常用金属材料及其成形

第七章常用金属材料及其成形

这是用铸造方法生产出的电机外壳

金属材料在许多领域中的应用都十分广泛，特别是在机械行业中更是主要的使用对象。要合理的选择材料和成形加工方法，就要掌握和了解金属材料的种类、性能特点、成形加工方法和应用范围等知识。学习本章后应掌握和应了解的具体内容如下：

1.铸造成形的方法，工艺技术

2.几种常用铸造方法的工艺过程、特点，适用铸造合金，应用范围

3. 锻造成形的方法，设备，工艺技术

4. 锻造毛坯的组织和性能特点，应用范围

5.冲压成形的加工对象，基本工序

6.钢的分类、牌号，性能特点，应用

7.铸铁的分类，组织和性能特点，应用

8.非铁金属的分类，性能特点，应用

金属材料包括钢铁（黑色金属）和非铁（有色）金属两大类。钢铁材料在各个领域中的应用都十分广泛，尤其在机械行业中更是起到基础材料的作用。

金属材料的主要成形技术——铸造和锻造由来已久，是人类最早应用的工业技术。直到现在高科技迅速发展的信息时代，这些传统的工艺技术仍在不断发展，仍在起着不可替代的重要作用。

通过本章的学习，你将了解到：金属材料的种类，各种金属材料的性能特点、应用范围，金属成

形加工的方法、工艺过程、特点和应用。这些知识都是工程师和设计师所必需的基础知识。

7.1.1 概述

金属零件的制造过程一般包括毛坯成形和对毛坯的切削加工，有时需要进行热处理以获得所希望的性能（见图7.1-1）。金属成形方法主要指获得毛坯的生产加工方法。工业上应用的金属成形方法（即毛坯生产方法）主要有：铸造，压力加工，焊接，粉末冶金等（见图7.1-2）。

图7.1-1机器生产过程示意图

图7.1-2金属毛坯的生产方法及其分类

图7.1-2列举了一些主要的金属成形方法。每一种成形方法都有自己的特点和适用范围，所应用的

原理也各不相同。

铸造是将所需的金属熔化成液体，浇注到铸型中，待其冷却凝固后获得铸件（毛坯）的。因此，铸造也可以称为液态成形。

压力加工则是利用固态金属的塑性变形来实现成形加工的。

焊接成形是将金属局部熔化，通过焊缝的凝固把单个的构件连接组合在一起，形成一个完整的毛坯或零件。

粉末冶金是利用烧结过程中原子的扩散，使粉末颗粒紧密结合在一起。

下面将选择几种常用的金属成形方法作简要介绍。

7.2.1 铸造历史

铸造(Casting)是历史最悠久、至今仍是应用最广泛的金属成形方法。工艺过程包括熔炼金属、制造铸型、浇注，凝固后获得一定形状和性能的铸件。

中国古代的铸造技术水平非常之高，令当今世人惊叹不已。这里介绍几例（引自：温林、李建平，彩图版十万个为什么(艺术卷)，京华出版社，2001），以飨读者。

图7.2-1商代司母戊鼎

在河南安阳出土，用青铜铸造，重875kg，高133cm，

长110cm，宽78cm。

图7.2-2西周时代的簋青铜器。簋(音gui)：盛食物用的器皿

图7.2-3西汉透光铜镜(上)和它的透光效果

图7.2-4商厚期的青铜器

7.2.2 铸造的特点

由于是液态成形，铸造可以生产形状很复杂的铸件，见图7.2-5。

铸件大小几乎不受限制，质量从几克到几百吨，壁厚从1mm到1m以上都可以铸造，见图7.2-6。

可用于铸造的金属与合金的种类很多。从原理上讲，所有金属与合金都可以熔化成液体，能够用于铸造。

但是金属材料的铸造性能有差别，实际生产中主要使用那些容易铸造的合金，如铸铁。 铸造所用原材料价格较低，所以铸件生产成本较低。

由于铸造具有如此突出的优点，所以才会经久不衰，且不断发展，直到现在仍然在制造业中得到广泛应用。

图7.2-5 具有复杂形状和内腔的铝合金铸件（汽车发动机箱体——压铸件）(引自：E.Paul,De Garmo, Materials and Processes in Manufacturing )

图7.2-6 60多吨重的大型铸件(引自：Gregory S.

Graham, Metalworking An Introduction )

铸造生产过程较为复杂，铸件质量不易控制，铸件的力学性能较同种材料的锻压件差。但是，由于铸造工艺的不断改进，现代科技在铸造中的应用，以及一些新型铸造方法的出现和应用，这些缺点正在逐步被克服，铸件的力学性能、形状和尺寸精度、表面质量大大提高。这使得铸造的应用范围更加广泛。例如，原来用钢锻造的内燃机曲轴，已用球墨铸铁铸造生产，见图7.2-7。

图7.2-7 球墨铸铁曲轴（铸件）

7.2.3 砂型铸造

砂型铸造(Sand casting)是最基本、应用最普遍的铸造方法。其基本工艺过程如图7.2-8所示。

图7.2-8砂型铸造基本工艺过程示意图

型砂一般是由石英（SiO2）砂、粘结剂、水等混合而成。工业生产常用的粘结剂有粘土，水玻璃、树脂、植物油等。粘土砂、树脂砂主要用于铸铁件生产；水玻璃砂用于铸钢件生产；油砂则主要用于制造特殊的型芯，以形成铸件复杂的内腔。

砂型铸造就是用配制好的型砂和模型来制作铸型（此过程称为造型）。在砂箱中将型砂舂紧，然后取出模型，合箱后就成为铸型。将熔炼好的金属液体浇注到铸型中，冷却凝固后，落砂、清理出铸件。

砂型铸造的适应性很强，各种大小、形状的，各种合金的铸件都可以生产。

一个铸型只能使用一次，造型耗费的时间较多；另外，工人的工作环境较差。

7.2.4 熔模铸造

除了砂型铸造，其他还有许多种铸造方法，这些铸造方法统称为特种铸造。下面简单介绍几种常用的特种铸造方法。

（以下几种铸造方法可以仅作一般性了解）

熔模铸造(Investment casting)也称为精密铸造或失蜡铸造(Lost-wax casting)。生产工艺过程如图7.2-9所示(具体生产工艺过程将在《金属工艺学》或《材料成型加工技术》课程中讲解，这里仅作简介）。

图7.2-9 熔模铸造工艺过程示意图

与砂型铸造相比，熔模铸造有如下优点：

由于没有分型面，所以能生产形状非常复杂的铸件；

铸件精度和表面质量高； 适用于各种合金铸件，特别适合高熔点、难加工、形状复杂的高合金钢铸件。如高速钢刀具，不锈钢叶片、叶轮等（图7.2-10）。

图7.2-10 用熔模铸造法生产的叶轮

叶轮形状复杂，叶轮片很薄，用其他铸造方法难以制造。(引自：E.Paul,De Garmo, Materials and Processes in Manufacturing ) 看更多的关于熔模铸造的图片，请点击更多图片。

工序繁多，生产周期长，生产效率较低； 铸件大小受限，一般不超过25kg ； 铸件生产成本较高。

7.2.5 压力铸造