效成形与改性的基础理论和相应装备的关键技术，以及质量控制和工艺模拟等方面的研究。冷加工是指原材料经去除加工获得预定形状与表面质量，传统的加工方法有切削、磨削加工等技术。冷加工方面侧重于超高速、超精密方面的切削、磨削基础理论及关键技术的研究。本课程的研究内容本课程的研究内容制造工艺主要包括热处理与表面改性、铸造、压力制造工艺主要包括热处理与表面改性、铸造、压力加工、焊接、切削、磨削等技术领域。加工、焊接、切削、磨削等技术领域。通过热处理可以使材料或零件获得设计所要求的理想强度、通过热处理可以使材料或零件获得设计所要求的理想强度、韧性、疲劳、耐磨等综合力学性能及使用性能，从而保证零件韧性、疲劳、耐磨等综合力学性能及使用性能，从而保证零件的质量和可靠性。的质量和可靠性。表面改性是利用激光、电子束、离子注入、化学气相沉积、表面改性是利用激光、电子束、离子注入、化学气相沉积、物理气相沉积和化学电化学转化等特种物理化学手段，通过改物理气相沉积和化学电化学转化等特种物理化学手段，通过改变构件表面化学成分及分布，达到改善构件力学性能或其它物变构件表面化学成分及分布，达到改善构件力学性能或其它物理化学性能的材料加工工艺。理化学性能的材料加工工艺。铸造是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属铸造是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属在重力、压力、离心力、电磁力等外力场的在重力、压力、离心力、电磁力等外力场的作用下充满铸型，凝固后获得一定形状与性作用下充满铸型，凝固后获得一定形状与性能铸件的生产过程能铸件的生产过程 压力加工是利用外力使金属坯料产生塑性变形，从而压力加工是利用外力使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的加工方法，又称金属塑性加工。凡具有一定塑性零件的加工方法，又称金属塑性加工。凡具有一定塑性的金属，如钢和大多数非铁合金材料及其合金等，均可的金属，如钢和大多数非铁合金材料及其合金等，均可在热态或冷态下进行压力加工。常用的压力加工方法有在热态或冷态下进行压力加工。常用的压力加工方法有锻造、冲压、挤压、轧制和拉拔等锻造、冲压、挤压、轧制和拉拔等焊接是一种永久性连接材料的工焊接是一种永久性连接材料的工艺方法艺方法.焊接方法的种类很多，通焊接方法的种类很多，通常按焊接过程的特点可分为三大常按焊接过程的特点可分为三大类，即熔焊、压焊和钎焊。类，即熔焊、压焊和钎焊。切削、磨削加工是利用切削工具和工件做相切削、磨削加工是利用切削工具和工件做相对运动，从毛坯上切去多余部分材料，以获对运动，从毛坯上切去多余部分材料，以获得所需几何形状、尺寸精度和表面粗糙度的得所需几何形状、尺寸精度和表面粗糙度的零件的加工过程。零件的加工过程。本课程的研究内容本课程的研究内容金属工艺技术的发展趋势金属工艺技术的发展趋势（1）采用模拟技术，优化工艺设计）采用模拟技术，优化工艺设计 应用模拟技术，可以虚拟显示材料热加工（铸造、锻压、应用模拟技术，可以虚拟显示材料热加工（铸造、锻压、焊接、热处理、注塑等）的工艺过程，预测工艺结果（组织焊接、热处理、注塑等）的工艺过程，预测工艺结果（组织性能质量），并通过不同参数比较以优化工艺设计，确保大性能质量），并通过不同参数比较以优化工艺设计，确保大件一次制造成功；确保成批件一次试模成功。件一次制造成功；确保成批件一次试模成功。模拟技术同样已开始应用于机械加工、特种加工及装配模拟技术同样已开始应用于机械加工、特种加工及装配过程，并已向拟实制造成形的方向发展，成为分散网络化制过程，并已向拟实制造成形的方向发展，成为分散网络化制造、数字化制造及制造全球化的技术基础。造、数字化制造及制造全球化的技术基础。（2）成形精度向近无余量方向发展）成形精度向近无余量方向发展 毛坯和零件的成形是机械制造的第一道工序。随着毛坯和零件的成形是机械制造的第一道工序。随着毛坯精密成形工艺的发展，零件成形的形状尺寸精度正毛坯精密成形工艺的发展，零件成形的形状尺寸精度正从近净成形向净成形即近无余量成形方向发展。从近净成形向净成形即近无余量成形方向发展。“毛坯毛坯”与与“零件零件”的界限越来越小。有的毛坯成形后，已接的界限越来越小。有的毛坯成形后，已接近或达到零件的最终形状和尺寸，磨削后即可装配。主近或达到零件的最终形状和尺寸，磨削后即可装配。主要方法有多种形式的精铸、精锻、精冲、冷温挤压、精要方法有多种形式的精铸、精锻、精冲、冷温挤压、精密焊接及切割。密焊接及切割。金属工艺技术的发展趋势金属工艺技术的发展趋势（3）成形质量向近无）成形质量向近无“缺陷缺陷”方向发展方向发展 采用先进工艺，净化熔融金属薄板，增大合金组织的致采用先进工艺，净化熔融金属薄板，增大合金组织的致密度，为得到健全的铸件、锻件奠定基础；采用模拟技术，密度，为得到健全的铸件、锻件奠定基础；采用模拟技术，优化工艺设计，实现一次成形及试模成功；加强工艺过程监优化工艺设计，实现一次成形及试模成功；加强工艺过程监控及无损检测，及时发现超标零件；通过零件安全可靠性能控及无损检测，及时发现超标零件；通过零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。研究及评估，确定临界缺陷量值等。金属工艺技术的发展趋势金属工艺技术的发展趋势（4）机械加工向超精密、超高速方向发展）机械加工向超精密、超高速方向发展 超精密加工技术目前已进入纳米加工时代，加工精度达超精密加工技术目前已进入纳米加工时代，加工精度达0.025m，表面粗糙度达，表面粗糙度达0.0045m。精切削加工技术由目。精切削加工技术由目前的红外波段向加工可见光波段或不可见紫外线和前的红外波段向加工可见光波段或不可见紫外线和X射线波射线波段趋近；超精加工机床向多功能模块化方向发展；超精加工段趋近；超精加工机床向多功能模块化方向发展；超精加工材料由金属扩大到非金属。材料由金属扩大到非金属。金属工艺技术的发展趋势金属工艺技术的发展趋势（5）采用新型能源及复合加工，解决新型材料的加）采用新型能源及复合加工，解决新型材料的加工和表面改性难题工和表面改性难题 激光、电子束、离子束、分子束、等离子体、微波、超激光、电子束、离子束、分子束、等离子体、微波、超声波、电液、电磁、高压水射流等新型能源或能源载体的引声波、电液、电磁、高压水射流等新型能源或能源载体的引入，形成了多种崭新的特种加工及高密度能切割、焊接、熔入，形成了多种崭新的特种加工及高密度能切割、焊接、熔炼、锻压、热处理、表面保护等加工工艺或复合工艺。其中炼、锻压、热处理、表面保护等加工工艺或复合工艺。其中以多种形式的激光加工发展最为迅速。这些新工艺不仅提高以多种形式的激光加工发展最为迅速。这些新工艺不仅提高了加工效率和质量，同时还解决了超硬材料、高分子材料、了加工效率和质量，同时还解决了超硬材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷等新型材料的加工难题。复合材料、工程陶瓷等新型材料的加工难题。金属工艺技术的发展趋势金属工艺技术的发展趋势（6）采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制）采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制 微电子、计算机、自动化技术与工艺设备相结合，形成了微电子、计算机、自动化技术与工艺设备相结合，形成了从单机到系统，从刚性到柔性，从简单到复杂等不同档次的多从单机到系统，从刚性到柔性，从简单到复杂等不同档次的多种自动化成形加工技术，使工艺过程控制方式发生质的变化种自动化成形加工技术，使工艺过程控制方式发生质的变化。其发展历程及趋势为其发展历程及趋势为:金属工艺技术的发展趋势金属工艺技术的发展趋势 应用集成电路、可编程序控制器、微机等新型控制元件、装置实现应用集成电路、可编程序控制器、微机等新型控制元件、装置实现工艺设备的单机、生产线或系统的自动化控制。工艺设备的单机、生产线或系统的自动化控制。应用新型传感、无损检测、理化检验及计算机、微电子技术，实时应用新型传感、无损检测、理化检验及计算机、微电子技术，实时测量并监控工艺过程的温度、压力、形状、尺寸、位移、应力、应变、测量并监控工艺过程的温度、压力、形状、尺寸、位移、应力、应变、振动、声、像、电、磁及合金与气体的成分、组织结构等参数，实现在振动、声、像、电、磁及合金与气体的成分、组织结构等参数，实现在线测量、测试技术的电子化、数字化、计算机及工艺参数的闭环控制，线测量、测试技术的电子化、数字化、计算机及工艺参数的闭环控制，进而实现自适应控制。进而实现自适应控制。将计算机辅助工艺编程（将计算机辅助工艺编程（CAPP）、数控、）、数控、CAD/CAM、机器人、自、机器人、自动化搬运仓储、管理信息系统（动化搬运仓储、管理信息系统（MIS）等自动化单元技术综合用于工艺）等自动化单元技术综合用于工艺设计、加工及物流过程，形成不同档次的柔性自动化系统；数控加工、设计、加工及物流过程，形成不同档次的柔性自动化系统；数控加工、加工中心（加工中心（MC）、柔性制造单元（）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造岛（）、柔性制造岛（FMI）、柔）、柔性制造系统（性制造系统（FMS）和柔性生产线（）和柔性生产线（FTL），及至形成计算机集成制造），及至形成计算机集成制造系统（系统（CIMS）和智能制造系统（）和智能制造系统（IMS）。）。（7）采用清洁能源及原材料、实现清洁生产）采用清洁能源及原材料、实现清洁生产 其途径之一为：一是采用清洁能源，如用电加热代替燃煤其途径之一为：一是采用清洁能源，如用电加热代替燃煤加热锻坯，用电熔化代替焦炭冲天炉熔化铁液；二是采用清洁加热锻坯，用电熔化代替焦炭冲天炉熔化铁液；二是采用清洁的工艺材料开发新的工艺方法，如在锻造生产中采用非石墨型的工艺材料开发新的工艺方法，如在锻造生产中采用非石墨型润滑材料，在砂型铸造中采用非煤粉型砂；三是采用新结构，润滑材料，在砂型铸造中采用非煤粉型砂；三是采用新结构，减少设备的噪声和振动。如在铸造生产中，噪声极大的震击式减少设备的噪声和振动。如在铸造生产中，噪声极大的震击式造型机已被射压、静压造型机所取代。造型机已被射压、静压造型机所取代。金属工艺技术的发展趋势金属工艺技术的发展趋势（8）加工与设计之间的界限逐渐淡化，并趋向集加工与设计之间的界限逐渐淡化，并趋向集成及一体化。成及一体化。CAD/CAM、FMS、CIMS、并行工程、快速原型等先进、并行工程、快速原型等先进制造技术的出现，使加工与设计之间的界限逐渐淡化，并走制造技术的出现，使加工与设计之间的界限逐渐淡化，并走向一体化。同时冷热加工之间，加工过程、检测过程、物流向一体化。同时冷热加工之间，加工过程、检测过程、物流过程、装配过程之间的界限亦趋向谈化，消失，而集成于统过程、装配过程之间的界限亦趋向谈化，消失，而集成于统一的制造系统之中。一的制造系统之中。金属工艺技术的发展趋势金属工艺技术的发展趋势（9）工艺技术与信息技术、管理技术紧密结合，先）工艺技术与信息技术、管理技术紧密结合，先进制造生产模式获得不断发展进制造生产模式获得不断发展 先进制造技术系统是一个由技术、人和组织构成的集成体先进制造技术系统是一个由技术、人和组织构成的集成体系，三者有效集成才能取得满意的效果。因而先进制造工艺只系，三者有效集成才能取得满意的效果。因而先进制造工艺只有通过和信息、管理技术紧密结合，不断探索适应需求的新型有通过和信息、管理技术紧密结合，不断探索适应需求的新型生产模式，才能提高先进制造工艺的使用效果。生产模式，才能提高先进制造工艺的使用效果。先进制造生产模式主要有：柔性生产、准时生产、精益生先进制造生产模式主要有：柔性生产、准时生产、精益生产、敏捷制造、并行工程、分散网络化制造等。这些先进制造产、敏捷制造、并行工程、分散网络化制造等。这些先进制造模式是制造工艺与信息、管理技术紧密结合的结果，反过来它模式是制造工艺与信息、管理技术紧密结合的结果，反过来它也影响并促进制造工艺的不断革新与发展。也影响并促进制造工艺的不断革新与发展。金属工艺技术的发展趋势金属工艺技术的发展趋势本课程学习的方法和要求本课程学习的方法和要求 精简繁琐内容，删除陈旧内容；以现代教学理精简繁琐内容，删除陈旧内容；以现代教学理论和方法、手段进行课堂教学和实践教学；加强适论和方法、手段进行课堂教学和实践教学；加强适应性，适当增加当代科技文化最新知识；加强创新应性，适当增加当代科技文化最新知识；加强创新设计思想和能力的培养；重视计算机辅助教学的应设计思想和能力的培养；重视计算机辅助教学的应用；改革实验和实践教学模式。为培养用；改革实验和实践教学模式。为培养“认识客观认识客观世界世界”的科学家和培养的科学家和培养“改造客观世界改造客观世界”的工程师的工程师打下坚实的基础。打下坚实的基础。金属工艺学为学习其它有关课程和今后从事机械设计与制造方面的工金属工艺学为学习其它有关课程和今后从事机械设计与制造方面的工作奠定必要的工艺基础。学生在学完本课程后，应达到以下基本要求：作奠定必要的工艺基础。学生在学完本课程后，应达到以下基本要求：1.掌握主要毛坯成形方法的基本原理和工艺特点，具有选择毛坯及工艺分掌握主要毛坯成形方法的基本原理和工艺特点，具有选择毛坯及工艺分析的初步能力。析的初步能力。2.掌握各种材料成形方法的实质、工艺特点、基本原理；并基本具有选择掌握各种材料成形方法的实质、工艺特点、基本原理；并基本具有选择零件成形方法的能力，能制定简单的制造工艺规程。零件成形方法的能力，能制定简单的制造工艺规程。3.了解零件的结构工艺性。了解零件的结构工艺性。4.了解制造相关的新工艺、新技术及其发展趋势，并能用所学知识灵活的了解制造相关的新工艺、新技术及其发展趋势，并能用所学知识灵活的处理具体工程实际问题。处理具体工程实际问题。5.初步树立经济、成本、安全与环保，效率与效益等方面的工程意识。初步树立经济、成本、安全与环保，效率与效益等方面的工程意识。本课程学习的方法和要求本课程学习的方法和要求 本课程具有实践性强、综合性强和覆盖面广三大特点。本课程具有实践性强、综合性强和覆盖面广三大特点。学习时要重视实践性教学环节，如金工实习、生产实习都学习时要重视实践性教学环节，如金工实习、生产实习都是学习本课程的实践基础。通过实践实训的学习努力增强是学习本课程的实践基础。通过实践实训的学习努力增强感性认识和实践知识，了解、熟悉企业的生产和技术管理，感性认识和实践知识，了解、熟悉企业的生产和技术管理，注意理论与实践相结合。要重视阅读有关资料、手册和工注意理论与实践相结合。要重视阅读有关资料、手册和工程样本，为培养职业综合能力打下坚实基础。应该把书本程样本，为培养职业综合能力打下坚实基础。应该把书本学习和实践学习结合起来，明确地把技能训练作为教育计学习和实践学习结合起来，明确地把技能训练作为教育计划的有机组成部分，这样才符合我国培养高质量人才的需划的有机组成部分，这样才符合我国培养高质量人才的需要。要。本课程学习的方法和要求本课程学习的方法和要求12第第 二二 章章 铸铸 造造l2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础l2.2 合金铸件的生产工艺合金铸件的生产工艺l2.3 砂型铸造砂型铸造l2.4 近净成形精密铸造近净成形精密铸造l2.5 砂型铸件的结构设计砂型铸件的结构设计2 22.1 铸造工艺基础铸造工艺基础 l2.1.1 液态合金的充型液态合金的充型l2.1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩l2.1.3 铸造内应力铸造内应力l2.1.4 变形和裂纹变形和裂纹l2.1.5 铸件的质量控制铸件的质量控制l作业作业2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.1 液态合金的充型液态合金的充型 1.液态金属的结构与性质及充型液态金属的结构与性质及充型 （1 1）液态金属的结构与性质液态金属的结构与性质:液态金属是通过加热将金液态金属是通过加热将金属由固态融化为熔融状态而得到的。由于铸造生产中属由固态融化为熔融状态而得到的。由于铸造生产中得到的液体金属过热度不高（一般高于熔点得到的液体金属过热度不高（一般高于熔点100100300300），这种液态金属接近固态而远离气态。），这种液态金属接近固态而远离气态。（2 2）液态合金的充型液态合金的充型:熔化合金填充铸型的过程，简称熔化合金填充铸型的过程，简称充型。熔融合金充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓充型。熔融合金充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力，称合金的充型能力。清晰铸件的能力，称合金的充型能力。2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.1 液态合金的充型液态合金的充型 螺旋形标准试样螺旋形标准试样 合金的流动性合金的流动性用用浇注流动性试样浇注流动性试样的方法来衡量。流动性试样的种的方法来衡量。流动性试样的种类很多，如螺旋形、球形、真空试样等，应用最多的是类很多，如螺旋形、球形、真空试样等，应用最多的是螺旋形试样螺旋形试样。2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.1 液态合金的充型液态合金的充型（1 1）合金的流动性合金的流动性：1)1)合金的种类；合金的种类；2)2)合金的成分；合金的成分；3)3)杂质与含气量；杂质与含气量；（2 2）浇注条件浇注条件：1)1)浇注温度；浇注温度；2)2)充型压力；充型压力；（3 3）铸型条件铸型条件：1)1)铸型的蓄热能力；铸型的蓄热能力；2)2)铸型温度铸型温度 3)3)铸型中的气体；铸型中的气体；4)4)铸件结构铸件结构2.影响合金充型能力的主要因素影响合金充型能力的主要因素2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩 l物质从液态转化为固态的过程称为物质从液态转化为固态的过程称为凝固凝固。金属凝固过。金属凝固过程又称为程又称为结晶结晶。结晶包括。结晶包括形核和长大形核和长大两个基本过程。两个基本过程。l铸件的凝固组织对金属材料的力学性能、物理性能影铸件的凝固组织对金属材料的力学性能、物理性能影响甚大。一般情况下，响甚大。一般情况下，晶粒越细小均匀，金属材料的晶粒越细小均匀，金属材料的强度和硬度越高，塑性和韧性越好强度和硬度越高，塑性和韧性越好。l影响铸件凝固组织的因素有影响铸件凝固组织的因素有：成分、冷却速度和形核：成分、冷却速度和形核条件等。条件等。1.液态金属的凝固液态金属的凝固2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩 l在铸件凝固过程中，其断面上一般存在三个区域，即固在铸件凝固过程中，其断面上一般存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区。相区、凝固区和液相区。l对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。的宽窄。铸件的铸件的“凝固方式凝固方式”就是就是依据凝固区的宽窄来依据凝固区的宽窄来划分的。划分的。l三种凝固方式三种凝固方式：逐层凝固逐层凝固、糊状凝固糊状凝固和和中间凝固中间凝固。2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩 影响铸件凝固方式的主要因素有影响铸件凝固方式的主要因素有合金合金的结晶温度范围的结晶温度范围和和铸件的温度梯度铸件的温度梯度。表层表层 中心中心 表层表层 中心中心 表层表层 中心中心成分成分t铸件铸件t铸件铸件t铸件铸件温温度度温温度度温温度度温温度度固相线固相线液相线液相线abc铸件的凝固方式铸件的凝固方式 a)逐层凝固逐层凝固 b)中间凝固中间凝固 c)糊状凝固糊状凝固2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩 l合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象，称为积或尺寸缩减的现象，称为收缩收缩。l合金的收缩量常用合金的收缩量常用体收缩率体收缩率和和线收缩率线收缩率来表示。来表示。体收缩率：体收缩率：线收缩率：线收缩率：2.合金的收缩合金的收缩2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩 l合金的收缩可以分为合金的收缩可以分为三个阶段三个阶段：1）液态收缩液态收缩。从浇注温度冷却到凝固开始温度（液相线。从浇注温度冷却到凝固开始温度（液相线温度）的收缩，即金属在液态时由于温度降低而发生的温度）的收缩，即金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。体积收缩。2）凝固收缩凝固收缩。从凝固开始温度冷却到凝固终止温度（固。从凝固开始温度冷却到凝固终止温度（固相线温度）的收缩，即熔融金属在凝固阶段的体积收缩。相线温度）的收缩，即熔融金属在凝固阶段的体积收缩。3）固态收缩固态收缩。从凝固终止温度冷却到室温的收缩，即金。从凝固终止温度冷却到室温的收缩，即金属在固态由于室温降低而发生的体积收缩。属在固态由于室温降低而发生的体积收缩。2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩 铸造合金收缩过程示意图铸造合金收缩过程示意图a)合金状态图合金状态图 b)一定温度范围合金一定温度范围合金 c)共晶合金共晶合金I液态收缩液态收缩 II凝固收缩凝固收缩 III固态收缩固态收缩a)b)c)n m温度温度成分成分t t液液温度温度温度温度体收缩率体收缩率体收缩率体收缩率mn 时间时间时间时间2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩 l影响收缩的因素主要有：影响收缩的因素主要有：1）化学成分化学成分：碳素钢随碳的质量分数的增加，凝固收缩：碳素钢随碳的质量分数的增加，凝固收缩增加，而固态收缩略减。硅碳的质量分数增加，收缩增加，而固态收缩略减。硅碳的质量分数增加，收缩率减小。硫阻碍石墨的析出，使铸铁的收缩率增加。率减小。硫阻碍石墨的析出，使铸铁的收缩率增加。2）浇注温度浇注温度：浇注温度越高，过热度越大，合金的液态：浇注温度越高，过热度越大，合金的液态收缩增加。收缩增加。3）铸件结构和铸型条件铸件结构和铸型条件。2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.3 铸造内应力铸造内应力 l铸造内应力铸造内应力：铸件在凝固、冷却过程中，由于各部分体：铸件在凝固、冷却过程中，由于各部分体积变化不一致、彼此制约而使其固态收缩受到阻碍引起积变化不一致、彼此制约而使其固态收缩受到阻碍引起的内应力，称铸造应力。的内应力，称铸造应力。l按阻碍收缩原因的不同，铸造内应力分为按阻碍收缩原因的不同，铸造内应力分为热应力热应力和和收缩收缩应力应力。l铸件各部分由于冷却速度不同、收缩量不同而引起的阻铸件各部分由于冷却速度不同、收缩量不同而引起的阻碍称为热阻碍，由热阻碍引起的应力称为碍称为热阻碍，由热阻碍引起的应力称为热应力热应力。l铸型、型芯对铸件收缩的阻碍，称机械阻碍。由机械阻铸型、型芯对铸件收缩的阻碍，称机械阻碍。由机械阻碍引起的应力称碍引起的应力称收缩应力（机械应力）收缩应力（机械应力）。2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.3 铸造内应力铸造内应力 1.热应力热应力 热应力热应力是由于铸件是由于铸件壁厚不均壁厚不均，各部分收缩受到热阻碍而，各部分收缩受到热阻碍而引起的。落砂后热应力仍存在于铸件内，属于残留应力。引起的。落砂后热应力仍存在于铸件内，属于残留应力。热应力的形成（热应力的形成（+表示拉应力表示拉应力 表示压应力）表示压应力）a）框形铸件）框形铸件 b）变形中应力形成）变形中应力形成c）变形中无应力）变形中无应力 d）残余应力形成）残余应力形成塑性状态塑性状态弹性状态弹性状态温度温度t固固t临临t t0 0t1 t2 t3a)b)c)d)2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.3 铸造内应力铸造内应力 2.机械应力机械应力l 铸铸件件在在固固态态收收缩缩时时，因因受受铸铸型型、型型芯芯、浇浇冒冒口口等等外外力的阻碍而产生的应力称力的阻碍而产生的应力称机械应力机械应力。l 一一般般铸铸件件冷冷却却到到弹弹性性状状态态后后，收收缩缩受受阻阻都都会会产产生生机机械械应应力力。机机械械应应力力常常表表现现为为拉拉应应力力，与与铸铸件件部部位位无无关关。形形成成原原因因一一经经消消除除（如如铸铸件件落落砂砂或或去去除除浇浇口口后后），机机械械应应力力也也随随之之消消失失，因因此此机机械械应应力力是是一一种种临临时时应力应力。2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.3 铸造内应力铸造内应力 2.减少和消除铸造应力的措施减少和消除铸造应力的措施1 1）合理地设计）合理地设计铸件的结构铸件的结构。2 2）尽尽量量选选用用线线收收缩缩率率小小、弹弹性性模模量量小小的合金。的合金。3 3）采用）采用同时凝固的工艺同时凝固的工艺。4 4）设设法法改改善善铸铸型型、型型芯芯的的退退让让性性，合合理设置浇冒口等。理设置浇冒口等。5 5）对对铸铸件件进进行行时时效效处处理理是是消消除除铸铸造造应应力的有效措施。力的有效措施。同时凝固原则示意图同时凝固原则示意图1铸件铸件 2浇道浇道 3冷铁冷铁 4温度分布曲线温度分布曲线2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.4 变形和裂纹变形和裂纹 1.铸件的变形铸件的变形 对对于于厚厚薄薄不不匀匀、界界面面不不对对称称及及具具有有细细长长特特点点的的杆杆件件、板板类类及及轮轮类类等等铸铸件，当残留铸造应力超过铸件材料的屈服点时，往往产生翘曲变形。件，当残留铸造应力超过铸件材料的屈服点时，往往产生翘曲变形。框架铸件的变形框架铸件的变形T形梁的变形形梁的变形防止铸件变形的措施防止铸件变形的措施1.防止铸造应力的方法；防止铸造应力的方法；2.反反变变形形法法、提提早早落落沙沙退退火火、提提高高铸铸型型刚刚度度、控控制制铸铸型型开开箱箱时时间间、改改变变铸铸件件结结构构、设设置防变形肋等。置防变形肋等。2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.4 变形和裂纹变形和裂纹 2.铸件的裂纹铸件的裂纹（1）热裂：）热裂：l热热裂裂是是铸铸件件在在凝凝固固后后期期，在在接接近近固固相相线线的的高高温温下下形形成成的的。热热裂裂的的形形状状特特征征是是：裂裂纹纹短短，缝缝隙隙宽宽，形形状状弯曲，缝内呈氧化色。弯曲，缝内呈氧化色。l防防止止热热裂裂的的措措施施有有：尽尽量量选选择择凝凝固固温温度度范范围围小小，热热裂裂倾倾向向小小的的合合金金。提提高高铸铸型型和和型型芯芯的的退退让让性性，以以减减小小机机械械应应力力。合合理理设设计计浇浇道道冒冒口口。对对于于铸铸钢件和铸铁件，严格控制硫的含量，防止热脆性。钢件和铸铁件，严格控制硫的含量，防止热脆性。铸钢件的外热裂2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.4 变形和裂纹变形和裂纹 2.铸件的裂纹铸件的裂纹（2）冷裂：）冷裂：l 冷冷裂裂是是在在较较低低温温度度下下，由由于于热热应应力力和和收收缩缩应应力力的的综综合合作用，铸件内应力超过合金的强度极限而产生的。作用，铸件内应力超过合金的强度极限而产生的。l 冷冷裂裂多多出出现现在在铸铸件件受受拉拉应应力力的的部部位位，尤尤其其是是具具有有应应力力集中处（如尖角、缩孔、气孔以及非金属夹杂物等）。集中处（如尖角、缩孔、气孔以及非金属夹杂物等）。l 冷冷裂裂的的特特征征是是：裂裂纹纹细细小小，成成连连续续直直线线状状，缝缝内内有有金金属属光光泽泽或或金金属属氧氧化化色色。凡凡是是减减小小铸铸件件内内应应力力或或减减低低合合金金脆性的因素均能防止冷裂。脆性的因素均能防止冷裂。图6-1铸钢件的外热裂2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.5 铸件的质量控制铸件的质量控制 1缩松和缩孔缩松和缩孔 铸铸型型内内的的熔熔融融合合金金在在凝凝固固过过程程中中，由由于于液液态态收收缩缩和和凝凝固固收收缩缩所所缩缩减减的的体体积积得得不不到到补补充充，在在铸铸件件最最后后凝凝固固部部位位将将形形成成孔孔洞洞。按按孔孔洞洞的的大大小小和和分分布布可可分分为为缩缩孔孔和和缩缩松松。大大而而集集中中的的空空洞洞称称为为缩缩孔孔；细细小小而而分分散散的的空空洞称为缩松。洞称为缩松。收收缩缩是是造造成成缩缩孔孔、缩缩松松、应应力力、变变形形和和裂裂纹纹的的基基本本原原因因。充充型型能能力力不不好好，铸铸件件易易产产生生浇浇不不到到、冷冷隔隔、气气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。l缩孔缩孔2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.5 铸件的质量控制铸件的质量控制 缩孔形成过程示意图缩孔形成过程示意图a)填充铸型填充铸型 b)凝固凝固 c)收缩收缩 d)缩孔缩孔 e)轮廓尺寸减小轮廓尺寸减小 a)b)c)d)e)a)b)c)d)e)浇口浇口缩孔通常隐藏在铸件上部或最后凝固部位，缩孔通常隐藏在铸件上部或最后凝固部位，缩孔产生的条件缩孔产生的条件：金金属属在在恒恒温温或或很很小小的的温温度度范范围围内内结结晶晶，铸铸件件壁壁以以逐逐层层凝凝固固的的方方式式进行凝固。进行凝固。2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.5 铸件的质量控制铸件的质量控制 缩松形成过程示意图缩松形成过程示意图凝凝固固前前沿沿同同时时凝凝固固区区缩缩松松a)b)c)l缩松缩松缩孔产生的条件缩孔产生的条件：在结晶温度范围宽、以糊状凝固方式凝固的合金或厚壁铸件中。在结晶温度范围宽、以糊状凝固方式凝固的合金或厚壁铸件中。2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础缩松出现缩松出现的铸件断的铸件断面位置面位置缺陷缺陷放大图放大图缺陷的金缺陷的金相照片相照片l缩松缩松加工面缩松加工面缩松特征特写特征特写2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础由以上缩孔和缩松的形成过程，可得到以下规律：由以上缩孔和缩松的形成过程，可得到以下规律：l1）合金的）合金的液态收缩和凝固收缩越大液态收缩和凝固收缩越大（如铸钢、白口铸（如铸钢、白口铸铁、铝青铜），铸件越易形成缩孔。铁、铝青铜），铸件越易形成缩孔。l2）合金的）合金的浇注温度越高浇注温度越高，液态收缩越大，铸件越厚，液态收缩越大，铸件越厚，越容易形成缩孔。越容易形成缩孔。l3）结晶温度范围宽的合金结晶温度范围宽的合金，倾向于糊状凝固，易形成，倾向于糊状凝固，易形成缩松；纯金属和共晶成分合金倾向于逐层凝固，易形成缩松；纯金属和共晶成分合金倾向于逐层凝固，易形成集中缩孔。集中缩孔。2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础2.1.5 铸件的质量控制铸件的质量控制 2缩孔和缩松的防止缩孔和缩松的防止l（1）按按照照定定向向凝凝固固原原则则进进行行凝凝固固：定定向向凝凝固固原原则则是是指指采采用用各各种种工工艺艺措措施施，使使铸铸件件上上从从远远离离冒冒口口的的部部分分到到冒冒口口之之间间建建立立一一个个逐逐渐渐递递增增的的温温度度梯梯度度，从从而而实现由远离冒口的部分向冒口的方向定向地凝固。实现由远离冒口的部分向冒口的方向定向地凝固。l（2）合合理理地地确确定定内内浇浇道道位位置置及及浇浇注注工工艺艺：内内浇浇道道的的引引入入位位置置对对铸铸件件的的温温度度分分布布有有明明显显的的影影响响，应应按按照照定定向向凝凝固固的的原原则则确确定定。例例如如内内浇浇道道应应从从铸铸件件厚厚实实处引入，尽可能靠近冒口或由冒口引入。处引入，尽可能靠近冒口或由冒口引入。l（3）合合理理地地应应用用冒冒口口、冷冷铁铁和和补补铁铁等等工工艺艺措措施施：冒冒口口、冷冷铁铁和和补补铁铁的的综综合合运运用用是是消消除除缩缩孔孔、缩缩松松的的有效措施。有效措施。顺序凝固原则示意图顺序凝固原则示意图 顺序凝固原则示意图顺序凝固原则示意图浇口浇口冒口冒口温温度度分分布布曲曲线线温温度度 上上下下冷铁冷铁冒口冒口冒口冒口冷铁的作用冒口冷铁的作用2.1 铸造工艺基础铸造工艺基础l作业作业l 1.1.影响合金充型能力的主要因素有哪些？影响合金充型能力的主要因素有哪些？l 2.2.简述合金收缩的三个阶段。简述合金收缩的三个阶段。2.2 合金铸件的生产工艺合金铸件的生产工艺 l2.2.1 铸铁件生产铸铁件生产l2.2.2 铸钢件生产铸钢件生产l2.2.3 铜、铝合金铸件生产铜、铝合金铸件生产l作业2.2 合金铸件的生产工艺合金铸件的生产工艺l铸铁是近代工业生产中应用最为广泛的一种铸造合金。铸铁可分铸铁是近代工业生产中应用最为广泛的一种铸造合金。铸铁可分为为一般工程应用铸铁一般工程应用铸铁和和特殊性能铸铁特殊性能铸铁。l在一般工程应用铸铁中，碳主要以在一般工程应用铸铁中，碳主要以石墨形态石墨形态存在。按照石墨形貌存在。按照石墨形貌的不同，这一类铸铁又可分为灰铸铁的不同，这一类铸铁又可分为灰铸铁(片状石墨片状石墨)、球墨铸铁、球墨铸铁(球球状石墨状石墨)、可锻铸铁、可锻铸铁(团絮状石墨团絮状石墨)和蠕墨铸铁和蠕墨铸铁(蠕虫状石墨蠕虫状石墨)等四种。等四种。l特殊性能铸铁既有含石墨的，也有不含石墨的特殊性能铸铁既有含石墨的，也有不含石墨的(白口铸铁）。这一白口铸铁）。这一类铸铁的类铸铁的合金元素含量较高合金元素含量较高，可应用于高温、腐蚀或磨料磨损的，可应用于高温、腐蚀或磨料磨损的工况条件。工况条件。2.2.1 铸铁件生产铸铁件生产 1.铸铁的分类和特点铸铁的分类和特点（1）灰铸铁）灰铸铁 目前大多数灰铸铁采用冲天炉熔炼，冲天炉炉料目前大多数灰铸铁采用冲天炉熔炼，冲天炉炉料由由金属炉料金属炉料、燃料（焦炭、天然气）和熔剂（石灰石、燃料（焦炭、天然气）和熔剂（石灰石、氟石）组成。氟石）组成。灰铸铁主要采用砂型铸造，因其铸造性能优良，灰铸铁主要采用砂型铸造，因其铸造性能