1、第3章 金属材料与工艺大约在公元前4000年，人类进入青铜时代；大约在公元前2200年,人类已经会冶炼和使用铁器了。人类文明的发展史与金属材料的发明与应用历史是一致的。 赛斯卡椅（1929年）德马赛尔.布劳耶 作为第一位使用弯曲钢管设计现代椅的设计师，布劳耶也是第一个认识到金属材料的冷漠感，因此，他开始考虑在与人体接触的部分采用其他材料，如皮革、帆布、藤等。 赛斯卡椅采用弯曲钢管制作，座面和靠边都是由藤编织。充分利用悬臂弹性原理，使座面具有一定弹性。后来又设计出了扶手。铸铁（含C：2.114.3%）钢（含C：0.032.11%）纯铁（含C：小于0.03%）黑色金属有色轻金属（密度4.5%）有色
2、重金属（密度4.5%）贵金属（金、银、铂族金属）稀有金属半金属（硅、硼、硒、碲、砷）有色金属金属材料按构成元素分：3.1金属材料的分类由于金属材料的各类繁多，按不同的要求有许多种分类方法：3.1.1按构成元素分按金属材料构成元素可分为：黑色金属材料和有色金属材料。3.1.2按用途分按金属材料主要性能和用途分为金属结构材料和金属功能材料。金属结构材料是指在机电设备、工程建筑和工具器具中起骨架作用而承受各种力负荷的金属材料。金属功能材料则是具有特殊物理性能、化学性能或生物性能等而主要用于功能器件的材料。金属功能材料主要包括：磁性功能材料,电性功能材料,力学功能材料,声学功能材料,热学功能材料,光学
3、功能材料,化学功能材料等。3.1.4 按密度分按金属材料密度分为轻金属和重金属。轻金属的共同特点是密度小于4.5g/cm3：如铝的密度是2.7g/cm3，镁的密度是1.7 g/cm3，而钾的密度只有0.87 g/cm3，钠只有0.97 g/cm3；其次是化学活性稳定，与氧、硫、碳和卤素的化合物均非常稳定。重金属是指密度大于4.5 g/cm3的金属，约有45种。3.1.3 按加工工艺分按金属材料加工工艺分为铸造金属材料、变形金属材料和粉末冶金材料。3.2金属材料的性能3.2.1物理性能一、金属光泽金属都具有一定的金属光泽，一般都呈银白色。这是因为当光线投射到金属表面上时，自由电子吸收所有频率的光
4、,然后很快释放出各种频率的光，所以绝大多数金属呈现钢灰色以至银白色光泽。金显黄色，铜显赤红色，铋为淡红色，铯为淡黄色，铅是灰蓝色。不锈钢盲道钉二、延展性 金属的延展性是指可锤炼可压延的程度。当金属在外力作用下能延伸成细丝而不断裂的性质叫延性；在外力（锤击或滚轧）作用能碾成薄片而不破裂的性质叫展性。 大 多 数 金 属 具 有 良 好 的 延 性 （ 抽 丝 ） ， 例 如 最 细 的 白 金 丝 直 径 不 过1/5000mm；及展性（压薄片），例如最薄的金箔只有1/10000mm厚。在所有金属材料中，金（Au）的延展性最好；也有少数金属的延展性很差，如锰（Mn）、锌（Zn）等。金属的延展性示
5、意图 贴金箔工艺品三、硬度金属硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。相对于其它材料而言，金属的硬度一般较大，但不同金属材料之间，硬度也有很大差别。有的坚硬，如铬、钨等；有些软，可用小刀切割如钠、钾等。 匕首四、密度金属的密度是指金属单位体积的重量。大多数金属的密度都比较大，例如世界上密度最大的金属是锇，其密度为22.59g/cm3，最常见的铁的密度为7.86g/cm3，铝的密度为2.7g/cm3。但有些金属密度也比较小，如钠、钾等能浮在水面上；一般认为世界上密度最小的金属是锂，其密度为0.534g/cm3
6、。 “微格金属”置于蒲公英上，0.9mg/cm3 钛合金飞机骨架五、熔点金属的熔点是指在一定压力下，固态和液态呈平衡时的温度，即由固态转变（熔化）为液态的温度。大多数情况下，金属的熔点就等于凝固点。在所有金属材料中，有的熔点比较高，例如：金属钨的熔点最高，为34100C；而常见的铁的熔点是15380C、铝的熔点是6600C、铜的熔点是10830C。另外，有的金属熔点则比较低，熔点最低的金属是汞，为-390C。在产品设计中，人们早已利用金属钨的高熔点来制作灯泡内的灯丝；利用金属锡的熔点比较低，用来焊接金属；利用汞的低熔点来制作温度计。 利用高熔点的钨丝灯泡低熔点金属汞温度计六、导电性金属的导电性
7、是指其传导电流的能力，其原理是金属在外加电场作用下，金属中的电子在无规则运动的基础上叠加一个有规则的运动，产生宏观电流的性质。在金属材料中，银的导电性最好，其次是铜和金。在实际应用中，多用性价比高的铜作为输电电线。 七、导热性金属的导热性是指其传导热量的性能。金属容易导热的原理是由于金属晶体中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞从而把能量从温度高的部分传到温度低的部分，使整块金属快速达到相同的温度。金属的导热性则意味着其吸热快，散热也快。 一般而言，一般说导电性好的材料，其导热性也好。在金属材料中，银的导热性最好，其次是铜和金，铝和铁的导性一般，但铝的导热性比铁好。在产品设计中，常见利用金
8、属的导热性好的特点，制作各类加热器具，如各类铁或铝质炊具，铜质冷凝管等。 物理性能：金属光泽延展性硬度密度熔点导电性导热性 力学性能：强度弹性模量刚度塑性 一、优点 3.2.3 金属材料的优缺点尺寸稳定性好 不易受到损伤，不易沾染灰尘及污物耐久性好，不易老化机械强度高随着温度变化，性质变化小耐热性好，不易燃烧产品制造成本高易传热、导电，保温性能与绝缘性能差易生锈，易腐蚀制品质量重不可根据需要随意着色或制成透明制品不易于成型和加工二、缺点 钢铁回收融化过程3.3 产品设计中常用黑色金属黑色金及其合金的统称。在产品设计中，应用最广泛的材料主要是钢铁。一、铸铁铸铁也称生铁，碳量铁碳合金，工业用铸铁含
9、碳量一般不超过4.3%。铸铁茶壶铸铁下水道井盖图3-7 铸铁应用示例铸铁炒锅铸铁轧辊图3-7 铸铁应用示例熟铁平底炒锅熟铁铁艺花配件二、纯铁纯铁也称锻铁、熟铁或软钢，是指含碳量在0.03% 以下的铁。纯铁质地很软，硬度小，熔点高，塑性好，延展性好，可以拉成丝，强度和硬度均较低，不适于铸造，但易于锻造和焊接，制成各种器物 。一、碳素钢碳素钢是指碳含量低于2.11%，并有少量硅、锰以及磷、硫等杂质的铁碳合金。 (1)低碳钢：又称软钢, 含碳量从0.10至0.25%。易于接受各种加工如锻造, 焊接和切削, 常用于制造链条、铆钉、螺栓、轴等。 (2)中碳钢：含碳量0.250.60的碳素钢。热加工及切削
10、性能良好，焊接性能较差。 (3)高碳钢：常称工具钢 , 含碳量从0.60%至1.70%, 可以淬硬和回火。3.3.2 钢钢，是对含碳量介于0.03%2.11%之间的铁碳合金的统称，为了保证钢的韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。 中碳钢唐刀低碳钢锻造轮毂高碳钢小剪刀低碳钢工艺：冷加工（弯曲）材料：镀锌低碳钢合金结构钢零件二、合金钢按合金元素含量：低合金钢（含量低于5%）,中合金钢（含量为5%10%）,高合金钢（含量高于10%）；按质量分：优质合金钢、特质合金钢；按特性和用途分：合金结构钢、合金弹簧钢、合金工具钢、不锈钢、耐酸钢、耐磨钢、耐热钢、滚动轴承钢和特殊性能钢（如软磁钢、永磁钢、无磁钢
11、）等。(1)合金结构钢：合金结构钢的含碳量较低,一般在0.15%0.50%范围内。工艺：金属注模材料：低合金钢合金钢（2）合金弹簧钢合金弹簧钢是用于制造弹簧或者其他弹性零件的钢种。 合金弹簧（3）合金工具钢 合金工具钢是在碳素钢的基础上加入铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类中、高碳钢种。 合金工具钢量具（4）不锈钢 不锈钢是不锈耐酸钢的简称。 不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于其表面上富铬氧化膜的形成。一般来说含铬量大于12%的钢，就具有了不锈钢的特点。 在现时应用中，常用的不锈钢有200系的202和300系的304。200系不锈钢属于低镍高锰不锈钢，镍含量 、锰含量8
12、%左右。304号含铬量大于18%，含镍量大于8%。304号不锈钢餐具不锈钢水壶材料：4mm厚不锈钢板金属纺制品不锈钢丝制作，具有阻燃，独特装饰效果。主要用于包覆材料。 BUDDY低矮的桌子/凳子：外观来自两个互相融合的圆椎形，顶盖由不锈钢制成，可选择各种颜色和质地，打开以后还可当作容器使用。 （5）耐酸钢耐酸钢是指在酸、碱、盐等各种侵蚀性较强化学浸蚀性介质中耐腐蚀的钢。其中铬含量高达25%左右，镍含量高达20%左右。 耐酸钢调味瓶（6）耐磨钢耐磨钢是指耐磨损性能强的钢铁材料的总称。（7）耐热钢 耐热钢是指在高温条件下，具有抗氧化性和足够的高温强度以及良好的耐热性能的钢，它包括抗氧化钢和热强钢两
13、类。3.3.3 钢材钢材是指钢锭、钢坯或钢材通过压力加工制成所需要的各种形状、尺寸和性能的材料总称。钢材有四大品种，即钢板、钢管、型钢与钢丝。一、钢板 钢板即平板状的钢材，按厚度不同可分为薄钢板和厚钢板。 （1）薄钢板：用热轧或冷轧方法生产的厚度在0.24.0mm之间的钢板。薄钢板的宽度在5001400mm之间。薄钢板在小汽车壳体上的应用英国年轻的自由设计师benjamin hubert设计的由镀金的钢片折叠成的杂志书架 装饰钢板：在钢板基材上覆有装饰性面层的钢板。装饰钢板兼有金属板的强度、刚性和面层材料优良的装饰性与耐腐性，在高档和公用产品中得到重视，用于制造文件柜、档案柜、书柜等家具。装饰
14、钢板的规格、厚度与普通钢板类似。为改善装饰面层的附着力，常选用镀锌钢板为基材。电镀锌钢板表面喷塑（2）钢带钢带实际上是很长的钢板，成卷供应，故也叫钢带。钢带宽度在1300mm以内，长度根据每卷的大小略有不同，厚度有小于4mm的薄钢带和大于4mm的厚钢带。厚钢板（3）厚钢板厚度大于4mm的钢板统称厚钢板。厚钢板的宽度在6003000mm之间；厚钢板分为特厚钢板和中厚钢板。二、钢管分为无缝钢管和焊接钢管。常用的是高频电阻焊接的薄壁钢管，也有时使用无缝钢管和装饰性好的不锈钢管。 内膛是如何加工的？三、型钢型钢是一种有一定截面形状和尺寸的条型钢材，是钢材中板、管、型、丝四大品种之一。简单断面型钢有方钢
15、、圆钢、扁钢、角钢、六角钢等；复杂断面型钢有工字钢、槽钢、钢轨、窗框框钢、弯曲型钢等。 圆钢:圆形断面的钢材。主要用于产品的零部件。 RE-TROUV户外靠椅，由镀锌钢线网编织而成，椅面为管状钢材和金属薄片。凉风穿堂而过，隐约花开形状。 Tripod凳子采用3组8毫米粗细的U形钢杆支撑，在室内的吧台和厨房都可以使用。四、钢丝钢丝是用热轧盘条为产，经冷拉制成的再加工产品。钢丝的分类比较复杂。1.从形态的不同分类如下：按断面形状分类：主要有圆、方、矩、三角、椭圆、扁、梯形、Z字形等。按尺寸分类：有特细，直径小于0.1mm；较细，直径0.10.5mm；细，直径0.51.5mm；中等，直径1.53.0
16、；粗，直径3.06.0mm；较粗，直径6.08.0mm；特粗，直径大于8.0mm。按强度分类：有低强度，较低强度，普通强度，较高强度，高强度，特高强度。按化学成分（C含量）分类：低碳，小于0.25%；中碳，0.25%0.60%；高碳，大于0.60%。低合金钢，合金元素总含量小于3.0%，中合金钢，2.5%10.0%，高合金钢，大于10.0%。按表面状态分：有抛光，磨光、光面、酸洗、氧化处理、粗制、有镀层。 钢丝清洁球钢丝制作。价廉，易成型，坚硬。二、按用途的不同分类如下：普通质量钢丝：包括焊条、制钉、制网、包装和印刷业用钢丝；冷顶锻用钢丝：供冷镦铆钉、螺钉等用钢丝；电工用钢丝：包括生产架空通讯
17、线、钢芯铝绞线等用专用钢丝；纺织工业用钢丝：包括粗梳子、针布和针用钢丝等；制绳用钢丝：专供生产钢丝绳和辐条用的钢丝；弹簧钢丝：包括弹簧和弹簧垫圈用、琴用及轮胎、帘布和运输胶带用钢丝；结构钢丝：指钟表工业、滚珠、自动切削用钢丝；不锈钢丝：包括上述各用途的不锈钢丝及外科植入物钢丝；电阻合金丝：供加热器元件、电阻元件用；工具钢丝：包括钢筋钢丝和制鞋钢丝。 3.4.1铝及铝合金一、铝的性质铝属于有色金属中的轻金属，密度为2.7g/cm3，是钢铁的 1/3，熔点为660。 二、铝合金的性质以铝为基础，加入一种或几种其它元素，如铜、镁、硅、锰、锌等构成的合金，形成各种类别的铝合金以改变铝的某些性质的合金材
18、料，称为铝合金。BA椅（1945年）（英）欧内斯特瑞斯变形铝型材G5苹果铝合金机箱三、铝合金的分类与应用按照加工方法可将铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金。变形铝合金：指采用轧制、冲压、弯曲、挤压等不同的压力加工方法使其组织、形状发生变化，制成的板、带、棒、管、型、条等半成品铝合金材料。铸铝零部件 铸造铝合金：可来直接浇铸各种形状零件的铝合金称为铸造铝合金。铝合金制品瑞士著名制造商Schindlersalmern设计生产。轻巧易叠放的铝质凳子由三片同样的铝片组装而成，有黑色，白色和银色三种可供用户选择。Lockheed躺椅（澳）马克.纽森 Lockheed躺椅是纽森的处女作与成名作。全球共10把
19、。据回忆，一种类似于一滴水银的流动金属溶液的幻象停在他脑海里挥之不去，这股念头攫住了他的心，他下决心把想象变为现实。睡椅的造型来自一幅18世纪法国画中的马车座椅。椅子内壳由熔接在一起的玻璃纤维制作，铝片被砸成型后铆接上去，将末端突起浸入黑色橡胶溶液中形成椅腿。仅重20千克。花费好几个月时间完成。这把闪烁亚光的雕塑椅子不久就出现在多本杂志上，使刚毕业的纽森崭露头角。 铝质泡沫板材料：铝+陶瓷颗粒工艺：向熔化的金属熔液通入气泡特性：绝缘性好，高强重比，回收利用率高。用途：地板材料，厨房工作台板材内芯等。镀金铝材料：铝+金特性：具延展性，优良的防腐蚀性，良好的导电导热性。用途：装饰材料，包装材料。金
20、属纺制品材料：铝纤维特性：独特装饰效果。用途：遮光材料。发泡铝材料：铝合金特性：坚硬不易弯曲，高强重比，不足10%实心铝重量，易于加工。用途：散热片、机翼结构、车档能量吸收装置、高强力板材结构、喷气发动机消音器等。3.4.2 铜及铜合金铜是人类发现最早的金属之一，可以追溯到青铜时代，也是人类广泛使用的一种金属，属于重金属，铜的使用对早期人类文明的进步影响深远。一、铜的性质铜属于有色金属中的重金属，密度为8.9g/cm3，与钢铁相近，熔点为1083。纯铜呈紫红色；具有高导电性、导热性、耐蚀性及良好的延展性，强度和硬度适中，易加工性，可压延成薄片和线材。二、铜合金的性质铜合金是以纯铜为基体加入一种
21、或几种其他元素所构成的合金。纯铜呈紫红色，又称紫铜。常用的铜合金根据添加的元素不同，主要有黄铜、青铜、白铜三大类。 标准三芯绝缘电线电缆铜是万能金属。是传输电力的载体。具有悠久的历史，仅次于金。主要用于电线、发动机线圈、印刷电路、管道材料、加热材料、首饰、厨具炊具。黄铜管三、铜合金的分类与应用按合金成份不同分为：黄铜（铜锌合金、青铜（铜锡合金）、白铜（铜钴镍合金）；按产品形态的不同可分为：铜管、铜棒、铜线、铜板、铜带、铜条、铜箔等；按材料形成方法不同可分为：铸造铜和变形铜。黄铜：黄铜是由铜和锌所组成的合金，一般为三七黄铜和四六黄铜。带有中国传统文化特征的黄铜饰件 在产品中，铜材是一种高档装饰材
22、料，用于现代金属产品的结构及框架等。产品中的五金配件和装饰构件等均广泛采用铜材。美观雅致、光亮耐久，体现出华丽、高雅的格调。 四羊方尊 吴王夫差剑青铜：青铜早期特指以锡为主要添加元素的铜基合金，呈青灰色的金属光泽，是金属冶铸史上最早的合金。青铜剑法国设计师Ingrid Donat和Vincent Dubourg设计的系列青铜产品 白铜文房用品（镇尺）白铜：白铜是以镍为主要添加元素的铜基合金，呈银白色，有金属光泽，故名白铜。3.4.3 锌及锌合金锌是继铁、铝、铜之后第四种应用最广泛的金属材料，外观呈银白色略带蓝灰色（蓝白色）。锌被首先被罗马人所认知，但它第一次却是在印度被认其金属身份，大规模的精
23、炼始于11001500年间，特别是16世纪的中国。一、锌的性质锌是一种蓝白色金属，密度为7.14g/cm3，熔点为419.5，沸点906，莫氏硬度为2.5，较软，仅比铅和锡硬，延展性比铅、铜和锡小，比铁大。二、锌合金的性质锌合金是以锌为基础加入其他元素组成的合金。常加的合金元素有铝、铜、镁、镉、铅、钛等低温锌合金。锌是继铝、铜之后第三种应用最广泛的金属材料。 闪着银光略带蓝灰色。增强人类的免疫系统。关键特性：熔点低，优良的可铸性，出色的防腐性，高强度高硬度，原材料廉价，具有保健性。典型用途：电子产品元件，黄铜的合金材料,镀层材料，移动电话天线，照相机的快门装置。指纹锁面板水龙头锌合金的典型用途
24、：电子产品元件，黄铜的合金材料,镀层材料，移动电话天线，照相机的快门装置。电子产品边框 铰链3.4.4 钛及钛合金地球表面钛的含量比较丰富，高达千分之六，比铜多61倍，是 铜、镍、铅、锌的总量的16倍，在金属世界里排行第七，不属于稀有金属。一、钛的性质钛具有银灰色金属光泽，无磁性，无毒；密度小，仅为4.5g/ cm3，比强度高，位于金属之首；耐热性能好，熔点为1660，沸点3287。二、钛合金的性质强度高：可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。硬度较高导热系数小、弹性模量小：钛的导热系数约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14。高温和低温性能优良：在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能。抗
25、腐蚀性强钛储量丰富却价格昂贵。 关键特性：高强重比，优良的抗腐蚀性，难以进行冷加工，良好的可焊性能，低导电性，低热涨率，高熔点。典型用途：高尔夫球杆、网球拍、便携式电脑、照相机、行李箱、外科手术植入物、飞行器骨架、白色颜料等。林德博格眼镜框钛合金高尔夫球杆苹果POWER Book G4钛合金外壳徕卡Q钛合金灰色喷漆机身相机3.4.5 其它金属材料一、金金是7种最古老的金属（金、铜、银、铅、锡、铁、水银）之一，是地球上最稀有的金属之一，亦是货币金属之一，通称黄金，是一种广受欢迎的贵金属，在很多世纪以来一直都被用作货币、保值物及珠宝。在自然界中，金以单质的形式出现在岩石中的金块或金粒、地下矿脉及冲
26、积层中。金的密度较高，为19.32g/cm3；熔点为1064；质地异常柔软、光亮、抗腐蚀、高导热导电性。金的延性及展性是已知金属中最高的。1克金可以加工成1平方米的箔片。金的纯度以K来计量，纯金为24K，18K金的纯度为24K金的2/3。18K金手镯金砖二、银银是古代就已知并加以利用的三大贵金属之一(金、银、铂)；一般分为标准纯银和92.5%的银与7.5%的铜。银的密度10.53 g/cm3，熔点960.8。突出的导热导电性能，高反光性，优良的延展性，高光敏感性，具防腐蚀性。银在现代生活中主要用于首饰、镜子、太阳镜、电镀材料等；另外还用于电子元件、医疗和照相行业；在宗领域用于宗教器皿和宗教信物
27、。三、铂铂是三大贵重金属之一(金、银、铂)。密度大，为21.45 g/cm3，熔点1772，延展性好，可拉成很细的铂丝（1克铂可以拉成1.609公里的铂丝），轧成极薄的铂箔。铂抛光后光泽优雅，具有良好的化学稳定性、防腐蚀性、微生物稳定性，具有抑制癌细胞生长的作用。铂的典型用途有：首饰、钢笔、飞行器火花塞、涂层刀片合金原料、牙科修补用料、具磁化性能的硬盘、汽车催化转换器、电子器件、耐高温高压白金坩埚等。万宝隆钢笔金属材料的固有特性1）金属材料几乎都是有晶格结构的固体由金属键结合而成。2）金属材料是电与热的良导体。3）金属材料表面具有金属所特有的色彩与光泽。4）金属材料具有良好的延展性。5）金属可
28、以与其他金属或氢、磷与硫等非金属元素在熔融态下形成金属，以改善金属的性能。6）除了贵重金属之外，几乎所有金属的化学性能都较为活泼，易于氧化而生锈，产生腐蚀。 课堂作业 08：应用前面所讲述的材料，结合个人的认识，画出下列产品草图，并注明产品名称和所用材料及相应产品说明： 钢铁材料产品2件以上； 铝合金产品2件以上； 铜合金产品3件以上（分黄铜、青铜、白铜）； 锌合金产品1件以上； 钛合金产品1件以上； 银钛合金产品1件以上； 金属与木质材料间的组合产品3件以上。3.5 金属材料成型工艺 应用相应的工具或设备，将金属材料加工成某种物品、零件、组件的过程，并根据需要进行组装成制品和表面处理，最后形
29、成完整的金属产品的过程，即称为金属产品的加工工艺。金属材料的加工工艺共分为成型加工、热处理、表面处理、金属产品的连接与结构形式等部分。塑性加工锻造、轧制、挤压、拔制、冲压铸造焊接熔焊、压焊、钎焊切削加工车削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削及钳工成形加工金属产品成型工艺（一）普通热处理退火（加热到临界温度以上，保温一段时间后，以较慢的速度冷却）正火（加热保温后，在室温下空气中进行冷）淬火（加热至临界温度以上，保温后快速冷却至室温，以达到强化金属组织，提高金属的强度、硬度等）回火（将淬火后的金属重新加热，再进行保温冷却）表面热处理表面淬火和化学热处理特殊热处理特殊工艺方法进行热处理，通常有形变热处理
30、、磁场热处理等热处理金属产品成型工艺（二）肌理工艺通过锻打、抛光、镶嵌、蚀刻等工艺在金属表面制作出肌理效果。表面着色工艺化学、电解、阳极氧化、镀覆、珐琅、热处理、传统着色技术等方法， 使金属表面形成各种色泽的膜层、镀层或涂层。表面装饰技术机械处理表面前处理电化学处理化学处理表面处理技术金属产品的连接形式焊接、铆接、螺纹连接及销接四种方法金属产品的结构形式固定式、拆装式、折叠式结构和连接形式金属产品成型工艺（三）3.5.1成型加工 金属的成型加工方法可分为铸造、塑性加工、切削加工、焊接与粉末冶金五类。 金属成型加工按原料和产品及零件形式的不同，工艺过程可分为两大类别： 以金属板材、管材、线材类为
31、原料的加工工艺过程； 以金属液态、棒状、块状、片状类为原料的加工工艺过程 液态、棒状、块状、片状类金属材料产品常见的制造工艺流程液态板材、管材、线材类金属材料产品常见的制造工艺流程思考瑞士军刀的加工工艺流程？一、铸造铸造是指将熔融态金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中，待其冷却凝固后，以获得具有一定形状、尺寸和性能金属零件毛坯的成型方法。铸造工艺可分为砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造。 常用的铸造材料有铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等，通常根据不同的使用目的、使用寿命和成本等方面来选用铸件材料。 (1) 砂型铸造砂型铸造俗称翻砂，即用砂粒制造铸型进行铸造的方法。主要工序有：制造铸模
32、，制造砂铸型(即砂型)，浇注金属液，落砂，清理等。砂型铸造工艺过程简图图3-36 砂型铸造工艺过程简图优点：铸造成型生产成本低，工艺灵活性大，适应性强，适合生产不同材料、形状和重量的铸件，并适合批量生产。缺点：公差较大，容易产生内部缺陷。图3-37 砂型铸造的分水阀接吻造型的盐和胡椒粉罐工艺：砂型铸造材料：铝合金(2)熔模铸造熔模铸造又称“失蜡铸造”，通常是在蜡模（50%石蜡，50%硬脂酸）表面涂上数层耐火材料，待其硬化干燥后，将其中的蜡模熔去而制成型壳，再经过焙烧，然后进行浇注，而获得铸件的一种方法。 熔模铸造工艺过程简图熔模铸造特点：（1）铸件精度、光洁度高；（2）适于形状复杂，薄壁件，无
33、分型面；（3）不需加工即可安装使用，降低成本；（4）生产批量不受限制，单件、大批均可；（5）工艺复杂周期长，铸件重量一般小于25kg。(3) 金属型铸造用金属材料制作铸型进行铸造的方法，又称永久型铸造或硬型铸造。铸型常用铸铁、铸钢等材料制成，可反复使用，直至损耗。金属型铸造所得铸件的表面光洁度和尺寸精度均优于砂型铸件，且铸件的组织结构致密，力学性能较高。适用于中小型有色金属铸件和铸铁铸件的生产。 压力铸造压力铸造也简称压铸，即在压铸机上，用压射活塞以较高的压力和速度将将液态或半液态金属压入模腔中，并在压力作用下成型和凝固而获得铸件的铸造方法。 属于精密铸造方法。铸件尺寸精确，表面光洁，组织致密
34、，生产效率高。适合生产小型、薄壁的复杂铸件，并能使铸件表面获得清晰的花纹、图案及文字等。主要用于锌、铝、镁、铜及其合金等铸件的生产。 低压力铸造(6) 离心铸造离心铸造即将液态金属浇入沿垂直轴或水平轴旋转的铸型中，在离心力作用下金属液附着于铸型内壁，经冷却凝固成为铸件的铸造方法。常用于制造各种金属的管形或空心圆筒形铸件，也可制造其他形状的铸件。 二、金属塑性加工金属的塑性加工又称金属压力加工。是指在不破坏金属完整的条件下，利用外力作用使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法。金属的塑性加工方法主要有锻造、轧制、拔制、挤压、冲压等。 锻造锻造即利用手锤、
35、锻锤或压力设备对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状、尺寸和性能符合要求的零件的加工方法。镦粗锻造示意图拔长锻造示意图双面冲孔锻造法示意图 单面冲孔锻造法示意图自由锻：镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲、扭转、错移及锻接。金属视频3-2-1-2-自由锻造.html锻锤压紧弯曲法示意图 模弯曲法示意图切割锻造法示意图错移锻造法示意图锻接锻造法示意图扭转锻造法示意图 模锻：模锻是指在专用模锻设备上利用模具使毛坯成型而获得锻件的锻造方法。 与自由锻相比，模锻具有以下特点：模锻的锻件尺寸和精度高；机械加工余量较小，节省加工工时，材料利用率高；可以锻造形状复杂的锻件；锻件内部流线
36、分布合理，操作简便，劳动强度低，生产率高。手工锻造手工锻造是一种古老的金属加工工艺，是以手工锻打的方式，在金属板上锻锤出各种高低凹凸不平的浮雕效果。手工锻造亦有两种形式：一种是手工自由锻，一般用于小型金属工艺品的制作；另一种是手工模锻，一般用于大中型金属工艺品的制作。 左图为锻铜浮雕。是手工锻造作品。手工锻造是一种古老的金属加工工艺，是以手工锻打的方式，在金属板上锻锤出各种高低凹凸不平的浮雕效果。 轧制: 轧制是将金属坯料通过一对旋转轧辊间的特定间隙（间隙按要求设计成不同形状）产生塑性变形，以获得所要求的截面形状并同时改变其组织性能的压力加工方法。 拔制: 拔制是以拉力使大截面的金属坯料强行穿
37、过各种形状的锥形模孔，改变它的断面，以获得尺寸精确、表面光洁的小截面毛坯或制品的塑性加工方法。 坯料成品模具拔制加工工作原理图无缝钢管挤压: 挤压是将金属坯料放入封闭的挤压模内，用强大的压力将金属坯料从模孔中挤出成型的加工方法，从而获得符合模孔截面的零件的加工方法。 挤压加工工作原理挤压铝型材 冲压：冲压是应用压力机和模具（冲模）对金属板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的工件（冲压件）的成形加工方法。 分离型冲压工序的特点与应用范围（一）分离型冲压工序的特点与应用范围（二）成型冲压工序的特点与应用范围（三）成型冲压工序的特点与应用范围（四）冲压成型
38、加工的优点：尺寸精度由模具来保证，适用于较大批量零件制品的生产；冲压成型可以获得其他加工方法所不能或难以制造的壁薄、质量轻、刚性好、表面质量高、形状复杂的零件；材料利用率高，属于少废料或无废料、无屑加工；冲压制件表面质量较好，后续表面处理 (如电镀、喷漆)方便，互换性好，不影响装配和产品性能。效率高、操作方便；模具使用寿命长，生产成本低。缺点：噪声和振动大，模具精度要求高与成本高，小批量生产受到限制等方面的缺点。 课堂作业 09： 画出2种铸造成型产品； 写出双立人餐刀、餐叉、餐勺的生产工艺过程； 写出双立人刀具的分解生产工艺流程。 写出下面不锈钢杯的生产工艺流程3.5.4 切削加工金属切削加
39、工又称为冷加工，即利用切削刀具从毛坯上切除多余的金属，以达到规定的形状、尺寸和表面质量的零件的加工方法。 切削加工方式包括车削、铣削、刨削、磨削、钻孔、镗削及钳工等。 车削：车削加工一般是在车床上进行，主要用车刀对旋转的工件进行的切削加工，其工作原理是工件旋转、车刀在平面内作直线或曲线移动的切削加工。车削工艺车削加工在车床上还可以钻中心孔、车外圆、车端面、钻孔、车孔、铰孔、切槽、车螺纹、滚花、车锥面、车成形面、攻螺纹等相应的加工工艺。车削加工基本内容 铣削: 铣削是以使用旋转的多刃刀具切削工件的加工方法。工作时刀具旋转（作主运动），工件移动（作进给运动）；也可以工件固定，但此时旋转的刀具还必须
40、移动（同时完成主运动和进给运动）。 铣削加工基本内容 刨削：刨削是在刨床上对工件进行加工的过程。刨削时，蚀刀或工件的直线往复运动为主运动，工件的间歇移动为进给运动。常用刨车有牛头刨、龙门刨和刨插车；刨削主要用来加工各种平面、各种沟槽和成型面。 特点：通用性好：可加工垂直、水平的平面，还可加工T型槽、V型槽，燕尾槽等。生产率低：往复运动，惯性大，限制速度，单次加工，但狭长表面不比铣削低。刨垂直面刨削加工基本内容 磨削：磨削是指用磨料，磨具切除工件表面上多余材料的加工方法。磨削属于精加工，可用于加工各种工件的内外圆柱面、圆锥面和平面，以及螺纹、齿轮和花键等特殊、复杂的成形表面；是加工量少、精度高，
41、是应用较为广泛的切削加工方法之一。 磨削工艺磨削工艺磨削工艺 钻削：钻削是利用各种钻头进行钻孔、扩孔或锪孔的切削加工方法。钻削通常在钻床或车床上进行，也可在镗床或铣床上进行，但钻床是孔加工的通用机床，主要用钻头进行钻孔。 钻削加工基本内容 镗削：镗削是一种用旋转的单刃镗刀把工件上的预制孔或其它圆形轮廓的内径扩大到一定尺寸，使之达到要求的精度和表面粗糙度的切削加工。 镗削加工基本内容 钳工：钳工是切削加工、机械装配和修理作业中的手工作业，因常在钳工台上用虎钳夹持工件操作而得名。钳工作业主要包括錾削、锉削、锯切、划线、钻削、铰削、攻丝和套丝、刮削、研磨、矫正、弯曲和铆接等。 铸造砂型铸造熔模铸造金
42、属型铸造压力铸造离心铸造塑性加工锻造轧制挤压拔制冲压切削加工车削铣削刨削磨削钻削镗削钳工3.5.5 金属连接通过不同的方式加工成型的金属制件，一般需要被连接在一起才能成为最终的制品或进行进一步加工。金属的连接形式可分为可拆式连接和不可拆式连接两大类。其中，可拆式连接包括螺栓式连接和摩擦连接；不可拆式连接包括焊接、铆接和胶接。一、焊接焊接是一种以加热、加压的方式接合金属材料，形成所需制件的加工工艺与连接方式。焊接主要有熔焊、压焊和钎焊三大类。 马里奥博塔 椅架采用钢管弯曲焊接而成，椅面和椅背则由钢板冲孔弯折而成。此款设计充分利用金属材料本身固有的刚性和柔性来达到稳固结实和柔韧舒适的双重目的。二、
43、铆接铆接即铆钉连接，是利用轴向力将零件铆钉孔内钉杆墩粗并形成钉头，形成两个或两个以上的零件连接在一起的一种不可拆卸的静连接方法。铆钉有空心和实心两大类，最常用的铆接是实心铆钉连接。 铆接：不需要高温熔化，只需要钻枪、铆钉即可使金属物与金属物之间连接一体的工艺，主要用于折叠结构或不宜焊接的固定结构。这种连接方式可先将零件进行表面处理后再装配，运输方便。“猫鱼”剪子三、胶接金属胶接是应用胶粘剂在金属的连接各大门户产生的机械接合力、物理吸附力、化学键合力而两个胶接件连接起来的接合方法。金属胶接工艺简单，设备低廉；由于操作环境可在常温下进行，因而胶接件接头应力分布均匀，不易产生变形。 四、螺栓连接螺栓
44、是由头部和螺杆（带有外螺纹的圆柱体）两部分组成的一类紧固件，需与螺母配合，用于紧固连接两个带有通孔的零件，这种连接形式即为螺栓连接。 六角头螺栓 特种形式螺栓金属视频3-9-2-3-螺钉.html表3-3：不同类别的螺栓及其应用范围螺栓连接：螺纹紧固件既可作固定结构的连接，又可应用于拆装连接，螺栓在构件上的排列可以是并列或错列。紧固件需要加防松装置。销接：销也是一种通用的连接件，常应用于拆装式结构，起定位和帮助连接作用。根据连接形式的不同，可分为:固定式、拆装式、折叠式连接固定式：通过焊接或铆接将零部件结合在一起。这种结构受力及稳定性好， 有利于造型设计，但同时也为表面处理带来了不便。其次的不
45、足是占用空间大，不利于运输，因此，有些产品设计成可套叠式。拆装式：产品部件之间用螺栓、螺母连接，或者部件用金属管材制作，以大管套小管，用螺钉连接固定。拆装式金属产品的部件可在电镀后连接，便于运输。折叠式：可分为折动式与叠积式。折动式是运用连杆机构的原理，以铆钉连接为主，把产品的各杆件连接起来。叠积式则兼具固定、折叠式产品的长处，外形美观，牢固度高，可以充分利用空间，便于运输。越合理的叠积式产品，叠积的件数也越多。3.5.6 金属材料的热处理金属材料的热处理就是通过对固态的金属材料表面进行的加热和冷却的方法，改变金属内部或表面的组织结构，以获得预期性能的工艺方法。通过热处理可以改善金属制件的机械
46、加工、物理和化学性能，使制件具备设计要求的性能；同时通过热处理还可以消除制件和焊接件中的有害残余应力，稳定制件尺寸。 热处理工艺可分为普通热处理、表面热处理和特种热处理。一、普通热处理普通热处理大致包括退火、正火、淬火和回火处理四种基本工艺过程。 普通热处理过程示意图A、退火是将金属加热到临界温度（Ac3或Ac1）以上，保温一段时间后，以较慢的速度冷却，使其组织结构接近均衡状态，从而消除或减少内应力，均化组织和成分，有利于加工作业。B、正火是将金属加热保温后，在室温下空气中进行冷，是一种特殊的退火处理。C、淬火是将金属加热至临界温度以上，保温后快速冷却至室温，以达到强化金属组织，提高金属的强度
47、、硬度等机械性能。D、回火是将淬火后的金属重新加热，再进行保温冷却。其目的是为了消除淬火 应力，以达到所要求的组织和性能。二、表面热处理表面热处理包括表面淬火和化学热处理：表面淬火是通过快速加热金属表面层至所要求的温度，然后进行淬火，以提高金属表面的硬度和耐磨性。化学热处理是将金属工件置于一定活性介质中加热保温，使介质元素渗入工件表面，改变其表面的化学成分和组织结构，提高表面的硬度、抗疲劳强度、耐磨性、抗蚀性和抗氧化性等。常用的化学热处理包括渗碳、渗氮和氮碳共渗（又称氰化）。 三、 特殊热处理特殊热处理是利用一些特殊工艺方法进行热处理，通常有形变热处理、磁场热处理等。 车端面打中心孔粗车外圆倒
48、角钻孔车内孔车内螺纹预切断倒角切断检验例: 螺母的加工顺序如下：铸造砂型铸造熔模铸造金属型铸造压力铸造离心铸造塑性加工锻造轧制挤压拔制冲压切削加工车削铣削刨削磨削钻削镗削钳工.写出右边齿轮的加工工艺？.写出右边金属轴的加工工艺？课堂作业 10： 3.6 金属材料的表面处理金属材料的表面处理金属材料或制品的表面受到大气、水分、日光、盐雾细菌和其它腐蚀性介质等的浸蚀作用，会引起金属材料或制品失光、变色、粉化或裂开，从而遭到损坏。金属材料表面处理及装饰的功效一方面是保护作用，另一方面是装饰作用。一、金属表面前处理在对金属材料或制品进行表面处理之前，应有前处理或预处理工序，以使金属材料或制品的表面达到
49、可以进行表面处理的状态。机械处理是通过切削、研磨、喷砂等加工清理制品表面的锈蚀及氧化皮等，将表面加工成平滑或具有凹凸模样；化学处理的作用主要是清理制品表面的油污、锈蚀及氧化皮等；电化学处理则主要用以强化化学除油和浸蚀的过程，有时也可用于弱浸蚀时活化金属制品的表面状态。二、金属材料的表面装饰金属材料的表面装饰主要分为表面着色工艺与肌理工艺两大类，是常见的保护和美化产品外观的重要方法。 小汽车的涂覆着色 金属表面着色工艺金属表面着色就是采用化学、物理、电解、机械、热处理等方法，使金属表面形成具有各种色泽的膜层、镀层或涂层的金属表面装饰工艺。主要的着色方法有涂覆着色、化学着色、电解着色、阳极氧化着色
50、，以极做假锈、汞齐镀、热浸镀锡、鎏金、鎏银以及亮斑等工艺。 涂覆着色：涂覆着色是指采用浸涂、刷涂、喷涂等方法，在金属表面涂覆有机涂层的着色方法。 喷砂彩色多用途钢碟碳含量越高，钢的硬度和强度就越高。低碳钢有着良好的延展性，中碳钢一般应用于建筑与工程领域，高碳钢主要用于制作刀具。化学着色的不锈钢材料 化学着色：化学着色是指在特定的溶液之中，通过金属表面与溶液发生化学反应，生成有色粒子沉积在金属表面，使金属呈现出所要求的色彩的着色方法。化学着色：在特定的溶液之中，通过金属表面与溶液发生化学反应，在金属表面生成带色的基体金属化合物膜层的方法。电解着色的铝合金型材.电解着色：电解着色是指在特定的溶液中
