金属工艺学-3

表层细内有 气孔
小或不加工 最高
结晶细 较小 中 一般2.0
结晶粗 小或不加工 低
3.0
铝合金2～3 0.5～0.1 铸铁4.0
1.0
第三章
金属塑性成形
金属塑性成形加工包括锻造、冲压、拉拔、轧制等， 是利用金属的塑性，使坯料改变形状、尺寸和改善性能， 以获得型材、棒材、板材、线材或锻压件的加工方法。 金属塑性成形加工的主要方法有轧制、拉拔、挤压、 锻造、冲压等。其中轧制、拉拔、挤压主要用于生产各 种板材、管材、线材等；锻造主要生产重要的、承受重 载荷的机器零件或毛坯；冲压则是主要用于加工板料， 故又叫板料冲压。下面是金属塑性成形加工的示意图。
图3-1 各种塑性成形方法
先讲讲塑性成形的基本规律 1.体积不变定律—金属塑性变形前后的体积相等， 即体积为常数，也称为“不可压缩定律”； 2.临界切应力定律—晶体滑移的驱动力是外力在 滑移系上的分切应力。只有当滑移系上分切应力(τ ) 达到一定值时，则该滑移系才能开动； 3.最小阻力定律—在变形过程中，如果金属质点 有可能向各个不同方向移动，则每一质点将沿着阻力 最小方向移动 。（质点流动阻力最小方向是通过该 质点指向金属变形部分周边的法线方向。）
压力铸造
铝镁锌合金 一般<10kg 大批大量 100±0.3 Ra6.3～1.6
低压铸造
有色金属为 主 中小件为主 成批大量 100±0.4 Ra25～6.3
陶瓷型铸造
以铸钢为主 中大件为主 单件小批 100±0.35 Ra25～6.3
内部晶粒 加工余量 生产率 最小壁厚
结晶粗 大 低、中
结晶粗 小或不加工 低、中 通常0.7
2.足够的强度—型砂和芯砂在外力作用下要不易破坏。
3.耐火性—型砂和芯砂在高温下要不易软化、烧结、 粘附。
4.透气性—型砂和芯砂紧实后要易于通气。 5.退让性—型砂和芯砂在冷却时其体积可以被压缩。
（五）造型与制型芯
1.造型
按造型操作方法的不同，可分为：
①手工造型—填砂、紧实、起模等主要有人工完成， 操作灵活，生产率低，主要用于单件小批量生产。
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整模造型
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一、合金的铸造性能
合金的铸造性能指：氧化性、吸气性、流动性、收 缩、偏析等。 良好的铸造性能应该是：熔化时合金不易氧化，溶 液不易吸收气体；浇注时合金溶液容易充满型腔，凝固 时铸件不易产生缩孔，而且化学成分均匀；冷却时铸件 不发生变形和开裂。
浇口、冒口、冷铁的位置示意图
（三）模样与芯盒
1.模样与芯盒是制造铸型和型芯的工具。
2.模样形成铸件的外形，其外形相当于铸件的外部 形状；型芯形成铸件的内腔形状。芯盒是制造型芯的工具。 3.砂型铸造多用木材制造模样和芯盒。 4.特种铸造用金属模、塑料模和其它模样。
（四）造型材料
制造铸型用的材料称为造型材料，砂型铸造使用主要 是型砂和芯砂，它们是由砂、粘结剂和附加物组成。造型 材料应具备以下性能： 1.可塑性—型砂和芯砂在外力作用下要易于成形。
一、自由锻
自由锻（造）是利用锻压设备的上、下砧块和一些 简单的工具，使坯料在压力作用下产生塑性变形。坯料 在锻造过程中，除与上下抵铁或其它辅助工具接触的部 分表面外，都是自由表面，变形不受限制，锻件的形状 和尺寸靠锻工的技术来保证，所用设备与工具通用性强。 自由锻主要用于单件、小批生产，也是生产大型锻 件的唯一方法。
砂型铸造过程
整模造型
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名词解释： 1.浇口—液体金属进入的通道。 2.冒口—设置在铸件厚壁处和热节处，作用有：一 是补缩（防止缩孔、缩松的最有效的措施；二是排气； 三是集渣；四是注满的标志（也是它的名称来源）。 3.补贴—对于板件和壁厚均匀的薄壁件，由于冒口 的有效补缩距离有限，往往在铸件的内仍然产生缩孔和 缩松。若在铸件壁上靠近冒口处增加一个楔形厚度，使 铸件壁厚变成朝冒口逐渐增厚的形状，这个楔形部分就 叫“补贴”。 4.冷铁—由金属材料制成的激冷物，用于放入铸型 某部位，用以加速铸件某局部的冷却，如汽车进排气门 就是用这种方法把其球头部激冷生成马氏体，硬度高而 耐磨（见下图）。
水压机
模锻锤
蒸汽－空气自由锻锤
2.自由锻工序 根据作用与变形要求的不同，可分为基本工序、辅 助工序和精整工序。 ①基本工序：改变坯料的形状和尺寸以达到锻件基 本成形的工序，包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、 扭转、错移等。最常用的是镦粗、拔长、冲孔。 ②辅助工序：为了方便基本工序的操作，而使坯料 预先产生某些局部变形的工序。如压钳口、倒棱和切肩。 ③精整工序：修整锻件的最后尺寸和形状，消除表 面的不平和歪扭，使锻件达到图纸要求的工序。如修整 鼓形、平整端面、校直弯曲。 （基本工序见下面各示意图。）
挖砂造型（幻灯片）
假箱造型（幻灯片）
分模造型（幻灯片）
活块造型（幻灯片）
三箱造型（幻灯片）
刮板造型（幻灯片）
三、铸造结构的工艺性
（一）铸造工艺对铸件结构的要求 1.铸件外形应尽量简单
2.铸件的内腔要考虑到方便型芯定的制造以及型芯 的定位、安放和排气等，并应尽可能地不用或少用。
不连通
镦粗工序示意图
拔长工序示意图
冲孔工序示意图
错移工序示意图
扩孔工序示意图
碳 钢 的 锻 造 温 度
温度/° C
1538 A
固 相 线
1250
液相 线
L L+A
始锻 温度
A
E
G 912 800
A+Fe 3 CⅡ A+F
P S K
F+P P
0.02 0.77
四wk.baidu.com特种铸造
特种铸造是指砂型铸造以外的其他铸造方法，其特点 是：铸件精度高，力学性能好；生产率高；工人劳动条件 好等。
常用的特种铸造方法：1.熔模铸造；2.金属型铸造； 3.压力铸造；4.离心铸造；5.壳型铸造（分别见下面幻灯 片）。
熔模铸造（幻灯片）
金属型铸造（幻灯片）
压力铸造（幻灯片）
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金属工艺学
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主讲: 朱明
高级技师、经济师、工程师 高级技能专业教师 汽车维修高级考评员
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第三章
铸造
铸造工艺旧称“倒模”，由于铁呈液体状，故也有 叫“倒铁水模”。以前是一项既化力气又化心机的热加 工工艺。 铸造是熔炼金属、制造铸型，并将熔融金属浇入铸 型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，故又 叫“液体成形”工艺。
主要方法有：A.整体模造型；B.挖砂造型；C.假箱 造型；D.分模造型；E.活块造型；F.三箱造型；G.刮板 造型（见下面的动画片）。 ②机器造型—填砂、紧实、起模等实现机械化，生 产率高，投资大，主要用于批量生产。 主要方法有：振压紧实、抛砂紧实。
2.制型芯
①制型芯
型芯的作用：一是形成铸件的内腔；二是简化模型的 外形，以制出铸件上的台和槽等。 型芯采用比型砂更好的造型材料。造芯方法也有手工 造芯和机器造芯两种。
1.自由锻设备 自由锻设备常用的有锻锤和压力机。 ①空气锤：它由电动机直接驱动，打击速度快，锤 击能量小，适用于小型锻件。 ②蒸汽—空气锤：利用蒸汽或压缩空气作为动力， 适用于中小型锻件。 ③水压机：以压力代替锤锻时的冲击力，适用于锻 造大型锻件；其工作过程包括空程、工作行程、回程、 悬空。
图3-20 空气锤
（一）合金的充型能力（课本P27） 液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰 铸件的能力，称为液态合金的充型能力。影响充型能力 的主要因素有： 1.合金的流动性（液态合金本身的流动能力） 实验得知：灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的 流动性最差（见下图）。 2.浇注条件 ①浇注温度（有着决定性的影响。温度↑，充型能 力↑）；
离心铸造（幻灯片）
离心铸机示意图
几种常用铸造方法的比较与选用
比较项目
适用金属 铸件大小 生产批量 尺寸公差 表面粗糙度
砂型铸造
任意 任意 任意 100±1.0 粗糙
熔模铸造
以铸钢为主 <25kg 任意 100±0.3 Ra25～3.2
金属型铸造
有色金属为 主 中小件为主 大批大量 100±0.4 Ra25～ 12.5 结晶细 小 高、中
②充型压力（压力↑，充型能力↑）。 3.铸型填充条件（铸型材料：导热系数和比热容↑， 充型能力↓；铸型温度：温度↑，充型能力↑ ；铸型中 气体：产生的气压↑，充型能力↓）。
几种不同合金流动性的比较示意图
铸钢的流动性
灰铸铁的流动性
实验证明灰铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。
（二）合金的凝固与收缩 1.铸件的三种凝固方式 凝固方式示意图
凝固区域显微结构示意图
固-液 固相区 固液相区
液-固 液相区
冷却方向
2.铸件的缩孔与缩松（课本P27） 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（所谓的“补缩”），则在铸 件最后凝固的部分形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分 布，可将其分为缩孔和缩松两类。 ①缩孔—集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大 的孔洞。 ②缩松—分散在铸件某区域内的细小缩孔。 据此，我们就可以看出缩孔与缩松的区别了： 集中性缩孔→分散性缩孔→缩松（请看下图）
缩孔 缩松
铸件的宏观组织形成过程示意图
收缩过程中热应力的形成示意图
t
温度
固
粗 细
Ⅰ
Ⅱ
tK
T1
拉
Ⅱ Ⅰ Ⅱ
T2
压 拉
时间
T3
压 拉 压
铸件的变形原因示意图
结论： 1.厚部、心部受拉应 力，出现内凹变形。 2.薄部、表面受压应 力，出现外凸变形。
二、砂型铸造
（一）工艺示意图（A、B、C、D四大步骤）
缩孔的形成示意图
内壳平面，故成倒三角形缩孔
缩松的形成原因: 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。
缩孔易出现的部位示意图
形成缩孔与缩松的规律： 1.合金的结晶温度范围大，易产生缩孔；合金的结晶 温度范围小，则易产生缩松。 2.逐层凝固合金的缩孔倾向大，缩松倾向小；糊状凝 固的合金缩孔倾向虽小，但极易产生缩松。
②合箱
合箱铸型的装配工序简称合箱。合箱前，在铸型中放 好型芯、扣上上箱、放置浇口杯。合箱后，两箱要卡紧， 防止错箱和抬箱。
（六）铸铁的熔炼及浇注 1.铸铁的熔炼设备有冲天炉和感应炉等；其原料有金 属料、燃料和熔剂。 2.浇注系统：引导金属液进入铸型型的通道。它包括 浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道四个部分组成
（七）落砂、清砂、清理和检验
1.落砂：将浇注成形后的铸件从型砂和砂箱中分离出 来的工序，它分为出箱和清砂两个过程。有手工落砂和机 械落砂两种方法。出箱的温度一般不高于500度，以免铸 件产生内应力或开裂。
2.清砂是清除型砂和芯砂的过程，有水力清砂和水爆 清砂两种方法。 3.清理：去除浇口、冒口、飞边、毛刺以及表面粘砂 的工序去除表面粘砂的方法有滚筒清理、喷射清理和抛丸 清理等方法。 。 4.检验：其任务是确定合格的铸件，去除有缺陷的铸 。 件；主要包括外观检验、内部检验、化学性能和金相检验 等。
逐层凝固 中间凝固 糊状（体积）凝固
根据固–液两相区的宽度，可将凝固过程分为三种 凝固方式： 1.当固–液两相区很窄时称为“逐层凝固方式”； 2.反之为“糊状（体积）凝固方式”； 3.固–液两相区宽度介于两者之间的称为“中间凝 固方式”。 铸件的凝固方式对凝固液相的补缩能力影响很大， 从而影响最终铸件的致密性和热裂纹产生几率。
（二）金属的铸造性能对铸件结构的要求 1.铸件的壁过厚和过薄
过厚
什么叫“热节”？ 热节—在铸造凝固过程中，铸型内部金属的温度较 朱明工作室 周围的温度高，因而凝固慢的节点或区域。 zhubob@21cn.com
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2.铸件壁的连接
3.铸件结构应有利于减少应力和防止变形