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金属材料的主要性能
金属材料的力学性能又称机械性能,是金属材料在力的作用所表现出来的性能。
零件的受力情况有静载荷,动载荷和交变载荷之分。用于衡量在静载荷作用下的力学性能指标有强度,塑性和硬度等;在动载荷和作用下的力学性能指标有冲击韧度等;在交变载荷作用下的力学性能指标有疲劳强度等。
金属材料的强度和塑性是通过拉伸试验测定的。
P6低碳钢的拉伸曲线图
强度
强度是金属材料在力的作用下,抵抗塑性变形和断裂的能力。
强度有多种指标,工程上以屈服点和强度最为常用。
屈服点:δs是拉伸产生屈服时的应力。
产生屈服时的应力=屈服时所承受的最大载荷/原始截面积
对于没有明显屈服现象的金属材料,%变形时的应力,作为该材料的屈服点。
抗拉强度:δb是指金属材料在拉断前所能承受的最大应力。
拉断前所能承受的最大应力=拉断前所承受的最大载荷/原始截面积
塑性
塑性是金属材料在力的作用下,产生不可逆永久变形的能力。
常用的塑性指标是伸长率和断面收缩率。
伸长率:δ试样拉断后,其标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。
伸长率=(原始标距长度-拉断后的标距长度)÷拉断后的标距长度×100%
伸长率的数值与试样尺寸有关,因而试验时应对所选定的试样尺寸作出规定,以便进行比较。同一种材料的δ5 比δ10要大一些。
断面收缩率:试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率,以ψ表示。
收缩率=(原始横截面积-断口处横截面积)÷原始横截面积×100%
伸长率和断面收缩率的数值愈大,表示材料的塑性愈好。
硬度
金属材料表面抵抗局部变形(特别是塑性变形、压痕、划痕)的能力称为硬度。
金属材料的硬度是在硬度计上测出的。常用的有布氏硬度法和洛氏硬度法。
布氏硬度(HB)
是以直径为D的淬火钢球HBS或硬质合金球HBW为压头,在载荷的静压力下,将压头压入被测材料的表面,停留若干秒后卸去载荷,然后采用带刻度的专用放大镜测出压痕直径d,并依据d的数值从专门的表格中查出相应的HB值。
布氏硬度法测试值较稳定,准确度较洛氏法高。是测量费时,且压痕较大,不适于成品检验。
洛氏硬度(HR)
是将压头(金刚石圆锥体、淬火钢球或合金球)施以100N的初始压力,使压头与试样始终保持紧密接触。然后,向压头施加主载荷,保持数秒后卸除主载荷,以残余压痕尝试计算其硬度值。实际测量时,由刻度盘上的指针直接指示出HR值。
洛氏硬度法测试简便、迅速,因压痕小、不损伤零件,可用于成品检验。其缺点是测得的硬度值重复性较差,需在不同部位测量数次。
韧性
金属材料断裂前吸收的变形能量的能力称为韧性。韧性的常用指标为冲击韧度。
金属材料的韧度通常采用摆锤冲击弯曲试验机来测定。
冲击韧度=冲断试样所消耗的冲击功/试样缺口处的横截面积
冲击值的大小与很多因素有关。它不公受试样开关、表面粗糙度及内部组织的影响,还与试验时的环境温度有关。因此,冲击值的大小一般公作为选择材料时的参考,不直接用于强度计算。
疲劳强度
承受循环应力或交变应力的零件在工作一段时间后,有时突然发生断裂,而其所承受的应力往往低于该材料的屈服点,这种断裂称为疲劳断裂。
一般认为产生疲劳断裂的原因,是由于材料有内部缺陷、表面划痕驻其他能引起应力食品的缺陷,导致产生微裂纹。
下列符号所表示的力学性能指标名称和含义是什么?
δb 抗拉强度
δs 屈服强度或屈服点
工程规定屈服点
δ-1 按正弦曲线变化的对称循环应力的疲劳强度
δ 伸长率
αk 冲击韧度
HRC120°金刚石圆锥体
HBS布氏硬度计以淬火钢球为压头
HBW布氏硬度计以合金球为压头
第二章 铁碳合金
金属的结晶就是金属液态转变为晶体的过程,亦即金属原子由无序到有序的排列过程。
液态金属的结晶过程是遵循“晶核不断形成和长大”这个结晶基本规律进行的。
金属的冷却速度愈快,自发晶核愈多。
金属晶粒的粗细对其力学性能影响很大。
一般来说,同一成分的金属,晶粒愈细,其强度、硬度愈高,而且塑性和韧性也愈好。影响晶粒粗细的因素很多,但主要取决于晶核的数目。
细化铸态金属晶粒的主要途径是:提高冷却速度,以增加晶核的数目。在金属浇铸之前,向金属液内加入变质剂(孕育剂)进行变质处理,以增加外来晶核。此外,还可采用招牌理或塑性加工方法,使固态金属晶粒细化。
钝铁的晶格有体心立方和面心立方两种。
铁及锡、钛,锰等金属在结晶之后,在不同温度范围内将呈现出不同的晶格。这种随着温度的改变,固态金属的晶格也随之改变的现象称为同素异晶转变。
两种或两种以上的金属元素,或金属与非金属元素熔合在一起,构成具有金属特性的物质称为合金。组成合金的元素称为组元,简称元。
按照铁和碳相互作用形式的不同,铁碳合金的组织可分为固溶体、金属人物和机械混合物三种类型。
固溶体:溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体,称为固溶体。
铁素体F:碳溶解于α-Fe中形成的固溶体称为铁素体,呈体心立方晶格。力学性能与纯铁相近。铁素体在显微镜下为明亮的多边形晶粒,得晶界曲折。
奥氏体A:碳溶入γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体,呈面心立方晶格。力学性能与其溶碳量有关。一般来说,其强度、硬度不高,但塑性优良。在显微镜下,奥氏体也是呈多边形晶粒,但晶界较铁素体平直,并存有双晶带。
化合物:是各组元按照一定整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质,属于单相组织。
金属化合物一般具有复杂的晶格,且与构***物的各组元晶格皆不相同,其性能特征是硬而脆。渗碳体Fe3C是钢铁中的强化相,其组织可呈片状、球状、网状等不同形状。它的硬度,可以刻划玻璃,而塑性、韧性极低,伸长率和冲击韧度近于零。
渗碳体在一定条件下可发生分解,形成石墨。
机械混合物:是由结晶过程所形成的两相混合组织。
铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。
珠光体:铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体。
莱氏体:奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称高温莱氏体,当冷却到727℃以下时,将转变为珠光体和渗碳体的机械混合物,称为低温莱氏体。
钢 %的铁碳合金。
铸铁 即生铁,%~%的铁碳合金。
P18铁碳合金状态图
共析钢 亚共析钢 过共析钢
第三章 钢的热处理
在固态下,通过回执、保温和冷却,以获得预期组织和性能的工艺。它只改变金属材料的组织和性能而不以改变形状和尺寸为目的。
退火:退火是将钢加热、保温,然后随炉或埋入灰中使其缓慢冷却的热处理工艺。常用的有完全退火,球化退火,去应力退火。
正火:正火是将钢加热到亚共析钢或过共析钢,保温后在空气中冷却的热处理工艺。
正火主要用于:1,取代部分完全退火。但中碳合金钢、高碳钢及复杂件仍以退火为宜。2,用于普通件的最终热处理。3,用于过共析钢,以减少或消除二次渗碳体呈网状析出。
淬火和回火是强化钢最常用的工艺。
淬火是将钢加热到一定温度,保温后在淬火介质中快速冷却,以获得马氏体组织的热处理工艺。注意:1严格控制淬火加热温度。2,合理选择淬火介质使其冷却速度略大于临界冷却速度。3,正确选择淬火方法。
回火:将淬火的钢重新加热到Ac1以下某温度,保温后冷却到室温的热处理工艺,称为回火。回火的主要目的是消除淬火内应力,以降低钢的脆性,防止产生裂纹,同时也使钢获得所需的力学性能。
总的趋势是回火温度愈高、析出的碳化物愈多,钢的强度、硬度下降,而塑性、韧性升高。
将钢的回火分为如下三种:
1,低温回火250度以下 目的是降低淬火钢的内应力和脆性,但基本保持淬火所获得的高硬度和高耐磨性。用途最广,如各种***、模具、流动轴承和耐磨件等。
2,中温回火250~500度 目的是使钢获得高弹性,保持较高硬度和一定的韧性。中温回火主要用于弹簧、发条、锻模等。
3,高温回火500度以上 它广泛用于承受循环应力的中碳钢重要件,如连杆、曲轴、主轴、齿轮、重要螺钉等。经调质处理的钢可获得强度及韧性都好的综合力学性能。
表面淬火常用于机床主轴、发动机曲轴、齿轮等。快速加热法有多种,如电感应、火焰、电接触、激光等,目前应用广泛的是电感应加热法。
第四章 工业用钢
碳素钢即“非合金钢”,简称碳钢。
%以下,除碳之外,还含有硅、锰、磷、硫等杂质。
磷和硫是钢中的有害杂质。磷可使钢的塑性、韧性下降,特别是在低温时脆性急剧增加,这种现象称为冷脆性。
硫在钢的晶界处可形成低熔点的共晶体,致使含硫较高的钢在高温变回工时容易产生裂纹,这种现象称为热脆性。
硅和锰是炼钢后期作为脱氧剂加入钢液中残存的。
硅和锰可提高钢的强度和硬度,锰还能与硫形成MnS,从而抵消硫的部分有害作用。显然,它们都是钢中的有益元素。
碳素钢通常分为如下三类:碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢。
1、碳素结构钢的牌号以代表屈服点的“屈”字汉语拼音首字母Q和后面三位数字来表示,每个牌号中的数字表示该钢种厚度小于16mm时的最低(Mpa)。在钢号尾部A、B为普通级别,C、D为磷、硫低的优等级别,可用于较重要的焊接结构。
Q315 塑性好通常轧制成薄板、钢管、型材制造钢结构,也用于制作铆钉、螺钉、冲压件、开口销等。
Q235 强度较高,塑性也较好,常轧制成各种型钢、钢管、钢筋等制成各种钢构件、冲压件、焊接件及不重要的轴类、螺钉、螺母等。
Q255 强度更高,用做键、轴、俏、齿轮、撙、连杆、销钉等。
2、优质碳素结构钢的硫、磷含量较低,供货时既保证化学成分,又保证力学性能,主要用于制造机器零件。
优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示,这两位数字即是钢中平均含碳量的万分数。例如,%的优质结构钢。
08、10、15、20等牌号属于低碳钢。20钢用途最广,常用于制造螺钉、螺母、垫圈、小轴,焊接件,有时也用于渗碳件。
40、45等牌号属于中碳钢。45钢常用来制造主轴、丝杠、齿轮、连杆、、套筒、键和重要螺钉等。
60、65等牌号属于高碳钢。它们经过淬火、回火后,不仅强度、硬度显著提高,且弹性优良,常用弹簧、发条、钢丝绳、轧辊、凸轮等。
3、%~%,淬火、回火后有高的硬度和耐磨性,常用于制造锻工、钳工工具和小型模具。
碳素工具钢一般均为优质钢。对于硫、磷含量更低的高级优质碳素工具钢,则在数字后面增加“A”表示,例如,。
T8 冲头、錾子、锻工工具、木工工具、台钳钳口等。
T10,T10A 硬度较高、但仍要求一定韧性的工具,如手锯条、小冲模、丝锥、板牙等。
T12 适用于不受冲击的耐磨工具,如钢锉、刮刀、绞刀等。
合金钢是为了改善钢的某些性能,在钢的基础上加入某些合金元素所炼成的钢。
%,%,也属于合金钢。
低合金钢是指合金总含量较低(小于3%)、含碳量也较低的合金结构钢。
可焊接低合金高强钢(简称合金高强钢)应用最为广泛。低合金高强钢的牌号表示方法与碳素钢相同,即以字母“Q”开始,后面以三们数字表示其最像屈服点,最后以符号表示其质量等级。如Q345A表示不小于345Mpa的A级低合金高强钢。
Q295 低压容器、输油管道、车辆等
Q345 桥梁、船舶、压力容器、车辆等
Q390 桥梁、船舶、起重机、压力容器等
Q420 高压容器、牺牲、桥梁、锅炉等
合金钢:当钢中合金元素超过低钢的限度时,即为合金钢。
合金钢不仅合金元素含量高,且严格控制硫、磷等有害杂质的含量,属于优质钢或高级优质钢。
合金钢可分为合金结构钢(常用于制造机器零件用的合金钢),合金工具钢(主要用于制造***、量具、模具等,含碳量甚高),特殊性能钢(包括不锈钢,耐磨钢,耐蚀钢及具有软磁,永磁,无磁等特殊性能的钢)
铸造
铸造工艺基础
液态合金直译铸型的过程,简称充型。
液态合金充满铸型型腔,获得形状准确,轮廓清晰铸件的能力,称为液态合金的充型能力。
在液态合金的过程中,有时伴随着结晶现象,若充型能力不中,在型腔被填满之前,形成的晶粒将充型的通道堵塞,金属液被迫停止流动,于是铸件将产生浇不到或冷隔等缺陷。
影响充型能力的主要因素如下:
合金的流动性(其中以化学成分的影响最为显著)
浇注条件(浇注温度和充型压力)
铸型填充条件(铸型材料,铸型温度,铸型中的气体,铸件结构)
浇入铸型中的金属液在冷凝过程中,其液态收缩和凝固收缩若得不到补充,铸件将产生缩孔或缩松缺陷。
在铸件的凝固过程中,其断面上一般存在三个区域,即固相区,凝固区和液相区,其中,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。铸件的“凝固方式”就是依据凝固区的宽窄来划分为逐层凝固,糊状凝固,中间凝固。
铸件质量与其凝固方式密切相关。一般说来,逐层凝固时,合金的能力强,便于防止缩孔和缩松;糊状凝固时,难以获得结晶紧实的铸件。
合金从浇注,凝固直到冷却到室温,其体积或尺寸缩减的现象,称为收缩。
收缩是合金的物理本性。为使铸件的形状、尺寸符合技术要求,组织致密,必须研究收缩的规律性。
合金的收缩经历如下三个阶段:液态收缩,凝固收缩,固态收缩。
液态合金在冷凝过程中,若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足,则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分布,可将其分为缩孔和缩松两类。
缩孔是集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的孔洞。合金的液态收缩和凝固收缩愈大,浇注温度愈高,铸件愈厚,缩孔的窖愈大。
缩松分散在铸件某区域内的细小缩孔,称为缩松。当缩松与缩孔的容积相同时,缩松的在面积要比缩孔大得多。
缩孔和缩松都使铸件的力学性能下降,缩松还可使铸件因渗漏而报废。
只要能使铸件实现“顺序凝固”,尽管合金的收缩较大,也可获得没有缩孔的致密铸件。
所谓顺序凝固就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放等工艺措施,使铸件远离冒口的部位先凝固;然后是靠近冒口部位凝固;最后才是冒口本身的凝固。
冒口是多余部分,在铸件清理时予以切除。
安放冒口主要用于必须补缩的场合,如铝表铜,铝硅合金和铸钢件等。
铸件在凝固之后的继续冷却过程中,其固态收缩若受到阻碍,铸件内部将产生内应力,这些内应力有时是在冷却过程中暂存的,有时则一直保留到室温,后者称为残余内应力。
铸造内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因。
按照内应力的产生原因,可分为热应力和机械应力两种。
热应力:是由于铸件的壁厚不均匀,各部分的冷却速度不同,以致在同一时期内铸件各部分收缩一致收起的。
预防热应力的基本途径是昼减少铸件各个部位间的温度差,使其均匀地冷却。
采用同时凝固原则可减少铸造内应力,防止铸件的变形和裂纹缺陷,又可免设冒口而省工省料。其缺点是铸件心部容易出现缩孔或缩松。
机械应力:是合金的固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力。
具有残余内应力的铸件是不稳定的,它将自发地通过变形来减缓其内应力,以便趋于稳定状态。
防止铸件变形:设计时尽可能使铸件壁厚均匀,形状对称。工艺上采用同时凝固原则,以便冷却均匀。对长而易变形的铸件,还可采用“反变形”工艺。自然时效是将铸件置于露天场地半年以上,使其缓慢地发生变形,从而使内应力消除。人工时效是将铸件加热到550~650度进行去应力退火。时效处理宜在粗加工之后进行,以便将粗加工所产生的内应力一并消除。
当铸造内应力超过金属的强度极限时,铸件便将产生裂纹。
裂纹是严重缺陷,多使铸件报废。裂纹可分成热裂和冷裂两种。
热裂:是在高温下形成的裂纹。形状特征是缝隙宽,形状曲折,缝内呈氧化色。
冷裂:是在较低温下形成的裂纹。形状特征是裂纹细小,呈连续直线状,有时缝内呈轻微氧化色。
气孔是最常见的铸造缺陷,它是由于金属液中的气体未能排出,在铸件中形成气泡所致。
按照气体的来源,铸件中的气孔主要分为:因金属原因形成的“析出性气孔”,因铸型原因形成的“浸入性气孔”,因金属与铸型相互化学作用形成的“反应性气孔”三种。
常用合金铸件的生产
机械制造中广泛应用的铸铁中的碳主要是以石墨状态存在的。
铸铁中的石墨一般呈片状,经过不同的处理,石墨还可以呈团絮状,球状,蠕虫状等,使铸铁获得不同的性能。因此,常用的铸铁为灰铸铁,可锻铸铁,球墨铸件,蠕墨铸铁等。
灰铸铁HT
灰铸铁是指具有片状石墨的铸铁,是应用的铸铁,其产量占铸铁总并不是的80%以上。
由于灰铸铁属于脆性材料,故不能锻造和冲压。灰铸铁的焊接性能很差,如焊接区容易出现白口组织,裂纹的倾向较大。
可锻铸铁KTH
可锻铸铁又称玛铁或玛钢。它是将白口铸铁坯件经石墨化退火而成的一种铸铁。由于其石墨呈团絮状,大大减轻了对金属基体的割裂作用,故抗拉强度得到显著提高,尤为可贵的是这种铸铁有着相当高的塑性与韧性,可锻铸铁就是因此而得名,其实它并不能真的用于锻造。
按退火方式不同,可锻铸铁可分为黑心可锻铸铁,珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁三种其中之一以黑心可锻铸铁在我国最为常用。
可锻铸铁通常用于制造形状复杂,承受冲击载荷的薄壁小件,这些小件若用一般铸钢制造困难较大若改用球墨铸铁,质量又难保证。
球墨铸铁QT
由于石墨呈球状,使石墨对金属基体的割裂作用进下一步减轻,故球墨铸铁强度和韧性远远超过灰铸铁,并可与钢媲美。此外,球墨铸铁还兼有接近灰铸铁的优良铸造性能。
蠕墨铸铁RuT
由于其石墨呈短片状,片端钝而圆,类似蠕虫,故名。
蠕墨铸铁的发展历史较短,对其生产的规律性掌握仍不够充分,以致有时质量尚不够稳定。
碳既是形成石墨的元素,又是促进石墨化的元素。含碳愈高,析出的石墨数量愈多,愈粗大,而基体中铁素体增加,珠光体减少;反之,含碳降低,石墨减少,且细化。硅是强烈促进石墨化的元素,随着含硅量的增加,石墨显著增多。硫会引起铸铁的热脆性,阻碍石墨化,增加白口倾向。磷会增加铸铁的冷脆性,但对石墨化基本没有影响。锰可部分抵消硫的有害作用,并可增加铸铁的强度,属有益元素。但含锰过多将阻碍石墨的,增加铸铁的白口倾向。
相同化学成分的铸铁,若冷却速度不同,其组织和性能也不同。铸件的冷却速度主要取决于铸型和铸件的壁厚。各种铸型材料的导热能力不同。
影响铸铁石墨化的主要因素是化学成分和冷却速度。
铸钢ZG
铸钢也是一种重要的铸造合金,它的年产量仅次于灰铸铁,约为球墨铸铁和可锻铸铁的总和。
按照成分,铸钢可分为铸造碳钢和铸造合金钢两大类,其中铸造碳钢应用较广,约占铸钢件总产量的确80%以上。
如:ZG310—570 ZG表示铸钢,后面两组数字分别表示钢的屈服点和抗拉强度最低值(Mpa)
为改善性能而在碳钢中增加合金元素的铸钢,称为铸造合金钢。
生产特点:1,铸钢的熔炼必须采用炼钢炉。2,铸造工艺,钢的浇注温度高,流动性差,钢液易氧化和吸气,同时,其体积收缩率约为铸铁的2~3倍。3,铸钢件的热处理,铸钢件铸态晶粒大,且组织不均,常有残余内应力,致使塑性和韧性不够高。为此,铸后必须进行正火或退火。
纯铜俗称紫铜,其导电性,导热性,耐蚀性及塑性均优,但强度,硬度低,且价格较高,因此极少用它来制造零件。机械上广泛物是铜合金。
黄铜是以锌为主加元素的铜合金。黄铜的含锌量小于47%。
铜与锌以外的元素所组成的铜合金统称为青铜。
铜和锡的合金是最普通的青铜,称为锡青铜,是我国历史最为悠久的铸造合金。
铝合金的密度小,熔点低,导电性,导热耐蚀性优良,切削加工性很好,因此也常用来制造铸件。
铸铝合金分为铝硅合金,铝铜合金,铝镁合金及铝锌合金四类。
铜、铝合金的熔化特点是金属料与燃料不直接接触,以减少金属的损耗和保证金属的纯洁。
砂型铸造
铸造工艺图是在零件图上用各种工艺符号及参数表示出铸造工艺方案的图形。其中包括:浇注位置,铸型分型面,型芯的数量,形状,尺寸及其固定方法,加工余量,收缩率,浇注系统,起模斜度,冒口和冷铁的尺寸和等。
零件图——铸造工艺图——模样图——合型图
手工造型生产率低,对工人技术要求较高,而且铸件的尺寸精度及表面质量较差,但在实际生产中仍然是难以完全取代的重要造型方法。
机器造型可大大提高过去生产率,改善过去条件,铸件尺寸精确,表面光洁,加工余量小。机器造型是将紧砂和起模等主要工序实现了机械化。
其中,最普通的是以压缩空气驱动的振压式造型机。
机器造型的工艺特点通常是采用模板进行两箱造型。机器造型不能紧实中箱,故不能进行三箱造型。
机器造芯:射芯技术随芯砂粘结剂和造芯方法的变化而发展的。
射芯机造芯有如下三种:普通造芯,热芯盒造芯,冷芯盒造芯。
浇注位置的选择,浇注位置是指浇注时铸件在型内所处的空间位置。
浇注位置选择原则详见P67
分型面选择原则:1,应尽量使分型面平直,数量少。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。2,应避免不必要的型芯和活块,以简化造型工艺。3,应尽量使铸件全部或大部分置于下箱。这不仅便于造型,下芯,合型,也便于保证铸件精度。上述诸原则,对于具体铸件来说多难以全面满足,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。
工艺参数的选择:要求的机械加工余量和最小铸孔,起模斜度,收缩率,型芯头。
第五章 特种铸造
特种铸是指与普通砂型铸造不同的其他铸造方法。
本章仅介绍应用较多的铸造,金属型铸造,压力铸造,离心铸造和消失模铸造等。
熔模铸造(又称失蜡铸造)是指用易熔材料制成模样,在模样表面包覆若干层耐火涂料制成型壳,再将模样熔化排出型壳,从而获得无分型面的铸型,经高温焙烧后即可填砂浇注的铸造方法。工艺过程可分为蜡模制造,型壳制造,焙烧浇注三个主要阶段。
熔模铸造的特点如下:1,铸件的精度高,表面光洁。2,可制造难以砂型铸造或机械加工的形状很复杂的薄壁铸件。3,适用于各种合金铸件。4,生产批量不受限制。5,生产工艺复杂且周期长,机械加工压型成本高,所用的耐火材料,模料和粘结剂价格较高铸件成本高。综上亿述,为熔模铸造最适于高熔点合金精密铸件的成批,大量生产,主要用于形状复杂,难以切削加工的小零件。
金属型铸造(有永久型铸造之称)是将液态金属浇入金属的铸型中,并在重力作用下凝固成形以获得铸件的方法。
金属型的结构主要取决于铸件的形状,尺寸,合金的种类及生产批量等。
按照分型面的不同,金属型可分为整体式,垂直分型式,水平分型式和复合分型式。
金属型的铸造工艺方法:喷刷涂料,金属型应保持一定的工作温度,适合的出型时间。
金属型铸造可“一型多铸”,便于实现机械化和自动化生产,从而可大大提高生产率。同时铸件精度和表面质量显著提高,由于结晶组织致密,铸件的力学性能得到显著提高。此外,金属型铸造还使铸造车间面貌大为改观,劳动条件得到显著改善。它的主要缺点是金属型的制造成本高,生产周期长。同时,铸造工艺要求严格,否则容易出现浇不到,冷隔,裂纹等铸造缺陷,而灰铸铁件又难以避免白口缺陷。
金属型铸造主要用于铜,铝合金不复杂中小铸件的大批量生产,如铝活塞,气缸盖,油泵壳体,铜瓦,衬套,轻工业品等。
压力铸造:简称压铸。它是在高压下(比压约为5~150Mpa)将液态或半液态合金快速(充填速度可达5 ~50m/s)地压入金属铸型中,并在压力下凝固以获得铸件的方法。
压锛是在压铸机上进行的,它所用的铸型称为压型。注入金属——压铸——取出铸件。
压力铸造的主要优点有:1,铸件的精度及表面质量较其他方法均高。通常,不经机械加工即可使用。2,可压铸形状复杂的薄壁件,或直接铸出小孔,螺纹,齿轮等。3,铸件的强度和硬度都较高。4,压铸的生产率较其他铸造方法均高。5,便于采用镶铸。
压铸虽是实现少屑、无屑加工非常有效的途径,但也存在许多不足。主要是:1,压铸设备投资大,制造压型费用高,周期长,只有在大量生产条件下经济上才合算。2,压铸高熔点合金时,压型寿命很低难以适应。3,由于压铸的速度极高,型腔内气体很难排除,厚壁处的收缩也很难补缩,致使铸件内部常有气孔和缩松。4,由于上述气孔是在高压下形成的,热处理加热时孔内气体膨胀将导致铸件表面起泡,所以压铸件不能用热处理方法来提高性能。必须指出,随着加氧压铸、真空压铸和黑色金属压铸等新工艺的出现,使压铸的某些缺点有了克服的可能性。
离心铸造:将液态合金浇入调整旋转的铸型,使其在离心力作用下充填铸型并结晶。
离心铸造机上的铸型可以用金属型,也可以用砂型、熔模壳型等。根据铸型旋转轴空间位置的不同,离心铸造机可分为立式(垂直轴旋转)和卧式(水平轴旋转)两大类。
离心铸造具有如下优点:1,利用自由表面生产圆筒形或环形铸件时,可省去型芯和浇注系统,省工,省料,降低了铸件成本。2,在离心力的作用下,铸件呈由外向内的定向凝固,而气体和熔渣因密度较金属小,则向铸件内腔移动而排除,故铸件内部极少有缩孔,缩松,气孔,夹渣等缺陷。3,便于制造双金属铸件。
离心铸造的不足之处是:1,依靠自由表面所形成的内孔尺寸偏差大,而且内表面粗糙,若需机械加工,必须加大余量。2,铸件易产生成分偏析,所以不适于密度偏析大的合金及轻合金铸件。此外,因需要专用设备的投资,故不适于单件,小批生产。
离心铸造是大口径铸铁管,气缸套,铜套,双金属轴承的主要生产方法,铸件的最大重量可达十多吨。
消失模铸造:又称气化模铸造或实型铸造。它是用泡沫塑料制成的模样制造铸型,之后,模样并不取出,浇注时模样气化消失而获得铸件的方法。
消失模铸造工艺包括模样制造,挂涂料,造型浇注和落砂清理等工序。
消失模铸造优点:1,它是一种近乎无余量的精密成形技术,铸件尺寸精度高,表面粗糙度低,接近熔模铸造水平。2,无需传统的混砂,制芯,造型等到工艺及设备,故工艺过程简化,易实现机械化,自动化生产,设备投资较少,占地面积小。3,为铸件结构设计提供了充分的自由度,如原来需要加工成形的孔,槽等可直接铸出。4,铸件清理简单,机械加工量减少。5,适应性强。对合金种类,铸件尺寸及生产数量几乎没有限制。
据统计,建立一个模铸造厂与建立一个相同产量的传统湿砂型铸造厂相比,总投资可减少30%以上,而铸造成本可下降20%~30%。
消失模铸造的主要缺点是浇注时塑料模气化有异味,对环境有污染,铸件容易出现与泡沫塑料高温热解有关的缺陷,如铸铁件容易产生皱皮,夹渣等到缺陷,铸钢件可能稍有增碳,但对铜,铝合金铸件的化学和力学性能的影响很小。
各种铸造方法均有其优缺点及适用范围,不能认为某种方法最为完善。
砂型铸造尽管有着许多缺点,但它对铸件的形状和大小,生产批量,合金品种的适应性最强,是当前最为常用的铸造方法,故应优先选用,而特种铸造仅是在相应的条件下,才能显示其优越性。
P92 几种常用铸造方法的综合比较。
金属塑性加工
金属的塑性变形
金属在外力作用下,其内部必将产生应力。当外力增大到使金属的内应力超过该金属的屈服点后,即使作用在物体上的外力取消金属的变形也不完全恢复,而产生一部分永久变形,称为塑性变形。其实质是晶体内部产生滑移的结果。
低温时,多晶体的晶间变形不可过大,否则将引起金属的破坏。
变形程度增加时,金属的强度及硬度升高,而塑性和韧性下降。其原因是由于滑移面上的碎晶块和附近晶格的强烈扭曲增大了滑移阻力,使继续滑移难于进行所致。
在冷变形时,随着变形程度的增加,金属材料的所有强度指标和硬度都有所提高,但塑性和韧性有所下降,这种现象称为冷变形强化或加工硬化。
冷变形强化是一种不稳定现象,将冷变形后的金属加热至一定温度后,因原子的活动能力增强,使原子回复到平衡位置,晶内残余应力大大减小,这种现象称为回复(或称恢复)。
T回=(—)T熔 T回是回复温度 T熔是熔点温度 单位是K
纯金属的再结晶温度为T再= 单位是K
在实际生产中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,这种工艺操作称为再结晶退火。
金属塑性加工生产多采用热变形来进行。
金属的可锻性是材料在锻造过程中经受塑性变形而不开裂的能力。金属的可锻性好,表明该金属适合采用塑性加工盛开;可锻性差,该金属不宜选用塑性加工方法成形。
可锻性的优劣常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。金属的塑性用金属的断面收缩率,伸长率等来表示。变形抗力指在塑性加工过程中变形金属反作用于施压工具上的作用力。变形抗力越小,则变形中所消耗的能量也越小。
金属的可锻性取决于金属的本质(化学成分、金属组织)和加工条件(变形温度、应变速率、应力状态)。
锻造:在加压设备及工具下,使坯料,铸锭产生局部或全部的塑性变形,以获得一定几何尺寸,形状和质量的锻件的加工方法,称为锻造。
锻造方法分为自由锻和模锻(锤上模锻、曲柄压力