工程材料及机械制造基础复习（Ⅱ）——热加工工艺基础铸造1．1 铸造工艺基础(1)液态金属的充型能力液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，称为液态金属充填铸型的能力。

充型能力好，易获得形状完整、尺寸准确、轮廓清晰的铸件，有利于排气和排渣，有利于补缩。

充型能力不好，铸件易产生浇不足、冷隔、气孔、渣孔等缺陷。

影响液态金属充型能力的因素是：1)合金的流动性液态金属的充型能力主要取决于合金的流动性，即合金本身的流动能力。

流动性的好坏用螺旋线长度来表示。

螺旋线长度越长，流动性越好；反之，则流动性越差。

共晶成分的合金流动性最好，离共晶成分越远，流动性越差。

2)浇注条件①浇注温度：浇注温度越高，则充型能力越好。

因为浇注温度高，金属液的黏度低，同时，因金属液含热量多，能保持液态的时间长，由于过热的金属液传给铸型的热量多，在结晶温度区间的降温速度缓慢。

但在实际生产中，常用“高温出炉，低温浇注”的原则，因为浇注温度越高，金属收缩量增加，吸气增多，氧化也严重，铸件容易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔等缺陷。

②充型压头。

③浇注系统的结构。

3)铸型填充条件：包括铸型材料、铸型温度和铸型中的气体等。

(2)合金的收缩1)基本概念铸件在冷却、凝固过程中，其体积和尺寸减少的现象叫做收缩。

铸造合金从浇注温度冷到室温的收缩过程包括液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个互相联系的阶段。

总收缩；液态收缩+凝固收缩+固态收缩∨↓体积变化尺寸变化↓↓产生缩孔、缩松的基本原因产生应力、变形、裂纹的基本原因影响收缩的因素是：①化学成分：凡是促进石墨化的元素增加，收缩减少，否则收缩率增大。

②浇注温度：T浇↑→过热度↑→液态收缩↑→总收缩↑。

③铸件结构与铸型条件。

2)缩孔、缩松的形成与防止3)铸造内应力的产生及防止铸造内应力按产生原因的不同可分热应力和收缩应力两种。

热应力是由于铸件各部分冷却速度不同，以致在同一时间内铸件各部分收缩不一致，在铸件内部产生了互相制约的内应力，铸件的厚大部分(或心部)受拉应力，薄的部分(或外部)受压应力。

收缩应力是铸件固态收缩时，受到机械阻碍而形成的内应力。

铸造内应力的防止措施有：①设计上：力求铸件壁厚均匀。

②在工艺上：改善型(芯)砂的退让性；进行时效处理（包括人工时效和自然时效两种）。

4)铸件的变形及防止由于铸造内应力的存在，铸件将会变形以缓解和消除这种内应力，变形方向是：厚的部分向内凹，薄的部分向外凸。

防止变形的措施有：①尽量减少铸件内应力；②使铸件结构对称；③采用反变形法；④设拉筋。

5)铸件的裂纹及防止当铸件内应力超过金属强度极限时，铸件便会产生裂纹，裂纹包括热裂和冷裂两种。

1．2 铸造工艺图的绘制(1)浇注位置的选择①铸件上的重要加工面应朝下或呈侧立面；②铸件上的大平面应朝下，以免产生夹砂缺陷；③大面积的薄壁部分应垂直或倾斜浇注，以免产生浇不足或冷隔缺陷；④收缩率较大的合金应使之自下而上地进行顺序凝固，便于补缩。

(2)分型面的选择分型面是指上半铸型和下半铸型的分界面，其选择原则是：1)应便于起模，使造型工艺简化①尽量使分型面平直且数量少；②尽量避免不必要的活块或挖砂造型；③应使型芯的数量少。

2)应尽量使铸件全部或大部分置于同一砂箱中(以免产生错箱缺陷)，且最好位于下箱（以便检验铸件壁厚及下芯)。

(3)工艺参数的确定1)机械加工余量在铸件上为切削加工的方便而加大的尺寸称为机械加工余量。

铸件的孔、槽是否铸出，不仅取决于工艺上的可能性，还必须考虑其必要性。

2)起模(拔模)斜度凡垂直于分型面的加工表面都应设置拔模斜度，以便起模。

3)收缩率由于铸件在冷却、凝固时都要产生收缩，为保证铸件的有效尺寸，模样和芯盒的制造尺寸应比铸件放大一个收缩量。

4)芯头：其作用是为了保证型芯在铸型中的定位、固定和通气。

※(4)浇注系统1)对浇注系统的要求a．使金属液平稳、连续、均匀地流人铸型，避免对砂型和型芯的冲击。

b．防止熔渣、砂粒或其他杂质进入铸型。

c．调节铸件各部分温度分布，控制冷却和凝固顺序，避免缩孔、缩松及裂纹的产生。

2)浇注系统的组成及作用a．浇口杯：承受金属液的冲击和分离熔渣，避免金属液对砂型的直接冲击。

b．直浇道：利用它的高度所产生的静压力，可以控制金属液流人铸型的速度和提高充型能力。

c．横浇道：主要起挡渣作用。

d．内浇道：它是把金属液直接引入铸型的通道。

利用它的位置、大小和数量可以控制金属液流人铸型的速度和方向，以及调整铸件各部分的温度分布。

1．3铸铁件生产(1)铸铁种类(2)石墨对铸铁性能的影响①力学性能差:由于石墨减少了基体的有效承载面积；在片状石墨的尖角处造成了应力集中。

②工艺性能：铸造性能好：铸件产生缺陷的可能性小。

切削加工性好：切削加工时呈崩碎切屑。

可锻性差：属脆性材料。

可焊性差；焊接时产生裂纹的倾向大。

焊接区常出现白口组织。

③特殊性能：减振性好：石墨对机械振动起缓冲作用，阻止了振动能量的传播。

耐磨性好：灰铸铁摩擦面上形成了大量显微凹坑，能起储存润滑油作用使摩擦副内容易保持油膜的连续性；同时石墨本身也是良好的润滑剂。

缺口敏感性低：由于石墨已使灰铸铁基体上形成了大量缺口，因此外来缺口对灰铸铁的疲劳强度影响甚傲。

(3)常用铸铁一览表注：铸铁的热处理只能改变其基体组织，而不能改变石墨的形态、大小及分布。

灰铁的热处理有去应力退火和软化退火。

球铁的热处理包括退火(获得铁素体基体)、正火(高温正火获得珠光体基体，低温正火获得珠光体+铁素体基体)、调质(获得回火索氏体基体)和等温淬火(获得下贝氏体基体)。

(4)影响石墨化的因素1)化学成分碳、硅是强烈促进石墨化的元素。

碳、硅质量分数过低，铸铁易产生白口；碳、硅质量分数高，则析出的石墨数量多且粗大，基体中铁素体质量分数增高，力学性能降低。

铸铁组织图(铸件壁厚50mm，砂型铸造)硫是强烈阻碍石墨化的元素，它的存在使铸件的白口倾向增大，并易产生热脆性。

锰也是阻碍石墨化的元素，但它与硫可形成MnS，从而降低硫的有害作用。

2)冷却连度铸件的冷却速度主要取决于铸型散热条件与壁厚。

1．4铸钢件生产(1)牌号及性能最低抗拉强度，MPa最低屈服点数字，MPa铸钢不仅强度高，并有优良的塑性和韧性，因此适用于制造形状复杂、强度和韧性要求都高的零件。

(2)生产特点铸钢的熔炼一般采用电弧炉和感应电炉等。

钢的浇注温度高、流动性差，钢水易氧化和吸气，体收缩率大。

因此铸造性能差，容易产生浇不足、气孔、缩孔、缩松、热裂、粘砂等缺陷。

为防止上述缺陷的产生，必须在工艺上采取相应的措施。

1．5铸件结构设计(1)铸件外形设计①铸件外形要便于造型应尽量避免在铸件外形上沿起模方向的外凸和内凹部分。

②尽量使分型面少而简单。

③凡垂直于分型面的不加工表面，最好具有结构斜度，请注意与拔模斜度的区别。

(2)铸件的内腔设计①应尽量不用或少用型芯。

②应使铸型中的型芯定位准确、安放稳固、捧气通畅、清理方便。

(3)铸件壁的设计①铸件的壁厚应适当：铸件壁不宜过厚，否则金属液聚集会引起晶粒粗大，且容易产生缩孔、缩松等缺陷。

若壁太薄，则易产生冷隔、浇不足、变形和裂纹等缺陷，如此必须限制一个最小壁厚。

②铸件的壁厚应尽可能均匀，否则在厚壁处因金属聚集易产生缩孔、缩松等缺陷，还因冷速不同而产生热应力，致使薄壁和厚壁的连接处产生裂纹。

③铸件壁的连接。

a．铸件的垂直壁或转弯处应有结构圆角。

b．应避免交叉和锐角连接。

c．厚壁与薄壁间的连接要逐步过渡。

(4)其他：①避免受阻收缩；②应尽量避免过大的水平面。

※1．6 特种铸造压力加工2．1金属的塑性变形单晶体的塑性变形方式有滑移和孪晶两种。

滑移是指晶体在外力作用下，其一部分相对另一部分沿一定的晶面(滑移面)滑动。

其特点是：①只有在剪应力的作用下才能进行；②滑移后晶体各部分的位向依然一致；③滑移距离是原子间距的整数倍；④由于实际晶体存在位错，所以晶体的滑移实质是沿滑移面的位错运动。

多晶体的塑性变形包括晶粒内部的变形与晶粒之间的变形两部分。

晶内变形仍以滑移与孪晶两种基本方式进行，晶间变形包括晶粒之间的微量相互位移与转动。

多晶体塑性变形的特点是：变形的不均匀性，变形抗力比单晶体大，形成纤维组织与各向异性。

金属在冷态下塑性变形后其强度和硬度提高、塑性降低的现象称为加工硬化。

加工硬化可作为一种强化金属的手段，但它会使塑性下降，给进一步进行压力加工带来困难。

要消除加工硬化，必须对冷态下塑性变形的金属加热。

随着加热温度的升高，可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段：再结晶温度T再=0．4T熔金属在再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷态塑性变形，又称冷加工。

其优点是尺寸、形状精度高；表面质量好；金属强度。

硬度提高；劳动条件好。

但它的变形抗力大，变形程度小，金属内部残余应力大。

要想继续进行冷加工，必须进行中间再结晶退火。

金属在再结晶温度以上进行的塑性变形称为热态塑性变形，又称热加工。

它对组织结构和性能影响是：消除铸态金属的某些缺陷以提高机械性能；形成纤维组织。

纤维组织导致金属材料的力学性能呈现各向异性。

沿纤维方向(纵向)较垂直于纤维方向(横向)具有较高的强度、塑性和冲击韧性。

因此在设计零件时，应使流线与零件上所受最大正应力方向一致，与零件上所受剪应力或冲击力方向相垂直，且与零件外形相符合，不被切断。

金属的锻造性是指锻造金属材料的难易程度，其衡量指标为塑性和变形抗力。

影响锻造性的因素是：1)金属的本质：包括化学成分和组织结构。

2)变形条件①变形温度：提高变形温度可有效地提高金属的可锻性。

②变形速度：低速、高速(大于临界速度)都可使锻造性提高。

③应力状态：三个方向中压应力的数目越多，则金属的塑性越好；拉应力的数目越多，则金属的塑性越差。

同号应力状态下的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗力。

2．2 自由锻设备锻锤{空气锤：适于加工小型锻件；蒸气—空气锤：吨位大，适于加工中小型锻件（＜1500kg)。

产生冲击力使金属变形，吨位用落下部分质量表示水压机：产生静压力使金属变形，吨位较大，可用来锻造大型锻件工序基本工序：包括拔长、镦粗、冲孔、扩孔、错移、弯曲、扭转和切割等8种辅助工序精整工序自由锻的工艺规程包括以下步骤：①绘制自由锻件图；考虑加工余量、敷料和锻件公差即可绘制锻件图；②计算坯料的质量和尺寸；③安排锻造工序；④选择锻造设备；⑤确定锻造温度范围；⑥填写锻造工艺卡。

自由锻的结构工艺性重点是判断结构的合理性。

其原则是：①避免锥面及斜面等；②避免非平面交接结构；③避免加强肋及表面凸台等结构；④对于横截面尺寸变化较大、形状复杂的锻件，可分成几部分分别锻出，然后再机械连接或焊接成整体。

2．3 模锻(重点掌握锤上模锻)锤上模锻所用的设备主要是蒸汽·空气锤，它与自由锻锤区别是：锤头与导轨之间的间隙比自由锻锤的小，且机架直接与砧座连接。