铸件的凝固方式
《材料成形技术基础》习题集 答案习题
《材料成形技术基础》习题集作业1 金属材料技术基础1-1 判断题（正确的画○，错误的画×）1．纯铁在升温过程中，912℃时发生同素异构转变，由体心立方晶格的α-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe。
这种转变也是结晶过程，同样遵循晶核形成和晶核长大的结晶规律。
（）2．奥氏体是碳溶解在γ-Fe中所形成的固溶体，具有面心立方结构，而铁素体是碳溶解在α-Fe中所形成的固溶体,具有体心立方结构。
（）3．钢和生铁都是铁碳合金。
其中，碳的质量分数（含碳量）小于0.77%的叫钢，碳的质量分数大于2.11%的叫生铁。
（）4．珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，珠光体的力学性能介于铁素体和渗碳体之间。
（）5．钢中的碳的质量分数对钢的性能有重要的影响。
40与45钢相比，后者的强度高，硬度也高,但后者的塑性差。
（）6．为了改善低碳钢的切削加工性能，可以用正火代替退火，因为正火比退火周期短，正火后比退火后的硬度低，便于进行切削加工。
（）7．淬火的主要目的是为了提高钢的硬度。
因此，淬火钢就可以不经回火而直接使用。
（）8．铁碳合金的基本组织包括铁素体（F）、奥氏体（A）、珠光体（P）、渗碳体（Fe3C）、马氏体（M）、索氏体（S）等。
（）1-2 选择题1．铁碳合金状态图中的合金在冷却过程中发生的（）是共析转变，（）是共晶转变。
A．液体中结晶出奥氏体；B．液体中结晶出莱氏体；C．液体中结晶出一次渗碳体；D．奥氏体中析出二次渗碳体；E．奥氏体中析出铁素体；F．奥氏体转变为珠光体。
2．下列牌号的钢材经过退火后具有平衡组织。
其中，（）的σb最高，（）的HBS最高，（）的δ和a k最高。
在它们的组织中，（）的铁素体最多，（）的珠光体最多，（）的二次渗碳体最多。
A．25；B．45；C．T8；D．T12。
3．纯铁分别按图1-1所示不同的冷却曲线冷却。
其中，沿（）冷却，过冷度最小；沿（）冷却，结晶速度最慢；沿（）冷却，晶粒最细小。
176图1-14．成分相同的钢，经过不同的热处理，可以得到不同的组织，从而具有不同的力学性能。
铸造-习题
16．大量生产铝合金照相机壳，应采用的制造方法是（ ）
A.金属型铸造成形 B.压力铸造成形
C.冲压拉深成形 D.冲压焊接成形
17．生产内腔形状复杂的钢件，毛坯的加工方法用 （ ）
A.焊接 B.铸造 C.锻造 D.冲压
18．为了提高铸铁件的强度，在不改变壁厚的情况下，常采用的
措施是 （ ）
A.增设拔模斜度
大批量生产下图所示灰铸铁零件铸造毛坯要求不使用型芯和活块采用两箱造型请修改此零件结构设计中的不合理之处并重新画出修改后的零件图标出分型面和浇注位置
一 、填空题
1．合金流动性差，浇注时铸件容易产生（ ）和（ ）的缺陷。 2．在铸件的凝固过程中，铸件的凝固方式有（ ）和中间凝固 以及（ ）三种方式。 3．液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所减的容 积得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成一些空洞。按照空 洞的大小和分布，可将其分为（ ）和（ ）两类。 4．要使缩孔进入冒口，就要实现（ ）凝固的原则，使冒口 （ ）凝固。 5．铸件热裂的特征是裂纹短，缝隙宽，形状（ ），缝内呈 （ ）色。 6．铸件由于壁厚不同，冷却速度不同，收缩不同，所以容易产 生内应力，通常室温下厚壁受（ ）应力，而薄壁受（ ）应力。
四、简答题
1.下列铸件的结构工艺性是 否合理？若不合理，请说明 理由，并在原图上进行修改 或另画出合理图形。
2.如图所示轧钢机导 轮铸钢零件，铸造中 出现缩孔，试分析原 因；并说明采取的防 止措施。
3.大批量生产下图所示灰铸铁零件，铸造毛坯要求不使用型芯 和活块，采用两箱造型，请修改此零件结构设计中的不合理之 处，并重新画出修改后的零件图，标出分型面和浇注位置。
7．由于合金的液态收缩和凝固收缩，易使铸件产生（ ） 缺陷，防止此缺陷的工艺方法是实现（ ）凝固。 8．影响铸铁石墨化的因素是：（ ）和（ ）。 9．灰口铸铁和可锻铸铁以及球墨铸铁三种铸铁在强度 相同的前提下，塑性和韧性最好的是（ ）铸铁，次之 是可锻铸铁，最差的是（ ）铸铁。 10．可锻铸铁的制取方法是，先浇注成（ ）铸铁件， 然后进行长时间的（ ）。 11．KTH300—06是（ ）铸铁，其石墨形态为（ ）。 12．QT400—17是（）铸铁，其石墨形态为球状， “400”表示最低抗拉强度为400MPa,“17”表示 （ ）。
定向凝固技术及其应用
定向凝固技术及其应用1.定向凝固理论基础及方法定向凝固又称定向结晶，是指金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种方法。
定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。
它能大幅度地提高高温合金综合性能。
定向凝固的目的是为了使铸件获得按一定方向生长的柱状晶或单晶组织。
定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。
要得到定向凝固组织需要满足的条件，首先要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳，凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了生长基础，该条件可通过各种激冷措施达到。
其次，要确保凝固壳中的晶粒按既定方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织，同时，为使柱状晶的纵向生长不受限制，并且在其组织中不夹杂有异向晶粒，固液界面前方不应存在生核和晶粒游离现象。
这个条件可通过下述措施来满足：（1）严格的单向散热。
要使凝固系统始终处于柱状晶生长方向的正温度梯度作用下，并且要绝对阻止侧向散热，以避免界面前方型壁及其附近的生核和长大。
（2）要有足够大的液相温度梯度与固液界面向前推进速度比值以使成分过冷限制在允许的范围内。
同时要减少熔体的非均质生核能力，这样就能避免界面前方的生核现象，提高熔体的纯净度，减少因氧化和吸氧而形成的杂质污染，对已有的有效衬底则通过高温加热或加入其他元素来改变其组成和结构等方法均有助于减少熔体的非均质生核能力。
（3）要避免液态金属的对流。
搅拌和振动，从而阻止界面前方的晶粒游离，对晶粒密度大于液态金属的合金，避免自然对流的最好方法就是自下而上地进行单向结晶。
当然也可以通过安置固定磁场的方法阻止其单向结晶过程中的对流。
从这三个条件我们可以推断，为了实现定向凝固，在工艺技术上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固液界面的熔体中维持较高的温度梯度。
定向生长理论和它的应用很大程度上取决于先进定向凝固技术。
自从Bridgman和Stockbarger在20世纪20年达提出奠定了现代定向凝固和单晶生长技术基础的Bridgman定向凝固技术，定向凝固就被广泛运用于制备各种结构和功能材料。
液态金属凝固中的传热、传质及液体流动
t R2 K2
K为凝固系数。
在实际的生产中，通常不需计算出铸件的凝固时间， 只需通过比较它们的相对厚度或模数就可制定生产工艺。
铸件温度场及凝固时间的精确计算——计算机数值模拟
4、焊接温度场
准稳定温度场的概念
图4－4 “厚板”表面运动点热源的温度场
图4－5 薄板焊接时的温度场分布
(图b是否有误？）
3．数值计算法 数值计算法是把所研究的物体从时间和位置上分割成许多小
单元，对于这些小单元用差分方程式近似地代替微分方程式， 给出初始条件和边界条件，逐个计算各单元温度的一种方法。 即使铸件形状很复杂，也只是计算式和程序烦杂而已，在原则 上都是可以计算的。
数值计算法比其它近似计算法准确性高，当单元选得足够小
无限长圆棒试样 测温及结果处理
2.铸件的两种凝固方式
图4－3 合金成分和温度梯度对凝固方式的影响 a)、b)为层状凝固，c)、d)为体积凝固 影响因素:(1）化学成分（液－固相线距离）
（2）温度梯度
层状凝固过程 层状凝固缩孔特点
体积凝固过程 体积凝固方式的缩松
3、铸件凝固时间计算
——与铸件厚度及温度场（凝固速度）相关
1）铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数越大，对铸 件的冷却能力就越大，铸件是的温度梯度就越大。 铸型的导热系数越大，能把铸型内表面吸收的热迅 速传至外表面，使铸型内表面保持强的吸热能力， 铸件内的温度梯度也就大。如金属型、涂料等的影 响。
2）铸型的预热温度的影响 铸型预热温度越高，对铸件的冷却作用就越小，铸件断面上的温度梯度也 就越小。 3．浇注条件的影响 过热热量加热了铸型，所以过热度越大，相当于铸型预热温度越高。铸件 内的温度场越平坦。 4．铸件结构的影响 1）铸件的壁厚 厚壁铸件比薄壁铸件含有更多的热量，当凝固层向中心推 进时，把铸型加热到更高温度，所以铸件内温度场较平坦。 2）铸件的形状 铸件的棱角和弯曲表面，与平面的散热条件不同，向外凸 出的部分，散出的热量为较大何种的铸型所吸收，铸件的冷速较大，如果铸 件内凹的表面，则相反。
热加工工艺基础-铸造
热加工工艺基础第一章铸造工艺基础1．名词解释充型能力：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。
缩孔：在铸件上部或最后凝固部位出现的容积较大的孔洞。
缩松：铸件断面上出现的分散、细小的孔洞。
逐层凝固：纯金属或共晶成分合金在凝固过程中不存在固、液相并存的凝固区，故断面上外层的固体和内层的液体由一条界限清楚地分开，随着温度的下降，固体层不断加厚，液体层不断减少直到中心层全部凝固。
糊状凝固：合金的凝固温度范围很宽或铸件断面温度分布曲线较为平坦，其凝固区在某段时间内，液固并存的凝固区贯穿整个铸件断面。
中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间的凝固方式。
定向凝固：使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。
同时凝固：尽量减少铸件各部位间的温度差使铸件各部位同时冷却凝固。
热裂：凝固后期合金收缩且受到铸型等阻碍产生应力，当应力超过某一温度下合金的强度所产生的裂纹。
冷裂：铸件固态下产生的裂纹。
热应力：由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期铸件各部分收缩不一致而产生的应力。
侵入气孔：砂型或砂芯受热产生气体侵入金属液内部在凝固前未析出而产生的气孔反应气孔：合金液与型砂中的水分、冷铁、芯撑之间或合金内部某些元素、化合物之间发生化学反应产生气体而形成的气孔。
·析出气孔：合金在熔炼和浇注过程中接触气体使气体溶解其中，当合金液冷却凝固时，气体来不及析出而形成的气孔。
2．合金的流动性不足易产生哪些缺陷？浇不足，冷隔，气孔，夹渣，缩孔，缩松。
影响合金流动性的主要因素有哪几个方面？合金的种类，合金的成分，温度。
在实际生产中常用什么措施防止浇不足和冷隔缺陷？a.选用黏度小，比热容大，密度大，导热系数小的合金，使合金较长时间保持液态。
b.选用共晶成分或结晶温度范围窄的合金作为铸造合金。
c.选择合理的浇注温度。
3．充型能力与合金的流动性有什么关系？合金的流动性越好，则其充型能力越好。
不同化学成分的合金为何流动性不同？合金的化学成分不同，它们的熔点及结晶温度范围不同，其流动性不同。
铸造篇
第四节 铸件中的气孔
一.析出性气孔: 见教材P47图2-12 高温液态吸收的气体凝固时溶解度降低，又来不及 排出，形成“针孔”。 防止：1.对金属液进行“除气处理”. 2.清除炉料中的油污和水分. 3.烘干浇注用具. 4.降低铸型含水量.
浸入性气孔: 二.浸入性气孔 浸入性气孔 砂型和型芯在浇注时产生的气体聚集在型腔内表层浸 入金属液内形成，多出现在铸件局部的上表面，尺寸 较大，呈椭圆形或梨形，孔内表面被氧化。 防止：1.提高型砂透气性. 2.减少型芯发气性. 反应性气孔： 三.反应性气孔： 反应性气孔 由高温金属液与铸型材料、冷铁、熔渣之间发生化学 反应产生的气体留在铸件内形成气孔。 防止：1.皮下气孔——见教材P48图2－13a. 降低砂型的 含水量。 2.冷铁气孔——见教材P48图2－13b. 清理冷铁表 面油污和铁锈。
震压式造型机
微震压实式造型机
3）射压造型机： 射砂—压实 见教材P65图2—25 垂直分型 无箱造型 优点：与配砂、浇注、落砂构成一个完整的 自动生产线，生产率高达240—300箱/h 缺点：垂直分型，下芯困难，对模具精度要 求高。 应用：大批量生产小型简单件。 4）射芯机： 见教材P66图2—27， 填砂与紧砂同时完成，生产率很高，既可用 于造芯，又可用于造型。 如热芯盒射芯机，冷芯盒射芯机，（采用特 种粘结剂）
二．机器造型： 机器造型： 1.优缺点： 1)优点： ①生产率高 ②劳动条件好 ③铸件尺寸精确、表面光洁、加工余量小. ④生产成本低(因批量大). 2)缺点： 设备、模板、专用砂箱投资大，一般情况下，造型 机、造芯机、机械化砂处理设备、浇注和落砂等工 序需共同组成流水线。 2.应用：目前已广泛应用于中、大批量的铸件生产. 3.机器造型（造芯）的基本原理： 见教材P57图2—24顶杆起模式震压造型机的工作过程。
制造过程与工程-习题
制造过程与工程-习题机械制造基础习题一、铸造（作业）：1.浇注温度可以提高合金的充型能力，但为什么又要防止浇注温度过高？浇注温度越高，合金粘度越低，保持液态时间越长，流动性越好，充型能力越强。
但温度过高导致大的吸气量和大收缩率，易产生铸造缺陷。
所以浇注温度在保持充型能力的前提下温度尽量的低。
生产中薄壁件应采用较高温度，厚壁件应采用较低温度。
2.缩孔与缩松对铸件的质量有何影响？为何缩孔比缩松容易防止？凝固结束后在铸件某些部位出现的孔洞，大而集中的孔洞叫做缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。
缩孔和缩松可使铸件力学性能大大降低，以致成为废品。
缩孔产生的基本原因是合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。
且得不到补偿。
缩孔产生的部位在铸件最后凝固区域。
缩孔可采用顺序凝固方式，并增加冒口的方式来防止。
缩松形成的基本原因是被树枝状的晶体分隔开的小液体区域得不到补充。
主要出现在糊状凝固的合金中，或断面较大的铸件壁中。
缩松形成原因和缩孔不一样，且面积较大，一般采用顺序凝固方式，并增加冒口的方式来防止。
3.铸件的凝固方式有哪些？哪些合金倾向于逐层凝固？铸件凝固的方式有：逐层凝固、糊状凝固和中间凝固。
结晶温度范围越小，凝固的区域越窄，越倾向于逐层凝固。
低碳钢，近共晶成分铸铁更趋向于逐层凝固。
4.消失模铸造的基本工艺过程与熔模铸造有何不同？消失模铸造用泡沫塑料制成的模样制造铸型，模样并不取出，浇注时模样气化消失而获得铸件的方法。
其主要工艺过程包括：1）制造模样；2）挂涂料；3）干沙造型；4）浇注和落沙清理。
熔模铸造用易熔材料制成模型，然后在模样表面包裹若干层耐火材料制成型壳，再将模样融化排出型壳，从而获得无分型面的铸型，经高温焙烧后填沙浇注的铸造方法。
其主要工艺包括：1）蜡模制造；2）蜡模组合；3）型壳制造（脱蜡）；4）填沙浇注及落沙清理。
5.什么是铸造工艺图？它包括哪些内容？铸造工艺图是用各种符号及参数表达出铸造工艺方案的图形，包括的内容有：浇注位置，分型面，型芯数量，形状，尺寸，加工余量，收缩率，浇注系统等。
铝合金铸件凝固温度测量及分析_敬必成
铝合金铸件凝固温度测量及分析敬必成代习彬罗定荣刘志先周麟升重庆新红旗缸盖制造有限公司，重庆 402560摘要：通过实验在线测量铸件凝固过程温度变化，绘制凝固过程温度曲线图。
计算出凝固过程中温度梯度、冷却速度、凝固方式。
根据计算结果分析及预测可能产生的缺陷。
关键词：凝固过程；温度梯度；凝固方式；冷却速度铸件是熔融金属注入铸型，凝固后得到的具有一定形状、尺寸和性能的金属零件或零件毛坯[1]。
金属的凝固是铸件形成过程中的重要环节，在很大程度上决定铸件的内部质量。
铸件出现的缩孔、缩松、针孔、浇不足、偏析、冷裂、热裂、变形等缺陷都是在凝固过程中产生的。
所以，认识铸件的凝固规律，对防止产生铸造缺陷、改善铸件组织、提高铸件的性能，有十分重要的意义。
而测定铸件凝固温度场是了解铸件凝固过程的一个非常重要的途径。
铸件的凝固方式主要分为逐层凝固、糊状凝固（体积凝固）及中间凝固。
铝合金铸件几乎都是逐层凝固成型。
逐层凝固的凝固前沿与熔液直接接触，金属由液体转变为固态时发生的体积收缩，直接得到熔液的补充。
因此，凝固过程中产生缩松的倾向小，而在最后凝固部位形成缩松。
在凝固过程中，由于收缩受阻而产生晶间裂纹，容易得到溶液的补充，使裂纹愈合，所以热裂倾向小[2]。
冷却速度对铸件质量也有显著的影响。
冷却速度越大，枝晶间距越小，A356铝合金变质效果越好[3]。
冷却速度对针孔的形成也有影响[4~6]。
冷却速度越快形成的气孔较少，分布比较集中并呈规则的小圆形。
冷却速度慢时形成的气孔不仅数量多分布离散，而且大小形状各不相同[7]。
1 实验条件及方法选取公司正常生产的A356铝合金缸盖A和缸盖B，在火花塞孔（未预铸）中部选取三个点进行温度测量，具体测量点位置如图1、图2所示。
将热电偶固定在测量点后，在线测量凝固过程温度变化，做出凝固过程温度曲线图。
位置“上”为冒口，位置“中”为火花塞孔上部，位置“下”为火花塞孔下部。
图1 缸盖A温度测量点示意图图2 缸盖B温度测量点示意图2 实验结果缸盖A凝固过程温度曲线图如图3所示，缸盖B凝固过程温度曲线图如图4所示。
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铸件凝固方式可分为三种——
1.逐层凝固
2.体积凝固（糊状凝固）
3.中间凝固
1、属于逐层凝固的合金补缩性较好，不易产生热裂，易获得组织致密的铸件。
属于逐层凝固的合金有灰铸铁、低碳钢、工业用铜、工业用铝、铝硅合金、铝铁青铜和某些结晶温度范围小的黄铜等。
2、属于体积凝固的合金有球墨铸铁，高碳钢、锡青铜、铝铜合金、铝镁合金、镁合金、铅青铜和某些黄铜等。
通常认为体积凝固的合金补缩性较差，易产生热裂，难以获得组织致密的铸件。
3、如果合金的结晶温度范围较窄，或铸件截面温差较大，铸件截面上凝固区域宽度介于逐层凝固和体积凝固之间时，则属于中间凝固方式。
属于中间凝固的合金有碳钢、高锰钢、白口铁、呈中间凝固方式的铸件其补缩性，热裂倾向和流动性都介于以上两种凝固方式之间。