铸件的凝固原则

C4 铸件的凝固与补缩本章内容：铸件的凝固过程、凝固特性对铸件质量的影响，缩孔、缩松的形成机理、防止措施以及冒口和冷铁的应用。

§1 铸件的凝固一铸件的凝固方式1 凝固区域除纯金属和共晶合金外，铸件凝固过程中断面有三区：固相区＋凝固区＋液相区，见下图。

图4-1铸件某一瞬间凝固区域温度场T：指铸件断面上某瞬时的温度分布曲线固相等温面：Ⅰ－Ⅰ’液相等温面：Ⅱ－Ⅱ’固相区：合金已凝固成固相的区域；液相区：尚未开始凝固的区域；凝固区：凝固和液固相并存的区域。

2 凝固方式根据铸件凝固时其断面上凝固区域的大小，凝固方式分三种：逐层凝固、糊状凝固（体积凝固）、中间凝固。

铸件断面凝固区域的宽度δ由合金的结晶温度范围⊿tc和铸件断面上的温度梯度δt决定的。

当温度梯度相同时，取决于合金的结晶温度范围；当合金成分一定时，则取决于温度梯度。

温度梯度较大时，可使凝固区域变窄。

1）逐层凝固⊿tc=0,δ=0恒温下结晶的合金，在凝固过程中其铸件断面上凝固区宽度等于零，断面上的固体和液体由一条界线清楚分开。

随温度下降，凝固层逐渐加厚直至铸件凝固结束。

包括纯金属、共晶合金、结晶温度范围很小或断面上温度梯度很大的情况。

逐层凝固糊状凝固中间凝固左：纯金属或共晶合金左：结晶温度范围很宽左：结晶温度范围较窄右：窄结晶温度范围右：温度场平坦右：温度梯度较大凝固特点：易形成缩孔、热裂倾向小、较好的流动能力。

（这类合金的补缩性良好，可以采取工艺措施，如设置冒口，来消除缩孔）。

合金种类：纯金属、共晶合金、低碳钢、高合金钢、铝青铜、窄结晶温度范围黄铜等。

2）糊状凝固铸件凝固过程中，铸件断面上的凝固区域很宽，在某一段时间内，凝固区域甚至会贯穿于铸件的整个断面，铸件表面尚未出现固相区，铸件中心已开始结晶，出现了固相。

凝固特点：补缩性差（易形成缩松）、热裂倾向大、流动能力差。

合金种类：高碳钢、球铁、锡青铜、铝镁合金及某些结晶温度范围宽的黄铜。

3）中间凝固铸件断面上凝固区域宽度介于逐层凝固和糊状凝固之间。

一、名词解释1.铸造工艺设计：对于某一个铸件，编制出其铸造生产工艺过程的技术文件就是铸造工艺设计。

2.零件结构铸造工艺性：指零件的结构应符合铸造生产的要求，易于保证铸件品质、简化铸造工艺过程和降低成本。

3.芯头：指伸出铸件以外不与金属接触的砂芯部分。

4.分型面：指两半铸型相互接触的表面。

5.工艺补正量：因工艺需要在铸件相应非加工面上增加的金属层厚度称为工艺补正量。

6.反变形量：为了解决挠曲变形问题，在制造模样时，按铸件可能产生变形的相反方向做出反变形模样，这种在模样上做出的预变形量称为反变形量。

7.分芯负数：在砂芯的分开面处，将砂芯尺寸减去间隙尺寸，被减去的尺寸称为分芯负数。

8.起模斜度：为了方便起模，在模样、芯盒的出模方向留有一定斜度，以免损坏砂型或砂芯，这个斜度称为起模斜度。

9.分型负数：为了保证铸件尺寸精确，在拟定工艺时，为抵消铸件在分型面部位的增厚，在模样上相应减去的尺寸，称为分型负数。

10.砂芯负数：为了保证铸件尺寸准确，将芯盒的长、宽尺寸减去一定量，这个被减去的尺寸称为砂芯负数。

11.缩孔：铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，在铸件最后凝固的部位若得不到金属液的补偿，则会容易出现孔洞，称为缩孔。

12.缩松：铸件内分散在某区域的细小缩孔通常称为缩松。

13.冒口：在铸型内专门设置的储存金属液的空腔，在铸件形成时补给金属液。

（习惯上把冒口所铸成的金属实体也称为冒口）14.浇注时间：液态金属从开始进入铸型到充满铸型所经历的时间叫浇注时间。

15.冷铁：为增加铸件局部冷却速度，在型腔内部及工作表面安放的金属块称为冷铁。

16.活块：模样上妨碍起模的部分设计分割成活动的，这种活动而又可拆卸的部分叫做活块。

17.砂箱：砂箱是铸造车间造型所必须的工艺装备，是构成铸型的一部分，其作用是制造和运输砂型。

18.芯盒：芯盒是是制造砂芯专用的工艺装备，其尺寸精度和结构合理与否，将在很大程度上影响砂芯的质量和造芯效率。

铸造试题一、填空1.金属凝固组织对其物理性能力学性能影响很大，金属结晶时冷却速度越快，则晶粒__越小_，材料的强度和硬度越_高_，塑性和韧性_越好_。

逐层凝固合金，其充型能力较_强_。

2.铸件的三种凝固方式是逐层凝固、糊状凝固、中间凝固，那种凝固易于出现缩松_糊状凝固_，那种易于出现缩孔逐层凝固，那种缺陷容易消除缩孔，采取_顺序凝固_方法。

哪种铁碳合金易于出现逐层凝固？共金白口铸铁3.合金的收缩可分为三个阶段，各是_液态收缩，凝固收缩，固态收缩_。

_固态收缩受到阻碍_是铸件产生内应力，变形和裂纹的主要原因。

内应力分为热应力和机械能力4.铸件各部分的壁厚差异过大时，在厚壁处易产生缩孔_缺陷，在薄壁与厚壁的连接处因冷却速度不一致易产生裂纹缺陷。

当铸件壁厚不均时，凝固成形后的铸件易在壁厚处产生拉应力。

5.常见的铸造方法有砂型铸造、压力铸造、_熔模铸造、金属型铸造、消失铸造、离心铸造等。

在各种铸造方法中，适应性最广的是_砂型铸造，生产率最高的是_压力铸造_，易于获得较高精度和表面质量的是_压力铸造或熔模铸造，对合金流动性要求不高的是_压力铸造或离心铸造_。

6.标志合金的铸造性能的指标有充型能力、和收缩性等。

影响它们的因素有成分、浇注温度、模型蓄热能力等。

7.为了防止铸件变形,再进行铸件结构设计时,应力求壁厚_均匀_,形状_简单对称_。

8.当铸件收缩受阻时,就可能发生_裂纹_、_变形_等缺陷;因此如轮形铸件的轮辐应设计为_奇_数或做成__弯曲_形状。

9.在铸件设计中,铸件垂直于分型面的侧壁应给出__拔模/起模斜度_,铸件壁的转角及壁间联接处均应考虑_过度圆角_,壁厚不仅要防止_过厚,而且要防止_过薄,以防止_浇不足或冷隔。

二、选择题1.铸造硬币的金属材料不需要考虑的因素是(B)A硬度B、导电性C、耐腐蚀性D、价格2.在铸造中，通常用(C)的方法生产铸铁件。

i.金属型铸造B•压力铸造ii.砂型铸造D•任何铸造3．铸件产生缩松、缩孔的根本原因(D)。

铸造部分作业一1、名词解释：铸造、铸型、型芯头、起模斜度、铸造圆角、铸造工艺图答：铸造：熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型、冷却凝固后获得一定形状和性能铸件的成型方法。

铸型：决定铸件形状的容器。

型芯头：（为了在铸型中支承型芯的空腔），模样比铸件多出的突出部分称为型芯头。

起模斜度：凡垂直于分型面的立壁，制造模样时必须留出的一定的倾斜度。

铸造圆角：模样上相交壁的交角处做成的圆弧过渡。

铸造工艺图：按规定的工艺符号或文字，将铸造工艺方案、工艺参数、型芯等绘制在零件图上形成的图。

2、造型方法主要有哪两种？答：造型的方法主要有手工造型和机器造型。

3、整模、分模、挖砂、活块、刮板和三箱造型各适用于铸造什么样的零件？答：整模造型适合一端为最大截面且为平面的铸件；分模造型适合最大截面在中部的铸件；挖沙造型适合分型面为曲面的单件铸件；活块造型适合单件，小批量生产带有凸出部分难以起模的铸件；刮板造型适合等截面的或回转体的大、中型铸件的单件货小批量生产；三箱造型适合单件、小批量生产具有两个分型面的铸件。

4、为什么铸件的重要加工面在铸型中应朝下？答：位于铸型下面的区域由于重力的作用，其质量一般比上面区域的好，将铸件重要加工面在铸型中朝下，可避免重要加工表面出现气孔、砂眼、缩孔、缩松等铸造缺陷。

5、大面积的薄壁铸件应放在铸型的什么位置？为什么？答：大面积的薄壁铸件应放在铸型的下部或侧面，因为这样可以避免浇不到、冷隔等缺陷。

6、为什么尽量使铸件全部或大部位于同一个砂箱中？答：使铸件全部或大部位于同一个砂箱中，可以保证铸件尺寸精度，避免错箱等缺陷。

7、浇注位置选择的原则有哪些？答：浇铸位置的选择原则有：（1）铸件的重要加工面或重要工作面应处于底面或侧面；（2）铸件的大平面应尽可能朝下或采用倾斜浇铸；（3）铸件的薄壁部分应放在铸型的下部或侧面；（4）铸件的厚大部分应放在顶部或分型面的侧面。

8、铸型分型面的选择原则是什么？答：铸型分型面选择原则有：（1）应保证顺利起模；（2）分型面的数目应尽量少；（3）应尽量减少型芯、活块数量；（4）铸件尽可能放在一个砂箱内，或将重要加工面、加工的基准面放在同一砂箱内。

铸件合金的凝固与收缩合金凝固温度范围和铸件温度梯度会对铸件的凝固方式产生影响，化学成分不同、浇注温度和铸件结构会对逐渐的收缩产生影响。

(一)铸件的凝固方式及影响因素1.铸件的凝固方式(1)逐层凝固方式合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，这种凝固方式称为逐层凝固。

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。

(2)糊状凝固方式合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，这种凝固方式称为糊状凝固。

球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。

(3)中间凝固方式大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固方式。

中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。

2.凝固方式的影响因素(1)合金凝固温度范围的影响合金的液相线和固相交叉在一起，或间距很小，则金属趋于逐层凝固;如两条相线之间的距离很大，则趋于糊状凝固;如两条相线间距离较小，则趋于中间凝固方式。

(2)铸件温度梯度的影响增大温度梯度，可以使合金的凝固方式向逐层凝固转化;反之，铸件的凝固方式向糊状凝固转化。

(二)铸造合金的收缩铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。

它主要包括以下三个阶段：1.液态收缩金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。

2.凝固收缩熔融金属在凝固阶段的体积收缩。

液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。

3.固态收缩金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。

固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。

(三)影响合金收缩的因素1.化学成分不同成分的合金其收缩率一般也不相同。

在常用铸造合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。

2.浇注温度合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。

3.铸件结构与铸型条件铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。

金工试题库一.填空题：1．工程材料的力学性能指标包括（强度）、（硬度）、（塑性）、（韧性）和疲劳强度。

s2．淬火钢和工具钢常用（洛氏硬度）、退火钢常用（布氏硬度）来测试其硬度。

3．金属材料承受无限次重复交变载荷而不断裂的最大应力称为（疲劳强度）。

4．承受冲击载荷的零件要求（冲击韧性）一定要高。

5．金属材料在拉断前所能承受的最大应力叫（抗拉强度），而产生塑性变形而不被破坏的能力叫（塑性）。

6、金属的结晶包括（晶核的形成）和（晶核的长大）两个过程。

7．常见金属的晶格有（体心立方晶格）、（面心立方晶格）和（密排六方晶格）。

8．普通热处理工艺包括（退火）、（正火）、（淬火）、（回火），淬火后高温回火的热处理合称为（调质处理）。

9．钢在加热时，影响奥氏体转变的因素有（加热温度）、（加热速度）、（含碳量）、（原始组织）和（合金元素）。

10．影响奥氏体晶粒长大的因素有（加热温度）、（保温时间）和（化学成分）。

11. 亚共析钢一般进行(完全)退火,过共析钢一般进行(球化)退火,铸钢件一般进行(扩散)退火,为消除毛坯件的残余应力,一般需进行(去应力)退火。

12．钢的回火分为（低温回火）、（中温回火）、（高温回火）。

13．钢的表面淬火分为（火焰加热）表面淬火和（感应加热）表面淬火。

14．钢的淬火分为（单液淬火）、（双液淬火）、（分级淬火）、（等温淬火）。

15. 丝锥要求又硬又韧,应进行(等温淬火)热处理,45钢轴要求综合机械性能好,应进行(调质)热处理,60钢弹簧要求弹性好,应进行(淬火＋中温回火)热处理,T12钢锉刀要求高硬度,应进行(淬火＋低温回火)热处理。

16．铜合金按加入元素分为（黄铜）、（青铜）和（白铜）三类。

17．变形铝合金按性能特点及用途分为（防锈铝）、（硬铝）、（超硬铝）和（锻铝）四种。

18．铸造铝合金分为（铝硅系合金）、（铝铜系合金）、（铝镁系合金）和（铝锌系合金）。

19．塑料按热性能分为（热塑性塑料）和（热固性塑料）两种。

1.铸件凝固方式依照什么来划分？哪些合金倾向于逐层凝固？在铸件化学成分已定的前提下铸件的凝固方式是否还能加以改变。

通常根据液固两相区的宽窄将铸件的凝固方式划分为逐层凝固方式，糊状凝固方式和中间凝固方式。

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。

2.铸件合金的收缩可分为哪三个阶段？缩孔缩松铸造应力及铸件变形各在哪个收缩阶段内形成？他们对铸件的质量各有何影响？①液态收缩：金属在液态时由于温度的降低而发生的体积收缩②凝固收缩：熔融金属在凝固阶段的体积收缩③固态收缩：金属在固态由于温度降低而发生的体积收缩（铸件变形）缩孔和缩松在液态凝固阶段形成危害：缩孔和缩松的形成，降低了铸件的力学性能和气密性，严重时可能使铸件成为废品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铸造应力是使铸件产生变形和裂纹的主要原因，它降低铸件的使用性能，严重影响铸件的质量3.什么是定向凝固原则？什么是同时凝固原则？各需采用什么措施来实现？它们各适用于哪些场合？定向凝固是使铸件按规定的方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。

实现定向凝固的措施是：设置冒口；合理使用冷铁。

它广泛应用于收缩大或壁厚差较大的易产生缩孔的铸件，如铸钢、高强度铸铁和可锻铸铁等。

同时凝固原则：铸件相邻各部位或铸件各处凝固开始及结束的时间相同或相近，甚至是同时完成凝固过程。

实现同时凝固的措施是，将浇口开在铸件的薄壁处，在厚壁处可放置冷铁以加快其冷却速度。

适用于凝固温度范围宽的合金且气密性要求不高的铸件4试分析图所示铸件热应力的形成过程，说出上下两部分的应力性质，并用虚线表示出铸件可能的变形方向结构不对称、壁厚不均匀、冷却速度不一致，在厚壁的部分受拉应力，薄的部分受压应力。

5铸造时，金属凝固温度范围的宽窄对铸件质量有何影响？为什么？金属凝固温度范围的宽窄表示的是金属处于结晶过程中时，其固液两相共存的温度范围。

1、什么是同时凝固与顺序凝固原则？这两种原则各适用于那种场合，各需采用什么工艺措施来实现？答：顺序凝固原则是指采取一定的工艺措施，使铸件上从远离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒口的方向定向地凝固。

同时凝固是指采取一些工艺措施，使铸件各部分温差很小，铸件相邻各部位或铸件各处几乎同时完成凝固过程，无先后的差异及明显的凝固方向性，称作同时凝固。

顺序凝固主要用于消除铸造工艺中的缩孔和缩松，主要通过合理运用冒口或冷铁等工艺措施实现。

同时凝固主要用于降低铸件产生应力、变形和裂纹的倾向，主要通过合理设置内浇口位置及安放冷铁等工艺措施实现。

2、什么是合金的流动性及充型能力？充型能力不足，铸件易产生的主要缺陷有哪些？充型能力的影响因素有哪些？不同化学成分的合金为什么流动性不同？答：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，称为液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力。

液态金属自身的流动能力称为“流动性”，是金属的液态铸造成形的性能之一。

充型能力不足，会产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣等缺陷。

液态金属的充型能力主要取决于金属自身的流动能力，还受外部条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。

3、分析下图铸件的热应力分布（拉应力和压应力）和变形趋势。

答：上图１受到拉应力，２受到压应力，下图１受到压应力，２受到拉应力，变形趋势如图所示。

4、绘制自由锻件图与模锻件图有何不同，分别要考虑哪些问题？7、从结构工艺分析此铸造产品的不合理性，并对产品设计进行改进。

答：1.铸造加强肋的布置应有利于取模2.改进工艺8、锻造为什么要进行加热？如何选择锻造温度范围？加热的目的是为了提高金属的塑性，减小变形抗力，使之易于变形，并获得良好的锻后组织和力学性能。

确定锻造温度范围一方面要保证金属应具有良好的可锻性和合适的金相组织 , 另一方面要求在每一次加热之后做更多的成形工作 , 以节约能源和提高效率。

材料成型原理名词解释及分析名词解释能量起伏：原⼦能量存在不均匀性。

结构起伏：原⼦时聚时散。

浓度起伏：同种原⼦在不同原⼦团的分布量不同。

表⾯张⼒：⼀⼩部分液体单独在⼤⽓中出现时，⼒图保持球状形态，说明总有⼀个⼒的作⽤使其趋向球状，这个⼒为表⾯张⼒。

传热的基本⽅式：传到传热、对流换热和辐射换热。

三种计算凝固时间的⽅法：1理论计算法；2平⽅根定律；3折算厚度法。

匀质形核：在没有任何外来界⾯的均匀熔体的形核过程。

⾮均质形核：在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界⾯提供的衬底进⾏形核的过程。

粗糙界⾯：界⾯固相⼀侧的点阵位置只有50%左右被固相原⼦所占据，这些原⼦散乱的随机分布在界⾯上，形成⼀个坑坑洼洼，凹凸不平的界⾯。

平整界⾯：固相表⾯的点阵位置⼏乎全部被固相原⼦所占据，只留下少数空位；或者是在充满固相原⼦的界⾯上存在少数不稳定的孤⽴的固相原⼦，从⽽形成了⼀个总体上的平整光滑界⾯。

溶质再分配：从形核开始到凝固结束，在整个结晶过程中固液两相内部将不断进⾏着溶质元素的重新分布过程，称为合⾦结晶过程中的溶质再分配平衡凝固：在⼀定压⼒条件下，凝固体系的温度和成分完全由相应合⾦系的平衡相图所规定，这种理想状态下的凝固过程称为平衡凝固。

近平衡凝固过程：在固液界⾯处合⾦成分符合平衡相图，这种情况称为界⾯平衡，相应的凝固过程称为近平衡凝固过程，也成为正常凝固过程。

⾮平衡凝固过程：即使在固液界⾯处也不符合平衡相图的规定，产⽣所谓的溶质捕获现象，这类凝固过程称为⾮平衡凝固过程溶质平衡分配系数：平衡固相溶质浓度Cs与液相溶质浓度Cl之⽐为溶质平衡分配系数热过冷——液态凝固时所需过冷完全由传热所提供。

成分过冷：凝固时由于溶质再分配造成固液界⾯前沿溶质浓度变化，引起理论凝固温度的改变⽽在液固界⾯前液相内形成的过冷。

⾮⼩平⾯-⾮⼩平⾯共晶合⾦（⼜称规则共晶合⾦）：该类合⾦在结晶过程中，共晶两相α和β具有⾮⼩平⾯⽣长的粗糙界⾯，组成相的形态为规则的棒状或层⽚状。