金屬材料加工技術與工業應用TOC\o"1-2"\h\u17011第一章金屬材料加工基礎知識 1215971.1金屬材料的分類 1252151.2金屬材料的功能 2184081.3金屬材料的預處理 25616第二章鑄造加工技術 2266282.1砂型鑄造 3226402.2特種鑄造 316803第三章鍛造加工技術 4192893.1自由鍛造 4164403.2模型鍛造 417865第四章焊接加工技術 4312274.1熔化焊 4313294.2壓力焊 57984第五章切削加工技術 520315.1車削加工 5114165.2銑削加工 6134715.3磨削加工 617014第六章熱處理技術 6203166.1普通熱處理 6196736.2表面熱處理 720871第七章表面處理技術 7202257.1電鍍 7274477.2涂裝 729464第八章金屬材料加工的工業應用 8139778.1在機械制造中的應用 8185898.2在航空航天領域的應用 8294808.3在汽車工業中的應用 8120798.4在電子行業中的應用 9第一章金屬材料加工基礎知識1.1金屬材料的分類金屬材料的種類繁多，按照不同的標準可以進行多種分類。從化學成分上看，金屬材料可以分為黑色金屬和有色金屬兩大類。黑色金屬主要包括鐵、鉻、錳以及它們的合金，如鋼、生鐵等。有色金屬則是指除黑色金屬以外的其他金屬，如銅、鋁、鋅、鎂、鈦等，這些金屬具有各自獨特的功能和用途。另外，根據金屬材料的用途，還可以分為結構材料和功能材料。結構材料主要用于承受載荷、傳遞力和能量，如建筑結構中的鋼材、機械零件中的鑄鐵等。功能材料則主要利用其特殊的物理、化學或生物學功能，實現某種特定的功能，如磁性材料、超導材料、生物醫用材料等。金屬材料的分類方法還有很多，不同的分類方法有助于我們更好地了解和應用金屬材料。1.2金屬材料的功能金屬材料的功能是決定其使用范圍和加工方法的重要因素。金屬材料的功能主要包括力學功能、物理功能和化學功能。力學功能是金屬材料在受力作用下所表現出的功能，包括強度、硬度、韌性、塑性等。強度是指金屬材料抵抗外力破壞的能力，硬度是指金屬材料抵抗局部變形的能力，韌性是指金屬材料在斷裂前吸收能量的能力，塑性是指金屬材料在斷裂前發生塑性變形的能力。物理功能是指金屬材料的物理特性，如密度、熔點、導電性、導熱性、磁性等。這些功能對于金屬材料在不同領域的應用具有重要意義，例如，導電性好的金屬材料常用于制造電線、電纜，導熱性好的金屬材料常用于制造散熱器。化學功能是指金屬材料在化學作用下所表現出的功能，如耐腐蝕性、抗氧化性等。化學功能對于金屬材料在惡劣環境下的使用，例如，在化工設備中，需要使用耐腐蝕性好的金屬材料。1.3金屬材料的預處理在進行金屬材料加工之前，通常需要進行預處理，以提高材料的加工功能和使用功能。金屬材料的預處理主要包括表面清理、除銹、脫脂、酸洗等。表面清理是去除金屬材料表面的污垢、灰塵、油污等雜質，以保證后續加工的質量。除銹是去除金屬材料表面的銹蝕物，防止銹蝕對材料功能的影響。脫脂是去除金屬材料表面的油脂，以提高材料的表面附著力。酸洗是用酸溶液去除金屬材料表面的氧化皮和銹蝕物，同時可以起到活化金屬表面的作用。金屬材料的預處理還包括預熱、預變形等工藝，這些工藝可以改善金屬材料的組織結構，提高其加工功能和使用功能。第二章鑄造加工技術2.1砂型鑄造砂型鑄造是一種傳統的鑄造方法，也是應用最廣泛的鑄造方法之一。它是以型砂為主要造型材料，制作鑄型，然后將熔融的金屬液澆入鑄型中，待金屬液冷卻凝固后，獲得鑄件的方法。砂型鑄造的工藝流程包括模樣制作、型砂制備、造型、合型、熔煉金屬、澆注、落砂、清理等環節。在模樣制作中，需要根據零件的形狀和尺寸制作出模樣，模樣的質量直接影響到鑄件的精度和表面質量。型砂制備是將原砂、粘結劑、附加物等按一定比例混合，制成具有一定強度和透氣性的型砂。造型是將型砂填入砂箱中，制成鑄型的過程，造型的方法有手工造型和機器造型兩種。合型是將鑄型的上型和下型合在一起，并在鑄型中安放型芯等。熔煉金屬是將金屬材料加熱至熔融狀態，使其具有良好的流動性。澆注是將熔融的金屬液澆入鑄型中，澆注時需要控制好澆注溫度和澆注速度，以保證鑄件的質量。落砂是將鑄件從鑄型中取出，清理是去除鑄件表面的型砂和飛邊等雜物。砂型鑄造的優點是成本低，工藝簡單，能夠生產出形狀復雜的鑄件。缺點是鑄件的精度和表面質量較低，生產效率不高。2.2特種鑄造特種鑄造是指與砂型鑄造不同的其他鑄造方法，包括熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、離心鑄造等。這些鑄造方法各有特點，適用于不同的生產需求。熔模鑄造又稱失蠟鑄造，是一種精密鑄造方法。它是先用易熔材料制成模樣，然后在模樣表面涂上耐火材料，制成型殼，將模樣熔化后，從型殼中取出，再將熔融的金屬液澆入型殼中，待金屬液冷卻凝固后，獲得鑄件。熔模鑄造的優點是鑄件的精度高，表面質量好，能夠生產出形狀復雜的鑄件。缺點是工藝復雜，成本高，生產周期長。金屬型鑄造是將熔融的金屬液澆入金屬鑄型中，獲得鑄件的方法。金屬型鑄造的優點是鑄件的精度高，表面質量好，生產效率高。缺點是金屬型的制造成本高，不適合生產形狀復雜的鑄件。壓力鑄造是將熔融的金屬液在高壓下高速充型，并在壓力下凝固，獲得鑄件的方法。壓力鑄造的優點是鑄件的精度高，表面質量好，生產效率高，能夠生產出薄壁鑄件。缺點是設備投資大，壓鑄型的使用壽命短。離心鑄造是將熔融的金屬液澆入旋轉的鑄型中，在離心力的作用下，金屬液充滿鑄型，并凝固成鑄件的方法。離心鑄造的優點是鑄件的組織致密，力學功能好，能夠生產出空心旋轉體鑄件。缺點是生產過程中需要專用的設備，且鑄件的內表面質量較差。第三章鍛造加工技術3.1自由鍛造自由鍛造是利用沖擊力或壓力使金屬在上下砧塊之間產生塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸的鍛件的加工方法。自由鍛造的設備主要有空氣錘、蒸汽錘和水壓機等。在自由鍛造過程中，金屬坯料在砧塊的作用下逐漸變形。根據鍛造工序的不同，自由鍛造可分為基本工序、輔助工序和修整工序。基本工序包括鐓粗、拔長、沖孔、彎曲和扭轉等，用于改變坯料的形狀和尺寸；輔助工序如壓鉗口、切肩等，是為了方便基本工序的操作；修整工序則是用于提高鍛件的表面質量和尺寸精度。自由鍛造的優點是靈活性大，可生產各種形狀和尺寸的鍛件，尤其是大型鍛件。但其缺點是生產效率低，勞動強度大，鍛件的精度和表面質量相對較低。3.2模型鍛造模型鍛造是在專用的模鍛設備上，利用模具使金屬坯料在模膛內受壓產生塑性變形，從而獲得與模膛形狀一致的鍛件的加工方法。模鍛按使用的設備不同，可分為錘上模鍛、壓力機上模鍛和胎模鍛等。模型鍛造的工藝流程包括下料、加熱、制坯、模鍛、切邊、沖孔和校正等環節。在模鍛過程中，金屬坯料在模具的作用下，經過多次變形，逐步充滿模膛，從而獲得形狀復雜、尺寸精度高的鍛件。與自由鍛造相比，模型鍛造的生產效率高，鍛件的精度和表面質量好，但模具成本高，適用于中、小型鍛件的批量生產。第四章焊接加工技術4.1熔化焊熔化焊是將焊件接頭加熱至熔化狀態，不加壓力完成焊接的方法。常見的熔化焊方法有電弧焊、氣焊、電渣焊等。電弧焊是利用電弧產生的熱量來熔化焊件和焊條，實現焊接的方法。根據焊接電源的不同，電弧焊可分為直流電弧焊和交流電弧焊。直流電弧焊的電弧穩定，焊接質量好，但設備成本高；交流電弧焊的設備簡單，成本低，但電弧穩定性較差。電弧焊廣泛應用于鋼結構、壓力容器、船舶等領域的焊接。氣焊是利用可燃氣體與氧氣混合燃燒產生的火焰來熔化焊件和焊絲，實現焊接的方法。氣焊的火焰溫度較低，適用于焊接薄鋼板、有色金屬等材料。但氣焊的生產效率低，焊接質量受操作人員技術水平的影響較大。電渣焊是利用電流通過熔渣產生的電阻熱將焊件接頭熔化，實現焊接的方法。電渣焊適用于焊接厚板和大截面焊件，但其焊接接頭的質量不如電弧焊。4.2壓力焊壓力焊是在焊接過程中，對焊件施加壓力，使焊件在固態下實現原子間結合的焊接方法。常見的壓力焊方法有電阻焊、摩擦焊、擴散焊等。電阻焊是利用電流通過焊件接頭時產生的電阻熱，將焊件加熱至塑性狀態，然后在壓力作用下實現焊接的方法。電阻焊分為點焊、縫焊和對焊三種形式，廣泛應用于汽車、航空航天等領域的薄板焊接。摩擦焊是利用焊件接觸面之間的摩擦熱，使焊件達到塑性狀態，然后在壓力作用下實現焊接的方法。摩擦焊的焊接質量好，生產效率高，適用于同種金屬和異種金屬的焊接。擴散焊是在高溫和壓力的作用下，使焊件接觸面之間的原子相互擴散，實現焊接的方法。擴散焊的焊接接頭質量高，適用于焊接高溫合金、鈦合金等高功能材料。第五章切削加工技術5.1車削加工車削加工是在車床上利用車刀對工件進行旋轉切削，使其達到所需的形狀、尺寸和表面質量的加工方法。車削加工的主要運動是工件的旋轉運動和車刀的直線運動。車削加工可以加工各種回轉體表面，如外圓柱面、內圓柱面、圓錐面、球面、螺紋等。在車削加工中，根據工件的形狀和加工要求，選擇合適的車刀和切削參數是保證加工質量和提高生產效率的關鍵。車削加工的精度一般可達IT8IT7，表面粗糙度Ra值可達1.60.8μm。車削加工具有適應性強、生產效率高、加工精度高等優點，是機械加工中最常用的加工方法之一。5.2銑削加工銑削加工是在銑床上利用銑刀的旋轉運動和工件的直線或旋轉運動，對工件進行切削加工的方法。銑削加工可以加工平面、臺階、溝槽、成形表面等。銑刀的種類繁多，根據銑刀的結構和用途不同，可分為圓柱銑刀、立銑刀、三面刃銑刀、角度銑刀、鋸片銑刀等。在銑削加工中，選擇合適的銑刀和切削參數，以及合理的裝夾方式，對于保證加工質量和提高生產效率具有重要意義。銑削加工的精度一般可達IT8IT7，表面粗糙度Ra值可達1.60.8μm。銑削加工具有生產效率高、加工范圍廣等優點，在機械加工中得到了廣泛的應用。5.3磨削加工磨削加工是在磨床上利用磨具（如砂輪）對工件進行切削加工的方法。磨削加工可以加工各種表面，如外圓面、內圓面、平面、圓錐面、螺紋、齒輪等。磨削加工的精度高，一般可達IT6IT5，表面粗糙度Ra值可達0.80.2μm。磨削加工時，砂輪的高速旋轉和工件的低速旋轉或直線運動，使砂輪上的磨粒對工件表面進行切削、刻劃和滑擦，從而去除工件表面的多余材料，達到所需的形狀、尺寸和表面質量。磨削加工是一種精密加工方法，但磨削過程中會產生大量的熱量，需要進行有效的冷卻和潤滑，以防止工件燒傷和砂輪磨損。第六章熱處理技術6.1普通熱處理普通熱處理包括退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。退火是將鋼件加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火的目的是降低鋼的硬度，提高塑性，改善切削加工功能；消除殘余應力，防止工件變形和開裂；細化晶粒，改善組織，為后續熱處理做好組織準備。正火是將鋼件加熱到Ac3或Accm以上3050℃，保溫一定時間后，在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火的目的與退火相似，但正火的冷卻速度較快，得到的組織比退火細，強度和硬度也比退火高。淬火是將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上3050℃，保溫一定時間后，快速冷卻的熱處理工藝。淬火的目的是提高鋼的硬度和耐磨性，但淬火后鋼的脆性增加，需要進行回火處理。回火是將淬火后的鋼件加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時間后，冷卻到室溫的熱處理工藝。回火的目的是消除淬火產生的內應力，降低脆性，提高韌性；調整淬火鋼的力學功能，達到使用要求。6.2表面熱處理表面熱處理是只對工件表面進行加熱、冷卻，改變其表層組織和功能的熱處理工藝。表面熱處理包括表面淬火和化學熱處理。表面淬火是通過快速加熱工件表面，使其達到淬火溫度，然后迅速冷卻，使表面獲得馬氏體組織，而心部仍保持原始組織的熱處理工藝。表面淬火可以提高工件表面的硬度和耐磨性，而心部仍具有良好的韌性。化學熱處理是將工件置于一定的活性介質中加熱、保溫，使介質中的某些元素滲入工件表層，從而改變工件表層的化學成分、組織和功能的熱處理工藝。化學熱處理包括滲碳、滲氮、碳氮共滲等。化學熱處理可以提高工件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和疲勞強度等功能。第七章表面處理技術7.1電鍍電鍍是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層其它金屬或合金的過程。電鍍的目的是在金屬表面形成一層防護性、裝飾性或功能性的鍍層，以提高金屬的耐腐蝕性、耐磨性、導電性、反光性等功能。電鍍的基本過程包括鍍前處理、電鍍和鍍后處理。鍍前處理是對工件表面進行清洗、除油、除銹等處理，以保證鍍層與基體的結合力。電鍍是將工件作為陰極，鍍層金屬作為陽極，在含有鍍層金屬離子的電解液中進行電解，使鍍層金屬離子在陰極上沉積形成鍍層。鍍后處理是對鍍層進行清洗、烘干、拋光等處理，以提高鍍層的質量和功能。電鍍的種類很多，根據鍍層金屬的不同，可分為鍍鋅、鍍銅、鍍鎳、鍍鉻等；根據電鍍液的性質不同，可分為酸性電鍍、堿性電鍍和中性電鍍等。7.2涂裝涂裝是將涂料涂覆在物體表面，形成一層具有保護、裝飾或特殊功能的涂層的工藝過程。涂裝的目的是保護物體表面不受腐蝕、磨損和劃傷，同時賦予物體美觀的外觀和特定的功能。涂裝的工藝流程包括表面預處理、涂裝和干燥固化。表面預處理是對物體表面進行清洗、除油、除銹、磷化等處理，以提高涂層的附著力和耐久性。涂裝是將涂料通過噴涂、刷涂、浸涂等方法涂覆在物體表面上。干燥固化是使涂料中的溶劑揮發或涂料發生化學反應，形成堅固的涂層。涂裝的涂料種類繁多，根據涂料的成膜物質不同，可分為油性涂料、水性涂料和粉末涂料等；根據涂料的功能不同，可分為防腐涂料、裝飾涂料和特種涂料等。第八章金屬材料加工的工業應用8.1在機械制造中的應用金屬材料在機械制造中有著廣泛的應用。在各類機械設備中，如機床、起重機、汽車發動機等，都大量使用了金屬材料。通過鑄造、鍛造、焊接、切削加工等工藝，將金屬材料加工成各種形狀和尺寸的零件，然后組裝成機械設備。例如，在機床制造中，床身、立柱等部件通常采用鑄造工藝制造，以獲得復雜的形狀和較好的減震功能；齒輪、軸等零件則通常采用鍛造工藝制造，以提高其強度和韌性；一些薄壁零件如箱體等，則可以采用焊接工藝制造，以提高生產效率和降低成本；而對于精度要求較高的零件，如絲杠、導軌等，則需要采用切削加工工藝進行制造，以保證其精度和表面質量。8.2在航空航天領域的應用航空航天領域對材料的功能要求極高，金屬材料在該領域中發揮著重