铸造工程学提纲及答案

1、什么是铸造？与其他材料成形工艺相比，铸造工艺有何特点。

将液态（熔融）的合金浇入到与零件的形状，尺寸相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法通常称为铸造。

铸造是生产金属零件毛坯的主要工艺方法之一，与其它工艺方法相比，它具有成本低，工艺灵活性大，适合生产不同材料、形状和重量的铸件，并适合于批量生产。

2 铸造技术发展的趋势有哪几个方面。

铸件尺寸、重量范围扩展（特大-特小型铸件）；

铸件的轻量化（材质轻量化、工艺的精确化）；

铸件的精确化；

数字化铸造；

网络化铸造；

清洁化铸造。

3 液态金属充型能力概念，简答铸型和浇注条件方面因素对充型能力的影响并提出提高充型能力应采取的措施。

液态金属充型能力：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，即液态金属充填铸型的能力，是设计浇注系统的重要依据之一；

铸型性质方面的因素：铸型的蓄热系数越大，铸型的激冷能力就越强，金属液于其中保持液态的时间就越短，充型能力就越差。铸型的温度越低，与液态金属的温差越大，金属液在相同的时间内缺失的热量越多，金属流动时间越短，充型能力越小。铸型中的气体型中气体少时，产生的气体在型与金属液之间形成气膜，减少流动摩擦阻力，使速度提高，从而使充型能力提高。型中气体多时，高温产生的大量气体，形成阻碍流动的反压力，降低速度，使充型能力减小。

浇注条件方面的因素：浇注温度越高，液态金属流动时间越长，充型能力越好。充型压头H，H越高，流动速度越大，充型能力越好。但H不宜过大，否则流动速度过快，引起液体飞溅，易产生氧化、铁豆等缺陷，也易使气体来不及排出，反压力增大，产生浇不足及冷隔。浇注系统结构H相同时，浇注系统越复杂（浇道多而长，转弯越多，断面积变化大），则流动阻力大，流动速度低，充型能力减小。

提出提高充型能力应采取的措施：为提高充型能力，可预热铸型，特别是金属型。提高浇注温度是提高充型能力的有效方法，但温度不能过高，否则氧化吸气夹杂严重，反而使充型能力下降。为提高充型能力，应尽量减少浇注系统的复杂程度。气体：减小铸型的发气量（控制水分，发气物的含量），提高铸型的透气性（加排气孔或通气冒口等）。

4 金属中的气体来源有哪些方面，它们对对铸件质量可能会产生哪些

不利影响。

来源1）熔炼过程炉料的锈蚀物、炉衬、工具、溶剂等。

2）铸型对于湿砂型，其中的水分在高温金属液的热作用下会产生大量蒸汽；即使烘干的铸型，浇注前也会吸收空气中的水分，且其中的粘土在金属液的热作用下结晶水还会分解；一些由有机材料制成的砂型或砂芯，有机物的燃烧也能产生大量的气体；

3) 浇注过程。浇包未干，铸型浇注系统设计不当，铸型透气性差，浇注速度控制不当，型腔内气体不能及时排除等。

不利影响：减低机械性能、引起裂纹产生、降低韧性、降低流动性、降低气密性

气孔的存在不仅能减小金属的有效承载面积，而且使局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源。一些形状不规则的气孔，则会增加缺口的敏感性，使金属的强度下降和抗疲劳能力降低。

5铸件中的气孔有哪三种，各自气体的来源和气孔的宏观特征

侵入性气孔：侵入性气孔是由于铸型表面聚集的气体侵入金属液中而形成的孔洞多位于铸件的上表面附近，尺寸较大，呈椭圆形或梨形，孔壁光滑，表面有光泽或有轻微氧化色。

析出性气孔：在金属凝固过程中，随着温度降低，气体溶解度降低，气体就会析出，如果析出的气体以分子状态存在，就形成了气泡，这种气泡保留在凝固以后的金属中，就是析出性气孔。

1、形状特征：多为分散小圆孔，直径0.5～2mm，或者更大，肉眼能观察到麻点状小孔，表面光亮。

2、位置分布：在铸坯断面上呈大面积、均匀分布，而在最后凝固的部位较多。

3、气体成分：氢气、氮气。

反应气孔：金属液与铸型之间，金属与熔渣之间或金属液内部某些元素，化合物之间发生反应产生的气孔，称为反应气孔。

液态金属内部合金元素之间或与非金属夹杂物发生化学反应-------蜂窝状气孔，呈梨形或团球形均匀分布。

金属-铸型间反应性气孔常分布在铸件表面皮下1～3mm 处，通称为皮下气孔，其形状有球状和梨状，孔径约1～3mm。有些皮下气孔呈细长状，垂直于铸件表面，深度可达10mm 左右。气孔内主要是H2、CO 和N2等。

6 铸件中的非金属夹杂物概念，外生夹杂物，内生夹杂物的含义，非金属夹杂物的来源。

非金属夹杂物概念：指金属内部或表面存在的和基本金属成分不同的物质，它主要来源于原材料本身的杂质及金属在熔炼、浇注和凝固过程中与非金属元素或化合物发生反应而形成的产物。

非金属夹杂物的来源：1）脱氧、脱硫产物2）硫、氧、氮等元素以低熔点共晶或化合物形式析出3）金属与外界物质相互作用而生成的夹杂4）金属液被大气氧化生成的氧化物

按来源不同把夹杂物分为外生夹杂物和内生夹杂物：外生夹杂物是1）脱氧、脱硫产物2）硫、氧、氮等元素以低熔点共晶或化合物形式析出。内生是：3）金属与外界物质相互作用而生成的夹杂4）金属液被大气氧化生成的氧化物

7 非金属夹杂物对铸件力学性能的影响如何。

缺点①随氧化夹杂数量的增多，冲击韧性明显下降

②疲劳极限下降，且夹杂物越粗，疲劳极限越低

好的作用①钢中的氧化物、碳化物和铸铁中的磷共晶能提高材料的硬度，增加耐磨性

②钢中微量Ca和S形成球形CaS，分布在晶内，改善钢的切削性

③难熔的非金属夹杂物可成为非自发结晶的核心，细化铸件的宏观组织

8 浮游法和熔剂法去除金属液中非金属夹杂物的原理有啥区别。

浮游法：将惰性气体通入镁熔体中，行程分散气泡，熔体中的H等气体在分压茶作用下扩散到气泡中，随气泡上浮排出，达到除气的目的，气泡在上浮过程中，还能吸附部分氧化夹杂，起到除杂的作用。

熔剂法：利用熔剂熔化后吸附固态夹杂，达到精炼的目的，它能除掉熔体中绝大多数的金属盒非金属夹杂。

9铸件铸造过程中的收缩会带来哪些铸件缺陷，分别描述各缺陷形成原因及特征，如何防止。

缩孔：先凝固区域堵住液体流动的通道，后凝固区域收缩所缩减的容积得不到补充。

缩孔是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大部位及最后凝固部位形成一些容积较大的孔洞。

缩松：缩松是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。

产生原因：当合金的结晶温度范围很宽或铸件断面温度梯度较小时，凝固过程中有较宽的糊状凝固两相并存

的区域。随着树枝晶长大，该区域被分割成许多孤立的小熔池，各部分熔池内剩余液态合金的收缩得不到补充，最后形成了形状不一的分散性孔洞即缩松。

松还可能由凝固时被截留在铸件内的气体无法排除所致。不过，疏松内表面应该是光滑，近似球状

防止措施：采取顺序凝固的办法避免缩孔、缩松的出现。

裂纹与变形：在铸件的固态收缩阶段会引起铸造应力。

热裂的特征是：断面严重氧化，无金属光泽，裂口沿晶粒边界产生和发展，外观形状曲折而不规则（铸钢件裂口表面近似黑色，铝合金则呈暗灰色）。

外裂纹: 在铸件表面、可以看见。裂口常从铸件的拐角处、截面厚度有改变处或局部冷却缓慢容易产生应力集中的地方开始，主要是拉应力引起的。

内裂纹：在铸件内部最后凝固的部位，有时会出现在缩孔附近或尾部。

冷裂：铸件处于弹性状态，铸造应力超过合金的强度极限时产生的裂纹。

冷裂往往出现在铸件受拉伸的部位，特别是应力集中的地方。因此，铸件产生冷裂的倾向与铸件形成应力的大小密切相关。

冷裂的防止：减小铸造应力、提高合金的力学性能、调整化学成分净化金属液减少铸造缺陷、消除残余应力

裂纹和变形的防止：以有利于释放铸造应力为原则；

1、采用正确的铸造工艺（正确设计浇注系统、补缩系统等）；

2、铸件形状设计要求简单、对称和厚薄均匀；

3、对铸件进行热处理。

10 铸钢件铸造收缩率比铸铁收缩率大的原因是什么。

因为铸铁结晶时有石墨析出（主要是灰铁和麻口铸铁），而铸钢重的碳以渗碳体存在，最终导致两者收缩率的差别。铸铁是又液体直接结晶成面心立方的奥氏体加生碳体，然后冷却成体心立方的铁素体加渗碳体。

铸钢在冷却时是从液体转变为体心立方结构的高温铁素体，温度再下降之后变为面心立方的奥氏体，此时由于原子密度增大而发生收缩现象；

收缩比的大小和结晶的过程是密切相关的

11 铸件凝固方式有哪三种，铸件有哪三种典型的宏观结晶组织。

逐层凝固方式体积（糊状）凝固方式中间凝固方式

？表层细等轴晶区内部柱状晶区中心等轴晶区

？胞状晶柱状树枝晶自由树枝晶（等轴晶）

12 为何有双重铁碳相图的存在？双重相图的存在对铸铁件生产有何实际意义？

13 碳当量、共晶度的概念，铸铁件碳当量一般要小于 4.26%的原因是什么。

.4.26%为共晶成分，一般控制在4.3%～4.6%范围内

灰铸铁的含碳量与共晶点实际碳量的比值称为共晶度，用Sc表示。

14 铸铁件根据其结晶组织中石墨形态可分为几种，其基本的强度和塑性特点如何。

15 铸钢的品种有哪些，含铬不锈钢不锈的真实含义是什么。

铸造碳钢、铸造低合金钢和铸造特种钢

含义：用铬对钢进行合金化处理时，会把表面氧化物的类型改变成了类似于纯铬金属上形成的表面氧化物，这种紧密粘附的富铬氧化物保护表面，防止进一步地氧化。这种氧化层极薄，透过它可以看到钢表面的自然光泽，使不锈钢具有独特的表面。而且，如果损坏了表层，所暴露出的钢表面会和大气反应进行自我修理，重新形成这种氧化物"钝化膜"，继续起保护作用。（来自百度）

16 黑色金属，有色金属概念，铸铝合金有哪几大类，各类的基本特性是什么。

1、黑色金属是指铁和铁的合金。如钢、生铁、铁合金、铸铁等。钢和生铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。

2、有色金属又称非铁金属，指除黑色金属外的金属和合金，如铜、锡、铅、锌、铝以及黄

铜、青铜、铝合金和轴承合金等。

铸铝合金：铝硅类合金：具有优良的铸造性能，经过变质处理后，具有良好的力学性能，其耐热性和腐蚀性也教好，是铸造铝合金中产量最大的一类合金。

铝铜类合金：具有较高的室温和高温力学性能。但比重较大，耐腐蚀性和铸造性能较差。铝镁类合金：密度最小，耐蚀性最好、强度最高的铸造铝合金，但高温强度较低，一般工作温度不超过200度，铸造性能较差，熔炼铸造工艺也较复杂。

铝锌类合金。他是铸造铝合金中最便宜的一种，力学性能较高且不经热处理可直接使用，但密度大，耐腐蚀性较差。

17 铸造镁合金件在熔炼和使用过程中分别会面临什么样的问题。

熔炼：*炉料的预热，所有炉料应鱼人去除掉水分，防治带入水分导致爆炸等安全事故，同时减少镁合金溶液中的气体含量

*熔化：应控制好熔化的温度，不宜过高，合理的温度有利于延长坩埚寿命，也可以防治坩埚内的铁和其他杂质在高温下进入镁合金液中。

*合金化和精炼：加入中间合金应在镁合金液的上部加入，因为中间合金的密度比镁合金打，这样有助于是镁合金液的成分均匀、防止偏析、同时应控制好合金加入和精炼的温度，使杂质元素除去得跟彻底

*静置静置过程有助于镁合金中密度较大的杂质沉淀，主要是控制好静置的温度和时间

*浇铸：控制好浇铸温度，凝固前讲模具内和镁液表面的杂质除去。

使用过程：请结合镁合金的特性分析，没有找到标准答案

18 砂型铸造含义，砂型铸造型芯粘结机制有哪三种。

用型砂制造铸型并生产铸件的铸造方法叫砂型铸造

物理固结化学黏结机械黏结

19 粘土砂型采用的粘结剂一般是哪两种粘结剂，它们各自适应合金品种及原因。

无机化学粘结剂

有机粘结剂砂

20 膨润土产生粘结能力的根本原因，钠基膨润土和钙基膨润土哪个更适合铸铁件湿型砂性能要求。

膨润土具有强的吸湿性和膨胀性，可吸附8～15倍于自身体积的水量，体积膨胀可达数倍至30倍；在水介质中能分散成胶凝状和悬浮状，这种介质溶液具有一定的黏滞性、能变性和润滑性；有较强的阳离子交换能力；对各种气体、液体、有机物质有一定的吸附能力，最大吸附量可达5倍于自身的重量；它与水、泥或细沙的掺和物具有可塑性和黏结性；

钠基膨润土的优点是型砂热湿拉强度高，铸件不易产生夹砂缺陷；而且热稳定性高，不易烧损，

21 最常用的原砂是哪种砂，指出其主要特点。

应用最广泛的事石英砂俗称硅砂，

主要特点硅砂来源广，价格低，能满足一般铸铁、铸钢和非铁合金铸件生产的要求。但硅砂热膨胀系数大，而且在573oC 会因相变产生膨胀，热扩散率比较低、蓄热系数小、容易与铁的氧化物发生反应等。

22 煤粉作为湿型砂附加物的作用是什么。

在铁液高温作用下煤粉产生大量还原性气体，防止金属被氧化；同时在砂型中形成正压力，使金属液难以渗透加入砂型；

煤粉受热形成的半焦充填堵塞砂型表面颗粒间的空隙，使金属液不能渗入； 煤粉受热后变为胶质体，具有可塑性，可减少砂型受热膨胀而产生的铸件缺陷； 煤粉在高温下生成亮碳物质，覆盖于砂型表面，阻止了铁液与砂型的反应和渗入，对防止机械粘砂起到积极作用。

23湿型砂应满足哪些方面的性能要求。

水分和紧实率：用1MPa 的压力压实或者锤击式制样机上打击3次，用试样紧实前后高度变化的百分数表示。控制水分，获得需要的湿态强度和韧性

透气性：紧实的型砂能让气体通过而已出的能力称为透气性。砂型的排气能力，一方面靠冒口和穿透或不穿透的排气孔；另一方面决定于型砂的透气性。

湿态强度：砂型必须具备一定的强度以承受各种外力的作用。

流动性型砂在外力及自重作用下，沿模样和砂粒之间相对移动的能力称为流动性。

起模性、变形量、韧性和破碎指数：型砂的起模性表示起模时模样或模板与砂型分离时，砂型是否容易损坏，产生开裂或掉砂的性能；变形量是在用强度试验机测定型砂抗压强度的同时，用一个百分表测出试样破碎前的变形量（高度减小量）；型砂的韧性与造型时是否容易起模有直接关系。破碎指数可以代表韧性。

抗夹砂结疤类缺陷的能力：热湿拉强度是判断型砂抗夹砂结疤、鼠尾缺陷的主要指标。热湿拉强度越高，越不易产生这些缺陷。

24 水玻璃模数的含义，水玻璃砂的硬化方式有哪几种，最能发挥强度的硬化方式是哪种。

钠水玻璃中SiO2和Na2O 物质量之比称为水玻璃模数，用M 表示。

硬化方式可以分为“CO2硬化砂”、“自硬砂”和“流态自硬砂”

25 水玻璃砂的溃散性有效的解决办法有哪些，最有效的是哪一条。 钠水玻璃砂溃散性差，出砂困难，从而限制了在铸造上的应用。

在钠水玻璃砂中加入附加物；

减少钠水玻璃用量；降低易熔融物质的含量；水玻璃改性和复合。

22nSiO M nNa O

26 型芯有机化学粘结剂可归为酚醛，呋喃，尿烷三大类树脂，指出其各自的固化剂品种和适应合金种类及原因。

酚醛：固化剂为六亚甲基四胺（乌洛托品）见书214到220

27.除砂型铸造外的其它铸造归为特种铸造类，特种铸造主要包括哪几种，指出它作的特点和适应性。

熔模铸造：. 1铸件尺寸精度高（IT11－IT14），表面粗糙度值低（Ra25～3.2um）。减少切削加工量，甚至无须切削加工（涡轮发动机的叶片）。

2.可以铸造薄壁件及重量很小的铸件

3擅长制造用砂型铸造、锻压、切削加工等方法难以制造的形状复杂、不便分型的零件。如带有精细的图案、文字、细槽和弯曲细孔的铸件

可以制造各种合金材质的铸件，尤其适用于高熔点、难切削合金的小型复杂铸件的生产4可生产复杂、精密的铸件，且合金类型不限。

金属型铸造

优点：

金属型铸造可“一型多铸”，便于实现机械化和自动化生产，从而可大大提高生产率。

铸件的精度和表面质量比砂型铸造显著提高(尺寸精度ITl2～16，表面粗糙度值Ra25～12.5μm)。

结晶组织致密，铸件的力学性能得到显著提高，如铸铝件的屈服点平均提高20％。

劳动条件得到显著改善。

缺点：

金属型的制造成本高、生产周期长。

铸造工艺要求严格，否则容易出现浇不足、冷隔、裂纹等铸造缺陷，而灰铸铁件又难以避免白口缺陷。

金属型铸件的形状和尺寸还有着一定的限制。

金属型铸造方法主要用于熔点较低的有色金属或合金铸件的大批量生产。黑色金属类铸件只限于形状简单的中小零件。

压力铸造：

优点：

(1)铸件的精度及表面质量较其它铸造方法均高(尺寸精度IT11～13，表面粗糙度值Ra6．3～1．6μm)。通常，不经机械加工即可使用。

(2)可压铸形状复杂的薄壁件，或直接铸出小孔、螺纹、齿轮等(参见表2-10)。这是由于压型精密，在高压下浇注，极大地提高了合金充型能力所致。

3)铸件的强度和硬度都较高。因为铸件的冷却速度快，又是在压力下结晶，其表层结晶细密，如抗拉强度比砂型铸造提高25％～30％。

(4)压铸的生产率较其它铸造方法均高。如我国生产的压铸机生产能力为50～150次/h。最高可达500次/h。

缺点：

(1)压铸设备投资大，制造压型费用高、周期长，只有在大量生产条件下经济上才合算。

(2)压铸高熔点合金（如铜、钢、铸铁）时，压型寿命很低，难以适应。

(3)由于压铸的速度极高，型腔内气体很难排除，厚壁处的收缩也很难补缩，致使铸件内部常有气孔和缩松。因此，压铸件不宜进行较大余量的切削加工，

以防孔洞的外露。

(4)由于上述气孔是在高压下形成的，热处理加热时孔内气体膨胀将导致铸件表面起泡，所以压铸件不能用热处理方法来提高性能。

适用范围：

目前，压力铸造已在汽车、拖拉机、航空、兵器、仪表、电器、计算机、轻纺机械、日用品等制造业得到了广泛应用，如气缸体、箱体、化油器、喇叭外壳等铝、镁、锌合金铸件生产。

压铸新工艺：真空压铸，充氧压铸，精速密压铸，半固态压铸，黑色金属压铸，

低压铸造：

特点：

(1)充型压力和充型速度便于控制，故可适应各种铸型，如金属型、

砂型、熔模型壳、树脂型壳等。由于充型平稳，冲刷力小，且液

流和气流的方向一致，故气孔、夹渣等缺陷减少。

(2)铸件组织较砂型铸造致密，对于铝合金铸件针孔缺陷的防止效果

尤为明显。

(3)由于省去了补缩冒口，使金属的利用率提高到90％～98％。

(4)由于提高了充型能力，有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件。

(5)设备较压铸简单、投资较少。

适用性：

低压铸造目前主要用来生产质量要求高的铝、镁合金铸件，如气缸体、缸盖、曲轴箱、高速内燃机活塞、纺织机零件等，并已成功地制出重达30t 的铜螺旋桨及球墨铸铁曲轴等。

离心铸造

优点：

1)利用自由表面生产圆筒形或环形铸件时，可省去型芯和浇注系统，因而省工、省料，降低了铸件成本。

(2)在离心力的作用下，铸件呈由外向内的定向凝固，而气体和熔渣因密度较金属小、则向铸件内腔(即自由表面)移动而排除，故铸件极少有缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷。

(3)便于制造双金属铸件。如可在钢套上镶铸薄层铜材，用这种方法制出的滑动轴承较整体铜轴承节省铜料，降低了成本。

缺点；

1)依靠自由表面所形成的内孔尺寸偏差大，而且内表面粗糙，若需切削加工，必须加大余量；

(2)不适于密度偏析大的合金及轻合金铸件，如铅青铜、铝合金、镁合金等。此外，因需要专用设备的投资，故不适于单件、小批生产。

适用性

离心铸造是大口径铸铁管、气缸套、铜套、双金属轴承的主要生产方法，铸件的最大重量可达十多吨。在耐热钢辊道、特殊钢的无缝管坯、造纸烘缸等铸件生产中，离心铸造已被采用。其它特种铸造方法：陶瓷型铸造实型铸造消失模磁型铸造V法铸造差压铸造

消失模铸造：

特点：

(1) 由于铸型没有分型面，省去起模和修型工序，便于制出凸台、法兰、肋条、吊钩等在普通砂型铸造中需要活块(或型芯)的结构，从而可简化造型工艺，降低劳动强度。

(2) 加大了铸件结构的自由度，简化了铸件结构和工艺设计。

(3) 铸件尺寸精度优于普通砂型铸造。铸件无飞翅，减轻了铸件清理工作量。

适用性：实型铸造适用范围较广，几乎不受铸造合金、铸件大小及生产批量限制，尤其适用于形状复杂件。近些年，已在此基础上发展出磁型铸造、实型负压造型、实型精密铸造等新工艺

本门课闭卷考试，考题类型为：

a 名词解释（3分/小题，共15分）

b 选择题（选择最合理的答案填空，每空1.5分，共15分）

c 简答题（10分/小题，共40分）

d 分析题（15分/小题，共30分）