材料的液态成形思考题

材料的液态成形思考题第1页，共44页，2023年，2月20日，星期五第二章材料的液态成形技术第2页，共44页，2023年，2月20日，星期五1、铸造具有哪些优缺点？适用范围如何？发展方向？2、金属的铸造性能主要包括哪些？3、影响液态金属充型能力的因素有哪些？如何提高充型能力？4、铸件的凝固方式有哪些？其主要的影响因素？5、什么金属倾向于逐层凝固？如何改变铸件的凝固形式？第3页，共44页，2023年，2月20日，星期五6、什么是缩松和缩孔？其形成的基本条件和原因是什么？7、试分析铸造合金的收缩特性对铸件质量影响的基本规律。8、铸造应力是怎么产生的？对铸件质量有何影响？9、试述铸件产生变形和开裂的原因及其防止措施。10、铸件中的气体和非金属夹杂物对铸件质量有何影响？如何消除？第4页，共44页，2023年，2月20日，星期五11、常用的造型材料有哪些？对其性能有何要求？12、什么是冒口？其作用和设计原则？13、常见的特种铸造方法有哪些？各有何特点？14、陶瓷的液态成形方法有哪些？各有何特点？15、聚合物的液态成形方法有哪些？各有何特点？第5页，共44页，2023年，2月20日，星期五一、铸造具有哪些优缺点？适用范围如何？发展方向？铸造（Casting）是指将熔融态的金属（或合金）浇注于特定型腔的铸型中凝固成形的金属材料成形方法。优点：适应性强，工艺灵活性大；铸件大小不受限制；铸件精度较高；成本低廉。铸件的形状、尺寸与零件很接近，因而减少了切削加工的工作量，可节省大量金属材料。对原料要求不高，铸造可直接利用成本低廉的废机件和切屑，设备费用较低。缺点：零件质量不稳定，生产过程劳动强度大、条件差、生产率低。铸造组织的晶粒比较粗大，内部常有缩孔、缩松、气孔、砂眼等铸造缺陷，因由铸件的力学性能一般不如锻件，多用于受力不大的场合。铸造生产过程较为复杂，生产工序繁多，工艺过程较难控制，致使铸件的废品率较高。适用范围：铸造的适用性很广。可制成形状复杂、特别是具有复杂内腔的毛坯，如箱体、气缸体等。工业中常用的金属材料，如碳素钢、合金钢、铸铁、青铜、黄铜、铝台金等，都可用于铸造。铸件可轻仅几克，重至数百吨，壁厚可由lmm到lm左右。在大件生产中，铸造的优越性尤为显著。

第6页，共44页，2023年，2月20日，星期五发展方向：(1)提高尺寸精度和表面质量；(2)先进的造型技术及自动化生产线；(3)高效、节能，减少污染；(4)降低成本，改善劳动条件。第7页，共44页，2023年，2月20日，星期五二、金属的铸造性能主要包括哪些？金属的铸造性能是指金属在铸造过程中获得尺寸精确、结构完整的铸件的能力。主要包括金属的充型能力、收缩特性、吸气性以及成分偏析倾向性等性能。1、液态金属的充型能力是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。2、收缩性一般讲，合金从液体浇注到凝固，直至冷到室温，共分为三个阶段。分别为液态收缩、凝固收缩和固态收缩。合金的收缩性对铸件质量有决定性的影响，它影响着铸件的缩孔大小、应力的产生、裂纹的形成及尺寸的变化。通常铸件收缩又分为体收缩和线收缩，在实际生产中一般应用线收缩来衡量合金的收缩性。3、吸气性以铝合金为例，铝合金易吸收气体，吸气性是铸造铝合金的主要特性。液态铝及铝合金的组分与炉料、有机物燃烧产物及铸型等所含水分发生反应而产生的氢气被铝液体吸收所致。4、成分偏析倾向性铸件内部化学成分不均匀的析出现象，称为偏析。成分偏析会降低铸件的力学性能、耐腐蚀性能、热裂和疲劳性能等。第8页，共44页，2023年，2月20日，星期五三、影响液态金属充型能力的因素有哪些？如何提高充型能力？影响液态金属充型能力的因素1、金属的流动性：液态金属本身的流动能力，流动性好的合金：易于浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件；有利于非金属夹杂物和气体的上浮和排除；易于补缩及热裂纹的弥合。2、铸型的性质铸型的蓄热系数铸型的温度铸型的表面状态和铸型中的气体3、浇注条件浇注温度充型压头浇注系统的结构4、铸件结构铸件的折算厚度铸件壁厚>最小允许壁厚

铸件的复杂程度第9页，共44页，2023年，2月20日，星期五第10页，共44页，2023年，2月20日，星期五第11页，共44页，2023年，2月20日，星期五第12页，共44页，2023年，2月20日，星期五第13页，共44页，2023年，2月20日，星期五第14页，共44页，2023年，2月20日，星期五3、提高充型能力的措施正确选择合金的成分和采用合理的熔炼工艺调整铸型的性质改善浇注条件合理设计铸件结构第15页，共44页，2023年，2月20日，星期五4、铸件的凝固方式有哪些？其主要的影响因素？凝固方式

依据凝固区的宽窄分为逐层凝固、糊状凝固、中间凝固。1)逐层凝固方式:固液两相区很窄；2)糊状凝固方式：在凝固过程中，整个断面处于固液两相区，或固液两相区很宽；3)中间凝固方式：固液两相区宽度介于两者之间。影响铸件凝固方式的主要因素：（1）合金的结晶温度范围，合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固。（2）铸件的温度梯度：在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄。第16页，共44页，2023年，2月20日，星期五5、什么金属倾向于逐层凝固？如何改变铸件的凝固形式？一般纯金属倾向于逐层凝固，同时常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。

可以改变

果改变结晶时的温度梯度，其凝固方式也可以改变。第17页，共44页，2023年，2月20日，星期五6、什么是缩松和缩孔？其形成的基本条件和原因是什么？液态金属在凝固过程中，由于液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现大而集中的孔洞，称为缩孔；细小而分散的孔洞则称为缩松。缩孔：形成的基本条件是金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件由表及里逐层凝固。产生的基本原因是金属的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值，且得不到补偿。缩孔产生的部位在铸件最后凝固区域。缩松：形成的基本原因是金属的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。形成的基本条件是金属的结晶温度范围较宽，呈糊状凝固。第18页，共44页，2023年，2月20日，星期五7、试分析铸造合金的收缩特性对铸件质量影响的基本规律。1.合金收缩性及其对铸件质量的影响铸件在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的现象称为收缩。金属从浇注温度冷却到室温要经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个收缩阶段。在液态收缩和凝固收缩阶段铸件易产生缩孔、缩松缺陷。这两个阶段的收缩量通常用体收缩率来表示。固态收缩阶段只引起铸件外部尺寸变化，使铸件易产生内应力、变形和裂纹等缺陷。其收缩量用线收缩率表示。第19页，共44页，2023年，2月20日，星期五8、铸造应力是怎么产生的？对铸件质量有何影响？铸件在凝固后的冷却过程中继续发生固态收缩，有些合金在固态下还要发生相变而伴有收缩或膨胀，从而引起铸件的体积和尺寸的变化。此时，如果这种变化受到阻碍，铸件内将产生内应力，称为铸造应力。铸造应力铸造应力按产生的原因不同，主要可分为热应力、收缩应力和相变应力三种。（1）热应力铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力，称热应力。热应力使冷却较慢的厚壁处受拉伸，冷却较快的薄壁处或表面受压缩，铸件的壁厚差别愈大合金的线收缩率或弹性模量愈大，热应力愈大。定向凝固时，由于铸件各部分冷却速度不一致，产生的热应力较大，铸件易出现变形和裂纹。（2）收缩应力（机械应力）铸件在固态收缩时，因受铸型、型芯、浇冒口等外力的阻碍而产生的应力称收缩应力。一般铸件冷却到弹性状态后，收缩受阻都会产生收缩应力。收缩应力常表现为拉应力。形成原因一经消除（如铸件落砂或去除浇口后）收缩应力也随之消之，因此收缩应力是一种临时应力。但在落砂前，如果铸件的收缩应力和热应力共同作用其瞬间应力大于铸件的抗拉强度时，铸件会产生裂纹。第20页，共44页，2023年，2月20日，星期五3）相变应力铸件冷却时，如有固相相变，由于相变前后固相的比容不同，就有相变的体（线）膨胀或体（线）收缩。固相相变过程完成，相变膨胀或收缩也就随之结束。铸件冷却时，横截面的内外层和厚薄不同之有温度差，使得它们的固相相变不同时发生，导致它们的相变膨胀（或收缩）或先或后受阻而产生的应力，谓之相变应力。第21页，共44页，2023年，2月20日，星期五9、试述铸件产生变形和开裂的原因及其防止措施。变形：若冷却到室温的铸件内部存在有较大的残余应力，此时铸件是不稳定的，如铸造应力超过合金的屈服强度时，则会产生塑性变形，弯曲或扭曲以减小或消除应力。开裂：当铸造应力超过材料的强度极限（或称抗拉强度）时，铸件产生裂纹。热裂纹是铸件在凝固末期或凝固后不久尚处于强度和塑性很低状态下，因铸件固态收缩受阻而引起的裂纹；冷裂纹是铸件凝固后冷却到弹性状态时，因局部铸造应力大于合金极限强度而引起的开裂。两者防止措施相同：减小和消除铸造应力：采取安放冒口、冷铁或调整内浇口位置等工艺措施，使铸件各部分温度均匀、同时凝固；提高铸型和芯子退让性；合理设计铸件结构，使壁厚均匀，结构对称等；尽量选用E和αL小的材料；对铸件进行时效热处理可消除应力。第22页，共44页，2023年，2月20日，星期五10、铸件中的气体和非金属夹杂物对铸件质量有何影响？如何消除？1、气体来源：熔炼过程、铸型、浇注过程种类：H、O、N、CO、CO2形态：固溶体、化合物、气态对铸件质量的影响：气孔、非金属夹杂铸造性能（热裂、疏松和充型能力等）2、非金属夹杂物来源：原材料、脱氧和脱硫产物、熔渣、耐火材料影响：使用性能：降低塑性、韧性和疲劳强度、抗蚀性工艺性能：降低液态合金流动性、铸造性能切削加工：表面剥落、粗糙度增大、加速刀具磨损热处理性能：氮化起泡焊接性能：热裂纹3、减少措施

吸附净化法：加入净化剂或过滤器机械过滤非吸附净化法：真空处理、超声波处理化学法：脱氧、脱硫

第23页，共44页，2023年，2月20日，星期五11、常用的造型材料有哪些？对其性能有何要求？粘土型砂：原砂、粘土、附加物、水水玻璃砂：原砂、水玻璃（硅酸钠水溶液）、附加物有机粘结砂：原砂、粘土、附加物、水＋植物油、合脂、树脂

—芯砂第一要耐火,第二要透气,第三不能和铸造金属粘合得太牢固,要便于清理.第四要便于把浇注后的铸件取出,也就是要有一定得溃散性.强度透气性要求耐火度和化学稳定性退让性工艺性能

第24页，共44页，2023年，2月20日，星期五12、什么是冒口？其作用和设计原则？位置：一般设置在铸件最后凝固部位的上方或侧面主要作用：（1）利用冒口中液体金属来补偿铸件凝固过程中所产生的体积收缩，避免铸件最后凝固区域产生缩孔和缩松缺陷，以获得致密的铸件。（2）集渣和排气。设计原则1、冒口的凝固时间必须大于或等于铸件被补缩部分的凝固时间。2、冒口应具有足够大的体积，以保证有足够的金属液补充铸件内部的体收缩。3、在铸件凝固时，冒口与被补缩部位之间应有通畅的补缩通道。第25页，共44页，2023年，2月20日，星期五13、常见的特种铸造方法有哪些？各有何特点？答：常见的特种铸造方法有金属型铸造、熔模铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、连续铸造和消失模铸造等七种。1、金属型铸造：a.可以连续重复使用，生产效率高，劳动条件好，但成本高；b.铸件精度高，表面粗糙度较低；c.金属散热性能好，晶粒细化，力学性能好；d.不透气且无退让性，易造成不足或开裂；e.适于生产大批量有色金属铸件。2、熔模铸造：a.铸件尺寸精度高，表面光洁；b.可铸造形状复杂零件；c.工艺过程复杂，生产周期长，成本高；d.适于铸造小尺寸的各类合金铸件，特别是少切削或无切削精密铸件。3、压力铸造：a.浇注时间短，易于机械化、自动化作业；b.铸型散热快，晶粒细化，耐磨、耐蚀性好；c.铸件尺寸精度高，表面光洁；d.凝固速度快，排气困难，易形成缩松和缩孔e.模具成本高，铸件尺寸受限；f.适于有色金属薄壁复杂铸件的大批量生产。第26页，共44页，2023年，2月20日，星期五4、低压铸造：a.充型压力和速度易于控制，气孔、夹渣较少，组织致密，力学性能好；b.无需冒口设置，金属利用率高；c.适应性强，金属型、砂型和熔模型均可使用；d.铸件尺寸精度高，表面光洁；e.适用于质量要求高的铝、镁等有色金属铸件。5、离心铸造：a.离心力改善金属的流动性，提高了充型能力，改善了补缩条件，缩孔等缺陷减少；b.简化了中空圆柱形铸件的生产过程；c.成分偏析严重，尺寸难以控制；d.内表面质量较差、内孔不准确、加工余量较大；e.特别适于横截面呈圆柱的铸件生产，如套、环、管、筒、辊和叶轮等，多用于黑色金属及铜合金。6、连续铸造：a.冷却速度快，组织致密，机械性能好；b.工艺简单，生产效率高；c.适于横截面一定的钢材、铝材和铸铁管等铸件的生产。7、消失模铸造：a.不分型，不起模，工艺简化，精度提高；b.能制造形状复杂的铸件和工艺品；c.冒口可自由设置，不易产生缩孔、缩松等；d.易产生有害气体，铸件易增碳，表面质量降低；e.适于生产起模困难，形状复杂的铸件，例如汽车发动机进排气歧管、缸体等。第27页，共44页，2023年，2月20日，星期五14、陶瓷的液态成形方法有哪些？各有何特点？1)流延成形特点:设备简单,工艺稳定,可连续操作,生产效率高,可实现高度自动化2)粉浆浇注：以水为溶剂、粘土为粘结剂的成形方法.为得到高质量的注浆坯体,要求浆料:(1)流动性好(2)稳定性好,不易沉淀和分层(3)含水量尽可能少,减少成形和干燥时的收缩,减少坯体的变形和开裂.以及渗透性好、脱模性好、不含气泡等.适用于形状复杂、大型薄壁、精度要求不高的日用和建筑陶瓷制品.3)压模成形：将粉状、片状或颗粒状原料,放在一定温度的模具中闭模加压,使之在模具中熔化，充满整个型腔而成形硬化.缺点:成形周期长,生产效率低,模具成本较高4)注射成形：能生产形状复杂、薄壁的陶瓷制品。第28页，共44页，2023年，2月20日，星期五15、聚合物的液态成形方法有哪些？各有何特点？1、压模成形将粉状、片状或颗粒状原料，放在一定温度的模具中闭模加压，使之熔化，充满整个型腔而成形硬化。缺点：周期长，效率低，模具成本高。2、传递模成形优点：(1)原料在转移过程中接收到相当一部分能量，从而可缩短成形时间；(2)能确保制品中的金属嵌件位置正确。应用：大部分工程橡胶都是用该法制成的。3、注射成形将聚合物原料在注射机料筒内加热熔化，通过推杆或螺杆向前推压至喷嘴，迅速注入封闭模具内，冷却后即得聚合物制品。主要用于热塑性塑料。周期短，生产率高。能生产形状复杂、薄壁、嵌有金属或非金属的塑料制品。4、吹塑成形又称为中空注模，熔融态的塑料坯通过挤出机或注射机挤出后，置于模具内，用压缩空气将此坯料吹胀，使其紧贴模内壁成型而获得中空制品。5、浇注成型又称浇塑、铸塑法，在处于流动状态的高分子材料中加入适量固化剂，然后浇入特定的模具型腔中，在常压或低压及常温或适当加热条件下使之固化并得到与模具型腔一致的制品的过程。第29页，共44页，2023年，2月20日，星期五砂型铸造的特点及应用1、不受铸件材质、尺寸、质量和生产批量限制；2、属于一次性铸造成形，造型工作量大；3、铸件精度和表面质量差；4、砂型铸造缺陷多，废品率高，力学性能较差；5、设备简单、投资少，价格低廉，应用广泛。第30页，共44页，2023年，2月20日，星期五

金属型铸造定义：金属型铸造是指利用金属材料制成铸型，在重力作用下将熔融金属浇注到铸型中制造铸件的一种铸造方法，也称永久型铸造。工艺过程：第31页，共44页，2023年，2月20日，星期五特点和应用

1、可重复使用，生产效率高，劳动条件好；

2、铸件精度高，表面粗糙度较低；

3、金属散热性能好，晶粒细化，力学性能好；

4、不透气且无退让性，易造成浇不足或开裂。

5、适于生产大批量有色金属铸件。第32页，共44页，2023年，2月20日，星期五

熔模铸造/失蜡铸造

是指利用易熔材料制成模型，并在模型表面粘结一定厚度的耐火材料，然后将模型熔化而使金属液充满型腔的一种铸造方法第33页，共44页，2023年，2月20日，星期五工艺过程组装蜡模上涂料熔模焙烧失蜡第34页，共44页，2023年，2月20日，星期五特点和应用

1、铸件尺寸精度高，表面光洁；

2、可铸造形状复杂零件；

3、工艺过程复杂，生产周期长，成本高；

4、适于铸造小尺寸的各类合金铸件，特别是少切削或无切削精密铸件。精密熔模铸造第35页，共44页，2023年，2月20日，星期五

压力铸造定义：是指将液态或半液态合金浇入压铸机的压室中，使之在高压和高速下充填型腔，并在高压下成形结晶而获得铸件的一种铸造方法。工艺过程：第36页，共44页，2023年，2月20日，星期五特点和应用：

1、浇注时间短，易于机械化、自动化作业；

2、铸型散热快，晶粒细化，耐磨、耐蚀性好；

3、铸件尺寸精度高，表面光洁；

4、凝固速度快，排气困难，易形成缩松和缩孔；

5、模具成本高，铸件尺寸受限；

6、适于有色金属薄壁复杂铸件的大批量生产。第37页，共44页，2023年，2月20日，星期五低压铸造定义：是指液态金属在低的气体压力作用下从坩埚中自下而上地充填型腔并凝固而获得铸件的一种铸造方法。

工艺过程：第38页，共44页，2023年，2月20日，星期五特点和应用：

1、充型压力和速度易于控制，气孔、夹渣较少，组织致密，力学性能好；

2、无需冒口设置，金属利用率高；

3、适应性强，金属型、砂型和熔模型均可使用；

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