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1、10.2.1 砂型铸造的生产过程,砂型铸造工艺过程 制造模样、芯盒配制型砂、芯砂造型和造芯烘干、合箱熔炼金属、浇注落砂、清理与检验等,10.2.2 造型材料,(一)型(芯)砂的性能要求,1、强度,2、透气性,3、可塑性,4、耐火性,5、退让性,制做铸型和型芯所用的材料称为造型材料。 主要分型砂与芯砂,由原砂、粘接剂、水和附加物配制成。,(二)型(芯)砂的组成及配制过程 1、型(芯)砂的组成,2、型(芯)砂的制备过程,烘干-筛分-混砂(先干混后湿混)-松砂-停放(闷砂)。,型砂和芯砂的组成物决定于铸造合金的种类,铸件的大小及结构特征等。,附加物:为了改善型(芯)砂某些性能而附加的物质。例如,加入
2、煤粉可提高耐火性,加入水玻璃可提高强度,加入木屑可改善透气性和退让性等。,粘结剂:其作用是将砂粒互相粘结在一起,使型(芯)砂具有一定的强度和可塑性。种类很多,常用的有陶(高岭)土、膨润土、油类、合脂、树脂与水玻璃等。,原砂:是型砂和砂芯的主要组成部分,其主要成分是由SiO2及其他氧化物。砂粒均匀且呈圆形的好,一般采自山地、沙漠、河滩和海滨。,(三)模样与芯盒的制造,模样与芯盒是铸造生产的工艺装备之一,模样是用来形成铸型型腔的工艺装备,按组合形式,可分为整体模和分开模。芯盒是制造砂芯或其他种类耐火材料芯所用的装备。 模样和芯盒由木材、金属或其他材料制成。,(一)模样的制造 木模样 是模样中应用最
3、广泛的一种,具有质轻、价 廉和容易加工等优点。但强度低,容易变形和损坏,一班用于单件和中小批量生产。常用木材有,红木、杉木、银杏等。,(二)芯盒的制造 芯盒的型腔与铸件的内腔孔洞相似。其尺寸应考虑铸件内腔的加工余量和收缩量。根据制造芯盒的材质不同,也可以分为木芯盒和金属芯盒,金属芯盒的材料一般是铸造铝合金,金属模样用铸铁、铜合金和铝合金等金属材料制造的模样。铝模最为多见。金属模样的强度高,尺寸精确,表面光洁,寿命长。但制造时生产周期长、成本高,用于大批量生产。,10.2.3 造型与制芯,造型是指用型砂、模样、砂箱等工艺装备制造砂型的过程。 制芯是将芯砂制成符合芯盒形状的砂芯的过程。,(一)手工
4、造型 手工造型是全部用手工或手动工具完成的造型工序。,1、整模造型 其模样是整体的,分型面是平面,铸型型腔全部 在半个铸型内,其造型简单,铸件不会产生错型缺陷。适用于 铸件最大截面在一端,且为平面的铸件。,2、分模造型 是将模样沿最大截面处分成两半,型腔位于上、下两个砂箱内,造型简单省工。常用于最大截面在中部的铸件。,3、挖砂造型 其模样是整体的,但铸件分型面为曲面。为便于起模,造型时用手工挖去阻碍起模的型砂、其造型费工、生产率低,工人技术水平要求高。用于分型面不是平面的单件、小批生产铸件。(另:假箱或成型底板上造下砂型),4、活块造型是在制模时将铸件上的妨碍起模的小凸台,肋条等这些部分作成活
5、动的(即活块)。起模时,先起出主体模样,然后再从侧面取出活块。其造型费时,工人技术水平要求高。主要用于单件、小批生产带有突出部分、难以起模的铸件。,5、刮板造型是用刮板代替实体模样造型,它可降低模样成本,节约木材,缩短生产周期。但生产率低,工人技术水平要求高。用于有等载面或回转体的大、中型铸件的单件、小批生产、如带轮、铸管、弯头等,6、地坑造型在地平面以下的沙坑中或特制的地坑中制造下型的造型方法,特点是省掉了下砂箱,但造型操作麻烦。用于中型、大型铸件单件或小批量生产。,(二)机器造型 机器造型是用机器全部地完成或至少完成紧砂操作的造型工序。机器造型铸件尺寸精确、表面质量好、加工余量小,但需要专
6、用设备,投资较大,适合大批量生产。 常用的机器造型方法有:压实紧实、高压紧实、震击紧实、震压紧实、微震紧实、抛砂紧实、射压紧实、射砂紧实。,(三)造芯 芯的主要作用是形成铸件的内腔或局部外形。最常见的造芯方法是用芯盒造芯。单件、小批生产时采用手工制芯,大批生产时采用机器制芯。,(四)浇铸系统与冒孔 在造型过程中,开设浇铸系统与冒口是非常重要的操作。 浇铸系统 将液态金属平稳的导入、填充型腔与冒口的通道,称为浇注系统。通常由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成。除导入液态金属外,浇注系统还起到挡渣、补缩与调节铸件的冷却顺序等作用。,冒口在铸型中,储存和供补缩铸件用熔融金属的空腔,也指该空腔中充填的
7、金属。其作用是补缩、排气和除渣。冒口设置于铸件的顶部或“热节”处。,10.2.4 合金的熔炼,任务:提供化学成分和温度均合格的融熔金属。,(一)铸铁熔炼:冲天炉,(二)铸钢熔炼:三相电弧炉、感应电炉,(三)有色金属熔炼:坩埚炉,1.炉身:炉料的预热与熔化,2.炉缸:流通铁水,3.前炉:储存铁水与排渣,4.烟囱:排烟,10.2.5 浇注及铸件的落砂和清理,(一)浇注,浇注是指将金属液从浇包注入铸型的操作。注意控制浇注温度和浇注速度。,1.浇注温度过高,铸件收缩大,粘沙严重,晶粒粗大;浇注温度过低,会使铸件产生冷隔、浇不到。 2.浇注速度的确定:应能够保持金属液体连续不断的注入到铸型,不能断流,应
8、使浇口杯处于充满状态。,(二)铸件的落砂与清理,落砂指铸件与型砂、砂箱分离的操作。清理指落砂后从铸件上清除表面粘砂、型砂、多余金属等的过程。,10.2.6 铸件的常见缺陷,10.3.1 合金的流动性,是指液态金属本身的流动能力。 合金流动性的好坏,通常以“螺旋形流动性试样”的长度来衡量,将金属液体浇入螺旋形试样铸型中,在相同的浇注条件下,合金的流动性愈好,所浇出的试样愈长。,1、合金的流动性,2、流动性的影响因素 (1)合金的化学成分,b.化学成分和结晶特征 纯金属和共晶成分的合金是在恒温下结晶,是由铸件壁表面向中心逐渐推进,凝固后的表面比较光滑,对未凝固液体的流动阻力较小,所以流动性好。 其
9、它成分的合金是在一定温度范围内进行结晶,凝固时铸件内存在一个较宽的既有液体又有树枝状晶体的两相区。凝固温度范围越宽,则枝状晶越发达,对金属流动的阻力越大,金属的流动性就越差。,a.合金的种类 不同种类的合金,具有不同的螺旋线长度,即具有不同的流动性。流动性从大到小依次为:灰铸铁硅黄铜铝硅合金铸钢。,10.3.2 合金的收缩性,合金从液态冷却至室温的过程中,其体积或尺寸缩减的现象,合金收缩的三个阶段,1.液态收缩 金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。 凝固收缩 熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固收缩是铸 件产生缩孔和缩松的基本原因。 固态收缩 金属在固态时由于温度降低而发生的体积
10、收缩。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大,是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。,2.影响收缩的因素 (1)化学成分,a.浇注温度越高,液态收缩越大; b.铸件在冷却时,铸型(芯)阻碍了收缩,实际收缩量小于自由收缩量; c.铸件越复杂,铸型(芯)强度越高,收缩差别越大。,收缩率从大到小依次为:铸钢灰铸铁。灰铸铁中因为 结晶时析出石墨导致体积膨胀,抵消了合金的部分收缩。,(2)工艺条件,3.合金的收缩对铸件质量的影响,(1)缩孔和缩松,(a)缩孔的形成:纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金,浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝固。在凝固过程中,如得不到合金液的补充,在铸件最后凝固的地方就
11、会产生缩孔.,铸件在凝固过程中,由于合金的液态收缩和凝固收缩,往往在铸件最后凝固的部位出现空洞,容积大而集中的孔洞为缩孔,细小而分散的孔洞为缩松。,(b)缩松的形成: 铸件最后凝固的收缩未能得到补足,或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固,凝固区域较宽,液、固两相共存,树枝晶发达,枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。,(2)影响缩孔、缩松形成的因素,表现在铸型对铸件冷却速度的影响。铸型的激冷能力大,缩孔的容积越小。湿型比干型的冷却能力强,金属型比砂型的冷却能力强。,(c)铸型条件,浇注温度、浇注速度等均影响合金的总体积收缩。浇注温度高,形成缩孔的倾向大;浇注慢,缩孔的容积小。,(b)
12、浇注过程,缩孔:结晶温度范围越小的合金,产生缩孔的倾向越大 缩松:结晶温度范围越大的合金,产生缩松的倾向越大,(a)合金的成分,(3) 消除缩孔和缩松的方法,(a)原理顺序凝固原则 即远离冒口处的金属先凝固,靠近冒口处的金属后凝固,冒口处的金属最后凝固,形成一条畅通的补缩通道,如下图所示。,(b)合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。,冷铁:由金属材料制成的激冷物称激铁,包括铸铁、钢材、铜等金属材料。将冷铁放入铸型某一特定部位,用以加速铸件某局部热节的冷却,是消除铸件中缩孔和缩松的有效措施。,冒口:在铸件厚壁处和热节部位设置冒口,是防止缩孔、缩松最有效的措施。冒口的尺寸应保证冒口比铸件被补缩部位
13、凝固的晚,并有足够的金属液供给。,补贴:对于板件和壁后均匀的薄壁件,由于冒口的有效补缩距离所限,往往在铸铁的内部仍产生缩孔和缩松。若在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔形厚度,使铸件壁厚变成朝冒口铸件增厚的形状,即造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度。所增加的楔形部分,称为“补贴”。,(3)铸造应力、变形与裂纹,铸件在凝固之后的继续冷却过程中,随温度的不断降低,收缩不断发生,如果这种收缩受到阻碍,就会在铸件内产生应力,称为铸造应力,引起变形或开裂,这种缺陷的产生,将严重影响铸件的质量。,铸 造 应 力,热应力,相变应力,收缩应力,铸件在冷却过程中会产生固态相变,由于铸件各部分冷却速度不同,导致相变不同
14、时发生,则会产生相变应力。,铸件在固态收缩时,因受到铸型、型芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生的应力。,铸件在凝固和冷却过程中,由于铸件的壁厚不均匀,导致不同部位不均衡的收缩而引起的应力。,铸件铸出后存在于铸件不同部位的内应力称为残留应力。,热应力的形成过程,热应力是铸件的厚壁或心部受拉伸,薄壁或表层受压缩。铸件的壁厚差别越大,合金的线收缩率越高,热应力越大。热应力的预防是尽量减少铸件各部位间的温度差,使其均匀地冷却,如在厚大处防止冷铁、提高浇注温度、铸件的壁厚均匀等。,a.铸件的变形,结论: 厚部、心部受拉应力,出现内凹变形。 薄部、表面受压应力,出现外凸变形。,铸件变形的消除方法,铸件的结构
15、:铸件各部分能自由收缩 工艺方面:采用同时凝固原则(同时凝固是指通过设置冷铁、布置浇口位置等工艺措施,使铸件温差尽量变小,基本实现铸件各部分在同一时间凝固) 时效处理:人工时效;自然时效,铸件的结构尽可能对称 铸件的壁厚尽可能均匀,b.铸件的裂纹,裂纹当铸造应力大到一定程度,超过金属的强度极限时,铸件便将产生裂纹。是严重的铸造缺陷,必须防止。按裂纹形成的温度范围分为热裂和冷裂。,(1)热裂铸件在合金凝固末期的高温下形成的。外观形状曲折而不规则,裂口表面呈氧化色,裂口沿晶粒边界通过。,(2)冷裂铸件在低温下形成的裂纹。外观形状呈连续直线状或圆滑曲线,而且常是穿过晶粒;裂口干静,具有金属的光泽或呈
16、轻微氧化色。 冷裂常出现在形状复杂大工件的受拉伸部位,特别是具有应力集中处(如尖角、缩孔、气孔、夹渣等附近)。有些冷裂纹实在铸件清理、搬运或机械加工时,受到震击才出现。脆性大、塑性差的合金,如白口铸铁、高碳钢及某些合金钢最易产生冷裂纹。,带轮的轮缘、轮辐比轮毂薄,因此冷却速度快,比轮毂先收缩,轮辐中产生拉应力,使轮辐发生断裂。同样的原因,飞轮的轮缘中产生的拉应力也易使轮缘发生断裂。,铸件裂纹的防止方法,铸件结构合理,改善铸型和型芯的退让性,减小浇冒口对铸件收缩的机械阻碍,内浇道设置应符合同时凝固原则; 此外,减少合金中有害杂质硫、磷含量,可提高合金高温强度,特别是硫是合金的热脆性增加,导致热裂
17、倾向增大。,10.3.3 常用合金的铸造性能,1.铸铁的铸造性能,(1)灰铸铁:流动性较好,可浇注出形状复杂和壁厚较小的铸件;凝固时铸件不易产生缩孔、缩松,裂纹倾向也较小。,(2)球墨铸铁:流动性比灰铸铁差,易产生浇不足、冷隔等缺陷;凝固时易形成缩孔、缩松;而且其变形、裂纹倾向较大。,(3)蠕墨铸铁:流动性好,甚至优于灰铸铁;其产生缩孔、缩松和应力的倾向介于灰铸铁和球墨铸铁之间。,(4)可锻铸铁:流动性差,易产生缩孔、缩松;铸造应力较大;其铸造性能比前面三种铸铁都差。,2.碳钢的铸造性能,流动性差;易出现冷隔、浇不足;收缩率大,易产生变形和裂纹;铸钢熔点高,铸件易产生粘砂。,3.铝合金的铸造性
18、能,流动性好,可以铸造出壁较薄、形状较复杂的铸件。,4.铜合金的铸造性能,铸造黄铜和铝青铜,流动性较好,但易形成集中缩孔; 铸造青铜,流动性较差,易形成较大的缩松。,10.4.1 浇注位置的选择,浇注位置的选择应考虑以下原则:,1.一般情况,铸件浇注位置的上面比下面铸造缺陷多,所以重要加工面、耐磨表面等质量要求较高部位应置于下面或侧面(即重要表面朝下)。,2.浇注位置的选择应有利于铸型的充填和型腔中气体的排出,所以具有大面积的薄壁铸件,应将薄壁部分放在铸型的下部,同时要尽量使薄壁部分处于垂直位置或倾斜位置,以防止出现浇不足和冷隔等缺陷。,10.4.2 分型面的选择,分型面的选择应考虑以下原则:
19、,不正确,正确,分型面应选在最大截面处,起重臂分型面的选择,1.分型面应尽量采用平面分型,避免曲面分型,并应尽量选在最大截面上,以便于起模、简化模具制造和造型工艺。,2.应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂箱中, 而且尽可能放在下型,以便保证铸件尺寸的精确。,10.4.3 工艺参数的确定,1.加工余量和铸孔,(1)加工余量(MA):指为保证铸件加工面尺寸和零件精度,在铸件工艺设计时预先增加而在切削加工时切去的金属层厚度。,余量的确定根据:铸件的尺寸工差等级,加工余量等级,基本尺寸范围等。,(2)铸孔时应注意: a.较大的孔、槽应当铸出,以减少切削加工工时,节省材料,减少铸件的热节; b.较小
20、的孔,不必铸出。,2.线收缩率,收缩余量:为补偿铸件收缩,在模样上增大的尺寸。,收缩余量 = 铸件尺寸 线收缩率,3.起模斜度,为了便于起模,在垂直于分型面的表面增加的斜度。,起模斜度的原则: a.木模斜度 金属模斜度; b.机器造型的斜度 手工造型的斜度;,4.芯头 指型芯的外伸部分,起定位、支撑和排出型芯内气体的作用。,10.4.4 绘制铸造工艺图,绘制出包括分型面、浇注位置、铸造工艺参数(机械加工余量、起模斜度、型芯数量、形状及浇注系统)等内容,工艺图是制造模样、芯盒、造型、造芯及检验铸件的重要依据。,c.铸件垂直壁越高,斜度越小; d.内壁斜度略大于外壁斜度。,10.4.5 实例,10
21、.6 特种铸造简介,所谓特种铸造,是指有别于砂型铸造方法的其他铸造工艺。 特种铸造一般能至少实现以下一种性能:,提高铸件的尺寸精度和表面质量 提高铸件的物理及力学性能 提高金属的利用率(工艺出品率) 减少原砂消耗量 适宜高熔点、低流动性、易氧化合金铸造 改善劳动条件,便于实现机械化和自动化,特种铸造,特种铸造,金属型铸造,压力铸造,熔模铸造,低压铸造,陶瓷型铸造,离心铸造,挤压铸造,10.6.1 熔模铸造,熔模铸造是用易熔材料制成模样,然后在模样上涂挂若干层耐火涂料制成型壳,经硬化后再将模样熔化,排出型外,从而获得无分型面的铸型。铸型经高温焙烧后即可进行浇注。,1.熔模铸造的工艺过程 熔模铸造
22、的工艺过程包括:蜡模制造、结壳、脱蜡、焙烧和浇注等,其流程图及铸造过程示意图如下:,2.熔模铸造的主要特点及适用范围 1)铸件的精度和表面质量较高,尺寸公差等级可达IT14-IT11,表面粗糙度Ra值可达12.5mm-1.6mm。 2)适用于各种合金铸件。 3)可制造形状较复杂的铸件,铸出孔的最小直径为0.5mm,最小壁厚可达0.3mm。 4)工艺过程较复杂,生产同期长,制造费用和消耗的材料费用较高,多用于小型零件(从几十克到几千克),一般不超过25kg。,10.6.2 金属型铸造,金属型铸造又称硬模铸造,是将液体金属浇入金属铸型,在重力作用下充填铸型,以获得铸件的铸方法。,1.金属型结构 为
23、保证使用寿命,制造金属型的材料具备如下的性能: (1)高的耐热性和导热性,反复受热不变形,不破坏; (2)一定的强度、韧性及耐磨性; (3)好的切削加工性能。 金属型材料一般选用铸铁、碳素钢或低合金钢。,金属型铸造,2.金属型铸造的特点和应用范围 (1)金属型铸件冷却快,组织致密,力学性能高。 (2)铸件的精度和表面质量较高 (3)浇冒口尺寸较小,液体金属耗量减少,一般可节约15%30%。 (4)不用砂或少用砂。 金属型铸造的主要缺点是金属型无透气和退让性,铸件冷却速度大,容易产生浇不到、冷隔、裂纹等缺陷。 适用的铸件形状和尺寸有一定的限制,主要适用于有色合金铸件的大批量的生产。,10.6.3
24、 压力铸造,压力铸造(简称压铸)的实质是在高压作用下,使液态或半液态金属以较高的速度充填金属型型腔,并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。 常用压射压力为51500MPa,充填速度约55m/s,充填时间很短,约0.0102s。,压力铸造,压铸的特点和应用 1、压铸优点: 1)铸件的尺寸精度最高,表面粗糙度Ra值最小。 2)铸件强度和表面硬度都较高。 3)生产效率很高,生产过程易于机械化和自动化。 2、压铸缺点: 1)压铸时,高速液流会包住大量空气,凝固后在铸件表皮下形成许多气孔,故压铸件不宜进行较多余量的切削加工,以免气孔外露。 2)压铸黑色金属时,压铸型寿命很低,困难较大。 3)设备投资大,
25、生产准备周期长。,10.6.4 离心铸造,离心铸造是将液体金属浇入高速旋转的铸型中,使其在离心力作用下成型并凝固的铸造方法。,各种铸造方法的比较,常用铸造方法与砂型铸造方法的比较,11.1.1 概述,所谓锻压,是锻造和冲压的合称。指对坯料施加外力,使其产生塑性变形、改变尺寸、形状和改善性能,用以制造机械零件或毛坯的成形方法。,锻压,锻造,板料冲压,轧制,挤压,拉拔,锻压加工的特点:,(1)能消除内部缺陷,改善金属组织,提高力学性能; (2)具有较高的生产率; (3)节省材料和工时,提高材料利用率和经济效率; (4)适应性强。,锻压成形技术是国民经济可持续发展的主体技术之一。据统计,全世界75的
26、钢材需经塑性成形,在汽车生产中,70以上的零部件是利用金属塑性加工而成的。,纵观20世纪,塑性成形技术取得了长足的进展。主要体现在: (1)塑性成形的理论基础已基本形成,包括位错理论、Tresca、Mises屈服准则、滑移线理论、主应力法、上限元法以及大变形弹塑性和刚塑性有限元理论等。 (2)以有限元为核心的塑性成形数值仿真技术日趋成熟,为人们认识金属塑性成形过程的本质提供了新途径,为实现塑性成形领域的虚拟制造提供了强有力的支持。 (3)计算机辅助技术(CAD/CAE/CAM)和逆向工程在塑性成形领域的应用不断深入,使制件尤其是模具的质量提高,制造成本和周期大幅下降。 (4)新的成形方法不断形
27、成并得到成功应用,如超塑成形、爆炸成形等。 (5)精确成形工艺广泛应用在汽车等工业中。如用精确锻造成形技术生产凸轮轴等零件,铝合金薄板复杂工件的连续加工工艺AVT(Aluminum Vehicle Technology)、反压力液压成形、铸锻工艺(压铸和锻造工艺相结合)、同步成形工艺、动态液压技术、变压力液压胀形技术、回归热处理工艺(RHT)、半固态塑性成形、多向模锻等。,11.2.1 塑变的实质,金属在外力作用下产生变形,随着外力的增加,金属由弹性变形上升到弹-塑变形。其中,弹性变形是可逆的,塑性变形是不可逆的。由于金属材料都是晶体,故要说明塑性变形的实质,必须从其晶体结构来说明。,1.单晶
28、体的塑性变形,单晶体的塑性变形有两种方式:滑移变形和孪晶变形。其中滑移变形为主要方式。,(1)滑移变形:在切应力的作用下,晶体内的一部分相对另一部分,沿原子排列紧密的晶面作相对滑动。,滑移的特点:,a.晶体未受到外力作用时晶格内原子处于平衡状态;,b.晶体受到了较小的切应力,晶格产生弹性变形;,c.当切应力增加到大于临界值时,晶体上半部沿“水平面”产生滑移,此时产生弹-塑变形;,d.晶体发生滑移后再移除外力,晶体不能完全恢复到原始状态,“水平面”方向增加一个原子间距,产生塑变。,(2)孪晶(双晶)变形:晶体在外力作用下,晶体内一部分原子晶格相对于另一部分原子晶格发生转动。,2.多晶体的塑性变形
29、,晶内变形:,晶间变形:,晶粒本身的塑性变形,晶粒与晶粒之间相对产生滑移或转动,滑移,孪晶,11.2.2 金属加工硬化、回复和再结晶,1.金属的加工硬化(冷变形强化),(1)定义:金属在低温下进行塑性变形,随着变形程度的增 加,金属的硬度和强度升高,而塑性、韧性下降的现象。,(2)加工硬化的原因: 一般认为金属在塑性变形过程中,在滑移面附近的晶格产生了强烈扭曲,在晶粒间产生了许多细小碎晶块,导致了金属进一步滑移的阻力增大。,加工硬化对于一些不能用热处理强化的金属而言,能通过冷轧、冷挤、冷拔、冷冲压等方法有效地提高金属强度和硬度。,2.回复与再结晶,随着加热温度的升高,组织和性能的变化过程分为回
30、复、再结晶、晶粒长大三个阶段,如图所示。,(1)回复,定义:当温度较低时,原子活动能力不强,只能短距离的扩散,使晶格扭曲减轻,残余应力显著下降,但组织和力学性能无明显变化。 公式:T回=(0.25-0.30)T熔,(2)再结晶,定义:当温度升高到该金属熔化温度的0.4倍时,金属的原子获得更多的能量,原子扩散能力增大,开始以某些碎晶或杂质为核心,形核长大成新的细小、均匀的等轴晶粒。 公式:T再=0.4T熔 再结晶后,晶粒得到细化,消除了金属塑性变形产生的加工硬化,金属的强度、硬度下降,塑性、韧性提高。,晶粒再结晶后若继续加热,将发生晶粒长大现象,应防止和避免。,11.2.3 热加工流线和锻造比,
31、1.热加工流线(锻造流线),(1)形成,在热变形过程中,分布在金属铸锭晶界上的夹杂物难以发生再结晶,故沿着金属变形方向被拉长或压扁,呈带状和链状保留下来,形成热加工流线。 热加工流线的存在,使金属的力学性能出现方向性:平行于流线方向的强度、塑性明显高于垂直流线方向的强度、塑性。 变形越大,热加工流线越明显,性能的差别越大。,(2)合理分布,a.零件工作时最大正应力和流线方向平行,最大切应力和流线方向垂直; b.热加工流线沿着零件轮廓分布不被切除。,2.锻造比,锻造比是表示金属变形程度大小的一个参数。拔长时锻造比用Y拔长表示,镦粗时用Y镦粗表示。 Y拔长=S0/S Y镦粗=H0/H,S0拔长前金
32、属坯料的横截面积 S 拔长后金属坯料的横截面积 H0 镦粗前金属坯料的高度 H 镦粗后金属坯料的高度,锻造比的影响:,a.锻造比越大,热变形程度也越大,热加工流线越明显,其金属组织、性能改善越明显; b.锻造比过大,金属的力学性能增加不明显,还会增加金属的各向异性; c.锻造比过小,性能达不到要求。 一般情况下,碳素结构钢取Y=2-3,合金结构钢取Y=3-4,高速钢取Y=5-12,不锈钢取Y=4-6.,11.2.4金属的可锻性,1.定义 指的是锻造金属材料时获得合格制品的难易程度。 衡量金属可锻性的因素:金属塑性和变形抗力。金属塑性高,变形抗力小,金属的可锻性就好,反之就差。,金属的可锻性取决
33、于金属的性质和加工条件。,(1)金属性质 a.化学成分 纯金属的可锻性比合金的好;钢的可锻性随着含碳量的增加,塑性下降,变形抗力增大,可锻性变差;钢中的合金元素越高,可锻性越差。,b.组织状态 单一固溶体比金属化合物的塑性高,变形抗力小,可锻性好;单一固溶体组织中,奥氏体比铁素体的可锻性好,渗碳体最差;粗晶结构比细晶结构的可锻性差。,(2)外界加工条件 a.变形温度 随着金属加热温度的升高,原子间结合力削弱,动能增加,有利于金属滑移变形,可锻性变好。,b.变形速度 变形速度指金属(材料)在单位时间内的变形量。,在临界变形速度C前,变形速度越大,金属的塑性越低,变形抗力越大。原因是:金属变形速度
34、增大,使得金属的再结晶进行的不完全,不能全部消除加工硬化,导致可锻性降低;在临界变形速度C后,变形速度越大,塑性越高,变形抗力减低。这里存在一个热效应(即消耗在金属塑性变形的能量转化为热能),导致温度升高,塑性变大,变形抗力变小,金属容易锻压加工。变形速度越大,热效应越明显,可锻性越好。,c.应力状态, 挤压时,在压应力的作用下,金属呈现很高的塑性,压应力有助于恢复晶界联系,压合金属内部的空洞等缺陷,阻碍裂缝形成和扩展。,拉拔时,金属呈现两向压应力和一向拉应力状态,拉应力容易使金属内部的缺陷产生应力集中,增加金属破裂倾向,金属塑性降低。,结论: 三向应力状态中的压应力数越多,金属的塑性越好;拉
35、应力数越多,金属塑性越差。 综上,在锻压加工中,提高金属可锻性的基本条件是合理选用金属材料和创造有利的变形条件。,11.2.1 塑变的实质,金属在外力作用下产生变形,随着外力的增加,金属由弹性变形上升到弹-塑变形。其中,弹性变形是可逆的,塑性变形是不可逆的。由于金属材料都是晶体,故要说明塑性变形的实质,必须从其晶体结构来说明。,1.单晶体的塑性变形,单晶体的塑性变形有两种方式:滑移变形和孪晶变形。其中滑移变形为主要方式。,(1)滑移变形:在切应力的作用下,晶体内的一部分相对另一部分,沿原子排列紧密的晶面作相对滑动。,滑移的特点:,a.晶体未受到外力作用时晶格内原子处于平衡状态;,b.晶体受到了
36、较小的切应力,晶格产生弹性变形;,c.当切应力增加到大于临界值时,晶体上半部沿“水平面”产生滑移,此时产生弹-塑变形;,d.晶体发生滑移后再移除外力,晶体不能完全恢复到原始状态,“水平面”方向增加一个原子间距,产生塑变。,(2)孪晶(双晶)变形:晶体在外力作用下,晶体内一部分原子晶格相对于另一部分原子晶格发生转动。,2.多晶体的塑性变形,晶内变形:,晶间变形:,晶粒本身的塑性变形,晶粒与晶粒之间相对产生滑移或转动,滑移,孪晶,11.2.2 金属加工硬化、回复和再结晶,1.金属的加工硬化(冷变形强化),(1)定义:金属在低温下进行塑性变形,随着变形程度的增 加,金属的硬度和强度升高,而塑性、韧性
37、下降的现象。,(2)加工硬化的原因: 一般认为金属在塑性变形过程中,在滑移面附近的晶格产生了强烈扭曲,在晶粒间产生了许多细小碎晶块,导致了金属进一步滑移的阻力增大。,加工硬化对于一些不能用热处理强化的金属而言,能通过冷轧、冷挤、冷拔、冷冲压等方法有效地提高金属强度和硬度。,2.回复与再结晶,随着加热温度的升高,组织和性能的变化过程分为回复、再结晶、晶粒长大三个阶段,如图所示。,(1)回复,定义:当温度较低时,原子活动能力不强,只能短距离的扩散,使晶格扭曲减轻,残余应力显著下降,但组织和力学性能无明显变化。 公式:T回=(0.25-0.30)T熔,(2)再结晶,定义:当温度升高到该金属熔化温度的
38、0.4倍时,金属的原子获得更多的能量,原子扩散能力增大,开始以某些碎晶或杂质为核心,形核长大成新的细小、均匀的等轴晶粒。 公式:T再=0.4T熔 再结晶后,晶粒得到细化,消除了金属塑性变形产生的加工硬化,金属的强度、硬度下降,塑性、韧性提高。,晶粒再结晶后若继续加热,将发生晶粒长大现象,应防止和避免。,11.2.3 热加工流线和锻造比,1.热加工流线(锻造流线),(1)形成,在热变形过程中,分布在金属铸锭晶界上的夹杂物难以发生再结晶,故沿着金属变形方向被拉长或压扁,呈带状和链状保留下来,形成热加工流线。 热加工流线的存在,使金属的力学性能出现方向性:平行于流线方向的强度、塑性明显高于垂直流线方
39、向的强度、塑性。 变形越大,热加工流线越明显,性能的差别越大。,(2)合理分布,a.零件工作时最大正应力和流线方向平行,最大切应力和流线方向垂直; b.热加工流线沿着零件轮廓分布不被切除。,2.锻造比,锻造比是表示金属变形程度大小的一个参数。拔长时锻造比用Y拔长表示,镦粗时用Y镦粗表示。 Y拔长=S0/S Y镦粗=H0/H,S0拔长前金属坯料的横截面积 S 拔长后金属坯料的横截面积 H0 镦粗前金属坯料的高度 H 镦粗后金属坯料的高度,锻造比的影响:,a.锻造比越大,热变形程度也越大,热加工流线越明显,其金属组织、性能改善越明显; b.锻造比过大,金属的力学性能增加不明显,还会增加金属的各向异
40、性; c.锻造比过小,性能达不到要求。 一般情况下,碳素结构钢取Y=2-3,合金结构钢取Y=3-4,高速钢取Y=5-12,不锈钢取Y=4-6.,11.2.4金属的可锻性,1.定义 指的是锻造金属材料时获得合格制品的难易程度。 衡量金属可锻性的因素:金属塑性和变形抗力。金属塑性高,变形抗力小,金属的可锻性就好,反之就差。,金属的可锻性取决于金属的性质和加工条件。,(1)金属性质 a.化学成分 纯金属的可锻性比合金的好;钢的可锻性随着含碳量的增加,塑性下降,变形抗力增大,可锻性变差;钢中的合金元素越高,可锻性越差。,b.组织状态 单一固溶体比金属化合物的塑性高,变形抗力小,可锻性好;单一固溶体组织
41、中,奥氏体比铁素体的可锻性好,渗碳体最差;粗晶结构比细晶结构的可锻性差。,(2)外界加工条件 a.变形温度 随着金属加热温度的升高,原子间结合力削弱,动能增加,有利于金属滑移变形,可锻性变好。,b.变形速度 变形速度指金属(材料)在单位时间内的变形量。,在临界变形速度C前,变形速度越大,金属的塑性越低,变形抗力越大。原因是:金属变形速度增大,使得金属的再结晶进行的不完全,不能全部消除加工硬化,导致可锻性降低;在临界变形速度C后,变形速度越大,塑性越高,变形抗力减低。这里存在一个热效应(即消耗在金属塑性变形的能量转化为热能),导致温度升高,塑性变大,变形抗力变小,金属容易锻压加工。变形速度越大,
42、热效应越明显,可锻性越好。,c.应力状态, 挤压时,在压应力的作用下,金属呈现很高的塑性,压应力有助于恢复晶界联系,压合金属内部的空洞等缺陷,阻碍裂缝形成和扩展。,拉拔时,金属呈现两向压应力和一向拉应力状态,拉应力容易使金属内部的缺陷产生应力集中,增加金属破裂倾向,金属塑性降低。,结论: 三向应力状态中的压应力数越多,金属的塑性越好;拉应力数越多,金属塑性越差。 综上,在锻压加工中,提高金属可锻性的基本条件是合理选用金属材料和创造有利的变形条件。,11.3.1 加热,目的:提高金属的塑性,降低变形抗力,改善金属的可锻性,使其容易流动成形。,(一)锻造温度范围的确定,定义:锻造温度范围指的是锻件
43、由开始锻造温度到停止锻造温度的间隔。,基本原则: 力求扩大金属的锻造温度范围,使金属在确定的范围内具有良好的塑性和较低的变形抗力,并能获得优质锻件,不产生缺陷; 加热火次少,生产率高,成本低。,(1)始锻温度的确定,在不出现过热、过烧等加热缺陷的前提下,应尽量提高始锻温度,使金属具有良好的可锻性。一般其控制在固相线以下150-200。,(2)终锻温度的确定,终锻温度过高,停止锻造后金属的晶粒会继续长大,导致锻件力学性能降低; 终锻温度过低,金属再结晶进行的不充分,加工硬化现象严重,内应力增大,导致锻件产生裂纹。,(二)金属加热时易产生的缺陷,1.氧化、脱碳,(1)氧化 钢加热到一定温度后,表层
44、的铁和炉气中的氧化性气体(O2,CO2,SO2等)发生化学反应,使钢料表层形成氧化皮(FeO,Fe3O4,Fe2O3),这种现象叫氧化。 钢在加热过程中因生成氧化皮而造成的损失叫烧损。 注:尽量缩短加热时间或在还原性炉气中加热。,a.影响氧化的因素: 金属化学成分 炉气成分 加热温度 加热时间,b.减少或消除加热时金属氧化的措施: 快速加热 控制加热炉气的性质 炉内应保持不大的正压力 介质保护加热,(2)脱碳 钢加热到高温,表层中的碳被炉气里的O2,CO2等氧化或与H2发生化学反应,生成CO或甲烷而被烧掉。这种因为在加热时表层含碳量降低的现象叫脱碳。,a.影响脱碳的因素: 金属化学成分 炉气成
45、分 加热温度 加热时间,b.减少或消除脱碳的措施: 快速加热 缩短高温阶段加热时间 对加热好的金属坯料尽快锻造 加热前在坯料表面涂上保护层,2.过热、过烧,过热:金属加热温度过高,加热时间过长而引起的晶粒粗大的现象。,防止措施: a.控制加热温度和时间 b.避免截 面尺寸相差大的坯料同炉加热 c.控制炉气的氧化性气体 d.退火处理细化晶粒以消除过热组织,不能退火的通过反复锻打改善晶粒度,过烧:当钢加热到接近熔点温度并长时间停留时,炉内氧化性气体将渗入粗大的奥氏体晶界,使晶界氧化或局部熔化的现象。 过烧是加热的致命缺陷,最后使坯料报废。如坯料只发生局部过烧,可将过烧的部分切除。,防止措施: a.
46、控制加热温度 b.限制坯料在高温时的停留时间,11.3.2 锻压成型,自由锻成形、模锻成形、胎模锻成形。,11.3.3 冷却、检验、热处理,(一)冷却:根据材料的化学成分、锻件的形状特点和截面尺寸等确定,形状越复杂、尺寸越大的锻件冷却越慢。 1.空冷:低、中碳钢和低合金结构钢的小锻件 2.炉冷:高碳高合金钢的锻件 3.坑冷:合金结构钢的锻件,(二)检验,(三)热处理 1.结构钢的锻件采用退火或正火处理 2.工具钢的锻件采用正火加球化退火处理 3.对于不再进行最终热处理的中碳钢和合金结构钢锻件采用调质处理,11.4.1 自由锻造的概念,所谓自由锻造,是指用简单的通用型工具或在锻造设备的上、下砧之
47、间直接使坯料变形,从而获得所需几何形状和内部质量的锻件的一种成形方法。 在变形时,由于金属坯料除开与工具接触的部分,其余部分均作自由流动,故称为自由锻。,11.4.2 自由锻造的特点和设备,1.特点,(1)改善结构组织,提高力学性能 (2)自由锻成本低,经济性合理,(3)自由锻工艺灵活,适用性强 (4)自由锻件尺寸精度低,2.设备,(1)空气锤:产生冲击力的设备。 锻锤吨位:指落下部分的质量。空气锤吨位较小,锤击能力也小 吨位选择主要根据锻件材料、形状、尺寸大小。,(2)水压机:产生静压力的设备。 水压机在静压力下使坯料产生塑变,工作平稳,噪声小,工作条件小,但设备昂贵。,空气锤,蒸汽空气锤,
48、水压机,利用压缩空气推动锻锤进行工作。以落下部分质量来表示锻造能力;常用吨位为65750千克,用于锻造小型锻件。,利用一定蒸汽或压缩空气推动锻锤进行工作。常用吨位为15吨,用于锻造中型锻件,是模锻的主要设备。,利用高压水为动力进行工作。靠静压力工作。常用吨位为5150吨,用于锻造大型锻件,是大型锻件的唯一设备。,自由锻常用工具,11.4.3 自由锻造的基本工序,自由锻的工序分三类:辅助工序、基本工序、精整工序。,基本工序:,包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割等,辅助工序:,精整工序:,包括压钳口、倒棱、压肩等,是对已成形的锻件表面进行平整,清除毛刺、校直弯曲等,(1)镦粗:使坯料的横截面积增加、
49、高度减小的工序。,a.工艺要求 圆坯料的高度和直径之比应小于2.5,否则易镦弯;坯料加热温度应在允许的最高温度范围内。 b.应用 主要用于圆盘类工件,如齿轮、圆盘等。,(2)拔长:使坯料长度增加、横截面积减小的工序。,a.工艺要求 坯料的下料长度应大于直径或边长;拔长凹档或台阶前应先压肩;矩形坯料拔长时要不断翻转,以免造成偏心、弯曲。 b.应用 主要用于轴类、杆类锻件。,(3)冲孔:在工件上冲出通孔或不通孔的工序。,工艺要求 孔径小于450mm的可以用实心冲子冲孔;孔径大于450mm的用空心冲子冲孔;孔径小于30mm的孔,一般不冲出。冲孔前将坯料镦粗以改善坯料的组织性能和减小冲孔的深度。,11.4.4 自由锻造的工艺规程,编制自由锻工 艺规程应遵循,设计自由锻零件时,必须考虑锻造工艺是否方便、经济和可能,零件的形状应尽量简单和规则。(零件的结构不合理,将使锻造操作困难,降低生产率和造成金属的浪费),自由锻的工艺规程主要有以下内容,绘制锻件图 坯料质量和尺寸的计算 选择锻造工序 选择锻造设备
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