硬度知識 一,硬度簡介: 硬度表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力.它是金屬材料的重要性能指標之一.一般硬度越高,耐磨 性越好.常用的硬度指標有布氏硬度,洛氏硬度和維氏硬度. 1.布氏硬度 布氏硬度(HB) 布氏硬度 以一定的載荷(一般 3000kg)把一定大小(直徑一般為 10mm)的淬硬鋼球壓入材料表面,保持一段時間,去 載后,負荷與其壓痕面積之比值,即為布氏硬度值(HB),單位為公斤力/mm2 (N/mm2). 2.洛氏硬度 洛氏硬度(HR) 洛氏硬度 當 HB>450 或者試樣過小時,不能采用布氏硬度試驗而改用洛氏硬度計量.它是用一個頂角 120°的金 剛石圓錐體或直徑為 1.59,3.18mm 的鋼球,在一定載荷下壓入被測材料表面,由壓痕的深度求出材料的 硬度.根據試驗材料硬度的不同,分三種不同的標度來表示: HRA:是采用 60kg 載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度,用于硬度極高的材料(如硬質合金等). HRB:是采用 100kg 載荷和直徑 1.58mm 淬硬的鋼球,求得的硬度,用于硬度較低的材料(如退火 鋼,鑄鐵等). HRC:是采用 150kg 載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度,用于硬度很高的材料(如淬火鋼等). 3 維氏硬度(HV) 維氏硬度 以 120kg 以內的載荷和頂角為 136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面,用材料壓痕凹坑的表面積除 以載荷值,即為維氏硬度 HV 值(kgf/mm2). ############################################################################################# 注: 洛氏硬度中 HRA,HRB,HRC 等中的 A,B,C 為三種不同的標準,稱為標尺 A,標尺 B,標尺 C. 洛氏硬度試驗是現今所使用的幾種普通壓痕硬度試驗之一,三種標尺的初始壓力均為 98.07N(合 10kgf),最后 根據壓痕深度計算硬度值.標尺 A 使用的是球錐菱形壓頭,然后加壓至 588.4N(合 60kgf);標尺 B 使用的是直徑 為 1.588mm(1/16 英寸)的鋼球作為壓頭,然后加壓至 980.7N(合 100kgf);而標尺 C 使用與標尺 A 相同的球錐菱 形作為壓頭,但加壓后的力是 1471N(合 150kgf).因此標尺 B 適用相對較軟的材料,而標尺 C 適用較硬的材料. 實踐證明,金屬材料的各種硬度值之間,硬度值與強度值之間具有近似的相應關系.因為硬度值是由起始塑性 變形抗力和繼續塑性變形抗力決定的,材料的強度越高,塑性變形抗力越高,硬度值也就越高.但各種材料的換 算關系并不一致.本站《硬度對照表》一文對鋼的不同硬度值的換算給出了表格,請查閱. ############################################################################################## 二,硬度對照表: 根據德國標準 DIN50150,以下是常用范圍的鋼材抗拉強度與維氏硬度,布氏硬度,洛氏硬度的對照表. 抗拉強度 Rm N/mm2 250 270 285 305 320 335 350 370 380 400 415 430 450 465 480 490 510 530 545 560 575 595 610 625 640 660 675 690 705 720 740 755 770 785 800 820 835 850 865 880 900 915 930 維氏硬度 HV 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 布氏硬度 HB 76.0 80.7 85.2 90.2 95.0 99.8 105 109 114 119 124 128 133 138 143 147 152 156 162 166 171 176 181 185 190 195 199 204 209 214 219 223 228 233 238 242 247 252 257 261 266 271 276 洛氏硬度 HRC 20.3 21.3 22.2 23.1 24.0 24.8 25.6 26.4 27.1 27.8 28.5 950 965 995 1030 1060 1095 1125 1115 1190 1220 1255 1290 1320 1350 1385 1420 1455 1485 1520 1555 1595 1630 1665 1700 1740 1775 1810 1845 1880 1920 1955 1995 2030 2070 2105 2145 2180 295 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 720 740 760 780 800 820 840 860 880 280 285 295 304 314 323 333 342 352 361 371 380 390 399 409 418 428 437 447 (456) (466) (475) (485) (494) (504) (513) (523) (532) (542) (551) (561) (570) (580) (589) (599) (608) (618) 29.2 29.8 31.0 32.2 33.3 34.4 35.5 36.6 37.7 38.8 39.8 40.8 41.8 42.7 43.6 44.5 45.3 46.1 46.9 47.7 48.4 49.1 49.8 50.5 51.1 51.7 52.3 53.0 53.6 54.1 54.7 55.2 55.7 56.3 56.8 57.3 57.8 58.3 58.8 59.2 59.7 60.1 61.0 61.8 62.5 63.3 64.0 64.7 65.3 65.9 66.4 900 920 940 67.0 67.5 68.0 硬度試驗是機械性能試驗中最簡單易行的一種試驗方法.為了能用硬度試驗代替某些機械性能試驗,生 產上需要一個比較準確的硬度和強度的換算關系. 實踐證明,金屬材料的各種硬度值之間,硬度值與強度值之間具有近似的相應關系.因為硬度值是由起 始塑性變形抗力和繼續塑性變形抗力決定的,材料的強度越高,塑性變形抗力越高,硬度值也就越高. 下面是本站根據由實驗得到的經驗公式制作的快速計算器,有一定的實用價值,但在要求數據比較精確 時,仍需要通過試驗測得. 三,硬度換算公式 1.肖氏硬度(HS)=勃式硬度(BHN)/10+12 2.肖式硬度(HS)=洛式硬度(HRC)+15 3.勃式硬度(BHN)= 洛克式硬度(HV) 4.洛式硬度(HRC)= 勃式硬度(BHN)/10-3 硬度測定范圍: HS<100 HB<500 HRC<70 HV<1300 洛氏硬度 布氏硬度 HB10/3000 維氏硬度 HRCHRA 59.580.7676 59.080.5666 58.580.2655 58.080.0645 57.579.7635 57.079.5625 56.579.2615 56.078.9605 55.578.6596 55.078.4538587 54.578.1532578 54.077.9526569 53.576.6520560 53.076.3515551 52.576.1509543 52.076.9503535 51.576.6497527 HV 51.076.3492520 50.576.1486512 50.075.8480504 硬度換算表 HV 940 920 900 880 860 840 820 800 780 760 740 720 700 690 680 670 660 650 640 630 620 610 600 590 580 570 HRC 68 67.5 67 66.4 65.9 65.3 64.7 64 63.3 62.5 61.8 61 60.1 59.7 59.2 58.8 58.3 57.8 57.3 56.8 56.3 55.7 55.2 54.7 54.1 53.6 HBS HV 560 550 540 530 520 510 500 490 480 470 460 450 440 430 420 410 400 390 380 370 360 350 340 330 320 310 HRC 53 52.3 51.7 51.1 50.5 49.8 49.1 48.4 47.7 46.9 46.1 45.3 44.5 43.6 42.7 41.8 40.8 39.8 38.8 37.7 36.6 35.5 34.4 33.3 32.2 31 505 496 488 480 473 465 456 448 441 433 425 415 405 397 388 379 369 360 350 341 331 322 313 303 294 HBS HV 300 295 290 285 280 275 270 265 260 255 250 245 240 230 220 210 200 190 180 170 160 HRC 29.8 29.2 28.5 27.8 27.1 26.4 25.6 24.8 24 23.1 22.2 21.3 20.3 18 15.7 13.4 11 8.5 6 3 0 HBS 284 280 275 270 265 261 256 252 247 243 238 233 228 鋼的硬度值換算( 附錄 G 鋼的硬度值換算(續) 表 1 鋼的維氏硬度(HV)與其他硬度和強度的近似換算值 (續) 布氏硬度 10-mm 鋼 球 維 氏 硬 度 標 準 鋼 球 鎢 - 硬 質 合 金 鋼 球 HBW 3 350 341 331 322 313 303 294 284 280 275 270 265 A. 標尺 60-kg 負荷 金剛 圓錐 壓頭 標尺 100-kg 負荷 金剛圓 錐壓頭 標 尺 100-kg 負荷 金剛圓 錐壓頭 標 尺 100-kg 負荷 金剛圓 錐壓頭 15-N 標尺 15- kg 負荷 30-N 標尺 30- kg 負荷 45-N 標尺 45-kg 負荷 3000-kg b 負荷 表面洛氏硬度 洛氏硬度 b a 表面金剛石圓錐壓頭 肖 氏 硬 度 抗拉強度 維 (近似值) 氏 Mpa (1000psi) 硬 度 HV 1 370 360 350 340 330 320 310 300 295 290 285 280 HBS 2 350 341 331 322 313 303 294 284 280 275 270 265 HRA 4 69.2 68.7 68.1 67.6 67.0 66.4 65.8 65.2 65.8 64.5 64.2 63.8 HRB 5 - (109.0) - (108.0) - (107.0) - (105.5) - (104.5) - (103.5) HRC 6 37.7 36.6 35.5 34.4 33.3 32.3 31.0 29.8 29.2 29.2 28.5 27.8 27.1 HRD 7 53.6 52.8 51.9 51.1 50.2 49.4 48.4 47.5 47.1 46.5 46.0 45.3 HR15N 8 79.2 78.6 78.0 77.4 76.8 76.2 75.6 74.9 74.6 74.2 73.8 73.4 HR30N 9 57.4 56.4 55.4 54.4 53.6 52.3 51.3 50.2 49.7 49.0 48.4 47.8 HR45N 10 40.4 39.1 37.8 36.5 35.2 33.9 32.5 31.1 30.4 29.5 28.7 27.9 HS 11 - 50 - 47 - 45 - 42 - 41 - 40 σb 12 1170(170) 1130(164) 1095(159) 1070(155) 1035(150) 1005(146) 980(142) 950(138) 935(136) 915(133) 905(131) 890(129) HV 13 370 360 350 340 330 320 310 300 295 290 285 280 275 270 265 260 255 250 245 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 95 90 85 261 256 252 247 243 238 233 228 219 209 200 190 181 171 162 152 143 133 124 114 105 95 90 86 81 261 256 252 247 243 238 233 228 219 209 200 190 181 171 162 152 143 133 124 114 105 95 90 86 81 63.5 63.1 62.7 62.4 62.0 61.6 61.2 60.7 - - - - - - - - - ― ― - - - - - - - (102.0) - (101.0) - 99.5 - 98.1 96.7 95.0 93.4 91.5 89.5 87.1 85.0 81.7 78.7 75.0 71.2 66.7 62.3 56.2 52.0 48.0 41.0 26.4 25.6 24.8 24.0 23.1 22.2 21.3 20.3 (18.0) (15.7) (13.4) (11.0) (8.5) (6.0) (3.0) (0.0) - - - - - - - - - 44.9 44.3 43.7 43.1 42.2 41.7 41.1 40.3 - - - - - - - - - - - - - - - - - 73.0 72.6 72.1 71.6 71.1 70.6 70.1 69.6 - - - - - - - - - - - - - - - - - 47.2 46.4 45.7 45.0 44.2 43.4 42.5 41.7 - - - - - - - - - - - - - - - - - 27.1 26.2 25.2 24.3 23.2 22.2 21.1 19.9 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 38 - 37 - 36 - 34 33 32 30 29 28 26 25 24 22 21 20 - - - - - - 875(127) 855(124) 840(122) 825(120) 805(117) 795(115) 780(113) 765(111) 730(106) 695(101) 670(97) 635(92) 605(88) 580(84) 545(79) 515(75) 490(71) 455(66) 425(62) 390(57) - - - - - 275 270 265 260 255 250 245 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 95 90 85 a)在本表中用黑體字表示的值與按 ASTM-E140 表 1 的硬度轉換值一致,由相應的 SAE-ASM-ASTM 聯合會列出的. b)括號里的數值是超出范圍的,只是提供參考. 利用布氏硬度壓痕直徑直接換算出工件的洛氏硬度 利用布氏硬度壓痕直徑直接換算出工件的洛氏硬度 在生產現場,由于受檢測儀器的限制,經常使用布氏硬度計測量大型淬火件的硬度.如果想知道該 工件的洛氏硬度值,通常的方法是,先測量出布氏硬度值,然后根據換算表,查出相對應的洛氏硬度值, 這種方式顯然有些繁瑣.那么,能否根據布氏硬度計的壓痕直徑,直接計算出工件的洛氏硬度值呢?答 案當然是肯定的. 根據布氏硬度和洛氏硬度換算表, 可歸納出一個計算簡單且容易記住的經驗公式: HRC =(479-100D)/4,其中 D 為 Φ10mm 鋼球壓頭在 30KN 壓力下壓在工件上的壓痕直徑測量值.該公式計 算出的值與換算值的誤差在 0.5 ～ -1 范圍內,該公式在現場用起來十分方便,您不妨試一試. 附錄: 金屬工藝學 金屬工藝學是一門研究有關制造金屬機件的工藝方法的綜合性技術學科. 主要內容:1 常用金屬材料性能 2 各種工藝方法本身的規律性及應用. 3 金屬機件的加工工藝過程,結構工藝性. 熱加工:金屬材料,鑄造,壓力加工,焊接 目的,任務:使學生了解常用金屬材料的性質及其加工工藝的基礎知識,為學習其它相關課程及以后從事機 械設計和制造方面的工作奠定必要的金屬工藝學的基礎. [以綜合為基礎,通過綜合形成能力] 第一篇 金屬材料 第一章 金屬材料的主要性能 兩大類:1 使用性能:機械零件在正常工作情況下應具備的性能. 包括:機械性能,物理,化學性能 2 工藝性能:鑄造性能,鍛造性能,焊接性能,熱處理性能,切削性能等. 第一節 金屬材料的機械性能 指力學性能---受外力作用反映出來的性能. 一 彈性和塑性: 1 彈性:金屬材料受外力作用時產生變形,當外力去掉后能恢復其原來形狀的性能. 力和變形同時存在,同時消失. 如彈簧:彈簧靠彈性工作. 2 塑性:金屬材料受外力作用時產生永久變形而不至于引起破壞的性能. (金屬之間的連續性沒破壞) 塑性大小以斷裂后的塑性變形大小來表示. 塑性變形:在外力消失后留下的這部分不可恢復的變形. 3 拉伸圖 金屬材料在拉伸過程中彈性變形,塑性變形直到斷裂的全部力學性能可用拉伸圖形象地表示出來. 以低碳鋼為例 σb σk σs σe ε(l) 將金屬材料制成標準式樣. 在材料試驗機上對試件軸向施加靜壓力 P,為消除試件尺寸對材料性能的影響,分別以應力 σ(即單位面積上的 拉力 4P/πd2)和應變(單位長度上的伸長量 l/l0 )來代替 P 和 l,得到應力——應變圖 1)彈性階段 oe σe——彈性極限 2)屈服階段:過 e 點至水平段右端 σs——塑性極限,s——屈服點 過 s 點水平段——說明載荷不增加,式樣仍繼續伸長. (P 一定,σ=P/F 一定,但真實應力 P/F1↑ 因為變形,F1↓) 發生永久變形 3)強化階段:水平線右斷至 b 點 P↑ 變形↑ σb——強度極限,材料能承受的最大載荷時的應力. 4)局部變形階段 bk 過 b 點,試樣某一局部范圍內橫向尺寸突然急劇縮小. "縮頸" (試樣橫截面變小,拉力↓) 4 延伸率和斷面收縮率:——表示塑性大小的指針 1)延伸率: δ= l0——式樣原長,l1——拉深后長 2)斷面收縮率: F0——原截面,F1—拉斷后截面 * 1) δ,ψ 越大,材料塑性越好 2)ε 與 δ 區別:拉伸圖中 ε=ε 彈+ε 塑 , δ=εmas 塑 3)一般 δ〉5%為塑性材料,δ〈5%為脆性材料. 5 條件屈服極限 σ0.2 有些材料在拉伸圖中沒有明顯的水平階段.通常規定產生 0.2 塑性變形的應力作為屈服極限,稱為條件屈服極限. 二 剛度 金屬材料在受力時抵抗彈性變形的能力— 1 材料本質 彈性模量—在彈性范圍內,應力與應變的比值.其大小主要決定材料本身. 相當于單位元元變形所需要的應力. σ=Εε, Ε=σ/ε=tgα 2 幾何尺寸\形狀\受力 相同材料的 E 相同,但尺寸不同,則其剛度也不同.所以考慮材料剛度時要把 E\形狀\尺寸同時考慮.還要考慮受 力情況. 三 強度 強度指金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力. 按作用力性質的不同,可分為: 抗拉強度 σ+ 抗壓強度 σ- 抗彎強度 σw 抗剪強度 τb 抗扭強度 σn 常用來表示金屬材料強度的指標: 屈服強度: (Pa N/m2) Ps-產生屈服時最大外力, F0-原截面 抗拉強度 (Pa N/m2) Pb-斷裂前最大應力. σs \σb 在設計機械和選擇評定材料時有重要意義.因金屬材料不能在超過 σs 的條件下工作,否則會塑變.超過 σb 工 作,機件會斷裂. σs--σb 之間塑性變形,壓力加工 四 硬度 金屬抵抗更硬的物體壓入其內的能力— 是材料性能的綜合物理量,表示金屬材料在一個小的體積范圍內的抵抗彈性變形\塑性變形或斷裂的能力. 1 布式硬度 HB 用直徑 D 的淬火鋼球或硬質合金球,在一定壓力 P 下,將鋼球垂直地壓入金屬表面,并保持壓力到規定的時間后卸 荷,測壓痕直徑 d(用刻度放大鏡測)則 HB=P/F (N/mm2) 單位一般不寫. F-壓痕面積. HBS—壓頭用淬火鋼球, HBW—壓頭用硬質合金球 l 因鋼球存在變形問題,不能測太硬的材料,適于 HBS<450, 如鑄鐵,有色金屬,軟鋼等. 而 HBW<650. l 特點:壓痕大,代表性全面 l 應用:不適宜薄件和成品件 2 洛式硬度HR 用金剛石圓錐在壓頭或鋼球,在規定的預載荷和總載荷下,壓入材料,卸載后,測其深度h,由公式求出, 可在硬度計上直接讀出,無單位. 不同壓頭應用范圍不同如下表: 980.7 HRB d=1.588 淬火鋼球 退火鋼 灰鐵 有色金屬 HRC 1471 淬火 回火件 1200 金剛石圓錐 HRA 588.4 硬質合金 碳化物 優點:易操作,壓痕小,適于薄件,成品件 缺點:壓痕小,代表性不全面需多測幾點. *硬度與強度有一定換算關系,故應用廣泛.根據硬度可近似確定強度,如灰鐵: σb=1HBS 3 顯微硬度(Hm) 用于測定金屬組織中個別組成體,夾雜物等硬度. 顯微放大測量 顯微硬度(查表)與 HR 有對應關系.如:磨削燒傷表面,看燒傷層硬度變化. 五 沖擊韌性 ak 材料抵抗沖擊載荷的能力 常用一次擺錘沖擊試驗來測定金屬材料的沖擊韌性,標準試樣一次擊斷,用試樣缺口處單位截面積上的沖擊功來表 示 ak ak=Ak/F(J/m2) Ak=G(H-h) G-重量 F-缺口截面 脆性材料一般不開口,因其沖擊值低,難以比較差別. 1 ak↑,沖擊韌性愈好. 2 Ak 不直接用于設計計算:在生產中,工件很少因受一次大能量沖擊載荷而破壞,多是小沖擊載荷,多次沖 擊引起破壞,而此時,主要取決于強度,故設計時, ak 只做校核. 3 ak 對組織缺陷很敏感,能夠靈敏地反映出材料品質,宏觀缺陷,纖維組織方面變化. 所以,沖擊試驗是生產上用來檢驗冶煉,熱加工,熱處理工藝質量的有效方法. (微裂紋——應力集中——沖擊——裂紋擴展) 六 疲勞強度: 問題提出:許多零件如曲軸,齒輪,連桿,彈簧等在交變載荷作用下,發生斷裂時的應力遠低于該材料的屈服強 度,這種現象——疲勞破壞.據統計,80%機件失效是由于疲勞破壞. 疲勞強度——當金屬材料在無數次交變載荷作用下而不致于引起斷裂的最大應力. 1 疲勞曲線——交變應力與斷裂前的循環次數 N 之間的關系. 例如:純彎曲, 有色金屬 N》108 鋼材 N>107 不疲勞破壞 2 疲勞破壞原因 材料有雜質,表面劃痕,能引起應力集中,導致微裂紋,裂紋擴展致使零件不能承受所加載荷突然破壞. 3 預防措施 改善結構形狀,避免應力集中,表面強化-噴丸處理,表面淬火等. 第二節 金屬材料的物理,化學及工藝性能 一 物理性能 比重: 計算毛坯重量,選材,如航天件 :輕 熔點:鑄造 鍛造溫度(再結晶溫度) 熱膨脹性:鐵軌 模鍛的模具 量具 導熱性: 鑄造:金屬型 鍛造:加熱速度 導電性: 電器元件 銅 鋁 磁性:變壓器和電機中的硅鋼片 磨床: 工作臺 二 化學性能 金屬的化學性能,決定了不同金屬與金屬,金屬與非金屬之間形成化合物的性能,使有些合金機械性能高,有些合金 抗腐蝕性好,有的金屬在高溫下組織性能穩定. 如耐酸,耐堿等 如化工機械,高溫工作零件等 三 工藝性能 金屬材料能適應加工工藝要求的能力. 鑄造性,可鍛性,可焊性,切削加工形等 思考題; 1 什么是應力,應變(線應變)? 2 頸縮現象發生在拉伸圖上哪一點? 如果沒發生頸縮,是否表明該試樣沒有塑性變形? 3 σ0.2 的意義?能在拉伸圖上畫出嗎? 4 將鐘表發條拉成一直線,這是彈性變形還是塑性變形?如何判定變形性質? 5 為什么沖擊值不直接用于設計計算? 第二章 金屬和合金的晶體結構與結晶 第一節 金屬的晶體結構 一基本概念: 固體物質按原子排列的特征分為: 晶體: 原子排列有序,規則,固定熔點,各項異性. 非晶體:原子排列無序,不規則,無固定熔點,各項同性 如: 金屬 ,合金,金剛石—晶體 玻璃,松香 瀝青—非晶體 晶格: 原子看成一個點,把這些點用線連成空間格子. 結點: 晶格中每個點. 晶胞: 晶格中最小單元,能代表整個晶格特征. 晶面: 各個方位的原子平面 晶格常數: 晶胞中各棱邊的長度(及夾角), 以 A(1A=10-8cm)度量 金屬晶體結構的主要區別在于晶格類型,晶格常數. 二 常見晶格類型 1 體心立方晶格: Cr ,W, α-Fe, Mo , V 等,特點:強度大,塑性較好,原子數:1/8 X8 +1=2 20 多種 2 面心立方晶格: Cu Ag Au Ni Al Pb γ- Fe 塑性好 原子數:4 20 多種 4 密排六方晶格: Mg Zn Be β-Cr α-Ti Cd(鎘) 純鐵在室溫高壓(130x108N/M2)成 ε-Fe 原子數=1/6 x12+1/2 x2+3=6 , 30 多種 三 多晶結構 單晶體- 晶體內部的晶格方位完全一致. 多晶體—許多晶粒組成的晶體結構.各項同性. 晶粒—外形不規則而內部晶各方位一致的小晶體. 晶界—晶粒之間的界面. 第二節 金屬的結晶 一 金屬的結晶過程(初次結晶) 1 結晶: 金屬從液體轉變成晶體狀態的過程. 晶核形成: 自發晶核:液體金屬中一些原子自發聚集,規則排列. 外來晶核:液態金屬中一些外來高熔點固態微質點. 晶核長大:已晶核為中心,按一定幾何形狀不斷排列. *晶粒大小控制: 晶核數目: 多—細(晶核長得慢也細) 冷卻速度: 快—細(因冷卻速度受限,故多加外來質點) 晶粒粗細對機械性能有很大影響,若晶粒需細化,則從上述兩方面入手. 結晶過程用冷卻曲線描述! 2 冷卻曲線 溫度隨時間變化的曲線—熱分析法得到 1) 理論結晶溫度 實際結晶溫度 時間(s) T(℃) 過冷: 液態金屬冷卻到理論結晶溫度以下才開始結晶的現象. 2) 過冷度:理論結晶溫度與實際結 晶溫度之差. (實際冷卻快,結晶在理論溫度下) 二 金屬的同素異購轉變(二次結晶\重結晶) 同素異構性—一種金屬能以幾種晶格類型存在的性質. 同素異購轉變—金屬在固體時改變其晶格類型的過程. 如:鐵 錫 錳 鈦 鈷 以鐵為例: δ-Fe(1394℃)γ-Fe(912℃)α-Fe 體心 面心 體心 因為鐵能同素異構轉變,才有對鋼鐵的各種熱處理. (晶格轉變時,體積會變化,以原子排列不同) 第三節 合金的晶體結構 一 合金概念 合金: 由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬組成的具有金屬特性的物質. 組元:組成合金的基本物質.如化學元素(黃銅:二元)金屬化合物 相:在金屬或合金中,具有相同成分且結構相同的均勻組成部分.相與相之間有明顯的界面. 如:純金屬—一個相,溫度升高到熔點,液固兩相. 合金液態組元互不溶,幾個組元,幾個相. 固體合金中的基本相結構為固溶體和金屬化合物,還可能出現由固溶體和金屬化合物組成的混合物. 二 合金結構 1 固溶體 溶質原子溶入溶劑晶格而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體. 根據溶質在溶劑晶格中所占的位置不同,分為: 1) 置換固溶體 溶質原子替代溶劑原子而占據溶劑晶格中的某些結點位置,所形成的固溶體. *溶質原子,溶劑原子直徑相差不大時,才能置換 如:Cu——Zn Zn 溶解度有限. Cu——Ni 溶解度無限 晶格畸變——固溶強化:畸變時塑性變形阻力增加,強,硬增加.這是提高合金機械性能的一個途徑. 2) 間隙固溶體 溶質原子嵌入各結點之間的空隙,形成固溶體.溶質原子小,與溶劑原子比為〈 0.59 .溶解度有限.也固溶強 化. 2 金屬化合物 合金各組成元素之間相互作用而生成的一種新的具有金屬性質,可用分子式表示的物質.如 Fe3C WC 特點: (1)較高熔點,較大脆性,較高硬度. (2)在合金中作強化相,提高強度,硬度,耐磨性,而塑性,韌性下降,如 WC,TiC.可通過調整合金中的金 屬化合物的數量,形態,分布來改變合金的性能 3 機械混合物 固溶體+金屬化合物,固+固——綜合性能 §4 二元合金狀態圖的構成 合金系:由給定的組元可以配制成一系列成分含量不同的合金,這些合金組成一個合金系統—— 為研究合金系的合金成分,溫度,結晶組織之間的變化規律,建立合金狀態圖來描述. 合金狀態圖——合金系結晶過程的簡明圖解. 實質:溫度——成分作標圖,是在平衡狀態下(加熱冷卻都極慢的條件下)得到的. 二,二元合金狀態圖的建立 以 Pb(鉛)-Sb(銻)合金為例: 1 配置幾種 Pb-Sb 成分不同的合金. 2 做出每個合金的冷卻曲線 3 將每個合金的臨界點標在溫度—成分坐標上,并將相通意義的點連接起來,即得到 Pb-Sb 合金的狀態圖. A D B C E 液相線:ACB 固相線:DCE 單相區:只有一個相. 兩相區:兩個相.ACD,BCE. c—共晶點 *作業: 第三章 鐵碳合金 §1 鐵碳合金的基本組織 液態:Fe,C 無限互溶 . 固態:固溶體 金屬化合物 t ℃ 1538 δ-Fe+C ——鐵素體 F 1394 γ-Fe+C——奧氏體 A 912 α-Fe+C——鐵素體 F s 一鐵素體 碳溶于 α-Fe 形成的固溶體——鐵素體 F 體心立方,顯微鏡下為均勻明亮的多邊形晶粒. 性能:韌性很好(因含 C 少) ,強,硬不高.δ=45~50%,HBS= σb=250Mpa 含碳: 727℃,0.02% 二 奧氏體 碳溶于 γ-Fe 中形成的固溶體—"A" 面心立方,顯微鏡下多邊形晶粒,晶界較 F 平直. 性能:塑性好,壓力加工所需要組織.含碳最高;1147℃,2.11% HBS=170~220 三滲碳體 金屬化合物 Fe3C 復雜晶格,含碳:6.69%. 性能:硬高 HB(sw)>800,,脆,作強化相. 在一定條件下會分解成鐵和石墨,這對鑄造很有意義. 四 珠光體 P F+Fe3C—機械混合物,含碳 0.77% 組織:兩種物質相間組成,性能:介于兩者之間.強度較高: 硬度 HBS=250 五 萊氏體 >727℃ A+Fe3C—Ld 高溫萊氏體 <727℃ P+Fe3C—Ld'低溫萊氏體 性能: 與 Fe3C 相似 HBS>700 塑性極差. §2 鐵碳合金狀態圖 是表明平衡狀態下含 C 不大于 6.69%的鐵碳合金的成分,溫度與組織之間關系,是研究鋼鐵的成分,自治和性能之間 關系的基礎,也是制定熱加工工藝的基礎. 含 C>6.69 在工業上午實際意義,而含 C6.69%時,Fe 與 C 形成 Fe3C,故可看成一個組元,即鐵碳合金狀態圖實際為 Fe-Fe3C 的狀態圖. 一鐵碳合金狀態圖中點線面的意義 1 各特性點的含義 1)A: 純鐵熔點 含 C: 0% 1538℃ 2)C: 共晶點 4.3% 1148 3)D: Fe3C 熔點 6.69 1600 4)E: C 在 A 中最大溶解度 2.11 1148 5)F: Fe3C 成分點 6.69 1148 6)G: α-Fe 與 γ-Fe 轉變點 0% 912 7)K: Fe3C 成分點 6.69 727 8)P: C 在 α-Fe 中最大溶解度 0.02 727 9)S: 共析點 0.77 727 10) Q: C 在 α-Fe 中溶解度 0.0008 室溫 2 主要線的意義 1) ACD:液相線,液體冷卻到此線開始結晶. 2) AECF:固相線 此線下合金為固態 3) ECF:生鐵固相線,共晶線,液體—Ld 4) AE: 鋼的固相線,液態到此線—A 5) GS:"A3" A 到此線開始析出 F 6) ES:"Acm" A 到此線開始析出 Fe3CⅡ 7) PSK:"A1"共析線.A 同時析出 P(F+Fe3C) 3 主要區域 1) ACE: 兩相區 L+A 2) DCF:兩相區 L+Fe3C1 3) AESG: 單相區 A 4) GPS: A+F 兩相區 二 鋼鐵分類 1 工業純鐵: 含 C<0.0218% 組織:F 2 鋼:含碳: 0.0218~2.11 共析鋼 含 C=0.77% P 亞共析鋼 含 C<0.77% P+F 過共析鋼 含 C>0.77% P+Fe3C11 3 鐵 含 C:2.11%~6.69% 共晶生鐵 4.3% C Ld' 亞共晶生鐵 < 4.3% C P+Ld'+ Fe3C11 過共晶生鐵 > 4.3% C Ld'+ Fe3C1 三 典型合金結晶過程分析 1 共析鋼 L—L+A—A--P 2 亞共析鋼 L—A+L—A—A+F—F+P 3 過共析鋼 L—L+A—A—A+ Fe3C11-- Fe3C1+P 4 共晶鐵 L—Ld—Ld' 5 亞共晶鐵 L—1 點—L+A—A+Ld—P+Ld' 6 過共晶鐵 L—1 點—L+Fe3C1—2 點—Ld+ Fe3C1—3 點--- Fe3C1+Ld' 四 鐵碳合金狀態圖的應用 1 鑄造 確定澆鑄溫度 選材: 共晶點附近鑄造性能好 2 鍛造 鍛造溫度區間 A 3 焊接 焊接缺陷用熱處理改善.根據狀態圖制定熱處理工藝 §3 鋼的分類和應用 按化學成分:碳鋼: <2.11%C 少量 Si Mn S P 等雜質 合金鋼:加入一種或幾種合金元素 一 碳鋼 1 含碳量對碳鋼性能的影響 <0.9%C C↑強,硬↑ 塑,韌↓ FeC 強化相 >0.9%C C↑ 硬↑, 強, 塑,韌↓ FeC 分布晶界,脆性↑ 2 鋼中常見雜質對性能的影響 Si: 溶于 F ,強化 F, 強,硬↑ 塑,韌↓. 含量<0.03~0.4% 有益作用不明顯 Mn: 1)溶于 F,Fe3C.引起固溶強化. 2)與 FeS 反應—MnS 比重輕,進入熔渣,如量少,有益作用不明顯. S: FeS—(FeS+Fe)共晶體,熔點 985℃,分布晶界,引起脆性"熱脆" P: 溶于 F,是強度,硬度↑,但室溫塑性,韌性↓↓ "冷脆" 3 碳鋼的分類 1 ) 按含碳量分 低碳鋼 <0.25%C 中碳鋼: 0.25~0.6%C, 高碳鋼>0.6%C 2) 按質量分(含 S,P 多少分) 普通鋼 S<=0.055%,P<=0.045% 優質鋼 S,P<=0.04% 高級優質鋼 S<=0.03% P<=0.035% 3)按用途分 碳素結構鋼, 碳素工具鋼 >0.6%C 4 碳鋼的編號和用途 1)普通碳素結構鋼: Q235 數字表示屈服強度 單位 Mpa 2)優質碳素結構鋼 正常含錳量的優質碳素結構鋼: 0.25~0.8%Mn 較高含錳量 0.15~0.6%C 0.7~1.0%Mn , >0.6%C 0.9~1.2%Mn 08 10 15 20 25 強↓ 塑↑ 沖壓件 焊件 30 35 40 45 50 55 60 強↑硬↑ 彈簧,軸,齒輪 耐磨件 65 70 75 80 85 耐磨件 數字表示含 C 萬分 8 之幾 3)碳素工具鋼 T13 數字表示含 C 千分之幾 T 7T 8 高級優質鋼加 A 含 Mn 高,加 Mn T8MnA 二 合金鋼 常加合金元素: Mn Si Cr Ni Mo W V Ti B(硼) 稀土元素(Xt)等 1 合金結構鋼 "數 +元素符號+數"表示 數—含碳萬分之幾, 符號—合金元素, 符號后面數表示含合金%, <1.5%不標, =1.5% 標 2 若為高級優質鋼,后加 若為高級優質鋼 后加 A 如: 60Si2Mn 0.6%C, 2%Si <1.5%Mn 18Cr2Ni4WA 0.18%C, 2%Cr, 4%Ni, <1.5%W 高級優質 應用: 工程結構件, 機械零件 主要包括:低合金鋼,合金滲碳鋼,合金調質鋼,合金彈簧鋼,滾動軸承鋼等 2 合金工具鋼: 數+元素符號+數 與結構鋼同 數—一位數, 含 C 千分之幾,含 C>=1.0%不標 如: 9SiCr (板牙, 絲錐) 0.9%C <1.5%Si <1.5%Cr CrWMn (長鉸刀,絲錐,拉刀, 精密絲杠) *高速鋼 含 C<1.0 也不標 W18Cr4V 0.7~0.8%C,18%W,4%Cr,<1.5%V 應用:刃具,模具,量具等 3 特殊性能鋼 不銹鋼: 1Cr13 1Cr18Ni9Ti 等 耐熱鋼: 1Cr13 2Cr13 >400℃ 工作 耐磨鋼: 高錳鋼水韌處理,沖擊下工作,表面產生加工硬化.并有馬試體在滑移面形成,表面硬度達 HB450~550,表 面耐磨,心部為 A. 水韌處理: 鋼加熱到臨界點以上(1000~1100℃)保溫,碳化物全容于 A,水冷,因冷速快,無法析出碳化物,成單一 A 組織. §5 常用非金屬材料 一 高分子材料 天然: 羊毛 橡膠 人工合成: 塑料 人工橡膠 粘結劑等 有機玻璃 尼龍 丙綸 氯綸---商品名 工程塑料: 環氧樹脂 聚甲醛: 塑料手表中零件 聚酰亞胺: 絕緣 二 陶瓷 耐磨 耐蝕 脆 刀片 砂輪 三 復合材料 磨削軟片: 聚酰亞胺+金剛石 §4 金屬零件選材的一般原則 產品的質量和生產成本如何,與材料選擇的是否恰當有直接關系,機械零件進行選材時,主要考慮零件的工作條件, 材料的工藝性能和產品的成本. 基本原則如下: 1 滿足零件工作條件: 受力狀態—機械性能,基本 σ δ αk 等 工作溫度環境介質—使用環境 ,高溫—耐熱,抗腐蝕—不銹鋼 高硬度—工具鋼 2 材料的工藝性能 零件的生產方法不同,直接影響其質量和生產成本. 如:灰口鐵,鑄造性能 切削加工性很好,可鍛性差. 3 經濟性 價值=功能/成本 如: 耐腐蝕容器: 1)普通碳素鋼:5000 元 用一年 2)奧氏體不銹鋼: 40000 元 用 10 年 3)鐵素體不銹鋼: 15000 元 用 6 年 1):2):3) =1:1.25:2 第四章 鋼的熱處理 §1 概述 一 鋼的熱處理: 把鋼在固態下加熱到一定的溫度進行必要的保溫,并以適當的速度冷卻到室溫,以改變鋼的 內部組織,從而得到所需性能的工藝方法 * 只改變組織和性能,而不改變其形狀和大小.熱處理是改善材料性能的重要手段之一,能提高產品質量,延長機件 壽命,節約金屬材料,所以,重要機件都要經過熱處理. (提問 提問:前面學過的改善金屬材料性能的手段—固溶強化) 提問 熱處理工藝曲線: 各種熱處理都可以用溫度—時間的坐標圖形表示. 溫度 保溫 臨界溫度 加熱 冷卻 時間 應用廣泛:機械制造業中 70%零件需熱處理.汽車 拖拉機 制造業 70~80% 量具 刃具 模具 滾動軸承等 100% 二 目的 1 冶金 鍛 鑄 焊毛坯或成品,消除缺陷,改善工藝性能.為后續加工(如機加)做好組織,性能,準備. 退火 正火 2 是鋼件的機械性能提高,達到鋼件的最終使用性能指標,以滿足機械零件或工具使用性能要求. 淬火+回 火 表面淬火 化學處理 l 依據:狀態圖 §2 熱處理過程中的組織轉變 一 鋼在加熱時的組織轉變 1 臨界溫度: 狀態圖上 A1 : 共析線(P-A) 臨界溫度: A3 : A 析出 F(F-A) 極緩慢冷卻 Acm : A 析出 Fe3CⅡ( ) 實際加熱臨界溫度 Ac1 Ac3 A "過熱" Accm 實際冷卻臨界溫度 Ar1 Ar3 A 析出 F "過冷" Arcm 析出 Fe3CⅡ P 2 組織轉變 1) 共析鋼: P(F+Fe3C)---A (1) A 晶核形成:F 和 Fe3C 界面上先形成 A 晶核 (因界面原子排列不規則,缺陷多,能量低) (2) A 晶核長大:F 晶格轉變,Fe3C 不斷溶入 A, A 晶核不斷生成,長大.F 轉變快, 先消失. (3) 殘余滲碳體的溶解:隨保溫時間加長, 殘余 Fe3C 逐漸溶入 A (4)A 成分均勻化: A 轉變完成后,各處含 C 濃度不均勻,繼續保溫,C 充分擴散,得到單一的均勻 A 這個過程是 A 重結晶的過程. 2) 亞共析鋼: F+P—Ac1—F+A—Ac3---A 3) 過共析鋼: P+ Fe3CⅡ--Ac1—A+ Fe3CⅡ--Accm---A(晶粒粗化) 二 鋼在冷卻時的組織轉變 (鋼在室溫時的機械性能不僅與加熱,保溫有關,與冷卻過程也有關) 1 冷卻方式 1) 連續冷卻: 時加熱到 A 的鋼,在溫度連續下降的過程中發生組織轉變. 水冷 油冷 空冷(正火) 爐冷(退火) 2) Ar1 (2) (1) 等溫冷卻: 使加熱到 A 的鋼,先以較快的速度冷卻到 Ar1 線下某一溫度,成為過冷 A,保溫,使 A 在等 溫下發生組織轉變,轉變完,再冷卻到室溫. 等溫退火 等溫淬火 2 共析鋼冷卻時的等溫轉變 以共析鋼為例,進行一系列不同過冷度的等溫冷卻實驗,可以測出過冷奧氏體在恒溫下開始轉變和轉變終了的 時間,畫到"溫度—時間"坐標系中,然后,把開始轉變的時間和轉變終了的時間分別連接起來,即得到共析鋼的奧氏 體等溫轉變曲線.又叫 C 曲線. 1) 高溫產物: Ar1 ～650℃ P 層片較厚 500X 顯微鏡 HRC10-20 650～600℃ 細珠光體 索氏體 S HRC25~35 層片較薄 800~1000X 600～550℃ 極細珠光體 屈氏體 T HRC30~40 層片極薄 l a)以上三種均為 F+ Fe3C 層片相間的珠光體,只是層片厚度不同. l b)由于過冷度從小到大,原子活動能力由強到弱,致使析出的滲 碳體和鐵素體層片越來越來薄. l c)珠光體層片越薄,塑變抗力越大,強,硬越大. 2)中溫產物 550~350℃ 上貝氏體 B 上 電鏡下觀察,滲碳體不連續,短桿狀,分布于許多平行而密集的鐵素體條之間. 350 ~ 230℃ 下貝氏體 B 下 比 B 上 有較高強,硬,韌,塑.片狀過飽和 F 和其內部沉淀的碳化物組織(因為過 飽和 F 有析出 Fe3C 傾向,但過冷度太大,導致碳原子沒能擴散超出 F 片,只是在片內沿一定晶面聚集,沉淀出 碳化物粒子) 3)低溫轉變產物: 230 ~ -50℃ 馬氏體(M)+殘余 A 馬氏體:過飽和的 α 固溶體"M" (由于溫度低,原子活動能力低,晶格轉變完成,但是,C 原子不能從面心中擴散出來,仍留在體心中, 形成過飽和 α 固溶體) ∵ 晶格嚴重畸形,∴ M 硬↑ HRC65 塑 韌 →0 3 共析鋼連續冷卻轉變 連續冷卻可能發生幾種轉變,很復雜. 共析鋼連續冷卻,只有珠光體轉變區和馬氏體轉變區. 珠光體轉變區:三條線構成:開始,終了,終止線 冷卻速度過"開始""終了"線,組織為珠光體 冷卻速度過"開始""終止"線,組織為珠光體和馬氏體 冷卻速度不過珠光體區,則為 M §3 鋼的熱處理工藝 熱處理: 整體熱處理: 退火 正火 淬火 回火 表面熱處理: 表面淬火 化學熱處理—滲碳 滲氮 一 退火 將鋼件加熱到高于或低于鋼的臨界點,保溫一定時間,隨后在爐內或埋入導熱性較差的介質中緩慢冷卻,以獲得 接近平衡的組織,這種工藝叫— 目的: 目的 1) 降低硬度—切削加工 2) 細化晶粒,改善組織—提高機械性能 3) 消除內應力—淬火準備 4) 提高塑性,韌性—冷沖壓, 冷拉拔 1 完全退火 完全退火:將鋼加熱到 Ac3 以上 30~50℃,保溫一定時間后,緩慢冷卻以獲得接近平衡狀態組織(P+F)的熱處理 工藝. 目的:通過完全重結晶,使鍛,鑄,焊件降低硬度,便于切削加工,同時可消除內應力,使 A 充分轉變成正常的 F 和 P. 目的 應用: 應用 亞共析鋼 * 不能用于共析鋼,∵在 Accm 以上緩冷,會析出網狀滲碳體(Fe3CⅡ),脆性↑ 2 不完全退火 完全退火:將共析鋼或過共析鋼加熱到 Ac1 以上 20~30℃,適當保溫,緩慢冷卻的熱處理工藝-- 又叫球化 完全退火 退火. 目的:使珠光體組織中的片狀滲碳體轉變為粒狀或球狀,這種組織能將低硬度,改善切削加工性.并為以后淬火做準 備.減小變形和開裂的傾向. 應用:共析鋼,過共析鋼(球化退火) 3 等溫退火:將鋼件加熱到 Ac3A(亞共析鋼)或 Ac1(共析鋼或過共析鋼)以上,保溫后較快地冷卻到稍低于 Ar1 的溫度,再等溫處理,A 轉變成 P 后,出爐空冷. 目的: 節省退火時間,得到更均勻的組織,性能. 應用: 合金工具鋼,高合金鋼 4 去應力退火:將鋼加熱到 Ac1 以下某一溫度(約 500~650℃)保溫后緩冷. (又叫低溫退火) 目的:消除內應力 應用:鑄,鍛,焊 *不發生相變,重結晶 例子:杯裂 5 再結晶退火:將鋼件加熱到再結晶溫度以上 150~250℃,即 650~750℃,保溫,空冷. 目的: 發生再結晶,消除加工硬化. 應用: 冷扎,冷拉,冷壓等 * 可能相變 6 擴散退火: 均勻化退火,高溫進行 目的:消除偏析,應用:鑄件 二 正火 鋼件加熱到 Ac3(亞)或 Accm(過共)以上 30~50℃,保溫,空冷 * 正火作用與退火相似,區別是正火冷速快,得到非平衡的珠光體組織,細化晶粒,效果好,能得到片層間距較小的珠 光體組織. 與退火對比 含碳量 碳素結構鋼(HB) 碳素工具鋼(HB) 工藝 ≤0.25 0.25~0.65% 0.65~0.85% 0.7~1.3% ≤150 150-220 220-229 退火 187-217(球化) ≤156 156-228 230-280 229-341 正火 實踐表明:工件硬度 HB170-230 時,對切削有利 正火目的:1 提高機械性能 2 改善切削加工性 3 為淬火作組織準備—大晶粒易開裂 對于過共析鋼,正火能減少二次滲碳體的析出,使其不形成連續的網狀結構,有利于縮短過共析鋼的球化 退火過程,經正火和球化退火的過共析鋼有較高的韌性,淬火就不易開裂,用于生產過共析鋼的工具的工藝路線: 鍛造—正火—球化退火—切削加工—淬火, 回火—磨 低碳鋼,正火代替退火,中 C 鋼: 正火代調質(但晶粒不均) 三 淬火 將鋼件加熱到 Ac3(亞)或 Ac1(過)以上 30-50℃,經過保溫,然后在冷卻介質中迅速冷卻,以獲得高硬度組織的一種熱 處理工藝. 目的:提高硬度,耐磨性 應用:工具,模具,量具,滾動軸承. 組織:馬氏體.下貝氏體 淬火冷卻:決定質量,理想冷卻速度兩頭慢中間快.減少內應力. 1 常用淬火法: 1) 單液淬火(普通淬火):在一種淬火介質中連續冷卻至室溫.如碳鋼水冷 缺點: 水冷,易變形,開裂. 油冷:易硬度不足,或不均 優點: 易作,易自動化. 2) 雙液淬火:先在冷卻能力較強的介質中冷卻到 300℃左右,再放入冷卻到冷卻能力較弱的介質中冷卻,獲得 馬氏體. 對于形狀的碳鋼件,先水冷,后空冷. 優點: 防低溫時 M 相變開裂. 3) 分級淬火:工件加熱后迅速投入溫度稍高于 Ms 點的冷卻介質中,(如言浴火堿浴槽中)停 2-5 分(待表面與心部 的溫差減少后再取出)取出空冷. 應用:小尺寸件(如刀具淬火) 防變形,開裂 優點: 工藝理想,操作容易 缺點: ∵在鹽浴中冷卻,速度不夠大 ∴只適合小件 4) 等溫淬火:將加熱后的鋼件放入稍高于 Ms 溫度的鹽浴中保溫足夠時間, 使其發生下貝氏體轉變,隨后空冷. 應用: 形狀復雜的小零件,硬度較高,韌性好,防變形,開裂. 例子:螺絲刀(T7 鋼制造) 用淬火+低溫回火 HRC55, 韌性不夠,扭 10°時易斷 如用等溫淬火, HRC55~58 韌性好, 扭 90°不斷 等溫淬火后如有殘余 A,需回火, A-F. 如沒有殘余 A,不需回火 缺點:時間長 2 鋼的淬透性與淬硬性 淬透性:鋼在淬火時具有獲得淬硬層深度的能力. 淬硬性:在淬火后獲得的馬氏體達到的硬度,它的大小取決于淬火時溶解在奧氏體中的碳含量. 四 回火 將淬火后的鋼加熱到 Ac1 以下某一溫度,保溫一定時間,后冷卻到室溫的熱處理工藝. 目的:消除淬火后因冷卻快而產生的內應力,降低脆性,使其具有韌性,防止變形,開裂,調整機械性能. 1 低溫回火:加熱溫度 150~250℃ 組織: 回火馬氏體—過飽和度小的 α-固溶體,片狀上分布細小 ε-碳化物 目的: 消除內應力,硬度不降.HRC58~64 應用: 量具,刃具 低碳鋼: 高塑性,韌性,較高強度配合 2 中溫回火:加熱溫度 350~500℃ 組織: 極細的球(粒)狀 Fe3C 和 F 機械混合物. (回火屈氏體) 目的:減少內應力,提高彈性,硬度略降. 應用:(0.45~0.9%)彈簧,模具 高強度結構鋼 3 高溫回火:500~650℃ 組織: 回火索氏體—較細的球(粒)狀 Fe3C 和 F 機械混合物. 目的: 消除內應力,較高韌性,硬度更低. 應用: 齒輪,曲軸,連桿等(受交變載荷) 淬火+高溫回火---調質 五 表面淬火 表面層淬透到一定深度而中心部仍保持原狀態. 應用:既受摩擦,又受交變,沖擊載荷的件. 目的:提高表面的硬度,有利的殘余應力. 提高表面耐磨性,疲勞強度 加熱方法:1 火焰: 單間小批局部,質量不穩 2 感應加熱: 質量不穩 六 化學熱處理 工件放在某種化學介質中加熱,保溫,使化學元素滲入工件表面,改善工件表面性能. 應用: 受交變載荷,強烈磨損,或在腐蝕,高溫等條件下工作的工件. 滲 C: 表面成高碳鋼,細針狀高碳馬氏體(0.85~1.05%),心部又有高韌性的受力較大的齒輪,軸類件 固體滲碳, 液體滲碳,氣體滲碳(常用:滲碳劑如甲醇+丙酮 900~930℃) 如: 低碳鋼,表層:P+Fe3CⅡ 內部:P+F 熱處理:淬火+低溫回火 得到回火 M(細小片狀)+ Fe3CⅡ 表面含 C: 0.85~1.05% 若表面含 C 低,得到低含 C 的回火 M,硬度低 含 C 高,網狀或大量塊狀滲 C 體,脆性↑ 滲 N: 表面硬度,耐磨性,耐蝕性,疲勞強度↑ 溫度: 500~570℃ 最后工序. 為保證內部性能,氮化前調質 優點: 氮化后不淬火,硬度高(>HV850),氮化層殘余壓應力,疲勞強度↑ 氮化物抗腐蝕. 溫度低,變形小. 碳氮共滲: 硬度高,滲層較深,硬度變化平緩,具有良好的耐磨性,較小的表面脆性. 第二篇 鑄 造 概述 一 什么是鑄造? 將液體金屬澆鑄到與零件形狀相適應的鑄造空腔中,待其冷卻凝固后,以獲得零件或毛坯的方法. 二 特點 1 優點: 1) 可以生產形狀復雜的零件,尤其復雜內腔的毛坯(如暖氣) 2) 適應性廣,工業常用的金屬材料均可鑄造. 幾克~幾百噸. 3) 原材料來源廣泛.價格低廉. 廢鋼,廢件,切屑 4) 鑄件的形狀尺寸與零件非常接近,減少切削量,屬少無切削加工. ∴ 應用廣泛: 農業機械 40~70% 機床:70~80%重量鑄件 2 缺點: 1) 機械性能不如鍛件(組織粗大,缺陷多等) 2) 砂性鑄造中,單件,小批,工人勞動強度大. 3) 鑄件質量不穩定,工序多,影響因素復雜,易產生許多缺陷. 鑄造的缺陷對鑄件質量有著重要的影響,因此,我們從鑄件的質量入手,結合鑄件主要缺陷的形成與防止,為選擇鑄 造合金和鑄造方法打好基礎. 第一章 鑄造工藝基礎 §1 液態合金的充型 充型: 液態合金填充鑄型的過程. 充型能力: 液態合金充滿鑄型型腔,獲得形狀完整,輪廓清晰的鑄件的能力 充型能力不足:易產生: 澆不足: 不能得到完整的零件. 冷隔:沒完整融合縫隙或凹坑, 機械性能下降. 一 合金的流動性 液態金屬本身的流動性----合金流動性 1 流動性對鑄件質量影響 1) 流動性好,易于澆出輪廓清晰,薄而復雜的鑄件. 2) 流動性好,有利于液態金屬中的非金屬夾雜物和氣體上浮,排除. 3) 流動性好,易于對液態金屬在凝固中產生的收縮進行補縮. 2 測定流動性的方法: 以螺旋形試件的長度來測定: 如 灰口鐵:澆鑄溫度 1300℃ 試件長 1800mm. 鑄鋼: 1600℃ 100mm 3 影響流動性的因素 主要是化學成分: 1) 純金屬流動性好:一定溫度下結晶,凝固層表面平滑,對液流阻力小 2) 共晶成分流動性好:恒溫凝固,固體層表面光滑,且熔點低,過熱度大. 3) 非共晶成分流動性差: 結晶在一定溫度范圍內進行,初生數枝狀晶阻礙液流 二 澆注條件 1 澆注溫度: t↑ 合金粘度下降,過熱度高. 合金在鑄件中保持流動的時間長, ∴ t↑ 提高充型能力. 但過高,易產生縮孔,粘砂,氣孔等,故不宜過高 2 充型壓力: 液態合金在流動方向上所受的壓力↑ 充型能力↑ 如 砂形鑄造---直澆道,靜壓力. 壓力鑄造,離心鑄造等充型壓力高. 三 鑄型條件 1 鑄型結構: 若不合理,如壁厚小, 直澆口低, 澆口小等 充↓ 2 鑄型導熱能力: 導熱↑ 金屬降溫快,充↓ 如金屬型 3 鑄型溫度: t↑ 充↑ 如金屬型預熱 4 鑄型中氣體: 排氣能力↑ 充↑ 減少氣體來源,提高透氣性, 少量氣體在鑄型與金屬液之間形成一層氣膜,減少 流動阻力,有利于充型. §2 鑄件的凝固和收縮 1 2 3 鑄件的凝固過程如果沒有合理的控制,鑄件易產生縮孔,縮松 一 鑄件的凝固 1 凝固方式: 鑄件凝固過程中,其斷面上一般分為三個區: 1—固相區 2—凝固區 3—液相區 對凝固區影響較大的是凝固區的寬窄,依此劃分凝固方式. 1) 逐層凝固: 純金屬,共晶成分合金在凝固過程中沒有凝固區,斷面液,固兩相由一條界限清楚分開,隨溫度下降,固相層不斷增加, 液相層不斷減少,直達中心. 2) 糊狀凝固 合金結晶溫度范圍很寬,在凝固某段時間內,鑄件表面不存在固體層,凝固區貫穿整個斷面,先糊狀,后固化.故--3) 中間凝固 大多數合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間. 2 影響鑄件凝固方式的因素 1) 合金的結晶溫度范圍 范圍小: 凝固區窄,愈傾向于逐層凝固 如: 砂型鑄造, 低碳鋼 逐層凝固, 高碳鋼 糊狀凝固 2) 鑄件的溫度梯度 合金結晶溫度范圍一定時,凝固區寬度取決于鑄件內外層的溫度梯度. 溫度梯度愈小,凝固區愈寬.(內外溫差大,冷卻快,凝固區窄) 二 合金的收縮 液態合金從澆注溫度至凝固冷卻到室溫的過程中,體積和尺寸減少的現象---.是鑄件許多缺陷(縮孔,縮松,裂紋,變 形,殘余應力)產生的基本原因. 1 收縮的幾個階段 1) 液態收縮: 從金屬液澆入鑄型到開始凝固之前. 液態收縮減少的體積與澆注溫度質開始凝固的溫度的溫差 成正比. 2) 凝固收縮: 從凝固開始到凝固完畢. 同一類合金,凝固溫度范圍大者,凝固體積收縮率大.如: 35 鋼,體積收縮率 3.0%, 45 鋼 4.3% 3) 固態收縮: 凝固以后到常溫. 固態收縮影響鑄件尺寸,故用線收縮表示. 2 影響收縮的因素 1) 化學成分: 鑄鐵中促進石墨形成的元素增加,收縮減少. 如: 灰口鐵 C, Si↑,收↓,S↑ 收↑.因石墨比容大,體積膨 脹,抵銷部分凝固收縮. 2) 澆注溫度: 溫度↑ 液態收縮↑ 3) 鑄件結構與鑄型條件 鑄件在鑄型中收縮會受鑄型和型芯的阻礙.實際收縮小于自由收縮.∴ 鑄型要有好的退讓性. 3 縮孔形成 在鑄件最后凝固的地方出現一些空洞,集中—縮孔. 純金屬,共晶成分易產生縮孔 *產生縮孔的基本原因: 鑄件在凝固冷卻期間,金屬的液態及凝固受縮之和遠遠大于固態收縮. 4 影響縮孔容積的因素(補充) 1) 液態收縮,凝固收縮 ↑ 縮孔容積↑ 2) 凝固期間,固態收縮↑,縮孔容積↓ 3) 澆注速度↓ 縮孔容積↓ 4) 澆注速度↑ 液態收縮↑ 易產生縮孔 5 縮松的形成 由于鑄件最后凝固區域的收縮未能得到補足,或者,因合金呈糊狀凝固,被樹枝狀晶體分隔開的小液體區難以得到 補縮所至. 1) 宏觀縮松 肉眼可見,往往出現在縮孔附近,或鑄件截面的中心.非共晶成分,結晶范圍愈寬,愈易形成縮松. 2) 微觀縮松 凝固過程中,晶粒之間形成微小孔洞--凝固區,先形成的枝晶把金屬液分割成許多微小孤立部分,冷凝時收縮,形成晶間微小孔洞. 凝固區愈寬,愈易形成 微觀縮松,對鑄件危害不大,故不列為缺陷,但對氣密性,機械性能等要求較高的鑄件,則必須設法減少.(先凝固的收 縮比后凝固的小,因后凝固的有液,凝,固三個收縮,先凝固的有凝,固二個收縮區----這也是形成微觀縮松的基本原因. 與縮孔形成基本原因類似) 6 縮孔,縮松的防止辦法 基本原則: 制定合理工藝—補縮, 縮松轉化成縮孔. 順序凝固: 冒口—補縮 同時凝固: 冷鐵—厚處. 減小熱應力,但心部縮松,故用于收縮小的合金. l 安置冒口,實行順序凝固,可有效的防止縮孔,但冒口浪費金屬,浪費工時,是鑄件成本增加.而且,鑄件內應力 加大,易于產生變形和裂紋.∴主要用于凝固收縮大,結晶間隔小的合金. l 非共晶成分合金,先結晶樹枝晶,阻礙金屬流動,冒口作用甚小. l 對于結晶溫度范圍甚寬的合金,由于傾向于糊狀凝固,結晶開始之后,發達的樹枝狀骨狀布滿整個截面,使 冒口補縮道路受阻,因而難避免顯微縮松的產生.顯然,選用近共晶成分和結晶范圍較窄的合金生產鑄件是適宜的. §3 鑄造內應力,變形和裂紋 凝固之后的繼續冷卻過程中,其固態收縮若受到阻礙,鑄件內部就發生內應力,內應力是鑄件產生變形和裂紋的基 本原因.(有時相變膨脹受阻,負收縮) 一 內應力形成 1 熱應力: 鑄件厚度不均,冷速不同,收縮不一致產生. 塑性狀態: 金屬在高于再結晶溫度以上的固態冷卻階段,受力變形,產生加工硬化,同時發生的再結晶降硬化抵消, 內應力自行消失.(簡單說,處于屈服狀態,受力—變形無應力) 彈性狀態: 低于再結晶溫度,外力作用下,金屬發生彈性變形,變形后應力繼續存在. 舉例: a) 凝固開始,粗 細處都為塑性狀態,無內應力 ∵兩桿冷速不同,細桿快,收縮大,∵受粗桿限制, 不能自由收縮,相對被拉長,粗桿相對被壓縮,結果 兩桿等量收縮. b) 細桿冷速大,先進如彈性階段,而粗桿仍為塑性階段,隨細桿收縮發生塑性收縮,無應力. c) 細桿收縮先停止,粗桿繼續收縮,壓迫細桿,而細桿又阻止粗桿的收縮,至室溫, 粗桿受拉應力(+),(-) 由此可見,各部分的溫差越大,熱應力也越大,冷卻較慢的部分形成拉應力,冷卻較快的部分形成壓應力. 預防方法: 1 壁厚均勻 2 同時凝固—薄處設澆口,厚處放冷鐵 優點: 省冒口,省工,省料 缺點: 心部易出現縮孔或縮松,應用于灰鐵錫青銅,因灰鐵縮孔,縮松傾向小,錫青銅糊狀凝固,用順序凝固也難 以有效地消除其顯微縮松. 2 機械應力 合金的線收縮受到鑄型或型芯機械阻礙而形成的內應力. 機械應力是暫時的,落砂后,就自行消失.*機械應力與熱應力共同作用,可能使某些部位增加了裂紋傾向. 預防方法: 提高鑄型和型芯的退讓性. 3 相變應力 冷卻過程中,固態相變時,體積會發生變化.如 A—P, A—P 體積會增大,Fe3C—石墨,體積↑. 若體積變化受阻.則產 生內應力--鐵碳合金三種應力在鑄件不同部位情況如下表: 鐵碳合金三種應力在鑄件不同部位情況如下表 機械應力 鑄件部位 熱應力 相變應力 共析轉變 石墨化 落砂前 落砂后 + + + 0 薄或外層 + 0 厚或內層 + 前面講過預防應力方法,若產生應力,還可通過自然時效和人工時效的方法消除應力. 二 變形與防止 鑄件通過自由變形來松弛內應力,自發過程.鑄件廠發生不同程度的變形. 舉例: 平板鑄件 ∵ 平板中心散熱慢,受拉力.平板下部冷卻慢. ∴ 發生如圖所示變形 防止方法: 1 壁厚均勻,形狀對稱,同時凝固. 2 反變形法(長件,易變形件) 殘余應力: 自然時效, 人工時效---低溫退火 550—650℃ 三 鑄件的裂紋與防止 鑄件內應力超過強度極限時,鑄件便發生裂紋. 1 熱裂紋: 高溫下形成裂紋 特征: 裂紋短,縫寬,形狀曲折.縫內呈氧化色,無金屬光澤,裂縫沿晶粒邊界通過,多發生在應力集中或凝固處. 灰 鐵,球鐵熱裂少,鑄鋼,鑄鋁,白口鐵大. 原因: 1 凝固末期,合金呈完整骨架+液體,強,塑↓ 2 含 S—熱脆 3 退讓性不好 預防: 設計結構合理, 改善退讓性, 控制含 S 量 2 冷裂紋: 低溫下裂紋 特征: 裂紋細,連續直線狀或圓滑曲線,裂口表面干靜,具有金屬光澤,有時里輕微氧化色 原因: 復雜大工件受拉應力部位和應力集中處易發生; 材料塑性差; P—冷脆 預防: 合理設計,減少內應力,控制 P 含量, 提高退讓性 §4 鑄件中的氣體 常見缺陷, 廢品 1/3. 氣體在鑄件中形成孔洞. 一 氣孔對鑄件質量的影響 破壞金屬連續性 較少承載有效面積 氣孔附近易引起應力集中,機械性能↓ αk σ-1 ↓ 彌散孔,氣密性↓ 二 分類(按氣體來源) 1 侵入氣孔: 砂型材料表面聚集的氣體侵入金屬液體中而形成. 氣體來源: 造型材料中水分, 粘結劑,各種附加物. 特征: 多位于表面附近,尺寸較大,呈橢圓形或梨形孔的內表面被氧化. 形成過程: 澆注---水汽(一部分由分型面,通氣孔排出,另一部分在表面聚集呈高壓中心點)—氣壓升高.溶入金 屬---一部分從金屬液中逸出—澆口, 其余在鑄件內部,形成氣孔. 預防: 降低型砂(型芯砂)的發起量,增加鑄型排氣能力. 2 析出氣孔: 溶于金屬液中的氣體在冷凝過程中,因氣體溶解度下降而析出, 使鑄件形成氣孔. 原因: 金屬熔化和澆注中與氣體接觸(H2 O2 NO CO 等) 特征: 分布廣,氣孔尺寸甚小, 影響氣密性 3 反應氣孔: 金屬液與鑄型材料,型芯撐,冷鐵或溶渣之間,因化學反應生成的氣體而形成的氣孔. 如: 冷鐵有銹 Fe3O4 + C –Fe + CO↑ ∴冷鐵附近生成氣孔 防止: 冷鐵 型芯撐表面不得有銹蝕,油污,要干燥. §5 鑄件質量控制 1 合理選定鑄造合金和鑄件結構. 2 合理制定鑄件技術要求(允許缺陷,具有規定) 3 模型質量檢驗(模型合格—鑄件合格) 4 鑄件質量檢驗(宏觀, 儀器) 5 鑄件熱處理: 消除應力, 降低硬度,提高切削性,保證機械性能,退火,正火等 1 2 3 4 第二章 常用鑄造合金 §1 鑄鐵 鑄鐵通常占機器設備總重量的 50%以上.(2.5~4.0%C) 一 分類 1 按 C 在鑄鐵中存在形式不同,可分三類: 1) 白口鑄鐵: C 微量溶于 F 外,全部以 Fe3C 形式存在, 斷面銀白,硬,脆,難機械加工,很少用于制造零件. 僅用于不沖擊,耐磨件. 如軋輥 主要用途: 煉鋼原料. 也可處理成可鍛鑄鐵. 2) 灰口鑄鐵: C 微量溶于鐵素體外,全部或大部以石墨形式存在,斷口灰色,應用最廣. 3) 麻口鑄鐵: 有石墨,萊氏體.屬于白口鐵和灰口鐵之間的過渡組織,斷口黑白相間,麻點.硬,脆,難加工 2 根據石墨形態的不同,灰口鐵又分為: 1) 普通灰口鑄鐵: 石墨 片狀 2) 可鍛鑄鐵: 團絮狀 3) 球墨鑄鐵: 球狀 4) 蠕墨鑄鐵: 蠕蟲狀 3 按化學成分: 普通鑄鐵 合金鑄鐵: Si>4% Mn> 2% 或一定量的 Ti Mo Cr Cu 等 二 灰口鑄鐵: 占鑄鐵產品的 80% 以上 1 性能 顯微組織: 金屬基體(鐵素體,珠光體)+片狀石墨 相當于在鋼的基體上嵌入大量的石墨片 1) 機械性能: σb E↓ 塑,韌---0. 脆性(crispy)材料 ∵ 石墨, 軟 脆 強↓ 比重小 1) 由于石墨的存在,減少了承載的有效面積. 2) 石墨片的邊緣形成缺口,應力集中,局部開裂,形成脆性斷裂,基本強度只利用 30~50% ∴ 石墨越多,越粗大,分布越不均或呈方向性,則對基體的割裂越嚴重,機械性能越差. * 灰口鑄鐵的抗壓強度受石墨的影響較小,與鋼的抗壓強度近似. 灰口鐵的機械性能還與金屬基體類別有關 (1) 珠光體灰口鐵: 珠光體基體上分布細小,均勻的石墨. ∵ 石墨對基體割裂較輕,故機械性能好. 如齒輪 (2) 珠光體—鐵素體灰口鐵: ∵珠光體與鐵素體混合基體上分布粗大石墨,∴ 強↓ 適于一般機件,鑄造性,切削加工性,減振性,均由于前者.如齒輪箱 (3) 鐵素體灰口鐵 ∵鐵素體基體分布多而粗大的石墨片 ∴ 強 硬↓ 塑 ,韌性差(基體的作用遠趕不上石墨對基體的割裂作用) 2) 工藝性能: 脆性材料 不能鍛壓; 可焊性差(易裂紋,焊區白口,難加工) 鑄造性能好(缺陷少); 切削性能好(因石墨,崩碎切屑) 3) 減振性: ↑ ∵石墨有緩沖作用,阻止振動能量傳播,適于機床床身等 4) 耐磨性: ↑∵1 石墨是潤滑劑,脫落在磨擦面上. 2 灰口鐵摩擦面上形成大量顯微凹坑,能起儲存潤滑油的作用,是摩擦面上保持油膜連續. ∴ 適于 導軌 襯套 活塞環等 5) 缺口敏感性: ↓ ∵石墨已在鐵素體基體上形成大量的缺口.所以,外來缺口(鍵槽,刀痕)對灰口鐵的疲勞強度影響 甚微,提高了零件工作的可靠性 2 影響鑄鐵組織和性能的因素 * 鑄鐵中的碳 可能以化合狀態(Fe3C)或自由狀態(石墨)存在. 灰鐵中, 一方面分析: C 化合=0.8%時,為珠光體灰鐵,石墨片細小,分布均勻,強 硬度高,可制造較重要的零件. C 化合 < 0.8%時,珠光體+鐵素體灰口鐵 強度低,適于一般機件,其鑄造性能,切削加工性和減振性均優于前者. C 化合=0 時鐵素體灰口鐵 強 硬低 塑 韌 ↓ 很少用 另一方面分析: 鑄鐵的組織和性能與石墨化程度有關. * 影響石墨化的主要因素: 1)化學成分: C↑ 石墨化↑ Si↑石墨化↑(Si 與 Fe 結合力比與 C 強,能增大鐵水和固態鑄鐵中碳原子的游離擴散能力) ∵ (1) C ,Si 過高,形成鐵素體灰鐵,強↓↓ 過低,易形成硬脆的白口組織,并給熔化和鑄造增加困難. ∴合理含量: 2.5~4.0%C,1.0~3.0%Si ∵(2) S ↑ 石墨化↓ FeS—熱脆 易形成白口 ∴ 一般 0.15% 以下. (3)Mn↑ 石墨化↓ 合理含量: 0.5~1.4% 少量:Mn+S—MnS, Mn+ FeS—Fe+MnS, MnS 比重小,進入溶渣.Mn 溶于 F,提高基體強度. 過多: 阻止石墨化. (4)P 促進石墨化,但不明顯,多—冷脆 ∴ 合理量 0.3% 以下 2)冷卻速度: 冷卻速度增加 阻礙石墨化 灰口—麻口—白口 3 灰口鐵的孕育處理 為了提高灰口鐵的強度,硬度,盡量使石墨片細化,對其進行孕育處理.即加入許多外來質點,增加石墨結晶核心,得到 珠光體灰鐵,受冷卻速度影響小 孕育鑄鐵(又叫變質鑄鐵),適于較高強度,高耐磨性,氣密性鑄件 常用孕育劑:令 Si 75%的硅鐵,加入量為鐵水的 0.25~0.6%.沖入孕育劑. 與 Si 對石墨化影響一致 4 灰口鑄鐵的生產特點 1) 沖天爐熔煉: ∵Si Mn 易氧化.∴ 配料時增加含量. 為降低含 S 量,選優質鐵料和焦炭,減少從焦炭中吸 S.在熔 煉高牌號鑄鐵時,加廢鋼以控制含 C 量.(如孕育鑄鐵,原鐵水含 C,Si 低,防止加入孕育劑后石墨粗) 2) 鑄造性能優良,便于鑄出薄而復雜的鑄件,(流動性好,收縮↓) 3) 一般不需冒口,冷鐵,使工藝簡化. 4) 一般不用熱處理,或僅需時效. 5 牌號和用途 牌號: HT+三位數 HT—灰鐵, 數—抗拉強度參考值 Mpa (N/mm2) * 選牌號時必須參考壁厚 類別 鑄件壁厚 mm 抗拉強度 Mpa 硬度 HBS 類別 鑄件壁厚 mm HT100 2.5~10 130 110~167 HT150 2.5~10 10~20 100 93~140 10~20 20~30 90 87~131 20~30 30~50 80 82~122 30~50 此表中的鑄件壁厚為鑄件工作時主要負荷處的平均厚度. 三 可鍛鑄鐵(又叫馬鐵) 白口鐵晶石墨化退火而成的一種鑄鐵 ∵ 石墨呈團絮狀,故抗拉強度↑ 且塑,韌↑ 1 牌號及應用: KTH(KTZ)+3 位數+2 位數 KTH—F 基體 黑心 KTZ---P 基體 3 位數—抗拉強度, 2 位數---延伸率 如 KTH300—06, KTZ450—06 應用: 形狀復雜,承受沖擊載荷的薄壁小件(KTH),曲軸,連桿,齒輪等(KTZ) 2 生產特點 生產過程: 白口鐵—石墨化退火(920~980℃,保溫 10~20h)—團絮狀石墨 ∴必須采用 C,Si 含量低的鐵水,防石墨化. 通常 2.4~2.8%C, 0.4~1.4%Si 熔點比灰鐵高,凝固溫度范圍大,流動性不好,液固兩相區寬,砂型耐火性要求高. 四 球墨鑄鐵 鐵水中加入球化劑,孕育劑 1 球鐵的組織和性能 組織: 鐵素體球鐵: 塑性,韌性↑ 鐵素體+珠光體球鐵: 兩者之間 珠光體球鐵: 強度,硬度↑ 牌號: QT+三位數 + 兩位數 數字含義與可鍛鑄鐵相同 抗拉強度 Mpa 175 145 130 120 硬度 HBS 136~205 119~179 110~167 105~157 周期長(40~70h),成本高. 性能: 強度 塑性韌性遠遠超過灰鐵,由于可鐵, 鑄造性,減振性,切削性,耐磨性等良好 疲勞強度語中碳鋼接近 熱處理性能好(退火,正火,調質等,淬火(等溫淬火)) 應用: 受力復雜,負荷較大的重要零件 ∵鑄造工藝比鑄鋼簡單,成本低,性能好,代許多鑄鋼,可鍛鑄鐵件 2 生產特點 (1)鐵水: C↑(3.6~4.0%)接近共晶成分,可改善鑄造性能和球化結果 S↑(<=0.07%)S 易與和球化劑合成硫化物,浪費球化劑 P↓(<=0.1%)提高塑性,韌性 鐵水出爐 1400℃ 以防球化后溫度過低. (2)球化處理和孕育處理 球化劑(稀土鎂合金), 使石墨呈球狀析出 孕育劑: (硅鐵 75%Si)促使石墨化,防白口.使石墨細化,分布均勻 先用 2/3 鐵水沖入球化劑,充分反應后,用 1/3 鐵水沖入孕育劑,進行孕育. 處理后的鐵水要及時澆注,保證球化效果. (3)鑄造工藝: 比灰鐵易產生縮孔,縮松,夾渣等 a 熱節上安冒口,冷鐵—補縮 b 增加鑄型剛度,防止鑄件外形擴大—石墨膨脹 c S↓ 殘余鎂量↓ 降低型砂含水量—氣孔↓(侵入) Mg+H2O=MgO+H2↑ MgS + H2O = MgO+ H2S↑ D 澆注系統應使鐵水平穩流入,并有良好的擋渣效果 (4)熱處理: 退火: 鐵素體基體,塑 韌↑QT420-10 以上 正火: 珠光體基體 強度 硬↑ QT600-2 以上. §2 鑄鋼 鋼鐵件也是一種重要的鑄造合金,產量僅次于灰鐵,約為可鐵和球鐵的和. 一 鑄鋼的類別和性能 二類: 鑄造碳鋼 應用廣泛: ZG+兩位數(含 C 萬分之幾) 鑄造合金鋼 性能: 強 塑 韌 可焊性↑ 應用: 適于制造形狀復雜的,強和韌性要求高的零件 鑄—焊大件 火車輪 鍛錘機架等 二 生產特點 1 熔煉: 電弧爐(多用),感應爐(合金鋼中小件),平爐等 電弧爐:利用電極與金屬爐料間電弧產生熱量熔煉金屬. 優點:鋼液質量高,熔煉速度快(一爐 2~3h)溫度容易控制,適于各類鑄鋼件 原料:廢鋼 生鐵 鐵合金等 造渣材料 氧化劑 增碳劑等 感應爐: 利用感應圈中交流電的感應作用,使金屬爐料(鋼液)產生感應電流,產生熱量. 優點: 加熱速度快,熱量散失少.氧化輕. 2 鑄造工藝: ∵ 鋼澆注溫度高,流動性差,易吸氣,氧化.體積收縮約為鑄鐵的三倍,易產生缺陷(氣孔縮松 變形 裂紋等) ∴ 型砂: 高耐火性 強 透氣 退讓性↑ 加冒口,冷鐵—消耗大量鋼水 3 熱處理 ∵ 晶粒粗大.組織不均,內應力,強 塑↓ ∴ 正火: 機械性能↑ 成本↓ 內應力↑ 退火: 機械性能↓ 成本↑ 內應力↓ 形狀復雜,易裂紋的鑄件,或易硬化的鋼退火為宜. §3 有色金屬 一 銅及銅合金 1 純銅: 導電 導熱↑ 塑↑(面心) 強 硬↓ 2 黃銅: Cu + Zn—普通黃銅 Cu + Zn + Pb,Al,Si 等 特殊黃銅 可鑄可鍛 3 青銅: 除黃銅,白銅(銅鎳合金)以外的,銅與其它元素組成. 錫青銅: Sn + Cn 耐磨 耐蝕 鋁青銅: 耐磨 耐蝕 4 鑄造工藝 1) 熔煉: 易氧化 吸氣 ①防氧化: 液面蓋上溶劑(碎玻璃,蘇打,鵬砂) ②脫氧:Cu+O2-Cu2O(氧化亞銅)塑↓加磷銅 脫氧 普通黃銅和鋁青銅因有 Zn 能脫氧 ③除氣: 錫青銅: 吹 N2, N2 上浮帶出 H2 . 鋁青銅: 吹 N2 黃銅: 沸騰法 Zn(907℃)蒸汽帶出 H2 ④精煉除渣:鋁青銅液中有 AL2O3,加堿性溶劑(蘇打,瑩石等)精練,造出比重小,熔點低的溶渣. 熔煉用坩堝爐 2) 鑄造: ①細砂鑄型—光潔 減少切削量,粘砂 ②澆注時勿斷流—防氧化 ③澆注系統使液流平穩流入—防飛濺 ④加冒口—補縮(錫青銅出外) 二 鋁及鋁合金 1 純鋁: 導電↑ 導熱↑ 塑↑ 抗蝕↑(Al2O3) L1 L2……L7 號大,越不純 2 鋁合金: 比重輕 熔點低 導電 導熱 耐蝕↑ 鑄造鋁合金分四類: ① 鋁硅合金(硅鋁明): 機械性能↑ 耐蝕性,鑄造性↑ 適于形狀復雜或氣密性要求高的零件. 如 內燃機氣缸 ② 鋁銅合金: 強,耐熱↑ 比重大,鑄造性↓(熱裂紋↑疏松↑) 應用: 高強度,高溫件 如活塞 牌號: ZL201 ③ 鋁鎂合金:強度↑ 耐蝕↑ 耐熱↓ 鑄造性↓ 應用: 受沖擊載荷 耐蝕件,形狀簡單 ④ 鋁鋅合金: 強較高 抗蝕↓ 熱裂紋↑ 應用:汽車 拖拉機發動機零件,日用品. 3 鑄造工藝 1) 熔煉: 除氣(H2)除渣(Al2O3) 常用方法,用鐘罩壓入六氯乙烷(C2Cl6) 3C2Cl6 + 2Al---2AlCl3↑+3C2Cl4↑ AlCl3 沸點 183℃, C2Cl4 沸點 121℃ 帶出 H2 或 3ZnCl2 + 2Al=3Zn + 2AlCl3↑ 防氧化: 加 KCl NaCl 溶劑 2) 鑄造:與銅合金相同 第三章 砂型鑄造 目前,鑄件生產的主要方法,砂型鑄件占鑄件總量的 90%以上,可生產各種鑄鋼,灰鐵,球鐵,可鍛鑄鐵,有色金屬等. 用于鑄造各種機械零件 砂型鑄造生產過程: 配砂→造型→烘干 制模 熔化 澆注→落砂→清理→檢驗 配砂→造芯→烘干 造型操作順序: 1 安放鑄模 2 套下箱,撒防粘材料 3 蓋上面砂 4 鏟填背砂 5 用尖頭砂沖舂砂 6 用平頭砂沖舂砂 7 刮去多余型砂 8 翻轉下型 9 撒分型砂 10 吹去鑄模上的分型砂 11 撒防粘材料 12 加面砂 13 填上型 14 扎通氣孔 15 去上型 16 起模 17 挖澆口 18 合箱澆注. §1 型砂及型芯砂 一 型砂(芯)性能 1 強度:型砂在外力作用下,不易破壞的性能,強度不足,會造成塌箱,砂眼等 2 透氣性:型砂之間本身有空隙,具有透氣的能力.透氣性不好,易出現氣孔. 3 耐火性:型砂在高溫金屬液的作用下而不軟化,熔化.若耐火性不足,砂粒粘在鑄件表面上形成一層硬皮,造成切削 加工困難,粘砂嚴重,鑄件報廢. 4 退讓性:型(芯)砂具有隨鑄件的冷卻收縮而被壓縮其體積的性能. 若退讓性不足,鑄件收縮受阻,內應力加大,甚至 產生裂紋,變形等.加鋸末,木屑,提高退讓性. 二 型砂的分類,成分和應用 1 粘土砂:砂子,粘土,水,附加物(煤粉,木屑等).應用廣泛: 1) 不受鑄件大小,重量,尺寸,批量影響. 2) 鑄鋼,鑄鐵,銅,鋁合金等均可鑄. 3) 手工,機器造型均可. 4) 粘土來源廣,價低. 粘土砂分兩類: 濕型砂:中,小件. 干型砂:質量要求高的件,大件. 2 水玻璃砂:水玻璃(硅酸鈉的水溶液)為粘結劑 優點:不需烘干,硬化速度快,生產周期短,強度高,易機械化. 缺點:易粘砂,出砂性差,回用性差. 3 油砂:植物油為粘結劑(桐油,亞麻油),油在烘烤時生成強度很高的氧化膜. 優點:干強度高,不易吸濕返潮,退讓性,出砂性↑,不易粘砂,內腔光滑. 缺點:價格高 5 樹脂砂:合成樹脂作粘結劑. 優點:生產率高,不需烘干,強度高,型芯尺寸精確,表面光滑,退讓性,出砂性好. §2 造型方法選擇 造型是砂型鑄造最基本的工序,造型方法選擇的是否合理,對鑄件質量和成本有著重要的影響. 一 各種手工造型方法的特點和應用 優點:操作靈活,適應性強,模型成本低,生產準備時間短. 缺點:鑄件質量差,生產率低,勞動強度高. 應用:單件,小批. 1 按砂箱分:兩箱:基本方法,各種批量,大小件 三箱:手工,單件,小批,兩個分型面 地坑:小批,大,中件 脫箱:小件 劈箱:大件,如機床床身 2 按模型分: 整模:最大截面在一端,且為平面 分模:最大截面在中部 活塊:有突出部位,難起模,單件,小批 控砂:分型面為非平面,要求整模,單件,小批 刮板:回轉件,輪 假箱:成批,需控砂的件 假箱:造型前先做一個特制的假箱,來代替造型用的底板,然后做下型,由下型做上型. 假箱:(1)先假箱 (2)放模型 (3)砂托 (4)高至突點 (5)下型 (6)由下型做上型. 二 機器造型及其工藝特點 優點:生產率高,鑄件尺寸精確,光潔度高,加工余量少,勞動強度小,大批量生產. 缺點:廠房,設備等要求高,投資大,批量生產才經濟,只適于兩箱(中箱無法緊實),不宜用活塊. §3 澆注位置與分型面的選擇 澆注位置---指金屬澆注時鑄件所處的空間位置 分型面---指砂箱間的接觸表面 一 澆注位置選擇原則: 鑄件澆注位置對鑄件質量,造型方法等有很大影響,應注意以下原則: 1 鑄件重要的加工面應朝下: 1) 若做不到,可放側面或傾斜 2) 若有幾個加工面,則應把較大的放下面. 如導軌面是關鍵面,不允許有缺陷,則要放下面,傘齒輪 2 鑄件的大平面應朝下 原因:上表面出現缺陷,尤其易夾砂. 3 面積大的薄壁部分放下面或側面 有利于金屬充填,防止澆不足 4 易形成縮孔的鑄件,厚的部分放在鑄型上部或側面,便于安置冒口,以補縮. 二 鑄型分型面的選擇原則 分型面選擇的合理可以簡化造型操作,提高勞動生產率. 1 便于起模,故分型面應選擇在鑄件最大截面處 (手工造型時,局部阻礙起模的凸起可做活塊) 2 應盡量減少分型面和活塊數量(中小件) 3 應盡量使鑄件的重要加工面或大部分加工面和加工基準面位于同一砂型中 4 盡量采用平直分型面,以簡化操作及模型制造 5 盡量減少型芯和便于下芯,合型及檢驗位置 §4 工藝參數的選擇 一 機加余量和鑄孔 1 金屬種類: 灰口鑄鐵:表面平整,加工余量少. 鑄 鋼:澆注強度高,表面不平,加工余量大. 有色金屬:表面光潔. 2 生產條件:大批量生產:機器造型,加工余量少. 小批量生產:手工造型,加工余量大. 3.尺寸位置: 尺寸大:變形大,加工余量大. 鑄件頂面與底面,側面比,表面質量差,余量大. 孔: 鑄鐵 d<30mm,鑄鋼 d<60mm,一般不鑄,因鑄出造型工藝復雜,質量不易保證,反而給機加帶來困難. 二 拔模斜度: 為起模方便,把垂直壁做成斜的. 與立壁高度,造型方法,模型材料等有關,一般 15′--3° 機器造型比手工斜度小 木模比金屬模斜度大 立壁高斜度小 三 收縮率: 收縮量=鑄件尺寸×鑄造收縮率 灰鐵: 0.7—1.0% 鑄鋼: 1.3—2.0% 錫青銅: 1.2—1.4% 因收縮是非自由的,所以受鑄件形狀,尺寸的影響. 四 型芯固定(一般靠型芯頭) 型芯頭的形狀和尺寸對于型芯的裝配工藝性和穩定性有很大影響. (1)垂直芯頭---上芯頭斜度大,高度小些,便于和箱,若垂直型芯粗,短,上芯頭可省略. 下芯頭斜度小,高度大些,穩定. 對于只能做上芯頭的型芯,做成吊芯或蓋板型芯. (2)水平芯頭---芯頭較長,芯頭也有斜度,便于下芯合箱,懸壁型芯頭必須長而大,以支持型芯,防下垂,或被金屬液抬 起. §5 冒口與冷鐵的應用 一 冒口應用:主要作用---補縮,同時能排氣,集渣. 1 冒口設置原則: (1) 保證順序凝固,放在最后凝固部分 ---基本作用 (2) 盡量放在鑄件最高處,有利補縮,熔渣易浮出. (3) 冒口最好放在內澆口附近,使金屬液通過冒口再進入鑄型,提高補縮效果. (4) 盡量避開易拉裂部位;不影響自由收縮. (5) 盡量放在需加工部位,便于清理. 2 冒口大小,依合金收縮性質及具體鑄件凝固條件查手冊. 二 冷鐵應用: 1 分類: 非冷鐵:只和鑄件外表面接觸而起激冷作用,與型砂一起清出,不重復使用. 內冷鐵:澆注后冷鐵被金屬液包圍與鑄件熔合在一起.有氣密性要求的部分 不能用. 2 作用: (1) 減少冒口數量: 改善凝固順序,有利外縮. (2) 可減少冒口尺寸: 加內冷鐵,加快鑄件冷卻. (3) 消除局部熱節處的縮孔和縮松: 加外冷鐵. (4) 防止鑄件產生裂紋: 同時凝固,如兩壁交接處放冷鐵,以消除熱節. (5) 提高鑄件硬度和耐磨性: 利用外冷鐵加快冷卻,細化組織,提高硬度. 第四章 特種鑄造 §1 金屬型鑄造 將液態合金澆入金屬鑄型,得到鑄件. 一 金屬型: 垂直式,水平式,復合式 垂直式: 易取件,沒澆注系統多用. 材 料: 灰鐵,要求高 鑄鋼 內 腔: 金屬型芯,砂芯. 有抽芯機構 二 鑄造工藝: 金屬型導熱快,沒有退讓性,透氣性. 1 金屬型應保持一定的工作溫度. 具有良好的充型條件和一定的激冷作用. 1) 噴刷涂料前預熱. 保證涂料層致密,均勻. 合金鑄鐵 80—150℃; 鑄鋼 100—250℃. 2) 澆注前預熱 降冷卻速度,防白口. 2 噴刷涂料 1) 減緩冷卻速度,防白口 2) 防高溫液體對鑄型直接沖刷 3) 有一定蒸汽,排氣能力,防氣孔. 鑄 鐵—石墨粉涂料,炭墨涂料; 鋁合金—氧化鋅涂料,滑石粉 3 合理澆注溫度: ∵導熱快,t 澆 比砂型高 20~35℃ 4 適宜出型時間 收縮快—出型難 冷速大—白口 三特點 1 多次澆注,節工時,型砂,提高生產率 2 改善勞動條件 3 鑄件光潔度高 4 組織致密,機械性能高 5 成本高,周期長,工藝要求嚴,易出現白口,多用于生產有色金屬 §2 壓力鑄造 高壓下(5~500MPa)快速(0.001~0.2)將液態或半液態合金壓入金屬鑄型中,并在壓力下結晶. 專用設備:壓鑄機 專用壓型—壓型 一工藝過程 見書中 P42 二特點 1 精度,表面質量↑ 最小鑄孔直徑 0.7mm 2 可壓除形狀復雜的薄壁件.(高壓 沖型↑) 3 鑄件強,硬↑ (壓力下結晶致密) 4 生產率↑ 易自動化 5 投資大,適于批量 6 種類受限,不宜壓鑄高熔點合金 7 壓速高,易形成氣孔 8 不宜熱處理 應用:汽車 儀表行業,廣泛應用. §3 熔模鑄造 溶膜鑄造是用易熔材料制成模型,然后在模型上涂掛耐火材料,經硬化后,在將模型熔化排出型外,從而獲得無分型 面的鑄型,鑄型焙燒后即澆注 一工藝過程 1 蠟模制作 1) 壓型:制蠟模的專用模具,鋼 銅 鋁 切削而成 2) 蠟模的壓制:石蠟,峰蠟,硬脂酸,松香等,將熔化的蠟料壓入壓型中,冷凝后取出,修去毛刺,得到蠟模 3) 蠟模組裝:若干蠟模焊在一個直澆棒上. 2 結殼:蠟模涂上涂料,硬化 干燥等 1) 浸涂料(石英粉+粘結劑的糊狀物)表面光潔 2) 撒砂(粗石英砂)的目的:增厚型殼 3) 硬化(水玻璃+NH4CL—SIO2)化學硬化 3 脫蠟 焙燒 1) 脫蠟:熱水或水蒸氣 2) 焙燒:加熱 800~1000℃提高型殼強度 4 填砂:澆注 1) 填砂:型殼放入鐵箱中,周圍干砂充填 2) 澆注:趁熱(600~700℃)進行澆注 5 落砂 清理 冷卻后,破壞型殼,取出鑄件,去澆口,毛刺,退火或正火,以便得到所需機械性能. 二特點和應用 1 鑄造精度,光潔度高,且可澆注形狀復雜的件 2 能鑄造各種合金(型殼是高級耐火材料) 3 單件,小批,大批量生產均可 4 少 無切削加工(Ra3.2~1.6um)稍磨 5 材料貴,工藝過程繁雜,生產周期長. 應用: 使用高熔點合金精密鑄件的成批,大量生產,形狀復雜,難以切削加工的小零件. 如:汽輪機葉片,工藝品 §4 離心鑄造 將液態金屬澆入高速旋轉(250~1500r/min)的鑄型中,使金屬液在離心力作用下充填鑄型并結晶. 一基本方式 1 立式:圓筒件 自動形成內腔,壁厚不均用高度小的件. 2 臥式:壁厚均勻,適于長筒,可雙金屬澆注. 二特點應用 第三部分 金屬壓力加工 概述 一 什么是壓力加工 靠外力使金屬材料產生塑性變形而得到預定形狀與性能的制件(毛坯或零件)的加工方法. 外力—— 沖擊力:錘類 靜壓力:壓力機 各類鋼和大多數有色金屬及其合金都具有一定的塑性,因此,都能在熱態或冷態下進行壓力加工. 應用廣泛:運輸工具 96%; 汽車拖拉機 95%; 航天,航空 90%; 農用機械工業 80%. 二 分類 1 軋制:金屬坯料在兩個回轉軋輥的縫隙中受壓變形以獲得各種產品的加工方法.靠摩擦力,坯料連續通過軋輥 間隙而受壓變形. 主要產品:型材,圓鋼,方鋼,角鋼,鐵軌等. 2 擠壓:金屬坯料在擠壓模內受壓被擠出模孔而變形的加工方法. 正擠:金屬流動方向與凹模運動方向相同. 反擠:金屬流動方向與凹模運動方向相反. 3 拉拔:將金屬坯料拉過拉拔模的模孔而變形的加工方法. 產品尺寸精度,表面光潔度較高,所以,常用于軋制件的再加工,提高產品質量. 坯料:低碳鋼,有色金屬及合金. 外力:拉力. 4 自由鍛:金屬坯料在上,下抵鐵間受沖擊力或壓力而變形. 外力:壓力. 5 模鍛:金屬坯料在具有一定形狀的模膛內受沖擊力或壓力而變形的加工方法. 6 沖壓:金屬板料在沖模之間受壓產生分離或成形. 1—5 立體變形(三維) 6 平面變形(二維) ; ; 1—6 可沖擊力,可靜壓力. 三 特點: (與鑄造比) 1 優點: (1)結構致密,組織改善,性能提高,強,硬,韌↑ (2)少無切削加工,材料利用率高. (3)可以獲得合理的流線分布(金屬塑變是固體體積轉移過程) . (4)生產效率高. (如:曲軸 ,螺釘) 2 缺點: (1)一般工藝表面質量差(氧化) . (2)不能成型形狀復雜件(相對) (3)設備龐大,價格昂貴. (4)勞動條件差(強度↑,噪音↑) 第一章 金屬塑性變形 §1 金屬塑性變形的實質 一 晶體: 1 晶體:物質中的原子按一定規律在三維空間周期重復排列. 2 單晶體:具有一個晶粒的晶體(由一個晶核生長而成的晶體) . 3 多晶體:大量晶粒組成的晶體. 二 變形: 1 彈性變形: (暫時的變形)σ<σe 力未去除. 彈性塑性變形: (暫時變形)σ<σs 力未去除. 純塑性變形:永久變形 外力去除. 2 變形機制: 單晶體塑性變形:滑移. 多晶體塑性變形:滑移+晶粒轉動. 三 滑移: 1 單晶體: 在切應力作用下,晶體的一部分與另一部分沿著一定的晶面產生相對滑動,叫滑移.這個晶面—滑移面. ※ 與滑移面垂直的應力不引起滑移,只會彈性變形,大到一定程度引起脆斷. (上面所描述的滑移運動, 相當于兩部分晶體彼此進行的剛體性運動, 是由外力作用下發生的, 而且所需力較大, 但使測力卻小得多.近代塑性理論研究認為滑移變形是由于位錯的滑移運動引起的. ) 2 理想晶體結構:鋅單晶理論計算:σs=350kg/mm 實測 σs=0.1kg/mm2 晶體內部存在缺陷: 點缺陷:缺一個原子. 線缺陷:缺一行原子,—位錯. 面缺陷: 滑移逐步在滑移面上傳布,直至晶體表面. 2 多晶體 塑性變形先在晶面方向有利于滑移的晶粒內開始,然后不利于滑移的晶粒向有利變形的方向轉動, 協調變形,使滑移繼續進行. §2 塑性變形后金屬的組織和性能 一, 組織: 1 , 晶粒沿變形最大的方向伸暢. 2, 晶格晶粒均發生扭曲,產生內應力. 3, 晶粒間產生碎晶. 二,性能: 強度,硬度↑.塑性,韌性↓ 原因: (微觀)碎晶,晶格扭曲,增大滑移阻力. 三,加工硬化 塑變程度增大,金屬強度,硬度升高;塑性,韌性下降的現象. 1, 有利:強化金屬,形變強化 有害:變形抗力↑,繼續壓力加工困難,對模具不利,設備噸位↑ 加工硬化的結果使金屬的晶體構造處于不穩定的應力狀態,具有自發恢復穩定狀態的趨勢(室溫不行) 2,消除方法:加熱 回復 再結晶 1)回復:金屬冷變形后,加熱到一定溫度,原子恢復正常排列,消除了晶格扭曲.加工櫻花部分消除,原子獲 得能量.震動加劇,回復正常排列. T 回=(0.25～0.3)T 熔 (室溫+273) T 回,T 熔分別位金屬回復,熔化的絕對溫度. 2)再結晶:溫度再增加,金屬原子獲得更多能量,則以碎晶和雜質位核結晶成新的晶粒. 實質:無畸變組織代替即便組織,完全消除加工硬化. T 再=0.4T 熔 T 再—金屬絕對再潔凈溫度. 再結晶退火—加熱—再結晶—金屬再次獲得良好塑性 高溫下受力塑性變形—硬化于再結晶同時存在 四,冷變形,熱變形 冷變形—T 再以下發生的變形. 熱變形—T 再以上發生的變形. * 1,冷變形后具有加工硬化組織,能獲得較高的表面光潔度及硬度,但變形程度不宜過大,避免破裂. 2,熱變形可得到再結晶組織,變形程度大,無加工硬化,獲得良好的機械性的組織. 冷變形后的件若繼續加工,要再結晶退火. ∴金屬壓力加工主要采用熱變形來進行. 五,鍛造和纖維組織 1,鍛造 1 鐓粗:橫截面積變大:Y 鐓=F/F0=H0/H>1 2 撥長:橫截面積變小:Y 鐓=F0/F>1 F0—變形前橫截面面積, F—變形后橫截面面積 Y<2 組織細化,性能↑ Y=2～5 方向性↑ Y>5 組織緊密程度,晶粒細化,均達極限.性能方向性↑↑ 出現性能方向性的組織已是纖維組織. 2, 纖維組織: 金屬發生塑性變形時,金屬的晶粒形狀和沿晶 界分布的雜質形狀都發生變化,它們將沿著變形方向被拉長,呈 纖維形狀.這種結構較纖維組織. 1) 影響:使金屬材料的機械性能出現方向性 平行纖維方向:塑,韌性↑ 垂直纖維方向:塑,韌性↓ 2) 利用:因流線穩定性很高,不能用熱處理方法消除,只有經過鍛壓使金屬變形,才能改變方向和形狀. 因此,位提高零件機械性能,盡量做到: a) 使纖維方向于零件的輪廓相符合,而不被切斷. b) 使零件受 σmax 拉應力與纖維方向一致.τmax 與纖維垂直. §3 金屬的可銹性 可銹性:是衡量材料在經受壓力加工時獲得量件難度程度的一個工藝性能. 在力作用下穩定改變自己形態或尺寸,而其各質點間聯系不破換的能力. 包括方面:1 塑性↑:變形時金屬不易開裂.δ,ψ,αk↑ ↓ 2 變形抗力↓:省力,不易磨損模具,小設備,消耗能量小. 一, 金屬本質的影響: 1 化學成分:1)純金屬可鍛性良好(合金晶格畸變)Fe>F 2) 含有形成碳化物的元素,則可鍛性↓. 如:W,Ti|. WC 使硬質合金硬,脆. 2,金屬組織影響:1)固溶體(如 A)比碳化物(Fe3C)好. 3)晶粒細,均勻,可鍛性↑. 3, 晶體結構:面心立方>體心立方>密排六方. 二 加工條件: 1 變形溫度:t↑ 變形抗力↓ 塑性↑ T 再以上,塑性↑↑ 如:碳鋼在 A3 線上,組織為 A,面心,塑性↑ ※ t 過高,易產生"過熱","過燒","脫碳","嚴重氧化". 始鍛溫度:AE 線下 200℃左右. 終鍛溫度:800℃ (T 再以上) 2 變形速度:單位時間內的變形程度. V<C:∵V 固,V 再來不及完全消除加工硬化. V>C: 熱效應,明顯提高變形溫度,但只在高速錘上才能有熱效應. 高速錘:12—25m/s, 普通錘:5—9m/s. 3 應力狀態: 壓應力下變形,對塑性有利,阻止裂紋擴展,焊合(孔,縫) 拉應力下變形,對塑性不利,氣孔,裂紋等缺陷處易引起應力集中,缺陷擴展,導致破裂. 1—9 塑性逐漸下降 ※ 三向不等壓應力會使大理石塑性變形,擠壓比拉拔時塑性好,三向壓應力不等,才能塑變,否則彈變. 壓應力會加大金屬內摩擦,使變形抗力增加,故本質塑性較高的變形時出現拉應力,可減少變形抗力,對本質塑 性較差的,應盡量在壓應力下進行,以防止裂紋產生. 作業: 1 碳鋼在鍛造溫度范圍內變形時,是否會有加工硬化? 2 鉛在 20℃,鎢在 1100℃時變形,各屬那種變形?為什么?(鎢的熔點 3380℃) 3 纖維組織是怎樣形成的?它的存在有何利弊? 4 如何提高金屬的塑性?最常用的措施是什么? 5 "趁熱打鐵"的含意? 6 三向壓應力相等,能否產生塑性變形? 第二章 自由鍛 自由鍛造: 利用沖擊力或壓力使金屬在上,下兩抵鐵之間產生變形,得到所需的形狀和尺寸的鍛件,金屬在受力 變形時,在抵鐵間向各個方向自由流動,不受限,形狀,尺寸由鍛工控制. 一 特點:1 工具簡單,通用性強. (成型部分) 應用廣泛,幾克——幾百噸,機械性能高. 鍛件尺寸精度差,材料利用率低. 只能用于形狀簡單的鍛件. 勞動強度大(尤其手工) . 分類:1 手工鍛:砧子,大,小錘,爐子等,小型件. 機器鍛:空氣缸,蒸汽—空氣缸,沖擊力 液壓機,噸位 靜壓力 §1 幾個主要工序 一 鐓粗:截面增加,高度減小的工序. 應用:1)小截面變成大截面,高度減小件. 2)沖孔前,平整端面. 3)提高機械性能(細化組織,破壞碳化物) (與拔長配合) ※ H/D=0.8—2 一般毛坯 H/D=2—3 雙鼓形 H/D>3 失穩 H/D<0.8 變形小,變形力大. 二 拔長:毛坯橫截面減小,長度增加. 應用:1)減小截面,增加長度. 2)提高機械性能(與鐓粗反復進行) ※ 1 拔長時不斷翻轉. 2 送進量: 合適:L/h=0.5—1 L/h>1 展寬過大,拔長效率↓ L/h<0.5 折疊 與雙鼓形類似. 三 沖孔: 透孔,不透孔(盲孔) 開式沖孔 閉式沖孔—反擠壓 ※ 1 開式沖孔,先鐓平端面 2 沖通孔時:薄件—面沖通:H/D<0.125 實心單面沖孔 厚件雙面沖: 一面沖 2/3δ 反面沖通. 為拔沖頭方便,沖孔時灑煤粉. 四 彎曲: 毛坯彎成一定角度. 外側受拉 內側受壓 內側起皺 ※ 彎曲角度不可太大,過大 外側拉裂 §2 自由鍛件的結構工藝性 原則:滿足使用性能要求,符合自由鍛工藝要求,節約金屬,保證質量,提高生產率. 一 盡量避免錐體或斜面(因必用專用工具,成型困難) 二 鍛件由幾個簡單幾何體構成時,交接處不應形成空間曲線. 三 鍛件不應設計出凸臺,筋板. 四 橢圓形,工字形等避免. 五 截面變化不宜太大. 鍛造比太大 六 外表面復雜的鍛件不應設計 分別鍛造,焊接或機械聯接. 2 3 4 5 二 2 §3 自由鍛造工藝規程的制定 內容:由零件圖→繪制鍛件圖→計算坯料質量和尺寸→選擇鍛造工序→設備和噸位→加熱規范→規定技術要求 →檢驗要求→編制勞動組織和工時. 一 繪制鍛造圖:根據零件圖繪制 1 敷料:為簡化鍛件形狀而增添的金屬(也叫余塊) . 2 加工余量:自由鍛件精度,尺寸,表面質量較差. 需切削加工,所以,留余量. 3 鍛造公差:鍛件實際尺寸和名義尺寸之間所允許的最大偏差. 零件圖用雙點劃線,鍛件實線, 零件尺寸加括號,公差查手冊. 二 計算坯料質量和尺寸 1 鍛件的坯料質量 G 坯料=G 鍛+G 燒+G 料頭 G 燒損=G 鍛×(2—3)% (首次) G 鍛×(1.5—2)% (二次以后) G 料頭=G 鍛×(2—4)% (鋼材) 2 尺寸:與第一道工序的變形性質有關. 鐓粗: 毛坯 1.25<H/D<2.5 拔長: 鋼錠坯料:y≥2.5—3 軋制鋼料:y=1.3—1.5 坯料截面積=鍛件最大部分截面×y 三 選擇鍛造工序: 包括基本工序,輔助工序及修整工序. 根據鍛件技術要求,坯料情況,生產批量等確定. 一般:盤類:鐓粗, (或拔長,鐓粗)沖孔. 軸類:拔長(拔+鐓粗) ,壓肩. 筒類:鐓粗(鐓+拔) ,沖孔,在心軸上拔長. 環類:鐓粗(拔+鐓) ,沖孔. 四 選擇鍛造設備 鐓粗:G=(0.002—0.003)kF(kg) k 為系數,與 σb 有關,F 為鍛件鐓粗后與工具接觸面水平投影.(mm2) 拔長: G=2.5F (kg) F—坯料橫截面面積(cm2) 五 加熱 新書 P72 表 3—4 六 鍛后冷卻及熱處理 空冷 坑冷 爐冷 退火 正火(+高溫回火) 工具鋼:正火或球化退火 中碳鋼,合金鋼:一般調質. (對于不進行最終熱處理) 作業: 在如圖兩種砧鐵上拔長時,效果有何不同? 第三章 模鍛 模鍛:金屬坯料在模具中成型,得到與模膛形狀相符的鍛件. 一 特點 優點:1 操作技術要求不高,生產率高. 2 尺寸精確,加工余量小. 3 形狀較復雜. 4 節省材料,減少切削量,降低成本(批量) . 缺點:1 受設備噸位限制,質量不能太大(150kg 以下) 2 鍛模成本高,不宜于小批,單件生產. 3 勞動強度較低. 二 設備:錘和壓力機 區別 框架 間隙 砧座 自由鍛錘 模鍛錘 不封閉 封閉 較大 較小 較輕 10—20 倍噸位 較重 20—25 倍噸位 模鍛件質量除由模具控制外,模鍛設備也是主要因素之一. §1 錘上模鍛 一 工藝規程制定: (1) 根據鍛件類型及具體生產條件確定合理工藝方案. (2) 由零件圖及工藝方案→鍛件圖. (3) 確定工步,進行模膛設計和工步設計. (4) 計算毛坯質量,尺寸,確定設備噸位. (5) 設計鍛模 (6) 確定切邊,沖孔工序并設計相應模具. (7) 加熱,冷卻,熱處理規范. (8) 確定校正,清理工藝及設備 1 確定工藝方案: 1) 長軸類鍛件 拔長—滾壓—預鍛—終鍛 同一模具上設置 2) 短軸類(盤類)件 鐓粗—終鍛 鐓粗—預鍛—終鍛 2 制定鍛件圖 1) 選分模面: (關系到出模,成型,材料利用率等) 原則:a, 保證鍛件能完整地從模膛中取出 b, 使模膛淺而寬,便于加工,利于金屬流動 c, 應使上,下模膛沿分模面的輪廓一致,便于檢查上,下模錯移 d, 分模面應使鍛件上敷料最少 e, 分模面盡量選平面 f, 有流線要求時,依受載情況確定 2) 確定余量,公差,敷料 機械加工余量:一般 1—4mm, 比自由鍛小的多. 公差: 一般±0.3—3mm a, 模膛公差 b, 防止上,下模沒閉合,金屬沒充滿模膛 c, 上,下模錯移 d, 模膛磨損,變形等 敷料:為簡化形狀,d<25—30mm,孔不鍛出 3) 確定模鍛斜度 鍛件上平行于錘擊方向必有斜度,以利于取件,且鍛件冷卻收縮,鍛模回彈. 斜度大小與鍛件形狀尺寸,材料性質(摩擦系數) ,鍛造方法(如平鍛有頂出裝置,斜度小)等有關. 一般鋼件外模鍛斜度 α=5—15° 內斜度比外斜度大 2—3°,因為內壁冷縮,夾緊工件. 4) 確定圓角半徑:鍛件兩平面交接處均要做成圓角. a, 金屬易于充滿模膛 b, 模凹角處易應力集中,裂紋 c, 凸尖角處有圓角磨損減輕,提高模具壽命 d, 避免拉斷流線 e, 沖孔連皮 d>25 沖孔,連皮厚度與孔徑 d 有關, d=30—80mm 時, s=4—8mm 3 確定模鍛工步 與確定的工藝方案一致 模膛—制坯模膛—拔長,滾壓,彎曲,切斷 模鍛模膛—預鍛模膛和終鍛模膛 1) 制坯模膛 作用: (1)使坯料形狀和尺寸接近鍛件(為預鍛和終鍛做準備) (2)清除坯料表面的金屬氧化皮 a, 拔長模膛:減少某部分橫截面,以增加其長度, 閉式,開式,一般設在鍛模邊緣,需翻轉. b, 滾壓模膛:減少某部分橫截面,以增加另一部分橫截面, 使金屬按鍛件形狀分布. 開式:橫截面相差不大 —— 操作時不需翻轉 閉式:最大,最小橫截面相差大 c,彎曲模膛:需彎曲的桿類件,用彎曲模膛來彎曲坯料,轉 90°放入模膛 成型. d,切斷模膛:它是在上,下模的角組成的一對刀口,單件時用來切下鍛件或切下鉗口;多件時,用它分離單件. 除上述模膛外,還有鐓粗,壓扁等制坯模膛. 2)模鍛模膛 (1) 預鍛模膛 1) 使坯料變形到接近于鍛件的形狀,尺寸,使金屬易于充滿終鍛模膛. 2) 減少對終鍛模膛的磨損,提高鍛模壽命. 與終鍛模膛區別:斜度和圓角大,沒有飛邊槽. 形狀簡單,小批量,可不用鍛模. (2) 終鍛模膛:使坯料變形成鍛件圖上要求的形狀,尺寸和精度. ※ (a)因熱脹冷縮,終鍛模膛尺寸要比鍛件尺寸放大一個收縮量. (b)模膛四周有飛邊槽—增加金屬從模膛中流出阻力,容納多余的金屬. (c)對于有通孔件,留有沖孔連皮. 4 計算毛坯質量和尺寸,確定設備噸位 G 坯=G 鍛+G 飛+G 氧+G 連皮 G 飛=G 鍛×(15—25)% G 氧=(G 鍛+G 飛)×(3—4)% 尺寸: 盤類件: 鐓粗為主 1.25<H 坯/D 坯<2.5 長軸類:以拔長為主 L 坯=(1.05—1.30)V 坯/F 坯 =(1.34—1.66)V 坯/D2 坯 噸位:G= p (kN) p= k1k2σsF/1000(kN) k1——變形速度系數 2.5—3.5 k2—變形系數與摩擦條件系數 F—包含飛邊在內的鍛件最大截面 5 鍛模設計 模塊尺寸,燕尾,起重孔等 6 切邊,沖孔模具設計 7 確定加熱,冷卻和熱處理規范 加熱:火焰加熱,電加熱 加熱速度依坯料尺寸,成分,組織,性能等制定. 冷卻:依具體坯料情況確定. 熱處理:改善組織,性能,消除內應力,退火,正火,調質,高溫回火等. 8 確定校正,清理 校正變形:終鍛模膛,校正模 清理:去毛刺,氧化皮 ,切邊,沖孔. 精壓:壓力機上,平面精壓,體積精壓,提高精度 精度可達:±0.1—0.25mm 粗糙度:Ra=1.6—0.8m 二 模鍛零件結構工藝性 設計模鍛件時,應根據模鍛特點和工藝要求,使零件結構符合下列原則,以便于模鍛生產和降低成本. 1 必須具有合理的分模面(鍛件易取出,敷料少,鍛模易做) . 2 模鍛斜度,圓角 3 非加工面尺寸精度要符合模鍛生產工藝,加工面留余量. 4 鍛件形狀盡量簡單對稱,各截面差不可太大. 5 盡量避免深孔,多孔. (簡化模具制造,提高壽命) 6 若形狀復雜,用鍛焊結構,減少敷料. §2 胎模鍛 胎模鍛是在自由鍛設備上使用胎模生產模鍛件的工藝方法. 一 特點:1 與自由鍛對比 1) 鍛件形狀,尺寸與鍛工技術無關,操作簡單 η↑ 2) 精度高,敷料少,加工余量,節省金屬,減輕后續加工的工作量. 3) 內部組織,纖維分布更合理. 2 與模鍛比 1) 擴大自由鍛設備生產范圍,設備簡單 2) 局部成型,小設備干大活 3) 模局不固定,成本低,可一個以上分模面,件可復雜 4) 鍛件質量比模鍛差(形狀,尺寸精度,余量) 整形模: 成型模:導柱,定位,切邊,沖孔. §3 其它設備上的模鍛 作業: 1 改正模鍛件不合理處. 2 下圖零件采用錘上模鍛制造,選最佳分模面. 1 圓角,拔模斜度,分模面,沖孔連皮. 2 了解分模面選擇原則 第四章 板料沖壓 板料沖壓:利用沖模使板料產生分離或成型的加工方法. 一般冷態下成型,δ>8—10mm 時,熱態成型 應用:廣泛,航天,航空,汽車,儀表 特點:1 可沖壓出成型復雜的件,廢料少. 2 產品具有足夠高的精度和較低的表面粗糙度,互換性好. 3 質量輕,材料消耗少,強,剛度高. 4 操作簡單,便于自動化,生產率高. 5 模具復雜,適于大批量生產. 原材料塑性高:低 C 鋼,鋁合金,銅合金,鎂合金,塑性高的合金鋼. 剪床—剪料 沖床—沖壓 §1 分離工序 分離工序是使坯料的一部分與另一部分相互分離的工序 一 落料及沖孔(沖裁) 坯料按封閉輪廓分離 落料—被分離的部分為成品,而周邊為廢料 沖孔—被分離的部分為廢料,而周邊是成品 1 沖裁變形過程: 1) 彈性變形階段:沖頭接觸后,繼續向下運動, 產生:彈性壓縮,拉伸,彎曲等. 2) 塑性變形階段: σ≥σs 產生塑變→(冷態)加工硬化, σ≥σb 微裂紋 3) 斷裂分離階段:沖頭繼續壓入,裂紋上,下擴展,重合. 斷面 光亮帶—上,下塑性變形,沖頭壓入形成 剪切帶—剪切分離 (斷裂帶) 圓角帶—變形開始彎曲,拉伸所至. 2 凸凹模間隙: 間隙大小影響斷面質量,模具壽命,卸料力,推件力,沖裁力和沖裁件的尺寸精度. 間隙大:1)材料拉應力大,塑性變形階段結束早 2)亮帶小,剪裂帶,毛刺大 3)卸料力和推件力小 間隙小:1)壓應力大,拉應力小,抑制裂紋 2) 凸模刃口裂紋比正常向外,毛刺增大 3) 凸模與沖孔,凹模與落料之間摩擦增大 4) 降低模具壽命 總之:沖裁件斷面質量要求較高時,選較小間隙 沖裁件斷面質量無嚴格要求時,選較大間隙 一般(5—10%)S 以利于提高沖模壽命 3 凸凹模刃口尺寸確定: 沖孔模:1) 以沖孔件確定凸模尺寸,考慮磨損,凸模選孔的最大尺寸(公差允許內) 2) 以凸模為基準,加上間隙,設計凹模 落料模:a) 以落料件確定凹模刃口尺寸,考慮凹模磨損,凹模刃口尺寸取公差范圍最小值. b)以凹模尺寸為基準,減去間隙,設計沖模 4 沖裁力的計算 選沖床噸位,檢驗模具強度的依據, 平刃沖模的沖裁力:P=KLSτ (N) L—沖裁周邊長度 mm; S—坯料厚度 mm τ—抗剪強度 Mpa ; K—系數,間隙不均,刃口鈍化等. 5 沖裁件的排樣: 排樣合理,提高材料利用率 無搭邊排樣:落料件形狀的一個邊作為另一個落料件邊緣,材料利用率高,尺寸不準,毛刺不在同一平面上. 有搭邊排樣:各落料件之間有一定尺寸的搭邊,毛刺小,在同一平面上,尺寸準,費材料. 二 修整: 利用修整模沿沖裁件外緣或內孔刮削一薄層金屬,以切掉普通沖裁時,在沖裁件斷面上存留的剪裂帶,毛刺,提 高沖裁件的尺寸精度和降低表面粗糙度. 外緣修整:修沖裁件外形 內緣修整:內孔 與切削加工相似,間隙小,可采用負間隙,凸模大于凹模, 精度達 IT6—IT7 表面粗糙度為 Ra0.8—1.6 ▽7—▽8 三 切斷: 用剪床或沖模把板料沿不封閉輪廓進行分離的工序 剪切:大板料剪成條料 沖模:生產簡單,精度要求不高的平板件 §2 變形工序 變形工序是使坯料的一部分相對于另一部分產生位移而不破裂的工序,拉深,彎曲,翻邊,成型等. 一 拉深 1 拉深過程: 1) D 直徑平板放在凹模上. 2) 凸模向下運動,板料被拉入凸,凹模的間隙中,形成空心零件. 受力分析: 底部:不變形,傳遞拉力,厚度基本不變. 環形部分:拉力,厚度略減小. 法蘭部分:切向受壓力,變厚. 底角部分:拉力,變厚. 2 拉深中的廢品: 1) 拉裂 σt>σb 無其底角部分 拉裂影響因素: (1) 凸凹模的圓角半徑:不可太鋒利,否則易拉裂, 鋼件:r 凹=10s r 凸=(0.6—1)r 凹 (2) 凸凹模間隙:過小,模具與拉深件間的摩擦力增大,易拉裂工件,同時擦傷工件表面, 降低模具壽命(磨損) Z=(1.1—1.2)S . 過大:起皺 (3) 拉深系數: m=d/D 衡量拉深變形程度, 越小, m 變形越大, 易拉穿, 材料塑性好 m 可↓, 一般: m≥0.5—0.8 (易塑性來取) 若 m 過小,則采用多數拉深,mn>mn-1>mn-2…… 兩次拉深之間退火,消除加工硬化, m 總= mn ×mn-1×mn-2…… (4) 潤滑:加潤滑劑,減小摩擦,降低拉力,減小模具磨損. 2) 起皺: 發蘭受切向壓力,起皺,起皺后坯料拉不進凹模,在凹模入口處, 拉裂,若能拉入,產品側壁有痕跡. 影響因素: t/D 小,起皺,m 小,起皺 防止方法:壓邊圈 3 毛坯尺寸及拉深力的確 按變形前后板料面積不變,計算毛坯尺寸, (D-d-r 凹)S 拉深力: Pmax=3(σb +σS) Pmax——最大拉深力(N) σb ,σS 抗拉,屈服強度, , D——毛坯直徑 mm, d——凹模直徑 mm r 凹——凹模圓角半徑 mm S——材料厚度 mm 4 旋壓法生產拉深件 旋壓件上生產,不用沖模,變形小,能生產大型封頭. 二 彎曲: 坯料的一部分相對于另一部分彎曲成一定角度的工序 1 受力分析:外側受拉,內側受壓,σt>σb,外側拉裂 板厚 S↑ r↓ 則 σt↑ 易裂 2 最小彎曲半徑 rmin=(0.25—1)S 塑↑ rmin 可小些 3 彎曲方向:彎曲時盡可能使彎曲線與毛坯的纖維方向一致 4 回彈:回彈現象 0——10° 防止方法: (1)彎曲的模具角度小一個回彈角 (2)彎曲時兩端加拉力,壓力→拉力 三 翻邊:在帶孔的平坯上用擴孔的方法獲得凸緣的工序, r 凸=(4—9)t k0=d0/d<1 (鍍錫鐵皮 k0≥0.65——0.7 酸洗鋼 k0≥0.68——0.72) 若 k0 過小,可先拉深-----沖孔-------翻邊 四 成形 (脹形) 局部變形 制造加強筋 局部直徑擴大 §3 沖模的分類和構造 沖模結構合理與否對沖壓件質量,沖壓生產的效率及模具壽命等都有很大的影響. 一 簡單沖模: 一次沖程只完成一個工序 凸模被壓板固定在上模板上,上模板通過模柄與沖床滑塊連接,凹模被壓板固定在下模板上,下模板用螺釘固 定在工作臺上,凹模上裝有導料板,導料板前有定位銷,導料板上裝有卸料板,防止凸模把料帶上去.導柱,導 套:保證凸凹模對正,間隙均勻. 二 連續沖模:連模具不同部位,一次沖程能完成幾道工序,墊片------先沖孔,后落料. 三 復合模:在模具的同一部分上同時完成幾道工序 §4 沖壓件結構工藝性 設計沖壓件不僅要滿足零件的使用性能,還應有良好的工藝性能,以減少材料的消耗,延長模具壽命,提高生產 率,降低成本及保證沖壓件質量. 一 沖壓件的形狀和尺寸 1 沖裁件: 1)落料件外形和沖孔件的孔形應力求簡單,對稱,排樣時廢料少, ,盡可能采用圓形,矩形,避免長槽,長懸結 構,總之:利于制造模具,提高模具壽命,節省材料. 2) 沖孔時 d≥t 方孔 L≥0.9t t——料厚,凸模↑ 孔距, 孔與邊距≥t 保證凹模壽命,外緣凸出或凹進的尺寸≥1.5t,保證件不變形. 3)沖裁件:兩相鄰邊要用圓弧聯接,避免應力集中, 2 彎曲件: 1) r >rmin 彎曲半徑左右對稱,若彎曲非對稱件,用坯料上孔定位. 2) 短邊彎曲,彎曲高度 h>2t ,若過短,先彎長,后切短. 3) 帶孔件彎曲 L>(1.5—2)t 若孔與立壁近,先彎后沖 3 拉深件 1)外形對稱簡便,不宜太高,—便于制模具,成形容易. 2)拉深件不能同時保證內外尺寸,必須注明其一. (∵有間隙) 3)拉深件圓角半徑不能小于允許值. 4)對半敞開件,可先拉深——后切斷,工件組成對稱件. 5)帶凸緣件,凸緣大小要合適.過大,增加拉深次數;過小,壓邊圈失效,易起皺. 合適尺寸:d+12t≤d 凸≤d+25t 對各類沖壓件的共同要求: 1 材料的選擇:普通材料——貴重材料,塑性↑ 薄件,加筋提高剛度. 2 外形對稱:受力均勻,模具易制造. 3 復雜件:沖——焊, 沖——鉚結合. 二 沖壓件的厚度 強度,剛度允許,盡量用薄料,可采用加強筋(脹形) ,提高剛度,省材料. 三 沖壓件的精度和表面質量 不能超過最高可能的精度,表面質量不能高于原材料表面質量. 一般精度:薄件: IT10; 沖孔: IT9 ; 彎曲:IT9——IT10 拉深高度公差:IT8——IT10; 經整形:IT6——IT7; 直徑公差:IT9——IT10 作業: 1 用 φ50 沖孔模具加工 φ50 薄料件能否保證精度? 2 用 φ250×1.5 料拉深 φ50 筒件,能否一次拉出? 1 (1)分清沖孔,薄料概念 (2)沖孔,薄料模具設計原則 (3)精度差 2 (1)拉深系數 m≥0.5——0.8 (2)m1<m2<m3…………… (3) 附加:潤滑,退火 (4) d1=250×0.5=125 若 d/125=50/d d>75≈75 取 d=25 75/125=0.6 50/75=0.67 m1=0.5 m2=0.6 m3=0.67 125 75 50 3 試述下圖沖壓件的生產過程(工序排列) 落料——沖孔——彎曲 第五章 壓力加工先進工藝簡介 先進工藝特點: 1 盡量使鍛壓件的形狀接近零件形狀,以便達到少,無切削加工的目的,節省材料,合理纖維組織,提高零件機 械性能, 2 具有更高的生產率. 3 減少變形力,可以小設備干大件. 4 廣泛用電加熱,少氧化加熱,提高表面質量,改善勞動條件. §1 軋制 一 縱軋: 軋輥軸線與坯料軸線互相垂直的軋制方法. 1 輥鍛軋制:軋輥上裝上圓弧形模塊. 2 輾環軋制:對稱擴孔,自動控制尺寸,可軋截面不同件,如火車輪箍 二 橫軋:軋輥線與坯料軸線平行 齒輪軋制:對輾 三 斜軋:軋輥線與坯料軸線成一定角度.如:軋鋼球,周期性截面變化桿件,冷軋絲杠. 四 楔橫軋:利用兩個外表面鑲有楔塊,并作同向旋轉的平行軋輥軸向送進的坯料進行軋制的方法,稱為楔橫軋. 主要靠兩楔塊壓縮坯料,使坯料徑向尺寸減小,長度增加. 楔塊分三部分組成:楔入部分,展寬部分,精整部分. 拔長?如何加入錐形軸? 特點:1) 生產率高,每小時可生產千件. 2) 品精度高,徑向公差 0.2mm 內,長度 0.1——1 內. 3) 產品質量好,內部纖維連續,晶粒細化. 4) 節省原材料. 5) 設備投資少,模具壽命高,可達 10——20 萬件. 6) 無沖擊,噪音小,易自動化. §2 擠壓 擠壓是坯料在擠壓筒中受強大的壓力作用而變形的加工方法. 一 分類: 1 按金屬流動方向分: 正擠壓:金屬流動方向與凸模運動方向相同. 反擠壓:金屬流動方向與凸模運動方向相反. 復合擠壓:正反擠壓同時發生. 徑向擠壓:金屬流動方向與凸模運動方向成 90 °. 2 按變形溫度: 熱擠壓:T>T 再 變形抗力小,表面粗糙. 冷擠壓:T<T 再 變形抗力大,表面光潔,組織硬化,強度高. 溫擠壓:介冷熱之間,低于 T 再 下某一溫度,氧化脫碳少(與熱比) , 變形抗力小(與冷比) ,中碳鋼,合金鋼均可擠. 3 靜液擠壓:凸模與坯料之間充滿液體,凸模通過液體擠坯料,減少摩擦. 應用:低塑性材料,如 鉻,鎢等,麻花鉆. 二 特點:1 三向壓應力,塑↑ 2 零件精度高,粗糙度低, IT6——IT7 Ra3.2——0.8 3 形狀復雜件,深孔,薄壁,異形斷面件. 4 機械性能高,纖維合理. 5 節省原材料,生產率高,材料利用可達 70%,易自動化. §3 拉拔 拉拔:將金屬坯料從拉模的模孔中拉出使坯料變形的加工方法.一般常溫,故"冷拉" 特點:1 拉拔產生加工硬化,強度↑ 硬度↑ 2 受工壓——拉應力,變形量大易裂,∴拉前去應力,拉后退火(多道拉拔) 3 拉拔前清理表面,減少與模具摩擦,提高工件表面質量. 4 產品精度高,廣泛應用各類型材,線材,精鉸加工. §4 精密模鍛 在模鍛設備上鍛造出形狀復雜,鍛件精度高的模鍛工藝,精度達 IT7, 粗糙度 Ra3.2——1.6 ▽5——▽6 特點:1 精確計算原始坯料的尺寸,嚴格按坯料質量下料. 2 精細清理表面,去氧化皮,脫碳層. 3 無氧化加熱,少氧化加熱,減少氧化皮. 4 鍛模精度高,導柱,導套,凹模開排氣孔. 5 鍛模潤滑,冷卻 (熱脹冷縮) . 6 設備剛度大,精度高. (壓力機,高速鉆等) 7 保護冷卻, (坑,介質,無焰淬火)少氧化. §5 高速錘鍛造 利用高壓氣體在極短時間內突然膨脹,推動錘頭對擊. 特點:1 打擊速度高 (12——25m/s, 普 5——9 m/s) ,變形時間短,充填性好,有熱效應,一次形成復雜件. 2 少,無氧化加熱,潤滑劑,頂出裝置,可鍛無斜度,小斜度,無飛邊件,Ra3.2—0.8. 3 流線合理,機械性能↑ 4 適合結構對稱件,模具磨損快,壽命↓,單模膛. 5 對廠房無抗震性要求,設備體積小. §6 超塑性成形 超塑性:金屬材料在特定條件下可得到極大塑性. 1 動態超塑性: 在材料相變溫度或同素異構轉變溫度附近經過多次溫度循環或應力循環, 獲得超塑性. (應用少) / -2 -5 / 2 靜態超塑性:低形變速率:ε =10 ——10 θ/s ε =∑/s 變形溫度:0.5——0.7Tm, 細晶:0.5——5m,拉伸無縮頸 應用:1 板料沖壓,可拉深很深筒. 2 板料氣壓成形. 3 擠壓,模鍛,如鈦合金. 特點:1 擴大了可鍛金屬種類. 2 充模性能好,精度高,余量小——0 3 機械性能均勻一致. (晶粒細) 4 變形抗力小,充分發揮中小型設備作用. §7 擺動輾壓 利用一個繞中心軸擺動的圓錐形模具對坯料局部加壓的工藝方法. 若上模是錐體,可輾成一平面工件.若上模母線是曲線,可輾成表面形狀復雜件. 特點:1) 省力,局部受力變形,小設備干大件. 2) 可加工薄件,如 1mm 厚件. 3) 產品質量高,省材料. 4) 噪音小,震動小,易自動化. §8 多向模鍛 將加熱的金屬坯料置于多分模面的組合鍛模中,在多向鍛壓機上一次行程作用下,獲得飛邊,無斜度或小斜度多 向孔穴鍛件. 實質:擠壓為主,加閉式模鍛. 無飛邊,生產率高. §9 液態模鍛 鍛鑄結合,液態金屬澆入下模,用上模加壓,使液態金屬充滿模膛,并在壓力下結晶凝固并產生塑性變形,以獲 得組織致密,性能良好的鍛件. 特點:1 組織致密,性能好. 2 省去鑄件的澆口,冒口. 3 省力,能加工脆性材料. 應用:大批,性能好,中小型件. 四 焊接 概述 一 什么是焊接? 焊接實質是用加熱或同時加壓并用或不用填加材料使焊件達到原子或離子結合的一種加工方法. 實際上被焊接的可以是非金屬,如塑料,用釬焊還可以把金屬與非金屬連接起來. 二 焊接特點及應用 1 特點 1) 省工省料(與鉚接比)可省料 12~20%. 2) 能化大為小,拚小為大. 大型結構,復雜零件,用焊接組合結構,焊接可將鑄件,鍛件連接起來,簡化鑄鍛工藝和設備. 3) 可以制造雙金屬結構,節省貴重金屬.(聯想鑄造離心鑄造) 車刀, 鉆頭 硬質合金刀片+金剛石膜 4) 生產率高 便于實現機械化,自動化. 2 應用 橋梁 大容器 水壓機 飛機 汽車 輪船 電子組件…. 三 焊接分類(按焊接過程特點) 1 熔化焊: 局部加熱 將焊接接頭加熱熔化,并形成共同的熔池,冷卻結晶形成牢固接頭,將兩工件焊接成整體. 2 壓力焊: 利用加壓力(或同時加熱)的方法,使兩工件結合面緊密接觸在一起,并產生一定的塑性變形或熔化,使他 們的原子組成新的結晶,將兩工件焊接起來. 包括: 電阻焊 摩擦焊 冷壓焊等 3 釬焊: 對工件和作為填充金屬的釬料進行適當的加熱,工件金屬不熔化,但熔點低的釬料被熔化,后填在工件之間 與固態的被焊接金屬互相擴散,釬料凝固后,將兩工件焊接在一起. 如 銅焊 銀焊 錫焊 第一章 電弧焊 氣焊 激光焊等 熔化焊 §1 手工電弧焊(焊條電弧焊) 利用焊條與焊件之間產生的電弧熱,將工件和焊條熔化而進行焊接的手工操作. 一 焊接過程及特點 1 焊接過程: 回憶實習 2 特點: 優點: 設備簡單. 接頭形式,焊縫形狀,焊接位置,長度不受限制.缺點:有弧光,勞動條件下降,質 量不穩,生產率低. 3 應用:單件小批,碳鋼,低合金鋼,不銹鋼,鑄鐵焊補. 適宜板厚3～20mm. 二 焊接冶金過程特點 (焊條和局部被焊接金屬在電弧高溫作用下的再熔煉過程高于一般冶金溫度,可以看成是一個冶金過程) Fe 1 焊接電弧和熔池溫度高: 造成金屬氧化燒損, 電弧區氣體分解, 增大氣體活撥性, 氧化, (Fe4N, 2N) 氮化 易形成氣孔,夾渣等缺陷.降低焊縫的塑性,韌性.水分解成 H,熔入熔池,形成"氫脆" 2 熔池體積小:冷速快,各種化學反應不平衡, 使化學成分不均,氣體熔渣不易浮出.形成氣孔,夾渣. 3 熔池金屬不斷更新:電弧移動,不斷有新的熔渣和金屬也進入熔池,使焊接冶金過程更復雜. ∴ 要得到一個合格的焊縫也不是一件容易的事. # 采取措施: 1 保護焊區(藥皮,焊藥,保護氣體等) 2 添加合金元素,保護化學成分穩定. (在手工電弧焊中這些保護措施主要靠電焊條實現) 三 焊條 1) 焊芯:作用:電極,導電,填金屬,添加合金元素. 焊芯牌號:H08A(E) H—焊 08—平均 0.08%C,A—優質 E—高級優質. H08Mn2Si 0.08%C 2%Mn <1%Si 2) 藥皮:作用;穩弧,保護焊區,添加合金元素. 分類: 9 種類型 1~6,8 交,直流,7,9 直流 3) 焊條分類 結構焊條 J 不銹鋼焊條 B 堆焊焊條 D 鑄鐵焊條 Z 低溫鋼焊條 W 耐熱鋼 R 鎳及鎳合金 N 銅及銅合 金 T 鋁及鋁合金 L 特殊用途鋼 TS 4) 牌號 符號+數 1+數 2 符號—焊條大類 數 1—小類 數 2—藥皮 如 J422 結構鋼焊條,焊縫抗拉強度不低于 420Mpa,2 型藥皮,交直流 # 為什么有的焊條不能用直流焊機? ∵堿性焊條里含大量瑩石(CaF2)F 是阻礙氣體電離的元素,降低了電荷空間的電離度,使導電能力差,電弧不 穩定. 用交流焊機時,電流的方向在不斷變化,此時若用堿性焊條電弧易熄滅 四 焊接接頭的組織與性能 1 焊接工件上溫度的變化與分布 1) 距焊縫中心不同,受熱最高溫度不同. 2) 各點到達最高溫度的時間不同. 3) 各點均經過冷--熱—冷,相當于受到一次不同規范的熱處理.因此,必然有相應的組織和性能的變化. 2 接頭組織與性能的變化 以低碳鋼為例 P92 1) 焊縫金屬 (1)熔化溫度在 1500℃以上. (2)形成柱狀晶,約與池壁垂直(鑄造) ∵藥皮滲合金,焊縫中硅,錳合金元素可能高于母材,且藥皮保護. ∴ 焊縫性能一般不低于母材(尤其強度) 2) 溶合區 焊縫與母材交界區,∵局部熔化(半熔化區) 組織:鑄造組織+受熱長大的粗晶.∴晶粒大小不均,化學成分不均(尤其異種金屬) 性能;接頭中性能最差.∴決定接頭性能 3) 過熱區:溫度遠高于相變溫度,晶粒產生急劇長大.過熱組織. 性能:塑性韌性↓ 對于易淬硬鋼材,危害更大.接頭中性能較差 4) 正火區:組織:發生重結晶,晶粒細化,正火組織 性能:機械能提高 5)部分相變區:組織:部分相變(F,P)晶粒不均(部分 F 和 P 重結晶成為較細晶粒,未轉變的 F 長大) 性能:稍差 3)~5)為熱影響區 l 總之,熔合區與熱影響區中的過熱區對焊接質量影響最大,應盡量減少它們的寬度. l 熱影響區大小和組織變化程度決定于焊接方法,焊接規范,接頭形式,焊后冷卻等因素,在保證焊接質量的 前提下,增加焊接速度,減少焊接電流,減少熱影響區尺寸. l 措施:焊后熱處理,正火,退火---細化晶粒 §2 焊接應力與變形 一 產生應力與變形原因 根本原因:加熱不均, 各處熱脹量不同,又是整體,各部分互相限制 (與鑄造熱應力聯系講)內應力通過變形自發釋放趨勢,拉應力部分縮短,壓應力部分伸長. 二 焊接變形基本形式 1) 收縮變形:縱 橫 2) 角變形:V 型坡口對接時,因焊縫截面上下不對稱,焊后收縮不均引起. 3) 彎曲變形:如丁字梁,焊縫在一端 4) 波浪變形;薄板焊縫收縮板材失穩(聯系自由鍛高坯鐓粗,拉深起皺) 5) 扭曲變形:如工字梁,焊接順序不當. 三 防止和減少焊接變形措施 1 合理結構設計 1) 盡量減少焊縫,焊縫長度,截面厚的件兩面開坡口. 2) 焊縫對稱 3) 避免密集交叉 4) 利用型材,沖壓件代替,減少焊縫. 2 工藝措施 1) 加余量法: 在工件尺寸加大,通常 0.1~0.2% 2) 反變形法:焊前使焊件處于反變形位置,以抵消焊后變形.(聯系沖壓彎曲) 3) 剛性固定法: 將工件固定夾緊, 或點焊在工作臺上, 焊后變形大大減少. 這種方法適于塑性好的低碳鋼 件. 4) 選擇合理的焊接順序: 對稱兩側都有焊縫,盡量使收縮能互相抵消. 5) 焊前預熱: 工件預熱 150~350℃, 減少溫差,顯著減少焊接應力. 四 焊接變形的矯正方法 基本原理: 新變形抵消焊接變形. 1 機械矯正法: 用機械力矯正, 壓力機 手錘敲擊. 2 火焰矯正法: 乙炔焰加熱焊件,使其產生反向等量變形.主要低碳鋼,部分低合金鋼. 五 減少和消除焊接殘余應力的方法 1 焊前預熱,減少溫差 2 焊后退火(去應力退火) 600~650℃ 保溫 80~90%殘余應力消除, 可整體,局部 §3 埋弧自動焊 埋弧—電弧埋在焊劑下,弧光不外露. 自動焊---引燃電弧, 送焊絲,移動電弧,最后滅弧----機械 一 焊接過程 自動焊機頭將光焊絲自動送入,保證弧長. 電弧在焊劑下燃燒,靠焊機移動(或工件動). 焊劑從漏斗中不斷流出, 撒在焊絲前工件上,焊劑熔化成熔渣,部分未熔可回收. 焊絲---相當于焊芯. 焊劑---相當于藥皮. 常用焊劑見書上. 二 特點 1 生產率高, 比手工高 5~10 倍(V↑ I↑ 不換焊絲) 2 焊接質量高,且穩定.[(1)冷卻速度慢,有利于氣體,雜質上浮. (2)焊區保護好. (3)規范控制好.] 3 節省金屬材料.[(1)沒焊條頭. (金屬飛濺少,≤25mm 不開坡口. ) 4 勞動條件好. (看不到弧光,焊接煙霧少,機械操作. ) 三 工藝 1 下料,準備坡口,裝配要嚴格準確. 2 焊前工件焊縫兩側 50—60mm 內的一切油污,鐵銹除去,以免產生氣孔. 3 一般適于長規則平焊,對接,搭接,丁字接頭,規則環焊縫. 應用:碳鋼,低合金鋼,不銹鋼,耐熱鋼,中,厚板平焊長直縫,大直徑 d≥250mm 環縫. §4 氣體保護焊 一 氬弧焊 用氬氣做保護氣體,電弧發生在電極和焊件之間,在電弧周圍通以氬氣. 1 不熔化極氬弧焊 電極:鎢 or 鎢合金, (熔點:3380—3600℃)只導電產生電弧,必要時需另加焊絲. (1) 直流正接: ∵陰極 3000℃,陽極 4200℃>鎢熔點,∴鎢→陰極, 工件→陽極,以減少鎢損耗. (2) 交流或直流反接:焊鋁鎂及其合金,∵在焊件和熔池表面易形成熔點很高的氧化物薄膜,阻礙金屬熔合和 電弧穩定燃燒,∴采用"陽極破碎"—用較大氬正離子撞擊氧化膜,使之破碎以利于焊合,多用交流,I 不能太大, 鎢極氬弧焊口適用于 δ≤6mm 薄板. 2 熔化極氬弧焊 用焊絲做電極,并填焊縫,I 可大,δ=3—25mm 均可焊,多直流反接:電弧穩定,自動,半自動焊接. 3 特點 1) 焊區保護,焊接質量好. 2) 電弧穩,飛濺少(Ar 導熱小,電弧熱損失少) 3) 電弧在壓縮氣流下燃燒,熱量集中,熔池小,熱影響區小,焊接變形小. 4) 明弧可見,便于操作,可自動全位置焊接. 5) 適于焊各類合金鋼,易氧化的有色金屬. 6) 焊前工件清理嚴格,設備價高,氬氣貴,成本高. 7) 只在室內(防保護氣流破壞) 二 CO2 焊 CO2 做保護氣體, 電極:焊絲 CO2→CO+O2 O2 進入熔池,會使 Fe,C,Mn,Si 和其它合金元素氧化燒損,降低焊縫力學性能,∴用 Si, Mn 較高的焊絲,或合金鋼焊絲. 特點:1)成本低,是手工,埋 40% 2)質量較好, (低 H,Mn↑,S↓,抗裂,熱量集中,熱影響區小) 3)生產率高(自動送焊絲,I 大,v↑,比手工提高 1—4 倍) 4)操作性好(明弧可見,適于各位置) 5)飛濺大,弧光強,焊縫不美觀,易產生氣孔. 應用:低 C 鋼,低合金鋼,δ=0.8—4mm,最厚 30mm. §5 其它熔化焊 1 等離子弧焊 利用一些裝置使自由電弧的弧柱受到壓縮, 弧柱中的氣體就完全電離, 產生溫度比自由電弧高得多的等離子電弧. 機械壓縮(噴嘴壓縮) :通入一定壓力和流量的氬氣或氮氣時,冷熱壓縮,氣流均勻包圍著電弧,使弧柱外圍受 冷,帶電粒子向弧心移動. 電磁壓縮:帶電粒子在弧柱中的運動,會產生電磁力,使帶電粒子相互靠近. 特點: (1)熱力集中,12mm 不開坡口,變形小. (2) 電流,電弧仍穩定,可焊箔材,薄板. (3) 焊接質量好(電弧穩定,Ar 保護) 2 真空電子束焊 在真空室,利用電子束將金屬加熱熔化. 特點:1)能量集中,可達 200mm,厚件不開坡口,不變形. 2)真空中焊,不氧化,焊接質量好. 3)電子束大小可調,薄件也可焊. 應用:焊高熔點金屬(鎢,鉬,鉭,鈮,鈦) . 缺點:焊件大小受真空室限制. 3 激光焊 利用激光焊接 主要優點:熱量集中,激光可反射,聚焦,改變方向,適于不同位置焊接. 多用焊薄板,細絲. 第二章 壓力焊與釬焊 §1 電阻焊 利用電流通過焊件接頭的接觸面及其鄰近區域所產生的電阻熱將焊件局部加熱到熔化或塑性狀態, 并在壓力下形 成焊接接頭的焊接方法. 一 點焊 1 電極:柱狀 工件:搭接 2 焊接過程:電極壓緊工件→通電加熱 → 斷電→保持原壓力(加大)→去壓. 分流:兩點之間距離小,分流大. 3 特點:生產率高,易自動化,焊接變形小,設備復雜,焊前要嚴格清理工件表面. 應用:薄件,鋼筋 δ≤4mm. 二 縫焊 1 焊接過程:與點焊相似,只是用滾動盤狀電極代替柱狀電極,形成連續焊點. 2 特點: 由于焊點重迭 50%以上,故密封性好,但分流嚴重,適于 3mm 以下薄板. 三 對焊 利用電阻熱使對接接頭在整個斷面上連接起來的一種電阻焊方法. 1 電阻對焊: (1) 焊接過程:對正,夾緊,予壓力→通電→塑性狀態→增大壓力,斷電. (2) 特點:易操作,接頭外形光滑,毛刺少,接觸面質量影響焊后質量. 應用:斷面簡單, (Lord<20mm)強度要求不高的件. 2 閃光對焊: (1) 焊接過程:對正,通電→點接觸→面接觸熔化→加壓,斷電. (2) 特點:接頭質量好(飛濺,擠出雜質,夾渣少) ,金屬損耗多,工件尺寸留較大余量,毛刺多. 應用:同種,異種金屬均可,形狀盡量相同,d=0.01mm F=20000m2 刀具,鋼軌,管子等. 四 摩擦焊 利用工件接觸摩擦生熱,將工件端面加熱到塑性狀態,然后在壓力下完成焊接. 1 焊接過程:加壓→旋轉其一,接觸的生熱→塑性狀態,停轉→加壓→塑性變形,完成焊接. 2 特點: (1)接頭質量好(接頭雜質,氧化皮擠出,不易產生氣孔,夾渣) . (2)操作簡單,易自控,生產率高. (3)設備簡單,耗電少(只有閃光焊 1/10——1/15) (4)焊接金屬廣泛,尤其性能差別大的異種金屬, 如:碳鋼+鎳基合金,鋁+鋼 §2 釬焊 利用比母材熔點低的釬料熔入接頭間隙完成焊接. 硬釬焊:釬料熔點 450℃以上,接頭強度高,銅等. 軟釬焊:釬料熔點 450℃以下,接頭強度低,錫. 一 焊接過程: 1 清理工件,搭接 2 釬料放在裝配間隙處 3 加熱釬料,使之熔化, (毛細作用)使釬料進入間隙內,與金屬相互擴散,凝固形成釬焊接頭. 二 釬劑作用: 1 清除母材表面的氧化膜及其它雜質. 2 改善釬料流入間隙的性能(濕潤性) . 3 保護釬料及母材免于氧化,釬劑對焊接質量影響較大 軟:松香,氧化鋅等; 硬:硼酸,氧化物. 三 加熱方法: 烙鐵,火焰,電阻,感應爐. 四 特點:1 溫度低,變形小; 2 工件尺寸精確; 3 同,異種金屬均能焊; 4 設備簡單,易控制; 5 接頭強度低,耐溫差; 6 焊前清理嚴格; 7 整體加熱,可焊多條焊縫,生產率高 . 第三章 常用金屬材料的焊接 §1 金屬材料的可焊性 一 可焊性的概念 金屬的可焊性是指被焊金屬材料在一定的焊接條件下獲得優質焊接接頭的難易程度.包括兩方面: 1 接合性能:焊接接頭產生工藝缺陷的傾向,尤其是出現各種裂紋的可能性. 2 使用性能:焊接接頭對使用要求的適應性. 可焊性好:是用最簡單的最普遍的焊接工藝條件,便可以得到優質的焊接接頭 . 可焊性差:要用特殊,復雜工藝條件下才得到優質的焊接接頭. 常用材料的焊接性見 P105 表 4—4(徐) 二 估算鋼材可焊性方法 C 對鋼的可焊性影響最顯著,因此用碳當量來估算鋼材的可焊性: C 當量=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%) 式中:C,Mn,Cr,Mo,V,Ni,Cu 為質量百分數上限. C 當量<0.4% , 塑性好,淬硬性不明顯,可焊性優良,不預熱. C 當量=0.4—0.6%,淬硬性↑,可焊性↓,加工藝措施. C 當量>0.6%,塑性↓,淬↑↑,可↓↓,工藝措施,熱處理. 實際,除上述估算外,對新材料還應試驗,以合理制定工藝方案. §2 鋼的焊接 一 低碳鋼 含 C<0.25%,塑性好,可焊性好. 手工電弧,埋焊,氣體保護焊,電阻焊等. △ 一般不需采取特殊工藝措施, 對于 δ>50mm 的結構,尤其-10℃以下,需預熱 50℃, 焊后去應力退火或正火,防內應力變形,開裂. 二 中,高碳鋼 中,0.25%—0.6%C,隨含 C 增加,淬硬↑,主要手弧. 高,>0.6%C,淬硬性↑↑,可↓,手,氣. △ 中高碳鋼與低碳鋼的熱影響區不同,如 P106 f4—24,其熱影響區可分成淬火區和部分淬火區. 1 焊接特點: (1)接頭易產生淬硬組織和冷裂紋,M 內應力↑,易裂. (2)焊縫金屬熱裂傾向較大 ∵中,高碳鋼含 C,P,S 均高于焊芯,∴母材熔化溶入熔池. 2 工藝措施 (1) 焊前預熱:減少內應力,M 含量↓,中 150—250℃. (2) 合適焊條:低氫焊條或鉻鎳不銹鋼焊條 A102,A302,抗裂性好. (3) 降低焊縫含碳量:小電流,細焊條,多層焊,開坡口以減少母材溶入焊縫. (4) 焊后緩冷和熱處理:減少內應力,消除內應力,改善組織及力學性能. 三 低合金鋼 C 當量<0.4% , 可焊性↑, s≤400MPa)低強度合金鋼,手弧焊,埋弧自動焊,與低 C 鋼相同. (σ C 當量=0.4—0.6%,可↓,淬硬,冷裂↑ , s≥450MPa)高強度合金鋼,與中 C 鋼相同,手弧,埋弧,預熱,低 H (σ 焊條,焊后熱處理. §3 鑄鐵的焊補 鑄鐵可焊性不好,所以鑄鐵焊接主要是焊補鑄件的鑄造缺陷或損壞的鑄件. 一 鑄鐵焊接特點: 1 焊接接頭易產生白口組織 冷速↑,易生成白口和淬火組織,硬↑,難加工. 2 易產生裂紋 ∵鑄鐵強度低,塑性差,白口,淬硬. 3 焊縫易產生氣孔和夾渣 V 冷↑,焊接時 C 氧化產生的 CO 不能排出→氣孔 焊接時硅氧化產生的硅酸鹽溶渣不能浮出→夾渣. 4 適于平焊:∵流動性好. 二 補焊方法 1 熱焊法:預熱 600—700℃(整或局) ,受熱均勻,防白口,裂紋,焊后質量好,易加工. 不足:成本高,生產率低,勞動條件差, 氣焊:手弧焊—鑄鐵芯焊條 2 冷焊法:不預熱或預熱 400℃以下,生產率高,成本低,質量較差,靠焊條調整焊縫化學成分,防白口,裂紋. (1) 低 C 鋼芯焊條; (2)鎳基鑄鐵焊條; (3)銅基鑄鐵焊條. §4 有色金屬焊接 一 銅及銅合金的焊接 1 特點: (1) 易氧化和產生裂紋 (a) 高溫液態銅易氧化,生成氧化亞銅(Cu2O)與銅形成低熔點共晶體(Cu2O—Cu) ,在晶界,易裂. (b)銅及其銅合金線脹系數大,收縮率也大,內應力↑,易裂. (2) 難焊透,難熔合 導熱性高,熱量散失多,不易達到焊接溫度,需大功率電源,當焊件厚度和剛性較大時, 需預熱. (3) 易產生氣孔 (a) 銅液態時吸氣性強, (吸氫) ,凝固時對氣體溶解度減小,易成氣孔. (b)高溫時,氧化亞銅與 H 生成水蒸汽,易成氣孔. (4) 接頭質量不好 合金元素易氧化,且組織粗大(Cu2O—Cu) . 如:黃銅中 Zn 易蒸發.燒損,青銅中鉛易氧化,ZnO 有毒. 2 方法 △ 氬弧焊(最佳) ,氣焊,手弧焊和釬焊 △ 紫銅,青銅:氣焊中性焰. (防氧化或吸氫) △ 黃銅:氣焊:微氧化焰+含硅焊絲, 溫度低,Zn 蒸發少.2 熔池上形成氧化硅薄膜,阻止 Zn 蒸發,防 (1 H 溶入) . △ 紫銅及合金也可用于手弧焊,用相應銅及合金焊絲. 二 鋁及鋁合金的焊接 1 特點: (1)易氧化: Al2O3,熔點 2050℃,δ=0.1—0.2m,氧化膜比重大,易夾渣. (2) 易產生氣孔: 液態大量吸 H,固態不溶 H,易產生氣孔. (3)易燒穿: 高溫塑性,溫度↓,且無顏色變化,加墊板. (4)難焊透: 導熱率較大,熱量易散失,大電源,預熱. (5) 易熱裂紋: 線脹,收縮大,內應力大. 2 方法 氬弧焊,氣焊,電阻焊,釬焊. △ 焊接質量要求高,用 Ar 焊. △ 焊接質量要求不高,用氣焊,中性焰,同時使用熔劑,去除 Al2O3 薄膜,在熔池表面形成熔渣,注意為防止 熔劑腐蝕焊件,焊后立即清洗掉熔劑,多用焊薄板(0.5—2mm) ,點,縫焊,焊薄板. △ 焊前嚴格清理工件. 第四章 焊接件的結構設計 ▽使用性能+焊接工藝 綜合考慮→質量↑,成本↓,生產率↑ 一 焊縫的布置 結構設計關鍵,合理,減少應力,變形,強度↑,生產率↑,成本↓,勞動條件改善. 以下為原則: 1 焊縫位置應便于操作 ((徐)P111—f4—25) 手弧焊—焊條能伸入待焊部位. 埋弧焊—放住焊劑. 點,縫—電極能放入. ▽焊縫位置保證焊接裝配容易.P111—f4—26 2 焊縫應盡量分散 P111—f4—27,28 焊縫密集交叉—接頭交叉處過熱,加大熱影響區,降低力學性能,增大變形,應力. 3 焊縫盡量對稱 使各焊縫變形相互抵消 P112—f4—29 4 焊縫盡量避開最大應力或應力集中位置 P112—f4—30,31 5 焊縫轉角處應平緩過渡 避開應力集中 P113—f4—32 6 焊縫盡量避開切削加工面 P113—f4—33 7 焊縫位置盡量平焊 二 焊接接頭設計 根據結構形狀,使用性能,焊件厚度,坡口加工,難易程度,焊接方法等確定,應易于保證質量,降低成本. 1 接頭型式: 常用型式:對接,搭接,角接和 T 型接頭等. 對接—受力簡單,均勻,節省材料,接頭質量易保證. 搭接—受力時產生彎矩. P114—f4—34,35 2 坡口型式: 根據材料厚度 δ 定,還考慮坡口加工難易及焊接工藝.P115 f4—36 手弧常用:V X υ K 埋弧:坡口比手弧小,∵I↑,熔深大 氣,鎢氬 焊薄板 卷邊接頭 f4—37 3 不同厚度金屬材料焊接的過渡型式: 接頭厚度盡量相同,避免應力集中,加熱不均,P116—f4—38,39 三 結構設計舉例 P116—f4—40 第五章 焊接檢驗 §1 焊接接頭缺陷分析 一 焊接缺陷 未焊透,裂縫,氣孔,燒穿,夾渣,咬邊等. 1 未焊透: 1) 產生部位:焊縫與母材之間,多層焊層與層之間等,尤其根部. 2) 原因:工件表面鐵銹,坡口角度,間隙太小,υ 太快,電流過小等. 3)危害:受力變形小,易應力集中,相當于一個裂縫. 4)防止措施:清理表面,合理選擇焊接規范. 2 裂縫: 是最嚴重缺陷,不但減小工作面積,降低接頭強度,較高應力集中,裂縫擴展,結構突然破壞. 如:橋斷,輪船沉,壓力容器爆炸. 1) 熱裂紋:結晶過程中產生. (1) 部位:焊縫內部,表面. (2)原因:內應力,S→FeS 晶界. (3)措施:化學成分合理,合理接頭結構. 2)冷裂紋:冷卻到 300℃以下直至室溫時產生. (1)部位:焊縫 ,近縫區 (2)原因:拉應力,脆性組織(P) (3)措施:結構合理,焊后熱處理. §2 焊接質量檢驗 一 外觀:肉眼,低倍放大鏡(小于 20 倍) ,表面氣孔,咬邊,未焊透,裂縫等. 二 內部: 1 磁粉檢驗:焊縫撒上鐵粉,外加磁場. 2 超聲波:反射→脈沖波形 3 X 射線,γ 射線(電磁波) ,透過物質,程度減弱. 三 機械性能檢驗: σs σb δ 彎曲角度 α,ak 主要用于研究試制工作,技工考核等. 四 密封性檢驗:容器,管道 1 靜氣壓:通入壓縮空氣,外涂肥皂水. 2 煤油:一側煤油,一側石灰水,滲透,灰粉呈黑色斑條. 3 水壓:裝水,加壓. 五 毛坯選擇 機械零件的制造:毛坯成形和切削加工兩個階段. (鑄,鍛壓,焊) 毛坯選擇是否合理直接影響零件的制造質量和使用性能,而且對零件的制造工藝過程,生產周期,成本都有很大 影響. §1 各類毛坯的特點及應用 一 鑄件 ∵鑄造特點:適應廣(幾克—幾百噸) ,內腔復雜,價低. ∴耐磨,減振,價廉——鑄鐵,如活塞,機身等. 受力復雜的件:如機架——鑄鋼. 連桿——球鐵 但組織粗大,受動載荷件,一般考慮用鍛件. 二 鍛件 特點:組織細,力學性能好. 自由鍛件——形狀簡單 模鍛件——形狀較復雜,但鍛模貴,適批量,尺寸受限. 三 沖壓件 主要:δ<6mm,塑性好,金屬,非金屬制品. 沖壓件精度高,互換性好,沖模成本高,宜批量生產. 四 焊接件 特點:大→小 工序簡單,工藝準備,生產周期較短,而且可以實現各種工藝組合(鍛,鑄,焊) ,各種材料組 合,注意焊接變形,質量檢驗. 五 型材 特種壓力加工(軋,擠,拉拔等)生產的型材,能利用型材的直接利用.常見毛坯的特點及應用,P123 表 5—1 §2 毛坯的成本與質量 將毛坯成本與質量結合起來合理選擇毛坯種類和制造方法,具有重大技術和經濟意義. 一 毛坯成本: 材料成本,工時,車間管理等費用,降低成本主要方法(不能同時質量下降) : 1 結構工藝性合理 改變設計,降低成本. P124 f5—1 2 降低原材料和加工成本 以"鐵"代鋼,球鐵代 45,40Cr,做曲軸. 3 改善毛坯生產工藝 如用熔模鑄生產零件代替鑄件(小) ,CA6140 車床上 60 種零件用熔模鑄造生產,金屬利用率由原來的 31.5%增 加到 81.2%. 4 改善車間管理 二 毛坯質量 包括材質,尺寸精度,表面質量等. 1 材質:力學性能,物理化學性能好. 2 尺寸,表面質量:尺寸準確,表面無氧化皮,粘砂,硬度均勻,穩定,尤其大批量生產,這項好,省材,省力. 3 技術要求:技術要求要適當,如鑄件:微觀縮松,無密封要求時不用考慮,允許存在. §3 毛坯選擇 一 毛坯選擇原則 1 適應性:即滿足使用要求. 2 經濟性:從幾個方案選擇成本低的,不只考慮材料成本低,還要考慮壽命. 3 生產條件:本廠,外協. 4 生產批量:批量不同,方法不同. 自由鍛,小批;手工造型,小批;模鍛,大批. 5 零件材料的工藝性能:選材料時同時考慮應用工藝的工藝性能. 6 零件結構,形狀,外形尺寸: 選材及工藝方法時要考慮零件結構,形狀,尺寸. 二 典型零件毛坯的選擇 1 軸類: 光滑軸:熱軋圓鋼,冷軋圓鋼. 臺階軸:軋鋼或鍛件 單件小批:自由鍛,成批:模鍛. 結構復雜,受力不大,可鑄件;也可鍛——焊,鑄——焊. 2 套類: 同軸度要求高,鑄,鍛,擠,粉末冶金. 3 輪盤類: 如齒輪:中,小齒輪:鍛件, 大量:熱孔,精鍛, 鑄鋼,球鐵. 4 箱座類 鑄鐵件,載荷大:鑄鋼.
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金屬材料的布氏硬度和洛氏硬度比較表word版下載地址：
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