CBS-QB3 study [J].Macromolecules,2005,38(24):10279-10285. 262

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第13章聚合物基復(fù)合材料的性能測試聚合物基復(fù)合材料大陌，或接度為1.5倍試樣厚度時(shí)的數(shù)形），N上為的、，方是（為與載荷增量Δp對應(yīng)的標(biāo)距

第13章聚合物基復(fù)合材料的性能測試

聚合物基復(fù)合材料

大陌，或接度為1.5倍試樣厚度時(shí)的數(shù)形），N上為的、，方是（

為與載荷增量Δp對應(yīng)的標(biāo)距L。內(nèi)的變形增量，cm。（4）泊松比

.cm。

是指在比例極限內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變比值。(13-4)

（2）彎曲彈性模量

D c1

E1=

式中，μ為泊松比：c1、c2分別為載荷增量ΔP對應(yīng)的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變。

4bh'

(13-9)

式中，E1為彎曲彈性模量，MPa：SP為載荷撓度曲線上初始直線段的或增量，N

(13-5)

/7=·17/7=13

式中．L1．L2分別為縱向和橫向的測量標(biāo)距，cm；ΔL1，ΔL2分別為與載荷增量ΔP對

為與載荷增量ΔP對應(yīng)的跨距中點(diǎn)處的撓度增量，cm。

應(yīng)的標(biāo)距L1和L：得變形增量，cm。

（3）表現(xiàn)彎曲強(qiáng)度某些試驗(yàn)由于特殊要求，可測定表觀彎曲強(qiáng)度，即超過規(guī)定接度時(shí)

（5）拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖玻璃纖維增強(qiáng)塑料拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線由折線組成，折線的拐點(diǎn)

（如固過跨距的10％）載荷達(dá)到最大值時(shí)的彎曲應(yīng)力。在此大接度試驗(yàn)時(shí)，彎曲應(yīng)規(guī)定提度時(shí)

出現(xiàn)在強(qiáng)度極限的1／3處附近，試樣拉伸過程達(dá)到此處時(shí)，可聽到有開裂聲，并伴隨在試樣表面上出現(xiàn)白斑，由于折線的存在，就形成了所謂第一彈性模量和第二彈性模量問題。形成第二

的修正公式：

3PL 彈性模量是復(fù)合材料的特點(diǎn)，這主要是由于在受力狀況下樹脂和纖維延伸率不同，在界面處出

26h2

[++(f)]

(13-10) 現(xiàn)開裂（熱固性樹脂延伸率僅1％左右；玻璃纖維延伸率：有堿纖維為2.7％，無堿纖維為

3％）．此時(shí)復(fù)合材料中有缺陷的纖維先行斷裂，致使纖維總數(shù)少于起始狀態(tài)，相應(yīng)每根纖維上

式中，f為試樣跨距中點(diǎn)處的撓度，cm。13.1.4 剪切

受力增加，形變也就增加，這是彈性模量降低的緣故。13.1.2 壓縮

剪切試驗(yàn)（參閱GB／T 1450.1—2005）對于復(fù)合材料特別重要。復(fù)合材料的特點(diǎn)之一是層聚合物基復(fù)合材料壓縮試驗(yàn)是基于在常溫下對標(biāo)準(zhǔn)試樣的兩端施加均勻的、連續(xù)的軸向靜

同剪切強(qiáng)度低，并且層間剪切形式復(fù)雜，有單面剪切、雙面剪切、拉伸剪切、壓縮剪切、彎曲壓縮載荷，直至破壞或達(dá)到最大載荷時(shí)，求得壓縮性能參數(shù)的一種試驗(yàn)方法。

剪切等，在受剪面上，往往受的不是一個(gè)單純的剪力而是復(fù)合力。除了層間剪切之外，還有斷玻璃纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法（GB／T 1448—2005）適用于測定玻璃纖維織物增強(qiáng)

紋剪切、縱橫剪切等。塑料板材和短切玻璃纖維增強(qiáng)塑料的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量。

（1）剪切強(qiáng)度試樣在剪切力作用下破壞時(shí)單位面積上所能承受的載荷值。（1）壓縮強(qiáng)度在壓縮試驗(yàn)中，試樣直至破壞或達(dá)到最大載荷時(shí)所受的最大壓縮應(yīng)力為壓

單面剪切強(qiáng)度：縮強(qiáng)度。

(13-11) P1

bh (13-6)

雙面剪切強(qiáng)度：式中，oc為壓縮強(qiáng)變，MPa：P為破壞或最大載荷，N；F為試樣橫截面積，c㎡。

(13-12) （2）壓縮彈性模量在比例極限范圍內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變之比為壓縮彈性模量。

2bh E、hΔL

(13-7)

式中，Pb為破壞載荷，N；b、h分別為試樣受剪面寬度、高度，cm，

LoΔP

式中，E。為壓縮彈性模量，MPa；ΔP為載荷—變形曲線上初始直線段的載荷增量，N；ΔL

（2）層間剪切強(qiáng)度在層壓材料中，沿層間單位面積上所能承受的最大剪切載荷，MPa。為與載荷增量ΔP對應(yīng)的標(biāo)距Lo內(nèi)的變形增量，cm；L。為儀表的標(biāo)距，cm；b、h分別為試樣

（3）斷紋剪切強(qiáng)度沿垂直于板面的方向剪斷的剪切強(qiáng)度，MPa。寬度、厚度，cm。

（4）縱橫剪切強(qiáng)度沿著單向或正交纖維增強(qiáng)塑料平板的縱軸和橫軸平行的剪切應(yīng)13.1.3 彎曲

力，MPa。

（5）剪切彈性模量指材料在比例極限內(nèi)剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之比。當(dāng)剪應(yīng)力沿單向纖維增強(qiáng)

復(fù)合材料的彎曲試驗(yàn)中試樣的受力狀態(tài)比較復(fù)雜，有拉力、壓力、剪力、擠壓力等，因而

塑料的纖維方向和垂直于纖維方向作用時(shí)，測得的面內(nèi)剪切彈性模量稱為縱橫剪切模量。MPa。

對成型工藝配方、試驗(yàn)條件等因素的敏感性較大。用彎曲試驗(yàn)作為篩選試驗(yàn)是簡單易行的，也

13.1.5 沖擊玻璃纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法（GB／T 1449—2005）適用于測定玻璃纖維織物增強(qiáng)

沖擊試驗(yàn)是用來衡量復(fù)合材料在經(jīng)受高速沖擊狀態(tài)下的韌性或?qū)嗔训牡挚鼓芰Φ脑囼?yàn)方

是比較適宜的。

塑料板材和短切玻璃纖維增強(qiáng)塑料的彎曲性能，包括彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量、規(guī)定撓度下的

法，對于研究各向異性復(fù)合材料在經(jīng)受沖擊載荷時(shí)的力學(xué)行為有一定的實(shí)際意義。

一般沖擊試驗(yàn)分以下3種：擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)（包括簡支梁和懸臂梁）；落球式?jīng)_擊試驗(yàn)；高

彎曲應(yīng)力、彎曲載荷—撓度曲線。

的試樣上施加集中載荷，使試樣變形直至破壞時(shí)的強(qiáng)度為彎曲強(qiáng)度。

（1）簡支梁沖擊試驗(yàn) 簡支梁沖擊試驗(yàn)是擺錘打擊簡文梁試樣的中央；懸劈梁則是用錘

（1）彎曲強(qiáng)度彎曲試驗(yàn)一般采用三點(diǎn)加載簡支梁，即將試樣放在兩支點(diǎn)上，在兩支點(diǎn)間

速拉伸沖擊試驗(yàn)。

驗(yàn)所測得的除了產(chǎn)來試律的自由端，僅隨及維擴(kuò)展到整個(gè)試樣所需的能量以外，還要加上材料

3PL

26h2

(13-8) 232

第13章聚合物基復(fù)合材料的性能測試

025用于量較軟的金屬相較裝的圖料，GY2B36用于測量非常裝的數(shù)塑料有其他材料，

聚合物基復(fù)合材料

發(fā)生永久變形的能量和把斷裂的試樣碎片拋出去的能量，把斷裂試樣碎片拋出的能量與材料的初性完全無關(guān)，但它卻占據(jù)了所測總能量中的一部分。試驗(yàn)證明，對同一跨度的試驗(yàn)試樣越原方法簡單方便，所以在材料質(zhì)量控制、篩選等方面使用較多。

消耗在碎片拋出的能量越大。所以不同尺寸試樣的試驗(yàn)結(jié)果不好相互比較。但由于擺錘式試驗(yàn)

個(gè)內(nèi)評簧加載的主輔壓住，硬度計(jì)的示僅表度費(fèi)有100分度，每一變消整算孔內(nèi)，或試片上，測定使試棒或試片剛剛夠破裂所需能量的一種方法。這種方法與擺錘式試驗(yàn)相比表

（2）落球式?jīng)_擊試驗(yàn) 落球式?jīng)_擊試驗(yàn)是把球、標(biāo)準(zhǔn)的重錘或投擲槍由已知高度落在試棒

100．表頭讀數(shù)越高，表示材料越硬。現(xiàn)出與實(shí)地試驗(yàn)有很好的相關(guān)性，但缺點(diǎn)是如果想把某種材料與其他材料進(jìn)行比較，或者需改

（2）邵氏硬度（參閱GB／T2411—2008）邵氏硬度分為部氏A和部氏D兩種，邵氏A硬度用于較軟的塑料，用HA表示；邵氏D硬度適用于較硬的塑料，用H，表示（圖13—1，表132）。

變重球質(zhì)量，或者改變落下高度，十分不方便。

（3）高速拉伸沖擊試驗(yàn) 評價(jià)材料的沖擊強(qiáng)度最好的試驗(yàn)方法是高速應(yīng)力—應(yīng)變試驗(yàn)。應(yīng)力—

應(yīng)變曲線下方的面積與使材料破壞所需的能量成正比。如果試驗(yàn)是以相當(dāng)高的速度進(jìn)行，這個(gè)面積就變成與沖擊強(qiáng)度相等。

玻璃纖維增強(qiáng)塑料簡支梁沖擊韌性試驗(yàn)方法（GB／T1451—2005），適用于測定玻璃纖維織

物增強(qiáng)塑料板材和短切玻璃纖維增強(qiáng)塑料的沖擊韌性。試樣為矩形桿，并在表面開有V形缺口，使試樣受沖擊時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中面呈現(xiàn)脆性斷裂。

沖擊韌性a；值對于復(fù)合材料的品質(zhì)、宏觀缺陷和顯微組織的差異十分敏感，因而a；值可用

來控制加工成型工藝、半成品或成品質(zhì)量：不同溫度下作沖擊試驗(yàn)可得到ai值與溫度的關(guān)系曲線：在脆性狀況下，a；值可間接反映材料脆性的大小，

沖擊韌性按式（13—13）計(jì)算：A

A型

D型 a)■

(13-13)

圖13—1 邵氏硬度計(jì)（A型、D型）的壓針

式中，a；為沖擊韌性，J／c㎡；A為沖斷試樣消耗的功，J；b為試樣缺口處的寬度，cm；

13.1.6 硬度

表13—2 邵氏硬度計(jì)的壓針參數(shù)

h為試樣缺口下的厚度，cm.參數(shù)

數(shù)值／mm 參數(shù)

數(shù)值／mm

40.79±0.03 P

材料硬度是表示抵抗其他較硬物體的壓入性能，是材料軟硬程度的有條件性的定量反映.

$3.00±0.50

R0.1±0.012 通過硬度的測量還可間接了解其他力學(xué)性能，如磨耗、拉伸強(qiáng)度等。對于纖維增強(qiáng)塑料，可用

1.25±0.15 硬度估計(jì)熱固性樹脂基體的固化程度，完全固化的比不完全固化的硬度高，硬度測試操作簡單、

2.50±0.04 ,

迅速、不損壞試樣，有的可在施工現(xiàn)場進(jìn)行，所以硬度可作為質(zhì)量檢驗(yàn)和工藝指標(biāo)而獲得廣泛

使用邵氏硬度計(jì)將規(guī)定形狀的壓針，在標(biāo)準(zhǔn)的彈簧力下壓人試樣，把壓針壓入試樣的深度

應(yīng)用、

復(fù)合材料硬度試驗(yàn)方法有些是根據(jù)金屬硬度測試方法發(fā)展而來的，如布氏硬度、洛氏硬度，

轉(zhuǎn)換為硬度值。

有些是復(fù)合材料獨(dú)有的測試方法，如巴氏硬度、邵氏硬度等，布氏硬度、洛氏硬度試驗(yàn)方法都

是將具有一定直徑的鋼球，在一定的載荷作用下壓人材料表面，用讀數(shù)顯微鏡讀出試樣表面的

13.1.7 摩擦

壓痕直徑，即可計(jì)算材料的硬度值，這種硬度值的影響因素很多，試驗(yàn)值難以真正反映材料性

摩擦是普遍存在的一種自然現(xiàn)象，根據(jù)摩擦現(xiàn)象發(fā)生的場合和條件，摩擦可分為靜摩擦和

能。巴氏硬度、邵氏硬度試驗(yàn)是用具有一定載荷的標(biāo)準(zhǔn)壓印器，以壓人表面的深度衡量試樣的

動摩擦、滾動摩擦和滑動摩擦、內(nèi)摩擦和外摩擦等。

（1）靜摩擦和動摩擦當(dāng)相互接觸的兩個(gè)物體在外力作用下有滑動傾向時(shí)，彼此保持相對

硬度值。

（1）巴氏硬度（參閱GB／T 3854—2005）Barcol（巴柯爾）硬度簡稱巴氏硬度是一種壓痕

靜止時(shí)的摩擦為靜摩擦。處于靜摩擦狀態(tài)下的摩接力稱為靜摩擦力，當(dāng)外力增大到物體開始運(yùn)

硬度，它以特定壓頭在標(biāo)準(zhǔn)彈簧的壓力作用下壓人試樣，以壓痕的深淺來表征試樣的硬度，它

動時(shí)，靜摩擦達(dá)最大值稱為最大靜摩擦力（或稱啟動摩擦力）。實(shí)驗(yàn)證明，最大靜摩擦力Fmex

適用于測定纖維增強(qiáng)塑料及其制品的硬度，也可用于非增強(qiáng)硬塑料。

(13-14)

和一個(gè)物體對另一個(gè)物體的正壓力（垂直于接觸面的相互壓緊的力）N成正比，即

巴氏硬度是一種十分簡便而有效的材料制品硬度測量方法，適用于硬質(zhì)塑料和增強(qiáng)塑料制

Fmx=μ,N 品的質(zhì)量鑒定、生產(chǎn)過程中對半成品進(jìn)行現(xiàn)場質(zhì)量監(jiān)控、合理選擇達(dá)到最低合格固化度所需的

式中，μ，為靜摩擦系數(shù)。

時(shí)間等。英國、美國、日本等國已將巴氏硬度作為玻璃纖維增強(qiáng)塑料制品的主要質(zhì)量指標(biāo)或列

當(dāng)一個(gè)物體在另一個(gè)物體上相對滑動時(shí)所產(chǎn)生阻礙滑動的摩擦力稱為滑動摩擦力，這種現(xiàn)

為測試標(biāo)準(zhǔn)，是一種很值得推廣的硬度試驗(yàn)方法。

(13-15)

象稱為動摩擦擦或滑動摩擦。實(shí)驗(yàn)證明，滑動摩擦力F與正壓力N成正比，即

F=μN(yùn)

巴氏硬度計(jì)有3種型號：GYZ934—1和HBa—1用于測量軟金屬及較硬的塑料和復(fù)合材料：234

236

第13章聚合物基復(fù)合材料的性能測試

式中，μ為滑動摩擦系數(shù)，通稱摩擦系數(shù)。

式中，戶方滑動除、表面情況有關(guān)，通常與接觸面的大小無關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，滑動摩

式中，ΔV為分離層體積：A。為表觀面積。

（3）能量磨耗率（磨耗能量指數(shù)）

聚合物基復(fù)合材料

ΔV 力比同一物體的最大靜摩擦力小。

同一物體的最大液動摩摸根據(jù)物體相互間在接觸面上運(yùn)動形式的不同，動摩擦可分為

(13-21)

KE 式中，F(xiàn)為摩擦力。

動摩據(jù)和激動摩據(jù)你為滑動摩擦。若兩個(gè)物體雖有相對運(yùn)動，但在接觸而上物體相互之間設(shè)有

（4）質(zhì)量磨耗率相對位移發(fā)生，此時(shí)在接觸面上產(chǎn)生的摩擦稱為滾動摩擦。

ΔW 上產(chǎn)過樣物體上施加一正壓力，滿定使物體剛要運(yùn)動瞬間的力和

Kw LA,

(13-22) 勻速滑動時(shí)的力，即可計(jì)算出兩物體間的靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)。

式中，ΔW為分離層質(zhì)量；A，為面積。

（3）摩擦系數(shù)的測定原理

（4）摩接系數(shù)試驗(yàn)方法測定摩擦系數(shù)的試驗(yàn)方法和設(shè)備種類較多，測定塑料薄膜和薄片

（5）磨耗度（5）計(jì)算塑料薄膜靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)按式（13—16）和式（13—17）計(jì)算：

(13-23) 的靜態(tài)和動態(tài)摩擦系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法可參閱ASTM D1894—2014）。

シ A.

式中，μ為滑動摩擦系數(shù)；A＇為磨粒磨耗因數(shù)。mg

(13-16)

（6）抗磨粒模耗系數(shù)mg

(13-17)

β=π

(13-24) 1

Ak 式中.μ.為靜摩擦系數(shù)；μ為動摩擦系數(shù)：A，為滑塊與平板間產(chǎn)生相對滑動時(shí)的起始負(fù)

上述能量磨耗率和磨耗度是相同的，都等于抗磨粒磨耗系數(shù)的倒數(shù)，另外Kw＝PKv.其

μ= 荷，N：Aa為滑塊與平板間產(chǎn)生均勻滑動期間的平均負(fù)荷，N：m為滑塊的質(zhì)量，g：g為重力

中P是磨耗材料的密度，加速度，m／s。

實(shí)驗(yàn)室的磨耗試驗(yàn)分兩大類，第一類是使簡單幾何形狀的試樣作相對運(yùn)動，逐一改變影響塊狀和片狀塑料動摩擦系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法參閱ASTM D3028—1993。可用式（13—18）

磨耗的參數(shù)，然后建立磨耗率與各參數(shù)之間的關(guān)系，這類試驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)踐中遇到的復(fù)雜磨耗μ=M1sinθ/0.05n

情況沒有直接關(guān)系。第二類是模擬實(shí)際情況，往往是實(shí)踐中最惡劣的磨耗條件，有時(shí)為了縮短

(13-18)

試驗(yàn)時(shí)間，大大加重了這種條件，這類試驗(yàn)的結(jié)果只有有限的適用范圍。磨耗試驗(yàn)是通過摩擦

計(jì)算：

式中，μ為摩擦系數(shù)；M為儀器最大擺距，N·m；n為正壓力，N；θ為擺的唯一角

磨耗試驗(yàn)機(jī)來進(jìn)行的，試驗(yàn)機(jī)的類型很多，有四球式、圓銷—圓盤式、圓銷—圓柱式、交叉圓柱式試驗(yàn)機(jī)等。

度，（°）。

13.2 物理性能測試

13.1.8 磨耗等。磨耗（亦稱磨損、磨蝕）是摩擦的必然結(jié)果，盡管對各種磨耗機(jī)理的認(rèn)識正在不斷深化，

復(fù)合材料較傳統(tǒng)單一均質(zhì)材料具有很多優(yōu)點(diǎn)，纖維增強(qiáng)塑料熱導(dǎo)率低，在超高溫的作用下

兩個(gè)物體發(fā)生接觸而摩擦的結(jié)果會產(chǎn)生各種各樣的效應(yīng)，加熱效應(yīng)、振動效應(yīng)、磨損效應(yīng)但到目前為止要給磨耗下一個(gè)確切完整的定義是不容易的。按摩擦表面發(fā)生的現(xiàn)象，磨耗可分

能吸收大量的熱量；增強(qiáng)材料與基體樹脂的熱膨脹系數(shù)不同，不同的復(fù)合方式其熱性能有明顯為氧化磨耗、熱磨耗（包括熱分解磨耗）、研磨磨耗（也稱機(jī)械磨耗）及點(diǎn)蝕磨耗。按摩擦表面

的差別；復(fù)合材料又是電性能多樣化的材料，有電絕緣體，有高介電損耗，又有低介電損耗體，破壞的原因分為粘著磨耗、磨粒磨耗、腐蝕磨耗及表而疲勞磨耗等。

有微波吸收體，又有微波透過體。總之，復(fù)合材料物理性能取決于原材料選擇、材料的性能設(shè)磨耗是一種復(fù)雜的材料破壞現(xiàn)象，影響磨耗的基本參數(shù)是壓力、滑動速度、摩擦系數(shù)、表

計(jì)、成型工藝方法和工藝條件。因此，復(fù)合材料的物理性能的優(yōu)劣是復(fù)合材料研究和應(yīng)用工作面結(jié)構(gòu)粗糙度、表面膜、材料彈性模量、強(qiáng)度和彈性體的抗疲勞性及溫度等。雖然按不同的磨

者普遍關(guān)注的問題。這些性能的獲得有賴于測試技術(shù)的建立和掌握。耗類型來分析這些因素，但它們往往是互相影響的，很難一一分開。如表面高溫可由重載和高

復(fù)合材料物理性能測試技術(shù)是以材料的實(shí)用性為著眼點(diǎn)，它包括線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、平速所引起，溫度影響表面膜的形成，并會引起表面結(jié)構(gòu)和粗糙度的變化等。在摩擦過程中磨耗

均比熱容、熱變形溫度、馬丁耐熱、溫度形變曲線（熱機(jī)械曲線）、電阻系數(shù)、擊穿強(qiáng)度、折射所產(chǎn)生的磨屑可以用質(zhì)量損失、一兩個(gè)滑動體的體積或尺寸變化來測定。已經(jīng)提出并采用了下

率、透射率等試驗(yàn)方法，（1）線性磨耗率

13.2.1 線膨脹系數(shù)(13-19)

自然界中大多數(shù)固體物質(zhì)都會隨著溫度的變化而發(fā)生長度和體積的變化，這一現(xiàn)象稱為熱

列6種磨耗規(guī)范。

式中，h為分離層厚度；L為滑動距離。

膨脹。一般物質(zhì)大都遵循著熱脹冷縮的規(guī)律。復(fù)合材料的熱膨脹主要取決于纖維和樹脂的線能（2）體積磨耗率

脹系數(shù)以及它們所占的體積百分比，所以往往也出現(xiàn)各向異性甚至出現(xiàn)負(fù)膨脹的情況，復(fù)合材

7/1=74

料的熱膨脹較各向同性材料要復(fù)雜一些。Kv

(13-20)

設(shè)固體在溫度為0℃時(shí)的長度為Lo，當(dāng)溫度升高到t℃時(shí)，固體的伸長量ΔL。與原長L，及

237

ΔV VT 236

聚合物基復(fù)合材料

取圓料，通過碰增將能量傳給相鄰分子的方式稱為熱傳導(dǎo)，它是

第13章黑合物基復(fù)合材的性版法ΔL＝aLot，或ΔL／Lo＝at

固體中熱傳遞的主要方式。

溫度的升高t成正比，即：

導(dǎo)熱時(shí)溫度變化的情況可分為穩(wěn)定導(dǎo)搭和不穩(wěn)定導(dǎo)換兩

(13-25)

a稱為固體的線膨脹系數(shù)，線膨脹系數(shù)可以定義為溫度升高1℃時(shí)固體的相對伸長，固體在

類，在傳熱過程中，沿?zé)崃鞣较蛏细鼽c(diǎn)的溫度因位置不得提供，

溫度，℃時(shí)的長度L，＝L。（1＋ar）隨溫度線性地增長，實(shí)際上，a隨溫度的變化稍有變化，即隨溫度的升高而加大，所以上式的線性關(guān)系并不嚴(yán)格，但對大多數(shù)固體在不太大的溫度范圍內(nèi)可

但于面時(shí)間而變化，則屬于不穩(wěn)定過程，這里僅計(jì)論穩(wěn)定得而

以近似地把a(bǔ)看作是常數(shù)，固體的α數(shù)量級為（10—5～10—8）／℃，聚合物基復(fù)合材料為10—8／℃。在通常情況下a＞0，但也有a＜0的，如碳纖維在沿纖維方向由—200～100℃時(shí)，a＝—（0.5～1.45）x10—8／℃，纖維的a＜0，相應(yīng)的復(fù)合材料a＜0。固體體積隨溫度升高而

用，此時(shí)，在沿，長度上各點(diǎn)溫度是不同的，我取微分長度

增大：

V1=Vo(1+β)

(13-26)

圖13—2 平板的熱傳導(dǎo)

式中，V，為t（C）時(shí)固體的體積；V。為0℃時(shí)固體的體積；β為體膨脹系數(shù)，溫度升高

F、溫度梯度de／dn 成正比，即：1℃時(shí)體積的相對增大。

8 de

如果線膨脹性能是各向同性的，當(dāng)固體為立方體，溫度為0℃時(shí)每邊長為l0，則：

dr dn

(13-32) V1=3=(1+at)3=Vo(1+at)3

式（13—32）稱為導(dǎo)熱基本方程式（或稱傅里葉定律）。此式對于穩(wěn)定或不穩(wěn)定導(dǎo)熱均微適

(13-27) 由于a很小，可略去a2、a3項(xiàng)得；

用，在穩(wěn)定導(dǎo)熱時(shí)因?qū)崃縌和溫度都不隨時(shí)間變化，故式（13—32）可寫為：V1=Vo(1+3at)

(13-28)

Q d

JY 所以體膨脹系數(shù)β近似等于線膨脹系數(shù)a的3倍。

q=÷= dn

(13-33) 對于各向異性材料，沿不同方向上有不同的相對伸長，固體的形狀有了改變。各向異性固

式中，q為導(dǎo)熱速率，W；F為導(dǎo)熱面積，㎡；λ為熱導(dǎo)率，W／（m·K）；d／dn為溫度梯體中的一條任意直線，當(dāng)溫度升高時(shí)，就不一定能保持為一直線。所以對各向異性材料可近似

度，K. 地認(rèn)為體膨脹系數(shù)等于主線膨脹系數(shù)之和。

在式（13—32）、式（13—33）中，溫度梯度越大，單位長度上的溫控越大，式中等號右側(cè)為如果固體在受熱時(shí)不能自由膨脹，就會在體內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力的大小相當(dāng)于將

一”，說明熱流方向與溫度梯度呈相反方向。固體壓縮到原長Lo所需的壓縮應(yīng)力：

對于單層平板的熱傳導(dǎo)，設(shè)平板厚度。和熱導(dǎo)率λ為常數(shù)，平板的溫度只沿著n方向變化，ΔL=aLot

(13-29)

在距離壁n處取dn，按式（13—33）分離變量并積分得：σm=E

ΔL

(13-30)

(13-34) Jf/

Lo 0m=aEl

(13-31)

12-11=

對于碳纖維／環(huán)氧復(fù)合材料，在0°方向上a＝—2x10—8／℃，碳纖維的楊氏模量Ee＝3x

入F

λF

108MPa，可以算出當(dāng)溫度升高1℃，如不能自由膨脹時(shí)在纖維內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力為：

(11-12) 8_b

(13-35)

0m＝-2x10-8x3x105x1＝-6x10-3［MPa（收縮）］

精確地測定復(fù)合材料的平均線膨脹系數(shù)對于確定復(fù)合材料制品成型前后的體積收縮比，保

FΔ 證制品尺寸，防止制品變形，減小內(nèi)應(yīng)力，保證精密的裝配都是很重要的。

復(fù)合材料的線膨脹性能強(qiáng)烈地依賴于樹脂、纖維及它們的組成和鋪層方向，并隨溫度變化。

式中，Δt＝t1—t2，為平板壁厚兩面的溫差，K。樹脂澆注體在熱變形溫度范圍內(nèi)線膨脹是線性的，超過這溫度以后就會出現(xiàn)不膨脹甚至負(fù)膨脹

熱導(dǎo)率是物質(zhì)導(dǎo)熱能力的標(biāo)志。熱導(dǎo)率越大，物質(zhì)的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)，反之亦然，熱導(dǎo)率的現(xiàn)象，這時(shí)樹脂軟化，甚至不能承受其本身的重力。玻璃鋼線膨脹性能強(qiáng)烈依賴于溫度，即膨

大小與物質(zhì)的化學(xué)組成、物理狀態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及物質(zhì)所處的溫度、濕度、壓力等因素有關(guān)。影脹非線性，這是由于玻璃纖維的膨脹系數(shù)在250℃以下時(shí)隨溫度的升高而升高，超過250℃則隨

響復(fù)合材料導(dǎo)熱性的因素很復(fù)雜，如不同的樹脂基體有不同的熱導(dǎo)率；同一種樹脂由于密度不溫度升高而有所下降的緣故。

同，其熱導(dǎo)率亦不同，其增強(qiáng)材料與導(dǎo)熱性關(guān)系不僅與纖維性能有關(guān)，而且與導(dǎo)熱方向有關(guān)，影響線膨脹系數(shù)的因素很多，如原材料種類、規(guī)格、型號、加工方法、工藝條件、鋪層方

因?yàn)槔w維的縱向、橫向?qū)嵝再|(zhì)不同。碳纖維復(fù)合材料中，纖維含量增加其導(dǎo)熱性提高；連續(xù)向以及測試條件、儀器設(shè)備等均會影響數(shù)據(jù)的重復(fù)性。因此對于重要裝置上使用的復(fù)合材料。

纖維復(fù)合材料比不連續(xù)纖維復(fù)合材料導(dǎo)熱性好，玻璃鋼導(dǎo)熱性的基本規(guī)律與碳纖維復(fù)合材料類要以從實(shí)際選用材料上取樣測定的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

似，而Kevlar纖維復(fù)合材料的熱導(dǎo)率比碳纖維復(fù)合材料的低。隨著宇航工業(yè)的發(fā)展，測定各種新型材料的低溫、超低溫線膨脹系數(shù)已成為材料研究和制

13.2.3 平均比熱容13.2.2 熱導(dǎo)率

1g物質(zhì)升高1℃所吸收的熱量稱為比熱容。各種物質(zhì)的比熱容不同，同一物質(zhì)比熱容的大

品設(shè)計(jì)中不可缺少的重要技術(shù)指標(biāo)。測試方法要點(diǎn)參閱GB／T 2572—2005。

小與加熱時(shí)的條件（如溫酸、擇強(qiáng)、體積）有關(guān)，同一物質(zhì)在不同勒態(tài)下的比熱容也不同，裝

導(dǎo)又稱導(dǎo)熱，是熱量傳遞的一種基本方式。溫度較高的物體，由于其分子的熱運(yùn)動比

請解平均比熱容是采用塊最法混合法規(guī)定的，試樣在加熱爐內(nèi)恒量加熱一段時(shí)間，達(dá)到一

238

聚合物基復(fù)合材料

定溫度后降至紫銅塊量熱計(jì)內(nèi)，試樣釋放的熱量被量熱計(jì)完全吸收，測量試樣和紫銅塊量熱計(jì)

電阻系數(shù)（電阻率或比電阻）

第13章聚合物基復(fù)合材料的性能測試

13.2.6 的溫度變化值，即可求出試樣的平均比熱容。

兩個(gè)電極與試樣接觸或嵌入試樣內(nèi)，加于兩電極上的直流電壓和流經(jīng)電極間的全部電流之

比稱為絕緣電阻。絕緣電阻是由試樣的體積電限和表面電阻兩部分組成的。

試樣的平均比熱容：

H(tm-13-10)

(13-36)

流電壓與流過它們之間試樣體積內(nèi)的電流之比稱為體積電阻Rv。由Rv及電極和試樣尺寸算出

圖13—3為板狀試樣電極配置圖，在兩電極間嵌人一試樣使其接觸良好，施于兩電極上的直

m(1-tm-ta)

式中，Cp為試樣平均比熱容，J／（g·℃）；H為量熱計(jì)熱值，J／℃；to為落樣時(shí)量熱計(jì)溫

度，℃；tm為量熱計(jì)最高溫度，℃；m為試驗(yàn)后的試樣質(zhì)量，g；ta為量熱計(jì)溫度修正值，℃；，

的電阻系數(shù)稱為體積電阻系數(shù)pv（n·cm）：為試樣在保溫期的溫度，℃。

Pv=Rv5/5

(13-38) 量熱計(jì)溫度修正值ta為：

式中，S為測量電極面積，cm；d為試樣厚度，cm；Rv為體積電阻，n.+

t3-71[2 V1-V10+(-n3)+nV3

(13-37)

或

73-■2

式中，V1、V3分別表示第一、第三階段量熱計(jì)溫度之變化速率：71、T3分別表示第一、第

三階段量熱計(jì)之溫度平均值：n為第二階段量熱計(jì)溫度記錄次數(shù)；t，為第二階段量熱計(jì)溫度記

錄值。 13.2.4 馬丁耐熱與熱變形溫度

不保護(hù) 被保護(hù)

保護(hù)

在工業(yè)上，往往采用馬丁耐熱或熱變形溫度判斷復(fù)合材料的耐熱性，它們都是使試樣在規(guī)

定的外力作用下，置于箱內(nèi)或槽內(nèi)。按規(guī)定的等速升溫加熱，以達(dá)到規(guī)定變形量的溫度指標(biāo)來

電極電極

電極表示其耐熱性能。

圖13—3 板狀試樣電極配置圖

馬丁耐熱試驗(yàn)方法是1924年由馬丁氏提出的，1928年被德國采用為酚醛塑料耐熱標(biāo)準(zhǔn)方

法，后來蘇聯(lián)國家標(biāo)準(zhǔn)也采用此法，我國于1970年也正式頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)“材料耐熱性（馬

在試樣的一個(gè)面上放置兩電極，施于兩電極間的直流電壓與沿兩電極間試樣表面層上的電丁）試驗(yàn)方法”（GB 1035—1970）。

流之比稱為表面電阻Ra。由R，及表面上電極尺寸算出的電阻系數(shù)稱為表面電阻系數(shù)p，（n）：

熱變形溫度試驗(yàn)方法首先由英國提出，以后又被日本JIS、美國ASTM、國際標(biāo)準(zhǔn)ISO等采

2π 用，我國于1979年也將此法列為國家標(biāo)準(zhǔn)“塑料彎曲負(fù)載熱變形溫度（簡稱熱變形溫度）試驗(yàn)

p,=R, D2

(13-39) 方法”（GB／T 1634—1979），2014年以GB／T 1634.2—2004 代替．

D1 （1）馬丁耐熱（參閱GB 1035—70）馬丁耐熱法規(guī)定試樣在（10±2）℃／12min等速升溫環(huán)

式中，D1為被保護(hù)電極直徑，cm；D2為保護(hù)電極內(nèi)徑，cm；R，為表面電阻．Ω．境中，在一定的靜彎曲力矩的作用下使試樣承受（5±0.02）MPa彎曲應(yīng)力，以彎曲變形達(dá)6mm

測試方法有直接法測量絕緣電阻和比較法測量絕緣電阻。直接測量法即直接測量施加于試時(shí)的溫度表示耐熱性。該方法不適用于耐熱性低于60℃的塑料或纖維增強(qiáng)塑料。

樣的直流V和流過試樣的電流I，通過歐姆定律計(jì)算出電阻R＝U／I，或者使流過試樣的電流通（2）熱變形溫度（參閱GB／T 1634.2—2004）熱變形溫度試驗(yàn)方法的基本原理與馬丁耐熱

過一個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)電阻R，，測量R，兩端的電壓而求得通過的電流1．Rx＝UR，／U3。包括歐姆試驗(yàn)方法相類似，將試樣浸在等速升溫的硅油介質(zhì)中，在簡支梁式的靜彎曲載荷作用下，試樣

表法、檢流計(jì)法、高阻計(jì)法。而比較法是與已知標(biāo)準(zhǔn)電阻相比較來測定絕緣電阻值的方法。常彎曲變形達(dá)到規(guī)定值時(shí)的溫度稱之為熱變形溫度。它適用于控制質(zhì)量和作為鑒定新品種熱性能

用的比較法有兩種：電橋法和電流比較法。其具體的測試方法參照《電氣絕緣測試技術(shù)》（機(jī)械的一個(gè)指標(biāo)，并不代表其使用溫度。

工業(yè)出版社）。 13.2.5 溫度形變曲線（熱機(jī)械曲線）

13.2.7 介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切馬丁耐熱試驗(yàn)和熱變形溫度試驗(yàn)是指試樣在外力作用下，由于溫度升高而產(chǎn)生變形達(dá)某一

（1）相對介電常數(shù) 相對介電常數(shù)c，是在同一電極結(jié)構(gòu)中，電極周圍充滿介質(zhì)時(shí)的電容C，點(diǎn)的溫度值，它們具有工程性質(zhì)。溫度形變曲線亦稱熱機(jī)械曲線或熱機(jī)械分析（thermo

與周圍是真空時(shí)的電容C。之比：

0/= mechnical analysis，TMA），是在程序溫度控制下（等速升溫、降溫、恒溫或循環(huán)溫度）測量試

樣在受非振蕩性負(fù)荷（如恒定負(fù)荷）時(shí)所產(chǎn)生的形變隨溫度變化的曲線，它在一定的溫度范圍

對平板電極，有：

內(nèi)反映試樣在外力作用下形變的全過程，這比指定某一變形量的溫度值更合理更全面，所以

EOA Co=

TMA被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究部門。240

241

聚合物基復(fù)合材料

為擊穿強(qiáng)度，因體介質(zhì)的擊穿可為純養(yǎng)的電擊穿過程亦可為熱擊穿過程，電擊穿是由于電荷在

第13章聚合物基復(fù)合材料的性能測試

式中，A為極板面積，m；d為電極間距離，m；co為真空介電常數(shù)，8.854x10—12F／m。

Co的計(jì)算，根據(jù)試樣的幾何尺寸計(jì)算以空氣為介質(zhì)時(shí)的電容：

coA

(13-40)

13—6為高壓西林電橋原理簡圖，圖137所示為在國體介質(zhì)中場加和所引起的熱破壞的結(jié)果

Co=

式中，A為試樣面積（電極面積），㎡；t為試樣厚度或平板電極距離，m；to為真空介電

能力已被破壞。若電壓維持不變或再加較低的電壓，電流均將無限增加。

。當(dāng)電壓增至一定值時(shí)，電阻系數(shù)逐漸降低，從b點(diǎn)起電阻迅速下降，過把后介的絕緣

系數(shù)。

x10-F/m=8.854x10-12F/m 03

c，的計(jì)算：測得試樣的C、，按式（13—40）計(jì)算出Co，再計(jì)算出平板試樣的er：

0.036πtC

(13-41)

A 式中，C為平板試樣的電容Cx，pF.

（2）介質(zhì)損耗角正切電介質(zhì)材料在交變電場作用下的能量損耗稱為介質(zhì)損耗。這種損耗，

一是通過介質(zhì)的漏導(dǎo)電流（它與電壓為同相）引起的漏導(dǎo)電流損耗；二是由吸收電流中的一部分與電壓同相的有功電流引起的吸收損耗。

電介質(zhì)材料在交流電壓U作用下，介質(zhì)中的總電流1由漏導(dǎo)電流IR電容電流Ic及吸收電

流I。所組成，它們的矢量和為1．如圖13—4所示。通常情況下，I與U夾角φ的余角8反映電介質(zhì)材料介質(zhì)損耗的大小。對電介質(zhì)施以正弦波電壓時(shí)，外施交流電壓與相同頻率的電流之間

圖13—6 高壓西林電橋原理簡圖

圖13—7 固體電介質(zhì)的

的相角的余角的正切值tanδ，是表示該電介質(zhì)在交流電壓下能量損耗的一個(gè)參數(shù)。

T—試驗(yàn)變壓器；C2—試樣；Co—標(biāo)準(zhǔn)電容

電流—電壓特性曲線圖

器：R3—可變電阻：R1一標(biāo)準(zhǔn)電阻；

C、一可變電容；D—平衡指示器；/1

E1一高壓電源：E：一輔助電源R.

電絕緣材料厚度越大，擊穿電壓就會越大。因此，增加絕緣材料的厚度或選擇優(yōu)質(zhì)電絕緣

材料都能提高絕緣體的擊穿電壓。試驗(yàn)方法要點(diǎn)參閱GB／T 1408.1—2016。

Cr=

試驗(yàn)在工頻下用最高額定試驗(yàn)電壓為50kV或100kV的交流變壓器，擊穿試驗(yàn)時(shí)采用連續(xù)

均勻升壓法或1min逐級升壓法。11

耐壓試驗(yàn)是在試樣上連續(xù)均勻地升壓到一定的試驗(yàn)電壓后保持一定的時(shí)間，試驗(yàn)電壓和時(shí)

12 ū

（a）串聯(lián)等效線路

（b）并聯(lián)等效線路

間由產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。ツ

圖13—4 電流—電壓矢量

圖13—5 等效線路圖

試驗(yàn)結(jié)果按式（13—44）計(jì)算：

Eb=Ub/d

(13-44) 為了計(jì)算各種頻率的交流電壓作用下電介質(zhì)的介質(zhì)損耗，可利用并聯(lián)等效線路或串聯(lián)等效

式中，Eb為擊穿強(qiáng)度，kV／mm；Ub為擊穿電壓，kV：d為試樣厚度，mm。

線路，如圖13—5所示。

在并聯(lián)等效電路中：

13.2.9 耐電弧1

tand= wCpRp

(13-42)

耐電弧試驗(yàn)（參閱GB／T 1411—2002）是采用交流高壓小電流耐電弧試驗(yàn)方法，借高壓在在串聯(lián)等效電路中：

兩電極間產(chǎn)生的電弧作用，使絕緣材料表面形成導(dǎo)電層所需的時(shí)間來判斷絕緣材料的耐電弧性。tanδ=ωRsCs

(13-43)

13.2.10 溫度指數(shù)

式中，ω為角頻率：Rs、Rp分別為串、并聯(lián)等效電阻，Ω；Cs、Cp分別為串、并聯(lián)等效

電容，F(xiàn).

快速評定電氣絕緣浸漬漆和漆布熱老化性能的試驗(yàn)方法—熱重點(diǎn)斜法，是基于電氣絕緣13.2.8 擊穿強(qiáng)度

熱壽命試驗(yàn)理論1gr＝a＋b／T，即絕緣熱壽命τ的對數(shù)與絕對溫度T的倒數(shù)呈線性關(guān)系，將恒溫下功能性試驗(yàn)和勻速升溫下熱失重試驗(yàn)結(jié)合起來，即由常規(guī)熱老化試驗(yàn)方法作一恒溫點(diǎn)功能

置于電場中的任何介質(zhì)，當(dāng)電場強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)就會喪失絕緣性能，這種現(xiàn)象稱為

性試驗(yàn)，求得該溫度下的熱壽命值，由熱重曲線求得熱壽命線的斜率，借以評定材料的熱老化

電擊穿，介質(zhì)發(fā)生擊穿時(shí)的電壓稱為擊穿電壓（介電強(qiáng)度）。擊穿電壓與擊穿處介質(zhì)厚度之比稱

性能。

從熱失重曲線上取失重5％～50％（間隔5％）所對應(yīng)的10個(gè)溫度值，按下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)

242

243 a

聚合物基復(fù)合材料

相同的試驗(yàn)條件，對于商品化的熱天平其試驗(yàn)結(jié)果有可比性。

準(zhǔn)強(qiáng)，能準(zhǔn)確地測量物質(zhì)的質(zhì)量變化及變化速來，然而其試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)條件有關(guān)，其要選用

第13章聚臺物基復(fù)合材料的性能測試

算該材料的表現(xiàn)熱裂解活化能Ep。

En=Eo+RC

(13-45)

差熱分析法和示差掃描量熱法

M 13.4.2

式中，w，為試樣總失重。mg：W為試樣的失重，mg：W／W，為失重百分?jǐn)?shù)；。為對

即在程序溫度控制下研究物質(zhì)性質(zhì)和溫度間函數(shù)關(guān)系的一種方法，它是研究物質(zhì)物理化性質(zhì)的

（1）差熱分析法（DTA）差熱分析是在程序溫度控制下測量試樣與參比物之間的溫度差。

應(yīng)于每一個(gè)WW，的溫度值，C：R為氣體常數(shù)8.314J／（mol·K）；C。為系數(shù)；E。為常數(shù)，

一種重要方法。

J/mol. 隨時(shí)間呈線性上升，在爐子中放著被測試樣和參比物，在試樣池和參比物的底部分別裝有規(guī)能

原理：差熱分析儀的爐子由電熱絲加熱，電熱絲電壓受程序溫度控制器控制使?fàn)t子溫度能

熱壽命線的斜率：

E. b

2.303R 19.147

(13-46)

偶，將這兩個(gè)池下的熱電偶反向串接送至放大器，經(jīng)放大后送至記錄儀，同時(shí)爐子中熱電偶或

取兩次試驗(yàn)的平均值作為結(jié)果，兩次試驗(yàn)的相對誤差不大于2％。

參比物池下的熱電偶送出的UT也送至記錄儀，由此記錄ΔT和T.

熱效應(yīng)和儀器上顯示圖形面積之比往往不是常數(shù)，致使定量計(jì)算發(fā)生一定困難，為克服這一缺

差熱分析雖能定量，但對試樣池的材料和形狀等要求都很高，且當(dāng)?shù)人偕郎貢r(shí)試樣發(fā)生的

由t、r、b，按式a＝lgr

273+

計(jì)算得a。按下式計(jì)算材料的溫度指數(shù)td：

點(diǎn)，故進(jìn)一步發(fā)展了示差掃描量熱法（DSC）.

lgro-lgr

（2）示差掃描量熱法（DSC）示差掃描量熱法是20世紀(jì)60年代以后研制的一種熱分析方

273+1

273+t

(13-47)

法，它是在程序控制溫度下，測量輸人到試樣和參比物的功率益與溫度的關(guān)系的一種技術(shù)，根

式中，ro為壽命界限值，取30000h。

據(jù)測量方法的不同可分為3種類型：功率補(bǔ)償型DSC、熱流型 DSC和熱通量型DSC．示差掃描量熱法其主要特點(diǎn)是使用溫度范圍較寬（—200～80℃）、試樣用量少、分辨能力高、靈敏度高、

13.3 耐燃燒性

能直接從DSC曲線上的峰形面積得到試樣的放熱或吸熱量、能定量測定各種熱力學(xué)參數(shù)和動力

學(xué)參數(shù)，故獲得廣泛應(yīng)用。

隨著聚合物基復(fù)合材料用途的日益擴(kuò)大，對其耐燃燒性要求顯得更加重要，人們通過改變

結(jié)構(gòu)、改性、共混、復(fù)合等手段改善和提高復(fù)合材料的耐燃燒性。測試?yán)w維增強(qiáng)塑料的耐燃燒

13.5 吸水性

性有間接火焰法、直接火焰法、氧指數(shù)法等。這些方法可用于產(chǎn)品質(zhì)量控制和評價(jià)，但不適用

于實(shí)際使用時(shí)評定潛在著火危險(xiǎn)性。

復(fù)合材料功吸水性（參閱GB／T 1463—2005）大小不僅與選用的原材料（樹脂、纖維及表

間接火焰法一般用于硬質(zhì)塑料、纖維增強(qiáng)塑料的試驗(yàn)。引燃源采用由電加熱的灼燒硅碳棒

面處理劑等）有關(guān)，而且吸水時(shí)間、浸泡溫度、試樣厚度、試樣表面積和試樣中纖維的排列方

(GB/T 2407-2008).

向等對復(fù)合材料的吸水性都有重要的影響。

直接火焰法一般適用于軟質(zhì)塑料（泡沫塑料、塑料薄片薄膜），這類方法中又可根據(jù)試樣放

復(fù)合材料吸水后的含水量對其絕緣電阻、介質(zhì)損耗、力學(xué)性能、外觀和尺寸等有較大的影

置位置不同分為水平法、垂直法和45°法等。這類方法的引燃源均采用明火，因此點(diǎn)燃溫度要比

響，通過吸水性的測定可了解水分對上述性能的影響程度，從而為生產(chǎn)和使用復(fù)合材料提供參

間接火焰法低一些（GB／T 2408—2008，GB4609—1984）。

考依據(jù)。

氧指數(shù)法是測定塑料、增強(qiáng)塑料材料試樣在氧氣和氮?dú)獗壤芸氐臍夥窄h(huán)境中能被點(diǎn)燃的

吸水性可采用吸水質(zhì)量、單位面積吸水量以及吸水率表示：

最低氧氣比例濃度（GB／T 2406.1—2008）。

W=G1-G2 G1-G2 Ws= S

13.4 熱穩(wěn)定性

G1-G2 x100

(13-48)

Wv.G=G2

熱穩(wěn)定性是聚合物基復(fù)合材料的重要性能。復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性主要取決于聚合體基體的

熱穩(wěn)定性。當(dāng)基體受熱分解破壞后，其復(fù)合材料也失去力學(xué)性能，一般采用熱分解溫度來衡量

式中，W為吸水質(zhì)量，g；G1為試樣浸水后的質(zhì)量，g；G2為試樣浸水后第二次干燥后的

其熱穩(wěn)定性。測定高分子材料和聚合物基復(fù)合材料的熱分解溫度可用熱重法（TG）、差熱分析

質(zhì)量，g：Ws為單位面積吸水量，g／㎡；S為試樣整個(gè)表面積，m；Wv.G為吸水率.％。

法（DTA）和示差掃描量熱法（DSC）等。

13.4.1 熱重法

13.6 耐化學(xué)腐蝕性熱重法（TG）是在程序控制溫度下，測量物質(zhì)質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。熱重法試驗(yàn)得

復(fù)合材料的耐化學(xué)腐蝕性是指其在酸、堿、鹽以及有機(jī)溶劑等化學(xué)介質(zhì)中的長期工作性能。

到的曲線稱為熱重曲線（TG曲線），其縱坐標(biāo)為質(zhì)量，橫坐標(biāo)為溫度（或時(shí)間）。從熱重法可派

由于玻璃鋼具有成型方便、耐腐蝕性能好的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于石油、化工、紡織、冶金、機(jī)

生出微商熱重法（DTG），即TG曲線對溫度（或時(shí)間）的一階導(dǎo)數(shù)。熱重法的主要特點(diǎn)是定量

城等工業(yè)部門。玻璃鋼的耐腐蝕性能與樹脂的含量、品種規(guī)格、結(jié)構(gòu)類型有密切關(guān)系，與玻璃

245

244

聚合物基復(fù)合材料

布的性質(zhì)有關(guān)，與成型工藝條件、固化度、表面微裂紋有關(guān)，與試驗(yàn)介質(zhì)、溫度、試樣內(nèi)應(yīng)力、浸泡時(shí)間以及試樣尺寸規(guī)格也有關(guān)，因此統(tǒng)一確定耐化學(xué)腐蝕試驗(yàn)方法是十分必要的。我國制

第14章聚合物基納米復(fù)合材料

訂的國家標(biāo)準(zhǔn)是通過定期靜態(tài)浸泡試驗(yàn)測定玻璃鋼的耐腐蝕性，但對于耐腐蝕級別的評定標(biāo)準(zhǔn)

至今尚無統(tǒng)一規(guī)定，試驗(yàn)方法參閱GB／T 3857—2017．14.1 概論

納米技術(shù)是在0.1～100nm尺度范圍內(nèi)，研究電子，原子和分子運(yùn)動規(guī)律與特征的一門新興學(xué)科，其研究目的是按人的意志，直接操縱電子、原子或分子，研制出人們所希望的、具有特定功能特性的材料與制品。納米技術(shù)涵蓋納米材料、納米電子和納米機(jī)械等技術(shù)，目前可以

實(shí)現(xiàn)的技術(shù)是納米材料技術(shù)。

納米材料是指顆粒尺寸在納米量級（0.1～100nm）的超細(xì)材料，它的尺寸大于原子簇而小

于通常的微粉，處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域。納米材料科學(xué)是凝聚態(tài)物理、膠體化學(xué)、配位化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、表面、界面等學(xué)科的交叉學(xué)科，是現(xiàn)代材料科學(xué)的重要組成部分。納米材料在結(jié)構(gòu)、光電和化學(xué)性質(zhì)等方面的誘人特征，引起材料學(xué)家的濃厚興趣，使之

成為材料科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。納米材料對新材料的設(shè)計(jì)與發(fā)展以及對固體材料本質(zhì)結(jié)構(gòu)性能量

的認(rèn)識都具有十分重要的價(jià)值。

（1）納米材料的結(jié)構(gòu)

納米粒子按成分分可以是金屬，也可以是非金屬，包括無機(jī)物和有機(jī)高分子等；按相結(jié)構(gòu)分可以是單相，也可以是多相；根據(jù)原子排列的對稱性和有序程序，有品態(tài)、非晶態(tài)、準(zhǔn)晶態(tài)。納米粒子的形狀及其表面形貌也多種多樣，納米級材料（粒子）尺寸小，比表面積大，位于表面上的原子占相當(dāng)大的比例。因此一方面納米級材料表現(xiàn)為具有殼層結(jié)構(gòu)，其表面層結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)部完整的結(jié)構(gòu)（包括鍵態(tài)、電子態(tài)、配位數(shù)等）；另一方面納米級材料（粒子）的體相結(jié)構(gòu)也受到尺寸制約，而不同于常規(guī)材料的結(jié)構(gòu)，且其結(jié)構(gòu)還與制備方法有關(guān)，從原子間相互作用來考慮，構(gòu)成材料的化學(xué)結(jié)合力主要有4種：范德瓦耳斯力、共價(jià)鍵、金屬鍵和離子鍵。由于材料的結(jié)合力與原子間距有關(guān)，而納米級材料（粒子）內(nèi)部的原子間距與相應(yīng)的常規(guī)材料不同，其結(jié)合力性質(zhì)也就相應(yīng)地發(fā)生變化，表現(xiàn)出尺寸依賴性，因此，幾乎所有的納米材料（粒子）都部分地失去了其常規(guī)的化學(xué)結(jié)合力性質(zhì)，表現(xiàn)出混雜性，這已經(jīng)被許多理論和實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。公筑園

（2）納米材料的特性

①體積效應(yīng) 體積效應(yīng)又稱小尺寸效應(yīng)，當(dāng)納米粒子的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干波長等物理尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，其周期性的邊界條件將被破壞，光吸收、電磁、化學(xué)活性、催化等性質(zhì)和普通材料相比發(fā)生很大變化，這就是納米粒子的體積效應(yīng)。納米粒子的體積效應(yīng)不僅大大擴(kuò)充了材料的物理、化學(xué)特性范圍，而且為實(shí)用化拓寬了新的領(lǐng)域。例如納米尺度的強(qiáng)磁性顆粒可制成磁性信用卡；納米材料的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于其原先材料的熔點(diǎn)，這為粉末冶金提供了新工藝；利用等離子共振頻率隨顆粒尺寸變化的性質(zhì)，制造具有一定頻寬的微波吸收納米材料，用于電磁波的屏蔽等。

②表面（或界面）效應(yīng) 表面（或界面）效應(yīng)是指納米粒子表面原子與總原子數(shù)之比，隨

粒徑的變小而急劇增大后所引起性質(zhì)上的變化。表14—1給出了納米粒子尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系。

從表14—1可以看出，隨著粒子半徑的減小，表面原子數(shù)迅速增加。這是由于粒徑減少，表

面積急劇變大所致。由于表面原子數(shù)的增加，表面原子周圍缺少相鄰的原子，具有不飽和性質(zhì)，大大增強(qiáng)了納米粒子的化學(xué)活性，使其在催化、吸附等方面具有常規(guī)材料無法比擬的優(yōu)越性。

246

247

聚合物基復(fù)合材料

量子尺寸效應(yīng)等性質(zhì)，而且將無機(jī)物的制性、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性與聚合物的物性、加工性

第14章聚合物基納米復(fù)合材料

納米粒子優(yōu)異的催化性能已在光催化降解污染物、光催化有機(jī)合成等方面進(jìn)行了有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的探索。

展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。無機(jī)納米復(fù)合材料廣泛存在于自然界的生物體候率，在物學(xué)等領(lǐng)

表14—1 納米粒子尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系

，人工合成的無機(jī)納米復(fù)合材料目前成信增長，不僅有合成的結(jié)米材（細(xì)植物和動物的件質(zhì)）

原子數(shù)／個(gè)

表面原子所占比例／％

石墨層間化合物、黏土礦物—有機(jī)復(fù)合材料和沸石有機(jī)復(fù)合材料等。

、納米氧化物、納米陶瓷、納米無機(jī)含氧酸鹽等）構(gòu)成的有機(jī)基的米復(fù)分相（組鋼來金

粒子半徑／nm

2.5x10

10 20

納米復(fù)合材料的構(gòu)成形式，概括起來有：0—0型、0—1型、0—2型、0—3型、1—3型、2—3型等

3.0x10 2.5x10

主要形式。

常采用原位壓塊、原位聚合、相轉(zhuǎn)變、組合等方法實(shí)現(xiàn)，具有納米構(gòu)造非均勻性，也稱聚集整。

①0—0復(fù)合即不同成分、不同相或不同種類的納米微粒復(fù)合面成的結(jié)米固體或液體，通

06 1

30 ③宏觀量子隧道效應(yīng) 微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度

在一維方向排列稱納米絲，在二維方向排列成納米薄膜，在三維方向排列成納米塊體材料。目

等也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這被稱為納米粒子的宏觀量子

前聚合物基納米復(fù)合材料的0—0復(fù)合主要體現(xiàn)在納米微粒填充聚合物原位形成的納米復(fù)合材料。

隧道效應(yīng)。它的研究對基礎(chǔ)研究及實(shí)際應(yīng)用都具有重要意義。它限定了磁盤等對信息存儲的極

②0—1復(fù)合即把納米微粒分散到一維的納米線或納米棒中所形成的復(fù)合材料。

③0—2復(fù)合即把納米微粒分散到二維的納米薄膜中，得到納米復(fù)合薄膜材料。它又可分

限，確定了現(xiàn)代微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。

為均勻彌散和非均勻彌散兩類，有時(shí)也把不同材質(zhì)構(gòu)成的多層膜稱為納米復(fù)合薄膜材料。

（3）納米復(fù)合材料的分類

④0—3復(fù)合即納米微粒分散在常規(guī)固體粉體中，這是聚合物基無機(jī)納米復(fù)合材料合成的

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organizaton for Standardization，ISO）給復(fù)合材料所下

的定義，復(fù)合材料就是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體

主要方法之一，填充納米復(fù)合材料的合成從加工工藝的角度來講，主要是采用0—3復(fù)合形式。

材料。在復(fù)合材料中，通常有一相為連續(xù)相，稱為基體；另一相為分散相，稱為增強(qiáng)材料。分

⑤1—3復(fù)合主要是納米碳管、納米晶須與常規(guī)聚合物粉體的復(fù)合，對聚合物的增強(qiáng)有特

散相是以獨(dú)立的相態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中，兩相之間存在著相界面。分散相可以是纖維狀、顆

別明顯的作用。粒狀或是彌散的填料。復(fù)合材料中各個(gè)組分雖然保持其相對獨(dú)立性，但復(fù)合材料的性質(zhì)卻不是

⑥2—3復(fù)合從無機(jī)納米片體與聚合物粉體或聚合物前驅(qū)體的發(fā)展?fàn)顩r看，2—3復(fù)合是發(fā)展

各個(gè)組分性能的簡單加和，而是在保持各個(gè)組分材料的某些特點(diǎn)基礎(chǔ)上，具有組分間協(xié)同作用

非常強(qiáng)勁的一種復(fù)合形式。所產(chǎn)生的綜合性能。

納米復(fù)合材料（nanocomposites）概念是Roy R于20世紀(jì)80年代中期提出的，指的是分散

14.2 納米顆粒的制備方法相尺度至少有一維小于100nm的復(fù)合材料。由于納米粒子具有大的比表面積，表面原子數(shù)、表

面能和表面張力隨粒徑下降急劇上升，使其與基體有強(qiáng)烈的界面相互作用，其性能顯著優(yōu)于相

除了單分散的納米級粒子的制備方法有特殊要求以外，大部分納米顆粒的制備方法都可歸同組分常規(guī)復(fù)合材料的力學(xué)性能，納米粒子還可賦予復(fù)合材料熱、磁、光特性和尺寸穩(wěn)定性。

結(jié)如下：①液相法，如溶膠—凝膠法、乳液法和CVD法等；②固相干法，如研磨法、燒結(jié)法、因此，制備納米復(fù)合材料是獲得高性能材料的重要方法之一。納米復(fù)合材料可以按圖14—1進(jìn)行

氣流撞擊法等；③氣相法，如激光氣相沉積法等；④其他特殊方法，如重力分選法等。但無論分類。

采用何種方法，制備納米粒子都有如下要求：①表面光潔；②粒子的形狀及粒徑、粒度分布可控，粒子不易團(tuán)聚；③易于收集；④熱穩(wěn)定性優(yōu)良；⑤產(chǎn)率高.

金屬／金屬

（1）固相法固相法是將金屬鹽或金屬氧化物按一定的比例充分混合，研磨后進(jìn)行煅燒，非聚合物納米復(fù)合材料

金屬／陶瓷

發(fā)生固相反應(yīng)后，直接或再研磨得到超微粒子的一種制備方法；也可將草酸鹽、碳酸鹽通過熱陶瓷／陶瓷

分解反應(yīng)，再經(jīng)研磨，從而得到無機(jī)非金屬氧化物納米粒子。此法設(shè)備和工藝簡單，在滿足產(chǎn)

納米復(fù)合材料

聚合物基

有機(jī)／無機(jī)納米復(fù)合材料

品質(zhì)量的前提下，采用此法的產(chǎn)量高，成本大大降低，但其耗能大，且產(chǎn)品不夠純。主要用于

無機(jī)材料基

聚合物納米復(fù)合材料

分子聚合

粉體的純度和粒度要求不高的情況。例如采用此法合成了單相Ba2TigO20粉體。聚合物／聚合物納米復(fù)合材料

原位聚合

（2）液相法液相法是生產(chǎn)各種氧化物微粒的最主要方法。它的基本原理是：選擇一種或微纖／基體

多種合適的可溶性金屬鹽類，按所制備的材料組成計(jì)量配制成溶液，使各元素呈離子態(tài)（或分子態(tài)），再選擇一種合適的沉淀劑（或用蒸發(fā)、升華、水解等方法），使金屬離子均勻沉淀（或

圖14—1 納米復(fù)合材料分類納米復(fù)合材料與常規(guī)的無機(jī)填料／聚合物復(fù)合體系不同，不是有機(jī)相與無機(jī)相簡單的混合，

結(jié)晶出來），最后將沉淀或結(jié)晶物脫水（或加熱）得到超微粉末。此法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是：對于

而是兩相在納米尺寸范圍內(nèi)復(fù)合而成。由于分散相與連續(xù)相之間界面積非常大，界面間具有很

很復(fù)雜的材料也可以獲得化學(xué)均勻性很高的粉末。液相法有很多，本書現(xiàn)介紹幾種常用的方法。

強(qiáng)的相互作用，可產(chǎn)生理想的粘接性能，使界面模糊。作為分散相的有機(jī)聚合物通常是剛性棒

①溶膠—凝膠法溶膠—凝膠法（sol—gel）又稱膠體化學(xué)法，是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一

狀高分子，包括溶致液晶聚合物、熱致液晶聚合物和其他剛性高分子，它們以分子水平分散在

種制備玻璃、陶瓷等無機(jī)材料的新工藝。基本原理是：將金屬醇鹽或無機(jī)鹽經(jīng)水解直接形成溶

柔性聚合物基體中，構(gòu)成有機(jī)聚合物／有機(jī)聚合物納米復(fù)合材料。作為連續(xù)相的有機(jī)聚合物可以

膠或經(jīng)解凝形成溶膠，然后使溶質(zhì)聚合凝膠化，再將凝膠干燥、燒結(jié)去除有機(jī)成分，最后得到

是熱塑性聚合物、熱固性聚合物。聚合物基無機(jī)納米復(fù)合材料不僅具有納米材料的表面效應(yīng)、

無機(jī)材料。概括起來，包括溶膠的制備、溶膠凝膠轉(zhuǎn)化、凝膠干燥幾個(gè)過程。此方法的優(yōu)點(diǎn)248

249

聚合物基復(fù)合材料

同的激光能量密度可制備出形狀結(jié)構(gòu)不同的的米粉，通常情況下，顆粒相互粘連為鏈狀，條件

第14章聚合物基納米復(fù)合材料

是：粒度小、制品純、溫度低，可比傳統(tǒng)方法約低400～500℃；從同一原料開始，改變工藝過程可獲得不同的制品。用此法制備的粉體粒徑小、顆粒分布均勻、團(tuán)聚少、燒結(jié)度較高、介電

成為世界各國關(guān)注的高新技術(shù)領(lǐng)域。性能較好。

②水解法它是將金屬鹽溶液在高溫下水解生成氫氧化物或水合氧化物沉淀制備納米粒子

14.3 納米熱固性塑料

的一種方法。水解法包括的方法有無機(jī)鹽水解法、金屬醉鹽水解法、噴霧水解法等，其中尤以金屬醇鹽水解法最為常用。

化應(yīng)用的塑料品種之一，以其優(yōu)良的力學(xué)特性、尺寸穩(wěn)定性、良好的耐熱、耐老化性，廣泛地

熱固性塑料包括環(huán)氧、不飽和聚酯、酚醛樹脂、脲醛、三聚氧胺甲醛等，是最早實(shí)現(xiàn)工程

醇鹽水解法通過金屬鹽的水解制備超微粒子，由于金屬醇鹽僅與水反應(yīng)，得到的物質(zhì)純度

高，雜質(zhì)被引人的可能性很小，醇鹽水解法最大的特點(diǎn)是從物質(zhì)的溶液中直接分離出所需要的

應(yīng)用于機(jī)械、電氣電子、石油化工、汽車和航天、航空、武器裝備等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)部件，然而。

超微、粒徑細(xì)、粒度分布范圍窄的超微粉末。該法具有制備工藝簡單、化學(xué)組成可以精確控制、

熱固性塑料的韌性和加工性能相對較差，影響了這類塑料應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，納米材料技術(shù)的出

粉體的性能重復(fù)性好以及產(chǎn)率高（約100％）的特點(diǎn)。目前已合成出TizO、ZrO2（＜10nm）、高熱穩(wěn)定性銳鈦礦型Ti2O納米粉。但本法的主要問題是原料成本高，如能降低成本，則此法將

現(xiàn)及其在塑料改性中的研究與應(yīng)用，給熱固性塑料綜合性能上檔次上水平提供了良好的機(jī)遇。采用共混法將納米SiO2添加到不飽和聚酯中，當(dāng)納米SiO2含量為3％～5％時(shí)，其試樣的耐磨

具有極強(qiáng)競爭力。

性提高1～2倍，莫氏強(qiáng)度由0.13MPa提高到0.27MPa，提高1倍以上，沖擊強(qiáng)度也有明顯提

③微乳液法（或反相膠束法）本法利用兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成

一種均勻的乳液，劑量小的溶劑被包裹在劑量大的溶劑中形成一個(gè)個(gè)微泡，微泡的表面是由表

高。采用可聚合季銨鹽—蒙脫土復(fù)合物與不飽和聚酯共固化，發(fā)現(xiàn)少量的蒙脫土能使不飽和聚酯

面活性劑組成，從微泡中生成固相可使成核、生長、凝結(jié)、團(tuán)聚等過程局限在一個(gè)微小的球形

固化物的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度同時(shí)得到提高，為熱固性聚合物的增強(qiáng)增韌改性開拓了一條新途

液滴內(nèi)，從而形成球形顆粒，又避免了顆粒之間的進(jìn)一步團(tuán)聚。此法制備的納米粒子粒徑小，

徑，用超聲波對納米SiO2進(jìn)行處理，通過溶液共混法制備了納米SiO2／E—44環(huán)氧樹脂塑料，并

單分散性好，實(shí)驗(yàn)裝置簡單、易操作。已合成的有CaCO3、氧化物（Fe3O4、TiO2、SiO2）以

對其結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行了研究，采用的固化劑為甲基四氫苯酐，其數(shù)據(jù)見表14—2。及半導(dǎo)體納米粒子CdSe、PbS、CdS等。

表14—2 納米SiO1／E—44環(huán)氧樹脂塑料的力學(xué)性能

（3）氣相法氣相法是直接利用氣體或通過各種手段將物質(zhì)變?yōu)闅怏w，使之在氣態(tài)下發(fā)生

物理變化或化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚長大形成納米粒子的方法。氣相法的特點(diǎn)是粉末

納米SiO2／E—44環(huán)氧樹脂（質(zhì)量份）

沖擊強(qiáng)度／（kJ／m）

拉伸強(qiáng)度／MPa

斷裂伸長率／％純度高、顆粒尺寸小、顆粒團(tuán)聚少、組分更易控制，且非常適于非氧化物粉末的生產(chǎn)。氣相法

0/100

8.52

38.95

21.7

1/100

9.52

39.56

21.8 又可以分為以下幾種方法。

2/100

15.28

40.70

22.0

①氣相蒸發(fā)法在惰性氣體（或活性氣體）中使金屬、合金或陶瓷蒸發(fā)汽化，然后與惰性

3/100

19.04

50.78

25.6 氣體沖撞、冷卻和凝結(jié)（或與活潑性氣體反應(yīng)后再冷卻凝結(jié)）而形成超微粒子。其中惰性氣體

4/100

15.08

44.01

23.6 5/100

10.15

38.65

21.0

冷凝技術(shù)又稱為蒸發(fā)—凝結(jié)技術(shù)，是最先發(fā)展的制備方法，它是通過適當(dāng)?shù)臒嵩词箍赡晕镔|(zhì)在高溫下蒸發(fā)，然后在惰性氣體下驟冷形成納米粒子。由于顆粒的形成是在很高的溫度梯度下完

從表14—2可看出，在一定范圍內(nèi)，隨著納米SiO2用量的增加，所得塑料的沖擊強(qiáng)度、拉伸

成的，因此制得的顆粒很細(xì)（＜10nm），且顆粒的團(tuán)聚、凝聚等形態(tài)特征可以得到良好的控制。

強(qiáng)度和斷裂伸長率逐漸增加，當(dāng)納米SiO2：E—44環(huán)氧樹脂＝3：100時(shí)，各種性能均達(dá)到最大

但此法不適合金屬氧化物、氮化物等高熔點(diǎn)物質(zhì)。據(jù)報(bào)道科研工作者將加熱源發(fā)展為電弧法加

值。納米SiO2／E—44環(huán)氧樹脂塑料比純E—44環(huán)氧樹脂的沖擊強(qiáng)度提高了124％，拉伸強(qiáng)度提高

熱、電子束加熱、等離子體加熱、激光束加熱，成功地制備了MgO、Al2O3、ZrO2和Y2O3等

了30％，斷裂伸長率提高了18％，但是，如果納米SiO2在E—44環(huán)氧樹脂中分散不均，發(fā)生聚

多種高熔點(diǎn)納米顆粒，同時(shí)還通過引入其他反應(yīng)性氣體，使其在高溫下與蒸發(fā)的蒸氣發(fā)生化學(xué)

集，形成塊狀物，則易在環(huán)氧樹脂基體內(nèi)形成缺陷，使之失去應(yīng)有的增強(qiáng)增韌效果。

反應(yīng)來合成新物質(zhì)（如TiN、AIN）。

②化學(xué)氣相沉積法（CVD）此法是讓一種或數(shù)種氣體在高溫下發(fā)生熱分解或者其他化學(xué)

14.3.1 納米環(huán)氧

反應(yīng)，從氣相中析出超微粒子。此法作為超微粒子的合成具有多功能、產(chǎn)率高、產(chǎn)品純、工藝可控性和過程連續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)。CVD可以在遠(yuǎn)低于材料熔點(diǎn)溫度下進(jìn)行納米材料的合成。利用此

14.3.1.1 納米黏土／環(huán)氧塑料法可以合成得到TiO2、ZrO2、AlzO3、ZnO、SiO2等氧化物。但采用電爐加熱的CVD法的最

環(huán)氧樹脂作為熱固性樹脂的典型代表，具有優(yōu)良的綜合性能和頗為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。環(huán)氧

大局限是反應(yīng)氣體內(nèi)溫度梯度小，合成的粒子不但粒度大，且易團(tuán)聚和燒結(jié)。為此，又開發(fā)了

樹脂最大的不足就是其固化物脆性較大。傳統(tǒng)的增韌材料以彈性體為主，不盡如人意的是：彈

多種制備技術(shù)，其中較普遍的是等離子體CVD、激光CVD技術(shù)等。

性體在增韌的同時(shí)卻犧牲了環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度、剛性和耐熱性等寶貴物理性能。后來，人們探討

等離子體CVD是利用等離子體產(chǎn)生的超高溫激發(fā)氣體發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)利用等離子體高溫區(qū)

用有機(jī)剛性材料改性環(huán)氧樹脂，取得了既增韌又增強(qiáng)的令人矚目的效果。

與周圍環(huán)境形成巨大的溫度梯度，通過急冷作用得到納米顆粒。由于該法易控制，可以得到很

納米級無機(jī)粒子的出現(xiàn)為高分子材料的改性提供了新的方法和途徑。納米無機(jī)粒子以其獨(dú)

高純度的納米顆粒，它也特別適合制備多組分、高熔點(diǎn)的化合物（TiN＋TiB2）等。

特的表面效應(yīng)和量子效應(yīng)而明顯區(qū)別于常規(guī)的粉末填料（微米級無機(jī)粒子）。已有的研究表明，

激光CVD是由美國Haggery等首先于20世紀(jì)80年代初提出的，目前該法已合成出一批具

納米級無機(jī)粒子對聚合物增韌改性效果好、效率高，并且也表現(xiàn)出增韌與增強(qiáng)良好的同步效應(yīng)。

有顆粒粒徑小、不團(tuán)聚、粒徑分布窄等優(yōu)點(diǎn)的超細(xì)粉，產(chǎn)率高，是一種可行的方法。激光能量

納米級無機(jī)粒子表面能大，極易凝聚，用通常的共混法幾乎得不到納米結(jié)構(gòu)的聚合物，有

密度對納米粒子制備影響的研究表明，在大氣中用激光束直接加熱Zn靶制備ZnO納米粉，不

必要加入分散處理劑來促進(jìn)納米粒子的分散，以使其達(dá)到對聚合物的改性效果。利用納米SiO2250

251

聚合物基復(fù)合材料

對環(huán)氧樹脂進(jìn)行增強(qiáng)增韌改性。借助偶聯(lián)劑的作用，采用原位分散聚合法制得了納米SiO2／環(huán)

脂還可用纖維增強(qiáng)材料增強(qiáng)制成復(fù)合材料，還會進(jìn)一步提高制品的綜合性能。

第14章聚合物基納米復(fù)合材料氧樹脂。其制備方法是將厚僅0.96nm、寬厚比100～1000的硅酸鹽薄片均勻分散于樹脂中，可

14.3.1.3 納米TiO2／環(huán)氧塑料

使環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能、熱性能及耐濕熱性能得到進(jìn)一步提高，還可得到一些新工藝性能，從

以納米TiO2為填料制備了納米TiO2／環(huán)氧樹脂塑料，同時(shí)研究了納來TIO2對材料性能的

影響。研究結(jié)果表明，納米TO，經(jīng)表面處理后，可對環(huán)氧樹脂實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)、增問，對材料性值的

而拓寬環(huán)氧樹脂應(yīng)用領(lǐng)域。

數(shù)為3％6時(shí)，材料的拉伸彈性模量較純環(huán)氧塑料提高370％，拉伸強(qiáng)度提高4％，神選度提面

14.3.1.2 納米SiO2／環(huán)氧塑料

采用原位分散聚合法并用偶聯(lián)劑處理納米SiO2粒子制得納米SiO2／環(huán)氧塑料。同時(shí)偶聯(lián)劑

878％，其他性能也有明顯提高。的用量對材料性能具有一定的影響，應(yīng)選擇最佳用量范圍。利用拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、掃描電

影響復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度主要有兩個(gè)因素，一是基體對沖擊能量的分散能力：二是納米TiO2

子顯微鏡、熱失重分析等方法對添加和不加偶聯(lián)劑的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行測定，研究結(jié)

對沖擊能量的吸收能力。一方面，3％納米TiO2填充環(huán)氧有一定程度的相分離，基體對沖擊能量

果表明，在偶聯(lián)劑的作用下，納米SiO2較均勻地分散在環(huán)氧樹脂基體中，有效地增加了環(huán)氧樹

的分散能力增強(qiáng)；另一方面，納米TiO2造成界面應(yīng)力集中，容易引發(fā)周圍的基體樹脂產(chǎn)生微開

脂的強(qiáng)度及韌性，并提高了環(huán)氧樹脂的耐熱性，是一種值得推廣應(yīng)用的納米塑料制造方法。

裂，吸收一定的變形功。兩方面的綜合作用，使3％處理的納米TiO2／環(huán)氧塑料的沖擊強(qiáng)度提高。

（1）偶聯(lián)劑作用及其用量常用的偶聯(lián)劑為長碳鏈型改性氨基硅烷偶聯(lián)劑，其中的烷氧硅

14.3.2 納米不飽和聚酯

基團(tuán)易與納米SiO2表面的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氨基則易與環(huán)氧基反應(yīng)。因此它能使納米SiO2

不飽和聚酯樹脂是制備樹脂基復(fù)合材料（又稱玻璃鋼）的主要原材料之一，由于它具有輕

與環(huán)氧樹脂很好地偶聯(lián)起來，即形成環(huán)氧樹脂—偶聯(lián)劑—納米SiO2的結(jié)合層，從而增強(qiáng)納米

質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、電絕緣、可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，所以廣泛用于軍工產(chǎn)品、交通運(yùn)輸、電器、石

SiO2與環(huán)氧樹脂的界面黏結(jié)。

偶聯(lián)劑用量對環(huán)氧塑料性能的影響如圖14—2所示。從圖中可知，隨著偶聯(lián)劑用量的增加，

油化工、醫(yī)藥、染料、輕工、民用產(chǎn)品和裝飾材料等行業(yè)。材料的沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度都逐漸增加，達(dá)到極大值后均轉(zhuǎn)為下降。極大值時(shí)偶聯(lián)劑用量為納

不飽和聚酯樹脂基復(fù)合材料雖然有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但也有其不足的方面，如

樹脂基體本身硬度較低，莫氏硬度一般只有2級左右（相當(dāng)于石膏的硬度）；耐磨性也較差，如

米 SiO2質(zhì)量的5％。

平時(shí)使用的玻璃鋼浴缸經(jīng)常會很快被磨毛，玻璃鋼管道的耐磨性更加需要提高，人造大理石也16

因耐磨性和硬度較差，不能與天然大理石競爭而失去其應(yīng)有的生命力。

為了提高樹脂的耐磨性、硬度、強(qiáng)度、耐熱、耐水等性能，提高樹脂基復(fù)合產(chǎn)品的質(zhì)量，-14

利用納米SiO2的特殊性能，將其填充到不飽和聚酯樹脂中去，以期改進(jìn)材料的各項(xiàng)性能，使其-12

耐磨、硬度、強(qiáng)度、耐熱、耐水及加工特性都得到大幅度的提高。是

納米SiO2改性不飽和聚酯機(jī)理：①由于納米SiO2顆粒尺寸小、比表面面積大、表面原子

30 25

39 01

0.05 0.1 0.15 0.2

0.25 0.3 0.35

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

數(shù)多、表面能高、表面嚴(yán)重配位不足，因此表面活性極強(qiáng)，容易與樹脂中的氧起鍵合作用，提

0 A858／納米SiO2（質(zhì)量比）

納米SiO2／E—44（質(zhì)量比）

高分子間的鍵力。同時(shí)因?yàn)榧{米SiO2顆粒分布在高分子鍵的空隙中，故使添加納米SiO2的樹圖14—2 納米SiO2／A858環(huán)氧力學(xué)

圖14-3 納米SiO2／E-44-MeTHPA

脂材料強(qiáng)度、韌性、延展性均大大提高，即表現(xiàn)在拉伸強(qiáng)度、沖擊性能等方面的提高。②由于性能隨偶聯(lián)劑用量的變化

體系的力學(xué)性能

納米SiO2其分子狀態(tài)是三維鏈狀結(jié)構(gòu)，且表面存在不飽和鍵及不同鍵合狀態(tài)的羥基，與樹脂中（2）納米SiO2／環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能圖14—3是未加偶聯(lián)劑體系的力學(xué)性能。從圖中可看

氧鍵結(jié)合或嵌在樹脂鍵中，可增強(qiáng)樹脂的硬度。由于納米SiO2的小尺寸效應(yīng)，使材料表面細(xì)潔出，材料的力學(xué)性能隨納米SiO2添加量的增多先變優(yōu)后變劣。當(dāng)納米SiO2／A858為3／100（質(zhì)

度大大改善，摩擦系數(shù)減小，加之納米顆粒的高強(qiáng)性，因此使材料耐磨性大大提高，且表面光量比）時(shí)，材料沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度的極大值分別為11.8kJ／㎡、47.1MPa，與基體相比，復(fù)

潔程度好。③由于納米SiO2顆粒小，在高溫下仍具有高強(qiáng)、高韌、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可使材合體系沖擊強(qiáng)度提高了39％，拉伸強(qiáng)度提高了21％。

料的表面細(xì)潔度增加，使材料更加致密，同時(shí)也增加材料的耐水性和熱穩(wěn)定性。從納米SiO2／環(huán)氧樹脂沖擊試樣斷面的SEM照片可看出，環(huán)氧樹脂為連續(xù)相，納米SiO2

由此可見，將納米SiO2添加到樹脂中，能使玻璃鋼產(chǎn)品的耐磨、硬度、強(qiáng)度、耐熱等一系為分散相，納米SiO2的第二聚集態(tài)的形式（平均粒徑為200nm）能較均勻地分散在環(huán)氧樹脂基

列性能均有大幅度提高，且噴涂施工時(shí)容易噴涂，無異常現(xiàn)象。這對提高產(chǎn)品質(zhì)量并使其升級體中。相比之下，納米SiO2的聚集態(tài)較大，體系受力后產(chǎn)生的微裂紋和微孔穴較少，也說明了

換代具有極其重大的意義。偶聯(lián)劑可促使納米SiO）2與環(huán)氧樹脂之間的界面結(jié)合，有利于納米SiO2在環(huán)氧樹脂中的分散，

14.3.3 納米炭粉改性酚醛

提高了它對環(huán)氧樹脂的改性效果。

大量研究表明納米體系在偶聯(lián)劑的作用下與環(huán)氧樹脂存在著強(qiáng)的相互作用，使鏈段運(yùn)動受

炭粉／酚醛復(fù)合材料一直作為固體火箭發(fā)動機(jī)噴管燒蝕防熱材料，主要是其抗燒蝕性能適

到束縛，從而提高了復(fù)合體系發(fā)生熱分解所需的能量，即材料的耐熱性得到了提高。由此可得

中、成本低、工藝性能好、質(zhì)量穩(wěn)定性高、周期短等優(yōu)異性能所決定的。但酚醛復(fù)合材料所用出如下結(jié)論。

的基體樹脂僅一兩個(gè)品種，如F01—36氨酚醛及低壓頓酚醛，這兩種樹脂抗燒蝕性能并不十分理

①氨基硅烷偶聯(lián)劑能促使納米SiO2在環(huán)氧樹脂中均勻分散，使其對環(huán)氧樹脂起到較好的

想，一方面樹脂成碳率低（小于54％），布帶制品燒蝕分層是關(guān)鍵技術(shù)難題；另一方面樹脂碳化

增強(qiáng)增韌作用，并提高環(huán)氧樹脂的耐熱性。

后高溫下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏低，導(dǎo)致擴(kuò)張段整體熱結(jié)構(gòu)下降，降低了發(fā)動機(jī)工作可靠性。20世紀(jì)70年

②納米SiO2／環(huán)氧樹脂在較均勻分散的前提下，偶聯(lián)劑與納米SiO2的最佳用量比為5：100

代初，酚醛樹脂性能改性研究中相繼出現(xiàn)重金屬改性酚醛（鋁酚醛、鎢酚醛）、雜元素改性酚醛

（質(zhì)量比），納米SiO2與環(huán)氧樹脂的最佳用量比為3：100（質(zhì)量比）；改性的納米SiO2／環(huán)氧樹

（如硼酚醛）、苯基結(jié)構(gòu)改性酚醛（9403—1），以及提高酚醛樹脂純度如高純氨酚醛樹脂、開環(huán)聚252

233

沖擊強(qiáng)度／（kJ／㎡）

拉伸強(qiáng)度／MPa

擊強(qiáng)度／（kJ

拉伸強(qiáng)度／MPa

聚合物基復(fù)合材料

表14-5

第14章聚合物基納米復(fù)合材料唑、聚苯并噻唑、聚酸亞胺樹脂、聚芳基乙炔等成碳率高于鋇酚醛，但作為噴管抗燒蝕材料基

合酚醛等眾多酚醛樹脂體系，但樹脂成碳率均不超過60％。聚苯并味唑、聚喹噁唑、聚苯并喝

納米炭粉對酚醛樹脂炭化后層間剪切強(qiáng)度的影響

碳化溫度

■酚醛差，限制了其應(yīng)用范圍，國內(nèi)外先后開展了炭粉及石墨改進(jìn)酚醛體系，如CTL、91LD、SC1008

體樹脂，存在問題更多，如成型工藝、價(jià)格、原料供應(yīng)等，由于酚醛樹脂成碳率低，成碳結(jié)構(gòu)

/℃

高碳酚醛 X

S C./%

含納米碳粉高碳酸酸 X

S 室溫

18.4

C./%

酚醛樹脂中添加F—1069、P—33炭粉，由于其粒徑在100nm以以上，所以沒有改變材料的根本性

300

17.7 0.91

20.9

C./% 能。只有當(dāng)填料粒子減小至納米級的某一尺寸，則材料的物性才發(fā)生突變，與同組分的常規(guī)材

12.3 1.9 5.2 18.1 1.8

26.5

400

15 13.4

10 23.1

0.11 料性能完全不同。但由于同種材料的不同性能對納米填料而言具有不同的臨界尺寸，而且對同

500

10.1 0.46 4.6

2.2 17 19.3

1.8 700

1.43 0.21

10.5 2.0 19

1.7

8.7 一性能的不同材料體系相應(yīng)的臨界尺寸也有差異，因此納米級材料表現(xiàn)出強(qiáng)烈的尺寸依賴性，

900

2.18

11 2.3 0.45

18.1 1.6 8.8

0.49 22 1.73

19 7.5 1.5

因此選擇合適的納米級炭粉尤為重要。而納米炭粉粒子所具有的粒徑小、比表面面積大、界面

0.33 19 5.38 0.37

6.9

原子數(shù)多，存在大量的不飽和鍵及懸鍵，化學(xué)活性高，極易形成尺寸較大的團(tuán)聚體，在樹脂體系中分散時(shí)，由于分散方法及分散劑不合適，會出現(xiàn)納米粒子異常長大情況，難以發(fā)揮納米增

14.4

聚合物—納米復(fù)合材料的應(yīng)用

強(qiáng)相的獨(dú)特作用。通過對納米炭粉種類篩選、粒子尺寸、分散方法及分散劑選擇等工藝實(shí)驗(yàn)，可制備表觀質(zhì)量均勻的含納米炭粉酚醛樹脂溶液，這種酚醛溶液能長期保持穩(wěn)定，采用布帶浸

（1）先進(jìn)儲氫材料在汽車中的應(yīng)用氫氣是人類最理想的燃料，氫氣燃燒提供動力的同時(shí)

膠機(jī)進(jìn)行浸膠，制備了質(zhì)量均勻的碳／酚醛膠帶。采用不同的試驗(yàn)方法研究了納米炭粉對樹脂體

又還原成水，水既無污染，又是制氫的原料，如此循環(huán)往復(fù)，經(jīng)久不竭。氫氣作為汽車的新燃

系熱解性能的影響，納米炭粉對碳／酚醛材料力學(xué)性能、燒蝕性能及熱性能的影響，并且為提高

料有一個(gè)重要問題，就是氫氣的儲存問題。氫氣的密度最小，為0.09g／L，只有空氣質(zhì)量的碳／酚醛材料性能提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1／5，很容易飛散。氫氣與空氣的混合比達(dá)到1：34.2時(shí)又容易點(diǎn)燃爆炸。所以在使用氫氣時(shí)，

（1）制備工藝納米炭粉改性酚醛制品的制備工藝與普通的酚醛復(fù)合材料制備工藝基本相

既要使氫氣的儲存量達(dá)到所要求的行駛里程，又要注意安全，目前最先進(jìn)的儲氫材料是碳納米分散

同，其工藝流程為：炭粉＋樹脂均勻分散體系→布帶浸膠→壓制層壓板。

管，隨著各國科學(xué)家對碳納米管結(jié)構(gòu)、性質(zhì)研究的不斷深入，碳納米管必將以其獨(dú)特的空隙結(jié)在制備過程中要注意：納米炭粉含量、分散方法對材料的燒蝕性能影響很大，在相同條件

構(gòu)、大的長徑比、高的比表面積和量子尺寸效應(yīng)服務(wù)于人類。下測試的納米炭粉材料的燒蝕性能，其結(jié)果列于表14—3。由表可知，當(dāng)炭粉含量增加時(shí)，材料

儲氫碳納米管復(fù)合材料在開發(fā)燃料電池上大有應(yīng)用空間，未來的汽車必以氫能作為動力，層間剪切強(qiáng)度增加、線燒蝕率下降，質(zhì)量燒蝕率變化規(guī)律不明顯。從工藝性能及材料性能綜合

傳統(tǒng)的金屬或合金儲氫遠(yuǎn)不能滿足這一要求，一輛能跑動500km的汽車，儲氫量需為6％（質(zhì)考慮，炭粉含量選擇在25％～30％，所得的材料綜合性能較好。

量分?jǐn)?shù)），如今的金屬儲氫只能達(dá)到1％～2％，但碳納米管卻可能達(dá)到10％以上。氫燃料儲存在碳納米管中既方便又安全，而且這種儲氫方式是可逆的，氫氣用完了可以再“充氣”，把常溫

表14—3 炭粉含量對碳／酚醛材料性能的影響

下體積很大的氫氣儲存在體積不大的碳納米管中，用之作為氫燃料驅(qū)動汽車，是未來汽車實(shí)現(xiàn)樹脂中炭粉

緯向剪切強(qiáng)度

經(jīng)向剪切強(qiáng)度

氧乙炔線蝕率

氨乙烯質(zhì)量燒

綠色燃料驅(qū)動的主要發(fā)展方向。

含量／％

/MPa

/(mm/s)

蝕率／（g／s）

氫的燃燒有兩種方式：熱化學(xué)方式和電化學(xué)方式，盡管產(chǎn)物都是水，但因前者是在高溫下

9.5

19.8

0.021

0.0396 14.6

24.9

0.028

0.0397

釋放能量，有可能伴隨少量氮氧化物；后者是在常溫下釋放能量，產(chǎn)物只有水，因此是對環(huán)境

14.6

16.7

31.1

0.025

0.0475

沒有任何污染的零排放（zero emission）過程。氫能的電化學(xué)釋放過程是在氫電池中完成的。以26.4

26.4

29.3

0.014

0.0416

氫燃料電池驅(qū)動電動機(jī)的氫能汽車是真正的無污染的綠色汽車（ZEV）。

1997年，美國國立可再生資源實(shí)驗(yàn)室的Dillon等采用低溫吸氫、室溫放氫的方法研究了電

（2）納米炭粉對碳／酚醛材料力學(xué)性能的影響對納米炭粉高碳酚醛、鋇酚醛及高碳酚醛材

弧法制備未經(jīng)提純處理的單壁碳納米管（單壁碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.1％～0.2％）的儲氫

料在常溫下綜合力學(xué)性能及高溫炭化后的材料層間剪切強(qiáng)度進(jìn)行了測試，試驗(yàn)結(jié)果表明，納米

性能，從相關(guān)結(jié)果推測出純凈單壁碳納米管的質(zhì)量儲氫能力可達(dá)5％～10％，一臺氫燃料電池驅(qū)

炭粉改進(jìn)后的酚醛材料綜合性能得到大幅度提高。表14—4、表14—5說明納米炭粉能大幅度提高

動的電動汽車在500km的行程中需要消耗3.1kg氫氣，根據(jù)普通小汽車油箱的容量推算，儲氫

材料高溫下層間性能，特別是在900℃條件下，層間剪切強(qiáng)度達(dá)到C／PAA常溫下的力學(xué)性能，

材料的質(zhì)量儲氫能力必須達(dá)到6.5％以上才能滿足要求。Dillon等在研究各種儲氫方法后指出，

炭納米粒子的增強(qiáng)效應(yīng)得到了充分發(fā)揮；而不含炭粉材料體系的層間性能隨溫度提高大幅度下

單壁碳納米管是目前唯一可能達(dá)到這一指標(biāo)的儲氫材料，從而受到廣泛的關(guān)注。

（2）納米吸波復(fù)合材料的發(fā)展趨勢目前吸波復(fù)合材料還存在頻帶窄、效率低、密度大等

降。因此納米炭粉對材料常溫、高溫下力學(xué)性能均有貢獻(xiàn)。表14—4 納米炭粉對酚醛樹脂常溫下力學(xué)性能的影響

諸多缺點(diǎn)，因而應(yīng)用范圍受到一定限制。發(fā)展多波段兼容型吸波材料，即能兼容雷達(dá)波、紅外彎曲強(qiáng)度／MPa

拉伸強(qiáng)度／MPa

拉伸模量／GPa

壓縮強(qiáng)度／MPa

壓縮模量／GPa

剪切強(qiáng)度／MPa

和激光等波段的吸波復(fù)合材料，拓寬吸波波段，是今后研究的方向之一.經(jīng)向

緯向經(jīng)向緯向經(jīng)向緯向經(jīng)向緯向經(jīng)向緯向經(jīng)向緯向

涂覆型吸波復(fù)合材料在吸波復(fù)合材料的研究中一直占據(jù)重要地位，而且在不斷研究之中。60.5

74.2 36.8

21.5 21.5

現(xiàn)代武器裝備對吸波復(fù)合涂層提出了更苛刻的要求，促使人們不斷探索吸波的新原理與新途徑。

147

229 120 259 34.7 48.5

36.8 25~27

在先進(jìn)復(fù)合材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來的既能隱身又能承載的結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料，具有涂敷型吸波

268

325

45.0

101

43.3 25~27 21.6

復(fù)合材料無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今吸波復(fù)合材料的主要發(fā)展方向。其研制的關(guān)鍵是復(fù)合材料層

257

336 172 338 41.1 55.2 120 186.8 24.2 40.9

24.5

板的研制，其介電性能的設(shè)計(jì)匹配，有“吸、透、散”功能的夾心材料的研制與設(shè)計(jì)及諸因素254

255

聚合物基復(fù)合材料

的優(yōu)化組合匹配等，原材料的篩選、材料力學(xué)性能、電磁特性的選擇和協(xié)調(diào)、吸波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要內(nèi)容，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)在有限的條件約束下為結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料的研究提供了方

和制作工藝、結(jié)構(gòu)型吸波材料的力學(xué)性能和吸波性能的優(yōu)化也是結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料研究的重

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便，有力地促進(jìn)了結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料的發(fā)展。

納米材料的特殊結(jié)構(gòu)引起的量子尺寸效應(yīng)和隧道效應(yīng)等，導(dǎo)致它產(chǎn)生許多不同于常規(guī)材料

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粒材料對這種波的透過率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多，這就大大減少了波的反射率，使得雷達(dá)接收到的反射信號變得很微弱，從而達(dá)到隱身的作用：另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規(guī)微

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磁性液體比重計(jì)。磁性液體對不同密度的物體進(jìn)行分離，控制合適的磁場強(qiáng)度可以使低于某密度

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福州大學(xué)旗山校區(qū)學(xué)府北路機(jī)動車下穿地道工程建設(shè)單位：閩侯縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：張章鎦代建單位：福州市城鄉(xiāng)建總集團(tuán)有限公司

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：林澄盛設(shè)計(jì)單位：福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司

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項(xiàng)目經(jīng)理：

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總監(jiān)理工程師：林慶勇開工日期：2021年12月10日

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工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書

（金工實(shí)習(xí)）陳學(xué)永

主編吳傳宇

副主編機(jī)械工業(yè)出版社

CHINA MACHINE PRESS

免費(fèi)電子課件

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

陳學(xué)永主編吳傳宇副主編

國目（C）據(jù)

、■ ■由亞：海北—謝生學(xué)金

018() 8-5800-111-1-8T

號■ -8-①

W 中國融本國書宿C印P聚據(jù)字（2018）第208816號

工作市（京市豆正E限22號地密園100033）

貨：張亞一

業(yè)：鐵：升 ■■ 計(jì)有限公司印制

201日 x1335 家：／038—3—111—0233—8

08.00■ 0001088-010 010888

10.0 機(jī)械工業(yè)出版社

人0元

本教材以制造工藝為主線，以基本理論知識為基礎(chǔ)，側(cè)重技能訓(xùn)練和實(shí)際操作能力的培養(yǎng)。在保留傳統(tǒng)金工實(shí)習(xí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增加了現(xiàn)代制造設(shè)備和現(xiàn)代制造技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，并融合了長期工程實(shí)訓(xùn)實(shí)踐的理念和經(jīng)驗(yàn)。教材內(nèi)容包括金工實(shí)習(xí)的基本知識、鑄造、鍛壓、焊接、車削、銑

前言

削、刨削、磨削與鏡削、鉗工、數(shù)控加工和現(xiàn)代制造技術(shù)，共11章。教師在使用本教材的過程中，可根據(jù)學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)和課時(shí)靈活安排，選取合適的教學(xué)內(nèi)容。

本教材可作為普通高等工科院校、農(nóng)林特色院校的機(jī)械類或者近機(jī)類各專業(yè)學(xué)生金工實(shí)習(xí)的指導(dǎo)用書，也可作為高職高專等院校相關(guān)專業(yè)的教材。

金工實(shí)習(xí)作為高等院校工科學(xué)生接受實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。學(xué)生通過實(shí)踐操作初步掌握零件的加工工藝，了解毛坯的制造方法，熟悉所用設(shè)備的構(gòu)造、原理和使用方法等，為學(xué)生學(xué)習(xí)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（金屬工藝學(xué)）等有關(guān)后續(xù)課程奠定基礎(chǔ)。隨著高等工科院校實(shí)習(xí)條件的不斷改善和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革的不斷深入，金工實(shí)習(xí)的內(nèi)容不僅包括傳統(tǒng)機(jī)械制造方面的各種加工工藝技術(shù)，還包括數(shù)控加工、現(xiàn)代制造技術(shù)等加工方式。

為了使學(xué)生掌握傳統(tǒng)的加工方式，同時(shí)了解現(xiàn)代加工方式，適應(yīng)新教材技術(shù)發(fā)展和就業(yè)崗位要求，本教材編寫時(shí)以基本理論知識為基礎(chǔ)，側(cè)重技能訓(xùn)練和實(shí)際操作能力的培養(yǎng)。本教材在保留了鑄造、鍛壓、焊接、車削、銑削、刨削、磨削與鏜削、鉗工等傳統(tǒng)的金工實(shí)習(xí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增加了先進(jìn)制造設(shè)備（數(shù)控車床、加工中心等）和現(xiàn)代制造技術(shù)（特種加工、快速原型制造技術(shù)等）的相關(guān)內(nèi)容。

圖書在版編目（CIP）數(shù)據(jù)

全書共11章，以制造工藝為主線進(jìn)行劃分，包括金工實(shí)習(xí)的基本知識、鑄造、鍛壓、焊接、車削、銑削、刨削、磨削與鏜削、鉗工、數(shù)控加工和現(xiàn)代制造技術(shù)。教師在使用本教

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書：金工實(shí)習(xí)／陳學(xué)永主編.一北京：機(jī)械工業(yè)出版社，

材的過程中，可根據(jù)學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)和課時(shí)靈活安排，選取合適的教學(xué)內(nèi)容。

2018.9（2023.1重印）本教材由福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院陳學(xué)永擔(dān)任主編，吳傳字擔(dān)任副主編。參與本書編

ISBN 978-7-111-60873-8 寫的還有鄭書河、陳仕國、陳向文、胡立華、李海蕓、高育森。

1．①I—·H．①陳···II．①金屬加工—實(shí)習(xí)—高等學(xué)校—教材

由于編者的水平和經(jīng)驗(yàn)有限，書中難免有不足之處，懇請廣大讀者批評指正。

N.①TG-45 中國版本圖書館CIP數(shù)據(jù)核字（2018）第208816號

編者

機(jī)械工業(yè)出版社（北京市百萬莊大街22號郵政編碼100037）

策劃編輯：吉玲

責(zé)任編輯：吉玲張亞捷

任正一

責(zé)任校對：潘蕊

封面設(shè)計(jì)：張靜

責(zé)任印制：郜敏北京盛通商印快線網(wǎng)絡(luò)科技有限公司印刷

21 2023年1月第1版第7次印刷

184mmx260mm·12印張·292千字

標(biāo)準(zhǔn)書號：ISBN 978—7—111—60873—8

32 定價(jià)：29.80元

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0---00 1三

殺AA日

三、車床的傳動系統(tǒng)

1二、刨床的組成

105 四、車床附件及其工件的裝夾

1三、牛頭創(chuàng)床的傳動系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)的

··············69

五、其他車床

調(diào)整

105

Contents

第三節(jié) 車刀

四、工件的安裝

....107 一、車刀的組成和結(jié)構(gòu)

五、其他刨床

108 二、車刀的幾何角度

第三節(jié)

刨刀及安裝

109 三、車刀的安裝

一、常見刨刀·

.........

109 四、車刀的刃磨

三、刨刀的安裝

109

前言

四、低壓鑄造

··30

第四節(jié)

車削安全生產(chǎn)規(guī)程

第四節(jié) 刨削方法

···················110

第一章

金工實(shí)習(xí)的基本知識

五、離心鑄造

············30

第五節(jié) 車削方法

一、刨平面

110

六、其他鑄造方法

3 一、車外圓

二、創(chuàng)垂直面和斜面

..·.110

第一節(jié) 概述第二節(jié) 工程材料

復(fù)習(xí)思考題

二、車端面和臺階

三、刨矩形工件··

110

一、金屬材料

第三章鍛壓

三、車床上孔的加工

四、刨溝槽

110

二、非金屬材料

第一節(jié) 概述

四、車錐面

·..······83

五、插削······

········111

三、復(fù)合材料

第二節(jié) 鍛坯的加熱和鍛件的冷卻33

五、車成形面

六、拉削··

111

第三節(jié) 鋼的熱處理

一、鍛壞的加熱

六、切槽和切斷

復(fù)習(xí)思考題

.........

112

一、普通熱處理

二、鍛件的冷卻

七、車螺紋

第八章

磨削與鏜削

113

二、表面熱處理

第三節(jié) 鍛壓方法

八、滾花

第一節(jié) 磨削

113

第四節(jié) 切削加工基本知識5

一、自由鍛

九、零件車削工藝實(shí)例

一、概述

113

一、切削運(yùn)動及切削用量·5

二、胎模鍛和模鍛

二、磨床·

復(fù)習(xí)思考題

114

二、刀具材料：

三、板料成形

第六章銑削

三、砂輪

16· 116

三、常用量具

·7

第四節(jié) 特種鍛壓

第一節(jié) 概述

四、磨削方法··

118

復(fù)習(xí)思考題

特種鍛造

第二節(jié) 銑床

五、磨削力

一、 119

119

第二章鑄造

一、銑床的型號

六、磨削溫度

二、特種沖壓 92

七、磨削表面的表面粗糙度

120

第一節(jié) 概述

第五節(jié)

鍛壓生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)

二、銑床的組成

.....

第二節(jié) 砂型鑄造

第六節(jié)

鍛壓技術(shù)的發(fā)展

49 第二節(jié)

鏜削·

......122

三、銑床附件及工件的裝夾93

八、磨削液···

·120

一、造型材料

一、計(jì)算機(jī)技術(shù)在鍛壓中的應(yīng)用

四、其他銑床

94 ..........

13 50

第三節(jié) 銑刀

·96

一、鏜床的分類

·122

二、造型方法

二、鍛壓新工藝的發(fā)展趨勢

一、銑刀的種類及用途96

二、鏜刀類型········

122

三、制芯

復(fù)習(xí)思考題

二、銑刀的安裝

······97

三、鏜刀

123

四、造型工藝

51 125

·······.著

第四章焊接

第四節(jié) 銑削方法

復(fù)習(xí)思考題

五、鑄型

六、合型

第一節(jié) 概述

一、銑平面

第九章鉗工

126

第一節(jié) 概述····

126

第二節(jié) 常用焊接方法·

二、鐵臺階面

第三節(jié) 鑄造合金的熔煉、澆注、落砂與

一、焊條電弧焊

三、銑斜面

第二節(jié) 劃線

··········.

.... 清理

66 三．···········127

二、氣焊與切割

四、銑溝槽

一、劃線的作用

127

！高著 66

························

二、澆注

第三節(jié)

焊接技術(shù)的發(fā)展62

五、銑成形面

100

二、劃線工具及使用127

101

三、劃線涂料

129

三、落砂

一、

計(jì)算機(jī)技術(shù)在焊接中的應(yīng)用

..........

································1密長

七、銑削運(yùn)動及銑削用量··············

101

四、劃線基準(zhǔn)·

四、清理

二、焊接技術(shù)的新發(fā)展

..... 27

復(fù)習(xí)思考題

復(fù)習(xí)思考題··

102

五、劃線步驟及注意事項(xiàng)

130

第四節(jié) 鑄件缺陷分析

第七章刨削

......·104

六、劃線分類

·.·......····130

第五節(jié) 特種鑄造

·························

第五章車削

一、金屬型鑄造

第一節(jié) 概述

.65

104

第三節(jié)

···三

···············131

二、熔模鑄造

·66

第二節(jié) 創(chuàng)床·

一、鏨削工具

·························10

第二節(jié) 車床

.66

一、創(chuàng)床的型號.

二、鏨削過程

131

···········131

三、壓力鑄造

一、車床的型號

.66

·······························104 IV

二、車床的組成

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

132

一、數(shù)控機(jī)床的組成·

········155

三、鏨削的基本操作

132

二、數(shù)控機(jī)床的分類·····.........

四、鏨削方法 951.

五、鏨削時(shí)的注意事項(xiàng)

133

第三節(jié) 數(shù)控編程

第一章

158

134

一、機(jī)床坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系

159

第四節(jié)

鋸削

134

二、數(shù)控編程方法··

一、鋸削工具及選用

161

二、鋸削的基本操作

134

三、數(shù)控代碼

161

金工實(shí)習(xí)的基本知識

135

四、數(shù)控程序的結(jié)構(gòu)與格式

三、鋸削方法

·············1

四、鋸削安全注意事項(xiàng)··.....

136

五、程序編制中的坐標(biāo)系，

165

........... 136

第四節(jié) 數(shù)控車床編程與加工·165

第五節(jié) 銼削一、銼刀及其使用····...

136

一、數(shù)控車床的編程特點(diǎn)·

166

第一節(jié) 概

述

二、銼削的基本操作

137

二、數(shù)控車床編程的注意事項(xiàng)····167

三、銼削方法

138

三、數(shù)控車床編程示例

金工實(shí)習(xí)是一門幫助學(xué)生掌握制造技術(shù)的實(shí)踐基礎(chǔ)課。制造技術(shù)是廠家向用戶或市場提

··············167

四、銼削安全注意事項(xiàng)·

139

第五節(jié) 加工中心編程與加工168

供產(chǎn)品的基本手段。金工實(shí)習(xí)教育的目的是培養(yǎng)學(xué)生的制造技術(shù)能力、動手能力、工程素質(zhì)

第六節(jié) 鉆削·

140

一、加工中心的分類

168

和工程創(chuàng)新能力，其充分體現(xiàn)了基礎(chǔ)性、實(shí)踐性和制造性的特點(diǎn)。

一、鉆孔······

·······140

二、加工中心的特點(diǎn)·

169

·············

二、擴(kuò)孔

142

三、加工中心編程

169

機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是指從原材料（或半成品）投入生產(chǎn)開始到產(chǎn)品生產(chǎn)出來再到交

三、鉸孔

143

第六節(jié)

數(shù)控機(jī)床的發(fā)展

171

付使用的全過程，如圖1—1所示。

四、鉆削安全注意事項(xiàng)·........

143

復(fù)習(xí)思考題

172

制造技術(shù)是完成機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)過程所需方法的總和，是制造業(yè)的技術(shù)支柱。機(jī)械制造技

第七節(jié) 攻螺紋與套螺紋·.......

144

第十一章現(xiàn)代制造技術(shù)

術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造過程的基本環(huán)節(jié)。在機(jī)械加工的流程中，材料的質(zhì)量和性能是通過制造技

173

一、攻螺紋

144

第一節(jié) 概述

173

術(shù)的實(shí)施而發(fā)生變化的。與此相對應(yīng)，機(jī)械加工的方法可分為材料成形法（等材制造）、材

二、套螺紋

145

第二節(jié) 特種加工

173

料去除法（減材制造）和材料累積法（增材制造）。

第八節(jié) 刮削與研磨··.......

146

一、電火花加工

174

一、刮削工具

146

二、電解加工··

175

生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)管理、制造工藝

三、質(zhì)量的檢驗(yàn)·······

146

三、激光加工·

··········.176

三、刮削方法·········

...·····146

四、超聲波加工··.··

176

設(shè)計(jì)信息生產(chǎn)技

備原毛坯機(jī)械裝配產(chǎn)品

············編團(tuán)

·147

五、電子束加工··········

177

術(shù)準(zhǔn)備

材料制造加工檢驗(yàn)

第九節(jié) 裝配·

177

·....······148

六、離子束加工·

一、裝配工藝過程······.....

148

七、復(fù)合加工

177

二、零件的連接方式

149

第三節(jié)

柔性制造系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)集成制造

工藝裝配設(shè)計(jì)、制造或備置

三、常用連接方式的裝配

149

系統(tǒng)

178

圖1—1 機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)過程

四、拆卸工藝

178

150

柔性制造系統(tǒng)

等材制造的加工方法主要有鑄造、鍛壓、焊接等，這些方法為材料成形法，是將原材料

第十節(jié) 鉗工實(shí)習(xí)示例

151

二、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)··········

- 復(fù)習(xí)思考題

轉(zhuǎn)化成所需形狀、尺寸的產(chǎn)品的加工方法。其主要用來制造毛坯，也可以用來制造形狀復(fù)雜

081·

·······154

第四節(jié)

第十章數(shù)控加工

快速原型制造技術(shù)·181

155

第五節(jié)

表面工程技術(shù)

183

但精度要求不太高的零件。鑄造、鍛壓、焊接等方法是在原材料處于液態(tài)或塑性狀態(tài)下進(jìn)行

第一節(jié) 概述

183

加工的，因此又統(tǒng)稱為熱加工。減材制造的切削加工中主要有車削、銑削、刨削、磨削、鉆

155

復(fù)習(xí)思考題

第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床

185

削、鉗工等，由于它們在金屬材料處于常溫或彈性狀態(tài)下進(jìn)行加工，因此又統(tǒng)稱為冷加工。

155

參考文獻(xiàn) 目前，先進(jìn)制造領(lǐng)域中的特種加工（主要有電火花加工、電解加工、超聲波加工、電子束

加工、離子束加工等），也屬于減材制造。另外還有增材制造，也是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，目前主要有3D打印等快速成型制造技術(shù)。目前材料去除法仍然是機(jī)械加工的主要方法，主要用來提高零件的精度和降低表面粗糙度值，以達(dá)到零件的設(shè)計(jì)要求。材料去除法主要分為

傳統(tǒng)的切削加工和特種加工。VI

第一章

金工實(shí)習(xí)的基本知識第二節(jié) 工程材料

（如齒輪、軸、螺栓等）。這類鋼屬于低碳鋼（碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.25％）和中碳鋼（碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25％～0.6％）、常用的牌號有Q215、Q235和40、45鋼。

材料是人類一切生產(chǎn)活動和生活活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類發(fā)展和進(jìn)步的標(biāo)志。在當(dāng)今社

2）碳素工具鋼主要用于制造各種刀具、模具、量具等。這類鋼屬于高碳鋼（碳的質(zhì)量

會，材料、能源和信息已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱。

分?jǐn)?shù)大于0.6％）。常用的牌號有T8、T10、T10A和T12等。

工程材料是指制造工程結(jié)構(gòu)和機(jī)器零件使用的材料的總稱。工程材料可分為金屬材料、

3）合金結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造承受載荷較大或截面尺寸大的重要機(jī)械零件。常用的有低合金結(jié)構(gòu)鋼（Q345、Q390）、調(diào)質(zhì)鋼（40Cr、35CrMo）、彈簧鋼（65Mn、60Si2Mn）和滾動

非金屬材料和復(fù)合材料。

軸承鋼（GCr15、GCr15SiMn）等。

一、金屬材料

4）合金工具鋼主要用于制造各種刀具、模具、量具等。常用的有量具刃具鋼（9SiCr）、模具鋼（Cr12、Cr12MoV、5CrMnMo）。

金屬材料是現(xiàn)代制造中應(yīng)用最廣泛的工程材料，特別是鋼鐵材料的應(yīng)用更為廣泛。

5）特殊性能鋼具有特殊的物理性能、化學(xué)性能，用于制造有特殊性能要求的零件。常

1．金屬材料的性能

用的有不銹鋼（12Cr18Ni9、20Cr13）、耐熱鋼（15CrMo、42Cr9Si2）等。

金屬材料的性能分為使用性能和工藝性能。使用性能是指金屬材料制成的零件或產(chǎn)品在

6）灰鑄鐵廣泛用于制造各種承受壓力和要求消振性好的床身、底座、箱體等。常用的

使用過程中所表現(xiàn)出來的性能。它包括物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能等。工藝性能是指金

牌號有HT150、HT200、HT300等。

屬材料在加工過程中所表現(xiàn)出的性能。

7）球墨鑄鐵可代替碳素結(jié)構(gòu)鋼用于制造一些載荷較大、受力復(fù)雜的重要零件，如曲

金屬材料的物理、化學(xué)性能主要有密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、

軸、連桿、齒輪等。常用的牌號有QT400—18、QT500—7、QT600—3、QT800—2等。

耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。它與零件或產(chǎn)品的用途密切相關(guān)，對制造工藝也有影響。

二、非金屬材料

金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在外載荷作用下所表現(xiàn)出來的性能，主要有強(qiáng)度、塑性、剛度、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度等，它們是表征和判斷金屬材料力學(xué)性能所用的指標(biāo)和依

非金屬材料包括金屬材料以外的幾乎所有材料，工程上常用的有塑料、合成橡膠和陶瓷

據(jù)，稱為金屬材料的力學(xué)性能判據(jù)。

材料等。 1．塑料

（1）強(qiáng)度強(qiáng)度是指金屬材料抵抗永久變形（塑性變形）和斷裂的能力。

塑料以高分子合成樹脂為主要成分，經(jīng)過熱加工和加壓制成。塑料具有密度小、比強(qiáng)度

（2）塑性塑性是指金屬材料斷裂前發(fā)生的不可逆的永久變形的能力。

高、化學(xué)性能穩(wěn)定、摩擦系數(shù)小、耐磨性好、絕緣性能好、消聲吸振性好、加工簡單、生產(chǎn)

（3）硬度硬度是機(jī)械制造現(xiàn)場經(jīng)常使用的力學(xué)性能指標(biāo)，用它可大致評價(jià)其他力學(xué)

率高等優(yōu)點(diǎn)。

性能指標(biāo)，且操作簡單、成本低、不破壞產(chǎn)品零件。硬度值常用布氏硬度HBW和洛氏硬度

HRC表示。

2．橡膠橡膠是以生膠為主要原材料，加入適當(dāng)?shù)牧蚧瘎④浕瘎┑容o助材料制成的材料。主要

（4）韌性韌性是指金屬材料在斷裂前吸收變形能量的能力。

優(yōu)點(diǎn)有彈性好、撕裂強(qiáng)度好、耐疲勞、不透水、不透氣、絕緣等。

金屬材料的工藝性能一般包括鑄造性能、可鍛性、焊接性、可加工性和熱處理性能等。

3．陶瓷材料

它決定著全屬材料的加工制造工藝方法、設(shè)備工裝、生產(chǎn)率及成本效益，甚至?xí)绊懏a(chǎn)品零

陶瓷材料是無機(jī)非金屬材料，目前常用的制造工藝是粉末冶金法。陶瓷在機(jī)械工業(yè)中主

件的設(shè)計(jì)。要用于制造有耐高溫、耐磨、耐蝕等性能要求的零件，如內(nèi)燃機(jī)火花塞、發(fā)動機(jī)的葉片、切

（1）鑄造性能鑄造性能是指金屬及合金在鑄造生產(chǎn)中表現(xiàn)出來的工藝性能，如流動

削高硬度材料的刃具等，也可用作絕緣材料、半導(dǎo)體材料和壓電材料。

性、收縮性、偏析性、透氣性等。

三、復(fù)合材料

（2）可鍛性可鍛性是指用鍛壓成形方法獲得合格鍛件的難易程度。

（3）焊接性焊接性是指金屬材料對去獲得合格軟件的雄易是在一定的焊接工藝條

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，材料復(fù)合后，可

件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。

改善和克服單一材料的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，并能得到單一材料難以達(dá)到的性能和功能。

（4）可加工性可加工性是指切削加工金屬材料的難易程度。

第三節(jié) 鋼的熱處理

（5）熱處理性能熱處理性能是指金屬材料通過熱處理后反映出來的能力。

2．常用的鋼鐵材料解和藥裝是以鐵、蛋為主要成分的合金，又稱鐵碳合金。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于或等于

在毛坯制造和加工之前通常都會對材料進(jìn)行熱處理，熱處理是將鋼在固態(tài)下通過加熱、

2.11％的鐵碳含金稱為鋼；碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11％的鐵碳合金稱為鑄鐵。

保溫后以一定方式進(jìn)行冷卻，使其組織改變而獲得所需性能的工藝方法。熱處理是改善材料

1）數(shù)素結(jié)制主要用于間選經(jīng)分?jǐn)?shù)大于21％的鐵碳合金稱方藥鐵用解）和機(jī)被零件

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

第一章

金工實(shí)習(xí)的基本知識

工藝性能、提高材料的強(qiáng)度、硬度，改善其塑性、韌性等性能，保證產(chǎn)品質(zhì)量，挖指材料潛

力不可缺少的工藝方法。重要的機(jī)械零件在制造過程中一般都要經(jīng)過熱處理。

化學(xué)熱處理是通過改變鋼的表面化學(xué)成分和組織而獲得所需性能的表面熱處理。化學(xué)熱

熱處理的工藝方法很多，可分為普通熱處理和表面熱處理兩大類。

處理的種類很多，主要有滲碳、滲氮、碳氮共滲等，其中以滲碳應(yīng)用最廣。滲碳工藝可使工件具有外硬內(nèi)韌的性能，主要用于承受強(qiáng)烈摩擦又承受沖擊或交變載荷的工件，如拖拉機(jī)的變速齒輪、活塞銷、凸輪、履帶等。

一、普通熱處理

鋼的普通熱處理工藝中，最基本的是退火、正火、淬火與回火，如圖1—2所示。

除表面熱處理外，還有電鍍、發(fā)藍(lán)處理和噴塑等表面處理也可以改善材料的相關(guān)性能。

熱處理常用的加熱設(shè)備是箱式電阻爐、井式電阻爐和鹽浴爐；冷卻設(shè)備有攪拌水槽、攪1．退火

保溫

拌油槽、循環(huán)冷卻液槽和鹽浴槽等。加熱爐的溫度測控是通過熱電偶、控溫儀表系統(tǒng)和計(jì)算

退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，保持一

臨界點(diǎn)

機(jī)溫控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。目前計(jì)算機(jī)與自動控制技術(shù)在熱處理及檢測設(shè)備中的大量應(yīng)用，不僅使

定時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻的熱處理工藝。其目的是降低硬度、細(xì)化組織、消除內(nèi)應(yīng)力

溫度加熱

單臺設(shè)備和單一工序的熱處理實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制自動化生產(chǎn)，還形成了多道復(fù)雜的熱處理工

序、輔助工序及檢測工序和多臺設(shè)備集成的計(jì)算機(jī)集成熱處理生產(chǎn)線，為各種金屬材料提供

和某些鑄鍛焊的熱加工缺陷，為后續(xù)切削加

時(shí)間

了多種改性手段，滿足了不同機(jī)械產(chǎn)品對零件性能的要求。工和熱處理做工藝準(zhǔn)備。

圖1—2 熱處理工藝示意圖2．正火

1—退火 2—正火 3—淬火 4—回火

第四節(jié) 切削加工基本知識正火是將工件加熱奧氏體化后在空氣中

或其他介質(zhì)中冷卻獲得以珠光體組織為主的熱處理工藝。其目的是細(xì)化組織、消除組織缺陷和

切削加工是使用切削刀具將毛坯或工件上多余的材料層切除，以獲得所要求的幾何形

內(nèi)應(yīng)力，為后續(xù)切削加工和熱處理做工藝準(zhǔn)備。正火后可得到比退火時(shí)較高的強(qiáng)度和硬度，且

狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的加工方法。切削加工可分為機(jī)械加工（簡稱機(jī)加工）和鉗工兩

生產(chǎn)率高、成本低，因此正火也可作為一些使用性能要求不高的中碳鋼零件的最終熱處理。

大類。 3．淬火與回火

機(jī)械加工是通過操縱機(jī)床來完成的切削加工，主要加工方法有車、鉆、刨、銑、磨及齒淬火是將工件加熱奧氏體化后以適當(dāng)方式冷卻獲得馬氏體或（和）貝氏體組織的熱處

輪加工等，所用機(jī)床相應(yīng)為車床、鉆床、刨床、銑床、磨床及齒輪加工機(jī)床等。它具有精度

理工藝。其目的是提高材料的硬度和耐磨性。但淬火鋼內(nèi)應(yīng)力大、脆性高、易變形和開裂，

高、生產(chǎn)率高、勞動強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。通常切削加工主要是指機(jī)械加工。必須進(jìn)行回火。回火是將工件淬硬后加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻

鉗工是通過手持工具來進(jìn)行的裝配、維修或切削加工，常用的加工方法有劃線、鏨、到室溫的熱處理工藝。按回火溫度不同，可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。工件經(jīng)高

鋸、銼、刮研、鉆孔、攻螺紋和套螺紋等。為減輕勞動強(qiáng)度和提高生產(chǎn)率，鉗工中的某些工溫回火處理又稱調(diào)質(zhì)，經(jīng)調(diào)質(zhì)后的鋼具有良好的力學(xué)性能，廣泛地用于重要機(jī)械零件的熱

作已逐步被機(jī)械加工代替，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。處理。

一、切削運(yùn)動及切削用量工件常用的回火方法見表1—1。

1．切削運(yùn)動表1-1

工件常用的回火方法

切削運(yùn)動是指在切削加工過程中，刀具和工件之間的相對運(yùn)動。它是實(shí)現(xiàn)切削過程的必回火方法

回火溫度／℃ 硬度 HRC

力學(xué)性能特點(diǎn)

應(yīng)用舉例

要條件之一，分為主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動。低溫回火

250以下

高硬度、高耐磨性

刃具、量具、沖模、滾動軸承

主運(yùn)動是形成機(jī)床切削速度或消耗主要?jiǎng)恿Φ墓ぷ鬟\(yùn)動，是完成切割的主要運(yùn)動。在切

8-64 中溫回火

250-500

削加工中，主運(yùn)動有且只有一個(gè)。

35-50

高彈性和韌性

彈簧、熱鍛模具

高溫目火 500以上

進(jìn)給運(yùn)動是使工件多余的材料不斷投人切削的運(yùn)動。沒有進(jìn)給運(yùn)動，就無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)切

20-30

優(yōu)良的綜合力學(xué)性能

軸、齒輪、螺栓、連桿

削。在切削加工中，進(jìn)給運(yùn)動可以有一個(gè)或多個(gè)。二、表面熱處理

切削運(yùn)動可以是旋轉(zhuǎn)的，也可以是直線的或曲線的；可以是連續(xù)的，也可以是間歇的

（圖1-3）。

表面熱處理是將鋼的表面進(jìn)行熱處理的工藝方法。其目的是使鋼的表面層具有較高的硬

在切削過程中，工件表面的被切金屬層不斷地被切削而轉(zhuǎn)變?yōu)榍行迹瑥亩庸こ鏊璧?/p>

度和耐譜性，面心部仍保持較高的塑性和鋼性。方法。其目的是使鋼的有表面淬火和化學(xué)熱

工件表面。切削加工時(shí)，工件上有三個(gè)不斷變化的表面，即待加工表面、切削表面和已加工

表面（圖1-4）。 2．切削用量

表面萍火是一種局都濟(jì)火方法，目的是獲得高硬度、高耐磨性的表層，而心部仍保持照

切削用量是指切削加工時(shí)的切削速度v、進(jìn)給量f和背吃刀量ap。

的快速加熱方法有電感應(yīng)、火焰、電接觸、激光等。

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第一章

金工實(shí)習(xí)的基本知識具材料的性能及用途見表1—2。

表1—2 常用刀具材料的性能及用途刀具材料

常用牌號

硬度 HRC 耐熱性／℃

工藝性能

用途待加工表面

可冷、熱加工成形，刃

用于手動工具，如銼碳素工具鋼

TIO.TIOA,T12A、

60-64 ≤200

刀、鋸條等國

TI3A

磨性能好切表面

9SiCr

可冷、熱加工成形，刃

用于低速成形刀具，如合金工具鋼

CrWMn

60-65 250-300

磨性能好，熱處理變形小

絲維、板牙、餃刀等

用于中速及形狀復(fù)雜高速工

W18Cr4V

62-69 600-700

可冷、熱加工成形，刃

的刀具，如鉆頭、銑刀、齒具鋼

W6Mo5Cr4V2

磨性能好，熱處理變形小

輪刀具等已加工表面

P類、M類、K類、

粉末冶金成形，多鑲片

用于高速切削刀具，如硬質(zhì)合金

N類、S類、H類

88.5-92.3 800-1000

使用，性能較驗(yàn)

車刀、鐵刀等磨削

依通稅別

主運(yùn)動

進(jìn)給運(yùn)動

主運(yùn)動

進(jìn)給運(yùn)動

目前，隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展和新材料的不斷出現(xiàn)，一些新型刀具材料，如涂層刀具材圖1—3 切削運(yùn)動形式

圖1—4 加工時(shí)工件上的表面

料、陶瓷、金剛石、立方氮化硼等在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用也越來越廣泛。三、常用量具

（1）切削速度。當(dāng)主運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，切削速度為其最大線速度

量具是用來測量零件尺寸、角度以及檢測零件幾何誤差的計(jì)量器具，用它來測量加工前up=

60x1000

后的毛坯和零件是否符合圖樣要求。根據(jù)不同的尺寸和精度要求，可選用不同的測量工具。式中 d—工件或刀具的直徑（mm）；

1．鋼直尺 n—工件或刀具的轉(zhuǎn)速（r／min）。

鋼直尺是最簡單的長度量具，可用來直接測量工件的尺寸，如圖1—5所示。其規(guī)格有當(dāng)主運(yùn)動為往復(fù)直線運(yùn)動時(shí)，切削速度為其平均速度

150mm、300mm、500mm、1000mm等幾種。分度值為0.5mm，測量精度為0.25mm，一般用來測量精度要求不高的工件。

2Ln

60x1000 式中 L—主運(yùn)動行程長度（mm）；

、—主運(yùn)動每分鐘往復(fù)次數(shù)（r／min）。

（2）進(jìn)給量／進(jìn)給量f單位為mm／r（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動）或mm／st（往復(fù)直線運(yùn)動）

（3）音吃刀量a，背吃刀量o，又稱切削。對車削和平面刨削來說，背吃刀能.等于已加工表面和待加工表面之間的垂直距離。

圖1—5 鋼直尺應(yīng)用實(shí)例切制用量是影響切削加工質(zhì)量、刀具指物、機(jī)床動力消耗及生產(chǎn)率的主要參數(shù)。選用

2．卡鉗速度：

卡鉗是一種間接測量長度的量具，必須與有刻度線的量具配合使用。它分為內(nèi)、外兩種形式。內(nèi)卡鉗用來測量內(nèi)部尺寸（圖1—6），外卡鉗用來測量外部尺寸（圖1—7）。

二、刀具材料

3．游標(biāo)卡尺

游標(biāo)卡尺是一種比較精密的量具，它可以測量出工件的內(nèi)徑、外徑、長度及深度尺寸刀具是切能加工中影級生產(chǎn)來、加工質(zhì)量和成本的重要因素。刀其切制性能的化出主要

等。游標(biāo)卡尺按測量精度可分為0.10mm、0.05mm、0.02mm三個(gè)等級。

按測量尺寸范圍有0—125mm、0—150mm、0～200mm、0～300mm、0～500mm等多種規(guī)低，在很大程度上都取決于刀具材料的合理選擇。

格。使用時(shí)根據(jù)零件精度要求及零件尺寸進(jìn)行選擇。游標(biāo)卡尺還有專門用于測量深度和高度具材本是具各有的果變、在的合理選是夠的強(qiáng)度和同性、高的耐熱性、且好的導(dǎo)類

的，分別稱為游標(biāo)深度卡尺和游標(biāo)高度卡尺。游標(biāo)高度卡尺常用于精密劃線。性和小的熱變形及良好的工藝性能。

日能，常用的刀具材和有醫(yī)素工具據(jù)，合金工具倒，依選工具指和硬質(zhì)合金等，用為

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第一章

金工實(shí)習(xí)的基本知識粗糙和正在運(yùn)動的工件及高溫工件。

4．千分尺

千分尺是比游標(biāo)卡尺更為精確的測量工具，其測量精度為0.01mm。按其用途可分為外徑千分尺、內(nèi)徑千分尺和深度千分尺等。外徑千分尺按其測量范圍有0～25mm、25～50mm、50～75mm、75～100mm等規(guī)格。

如圖1—9所示為測量范圍為0～25mm的外徑千分尺。其固定套筒上沿軸向有刻度值為0.5mm的刻線，活動套筒的圓周上有刻度值為0.01mm的刻線。千分尺的讀數(shù)方法如圖1—10所示。使用時(shí)，應(yīng)校對零點(diǎn)；測量螺桿還沒有接觸工件前可直接轉(zhuǎn)動活動套筒來移動測量螺桿，當(dāng)測量螺桿將要接觸工件時(shí)，改為轉(zhuǎn)動手柄棘輪；當(dāng)棘輪發(fā)出“嗒嗒”聲時(shí)，表示壓力合適，應(yīng)停止擰動。不得用千分尺測量表面粗糙和正在運(yùn)動的工件及高溫工件。

圖1—6 內(nèi)卡鉗測量方法

圖1—7 外卡鉗測量方法

砧座

螺桿如圖1—8a所示游標(biāo)卡尺的讀數(shù)精度為0.02mm，測量尺寸范圍為0～200mm。它由主尺

和副尺（游標(biāo)）兩部分組成。讀數(shù)方法如圖1—8b所示。

?? 測量內(nèi)表面

固定套筒

微分套筒測量深度

0-25 副尺

主尺 ?

圖1—9 外徑千分尺固定

活動卡爪卡瓜

■標(biāo)

30 消量外表面

每格0.01mm (7.5+0.39)mm-7.89mm

(7+0.35)mm-7.35mm 圖1—10 千分尺的讀數(shù)方法

5．百分表

百分表是利用齒輪齒條和杠桿齒輪傳動，將被測尺寸引起的測桿微小直線變化，經(jīng)過齒輪傳動放大，變?yōu)橹羔樤诳潭缺P上的轉(zhuǎn)動，從而讀出被測尺寸。它是一種精度較高的比較量

具，只能測出相對的數(shù)值，不能測出絕對數(shù)值。其主要用來檢查工件的幾何誤差（如圓度、主尺

平面度、垂直度等），也常用于工件的精密找正和找正裝夾位置。副尺

百分表的結(jié)構(gòu)如圖1—11所示。當(dāng)測頭向上或向下移動1mm時(shí)，小指針轉(zhuǎn)一格。刻度盤每格的讀數(shù)值為0.01mm，小指針每格的讀數(shù)值為1mm。測量時(shí)大、小指針?biāo)咀x數(shù)變化值

之和即為尺寸變化量。小指針的刻度范圍就是百分表的測量范圍。刻度盤可以轉(zhuǎn)動，供測量圖1—8 游標(biāo)卡尺及讀數(shù)方法

時(shí)調(diào)整大指針對零刻度線用。

百分表使用時(shí)應(yīng)裝在專用的磁性表座上（圖1—12）。在不要進(jìn)擇，以防產(chǎn)生續(xù)數(shù)誤差，如有相度線，使卡國逐漸客運(yùn)工件并輕依除卡心源量的

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第一章

金工實(shí)習(xí)的基本知識 3．簡述常用的金屬材料及其性能。

小指針

4．簡述熱處理的種類及其對鋼的性能的影響。日

5．什么是切削運(yùn)動？分別指出車外圓、銑平面、刨平面、鉆孔和磨外圓的主運(yùn)動。表殼

大指針

6．切削用量有幾種？分別是什么？

7．硬質(zhì)合金刀具有什么特點(diǎn)？應(yīng)用范圍如何？

8．高精度的量具有哪幾種？應(yīng)用范圍如何？刻度盤

離桿 ■頭

圖1-11 百分表

圖1—12 磁性表座6．量規(guī)

國省公量規(guī)包括塞規(guī)和卡規(guī)，是用于成批量生產(chǎn)的一種定尺寸專用量具。塞規(guī)用來檢驗(yàn)孔徑或

槽寬，卡規(guī)用來檢驗(yàn)軸徑或厚度，兩者都有通端（通規(guī)）和止端（止規(guī)）。塞規(guī)的通端直徑

司（等于工件的下極限尺寸，止端直徑等于工件的上極限尺寸；而卡規(guī)則相反。檢驗(yàn)時(shí)，通端

工，過，止端不過，則被檢工件尺寸合格，如圖1—13所示。

，一 ■內(nèi)不

性別請前主經(jīng)無

(( 止端

通端

卡規(guī)及其使用圖1-13 量規(guī)

量規(guī)檢驗(yàn)工件時(shí)，只能檢驗(yàn)工件是否合格，不能測出工件的具體尺寸，操作板為便捷。

載量

檢日復(fù)習(xí)思考題

省 1．簡述切削加工方法的分類。

2．簡述非金屬材料的種類及其性能。

11 10

第二章

鑄造）第二章

第二節(jié) 砂型鑄造鑄

造

一、造型材料

制造砂型與型芯的材料稱為造型材料。砂型鑄造選用的造型材料主要是型砂和芯砂，

它的性能對造型工藝、鑄件質(zhì)量等有著很大的影響，造型材料不好容易使鑄件產(chǎn)生砂眼、第一節(jié) 概

述

氣孔和裂紋等缺陷。因此，合理選用型（芯）砂對提高鑄件質(zhì)量和降低鑄件成本具有重要意義。

鑄造是指熔煉金屬并將熔化的金屬液澆入預(yù)先做好的鑄型，冷卻凝固后獲得一定形狀、

（一）型（芯）砂應(yīng)具備的性能1．強(qiáng)度

尺寸和性能的金屬零件毛坯的成型方法。采用鑄造方法獲得的金屬制品稱為鑄件，它是毛坯成型的主要方法之一，在機(jī)械制造中占有重要的地位。鑄造成型具有以下特點(diǎn)：

強(qiáng)度是指春實(shí)后型砂和芯砂的緊實(shí)度。砂型強(qiáng)度過低可能發(fā)生塌箱、沖砂、砂眼等缺

陷。但強(qiáng)度過高，易使型（芯）砂的透氣性和退讓性變差。砂中黏土含量及緊實(shí)程度越高、1）鑄造的適應(yīng)性強(qiáng)，能獲得一般機(jī)械加工設(shè)備難以加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。鑄造常用于

砂粒越細(xì)，強(qiáng)度越高；含水量過多或過少均會使型砂的強(qiáng)度變低。制造形狀復(fù)雜、承受靜載荷及壓應(yīng)力的零件，如箱體、床身、支架和機(jī)座等。

2．透氣性 2）鑄件有較好的減振性能、耐磨性能、耐蝕性和可加工性。

透氣性是指砂粒間的空隙能夠讓氣體通過的能力。透氣性差，鑄件內(nèi)部易產(chǎn)生氣孔缺3）鑄造經(jīng)濟(jì)性好，其所用原材料來源廣泛，價(jià)格低廉，且可利用回收材料。

陷。減小黏土含量及緊實(shí)程度或采用圓形、大小均勻的粗粒度砂，均可提高型（芯）砂的4）鑄件的形狀和尺寸與零件接近，加工余量小，可節(jié)省金屬材料和加工工時(shí)，是實(shí)

透氣性。現(xiàn)無屑加工的重要途徑之一。但鑄造工序多、有些工藝過程還難以準(zhǔn)確控制，造成鑄件

3．耐火性質(zhì)量不穩(wěn)定，廢品率高；鑄件內(nèi)部組織缺陷多，力學(xué)性能較差；且勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)

耐火性是指型砂在高溫金屬液的作用下不軟化、不熔化、不變形和不燒結(jié)的能力。耐火境差。

性差，鑄件表面易產(chǎn)生粘砂缺陷，使清理及切削加工帶來不便，甚至造成廢品。鑄造主要分為砂型鑄造和特種鑄造。砂型鑄造的工藝過程主要包括：制造模樣和芯盒、

4．退讓性配制型砂及芯砂、造型制芯、合型、熔化金屬、澆注、落砂、清理及檢驗(yàn)等。是目前應(yīng)用最

退讓性是指型（芯）砂隨著鑄件冷凝可被壓縮的能力。退讓性差，鑄件易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、廣的鑄造方法，所得鑄件占鑄件總量的90％以上。圖2—1所示為套筒鑄件的砂型鑄造的工藝

變形和裂紋等缺陷。采用油類作為粘結(jié)劑及降低型（芯）砂的緊實(shí)程度或在黏土砂中加入過程。

適量的木屑，均可提高型（芯）砂的退讓性。5．可塑性

可塑性是指型（芯）砂在外力作用下形成一定的形狀，外力去掉后仍能保持已有形狀

的能力。可塑性好，易造型，且砂型形狀準(zhǔn)確、輪廓清晰。可塑性與含水量、粘結(jié)劑的性能合型

及數(shù)量有關(guān)。

由于芯砂大部分被高溫金屬液所包圍，故對芯砂的性能要求比型砂高。（二）型（芯）砂的組成

落砂、清理

型（芯）砂是由原砂、粘結(jié)劑、適量的水和輔助材料組成的。模樣

套簡詩件

1．原砂砂型

原砂是型（芯）砂的主體，以石英砂應(yīng)用最廣，其主要成分為石英（SiO2）和少量泥分及雜質(zhì)。原砂的顆粒形狀、大小及分布對型砂的性能有很大影響。

圖2—1 套簡鑄件的砂型鑄造的工藝過程

2．粘結(jié)劑影響到

粘結(jié)劑是用來粘結(jié)砂粒的材料。常用的粘結(jié)劑主要有黏土、水玻璃、樹脂、油脂及水泥等。

機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和成本。鑄造在工收位置，其質(zhì)最和產(chǎn)量以及的個(gè)領(lǐng)域都有大量

13 12

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第二章

鑄造 3．輔助材料

型面的中、小型鑄件的單件小批生產(chǎn)。在成批生產(chǎn)或用機(jī)器造型時(shí)，可用外砂芯將三箱造型輔助材料是用來改善型（芯）砂的某些性能而加入的材料。在中小型鑄件用的型砂中

加人煤粉、重油，可防止粘砂，提高鑄件表面質(zhì)量；在干型砂或芯砂中加入木屑，可改善型

改為兩箱造型（圖2—6）。（芯）砂的透氣性和退讓性。

（三）型（芯）砂的配制

按照粘結(jié)劑的不同，型（芯）砂分為黏土砂、水玻璃砂、樹脂自硬砂及水泥砂等，其中以黏土砂應(yīng)用最廣。型（芯）砂的配制工藝對其性能有著很大的影響。它主要取決于型（芯）砂的配比、加料順序和混碾時(shí)間。

小型鑄件的型砂比例是：新砂2％～20％，舊砂98％—80％；另加黏土8％～10％，水4％～8％，煤粉2%-5%。

碾輪型砂的配制是在混砂機(jī)（圖2—2）中進(jìn)行的。先

中心軸將新砂、黏土和舊砂依次加人混砂機(jī)中，干混數(shù)分鐘

碰盤后加入一定量的水濕混約10min，在碾輪的碾壓及搓

刮板揉作用下混合，待均勻后出砂。使用前應(yīng)過篩并使其

松散。

型（芯）砂的性能可用型砂試驗(yàn)儀檢測。單件小批生產(chǎn)時(shí)，可用手捏法檢驗(yàn)型砂性能。

二、造型方法

圖2-2 混砂機(jī)

造型是指用型砂及模樣等工藝裝備制造砂型的過程。造型方法分為手工造型和機(jī)器造型兩大類。手工造型適用于單件小批生產(chǎn)，機(jī)器造型適用于大批量生產(chǎn)。

（一）手工造型

手工造型時(shí)造型工序全部用手工或手動工具完成。它具有工藝裝備簡單、經(jīng)濟(jì)，生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間短等特點(diǎn)，但也存在生產(chǎn)率低、勞動強(qiáng)度大，對工人操作技能要求高。主要用于單件

圖2—3 整模造型的工藝過程或小批量生產(chǎn)及重型鑄件和形狀復(fù)雜的鑄件的生產(chǎn)。

c）用春砂錘平頭春緊，用刮板刮平 d）翻轉(zhuǎn)，用慢勺修光。放上型，撒分型劑，放澆口杯

a）把木模放在底板上，套上合適的下型 b）加砂，用春砂錘尖頭按圖示路線春砂

1．整模造型

e）填砂刮平，拔出澆口杯，開外澆口，扎氣眼，開箱 f）向木模四周刷水，起模整模造型是用整體模樣進(jìn)行造型的方法。其特點(diǎn)是模樣為整體模，分型面是平面，鑄型

g）修整，開內(nèi)澆道 h）合型環(huán)腔全部位于一個(gè)砂箱內(nèi)，操作方便，不會錯(cuò)箱，鑄件的精度和表面質(zhì)量較好，適用于最大

載而位于一端且是平面的簡單鑄件，如齒輪坯、壓道、軸承座等。整模造型的工藝過程如圖2-3所示。

上半模下半模 2．分模造型

銷釘分模面

銷孔模樣被分為兩半，分模面是模樣的最大截面，將兩個(gè)半模分別放在上、下型內(nèi)進(jìn)行造

型，兩個(gè)半模依靠錯(cuò)釘定位。分模造型的特點(diǎn)是模樣高度較低，起模、修型方便，但合型易錯(cuò)圖。適用于形狀復(fù)雜，有良好對稱面的鑄件，如律簡度較低，把分模造型的工藝過程如圖

圖2—4 分模造型的工藝過程受藥作形狀的限制，有時(shí)必須使用三箱造型才能起模（圖2—5）。三箱造型要求中箱或

a）鑄件 b）模樣分成兩半44 14

15 ?

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第二章澆口杯

分型面

鑄造 3．活塊造型

活塊造型是將模樣側(cè)面妨礙起模的凸起部分做成活動的模塊（稱為活塊），起模或脫芯后，再將活塊取出的造型方法。其特點(diǎn)是可減少型芯及簡化分型面等，缺點(diǎn)是操作較復(fù)雜，操作技能要求高，生產(chǎn)率低，模樣、砂型易損壞且修補(bǔ)困難。活塊造型的工藝過程如圖2—7所

示。成批生產(chǎn)或活塊厚度大于鑄件該處壁厚時(shí)，可用外砂芯代替活塊（圖2—8），以便造型。d)

澆口型芯通氣孔排氣孔

工件 c)

圖2—4 分模造型的工藝過程（續(xù)）

b) c）用下半模造下型 d）用上半模造上型 e）起模、放型芯、合型

圖2—7 活塊造型的工藝過程

a）造下型，拔出釘子 b）取出模樣主體 e）取出活塊上箱模

一中箱模 20

下箱模

外砂芯模樣

外砂芯圖2—8 用外砂芯代替活塊造型的工藝過程

圖2—5 分模三箱造型的工藝過程

a）取模、下芯 b）合型4）鉤件 b）模樣 c）造上型 d）造下型。）造中型）起模、放型芯、合型

4．挖砂造型和假箱造型

挖砂造型時(shí)鑄件的最大截面為曲面，且要求采用整模造型，為了便于起模，下型分型面需要挖去一部分以形成分型面。其特點(diǎn)是操作技能要求高，生產(chǎn)率低，適用于分型面非平面的鑄件的單件小批生產(chǎn)。挖砂造型的工藝過程如圖2—9所示。

挖砂造型一定要挖到模樣的最大截面處。挖砂所形成的分型面應(yīng)平整光滑，坡度不能太外砂芯

陡，以利于順利地開箱。大批量生產(chǎn)時(shí)，常采用假箱造型（圖2—10）或成型底板造型（圖2—11）來代替挖砂造型。假箱只用于造型，不參與澆注。假箱一般用強(qiáng)度較高的型砂制成，

能多次使用，分型面應(yīng)光滑平整、位置準(zhǔn)確。當(dāng)生產(chǎn)數(shù)量更大時(shí)，可用木制的成型底板代替圖2—6 用外砂芯將三箱造型改為兩箱造型的工藝過程

假箱。 a）外芯砂 b）模樣 c）合型

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第二章

鑄造 6．地坑造型

地坑造型是以地面或地坑作為下型進(jìn)行造型的方法。其特點(diǎn)是節(jié)省砂箱，降低工藝裝備

費(fèi)用，但造型操作技術(shù)要求高、生產(chǎn)率低，勞動量大，適用于生產(chǎn)要求不高的大、中型鑄件或用于砂箱不足時(shí)批量不大的中、小型鑄件的單件小批生產(chǎn)。

小型鑄件的地坑造型是直接在地面上挖坑填砂，埋入模樣即可造型。大、中型鑄件則需

用防水材料筑成地坑壁，坑底填以焦炭或爐渣等透氣物料，并覆蓋草墊，埋入鐵管或草繩以圖2—9 挖砂造型的工藝過程

引出澆注時(shí)地坑中的氣體，然后分層填砂、緊實(shí)、扎氣孔、修出模樣底面的形狀，再放上模4）造下型 b）翻轉(zhuǎn)、挖出分型面 c）造上型、起模、合型

樣造型，如圖2—13所示。下型

上型

通氣用鐵管（分型面是曲面）

木模定位鐵樁

下型

稻草假箱

爐清或焦炭 b)

圖2—10 假箱造型的工藝過程

圖2—13 大件地坑造型（地面造型）的工藝過程a）模樣放在假箱上 b）造下型 c）翻轉(zhuǎn)下型，待造上型

7．典型鑄件手工造型工藝實(shí)例

帶輪手工造型的工藝過程見表2—1。（分型面是平面）

表2—1 帶輪手工造型的工藝過程鑄件圖

圖2—11 假箱與成型底板造型的工藝過程

工序

操作內(nèi)容

工序簡圖 a）假箱 b）成型底板 c）合型

將無銷釘?shù)膸л啺肽７旁谠煨推桨迳希咨虾线m的下型，保證有

5．刮板造型

合理的吃砂量、澆注系統(tǒng)位置和起模方向

尺寸較大的旋轉(zhuǎn)體鑄件，如帶輪、飛輪、大齒輪等單件生產(chǎn)時(shí)，為節(jié)省模樣材料及制作

用面砂覆蓋模樣表面，然后填充背砂，分次逐層加砂、用春砂錘均

費(fèi)用可采用刮板造型。刮板是一塊和特件截面形狀相適應(yīng)的木板。造型時(shí)將刮板繞著固定的

勻搗實(shí)，用刮板刮平，用通氣針均勻扎出通氣孔，不得穿透型腔

中心軸旋轉(zhuǎn)，在砂型中刮制出所需要的型腔。刮板造型的工藝過程如圖2—12所示。將造好的下型翻轉(zhuǎn)，用慢勺將分型面修光，微分型劑，扣上另一帶

銷釘?shù)膸л啺肽＃卜派闲秃蜐部诒緲?/p>

在上型內(nèi)填砂、緊實(shí)，扎通氣孔圖2—12 刮板造型的工藝過程

a）飛輪鑄件 b）刮制下型 c）刮制上型 d）合型

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

第二章鑄造

（續(xù)）

操作內(nèi)容

工序簡圖

工序

披去澆口杯，修好繞口，微震打開上型，小心、仔細(xì)地取出模樣，用優(yōu)勺、提鉤、水筆等修型工具將損壞的砂眼修好并開出橫澆道、內(nèi)澆

砂箱

模樣平面部分 5

道，安置型芯、合型，等待澆注

頂桿

模板模樣凸起部分

模板

（二）機(jī)器造型

機(jī)器造型是用機(jī)器全部完成或至少完成緊實(shí)操作的造型方法。與手工造型相比生產(chǎn)率

(q 高，勞動條件好，環(huán)境污染小，鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量高，但設(shè)備和工藝裝備費(fèi)用商，

生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長，適用于中、小型鑄件的成批或大批量生產(chǎn)。機(jī)器造型的實(shí)質(zhì)是用機(jī)器進(jìn)行

砂箱

緊實(shí)和起模，根據(jù)緊實(shí)和起模的方式不同，有不同種類的造型機(jī)。1．緊實(shí)方式

機(jī)器造型按照不同的緊實(shí)方式可以分為震實(shí)式造型、壓實(shí)式造型、震壓式造型、拋砂和

轉(zhuǎn)板模樣模板

承受臺

射砂造型等，其中以震壓式應(yīng)用最廣。圖2—14所示為震壓造型機(jī)。拋砂緊實(shí)（圖2—15）的

同時(shí)完成填砂與緊實(shí)兩個(gè)工序，生產(chǎn)率高，型砂緊實(shí)密度均勻，可用于大、中型鑄件或大型

圖2—16 起模方式

芯的生產(chǎn)。

a）頂箱起模 b）漏模起模 c）翻轉(zhuǎn)起模

帶輪

1．型芯的技術(shù)要求及工藝措施

拋砂頭

銀勺

澆注時(shí)型芯會受到金屬液的沖擊和包圍，因此型芯除了要具有與鑄件內(nèi)腔相適應(yīng)的形狀外，型芯應(yīng)比在砂型具有更高的強(qiáng)度、透氣性和退讓性等性能，并易從鑄件清除。除了滿足

上述要求外，在制芯時(shí)還應(yīng)采取一定的工藝措施。

壓頭工作臺

模板

1）在型芯內(nèi)放置芯骨以提高強(qiáng)度。小型芯的芯骨用鐵絲制成，大、中型芯的芯骨用鑄

砂箱

砂團(tuán)

鐵鑄成，較大的芯骨上還應(yīng)制出吊環(huán)以方便吊運(yùn)，如圖2—17所示。振實(shí)進(jìn)氣口

2）在型芯內(nèi)開通氣道以提高型芯的透氣性，大型芯內(nèi)部應(yīng)放入焦炭以便排氣，如圖

2-18所示。

振實(shí)活塞

壓實(shí)氣缸

振實(shí)氣缸壓實(shí)氣缸活塞

鑄鐵芯骨圖2—14 震壓造型機(jī)

變項(xiàng) 圖2—15 拋砂緊實(shí)

2．起模方式

鑄鐵芯骨

造型機(jī)都裝有起模機(jī)構(gòu)，其動力通常為壓縮空氣。目前應(yīng)用廣泛的起模方式有頂箱、

模和翻轉(zhuǎn)三種（圖2—16）。頂箱起模的造型機(jī)構(gòu)比較簡單，但起模時(shí)易漏砂，只用于型腔簡單且高度較小的鑄型。漏模起模的造型機(jī)構(gòu)一般用于形狀復(fù)雜或高度較大的鑄型。翻轉(zhuǎn)起模

圖2-17 芯骨

的造型機(jī)構(gòu)一般用于型腔較深、形狀復(fù)雜的鑄型。

3）在型芯表面刷涂料以提高耐火性、防止粘砂，并保證鑄件內(nèi)腔表面質(zhì)量。

三、制芯

4）重要的型芯都需烘干，以提高型芯的強(qiáng)度和透氣性。2．制芯的方法

為了獲得鑄件的內(nèi)腔或鑄件的局部外形，用芯砂或其他材料制成的、安放在型腔內(nèi)部的

制芯分為手工制芯和機(jī)器制芯。手工制芯是傳統(tǒng)的制芯方法，適用于單件、小批生產(chǎn)。

鑄型部分稱為型芯。制芯即是制造型芯的過程。

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

第二章

通氣道

鑄造

上

吊稱

在烘時(shí)燒毀 c)

b) 圖2—18 型芯的通氣孔

中

4）扎氣孔 b）挖通氣溝 o）埋蠟線 d）放焦炭與鋼管就一用芯金制芯，有時(shí)也用刮板制芯。視器制芯的生產(chǎn)率高，繁實(shí)均勻，那藝是量，

圖2—20 天輪的分型面

圖2—21 導(dǎo)軌的分型面

法：制芯機(jī)主要有震擊式制芯機(jī)、射芯機(jī)、熱芯盒機(jī)和殼芯機(jī)等。

3．模樣、型腔、鑄件與零件

3．型芯的固定方式

模樣是造型的模具，用來形成鑄件的外部形狀。模樣在單件小批生產(chǎn)中用木材制成，在

型芯在鑄型中的定位主要靠芯頭。芯頭必須有足夠

大批大量生產(chǎn)中用鑄造鋁合金、塑料等制成。

的尺寸和合適的形狀將型芯正確、牢固地固定在鑄型型

鑄造生產(chǎn)中，用模樣制得型腔，將金屬液澆入型腔冷卻凝固后獲得鑄件，鑄件經(jīng)切削加

腔內(nèi)。按其固定方式可分為垂直式、水平式和特殊式

工后稱為零件。因此，模樣、型腔、鑄件與零件之間在形狀和尺寸上有著必然的聯(lián)系。

（如懸壁芯頭、吊芯等）。若鑄件的形狀特殊，單靠芯頭

在尺寸上，零件尺寸＋加工余量（孔的加工余量為負(fù)值）＝鑄件尺寸；鑄件尺寸＋收縮余

不能固定時(shí)可用型撐予以固定。型撐的形狀如圖2—19

量＝模樣尺寸。在形狀上，鑄件和零件的差別在于有無起模斜度、鑄造圓角和較小的孔、槽等；鑄件是

所示。

整體的，模樣則可能是由幾部分（包括活塊）組成的。鑄件上有孔的部位，其模樣則可能

四、造型工藝

是實(shí)心的，甚至還多出芯頭的部分。4．澆注系統(tǒng)的設(shè)置

造型工藝主要是指分型面、澆注位置的選擇和澆注

澆注系統(tǒng)為填充型腔而開設(shè)于鑄型中的一系列通道。合理地設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的形狀、尺寸

系統(tǒng)的設(shè)置，它們直接影響鑄件的質(zhì)量和生產(chǎn)率。

圖2—19 型撐的形狀

和流入型腔的位置，以保證金屬液平穩(wěn)地流入并充滿型腔，有效地調(diào)節(jié)鑄件的凝固順序，防

1．分型面、分模面與澆注位置

止沖砂、砂眼、氣孔、澆不到、冷隔和裂紋等缺陷。

砂型與砂型之間的分界面稱為分型面，指模樣上分開的切面，又是分模面，它們均可以

（1）澆注系統(tǒng)的組成及作用澆注系統(tǒng)主要由澆口盆、直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道組成，

是平面、斜面或曲面。澆注位置是指澆注時(shí)鑄件在鑄型中所處的位置。

如圖2-22所示。

分型面和澆注位置常在一起表示，圖中用橫線表示分型面，漢字“上”“下”和

和箭頭表

1）澆口盆的作用是容納澆人的金屬液并緩解對鑄型的沖擊，使其平穩(wěn)地流入直澆道。

示澆注位置。

2）直澆道是澆注系統(tǒng)中的垂直通道，形狀常為圓錐形，上大下小。其作用是利用其高

2．分型面、澆注位置的選擇

度產(chǎn)生一定的靜壓力。

分型面、澆注位置的合理選擇，有利于提高鑄件質(zhì)量，簡化造型工藝，降低生產(chǎn)成本，

選擇時(shí)主要考慮以下原則：

澆口盆

）分屋面應(yīng)盡量選取在鑄件的最大截面處，以便造型和起模，盡量選擇平面以有化

型工藝。

直澆道 1

橫澆道

圖2.20所示的天輪鑄件，采用環(huán)狀型范以便于在大批量生產(chǎn)時(shí)使用機(jī)器造型。

內(nèi)澆進(jìn) 內(nèi)澆道

的數(shù)量，避免吊砂，并利于型芯的定位、固定與排氣。

圖2-22 澆注系統(tǒng)

4）解作上要的面工面政的定位，用定與排氣。，以保證轉(zhuǎn)件質(zhì)量。如圖2

導(dǎo)軌朝下。 22

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

第二章鑄造

3）橫澆道是開在上型分型面上，常為梯形截面的水平通道。其起擋渣和緩沖作用，使

金屬液平穩(wěn)、合理分流至各內(nèi)澆道。

（4）內(nèi)澆道是金屬液直接流入型腔的通道，截面多為扁梯形或三角形，其作用是控制金

頂部與大氣相通，還有觀察、排氣和集渣的作用，應(yīng)用較廣。暗冒口頂部被型砂覆蓋，造型

操作復(fù)雜，但補(bǔ)縮效果比明冒口好，如圖2—27所示。

屬液流人型腔的方向和速度，調(diào)節(jié)鑄件各部分的冷卻速度。內(nèi)澆道通常開在下型分型面上，避免正對型腔或型芯。而對壁厚不均勻的鑄件，內(nèi)澆道應(yīng)開設(shè)在其相對厚壁處，以利于補(bǔ)

冷鐵是在鑄型、型芯中安放的金屬物，以提高鑄件厚壁處的冷卻速度、消除縮孔和裂

紋。其一般用鑄鋼或鑄鐵制成，分為外冷鐵和內(nèi)冷鐵兩種。外冷鐵作為鑄型的一個(gè)組成部

縮；內(nèi)澆道的位置和方向應(yīng)盡量縮短金屬液進(jìn)入鑄型及在型腔中的路徑，以利于擋渣和避免沖尉型芯或鑄型壁（圖2—23和圖2—24）；內(nèi)澆道還應(yīng)避免開設(shè)在重要的加工而及非加工面

分，內(nèi)冷鐵多用于厚大而不太重要的鑄件，如圖2—27所示。暗冒口

上，以免影響加工質(zhì)量或外觀質(zhì)量。

澆注系統(tǒng) 圖2—27 冒口和冷鐵的作用

型芯

正確圖2—23 內(nèi)澆道的位置

圖2—24 內(nèi)澆道的方向

六、合型（2）澆注系統(tǒng)的類型澆注系統(tǒng)的類型是按照內(nèi)澆道在鑄件上開設(shè)的位置分類的，主

合型是將鑄型的各個(gè)組成部分組合成一個(gè)完整鑄型的操作過程。合型是制造鑄型的最后

要有頂注式、底注式、側(cè)注式和階梯式（圖2—25）。一般根據(jù)鑄件的形狀、尺寸、壁厚和質(zhì)

一道工序，應(yīng)保證鑄型型腔幾何形狀及尺寸的準(zhǔn)確和型芯的穩(wěn)固。合型后，應(yīng)將上、下型緊

量要求來選擇澆注系統(tǒng)的類型。頂注式澆注系統(tǒng)適用于重量小、高度小、形狀簡單及不易氧

扣（緊固裝置）或放上壓鐵，以防澆注時(shí)上型被金屬液抬起，產(chǎn)生跑火或抬型現(xiàn)象。

化材料的薄壁和中等壁厚的鑄件；底注式澆注系統(tǒng)適用于中大型厚壁、形狀較復(fù)雜、高度較大的鑄件和某些易氧化的合金鑄件；側(cè)注式澆注系統(tǒng)適用于整模造型的中小型鑄件；階梯式

第三節(jié) 鑄造合金的熔煉、澆注、落砂與清理

澆注系統(tǒng)適用于高度在400mm以上的大型復(fù)雜鑄件（如機(jī)床床身）。五、鑄型

一、熔煉鑄型是用型砂、金屬材料或其他耐火材料制成的，主要是由上型、下型、澆注系統(tǒng)、型

要得到優(yōu)質(zhì)的鑄件，除了要有好的造型材料和合理的鑄造工藝外，選擇優(yōu)質(zhì)的鑄造合

金、提高熔煉質(zhì)量，也是一個(gè)重要方面。

腔、型芯、冒口和通氣孔組成的整體（圖2—26）。用型砂制成的鑄型稱為砂型。砂型用砂箱

對合金熔煉的基本要求是質(zhì)量優(yōu)、耗能低和效率高。

支承，是形成鑄件形狀的工藝裝置。沖天爐是熔煉鑄鐵最典型的設(shè)備（圖2—28）。沖天爐是以燃燒焦炭產(chǎn)生熱量熔化鑄鐵的

側(cè)注式

設(shè)備，因具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、熔煉效率高、成本低、能連續(xù)生產(chǎn)等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)

險(xiǎn)株式顧性式底注式

冷鐵型腔冒口排氣道

用。但沖天爐熔煉金屬液的質(zhì)量不穩(wěn)定，對環(huán)境污染大、勞動條件差，已逐漸被感應(yīng)電爐所

通氣孔澆注系統(tǒng) 代替。

上型

熔煉鑄鋼的常用設(shè)備是堿性電弧爐和感應(yīng)電爐。感應(yīng)電爐（圖2—29）是利用電磁感應(yīng)

下型

原理將交流電轉(zhuǎn)化為熱能的設(shè)備，不但能得到質(zhì)量較高的金屬液，而且周期短，操作方便，

與造型、合型等工序進(jìn)行配合，有利用自動化生產(chǎn)，降低勞動強(qiáng)度。熔煉有色合金（銅合金和鋁合金）的常用設(shè)備有焦炭坩堝爐、重油坩堝爐和電阻坩堝

型芯

爐。電阻坩堝爐（圖2—30）具有控制溫度準(zhǔn)確、金屬吸氣和燒損少的優(yōu)點(diǎn)，但生產(chǎn)率不高、

耗電多。

圖2—25 澆注系統(tǒng)的類型

圖2—26 鑄型的組成

二、澆注

胃口是供鑄件補(bǔ)縮用的鑄型空腔，內(nèi)存金屬液。冒口一般設(shè)置在鑄件厚壁處最后凝固的

將液態(tài)金屬從澆包注入鑄型型腔的操作過程稱為澆注。澆注是保證鑄件質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，

部位，以獲得無縮孔的轉(zhuǎn)件。其形狀多為球通在形或球形，從為用得口和暗冒口。明冒口25

分型面

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

第二章進(jìn)水口

鑄造的復(fù)雜程度、鑄件重量及大小和合金的種類。一般鑄件的落砂溫度在400—500℃。落砂的方

爐清

法有手工落砂和機(jī)械落砂兩種。火花除塵裝置

坩堝銷管線圈

四、清理加料裝置

煙囪

清理是指落砂后從鑄件上去除澆冒口和分型面及芯頭上的毛刺，清除鑄件內(nèi)外表面的粘

冷卻水管金屬液

砂和型芯等過程。

鑄鐵件的澆冒口可用鐵錘敲掉，鑄鋼件的澆冒口可用氣割切除，有色合金鑄件的澆冒口可用鋸削。鑄件上的粘砂可用鋼絲刷、鏗刀、砂輪、風(fēng)鏟等手工工具清理或用清理滾筒、噴

加科筒

加料合

砂器、拋丸清理機(jī)等設(shè)備清理。對于復(fù)雜的或有特殊要求的鑄件，在清理檢驗(yàn)、合格后應(yīng)進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力的熱處理。

爐身熱風(fēng)

圖2—29 感應(yīng)電爐

第四節(jié) 鑄件缺陷分析冷風(fēng)

焦炭

鑄件缺陷是導(dǎo)致鑄件性能降低、使用壽命短，甚至報(bào)廢的重要原因。減小或消除鑄件缺金屬料

陷是鑄件質(zhì)量控制的重要組成部分。熔劑

坩堝

鑄造生產(chǎn)是一項(xiàng)較復(fù)雜的工藝過程，鑄件結(jié)構(gòu)的工藝性、原材料的質(zhì)量、工藝方案、生風(fēng)帶

底焦

電阻絲

產(chǎn)操作及管理等因素都會直接影響鑄件的質(zhì)量。常見鑄件缺陷及其產(chǎn)生原因見表2—2。風(fēng)口

前爐

耐火磚

表2—2 常見鑄件缺陷及其產(chǎn)生原因爐缸

出渣口

名稱與圖示

產(chǎn)生的原因

名稱與圖示

產(chǎn)生的原因過橋

出鐵口

1）澆注溫度太低爐底

1）搗砂太緊，型砂透

澆不足

2）澆注速度過慢或

讀免

支架

氣性差

曾中斷小車

氣孔

2）起模，修型刷水

3）澆注位置不當(dāng)，澆過多

口太小圖2—30 電阻坩堝爐

3）型芯氣孔堵塞或

4）鑄件太薄圖2-28 沖天爐

未烘干

5）轉(zhuǎn)型太快，或有澆注是否合理，不僅影響鑄件質(zhì)量，還涉及操作工人的人身安全。澆注中應(yīng)保證無澆注斷

流，控制好澆注溫度和澆注速度；澆注后對收縮大的鑄件應(yīng)及時(shí)卸去壓鐵或夾緊裝置，以免

4）金屬熔解氣體

缺口太多

6）澆包內(nèi)金屬液

不夠 1）造型時(shí)型砂未

1）詩件結(jié)構(gòu)不合鑄件產(chǎn)生鑄造內(nèi)應(yīng)力和裂紋。

砂眼

吹凈

冒口

理一壁厚不均澆注操作需注意：

1）熟悉待澆注鑄件的大小、形狀等。準(zhǔn)備好澆包并烘干預(yù)熱，避免金屬液飛濺傷人。

2）型砂強(qiáng)度不夠，被

縮孔

2）澆冒口位置不當(dāng)，金屬液沖壞

冒口太小未能順序 2）清除蓋在鑄型澆口盆上的散砂，避免落入鑄型中。

3）搗砂太松

凝固 4）合型時(shí)，砂型局部

3）澆注溫度太亮

損壞

4）合金成分不對，收3）澆注場地必須保持干燥、暢通。

4）在澆包的金屬液表面撒草灰以保溫和集渣。

5）內(nèi)澆口沖刷型芯

縮過大 5）澆注時(shí)應(yīng)用擋渣片在澆口盆擋渣，控制流量，保證無澆注斷流。

1）鑄件結(jié)構(gòu)不合渣氣孔

1）澆注時(shí)，擋渣不良

■紋

理一壁厚差大，并急劇2）澆注系統(tǒng)擋渣

過渡 2油

6）應(yīng)控制澆注溫度和澆注速度。

不良

2）澆口位置不當(dāng)

3）砂型退讓性差落砂是指用手工或機(jī)械方法使鑄件與型砂分離的操作過程。落砂時(shí)要掌握好鑄件的溫

3）澆注溫度過低，渣

4）搞砂太緊，阻礙

未上浮

收縮三、落砂

度。落砂太早，易引起白口、變形和裂紋等缺陷；落砂太晚，鑄件收縮受到鑄型的阻礙會增

5）合金成分不對，收

縮大

大裂紋的傾向，還會影響型砂和工藝裝備的周轉(zhuǎn)而降低生產(chǎn)率。鑄件的落砂溫度取決于鑄件26

第二章

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

鑄造（續(xù)）

金屬型鑄造可“一型多鑄”節(jié)省了大量造型材料和工時(shí)，生產(chǎn)率、尺寸精度和表面質(zhì)產(chǎn)生的原因

名稱與圖示

產(chǎn)生的原因

量較高，且鑄件組織細(xì)密，力學(xué)性能好。但金屬型的制造成本高、周期長，鑄造工藝要求嚴(yán)名稱與圖示

格，不適于單件小批生產(chǎn)，不宜鑄造形狀復(fù)雜的大型薄壁件。1）澆注時(shí)中斷，產(chǎn)生

變形

1）鑄件結(jié)構(gòu)不合理，

金屬型鑄造主要用于大批量生產(chǎn)形狀簡單的有色金屬鑄件，如氣缸體、油泵殼體以及銅飛濺、形成澆注斷流，

壁厚差大日

而后又被帶人鑄型

2）金屬冷卻時(shí)，溫度

合金軸瓦、軸套等。 2）直澆道太高，澆注

不均勻時(shí)，金屬液從高處落

3）打箱過早

二、熔模鑄造下，引起飛■

熔模鑄造是用易熔材料（蠟料）制成模樣，在其上涂若干層耐火材料，形成型殼，熔1）型砂與芯砂耐火

信型

出模樣后經(jīng)高溫焙燒即可澆注而獲得鑄件的方法。它是一種精密鑄造方法，基本無須切削加性別

1）合型時(shí)未對準(zhǔn)

工。適合25kg以下的高熔點(diǎn)、難以切削加工的合金鑄件大批量生產(chǎn)。廣泛應(yīng)用于航天飛機(jī)、2）砂粒太大，金屬液

■人表面

2）定位銷或泥號

汽輪機(jī)葉片、泵輪、復(fù)雜刀具、汽車和機(jī)床上的小型鑄件生產(chǎn)。3）澆注溫度太高

不準(zhǔn)

熔模鑄造的工藝過程如圖2—32所示。熔模鑄造的鑄型無分型面，可鑄出各種形狀復(fù)雜4）金屬液中堿性氧

化物過多

的薄壁鑄件（最小壁厚可達(dá)0.03mm）；尺寸精度和表面質(zhì)量最高，尺寸精度為IT11～I(xiàn)T14，

表面粗糙度Ra值為1.6～12.5μm；適用于各種合金，適應(yīng)于各種生產(chǎn)類型，并能實(shí)現(xiàn)機(jī)械1）鑄件結(jié)構(gòu)不合理

偏芯夾砂結(jié)疤

1）型芯變形

化流水線生產(chǎn)；熔模制造的工藝過程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長；原材料價(jià)格昂貴，生產(chǎn)成本高；由2）型砂、黏土或水

砂型

分層的砂殼過低

2）下芯時(shí)放偏

于尺寸蠟?zāi)と菀鬃冃危灰松a(chǎn)大型鑄件。3）澆注溫度太高

3）下芯時(shí)未固定好，金屬■

4）澆注速度太慢、砂

被沖偏型受高溫烘燒開裂翹

4）設(shè)計(jì)不良一型芯起，金屬液滲人開裂

懸臂太長

9999B 鼓起的砂殼

砂層

第五節(jié) 特種鑄造

特種鑄造是指與砂型鑄造不同的其他鑄造工藝。常用的有：金屬型鑄造、熔模鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造、陶瓷型鑄造、實(shí)型鑄造、磁型鑄造、差壓鑄造、連續(xù)鑄造及擠壓鑄造等。

特種鑄造一般能提高鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量，或提高鑄件的物理和力學(xué)性能；此外還能提高金屬的利用率，減少原砂消耗量；有些方法更適宜于高熔點(diǎn)、低流動性、易氧化合

圖2—32 熔模鑄造的工藝過程

a）母模 b）壓型 e）熔蠟 d）壓制 e）單個(gè)蠟?zāi)?f）焊蠟?zāi)＝M g）結(jié)殼、熔出蠟?zāi)?h）填砂、澆注金鑄件的鑄造生產(chǎn)；有的能明顯地改善勞動條件，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化生產(chǎn)，提高生

產(chǎn)率

一、金屬型鑄造

三、壓力鑄造

壓力鑄造是指在高壓作用下，使金屬液以較高的速度充填金屬型腔，并在一定的壓力下在重力作用下把金屬液澆人金屬型而獲得鑄件

固定半型

凝固而獲得鑄件的方法。壓力鑄造的特點(diǎn)在于：活動半型

的方法稱為金屬型鑄造。

1）鑄件尺寸精度和表面質(zhì)量高，尺寸精度為IT11—IT13，表面粗糙度Ra值為1.6—6.3μm。金屬型一般用鑄鐵或鑄鋼制成（圖2—31），由

2）鑄件品粒細(xì)小、表層緊實(shí)，強(qiáng)度和硬度高。于金屬型導(dǎo)熱快、無透氣性和退讓性，容易產(chǎn)生缺

底座

3）生產(chǎn)率高，便于實(shí)現(xiàn)自動化。陷，因此需采取預(yù)熱鑄型、噴射涂料、開通氣道、

4）壓鑄機(jī)、壓鑄模具價(jià)格高，工藝準(zhǔn)備周期長，不適合單件小批量生產(chǎn)。控制開型時(shí)間和溫度等工藝措施，以防止鑄件產(chǎn)生

5）壓鑄件易存在氣孔、縮孔、縮松等缺陷，不宜熱處理，應(yīng)盡量避免切削加工。白口、氣孔、裂紋、冷隔等缺陷。

圖2—31 垂直分型的金屬型28

第二章

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

鑄造壓力鑄造是在專用的壓鑄機(jī)上進(jìn)行的，壓型一般采用耐熱合金鋼，其工藝過程如圖

2-33所示。

壓注活塞壓型

圖2—35 離心鑄造

a）立式離心鑄造 b）臥式離心鑄造下活寒

離心鑄造特點(diǎn)：圖2—33 壓力鑄造的工藝過程

1）離心鑄造無須型芯和澆冒口，使鑄造工藝大大簡化，生產(chǎn)率高、成本低。a）澆注 b）壓射 c）開型

2）所得鑄件外表層組織致密、力學(xué)性能好。壓力鑄造主要用于大批量生產(chǎn)薄壁復(fù)雜的有色金屬精密鑄件，如箱體、電器、儀表和日

3）內(nèi)表面質(zhì)量差，尺寸精度可達(dá)IT12～I(xiàn)T14，表面粗糙度Ra值為6.3～12.5μm。離心鑄造的鑄件易產(chǎn)生偏析。

用五金的中小零件等。

4）不適合易偏析合金（如鉛青銅）或雜質(zhì)較大合金的鑄造。四、低壓鑄造

離心鑄造主要用于生產(chǎn)鑄管、汽缸套、銅套等回轉(zhuǎn)體鑄件和鑄成形鑄件，如刀具、齒輪等，還可鑄“雙金屬”鑄件，如鋼套內(nèi)鑲銅軸承等。

低壓鑄造是介于一般重力鑄造（砂型、金屬型）和壓力鑄造之間的一種鑄造方法。其原理如圖2—34所示。

六、其他鑄造方法進(jìn)氣

低壓鑄造設(shè)備簡單、便于操作，易實(shí)現(xiàn)機(jī)

1）陶瓷型鑄造是使用鑄型型腔內(nèi)表面膠結(jié)一

模樣

磁型砂箱械化和自動化；有較強(qiáng)的適應(yīng)性，充型平穩(wěn)，

層陶瓷層來獲得鑄件的方法。可采用金屬型、砂型、熔模殼型等；所得鑄件

氣墊

2）實(shí)型鑄造是用泡沫塑料制造的模樣留在砂

磁鐵鐵丸

組織致密，力學(xué)性能好。

型內(nèi)，澆注金屬液時(shí)，模樣氣化消失即可獲得鑄件低壓鑄造主要用于各種批量生產(chǎn)鋁合金、

頂板

導(dǎo)柱

的一種失模鑄造方法。

線圈銅合金和鎂合金的鑄件，如曲軸、葉輪、活塞

頂桿

3）磁型鑄造（圖2—36）也是一種實(shí)型鑄造，等，也可用于生產(chǎn)球墨鑄鐵等高熔點(diǎn)合金的大

滑套

用泡沫塑料制造模樣，用鐵丸代替型砂在磁型機(jī)上學(xué)型

型鑄件。

型腔

造型，通電后產(chǎn)生一定方向的電磁場，將鐵丸吸固下型

圖2—36 磁型鑄造五、離心鑄造

密封墊

壓縮空氣

后即可獲得鑄件的方法。鑄件凝固后斷電，磁場保濕爐

消失。將金屬液注入繞水平、傾斜或垂直軸高速

澆口

金屬液坩堝

復(fù)習(xí)思考題旋轉(zhuǎn)的鑄型中，在離心力的作用下充型、凝固

而獲得鑄件的方法稱為離心鑄造。

升液管

1．為什么鑄造方法在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛？離心鑄造的鑄型可用金屬型、砂型、熔模

2．試述砂型鑄造的工藝過程。殼型等，在離心鑄造機(jī)上進(jìn)行。離心鑄造分為

3．試述型砂的組成及應(yīng)具備的性能。圖2—34 低壓鑄造

立式和臥式兩類（圖2—35）。立式離心鑄造為保

4．常用手工造型的方法有哪幾種？其工藝過程及特點(diǎn)分別是什么？證鑄件上下壁厚均勻，主要用于生產(chǎn)鑄件高度不大的環(huán)、套類零件；臥式離心鑄造制得的鑄

5．零件、鑄件、模樣在形狀和尺寸上有什么區(qū)別？件壁厚均勻、應(yīng)用較廣，主要用于生產(chǎn)長度較大的簡類、管類鑄件，如內(nèi)燃機(jī)缸套、鑄管和

6．與砂型相比，型芯制作有什么特殊要求？銅管等。

31 30

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

7．什么是分型面？選擇分型面應(yīng)考慮哪些問題？

8．內(nèi)澆道的用途是什么，開設(shè)內(nèi)澆道時(shí)應(yīng)注意什么問題？

第三章 9．電弧爐有哪些特點(diǎn)？

10．鑄件的清理包括哪幾方面？

11．簡述常見鑄造缺陷及其產(chǎn)生原因。

鍛

壓 12．所澆注的鑄件發(fā)生過什么鑄造缺陷？試分析其原因，應(yīng)如何防止？

13．簡述常用的特種鑄造種類及各自的應(yīng)用范圍。

第一節(jié) 概述

鍛壓是利用鍛壓機(jī)械的錘頭、砧塊、沖頭或通過模具對坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸的制件的成形加工方法，它是鍛造和沖壓的總稱。以鍛壓加工方法獲得的金屬制件分別稱為鍛件和沖壓件。

鍛造是一種利用鍛壓機(jī)械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定力學(xué)性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法，鍛壓（鍛造與沖壓）的兩大組成部分之一。通過

鍛造能消除金屬在冶煉過程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于保存了小（■

完整的金屬流線，鍛件的力學(xué)性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。相關(guān)機(jī)械中負(fù)載高、工作條件嚴(yán)峻的重要零件，除形狀較簡單的可用軋制的板材、型材或焊件外，多采用鍛件。

內(nèi)診

沖壓是靠壓力機(jī)和模具對板材、帶材、管材和型材等施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸的工件（沖壓件）的成形加工方法。沖壓和鍛造同屬塑性加、詳

工（或稱壓力加工），合稱鍛壓。沖壓的坯料主要是熱軋和冷軋的鋼板和鋼帶。沖壓一般在1)

常溫下進(jìn)行。沖壓的生產(chǎn)率極高，沖壓件具有結(jié)構(gòu)輕、剛性好、精度高、表面光潔、互換性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、輕工等工業(yè)部門。全世界的鋼材中，有60％～70％是5)

板材，其中大部分經(jīng)過沖壓制成成品。遠(yuǎn)，殯科版出論諒出出屯

鍛造生產(chǎn)的工藝過程為：下料→加熱→鍛打成形→冷卻→熱處理→清理→檢驗(yàn)。這

種加工工藝決定了其具有較高的生產(chǎn)率和較大的加工柔性，也使其成為機(jī)械加工最為常()

見的加工方式之一。因此鍛壓成為機(jī)械制造的基礎(chǔ)工藝之一，是制造機(jī)械產(chǎn)品不可缺少分

的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。它是裝備制造領(lǐng)域，特別是機(jī)械、0

市管一

汽車、軍工等工業(yè)中不可或缺的主要加工工藝。鍛壓生產(chǎn)制造能力也是衡量一個(gè)國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志。

第二節(jié) 鍛坯的加熱和鍛件的冷卻分

鍛壓材料應(yīng)具有良好的塑性，以便加工中產(chǎn)生塑性變形時(shí)不被破壞。常用的鍛造材料有3.

鋼、銅、鋁及其合金等；常用的沖壓材料有各種低碳鋼板、銅板、鋁板、皮革及有機(jī)玻璃板甘

等。鍛造用鋼分為鋼錠和鋼坯兩種。大中型鍛件宜選用鋼錠，小型鍛件宜選用鋼坯。鋼坯是省

對鋼錠經(jīng)軋制或鍛造而成的圓形或方形棒料，一般用剪切、鋸削或氧氣切割等方法截取所需的坯料。

國

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

第三章

鍛壓一、鍛壞的加熱

表3—3 鋼常見的加熱缺陷名稱

實(shí) 質(zhì)

危害

防止（減少）措施（一）加熱的目的和要求

好的組織及性能。一般地說，隨著溫度的升高，金屬的強(qiáng)度降低而塑性提高。所以，加熱后

量。加熱的目的是提高金屬的塑性和降低金屬的變形抗力，以便提高其可鍛性和最后得到

氧化

坯料表面鐵元素氧化，使表層金

燒損材料，降低鍛件精度和表面

快速加熱，減少高溫區(qū)的加熱時(shí)最造前對金屬還料進(jìn)行加熱，是鍛造工藝過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它直接影響鍛件的質(zhì)

屬變成氧化皮進(jìn)而燒損

質(zhì)量，降低模具使用壽命

間，采用控制爐氣成分的少（無）氧坯料表面碳元素氧化，造成表層

降低鍛件表面硬度，表層易產(chǎn)生

化加熱或電加熱以及在保護(hù)性氣脫碳

含碳量減少，形成脫碳層

龜裂

體中或涂保護(hù)層加熱鍛造可以用較小的鍛打力，使坯料獲得較大的變形量。

對金屬坯料加熱的要求是在坯料均勻熱透的前提下，用最短的時(shí)間加熱到鍛造所需的溫

嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時(shí)間，過熱

超過規(guī)定溫度或在始鍛溫度下

鍛件的力學(xué)性能降低，鍛造時(shí)易

保證鍛后有變形量來破碎粗品或保溫時(shí)間過長，造成內(nèi)部品校粗大

產(chǎn)生裂紋

鍛后熱處理度，以減少金屬的氧化和降低燃料的消耗。

加熱到接近材料熔化溫度并長

致命的加熱缺陷，一鍛即碎，無

嚴(yán)格控制加熱溫度、保溫時(shí)間和（二）鍛造溫度范圍

鍛造過程中，加熱溫度太高會使得鍛件質(zhì)量下降，甚至造成廢品。開始鍛造時(shí)坯料的溫

過燒

時(shí)間停留，造成品粒界面雜質(zhì)氧化

法鍛造

爐氣成分裂紋

坯料內(nèi)外溫差大，組織變化不

坯料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋

嚴(yán)格控制加熱速度和裝爐溫度度稱為始鍛溫度。

坯料在鍛造過程中，隨著熱量的散失，溫度不斷下降，塑性會越來越差，變形抗力越來

均，造成材料內(nèi)應(yīng)力過大越大。溫度下降到一定程度后，不僅難以繼續(xù)變形，且易鍛裂，必須及時(shí)停止鍛造，或重新

（四）加熱設(shè)備加熱。坯料經(jīng)過鍛造成形，在停鍛時(shí)鍛件的瞬時(shí)溫度稱為終鍛溫度。

按所用能源和形式的不同，鍛造加熱設(shè)備主要分為火焰爐和加熱爐兩大類。鍛造溫度范圍是指坯料開始鍛造的溫度（始鍛溫度）和終止鍛造的溫度（終鍛溫度）

1．火焰爐之間的范圍。始鍛溫度在保證不產(chǎn)生加熱缺陷的前提下應(yīng)盡可能取高些；終鍛溫度在保證坯

火焰爐指的是直接利用燃料燃燒產(chǎn)生的火焰直接加熱坯料的爐子。常用的火焰爐有利用料有足夠塑性的前提下應(yīng)盡可能定低些。這樣擴(kuò)大了鍛造溫度范圍，減少鍛造過程的加熱次

煤、焦炭為燃料的手鍛爐及反射爐，以及利用重油、柴油、煤氣及天然氣作為燃料的室式爐，它們均通過熱能輻射、傳導(dǎo)和對流形式來加熱鍛坯。

數(shù)，提高鍛件質(zhì)量。常用材料的鍛造溫度范圍見表3—1。

手鍛爐（圖3—1）采用煙煤或焦炭為燃料，坯料堆放在燃料上直接加熱。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)表3—1 常用材料的鍛造溫度范圍

簡單、使用方便，是目前鍛造實(shí)習(xí)中普遍采用的加熱設(shè)備之一。但熱效率低，加熱不均勻，材料種類

始溫度／℃

終鍛溫度／℃

材料種類

始鍛溫度／℃

終鍛溫度／℃

生產(chǎn)率不高，一般用于小型鍛件的單件小批手工鍛或小型空氣錘自由鍛的生產(chǎn)。低碳鋼

1200-1250

800

合金工具鋼

1050-1150

800-850

室式爐（圖3—2）采用重油為燃料。重油與壓縮空氣分別進(jìn)入噴嘴，壓縮空氣從噴嘴噴中碳鋼

1150-1200

800

高速工具鋼

1100-1150

900

出時(shí)，將重油帶出，在噴嘴口附近混合霧化后，噴入爐膛進(jìn)行燃燒。調(diào)節(jié)重油及空氣流量，合金結(jié)構(gòu)鋼

1100-1180

800-850

鋁合金

150-500

350-380 碳素工具鋼

1050-1150

750-800

銅合金

800-900

650-700

爐膛由于鍛造過程都是在動態(tài)下進(jìn)行的，溫度測量和控制使用一般的接觸式測溫儀很難實(shí)

現(xiàn)。因此，現(xiàn)在的工藝技術(shù)都選擇非接觸紅外測溫儀。但一般鍛鋼件的鍛造溫度范圍大，現(xiàn)場多用觀察火色的方法來大致判斷。鋼加熱至530℃以上的高溫后，在不同的溫度下會發(fā)出

噴嘴不同顏色的光波（俗稱“火色”），通常溫度越高，則顏色越淺，亮度越高。有經(jīng)驗(yàn)的加熱

工和鍛工依據(jù)火色目測溫度的誤差在±20～50℃。鍛鋼加熱溫度與其火色的關(guān)系見表3—2。

表3—2 鍛鋼加熱溫度與其火色的關(guān)系

加熱溫度／℃

1300

1200 火色

1100 900 800 700

600以下黃白

淡黃黃

煙道淡紅

櫻紅暗紅

赤褐（三）鋼的加熱缺陷

圖3-1 手鍛爐

圖3-2 室式爐鋼在鍛壓加熱過程中，表層的鐵和碳會與爐氣中的氧化性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氧化

1—灰爐 2—火溝槽 3—鼓風(fēng)機(jī)皮和脫碳層。若加熱溫度過高，還會產(chǎn)生過熱、過燒及裂紋等缺陷。在加熱過程中要通過控

4—爐算 5—后爐網(wǎng) 6—煙囪制爐氣、加熱溫度、加熱時(shí)間來盡量減少這些加熱缺陷。鋼常見的加熱缺陷見表3—3。

35?

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

便可調(diào)整爐膛的燃燒溫度。其特點(diǎn)是加熱較迅速，而加熱質(zhì)量一般，適用于大型單件或成批

第三章

鍛壓大型鍛件和高合金鍛件的冷卻。

中小最件的生產(chǎn)。煤氣爐的構(gòu)造與室式爐基本相同，主要區(qū)別在于燃料不同，以及噴嘴的構(gòu)

一般地說，鍛件材料的含碳量或合金元素含量越高、體積越大、形狀越復(fù)雜，越應(yīng)采用

較緩慢的冷卻速度，以保證鍛件質(zhì)量。反之則可能造成鍛件硬化、變形、開裂甚至報(bào)廢。造不同。

加熱爐是利用電流通過布置在爐算上的電熱元器件產(chǎn)生的電阻熱為熱源，通過輻射和對2．加熱爐

流將坯料加熱。其通常做成箱形，主要有箱式爐和中頻、工頻感應(yīng)爐。

箱式妒（圖3—3）是利用電熱元器件產(chǎn)生熱量、間接加熱金屬的。箱式爐具有結(jié)構(gòu)簡

第三節(jié) 鍛壓方法適應(yīng)范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。但電能消耗大，熱效率較低，適合于自由鍛或模鍛合金鋼、有色金屬

單、體積小、操作簡便、爐溫均勻并易于調(diào)節(jié)、坯料氧化較小、加熱質(zhì)量好、坯料加熱溫度

一、自由鍛

將加熱后的金屬坯料置于鐵砧上或鍛壓機(jī)器的上、下砧之間直接進(jìn)行的鍛造，稱為自由坯料的單件或成批的加熱。

感應(yīng)爐（圖3—4）是利用交流感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變磁場，使置于線圈中的坯料產(chǎn)生渦流損

鍛。前者稱為手工自由鍛（簡稱手鍛），后則稱為機(jī)器自由鍛（簡稱機(jī)鍛）。自由鍛生產(chǎn)率低，耗和磁滯損耗熱而升溫加熱。具有加熱速度快、加熱質(zhì)量好、控溫準(zhǔn)確和易于實(shí)現(xiàn)自動化等

勞動強(qiáng)度大，鍛件的精度低，對操作工人的技術(shù)要求較高。但是自由鍛所使用的工具簡單，設(shè)特點(diǎn)，但成本較高。感應(yīng)加熱的坯料尺寸小，適合于模鍛或有色金屬的大批量加熱。接觸加

備的通用性強(qiáng)，工藝靈活性高，所以廣泛用于單件、小批量零件及大型鍛件毛坯的生產(chǎn)。熱是利用大電流通過金屬坯料產(chǎn)生的電阻熱加熱，這種加熱方式加熱速度快、金屬消耗少及

（一）自由鍛的設(shè)備和工具

機(jī)器自由鍛常用的鍛造設(shè)備有空氣錘、蒸汽—空氣自由錘和水壓機(jī)。其中空氣錘使用靈熱效率高，適合于模鍛坯料的大批量加熱。

活，操作方便，是生產(chǎn)小型鍛件最常用的自由鍛設(shè)備。電阻體

熱電偶

空氣錘（圖3—5）是一種由電動機(jī)驅(qū)動的小型自由鍛設(shè)備。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，操作容易，但噸位（指落下部位的質(zhì)量）較小。空氣錘加工過程中，電動機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)和曲柄連桿機(jī)構(gòu)推動壓縮缸中的壓縮活塞產(chǎn)生壓縮空氣，再通過上、下旋閥的配氣作

用，使壓縮空氣進(jìn)入工作缸的上腔或下腔，推動落下部分（活塞、錘頭和上砧組成）上升坯料

線圈

或下降，完成各種打擊動作。空氣錘通過操縱手柄或腳踏板的位置來控制旋閥，以改變壓縮空氣的流向，來實(shí)現(xiàn)上懸、下壓、單打、連打及空轉(zhuǎn)五個(gè)動作的循環(huán)。

00000 00000 00000 爐門

旋閥 0000000000 00000

壓縮缸工作缸

圖3-3 箱式爐

圖3-4 感應(yīng)爐

上旋閥手柄

工作缸

壓縮缸錘桿

錘身

工作活塞

壓縮活塞二、鍛件的冷卻

鍛件的冷卻是指鍛后從終鍛溫度冷卻到室溫。鍛件的冷卻同加熱一樣，也是保證鍛件質(zhì)量

上砧下砧

錘桿的重要環(huán)節(jié)。如果冷卻的方法不當(dāng)，會造成坯料產(chǎn)生硬化、變形或裂紋缺陷。為獲得一定力學(xué)

砧墊

減速機(jī)構(gòu)

上砧

連桿性能的合格鍛件，應(yīng)采取不同的冷卻方式。鍛件常用的冷卻方式有三種：空冷、坑冷和爐冷。

電動機(jī) 1．空冷

砧座

下砧砧墊

曲柄空冷是鍛件鍛后在無風(fēng)的空氣中，堆放在干燥的地面上冷卻。其特點(diǎn)是冷卻速度快、晶

粒細(xì)化，適用于中小型低、中碳鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼的鍛件。

踏桿

圖3-5 空氣錘 2．坑冷

坑冷是鍛件鍛后放到填滿砂子、石灰或爐渣等絕緣材料的地坑或鐵箱中冷卻。一般先空

空氣錘的規(guī)格用落下部分的總重量表示，常用規(guī)格是50～750kg，打擊力約為落下部分冷至650～700℃后再置于坑中。其特點(diǎn)是冷卻速度可以調(diào)節(jié)，適用于碳素工具鋼和合金工具

重量的800～1000倍。例如150kg空氣錘就是指錘的落下部分的質(zhì)量為150kg，要根據(jù)鍛件鋼鍛件的冷卻。

3．爐冷

的重量和尺寸合理選用不同規(guī)格的空氣錘。空氣錘既可進(jìn)行自由鍛，也可用于胎模鍛，操縱

方便，但錘擊力較小，且有噪聲、振動，一般適用于鍛造質(zhì)量在100kg以下的小型鍛件。爐冷是鍛件鍛后直接置于500～700℃的爐中，隨爐緩冷。其特點(diǎn)是冷卻速度慢，適用于

4 36

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

蒸汽—空氣自由錘適合鍛造中、大型鍛件，是利用蒸汽或壓縮空氣來推動錘頭工作的。

第三章

鍛壓所用蒸汽或壓縮空氣的壓力通常達(dá)到4—5個(gè)大氣壓，故鍛擊力遠(yuǎn)大于空氣錘，其規(guī)格也用

錘頭（即落下部分）的質(zhì)量來表示，一般為0.5—5t。蒸汽—空氣自由錘必須附有一套輔助設(shè)備如蒸汽鍋爐或空氣壓縮機(jī)，因此比空氣錘結(jié)構(gòu)更復(fù)雜一些。主要用于鍛造質(zhì)量在70～

夾層 700kg的中小型鍛件。

水壓機(jī)是通過高壓水進(jìn)入工作缸而產(chǎn)生靜壓力作用于坯料來進(jìn)行鍛壓的，其壓力為5000—125000kN，可鍛壓1—3001的鋼錠，是大型鍛件的生產(chǎn)設(shè)備。

錘、摔子、胎模）、夾持工具（手鉗）、襯墊工具和測量工具（鋼尺、卡鉗）等。

圖3-8 鐓偏

圖3-9 夾層自由鍛常用工具有鍛打工具（大錘、手錘）、支承工具（鐵砧）、成形工具（沖子、平

2．拔長（二）自由鍛的基本工序

基本過程，其作用是使金屬坯料產(chǎn)生塑性變形，改變其形狀和尺寸，以獲得符合要求的鍛件；

自由鍛的變形工序分為基本工序、輔助工序和精整工序三類。其中基本工序是成形的主要

拔長是減小坯料橫截面積，增加其長度的鍛造工序，又稱延伸

或引伸，常用于鍛造軸類、桿類和長筒形鍛件，也與鐓粗相結(jié)合，工序是在完成基本工序后，用以提高鍛件尺寸及位置精度的工序，如摔光、校直、滾圓。

輔助工序是為便于基本工序的實(shí)現(xiàn)而對坯料進(jìn)行的預(yù)先變形，如壓肩、倒棱、壓鉗口等；精整

作為改善坯料內(nèi)部組織，提高鍛件機(jī)械性能的準(zhǔn)備工序。拔長一般有平砧拔長、趕鐵拔長和芯棒拔長，如圖3—10～圖3—12所示。

自由鍛的基本工序有鐓粗、拔長、沖孔、彎曲、錯(cuò)移、扭轉(zhuǎn)和切割等。

拔長的操作規(guī)則是：

1）坯料拔長時(shí)應(yīng)沿鐵砧的寬度方向送進(jìn)，并保證每次送進(jìn)1．鐓粗

鐓粗是減小坯料高度，增大其橫截面積的鍛造工序，常用于鍛造圓盤類（如齒輪坯）

下砧量L為鐵砧寬度B的0.3～0.7倍，且不小于單面壓下量h。送進(jìn)

圖3—10 平砧拔長及法蘭等鍛件，在鍛造空心鍛件時(shí)，可作為沖孔前的預(yù)備工序，鐓粗可作為提高鍛造比的預(yù)

量太大或太小，將會造成拔長效率降低或產(chǎn)生夾層（圖3—13）。備工序。鐓粗分為完全鐓粗和局部鐓粗（圖3—6）。

另外，每次壓下量也不要太大，壓下量應(yīng)等于或小于送進(jìn)量，否則容易產(chǎn)生折疊。鐓粗的操作規(guī)則是：

1）鐓粗坯料的加熱溫度采用最高始鍛溫度，且要均勻熱透。

2）坯料鐓粗部分的高度與其直徑之比應(yīng)小于2.5，否則易鐓歪（圖3—7）。工件鐓歪后應(yīng)將其放平，輕輕錘擊矯正。

Kzrd 上砧

坯料

圖3—11 趕鐵拔長

圖3—12 芯棒拔長漏盤

2）坯料拔長時(shí)應(yīng)不斷翻轉(zhuǎn)，以保證在方截面下進(jìn)下砧

行變形和各部分溫度的均勻，減少內(nèi)應(yīng)力和裂紋（圖3—14）。用這種方法拔長時(shí)，應(yīng)注意工件的寬度和厚度之

比不要超過2.5，否則再次翻轉(zhuǎn)繼續(xù)拔長時(shí)容易產(chǎn)生圖3-6 鐓粗

圖3-7 鐓歪

折疊。 a）完全鐓租 b）局部敏粗

3）坯料從大直徑拔長到小直徑時(shí)，應(yīng)先以正方截3）坯料的端面應(yīng)平整，并與軸線垂直。鐓粗時(shí)要不斷翻轉(zhuǎn)坯料，以免造成不均勻變形

面拔長，到一定程度后，再倒棱、滾圓（圖3—15），這樣鍛造效率高、質(zhì)量好。

和鐓歪、鐓偏（圖3—8）。矯正鐓歪的方法是將坯料斜立，輕打鐓歪的斜角，然后放正，繼續(xù)鍛打。

4）鍛件局部拔長時(shí)，必須先用三角刀或圓棒在截

b) 4）坯料鐓粗高度和直徑較大時(shí)，錘擊力要重，否則會產(chǎn)生雙鼓形，若不及時(shí)糾正會導(dǎo)

面分界處壓肩，以使過渡面平直整齊，壓肩深度應(yīng)為臺

圖3—13 坯料拔長時(shí)的送進(jìn)量致夾層（圖3—9）。

階高度的1／2～2／3（圖3—16）。

開始送進(jìn) b）產(chǎn)生折疊438

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

第三章

鍛壓 2

圖3—14 坯料拔長時(shí)的翻轉(zhuǎn)

a）反復(fù)翻轉(zhuǎn)90°b）沿螺線裝轉(zhuǎn)90°c）鑲完一面后再轉(zhuǎn)90°

圖3—19 雙面沖孔

圖3—20 空心沖子沖孔

1—上砧 2—第二節(jié)套筒 3—第一節(jié)套筒4—空心沖子 5—鋼錠冒口端 6—第三節(jié)套筒

7—芯料 8—墊圈 9—墊板（或下砧）19円日1

圖3—15 圓坯料的拔長方法

2）沖孔坯料的加熱溫度應(yīng)采用最高始鍛溫度，且均勻熱透，以防止坯料沖裂和損壞沖子。

5）鍛件拔長后必須進(jìn)行修整，以使其表面平整光滑、尺寸準(zhǔn)確（圖3—17）。圓形截面

3）沖孔時(shí)，直徑小于25mm的孔一般不沖，由后續(xù)切削加工時(shí)鉆出；大于450mm的孔的鍛件用手錘或摔子修整。

用空心沖頭沖孔。

4）沖較大孔時(shí)，要用直徑較小的沖頭沖出小孔，再用直徑較大的沖頭逐步擴(kuò)孔至所需尺寸。

5）沖孔過程中，沖子要適時(shí)浸水冷卻，以防止受熱變軟。4．彎曲

使坯料彎成一定角度或形狀的鍛造工序稱為彎曲。彎曲用于鍛造吊鉤、鏈環(huán)、彎板等鍛件。

壓鐵彎曲前應(yīng)將彎曲部分進(jìn)行局部鐓粗，并修出凸

工件 b)

肩。彎曲時(shí)，需在坯料的受彎部進(jìn)行加熱。鍛件

墊鐵的加熱部分最好只限于被彎曲的一段，加熱必須

圖3-16 壓肩

圖3—17 拔長后修整

均勻。在空氣錘上進(jìn)行彎曲時(shí)，將坯料夾在上、a）圓棒壓肩 b）雙面三角刀壓肩

a）矩形截面鍛件的修整 b）圓形截面鍛件的修整c）單面三角刀壓肩

下砧間，使欲彎曲的部分露出，用手錘或大錘將

(q 坯料打彎，或借助于墊鐵、壓鐵等輔助工具使其

3．沖孔

彎曲（圖3—21）。

圖3-21 彎曲沖孔是在坯料上沖出通孔或不通孔的鍛造工序，常用于鍛造齒

5．錯(cuò)移

a）角度彎曲 b）弧度彎曲輪、套筒和圓環(huán)等鍛件。一般規(guī)定：錘的落下部分重量在0.15—51

錯(cuò)移是將坯料的一部分相對于另一部分錯(cuò)開，但仍保持兩軸線平行的鍛造工序，常用于鍛沖子

之間，最小沖孔直徑相應(yīng)為φ30—ф100mm；孔徑小于ф100mm，而

造曲軸類鍛件。錯(cuò)移前應(yīng)先在錯(cuò)移部位壓肩，再用上下砧移位加壓使坯料錯(cuò)開（圖3—22）。孔深大于φ300mm的孔可不沖出；孔徑小于φ150mm，而孔深大于

工件

6．扭轉(zhuǎn) 500mm的孔也不沖出。根據(jù)沖孔所用沖子的形狀不同，可分為實(shí)心

漏盤

扭轉(zhuǎn)是將坯料的一部分相對于另一部分繞其軸線旋轉(zhuǎn)一定角度的鍛造工序，常用于鍛造沖子沖孔和空心沖子沖孔。實(shí)心沖子沖孔分為單面沖孔（圖3—18）

曲軸、連桿等鍛件或校正鍛件。扭轉(zhuǎn)前，應(yīng)將整個(gè)坯料先在一個(gè)平面內(nèi)鍛造成形，并使受扭和雙面沖孔（圖3—19）；空心沖子沖孔均為單面沖孔（圖3—20）。

部分表面光滑，然后進(jìn)行扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)時(shí)，由于金屬變形劇烈，要求受扭部分加熱到最高始鍛沖孔的操作規(guī)則是：

圖3—18 單面沖孔

溫度，且均勻熱透。扭轉(zhuǎn)后，要注意緩慢冷卻，以防出現(xiàn)裂紋。如圖3—23所示為大錘打擊1）沖孔前，需將坯料鐓粗，以減小沖孔的深度并使沖孔面平整。

的扭轉(zhuǎn)。

41 AA40

第三章

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

鍛壓

（續(xù)）序號

工序名稱

操作方法

工序簡圖

使用工具

圓嘴鉗 3

鍛六孔

圓沖子在胎膜上依次翻轉(zhuǎn)最六角

樣板

平錘 b)

圖3-23 扭轉(zhuǎn) 圖3-22 錯(cuò)移

4 覃圓

尖嘴鉗罩圓，形成螺母頭部球面形狀

）一個(gè)平面內(nèi)錯(cuò)移 b）兩個(gè)平面內(nèi)錯(cuò)移

窩模 7．切割

切割是使坯料分開的工序，如切去料頭、下料和切割成一定形狀等。用手工切割工件

芯棒 5

修整

檢查及修整軸向彎曲

平錘時(shí)，把工件放在砧面上，剁刀垂直于工件軸線，邊鏨削邊旋轉(zhuǎn)工件，當(dāng)快切斷時(shí)，應(yīng)將切口

稍移至砧邊處，輕輕將工件切斷。常用方法如圖3—24所示。

二、胎模鍛和模鍛 1．胎模鍛

胎膜鍛是在自由鍛設(shè)備上采用可移動的簡單鍛模（胎模）生產(chǎn)模鍛件的鍛造方法。胎剁刀

模不固定在錘頭和砧座上，使用時(shí)才放到下砧上進(jìn)行鍛造。胎模鍛兼有自由鍛和模鍛的特剁墊

點(diǎn)，一般用自由鍛制坯，再在胎模中最后成形。此外，胎模鍛的模具制造簡便，在自由鍛錘工件

上即可進(jìn)行鍛造，不需模鍛錘。成批生產(chǎn)時(shí)，模鍛與自由鍛相比較，鍛件質(zhì)量好，生產(chǎn)率

高，能鍛造形狀較復(fù)雜的鍛件，在中小批生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。但勞動強(qiáng)度大，只適于小型b)

鍛件。圖3-24 切割

胎模按其結(jié)構(gòu)可分為摔模、扣模、墊模、彎模、套模、合模和漏模等。如圖3—25所示a）方料的切割 b）圓料的切割

的扣模用于非回轉(zhuǎn)體鍛件的局部或整體成形，或?yàn)楹夏ｅ懺熘婆鳌＃ㄈ┑湫湾懠杂慑懝に噷?shí)例

上扣六角螺母的自由鍛工藝過程見表3—4。

坯料表3—4 六角螺母的自由鍛工藝過程

坯料

下扣鍛件圖

圖3-25 扣模序號

工序名稱

操作方法

工序簡圖微租

將坯料鐓粗

使用工具

2．模鍛 1

尖嘴鉗

將加熱后的坯料放到鍛模的模膛內(nèi)，經(jīng)過鍛造，使其在模膛所限制的空間內(nèi)產(chǎn)生塑性2

沖孔

雙面沖孔

尖嘴鉗

變形，從而獲得鍛件的鍛造方法稱為模鍛。鍛模（圖3—26）是由模膛的上、下模及緊固件圓鉤鉗

等組成的，上、下模的尾部做成燕尾形，用楔鐵分別緊固在錘頭和模墊上，前后定位用鍵及沖子

墊塊調(diào)整。鍛模的模膛按功能可分為制坯模膛和模鍛模膛兩大類。

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

模假可分為錘上模俄和壓力機(jī)模鍛。錘上模鍛是在蒸汽一空氣模最錘上進(jìn)行的，常用的模鍛壓力

模鐵

第三章

■壓模額

壓力機(jī)（圖3—28）是曲柄壓力機(jī)的一種，可完機(jī)有曲柄壓力機(jī)、摩擦螺旋壓力機(jī)、平鍛機(jī)和液壓

分模面

成除剪切外的絕大多數(shù)基本工序，是沖壓生產(chǎn)的基

帶艷機(jī)等。

證號■ 模鍛與自由鍛相比，生產(chǎn)的鍛件形狀更為復(fù)雜，

本設(shè)備。沖壓時(shí)沖模的凸模（或沖頭）裝在滑塊的模鐵

尺寸精度較高，表而粗糙度值小，且力學(xué)性能較高；

緊固楔鐵

下端，凹模裝在工作臺上，壓力機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)

制動菲鍛件加工余量和鍛造公差小，材料利用率高；生產(chǎn)

將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成滑塊的上、下往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)沖過程操作簡便，勞動強(qiáng)度小，易于實(shí)現(xiàn)自動化，生

壓。壓力機(jī)主要技術(shù)參數(shù)有額定壓力、滑塊行程距

連村產(chǎn)率高。但模鍛的設(shè)備投資大；生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，尤

電動機(jī) 離（mm）、滑塊行程次數(shù)（次／min）和封閉高

其是鍛模的設(shè)計(jì)制造周期長，費(fèi)用高；鍛模成本高；

度等。工藝靈活性差，適用于中小鍛件的大批量生產(chǎn)。

圖3-26 鍛模

（二）沖壓的基本工序

床身

金期導(dǎo)敏

沖壓的基本工序主要有分離工序（落料和沖

■塊三、板料成形

孔）和變形工序（彎曲和拉深）。

工作臺 1．落料和沖孔

利用沖壓設(shè)備和沖模使金屬或非金屬板料產(chǎn)生分離或變形的壓力加工方法稱為沖壓，也稱為

落料和沖孔是使坯料分離的工序，又稱為沖裁板料成形。這種加工方法通常是在常溫下進(jìn)行的，所以又稱冷沖。板料成形的原材料是具有較高

工序。從板料上沖下所需形狀的零件（或毛坯）為

■板塑性的金屬材料，如低碳鋼、銅及其合金、鎂合金等。還可以加工某些非金屬（如石棉板、硬橡

落料，即沖下部分為成品，剩下周邊部分為廢料；膠、膠木板、皮革等）的板材、帶材或其他型材。用于加工的板料厚度一般小于6mm。

而沖孔則相反，它是在板料上沖出所需形狀的孔，沖壓的特點(diǎn)是可沖出形狀復(fù)雜的零件，材料利用率高；沖壓件表面質(zhì)量高，強(qiáng)度高，剛

即沖下部分為廢料，剩余周邊部分為成品，如圖

圖3-28

壓力機(jī) 性好；操作簡單，生產(chǎn)率高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化；沖模精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造

3-29所示。成本大等，因此沖壓常適用于大批量生產(chǎn)場合。

落料和沖孔所用的模具稱為沖裁模，其凸、凹模刃口必須鋒利且應(yīng)有很小的沖裁間隙（一）沖壓設(shè)備

（單邊間隙為材料厚度的5％～10％）。沖壓生產(chǎn)常用的設(shè)備是剪板機(jī)和壓力機(jī)。

2．彎曲和拉深剪板機(jī)是將板料切成一定寬度的條料，是沖壓生產(chǎn)的備料設(shè)備。剪板機(jī)（圖3—27）的

彎曲是使板料的一部分相對于另一部分彎成一定角度的沖壓變形工序（圖3—30）。彎曲

件有最小彎曲半徑的限制，凹模的工作部位必須有圓角過渡，以免拉傷工件。彎曲主要應(yīng)用傳動原理為：電動機(jī)帶動帶輪、齒輪轉(zhuǎn)動，經(jīng)離合器帶動曲軸轉(zhuǎn)動，使裝在滑塊上的上刀刃

于制造各種彎曲形狀的沖壓件。彎曲模的凸模端部和凹模邊緣應(yīng)做成一定的圓角，以防止工沿導(dǎo)軌做上、下運(yùn)動，并與固定在工作臺上的下刀刃配合，進(jìn)行剪切。制動器的作用是使上

件外表面被彎裂或劃傷；凹模的角度應(yīng)略小于工件的角度。刀刃剪切后停在最高位置上，為下次剪切做準(zhǔn)備，擋鐵用來控制下料尺寸。為了減小剪切

力，剪切寬度大的板材用斜刃剪切，當(dāng)剪切窄而厚的板材時(shí)，應(yīng)選用平刃剪切。

廢料

沖頭剪板機(jī)的規(guī)格是以剪切板料的厚度和寬度來表示的。例如Q11—2x1000型剪板機(jī)，表示

能剪切厚度為2mm、長度為1000mm的板料。

制動器帶輪

齒輪電動機(jī)

離合器滑塊

習(xí)H 導(dǎo)軌

滑塊

圖3—29 落料與沖孔

圖3-30 彎曲上刀刃

上刀刃

a）落料 b）沖孔板料

下刀刃工作臺

板料

下刀刃

拉深是將板料沖成開口的中空形狀零件的沖壓變形工序（圖3—31）。拉深模的凸模端部工作臺

和邊緣除應(yīng)帶有圓角外，凸、凹模之間還應(yīng)留有一定（略大于板料厚度）的間隙；拉深過圖3-27 剪板機(jī)

程中為了防止起皺，要用壓邊圈將板料壓緊，凹模和凸模必須有圓角過渡。

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

第三章（三）沖模

沖模按工序的組合特征可分為單工序模、連續(xù)模（級

鍛壓

齒輪。其齒形部分可直接鍛出而不必再經(jīng)過切削加工。模鍛件尺寸精度可達(dá)IT12—IT15，表進(jìn)模）和復(fù)合模。

單工序模是指在壓力機(jī)的一次行程中只完成一個(gè)沖壓工

壓邊■

面粗糙度值Ra為1.6—3.2μm，材料利用率提高2—3倍。精密模鍛分為冷鍛、溫鍛和熱鍛，序的模具（圖3—32），其結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，適用于小批

板料

它將零件上一些需要切削加工才能達(dá)到精度要求的部分直接鍛出或僅留少量切削余量。因量生產(chǎn)。連續(xù)模是指在壓力機(jī)的一次行程中，在模具的不同

凹模

此，采用精密模鍛工藝需對模鍛的有關(guān)環(huán)節(jié)提出更嚴(yán)格的技術(shù)要求。例如：對毛坯的下料質(zhì)部位上能同時(shí)完成數(shù)道沖壓工序的模具（圖3—33），其生產(chǎn)

量及表面質(zhì)量的控制；毛坯的合理設(shè)計(jì)；毛坯的少、無氧化加熱；加熱規(guī)范及冷卻規(guī)范的控率高，易于實(shí)現(xiàn)自動化，但定位精度要求高，成本較高。復(fù)

制；模具制造和使用精度的控制；合適的潤滑及冷卻條件的選取等。合模是指在壓力機(jī)的一次行程中，在模具的同一位置上能同

精密模鍛具有節(jié)約金屬和減少切削加工工時(shí)的顯著優(yōu)點(diǎn)；但是，由于強(qiáng)化了模鍛的有關(guān)時(shí)完成數(shù)道沖壓工序的模具（圖3—34），能較好地保證零件

環(huán)節(jié)而會使部分成本提高。所以，對具體產(chǎn)品是否選擇精密模鍛工藝生產(chǎn)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)成品零件的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及零件結(jié)構(gòu)和性能的特殊要求進(jìn)行綜合考慮。

的位置精度，生產(chǎn)率高，但制造復(fù)雜，成本高。

圖3-31 拉深

2．粉末鍛造

粉末鍛造通常是指將粉末燒結(jié)的毛坯經(jīng)加熱后，在閉式模中鍛造成零件的成形工藝方

法。它是將傳統(tǒng)粉末冶金和精密鍛造結(jié)合起來的一種新工藝，并兼兩者的優(yōu)點(diǎn)。可以制取密模柄上模板

落模凸模

度接近材料理論密度的粉末鍛件，克服了普通粉末冶金零件密度低的缺點(diǎn)。使粉末鍛件的某定位銷

些物理性能和力學(xué)性能達(dá)到甚至超過普通鍛件的水平，同

時(shí)保持了普通粉末冶金少屑、無屑工藝的優(yōu)點(diǎn)。通過合理壓模板

擺頭（上模）設(shè)計(jì)毛坯和實(shí)行少、無飛邊，具有成形精確，材料利用率

凹模

高，鍛造能量消耗少等特點(diǎn)。

坯料落料凹模

沖孔凹模

3．?dāng)[動輾壓

滑塊導(dǎo)料板

下模板

產(chǎn)品廢料

擺動輾壓是坯料在有擺角的上模旋轉(zhuǎn)擠壓下連續(xù)局部

進(jìn)給油缸圖3—32 單工序模

圖3-33 連續(xù)模

變形而獲得鍛件的加工方法（圖3—35）。擺動輾壓時(shí)坯料

的變形只在坯料內(nèi)的局部產(chǎn)生，且使塑性變形區(qū)隨模具沿切余材料

瞬時(shí)塑變區(qū) 坯料做相對運(yùn)動，使整個(gè)坯料逐步變形，這樣就大大降低

拉深凹模

頂出器

條料

了鍛壓力和設(shè)備噸位容量，從而可以用較小噸位的鍛壓設(shè)落料凸模

壓板

備輾壓出盤類零件。擺動輾壓主要適用于生產(chǎn)回轉(zhuǎn)體的輪擋料銷

（卸料器）

坯料

盤類或帶法蘭的軸類鍛件。

圖3—35 擺動■壓中

落料拉深

拉深件凹模

凸模

零件

特種鍛造廣泛應(yīng)用的還有輥軋（輥鍛、斜軋、橫軋、輾環(huán)）、擠壓（正擠壓、反擠壓、復(fù)合擠壓、徑向擠壓）、拉拔和徑向鍛造等。

圖3-34 復(fù)合模

二、特種沖壓第四節(jié)

特種鍛壓

1．精密沖裁

精密沖裁屬于無屑加工，是在普通沖壓技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種精密沖壓方法。它的特種鍛壓是在普通鍛壓工藝基礎(chǔ)上發(fā)展和推出的，以滿足高速發(fā)展的工業(yè)對鍛件生產(chǎn)的

特點(diǎn)是能在一次沖壓行程中獲得比普通沖裁零件尺寸精度高、沖裁面光潔、翹曲小且互換性要求，使鍛件更多地直接成為零件，實(shí)現(xiàn)少屑和無屑加工，且生產(chǎn)過程機(jī)械化、自動化。21

好的優(yōu)質(zhì)沖壓件，并以較低的成本達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量的改善。精密沖裁—半沖孔復(fù)合工藝就是利世紀(jì)的鍛壓技術(shù)和鍛壓加工產(chǎn)品正朝著優(yōu)質(zhì)輕量化、大型整體化、精密化、高效低成本化、

用這一特點(diǎn)而派生出的新工藝（圖3—36）。多學(xué)科復(fù)合化的方向發(fā)展。

2．旋壓

旋壓是利用坯料隨芯模旋轉(zhuǎn)（或旋壓工具繞坯料與芯模旋轉(zhuǎn)）和旋壓工具與芯模相對一、特種鍛造

進(jìn)給，使坯料受壓連續(xù)變形而獲得沖壓件的加工方法（圖3—37）。旋壓是在專用旋壓機(jī)上進(jìn)1．精密模鍛

行的。用旋壓方法可以完成各種形狀旋轉(zhuǎn)體的拉深、翻邊、縮口、脹形和卷邊等工藝，如薄精密模鍛是指在模鍛設(shè)備上鍛造出形狀復(fù)雜、精度高的鍛件的模鍛工藝。如精密模鍛錐

壁食品罐、渦輪軸等。

47 會46

第三章

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

鍛壓使坯料產(chǎn)生塑性變形的電液成形（圖3—39）；利用電流通過線圈所產(chǎn)生磁場的磁力作用，使坯料產(chǎn)生塑性變形的電磁成形（圖3—40）。

頂稈

開關(guān) 凸模

整流器

限流電阻升壓變壓器

成形線圈壓邊■

電容器開關(guān)

毛坯國籍

半沖孔凸模反壓板

排氣孔

接真空泵圖3—36 精密沖裁—半沖孔復(fù)合工藝

圖3-37 旋壓

圖3—39 電液成形

圖3—40 電磁成形3．超塑成形

超塑成形是利用材料在特定的組織條件、溫度條件和變形速度下變形所呈現(xiàn)的超塑性而進(jìn)行成形加工的方法。超塑成形擴(kuò)大了適合鍛壓生產(chǎn)的金屬材料的范圍，并可鍛出精度高，

第五節(jié) 鍛壓生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)甚至不加工的零件。超塑性是指在特定的條件下，即在低的應(yīng)變速率，一定的變形溫度

（約為熱力學(xué)熔化溫度的一半）和穩(wěn)定而細(xì)小的晶粒度（0.5～5μm）的條件下，某些金屬

鍛壓生產(chǎn)有著悠久的歷史，它最早是以手工作坊的形式出現(xiàn)的。近幾十年來，特別是改或合金呈現(xiàn)低強(qiáng)度和大伸長率的特性（其伸長率可超過100％以上，如鋼的伸長率超過

革開放之后，鍛壓業(yè)正以全新的姿態(tài)扮演著制造領(lǐng)域中的重要角色，尤其在電子工業(yè)及汽車500％，純鈦超過300％，鋁鋅合金超過1000％）。常用的超塑成形的材料主要有鋁合金、鎂

工業(yè)中起到越來越重要的作用。然而鍛壓從初具規(guī)模開始，伴隨著對人類的重大貢獻(xiàn)，它對合金、低碳鋼、不銹鋼及高溫合金等。

環(huán)境的污染一刻也沒有停止過，甚至成為制約其發(fā)展的重要因素。所以，在目前的鍛壓生產(chǎn)超塑成形的方法主要有超塑性板料拉深、超塑性板料氣壓成形和超塑性模鍛、超塑性擠

中已開始采取各種有效措施來解決環(huán)保和能耗問題。

鍛壓生產(chǎn)中的環(huán)境污染源主要是燃料加熱爐的廢氣，鍛壓設(shè)備的振動及噪聲等。為減少壓等。

廢氣對空氣的污染，現(xiàn)已廣泛采用高質(zhì)量的電加熱方法來替代煤、煤氣和重油加熱。鍛壓設(shè)高能成形是在極短時(shí)間內(nèi)，將化學(xué)能、電能、電磁能或機(jī)械能傳遞給被加工的金屬材

備的防振主要是采用基礎(chǔ)防振和自身消振。基礎(chǔ)防振中的支承式和懸掛式兩種防振方式是用4．高能成形

彈性元件來減振的，而浮動式防振是用壓縮空氣與水作為減振介質(zhì)來減振的；鍛錘自身消振料，使其迅速成形的加工方法。高能成形具有模具簡單、設(shè)備簡化、可提高材料的塑性變形

是一種積極的減振措施。鍛壓設(shè)備的防噪主要是控制噪聲的聲源、傳播、擴(kuò)散及其綜合治能力等突出優(yōu)點(diǎn)；另外，高能成形由于成形速度高，加工時(shí)間短，因此可用于加工可鍛性差

理，如用彈性基礎(chǔ)和隔聲、消聲、吸聲設(shè)施以及對設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行合理設(shè)計(jì)等。此外，的材料，且加工精度高。其主要加工方法有：利用高壓氣體做介質(zhì)，借助觸發(fā)機(jī)構(gòu)，使坯料

鍛壓機(jī)械液壓傳動中使用的工作介質(zhì)為油及乳化液，這種油介質(zhì)往往是不可分解的礦物油，在高速沖擊下成形的高速錘成形；利用炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的高能沖擊波，通過不同介質(zhì)使坯料

其報(bào)廢后回收難度大，造成對環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)。產(chǎn)生塑性變形的爆炸成形（圖3—38）；利用在液體介質(zhì)中高壓放電時(shí)所產(chǎn)生的高能沖擊波，

炸藥

第六節(jié) 鍛壓技術(shù)的發(fā)展介質(zhì)

坯料炸藥模膛

容器

鍛壓技術(shù)的進(jìn)步與社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展密切相關(guān)，隨著航空、機(jī)械、汽車等工業(yè)的發(fā)展，鍛上模

壓邊圈

坯料

壓設(shè)備及產(chǎn)品的市場容量正不斷擴(kuò)大。可以預(yù)見在不久的將來，高科技含量的鍛壓技術(shù)將主導(dǎo)鍛壓裝備市場的競爭格局。

下模

凹模

真空管道

一、計(jì)算機(jī)技術(shù)在鍛壓中的應(yīng)用

近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)主要用于鍛壓加工中塑性成形過程的模擬、生產(chǎn)過程的控制和模具圖3-38

爆炸成形

的CAD／CAM。通過計(jì)算機(jī)，采用有限元法或其他數(shù)值分析方法對各種塑性加工工序的變形a）封閉式爆炸成形

b）非封閉式爆炸成形

過程進(jìn)行模擬，獲得鍛件在成形過程中不同階段不同部位的應(yīng)力分布、應(yīng)變分布、溫度分

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

布，權(quán)化有效控制。計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)在數(shù)控緞壓設(shè)備、自動換模系統(tǒng)、自動送料系統(tǒng)和、高精度、多工位成形設(shè)備等方面的應(yīng)用日益廣泛，為適應(yīng)多品種、小批量的生產(chǎn)需計(jì)算機(jī)技術(shù)在鍛壓生產(chǎn)過程的應(yīng)用及控制，大大提高了鍛壓精度，縮短了加工時(shí)間，降低下

放壓的柔性制造系統(tǒng)已逐步擴(kuò)大應(yīng)用：為提高鍛壓生產(chǎn)的安全性，已大量使用機(jī)械手，這些

第四章模具CAD／CAM是在現(xiàn)代技術(shù)條件下發(fā)展起來的，是模具設(shè)計(jì)與制造的重要發(fā)展方向。

焊

接能耗。

具CAD／CAM的一般過程是：將用計(jì)算機(jī)語言描述的產(chǎn)品幾何形狀輸入計(jì)算機(jī)來獲得產(chǎn)品的幾何信息；再建立數(shù)據(jù)庫來儲存產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫信息，然后由計(jì)算機(jī)自動進(jìn)行工藝分析、工藝計(jì)算，自動設(shè)計(jì)最優(yōu)工藝方案、模具結(jié)構(gòu)和模膛等，并輸出生產(chǎn)所需的模具總裝圖和模具零件

第一節(jié) 概

述圖。此外，計(jì)算機(jī)還將設(shè)計(jì)所得到的信息自動轉(zhuǎn)化為模具制造的數(shù)控加工信息，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)

輔助制造。目前在沖模、鍛模、擠壓模及注塑成形模等方面都有較成熟的CAD／CAM系統(tǒng)。

焊接是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料（如塑料）的制

造工藝及技術(shù)。最早的現(xiàn)代焊接技術(shù)出現(xiàn)在19世紀(jì)末，它是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中用來制造各種二、鍛壓新工藝的發(fā)展趨勢

金屬構(gòu)件和機(jī)械零件的重要加工方法之一。焊接的對象稱為焊件，用焊接方法將焊件連接起新工藝的出現(xiàn)是工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志。就鍛壓技術(shù)來說，新工藝的發(fā)展主要是發(fā)展

來所得到的金屬結(jié)構(gòu)稱為焊接結(jié)構(gòu)。焊接結(jié)構(gòu)重量輕、省材料。焊接方法具有省工時(shí)、密封省力成形工藝和提高成形的柔度及精度。

好、適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，尤其能使大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件簡化為小型簡單結(jié)構(gòu)件以及可以修補(bǔ)鑄、鍛省力成形工藝是通過改善成形工序的應(yīng)力狀態(tài)或減少接觸面積或在特高溫、低應(yīng)變速率

件的缺陷及局部磨損、損壞，因而廣泛地應(yīng)用于汽車、船舶、飛機(jī)、鍋爐、壓力容器、建筑、電子等工業(yè)部門。

下完成成形加工的方法，屬于這類成形工藝的有超塑成形、液態(tài)模鍛、旋壓、輥鍛和擺動輾

按焊接過程的特點(diǎn)，焊接方法可分為熔焊、壓焊及釬焊三大類。壓等。提高成形的柔度及精度是鍛壓生產(chǎn)在市場經(jīng)濟(jì)條件下具有競爭力的重要因素，提高成

在熔焊過程中，將焊接接頭在高溫等作用下達(dá)到熔化狀態(tài)。由于焊件是緊密貼在一起形的柔度主要是從設(shè)備的運(yùn)動功能（多向模鍛壓機(jī)、快速換模裝置、數(shù)控系統(tǒng)）和成形方

的，在溫度場、重力等的作用下，不加壓力，兩個(gè)焊件熔化的溶液會發(fā)生混合現(xiàn)象。待溫度法（無模成形、單模成形、點(diǎn)模成形）著手實(shí)現(xiàn)的。提高成形的精度主要采用等溫鍛來實(shí)

降低后，熔化部分凝結(jié)，兩個(gè)焊件就被牢固地焊在一起，完成焊接。常用的熔焊有焊條電弧現(xiàn)精密鍛造。

焊、氣焊、埋弧焊、氬弧焊和電渣焊等。復(fù)習(xí)思考題

壓焊是對焊件施加壓力，使接合面緊密地接觸產(chǎn)生一定的塑性變形而完成焊接的方法。常用的壓焊有電阻焊與摩擦焊，此外壓焊還有超聲波焊和爆炸焊。

1．鍛壓加工主要有哪些工藝方法？各有何特點(diǎn)？

釬焊是指低于焊件熔點(diǎn)的釬料和焊件同時(shí)加熱到釬料熔化溫度后，利用液態(tài)釬料填充接2．坯料在鍛造前為什么要加熱？

頭間隙使金屬連接的焊接方法，分為硬釬焊、軟釬焊。3．什么是鍛造溫度范圍？常見的加熱缺陷有哪些？

4．常用的加熱設(shè)備有哪幾種？

第二節(jié) 常用焊接方法5．鍛件常用的冷卻方式有哪幾種？

6．自由鍛的基本工序有哪些？

7．鐓粗方法有幾種？鐓粗時(shí)應(yīng)注意哪些問題？

一、焊條電弧焊 8．拔長時(shí)合適的送進(jìn)量是多少？過大或過小會出現(xiàn)什么問題？

焊條電弧焊是以手工操作的焊條和焊件作為兩個(gè)電極，利用焊條與焊件之間的電弧熱量9．胎模鍛有何特點(diǎn)？適用的范圍是什么？

熔化金屬進(jìn)行焊接的方法。焊條電弧焊操作靈活、設(shè)備簡單，并適用于各種接頭形式和焊接10．模鍛有何特點(diǎn)？適用的范圍是什么？

位置，是目前應(yīng)用最廣的焊接方法。11．常見的沖壓設(shè)備有哪些？

焊接時(shí)，將焊件和焊鉗（夾持焊條用）分別與電焊機(jī)的兩個(gè)輸出端相接，接通電源，12．沖壓有哪些基本工序？沖孔和落料各有什么不同？

使焊條與焊件間引燃電弧，電弧熱將焊件接頭處及焊條端部的金屬熔化形成熔池，隨著熔池13．舉例說明特種鍛壓的特點(diǎn)及應(yīng)用。

的冷卻凝固便形成了焊縫，使分離的焊件連成整體，如圖4—1所示。（一）焊接電弧

焊接電弧是指在焊條和焊件之間的空氣電離區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的一種強(qiáng)烈而持久的氣體放電現(xiàn)象

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

第四章（圖42）。焊接電弧不同于一般電弧，它有一個(gè)從點(diǎn)到面的輪票。點(diǎn)是電弧電拔的端，

焊接調(diào)節(jié)手柄

、切料和治煉等。通常用焊條焊接時(shí)，陽極區(qū)產(chǎn)生的熱量約占電弧總熱量的43％，

有主要作用是把電能轉(zhuǎn)換成熱能，同時(shí)產(chǎn)生光輻射和響聲（電弧聲）。電弧的高熱可用

線圈抽頭電流指示盤

（■調(diào)電流）

電流指示盤（粗調(diào)電流）

交流電動機(jī)

月

直流發(fā)電機(jī) 約為260K；陰極區(qū)產(chǎn)生的熱量約占電弧總熱量的36％，溫度約為2400K；弧柱區(qū)產(chǎn)生的

量約占電弧總熱量的21％，弧柱中心溫度可達(dá)6000—8000K。

正極抽頭

（粗調(diào)電流）焊錯(cuò)

調(diào)節(jié)手柄焊接電源兩極

（細(xì)調(diào)電流）焊條

（接焊件和焊條）

外接

接地螺釘電源

焊接電源兩極（一）

接地螺釘

（接焊件和焊條）陰極區(qū)

電焊機(jī)

圖4—3 交流弧焊機(jī)

圖4—4 旋轉(zhuǎn)式直流弧焊機(jī)弧柱

焊接方向

接；焊接薄板、有色金屬或采用低氫型焊條時(shí)，一般采用直流反接。但在使用堿性焊條時(shí)，陽極區(qū)

焊件

均采用直流反接。焊件

圖4-1 焊接過程

圖4-2 焊接電弧（二）焊條電弧焊設(shè)備

電流指示

電源焊條電弧焊的主要設(shè)備有交流弧焊機(jī)和直流弧焊機(jī)兩類。

開關(guān) 電流

1．交流弧焊機(jī)

調(diào)節(jié) 交流弧焊機(jī)（簡稱弧焊變壓器）是一種特殊的變壓器（圖4—3）。它供給的焊接電流可

依據(jù)焊條直徑及焊件厚度來調(diào)節(jié)，電流的調(diào)節(jié)分為粗調(diào)和細(xì)調(diào)。

焊條交流弧焊機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、易造易修、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。但焊接電弧電流波形為

焊件正弦波，輸出為交流下降外特性，電弧穩(wěn)定性較差，功率因數(shù)低，因此不如直流弧焊機(jī)穩(wěn)

輸出端定，且對某些種類的焊條不適應(yīng)（酸性焊條優(yōu)選）。值得注意的是，其接線無正接與反接

之分。

圖4—5 整流式直流弧焊機(jī)

圖4—6 直流弧焊機(jī)正反接2．直流弧焊機(jī)

a）正接 b）反接直流弧焊機(jī)分為旋轉(zhuǎn)式直流弧焊機(jī)和整流式直流弧焊機(jī)兩類。

旋轉(zhuǎn)式直流弧焊機(jī)是由一臺具有特殊性能的、能滿足焊接要求的直流發(fā)電機(jī)供給焊接電

（三）焊條

焊條流以實(shí)現(xiàn)焊接（圖4—4）。它引弧容易，電流穩(wěn)定，焊接質(zhì)量好，能適應(yīng)各類焊條，但結(jié)構(gòu)

焊條由焊芯和藥皮組成（圖4—7）。

夾持部分焊條是在焊芯外將藥皮均勻、向心地壓涂

藥皮焊芯復(fù)雜、價(jià)格高、噪聲大。適合于焊接質(zhì)量要求較高或焊接薄的碳素鋼件、有色金屬鑄件和特

殊鋼件等場合。

在焊芯上。焊條種類不同，焊芯也就不同。焊

焊條長度整流式直流弧焊機(jī)（簡稱弧焊整流器）是用大功率的整流元件組成整流器，將符合焊

芯即焊條的金屬芯，一般是一根具有一定長度

條徑接要求的交流電變成直流電，供焊接使用（圖4—5）。它既具有比旋轉(zhuǎn)式直流弧焊機(jī)結(jié)構(gòu)簡

焊直及直徑的鋼絲。焊接時(shí)，焊芯有兩個(gè)作用：一

圖4-7 焊條單、價(jià)格便宜、效率高、噪聲小、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，又克服了交流弧焊機(jī)電弧不穩(wěn)的缺點(diǎn)，

是傳導(dǎo)焊接電流，產(chǎn)生電弧把電能轉(zhuǎn)換成熱是目前應(yīng)用最廣泛的直流弧焊機(jī)。

能；二是焊芯本身熔化作為填充金屬與液體母材金屬熔合形成焊縫。為了保證焊縫的質(zhì)量與直流弧焊機(jī)輸出端有正、負(fù)極之分，可采用正接（正極接焊件，負(fù)極接焊條）和反接

性能，對焊芯中各金屬元素的含量都有嚴(yán)格的規(guī)定，特別是對有害雜質(zhì)（如硫、磷等）的正極接焊條，負(fù)極接焊件）兩種接線方法，如圖4—6所示。焊接厚板時(shí)，一般采用直流正

含量，應(yīng)有嚴(yán)格的限制。52

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

第四章壓除在焊芯表面的涂層稱為藥皮。藥皮在焊接過程中起者極為重要的作用。若采用

焊接皮的是像在焊接，則在焊接過程中，空氣中的氧和氯會大量侵人始化金屬，將金屬鐵和有

坡口是根據(jù)設(shè)計(jì)和工藝要求，在焊件待焊部位加工成一定幾何形狀的溝槽。常用的坡口的成、硅、錳等氧化和氯化形成各種氧化物和氯化物，并殘留在焊縫中，造成焊維夾

較。而熔人熔池中的氣體可能使焊縫產(chǎn)生大量氣孔，以致焊縫的機(jī)械性能（強(qiáng)度、

形式有1形、V形、X形及U形坡口等（圖4—9）。坡口通常采用切削加工、火焰氣刨、碳弧氣創(chuàng)等加工方法。坡口的幾何形狀和尺寸在國家標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定。

等）大大降低，同時(shí)使焊縫變脆。

焊條種類很多，按用途可分為結(jié)構(gòu)鋼焊條、不銹鋼焊條、鑄鐵焊條和有色金屬用焊親等。按藥皮熔渣的化學(xué)性質(zhì)可分為酸性焊條和堿性焊條。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T5117—2012規(guī)定焊條型號根據(jù)熔敷金屬的力學(xué)性能、藥皮類型、焊接位置電流類型、融敷金屬化學(xué)成分和焊后狀態(tài)等進(jìn)行劃分。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定焊條型號由五部分組成：

1）第一部分用字母“E”表示焊條。

2）第二部分以字母“E”后面的緊鄰兩位數(shù)字表示融敷金屬的最小抗拉強(qiáng)度代號。3）第三部分為字母“E”后面的第三、第四兩位數(shù)字，表示藥皮類型、焊接位置和電流類型。

4）第四部分為融敷金屬的化學(xué)成分分類代號，可為“無標(biāo)記”或短劃“一”后接字母、數(shù)字或字母和數(shù)字的組合。

圖4—9 常用的坡口形式

a）1形坡口 b）V形坡口 e）X形坡口 d）U形坡口5）第五部分為融敷金屬的化學(xué)成分分類代號之后的焊后狀態(tài)代號，其中“無標(biāo)記”表

示焊態(tài)，“P”表示熱處理狀態(tài)，“AP”表示焊態(tài)和焊后熱處理兩種狀態(tài)均可。

2．焊接位置酸性焊條（E4303、E4320）主要用于一般的低碳鋼和相應(yīng)強(qiáng)度等級的低碳合金鋼結(jié)構(gòu)

焊接位置可分為平焊、立焊、橫焊和仰焊（圖4—10）。平焊時(shí)操作方便、勞動條件好，的焊接；堿性焊條（E4315、E4316、E5015、E5016）主要用于低碳合金鋼、合金鋼及承受

生產(chǎn)率高、焊縫質(zhì)量容易保證，對操作者的技術(shù)水平要求較低，所以應(yīng)盡可能采用平焊。仰動載的低碳鋼重要結(jié)構(gòu)的焊接。常用碳素鋼焊條見表4—1。

焊焊接難度最大。表4—1 常用碳素鋼焊條

型號

藥皮類型

主要用途

焊接位置

焊接電流 E4303

飲型

焊接低碳鋼結(jié)構(gòu)

全位置

交流和直流正反接 E4320

氧化鐵

焊接低碳鋼結(jié)構(gòu)

平焊、平角焊

交流和直流正接 E5015

堿性

焊接重要的低碳鋼或中碳鋼結(jié)構(gòu)

全位置

直流反接 E5016

堿性

焊接重要的低碳鋼或中碳鋼結(jié)構(gòu)

全位置

交流和直流反接

b) （四）焊條電弧焊工藝

圖4—10 焊接位置1．接頭形式與坡口形式

a）平焊 b）立焊 c）橫焊 d）仰焊根據(jù)焊件結(jié)構(gòu)、厚度和工作條件的不同，應(yīng)選擇不同的接頭形式。常用接頭形式有對

3．焊接參數(shù) 接、搭接、角接和T形接等（圖4—8）。對接接頭省材料、受力較均勻，應(yīng)用最廣。重要的

焊接參數(shù)是指焊接時(shí)為保證焊接質(zhì)量而選定的物理量的總稱。通常是指焊條直徑、焊接焊接結(jié)構(gòu)如鍋爐、壓力容器等的受力焊縫常采用對接接頭。

電流、焊接速度、弧長和焊層等。

焊條直徑通常根據(jù)焊件厚度選擇。焊件較厚，則應(yīng)選較粗的焊條。立焊、橫焊和仰焊時(shí)，應(yīng)選比平焊時(shí)較細(xì)的焊條。焊條直徑的選擇見表4—2。

表4—2 焊條直徑的選擇焊件厚度／mm

4-7

8-12

≥13 焊條直徑／mm

1.6-2.0

2.5-3.2

3.2~4.0

4.0-5.0

4.0-5.8 圖4—8 常用的接頭形式

a）對接 b）搭接 c）角接 d）T形接 e）塞焊

焊接電流主要根據(jù)焊條直徑選擇。焊接低碳鋼時(shí)，焊接電流／和焊條直徑d的關(guān)系是

55 ?

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

1=(30~50)d

第四章

焊接上式只提供了焊接電流的范圍。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)接頭形式、焊接位置、焊層和焊條種

類等因素，通過試焊進(jìn)行調(diào)整。電流過小，易引起夾渣和未焊透；電流過大，易產(chǎn)生咬邊

留在焊縫中的焊渣。未焊透是指接頭根部有未完全熔透的現(xiàn)象。焊瘤是指焊接過程中，熔化金屬流到焊縫外未熔化母材上所形成的金屬瘤。

燒穿等缺陷。

焊接速度指焊條沿焊接方向移動的速度，即單位時(shí)間內(nèi)完成的焊縫長度。焊條電弧知時(shí)，焊接速度由操作者憑經(jīng)驗(yàn)來掌握。

弧長是指焊接電弧的長度。電弧過長及焊速過快時(shí)，燃燒不穩(wěn)定，熔深減少，易產(chǎn)生每接缺陷，因此一般要求弧長小于或等于焊條直徑，并在保證焊透的情況下，盡量快速施焊。焊接厚件時(shí)，宜開坡口多層焊或多層多道焊，以保證焊根焊透。每層的焊接厚度不超過4～5mm，當(dāng)每層厚度等于焊條直徑的0.8～1.2倍時(shí)，生產(chǎn)率較高。

4．焊接操作

焊條電弧焊的基本操作主要有引弧、運(yùn)條和焊縫收尾。引弧是指在焊條和焊件之間產(chǎn)生穩(wěn)定

的電弧。引弧有直擊法和劃擦法兩種（圖

引弧前

圖4—14 常見焊接缺陷4—11）。直擊法容易產(chǎn)生氣孔，不易掌握，

引弧后

a）未燁透 b）氣孔 c）咬邊 d）夾渣 e）裂紋劃擦法因?yàn)槿菀撞僮鳎m合初學(xué)者使用，

焊件焊完后應(yīng)對焊接接頭進(jìn)行必要的檢驗(yàn)以確保焊接質(zhì)量。檢驗(yàn)方法可分為無損檢驗(yàn)和不適合初學(xué)者練習(xí)，一般應(yīng)用于酸性焊條。

一般應(yīng)用于堿性焊條。焊接時(shí)，將焊條端

破壞檢驗(yàn)兩大類。無損檢驗(yàn)包括：外觀檢查、氣密性檢驗(yàn)、射線探傷、超聲波探傷、磁粉探部與焊件表面做直擊或劃擦接觸，形成短

傷、滲透探傷等。破壞檢驗(yàn)包括：焊接接頭的機(jī)械性能試驗(yàn)、焊縫金屬化學(xué)成分及金相組織檢驗(yàn)和耐蝕性試驗(yàn)等。

路后迅速提起2～4mm，電弧即引燃。

圖4—11 引弧方法運(yùn)條是指在焊接過程中焊條應(yīng)同時(shí)完

a）直擊法 b）劃擦法

二、氣焊與切割成沿其軸線向熔池方向的送進(jìn)、沿焊接方

（一）氣焊向的勻速移動和沿焊縫方向的橫向擺動三個(gè)基本動作（圖4—12）。同時(shí)，還應(yīng)掌握好焊條與

氣焊是利用氣體火焰來熔化焊件和焊絲以形成焊接接頭的焊接方法（圖4—15）。氣焊所焊件之間的角度（圖4—13）。運(yùn)條的要點(diǎn)是：手腕運(yùn)條，穩(wěn)定均勻的速度、頻率節(jié)奏鮮明。

用的可燃?xì)怏w很多，有乙炔、氫氣、液化石油氣、煤氣等，

乙炔＋氧氣而最常用的是乙炔。乙炔的發(fā)熱量大，燃燒溫度高，制造方

便，使用安全，焊接時(shí)火焰對金屬的影響最小，火焰溫度高達(dá)3100～3300℃。氧氣作為助燃?xì)猓浼兌仍礁撸臍?/p>

焊炬燁條

向下送進(jìn)

焊條

越少。

焊絲 70°~80

氣焊與焊條電弧焊相比，設(shè)備簡單，操作靈活，不帶電源。但氣焊的設(shè)備占用生產(chǎn)面積較大，熱源的溫度低，熱量

焊件熔池

焊縫焊接方向

焊件橫向擺動

分散，生產(chǎn)率低，焊件易變形，接頭質(zhì)量不高。氣焊適于各焊件

圖4-15 氣焊種位置的焊接。適于焊接在3mm以下的低碳鋼、高碳鋼薄

圖4—12 運(yùn)條的基本動作

板、鑄鐵焊補(bǔ)以及銅、鋁等有色金屬的焊接。在無電或電力不足的情況下，氣焊則能發(fā)揮更圖4—13 平焊的焊條角度

大的作用。常用氣焊火焰對焊件、刀具進(jìn)行淬火處理，對純銅皮進(jìn)行回火處理，并矯直金屬焊縫收尾時(shí)，焊條要停止前移，在收弧處畫一個(gè)小圈并慢慢將焊條提起，拉斷電弧，以

材料和凈化焊件表面等。此外，由微型氧氣瓶和微型熔解乙炔氣瓶組成的手提式或肩背式氣保證收尾處的成形。

焊氣割裝置，在曠野、山頂、高空作業(yè)中應(yīng)用十分簡便。（五）焊條電弧焊焊件質(zhì)量分析

1．氣焊設(shè)備與焊絲焊條電弧焊時(shí)常見的焊接缺陷有氣孔、咬邊、夾渣、未焊透、焊瘤、裂紋、焊接變形、

（1）氣焊設(shè)備氣焊設(shè)備及氣路連接如圖4—16所示。焊穿等（圖4—14）。咬邊是指焊縫兩側(cè)與基體金屬交界處產(chǎn)生溝槽或凹陷。夾渣是指焊后殘

氧氣瓶是儲存高壓氧氣的鋼瓶，通常容積為40L，最高壓力為14.7MPa，外表漆成天藍(lán)56

57?

工程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書（金工實(shí)習(xí)）

第四章色，并用黑漆寫上“氧氣”字樣。

減壓器 00

焊接乙炔瓶的外殼漆成白色，用紅色寫

速減慢，火焰柔長，溫度較低，最高溫度為2850℃左右。明“乙炔”字樣和“火不可近”字樣。

回火保險(xiǎn)器減壓器

碳化焰適用于高碳鋼、鑄鐵、硬質(zhì)合金和高速工具鋼等金屬材料的焊接或焊補(bǔ)。乙炔瓶的容量通常為40L，乙炔瓶的工作

乙炔膠管（紅色）

（3）氧化焰當(dāng)氧氣與乙炔的體積比大于1.2時(shí)，可得氧化焰。由于氧氣過剩，燃燒壓力為1.5MPa，而輸送給焊炬的壓力很

焊炬

劇烈，火焰縮短，溫度最高可達(dá)3300℃。由于氧化焰對熔池有氧化作用，故很少采用，只小。因此，乙炔瓶必須配備減壓器，同

用于焊接黃銅和鍍鋅鐵皮，以防止鋅在高溫時(shí)蒸發(fā)。乙炔瓶

時(shí)還必須配備回火保險(xiǎn)器。

3．氣焊基本操作技術(shù)減壓器是將高壓氣體降為低壓氣體

（1）點(diǎn)火、調(diào)節(jié)火焰和滅火點(diǎn)火時(shí)，先微開氧氣閥門，再打開乙炔閥門，隨后點(diǎn)燃的調(diào)節(jié)裝置。氣焊時(shí)所需的氣體工作壓

火焰，逐漸開大氧氣閥門，將碳化焰調(diào)整成中性焰。滅火時(shí)，應(yīng)先關(guān)乙炔閥門，后關(guān)氧氣閥力一般比較低，如氧氣壓力通常為0.2—

氧氣膠管（黑成綠）

門。氧氣開得過大時(shí)，易出現(xiàn)不易點(diǎn)火的現(xiàn)象，

焊接

開始 0.4MIPa，乙炔壓力最高不超過0.15MPa。

圖4—16 氣焊設(shè)備及氣路連接

這時(shí)應(yīng)將氧氣調(diào)節(jié)閥關(guān)小。

焊絲

90 因此，必須將氧氣瓶和乙炔瓶輸出的氣

（2）平焊氣焊時(shí)，左手拿焊絲，右手握體經(jīng)減壓器減壓后才能使用，而且可以調(diào)節(jié)減壓器的輸出氣體壓力。

焊炬。焊接開始時(shí)，焊炬傾角應(yīng)大些，以便盡回火保險(xiǎn)器是裝在減壓器和焊炬之間，用來防止火焰沿乙炔管回?zé)陌踩b置。

快加熱和熔化焊件形成熔池；焊接時(shí)，焊炬傾焊槍俗稱焊炬，是氣焊中的主要設(shè)備。它的構(gòu)造多種多樣，但基本原理相同，是用于控

角保持在40°～50°之間；焊接結(jié)束時(shí)，焊炬傾制氣體混合比、流量及火焰并進(jìn)行焊接的工具。各種型號的焊炬均備3～5個(gè)不同的焊嘴

角應(yīng)減小，以便更好地填滿弧坑和避免焊穿，

圖4—18 焊炬傾角如圖4-18所示。

以滿足焊接不同厚度焊件的需要。焊炬有射吸式和等壓式兩種，常用的是射吸式焊炬（圖

焊炬向前移動的速度應(yīng)能保證焊件熔化并保持熔池具有一定的大小。焊件熔化形成熔池4-17)。

后，再將焊絲適量地送入熔池內(nèi)熔化。乙炔閥門

手柄

（二）切割 C2H2

混合管

切割除機(jī)械切割外，常用的還有氣割、等離子弧切割、激光切割等。1．氣割

氣割是利用氣體火焰的能量將金屬分離的一種加工方法，氣體火焰（氧氣與乙炔）的

熱能將被切割處金屬預(yù)熱至燃點(diǎn)后，噴射高速切割氧流，使其燃燒并放熱，同時(shí)生成的氧化圖4-17 焊炬

物被氧流吹走，形成切口而實(shí)現(xiàn)切割（圖4—19）。氣割是生產(chǎn)中鋼材分離的重要手段。氣割

技術(shù)幾乎是和焊接技術(shù)同時(shí)誕生的一對相互促進(jìn)、相互發(fā)展的“孿生兄弟”，構(gòu)成了鋼鐵一（2）焊絲氣焊用的焊絲在氣焊中起填充金屬作用，與熔化的母材一起形成焊縫。因

裁一縫。此，焊縫金屬的質(zhì)量在很大程度上取決于焊絲的化學(xué)成分和質(zhì)量。焊接低碳鋼常用的焊絲牌

氣割時(shí)用割炬代替焊炬，其余設(shè)備與氣焊相同。手工氣割的割炬比氣焊的焊炬增加了輸號是H08和H08A。焊絲直徑應(yīng)根據(jù)焊件厚度來選擇，一般為2～4mm。焊接有色金屬、合

出切割氧氣的管路和控制切割氧氣的閥門（圖4—20）。金鋼和鑄鐵時(shí)還需使用氣焊熔劑來保護(hù)熔池，去除氧化物，改善液態(tài)金屬的流動性。

量切割氧閥門 2．氣焊火焰

割嘴

切割氧氣管常用的氣焊火焰是乙炔與氧混合燃燒所形成的火焰，也稱氧乙炔焰。根據(jù)氧與乙炔混合

氧流

預(yù)熱火焰

乙炔閥門 08

比的不同，可得到中性焰、碳化焰和氧化焰三種火焰。

預(yù)熱焰混合氣體管

預(yù)熱氧閥門（1）中性焰當(dāng)氧氣與乙炔的體積比為1.0—1.2時(shí)，可得中性焰，它由焰芯、內(nèi)焰和

切口

割嘴

C2O2+O2 外焰構(gòu)成。內(nèi)焰溫度最高，可達(dá)3000—3200℃。焊接時(shí)應(yīng)使熔池及焊絲末端處于焰芯前2—

氧化物待切割金屬 4mm的最高溫度區(qū)。

圖4-19 氣割

圖4-20 割炬用中性焰焊接時(shí)主要利用內(nèi)焰加熱焊件。中性焰燃燒完全，對紅熱或熔化了的金屬沒有

炭化和氧化作用，所以稱為中性焰。氣焊一般都可以采用中性焰。它廣泛用于低碳鋼、低合

氣割的主要條件是：金鋼、中碳鋼、不銹鋼、純銅、灰鑄鐵、錫青銅、鋁及合金、鉛錫、鎂合金等的氣焊。

1）金屬在氧氣中的燃點(diǎn)應(yīng)低于熔點(diǎn)，這是氧氣切割過程能正常進(jìn)行的基本條件。（2）碳化焰當(dāng)氧氣與乙炔的體積比小于1.1時(shí)，可得到碳化焰。由于氧氣不足，燃

2）氣割時(shí)形成氧化物的熔點(diǎn)應(yīng)低于金屬本身的熔點(diǎn)。氧氣切割過程產(chǎn)生的金屬氧化物58

段落

更改樣式

國

分組：分為6組，每組實(shí)習(xí)安排見下表。

星

日期。

車工

四號

鉤

周羽

2月14日。

1、20

3、4

備注。

2月21日。

1、20

3、4

2月28日。

1、20

3、4

七

3月7日。

1、2

3、4

七

3月14日

3、4

5、6

3月21日上午

3、4

5、6

3月21日下午

3、4

5、6

3月28日。

3、4

5、6

4月4日。

5、60

1、20

4月11日上午

5、60

1、20

,566

英語（美國）

插入

粘貼

選

□BΔ域

?·□ONY

擇

刷

子

租

顏

?合00

剪貼板

細(xì)

暢團(tuán)

工具

形狀

顏色

嚴(yán)重

事故

29次輕微事故

300起未遂先兆

1000起事故隱患

＋254，322像素

698x515像素

考核包括兩部分內(nèi)容

遵守實(shí)習(xí)紀(jì)律

尺寸精度

學(xué)習(xí)態(tài)度端正

平時(shí)表現(xiàn)

作品成績

表面光滑度

維持機(jī)床清潔

是否在規(guī)定時(shí)間

不玩手機(jī)

完成規(guī)定的數(shù)量

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CBS-QB3 study [J].Macromolecules,2005,38(24):10279-10285. 262

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