金属材料的加工工艺性能

liyanfeng1

第14章 金属材料的加工工艺性能
下料（毛坯）——热处理——粗加工——热处理（调质）——精加工（表面处理）（——热处理）
毛坯制造方法有铸造，焊接，成形。
本章主要讨论铸造，锻造，焊接，热处理及切削加工性能。
14.1.     金属材料的铸造性能
铸造性能通常指流动性，收缩性，铸造应力，偏析，吸气倾向和裂纹敏感性。
铸造一般采用合金，合金晶粒小。
14.1.1.    影响合金流动性因素
影响因素：合金化学成分，浇铸温度和铸型填充条件。
合金化学成分：
含碳量：纯铁流动性好，含碳量越大，流动性越差。2%左右流动性最差，铸铁中，共晶成分铸铁流动性最好。
合金成分中凡能形成高熔点夹杂物的元素均会降低合金的流动性。
灰铁中MnS熔点为1620，不利于流动。
P可形成Fe-Fe3P-Fe3C，熔点为950，利于流动。
14.1.2.    铸件的收缩
14.1.2.1.   铸铁的缩孔与缩松
含碳量增加，析出石墨有利于消除此类现象
14.1.2.2.   铸件的裂纹
冷裂和热裂，P和S
合金强度提高，产生裂纹倾向增大。
14.2.     金属材料的锻造性能
可锻性：塑性和变形抗力
14.2.1.    莱氏体高合金工具钢
锻造目的是打碎钢中粗大的共晶碳化物。锻后缓冷（炉冷）防止裂纹产生。
14.2.2.    不锈钢的锻造
不锈钢由于其组织特殊，注意锻后热处理工艺
晶间腐蚀
475℃脆性：含Cr量大于15%的高Cr钢在400-525℃范围内长时间停留或缓冷，Cr原子有序化，与母相共晶格引起较大的晶图畸变引起大的内应力。
马氏体不锈钢：缓冷至600℃左右空冷，以免发生马氏体相变。
铁素体和奥氏体不锈钢：在晶间腐蚀及475℃脆性温度范围内快冷（空冷）。
14.2.3.    高温合金锻造
高温合金在高温下有较大的变形抗力及较低的塑性。模具坚固，功率大。
对锻造温度敏感，锻后堆放空冷。
14.2.4.    有色金属锻造
铝：锻造温度窄。
镁：锻造温度窄，传热快，易冷却，模具需预热。
铜：锻造温度窄，模具需预热，锻造时需保护，避免氧化。
钛：变形抗力大，化学性质活泼，注意保护。
14.3.     金属材料焊接性能
电弧焊，电渣焊，磨擦焊，钎焊，爆炸焊等
钎焊：用在接触处熔化诸如黄铜和钎焊料之类的非铁填充金属(其熔点低于基体金属的熔点)来焊接金属。
14.3.1.    碳钢及合金钢焊接
低碳钢，低合金钢焊接性好。
对于中高碳钢和合金钢采取焊前预热和焊后热处理。
改善组织并消除焊接应力。
14.3.2.    不锈钢焊接
奥氏体不锈钢：考虑晶间腐蚀。
马氏体不锈钢：焊接后焊缝区在空冷条件下得到马氏体组织，焊前预热（200-400℃）焊后热处理，加热至730-790℃后缓冷至540℃，空冷。
铁素体不锈钢：焊前预热，焊后热处理（730-840℃）
14.3.3.    有色金属的焊接
铜：焊接性能差，采用钎焊。
铝：氩弧焊，焊件表面要求高。
钛：自动焊，表面要求高。
14.4.     金属材料的加工性
工件机加工难易程度称为材料的加工性。
影响因素：加工性与金属材料的化学成分，硬度，韧性，导热性，金相组织和加工硬化能力等因素有关。
14.4.1.    化学成分的影响
含碳量
降低钢的强度和硬度的元素：S，Al
提高钢的强度和硬度的合金元素：
石墨化：游离石墨改善加工性。
14.4.2.    组织与热处理工艺的影响
组织不同，机械性能不同，加工性不同。
珠光体，索氏体，马氏体，加工性下降。
衡量材料切削加工性能的优势常用相对加工性Kr指标衡量。
                      表14.2 材料切削加工性分级
加工性等级        名称及种类        相对加工性Kr        代表性材料
1        很容易切削材料        一般有色金属        ＞3.0        5-5-5铜铝合金，9-4铝铜合金，铝镁合金
2        容易切削材料        易切削钢        2.5～3.0        15Cr退火σb=380～450MPa，
自动机钢σb=400～500MPa，
30钢正火σb=450～560MPa，
3                较易切削钢        1.6～2.5       
4        普通材料        一般钢及铸铁        1.0～1.6        45钢，灰铸铁
2Cr13调质σb=850MPa，
35钢σb=900MPa，
5                稍难切削材料        0.65～1.0       
6        难切削材料        较难切削材料        0.5～0.65        45Cr调质σb=1050MPa，
65Mn调质σb=950～1000MPa，
50CrV调质1Cr18Ni9Ti某些钛合金，
某些钛合金，铸造镍基高温合金，
7                难切削材料        0.15～0.5       
8                很难切削材料        ＜0.15       
不同级织，不同硬度对不同切削加工操作（如车，铣，刨，镗，拉等）切削加工性是不同的。
如回火索氏体的中碳钢，车削加工性较好，钻削加工性中等，拉，拨加工性较差。
14.4.3.    热处理工艺性能
机床主轴
在选用机床主轴的材料和热处理工艺时，必须考虑以下几点：
（1）       受力的大小。不同类型的机床，工作条件有很大差别，如高速机床和精密机床主轴的工作条件与重型机床主轴的要作条件相比，无论在弯曲或扭转疲劳特性方面差别都很大。
（2）       轴承类型。如在滑动轴承上工作时，轴颈需要有高的耐磨性。
（3）       主轴的形状及其可能引起的热处理缺陷。结构形状复杂的主轴在热处理时易变形甚至开裂，因此在选材上应给予重视。
主轴是机床中主要零件之一，其质量好坏直接影响机床的精度和寿命。因此必须根据主轴的工作条件和性能要求，选择用钢和制定合理的冷热加工工艺。
1、  机床主轴的工作条件和性能要求。该主轴的工作条件如下：
（1）       承受交变的弯曲应力与扭转应力，有时受到冲击载荷的作用；
（2）       主轴大端内锥孔和锥度外圆，经常与卡盘、顶针有磨擦；
（3）       花键部分经常有碰撞或相对滑动。
由此定出技术条件：
（1）       整体调质后硬度应为HB200～230，金相组织为回火索氏体；
（2）       内锥孔和外圆锥面处硬度为HRC45～50，表面3～5mm内金相组织为回火屈氏体和少量回火马氏体；
（3）       花键部分的硬度为HRC48～53，金相组织同上。
2、  选择用钢
C515车床属于中速，中负荷，在滚动轴承中工作的机床，因此选用45钢。
3、  主轴工艺路线
下料——锻造——正火——粗加工（外圆余留4～5mm）——调质——半精车外圆（余留2.5～3.5mm），钻中心孔，精车外圆（余留0.6～0.7mm，锥孔留余0.6～0.7mm），铣键槽——局部淬火（锥孔及外锥体）——车定刀槽，粗磨外圆（余留0.4～0.5mm），滚铣花键——花键淬火——精磨。
4、  热处理工序作用
正火处理是为了得到合适的硬度（HB170～230），以便机加工，改善锻造组织，为调质作准备。
调质处理是为了主轴的综合机械性能和疲劳强度，调质后硬度为HB200～230，组织为回火索氏体。
内锥孔和外圆锥面部分经盐浴局部淬火和回火后得到所要求的硬度，以保证装配精度和耐磨性。
5、  热处理工艺
调质中淬火时由于主轴各部分的直径不同，应注意变形问题。调质后变形虽可用校直来修正，但校直时的附加应力对主轴精加工后的尺寸稳定性是不利的。为减小变形，应注意淬火操作方法。可采取预冷淬火和控制水中冷却时间来减小变形。
花键部分高频淬火以减小变形和达到硬度要求。
经淬火后的内锥孔和外圆锥面部分需经260～300℃回火，花键部分需经240～250℃回火，以消除淬火应力并达到规定的硬度值。
球铁代替45钢，硬度HRC52～58低，变形量小。