产品造型材料与工艺金属

2.1.1 金属材料的特性及分类
• 金属的微观特性
– 结合键：晶体的结合力。固体状态下，原子 （离子或分子）聚为晶体，原子之间产生较 强的相互作用力 – 金属晶体中，价电子弥散在整个体积内，所 有金属离子皆处于相同的环境之中 – 结合键没有饱和性、方向性和选择性
2.1.1 金属材料的特性及分类
• 金属的宏观特性
•
金属型铸造
金属型铸造特点
• 可以“一型多铸” • 铸件的力学性能提高
– 因为金属型铸件的冷却速度较快、组织比较致密
• 铸件精度较高，可以少加工或不加工 • 但是，成本高、周期长；铸造透气性差、无退让 性，易产生冷隔、浇不足、裂纹等缺陷；铸件熔 点不宜太高，重量也不宜太大 • 主要用于：大批量的有色金属铸件，如内燃机的 铝活塞、气缸体、缸盖、油泵壳体等
• 选材的经济性原则：材料价格、加工费用等 • 其他因素：环保、市场等
根据工艺性能选材
• 铸造性能
– 金属构件承载不大，受力简单而结构复杂，尤其是具有复 杂内腔结构 – 铸造性能：铸造铝合金和铜合金>灰口铸铁>铸铁>铸钢
• 锻造性能
– 承载较大、受力复杂的构件 – 热锻性：低碳钢>中碳钢>高碳钢
• 焊接性能
的制作
砂型成形方法
手工造型的特点：
操作方便灵活，适应性强 生产率低 劳动强度大 铸件质量不易保证 适用于单件小批量生产
砂型成形方法
机器造型的特点：
生产效率高 劳动条件好 劳动强度低 铸件的表面质量好、尺寸精度高
适用于成批大量生产
•
砂型铸造
砂型铸件的结构设计应注意：
3.1 金属材料
其它有色金属及合金
（2）锌及锌合金 锌具有中等强度和延展性。因为具有极好的抗腐蚀性，锌被应用与钢 铁的涂层，被称为镀锌钢。 锌合金是以锌为基加入其他元素组成的合金。锌合金熔点低，流动性 好，易熔焊，钎焊和塑性加工，在大气中耐腐蚀，残废料便于回收和重熔。
其它有色金属及合金
（3）钛及钛合金 钛的资源丰富，在地球中的储藏量位于铝、铁、镁三类常用金属之后 居第四位。钛的突出优点是比强度高、耐热性好、抗蚀性能优异。 钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。钛合金具有强度高，抗 蚀性好，低温性能好，导热系数小等优良性能，是航空、船舶、化工等工 业中常用的一种材料。
• 重要螺栓、弹簧、精密丝杠等，应选高弹性模量材料
– 断裂失效：
• 塑性断裂：明显塑性变形后断裂，应选高强度材料 • 低应力脆性断裂：无宏观塑性变形下断裂，如高强度的锤杆，应选强 韧性材料 • 疲劳断裂：交变应力作用下的裂纹形成、扩展造成断裂，如齿轮，应 表面强化处理
– 表面损伤失效：磨损、腐蚀、表面疲劳
• 常用金属材料的分类
第一节 常用金属材料及其特性
• • • • 2.1.1 金属材料的特性及分类 2.1.2 钢铁材料 2.1.3 有色金属及其合金 2.1.4 造型设计中金属材料的选用
2.1.2 钢铁材料
• 钢铁材料可分为三大类：
– 纯铁 (c<=0.02%)
• 塑性好、强度低，主要用于制造磁铁
熔模铸造（失蜡铸造）
• 在蜡模表面包以造型材料，待其硬化，将其中的蜡模熔去， 从而获得无分型面的铸型的铸造方法 • 蜡模制造→结壳→脱蜡→造型→焙烧→浇铸→落砂清理
– – – – 蜡模制造：包括压型制造、蜡模压制和蜡模组装三步 结壳：在腊模上涂挂耐火材料，制成一定强度的耐火型硬壳 脱腊：将附有型壳的蜡模组浸泡于85-95℃的热水中，蜡料熔化 造型：加固型壳，防止浇注时变形或破裂，将脱蜡后的型壳置于铁箱 之中，周围用粗砂填充 – 焙烧：为进一步去掉水分、残余蜡料及杂质，浇注前必须将型壳送入 热炉内加热800-1000℃进行焙烧，可增强强度，型腔更干净 – 浇铸：焙烧出炉后趁热（600-700℃）进行浇注，可提高合金充型能 力，防止浇不足，冷隔等缺陷。 – 落砂清理：冷却后将型壳破坏取出铸件，去掉浇口毛刺等。
后母辛方鼎
家用缝纫机机架
2.2.1 铸造加工及其工艺性
• 铸造——将熔融的金属液体浇注到与零件形状相对应的 铸造模型腔中，待冷却后得到实体毛坯或零件的工艺过 程 • 铸造加工的特点：
– 适应性强：不受零件体积、重量大小、形状、结构复杂程度 的限制，不受合金种类限制 – 成本低廉：原材料消耗及切削加工费低、动力消耗少、接近 成品零件 – 铸造组织存在一定缺陷：缩孔、疏松、气孔、沙眼等导致力 学性能不如锻件； – 工艺过程较难控制：废品率较高，工人劳动强度大等
– 体积较大，要求气密性好，能承受一定压力，如输气管道、 蒸汽锅炉等 – 钢材最适合焊接，含碳和合金元素越多，焊接性能越差； 铝合金、铜合金焊接性较差，灰口铸铁基本不能焊接
第二节 金属材料成型与工艺性
• • • • • 2.2.1 铸造加工及其工艺性 2.2.2 压力加工及其工艺性 2.2.3 焊接技术及其工艺性 2.2.4 切削加工（机械加工）及其工艺性 2.2.5 特种加工及其工艺性
– 铸造铝合金：要求有良好的铸造性能，分为铝硅、铝铜、 铝镁、铝锌四系。
铜及铜合金
• 1.纯铜（紫铜）：纯度99.5%~99.95%, 极好的塑 性, 抗蚀、导电、导热性、抗磁性极好，用于电工 导体和防磁器械 • 2.黄铜：含锌<50% – 普通黄铜：含锌<32%, 极好的变形能力，用于弹壳等；
含锌>32%：热加工黄铜(含锌40%), 强度较高，含铜量 少，价格低、用于制作电器上的导电、耐蚀及有一定强 度的结构件 – 特殊黄铜：加入锡、铅、铝等元素 – 锡青铜：一般含锡3%~14%, 强度、塑性增加
钢水浇注方向
•
熔模铸造（失蜡铸造）
熔模铸造（失蜡铸造）的特点
• 铸件的精度高且表面光洁 • 适用于各种铸造合金铸件，尤其是高熔点及难 切削的合金的铸造 • 熔模铸件的形状可以比较复杂，最小孔径 0.5mm，壁厚0.3mm • 铸件的重量不宜太大，一般<=25kg,最大80kg 左右 • 工艺过程复杂，不易控制，使用和消耗的材料 较贵，适用于形状复杂、精度较高或难以机加 工的小型零件，如发动机叶片和叶轮等
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第一节 常用金属材料及其特性
• • • • 2.1.1 金属材料的特性及分类 2.1.2 钢铁材料 2.1.3 有色金属及其合金 2.1.4 造型设计中金属材料的选用
2.1.4 造型设计中金属材料的 选用
• 金属材料设计是造型设计的重要组成部分，它 包括：
– 材料的选用 – 材料加工工艺的制定
压力铸造
• 在高压下(比压约为500一1500N／cm2)快速地(充型 时间约为0.001～0.2s)将液态或半液态合金压入金属 铸型中，并在压力下结晶，以获得铸件的方法。 • 工作流程：
– 注入金属：先闭合铸型，用手工将定量勺内金属液通过压 室上的注液孔向压室内注入． – 压铸：压射冲头向前推进，金属液被压入铸型中。 – 取出铸件：铸件凝固后，抽芯机构将型腔两侧型芯同时抽 出，铸型开型，铸件借助冲头的前伸动作离开压室，在继 续开型中，顶杆顶出铸件。

按石墨的形态：



第一节 常用金属材料及其特性
• • • • 2.1.1 金属材料的特性及分类 2.1.2 钢铁材料 2.1.3 有色金属及其合金 2.1.4 造型设计中金属材料的选用
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2.1.3 有色金属及其合金

铝及铝合金 铜及铜合金
铝及铝合金
• 纯铝：纯度98%~99.996%，密度小、导电、导热性 优良；主要用于科研及制造电容器 • 铝合金：纯铝强度低，加入合金以提高强度
» » » » 压力铸造 离心铸造 挤压铸造 电磁场
• 快速凝固
2.2.1 铸造加工及其工艺性
• 无论哪种铸造，其工艺过程中的基本内 容和成型原理都是相同的，只是过程的 方法依不同铸造而有所不同。
• 各种铸造的基本过程：
砂型铸造
造型制芯——金属液态砂型成形最基本的工序，通 常分为：
手工造型： 利用简单的器械进行砂型（芯）的制作 机器造型： 利用造型机和制芯机进行砂型（芯）
• 造型设计中，金属材料的选用是一个复杂的决 策问题，它需要：
– 首先要掌握金属材料理论及其应用知识 – 明确目标及限制条件 – 进行必要的试验和选材方案对比
如何进行金属材料的选材？
• 先掌握几个基本的选材原则
造型设计中金属的选材原则
• 根据使用性能选材
– 变形失效：弹性变形和塑性变形影响形状、尺寸精度
– 变形铝合金
• 1.防锈铝合金：含锰、镁等，不可热处理强化，耐蚀性好，用于制 造高耐蚀性薄板容器 • 2.硬铝：含铜、镁等，强度、硬度高（与高强钢相近），塑性低、 韧性差，用于制造飞机大梁、螺旋桨、铆钉等 • 3.超硬铝合金：含锌、铜等，强度接近超高强度钢 • 4.锻铝：含镁、硅、铜等，热塑性、耐蚀性好，适于锻造，用于航 空等形状复杂、要求强度较高的锻件
– 钢 (0.02%<=c<2.11%) – 铸铁 (c>=2.11%)
2.1.2 钢铁材料

钢 (0.02%<=c<2.11%) 碳钢



按含碳量：低碳钢、中碳钢、钢碳钢 按品质：普通碳素钢、优质碳素钢 按用途：碳素结构钢、碳素工具钢 合金结构钢：合金弹簧钢、合金轴承钢等 合金工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢 特殊用途钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢
– – – – ①良好的导电性和导热性； ②正的电阻温度系数；且绝大多数金属具有超导性； ③良好的反射能力、不透明性及金属光泽； ④良好的塑性变形能力（延展性）
• 反映出金属的本质：
– 有特殊光泽 – 优良的导电性和导热性 – 是良好的塑性变形固体物质
2.1.1 金属材料的特性及分类
• 金属材料的性能
• 3.青铜
– 特殊青铜：指不含锡的青铜，如铝青铜、铍青铜等，比
锡青铜具有更高的力学性能、耐磨性与耐蚀性。
其它有色金属及合金
（1）镁及镁合金 镁是一种对于产品设计非常重要的金属，因为它是日常应用中最轻的 结构金属。 镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金，广泛用于携带式的器械 和汽车行业中，达到轻量化的目的。
• 力求外形简单，轮廓平直，只需一个分型面 • 力求铸件的内腔铸造时，型芯数目最少，方便装配、 清理、排气 • 起模方向应设计结构斜度 • 铸件应有合理的壁厚 • 力求铸件壁厚均匀，防止局部积聚变形，造成裂纹、 缩孔、缩松等缺陷 • 尽量避免铸件中有过大的水平面，防止由于横截面突 然增大，导致金属液面上升缓慢，致使型腔顶部受到 长时间烘烤，造成夹砂缺陷、产生气孔等；将平面改 为倾斜面
第三章 金属材料及其加工技术
• 第一节 常用金属材料及其特性 • 第二节 金属材料成型与工艺性 • 第三节 金属表面处理与装饰技术
第一节 常用金属材料及其特性
• • • • 2.1.1 金属材料的特性及分类 2.1.2 钢铁材料 2.1.3 有色金属及其合金 2.1.4 造型设计中金属材料的选用
– ①使用性能 使用过程中表现出来的性能
• 机械(力学)性能：强度、塑性、弹性 、刚度等 • 物理性能：导热性、导电性、热膨胀性、磁性等 • 化学性能：抗蚀性、抗氧化等
– ②工艺性能 制造和加工过程中表现出来的性能
• 如铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处 理性能等
2.1.1 金属材料的特性及分类

合金钢


铸铁 (0.02%<=c<2.11%) 按碳存在的不同形式


灰口铸铁：碳以石墨形式存在，断口呈灰色 白口铸铁：碳以渗碳体形式存在，断口白色 麻口铸铁：按用途：碳素结构钢、碳素工具钢 灰口铸铁：钢基+片状石墨，强度、塑性、韧性不 如钢，减震性好、缺口敏感性低，适于制各种承受 压力和要求消震的床身、机架、箱体、缸体、壳体 可锻铸铁：铸态白口铸铁热处理成，高强度、塑性、 冲击韧性，制汽车后桥外壳、管接头、低压阀门 球墨铸铁：铁水+球化剂，铸造性优良，取代了可 锻铸铁，制造受力复杂、负荷大、耐磨的铸件，如 曲轴、凸轮轴、齿轮、蜗轮蜗杆、活塞、工作缸等
2.2.1 铸造加工及其工艺性
• 铸件性能：
• 合金性能 • 铸型性能 • 工艺控制
• 铸造方法分类
– 砂型铸造：用型砂做铸型的铸造方法，使用率90% – 特种铸造：砂型铸造以外的其他铸造方法，包括熔 模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心 铸造、陶瓷型铸造等
铸造方法分类
• 凝固方式：
• 重力场凝固 • 非重力场凝固