材料成型工艺学上

材料成型工艺学上复习资料20132354整理第一章：金属液态成型概述1.金属液态成型工艺特点？举例说明这些特点。

优点：⑴适应性强：铸造方法不受零件大小、形状和结构复杂程度的限制。

重量：小到几克，大到数百吨；尺度：壁厚从0.5mm到1m左右；长度：从几毫米到十几米；材质：铸造适用于各种合金，如常用的铁碳合金、铜合金、镁合金、铝合金等。

⑵尺寸精度：一般情况下，铸件比锻件，焊接件的尺寸精度高，更接近于零件的尺寸，可节约大量的金属材料和加工工时。

⑶成本低：铸件重量在一般机械装备总重量中占比高，而成本占总成本的低。

不足：①废品率较高，由于液态金属成型工艺过程涉及的工序较多，每道工序过程难以精确控制；②存在结构缺陷，液态金属成形件一般组织疏松，晶粒粗大，铸件内部有时出现缩孔、缩松、裂纹、偏析等缺陷，导致铸件的某些力学性能降低；③生产环境差，劳动强度高，对周围环境污染严重。

第二章：金属液态成形工艺原理1.液态金属充型过程有哪些水力学特点？①多相黏性流动。

液态金属中存在夹杂物（固相）和气体（气相），金属由固态转变成液态，金属键被部分破坏，原子之间仍然保持一定的结合力，因此液态金属在流动过程中有内摩擦阻力，呈现粘性流动的水利学特点。

②不稳定流动。

充型过程中液态金属的流速、流态在不断变化，即存在流路截面变化，流路方向变化，流路温度变化。

③紊流流动。

在浇注系统中，即使 D 很小（如取 0.4 cm），在保证充型的最低流速下，其雷诺数也大于Re临。

所以：金属液在浇注系统中的流动为紊流流动。

又由于浇注系统流路回转，使紊流程度加重。

④（非封闭流动）在“多孔管”流动。

浇注系统及铸型的型腔都具有一定的透气性，充型过程中金属液体就像在“多孔管”中流动2.液态金属充型过程水力学计算的重要性和主要依据是什么？重要性：保证液态金属充型过程中内浇道截面具有一定的流速，使金属液能充满型腔，是合理设计浇注系统的依据。

（浇注系统的设计过程就是水力学计算的过程）主要依据：伯努利方程（能量守恒方程），奥赞公式。

3.奥赞公式的意义和成立条件公式为F内=mρμt√2gH均其中F内——内浇道的截面积；m——充填铸型所需金属液的质量；ρ——金属液密度；μ——流量系数；t——填充时间；H均——充型过程平均静压头；意义：是浇注系统计算的基本公式，反应了以上几个变量之间的关系，为合理设计浇注系统提供了依据。

成立条件：A. 浇注系统为充满流动：封闭式浇注系统；对于开放式的型腔液面要淹过内浇道。

B. 浇口杯液面保持不变。

C. 型腔内压力与外界相同，即砂型透气性要好，有排气孔4.什么是液态金属充型能力,它与液态金属的流动性有什么区别与联系?液态金属的充型能力：液态金属充满铸型的型腔,获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。

区别与联系：①流动性是合金及金属的流动能力，是决定液态金属充型能力的内因，起主导作用，即流动性是充型能力的量度；②液态金属的充型能力不仅受流动性的影响，铸型性质、浇注条件、铸型（件）结构等都会影响金属液的充型能力。

如何测量流动性：以螺旋形流动性试样的长度来衡量。

5.说明液态金属充型过程停止流动机理是什么？①对于纯金属，共晶合金或结晶温度范围很窄的合金，流动过程中间卡住。

它们的结晶特点是在一定的温度点开始凝固，当具有一定的过热度的液态金属在管道中流动时，靠近管壁的液态金属首先达到凝固温度并开始在管壁上凝固，一般是以柱状晶从管壁向里推进，而中心的过热液态金属可以继续向前流动，而且能够全部或部分地熔化正在生长的柱状晶，当流动的液态金属的过热度散失殆尽，柱状晶一直生长到中心，液态金属因流动前端的后部被堵塞而停止流动。

②宽结晶温度范围合金，流动过程前端阻塞。

结晶特点是在一定的温度范围内开始凝固。

具有一定过热度的液态金属在管道中流动，不断接触管壁的液态金属前端首先达到凝固温度，并开始有部分的固相以枝晶析出。

此时液态金属中虽然有部分固相，但还可以继续向前流动，但流动阻力越来越大，流动速度逐渐减慢。

当液态金属前端区域的固相析出量在15-20%左右时，在流动的前端被堵塞而停止流动。

（所以用结晶温度较宽的合金铸造时，应适当提高浇注温度，对液态金属进行净化处理，改善铸型条件，才能获得表面质量好的铸件）（所以结论是：纯金属、共晶合金的流动时间相对较长，流动性好，充型能力强；结晶温度范围较宽的合金流动时间相对较短，流动性差，充型能力弱。

）影响停止流动/充型能力的因素: 合金本身性能、铸型条件、浇注工艺。

（提高充型能力的）措施：①合金方面：选择共晶或结晶温度范围窄的合金，提高液态金属的纯净度。

②铸型方面：刷保温涂料。

③浇注工艺：适当提高浇注温度，调整浇注位置，提高浇注压头。

6.金属凝固动态曲线意义是什么？定义：根据凝固体断面各位置的温度与时间的关系曲线，在位置与时间的坐标图上绘制成的凝固体典型温度的连线图称为凝固动态曲线。

如何获得：在凝固体断面间隔一定距离放置热电偶，由仪器直接记录T—t曲线，将其投影到位置—时间图中，将不同位置、不同时间达到同一温度的各点连接起来，即得凝固动态曲线。

意义：①根据凝固动态曲线，可以推断凝固体断面不同时刻的凝固状态和凝固区的宽窄（范围），由凝固区的宽窄可判断断面的凝固方式，不同的凝固方式对铸件组织状态和缺陷产生有直接影响。

②由凝固动态曲线，可以确定某一位置。

在某一时刻处于哪个相区（L相区，L-S相区，S 相区），从而合理制定浇注工艺。

课后附题：金属液态成形方法中，哪种方法生产的铸件尺寸精度高？哪种方法生产的铸件产量最大？答：压力铸造（有色金属）和熔模铸造（钢）尺寸精度最高；砂型成形生产的铸件产量最大。

7．金属凝固方式有哪几种，影响金属凝固动态曲线的因素是什么？由结晶过程的固液两相区的尺度范围来决定，有①逐层凝固方式。

②体积凝固方式。

③中间凝固方式。

影响金属凝固动态曲线的因素：①金属本身的凝固特点。

凝固温度范围（液相线和固相线之间的温度差），这是金属或合金的成分决定的。

②外界条件。

凝固体断面的温度分布及随时间的变化情况。

这由合金的热物理性能、铸型（或结晶器）的热物理性能及其冷却强度、凝固体尺寸和结构所决定。

对铸件凝固质量的影响：①逐层凝固方式：流动性能好，易获得健全的凝固体，液体补缩性好，凝固体组织致密，形成集中缩孔倾向大（可用冒口消除），热裂倾向小。

气孔倾向小，应力大，宏观偏析严重。

②体积凝固方式：流动性能不好，不易获得健全的凝固体，液体补缩性不好，凝固体组织不致密，集中缩孔倾向小，热裂倾向大，气孔倾向大，应力小，宏观偏析不严重。

③中间凝固方式：介于两者之间。

第三章：金属液态砂型成形工艺1. 砂型铸造时，铸件铸型界面存在哪些作用，这些作用对铸件质量（表面、内部、尺寸）的影响？①热作用——传热、传质。

在金属和砂型间有热交换、水分和气体迁移、砂型膨胀。

铸件容易产生夹砂结疤缺陷。

②机械作用——冲击、冲刷、静压力。

如果砂型表层强度不够，金属液将冲坏型壁，使铸件产生表面缺陷；如果砂型整体强度不够，型壁在金属液静压力作用下发生移动，铸件产生尺寸误差缺陷（胀箱、肥大）。

③化学和物理化学作用——造型材料本身、造型材料与液态金属发生化学和物理化学反应。

造型材料自身的分解和化学反应，可改变界面气氛和压力，铸件产生气孔缺陷；金属液与造型材料起化学和物化反应，使铸件产生粘砂、表面成分改变、气孔等缺陷。

2. 湿砂型在浇注金属时会发生何种现象，这些现象对砂型有何影响，对铸件质量有何影响？答：水分迁移、砂型膨胀、产生气体、化学反应。

影响：①水分迁移：在液态金属热作用下，界面处的水分向铸型内部迁移，使砂型形成干砂区、水分饱和凝聚区、水分未饱和凝聚区、正常区4个区域，其中干砂区含水几乎为0，但强度很高；水分饱和凝聚区含水量很多，但强度很低：当水分饱和凝聚区抗压强度低时，会使干砂区向砂型内部移动形成铸件的胀砂缺陷；当水分饱和凝聚区抗拉强度低时，干砂区易脱离进入金属液中，形成夹砂结疤。

②砂型膨胀：在液态金属热作用下，砂型内外温度不同，形成了温度梯度，同时使砂型各处的热膨胀量不同，干砂区温度最高，热膨胀量最大，但由于铸件与砂箱阻碍作用，使砂型内部产生热应力，砂型表面会翘起或凸起，使铸件产生鼠尾、夹砂结疤、毛翅等膨胀类缺陷。

③产生气体：（侵入性气体，造型材料自身分解或反应生成的气体；反应性气体，造型材料与金属液发生反应生成的气体）。

浇筑时产生的气体会改变铸件砂型表面的气氛，影响铸件凝固过程和铸件质量。

如氧化性气氛利于金属液向砂型中渗透，易产生粘砂缺陷，铸件表面易脱碳，而还原性气氛可防止化学粘砂，浇注时产生的大量气体还可使铸件产生气孔缺陷④化学反应：对于砂型，金属氧化物与原砂、粘土反应生成硅酸铁降低型砂中有效粘土、原砂的含量，使型砂耐火度和强度降低；对于铸件，化学反应改变了其成分，同时发生化学粘砂，降低其表面质量，增大清理难度，不利于机械加工。

3.三砂两孔缺陷的特点，形成机理，影响因素，防止措施。

●夹砂：特点：型壁表面呈带状凸起后砂层破裂，但未折断形成机理：浇筑过程中，砂型表面被加热，里外层产生温度差，产生水分迁移现象，形成了干砂区和凝聚区，由于各层的膨胀量不同，干砂区和水分饱和凝聚区将产生相对滑移的趋势，当M区的抗拉强度较低时，干砂区就会凸起导致分层，严重时砂层破裂金属液进入层间孔隙而形成夹砂缺陷 影响因素：干砂区的热应力越小，水分饱和凝聚区的抗拉强度越大，越容易产生防止措施：①造型材料方面：1.使用粒度分散的原砂，并控制起SiO2的含量2.使用Na/Ca基膨润土做粘结剂可以提高热湿拉强度3.加附加物，如煤粉，渣油4.控制型砂含水量，降低含泥量②工艺方面：1.缩短浇注时间，尽快充型2.合理设计浇注系统和浇注位置，大平面避免平浇3.排气通畅4.紧实均匀，不宜过大●粘砂：（机械/化学粘砂）特点：砂粒或含砂物质粘附在铸件表面难以清除形成机理：机械粘砂：根据毛细理论，将型砂表面砂粒间的微孔看成是直径细小的毛细管，金属液渗入微孔中便形成机械粘砂。

化学粘砂：金属氧化物渗入砂型微孔中并与砂粒起反应影响因素：①机械粘砂：1.金属液凝固时间：浇注温度越高，铸件热节越大，则金属对砂型的热作用时间越长2.砂型特点，孔尺寸大，激冷能力越弱，蓄热量越小，发气量越小3.界面特性：金属液的表面张力及其与砂型的润湿性影响到粘砂的产生，金属液润湿砂型，则P临降低，金属易于渗入，这是表面张力越大，渗入越深4.金属液静压力：砂型某部位的金属液静压力与铸件高度和浇注位置有关，金属液静压力大的部位容易产生粘砂②化学粘砂：氧化气氛和热作用防止措施：①机械粘砂：1.缩小砂型孔隙：使用细沙或刷涂料2.缩短金属液对砂型的热作用时间：适当降低浇注温度，使用激冷材料3.加附加物改善界面润湿条件4.调整液态金属的静压力②化学粘砂：1.控制氧化层，加入附加物产生还原性气氛，降低浇注温度，加入氧化铁粉等氧化剂2.控制烧结层，加入附加物不被润湿，使用非石英砂非石英质涂料●胀砂：特点：砂型膨胀导致铸件尺寸变大形成机理：砂型受热膨胀，在金属液浇注凝固后，铸件依照胀的箱凝固，造成铸件尺寸变大，严重时铸件报废（当水分饱和凝聚区的抗压强度较低时会使干砂区向砂型内移动，形成胀砂缺陷） 影响因素：原砂、型砂含水量防止措施：1选用热膨胀系数小的镁砂或锆砂2增加砂型的排气能力3适当降低砂型的含水量4紧实均匀，紧实度不宜过大●气孔特点：浇注时产生的大量气体未来得及排出侵入性气孔特点：1 数量少，体积大2 孔壁光滑，表面氧化3 梨形、椭圆形形成机理：在铸件/砂型界面处，P气 > P静+ P阻+ P腔时，气体就会侵入到金属液中形成气泡，随着金属液的凝固，来不及上浮的气泡就形成气孔影响因素：1砂型的发气性、透气性2液态金属的性质：表面张力，润湿性等3浇注条件防止措施：1 控制砂型的发气性减少发气物质，减低发气温度2 增加砂型的透气性，扎气眼，设置排气道等3 降低浇注温度●沙孔特点：在铸件表面或内部充塞着型砂形成机理：1 散落砂，未清理干净或合箱搬运中出现掉砂2 冲砂金属液的冲击或者冲刷使砂型脱落，这些砂块在金属液凝固前未浮到冒口或积砂孔内，就会产生砂眼影响因素：落砂、冲砂防止措施：1 提高型砂的表面强度刷涂料，改进型砂配方2 合理设置浇注系统和冒口，采用缓流，底注式浇注系统，设置排渣冒口3 严格执行操作规程，清理落砂4.湿砂型的型砂要求具备哪些工艺性能，这些性能对铸件质量有什么影响？工艺性能：四个基本性能：湿态强度、透气性、流动性、可塑性与韧性；一个综合性能：干湿程度。