1、第三讲,第二章 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,2.1.1 金属材料的特性及分类,金属的微观特性 金属键：由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。由于电子的自由运动，金属键没有固定的方向，因而是非极性键。金属键有金属的很多特性。例如一般金属的熔点、沸点随金属键的强度而升高。其强弱通常与金属离子半径成逆相关，与金属内部自由电子密度成正相关（便可
2、粗略看成与原子外围电子数成正相关）。 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,金属的宏观特性 良好的导电性和导热性； 正的电阻温度系数；且绝大多数金属具有超导性； 良好的反射能力、不透明性及金属光泽； 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 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 工艺性能 制造和加工
3、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,常用金属材料的分类,2.1.1 金属材料的特性及分类,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=2.11%),2.1.2 钢铁材料,钢 (0.02%=c2.11%) 碳钢 按含碳量：低碳钢、中碳钢、高碳钢 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 合金钢 合金结构钢：合金弹簧钢、合金轴承钢等
4、 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,钢的分类与编号，见表3-2、表3-3,镀锌板,指表面镀有一层锌的钢板。镀锌是一种经常采用的经济而有效的防腐方法。全世界锌产量的一半左右均用于此种工艺。,采用优质SECC镀锌钢板，耐腐蚀效果突出。全尺寸主板托盘配合深抽工艺，强度更高不易变形，能够有效保护配件安全。全卷边工艺，不易伤手。,多彩王牌DLC-MK807机箱,工艺： 镀锌板折弯+烤漆+文字图案丝印,铸铁 (2.11%c) 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 按石墨的形态： 灰口铸铁：钢基+片状石墨，强
5、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,铸铁 (2.11%c) 脆、不受拉，主要用于承受压力的壳体、箱体、基座、床脚床身。 肌理粗糙； 价格低廉。,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.
6、3 有色金属及其合金,铝及铝合金铜及铜合金,铝及铝合金（表3-6、表3-7、表3-8）,纯铝：纯度98%99.996%，2.7kg/m3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 变形铝合金：以压力加工方法生产的管、线、型等半成品 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。如2A12作机器人关节 3.超硬铝合金：含锌、铜等，强度接近超高强度钢,制电器柜骨架等 4.锻铝：含镁、硅、铜等，热塑性、耐蚀性好，适于锻造
7、，用于航空等形状复杂、要求强度较高的锻件 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。制造形状复杂强度不高的零件，如仪器仪表壳体、气缸体。,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,8.9g/cm3 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；替代金箔，在家具、工艺品中用。 热加工黄铜(含锌40%), 强度较高，含铜量少，价格低； 特殊黄铜：加入锡、铅、铝等元素，提高切削性能、耐蚀性等 黄铜主要用于电源插座、管道装备等要求导电性好、抗腐蚀及有一定强度的结构
8、件,铜及铜合金,3.青铜 锡青铜：一般含锡3%14%, 强度、塑性增加，具有良好的耐磨性，常用于轴套、轴瓦、泵体、齿轮等 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 铝青铜：制造弹簧等 铍青铜：耐磨、疲劳强度和弹性极限高，抗腐蚀，导热导电性极好，用于重要弹性元件，如钟表齿轮、高温高压高速下的轴承及防暴工具等；铍稀有，价格昂贵。,镁及镁合金,1.地球上储量最丰富的轻金属元素，1.74g/cm3 2.镁合金： 金属结构材料中最轻的金属，具有较好的铸造性和加工性能，电磁屏蔽性和导热性好，适合做发出电磁干扰的电子产品的壳、罩，尤其是紧靠人体的手机。 屈服强
9、度与铝合金大体相当，稍低于碳钢，是塑料的45倍。在相同的强度和刚度下，做结构件可大大降低重量,钛及钛合金,1. 储量丰富但相对昂贵，从其氧化物中加工提取钛元素有一定的难度，4.54kg/m3,比钢轻40%，比铝重60%。 2.具有非常高的强度-重量比，优良的耐蚀性、抗氧化性，以加工成型，难于冷加工，焊接性好。 钛合金典型用途： 眼睛框、高尔夫球杆、网球拍、便携式电脑、照相机、行李箱等；太空机器人关节，TC4,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,金属材料设计是造型设计的重要组成部
10、分，它包括： 材料的选用 材料加工工艺的制定 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,2.1.4 造型设计中金属材料的选用,如何进行金属材料的选材？,先掌握几个基本的选材原则,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 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
11、损伤失效：磨损、腐蚀、表面疲劳 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,造型设计中金属的选材原则,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 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,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
12、 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,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,铸造将熔融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,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
13、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压力铸造离心铸造挤压铸造电磁场快速凝固,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：,2.2.1 铸造加工及其工艺性,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：,机器造型：,利用简单的器械进行砂型（芯）的制作,利用造型机和制芯机进行砂型（芯）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
14、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,动画演示,砂型铸件的结构设计应注意：,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,金属型铸造,金属型铸造特点,可以“一型多铸”
15、 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 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,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 结壳 脱腊 造型 焙烧 浇铸 落砂清理,熔模铸造（失蜡铸造）,钢水浇注方向,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
16、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,压力铸造,在高压下(约为500一1500Ncm2)快速地(充型时间约为0.0010.2s)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
17、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。 优点：铸件表面质量高，可铸出复杂形状薄壁件或镶嵌件，生产率高。主要适合于有色金属合金，如锌合金、铝合金、镁合金。,压力铸造,低压铸造：介于重力铸造和压力铸造之间的一种方法，所用压力为2-7N/cm2。主要用于生产质量高的铝镁合金铸件,汽车铝合金轮毂,离心铸造：将液态合金浇入高速旋转（250-1500r/min）的铸型中，使金属液在离心力作用下充填铸型并结晶。主要用于生产圆筒形铸件。,实际生产过程,铸造质量的好坏主要决定于合金的充型能力，影响合金充型能力的主要因素是合金的流动性、浇注条件和铸型的结构。,材料的可铸性,材
18、料的可铸性,决定某材料是否可铸造成型，应考虑材料的波动性，收缩性和偏析性，是否合乎要求 流动性： 指材料熔融后易于流动，不粘滞的性能。流动性好的材料易于充满砂型，能铸成较薄、较细，形状复杂的铸件 收缩性：指材料经冷却后，体积收缩程度的大小，收缩性小的材料拎却后体积变化小，不易出现疏松、变形、裂纹等缺陷，灰口铸铁最好 偏析性：材料冷却后，各种成分分布的均匀程度。 由于合金不是一种成分，如果偏析、拎却过程中会有一部分先析出，致使材料性能下降，影响强度和加工性能。,铸造产品设计的特点,产品的外形是由模型的型腔决定的，无论是砂型还是金属型或蜡型，浇注需要良好的金属充型能力，铸型的型腔不可太复杂、太有棱
19、角以及太细小 因此从总体上看，铸造产的特点是外观线条圆润且有力度感，棱角不够分明。,铸造产品设计的特点,在艺术造型上多用于表现敦厚、圆润、古典、尊贵的效果 如：佛像、灯座、纪念章、青铜器餐具、艺术品等 在工业上由于铸铁性脆，耐压不耐拉，广泛用于在工作中承受较大的压力、有震动、需有自润滑功能的机器零部件以及有复杂外形结构又很难用其他方法造型的零件 如：机床底座、车床床身导轨、汽车小零件等,铸造产品设计时应注意哪些问题？,1. 外形轮廓尺寸是渐变的，无分明的棱角； 2. 由于金属流动性的限制，造型的细部不能反映，也不能铸造太薄的产品以及在造型上有急剧转弯的部位； 3. 由于铸造后要有退模工序，则金
20、属型铸造不能铸造复杂的形状； 4. 所设计的产品应在整体上体现铸造产品的特点，在不重要的地方做其它处理,重型餐具 选材：铝材 成型工艺：铸造加工、压力加工 连接工艺：焊接、配合 造型设计:一改铝制厨具光滑细密的风格，采用铸造成型，表面有看似粗糙的纹理，让他们看起来更像是工业制品,成型工艺,压力铸造在密封的保持炉中，通入一定的干燥的压缩空气使铝液在气体压力的作用下，沿升液管上升， 通过浇口平稳地进入模具型腔，并保持保持炉内液面上的气体压力，一直到铸件完全凝固为止。然后解除液面上的气体压力，使开液管中未凝固的铝液随重力的作用流入保持炉，再由油缸开型并推出铸件,作业,以你印象最深的几个金属产品设计实例,认真仔细调研分析其金属材料与成型工艺、表面处理等的选用.要求：*.doc ， 3页以上*.ppt格式，8页以上 文件名：学号班级姓名+题目.doc,.ppt,
