材料的液態(tài)成形思考題第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五第二章材料的液態(tài)成形技術第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五1、鑄造具有哪些優(yōu)缺點？適用范圍如何？發(fā)展方向？2、金屬的鑄造性能主要包括哪些？3、影響液態(tài)金屬充型能力的因素有哪些？如何提高充型能力？4、鑄件的凝固方式有哪些？其主要的影響因素？5、什么金屬傾向于逐層凝固？如何改變鑄件的凝固形式？第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五6、什么是縮松和縮孔？其形成的基本條件和原因是什么？7、試分析鑄造合金的收縮特性對鑄件質量影響的基本規(guī)律。8、鑄造應力是怎么產生的？對鑄件質量有何影響？9、試述鑄件產生變形和開裂的原因及其防止措施。10、鑄件中的氣體和非金屬夾雜物對鑄件質量有何影響？如何消除？第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五11、常用的造型材料有哪些？對其性能有何要求？12、什么是冒口？其作用和設計原則？13、常見的特種鑄造方法有哪些？各有何特點？14、陶瓷的液態(tài)成形方法有哪些？各有何特點？15、聚合物的液態(tài)成形方法有哪些？各有何特點？第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五一、鑄造具有哪些優(yōu)缺點？適用范圍如何？發(fā)展方向？鑄造（Casting）是指將熔融態(tài)的金屬（或合金）澆注于特定型腔的鑄型中凝固成形的金屬材料成形方法。優(yōu)點：適應性強，工藝靈活性大；鑄件大小不受限制；鑄件精度較高；成本低廉。鑄件的形狀、尺寸與零件很接近，因而減少了切削加工的工作量，可節(jié)省大量金屬材料。對原料要求不高，鑄造可直接利用成本低廉的廢機件和切屑，設備費用較低。缺點：零件質量不穩(wěn)定，生產過程勞動強度大、條件差、生產率低。鑄造組織的晶粒比較粗大，內部常有縮孔、縮松、氣孔、砂眼等鑄造缺陷，因由鑄件的力學性能一般不如鍛件，多用于受力不大的場合。鑄造生產過程較為復雜，生產工序繁多，工藝過程較難控制，致使鑄件的廢品率較高。適用范圍：鑄造的適用性很廣?？芍瞥尚螤顝碗s、特別是具有復雜內腔的毛坯，如箱體、氣缸體等。工業(yè)中常用的金屬材料，如碳素鋼、合金鋼、鑄鐵、青銅、黃銅、鋁臺金等，都可用于鑄造。鑄件可輕僅幾克，重至數百噸，壁厚可由lmm到lm左右。在大件生產中，鑄造的優(yōu)越性尤為顯著。

第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五發(fā)展方向：(1)提高尺寸精度和表面質量；(2)先進的造型技術及自動化生產線；(3)高效、節(jié)能，減少污染；(4)降低成本，改善勞動條件。第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五二、金屬的鑄造性能主要包括哪些？金屬的鑄造性能是指金屬在鑄造過程中獲得尺寸精確、結構完整的鑄件的能力。主要包括金屬的充型能力、收縮特性、吸氣性以及成分偏析傾向性等性能。1、液態(tài)金屬的充型能力是指液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力。2、收縮性一般講，合金從液體澆注到凝固，直至冷到室溫，共分為三個階段。分別為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮。合金的收縮性對鑄件質量有決定性的影響，它影響著鑄件的縮孔大小、應力的產生、裂紋的形成及尺寸的變化。通常鑄件收縮又分為體收縮和線收縮，在實際生產中一般應用線收縮來衡量合金的收縮性。3、吸氣性以鋁合金為例，鋁合金易吸收氣體，吸氣性是鑄造鋁合金的主要特性。液態(tài)鋁及鋁合金的組分與爐料、有機物燃燒產物及鑄型等所含水分發(fā)生反應而產生的氫氣被鋁液體吸收所致。4、成分偏析傾向性鑄件內部化學成分不均勻的析出現象，稱為偏析。成分偏析會降低鑄件的力學性能、耐腐蝕性能、熱裂和疲勞性能等。第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五三、影響液態(tài)金屬充型能力的因素有哪些？如何提高充型能力？影響液態(tài)金屬充型能力的因素1、金屬的流動性：液態(tài)金屬本身的流動能力，流動性好的合金：易于澆注出輪廓清晰、薄而復雜的鑄件；有利于非金屬夾雜物和氣體的上浮和排除；易于補縮及熱裂紋的彌合。2、鑄型的性質鑄型的蓄熱系數鑄型的溫度鑄型的表面狀態(tài)和鑄型中的氣體3、澆注條件澆注溫度充型壓頭澆注系統(tǒng)的結構4、鑄件結構鑄件的折算厚度鑄件壁厚>最小允許壁厚

鑄件的復雜程度第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五3、提高充型能力的措施正確選擇合金的成分和采用合理的熔煉工藝調整鑄型的性質改善澆注條件合理設計鑄件結構第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五4、鑄件的凝固方式有哪些？其主要的影響因素？凝固方式

依據凝固區(qū)的寬窄分為逐層凝固、糊狀凝固、中間凝固。1)逐層凝固方式:固液兩相區(qū)很窄；2)糊狀凝固方式：在凝固過程中，整個斷面處于固液兩相區(qū)，或固液兩相區(qū)很寬；3)中間凝固方式：固液兩相區(qū)寬度介于兩者之間。影響鑄件凝固方式的主要因素：（1）合金的結晶溫度范圍，合金的結晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固。（2）鑄件的溫度梯度：在合金結晶溫度范圍已定的前提下，凝固區(qū)域的寬窄取決與鑄件內外層之間的溫度差。若鑄件內外層之間的溫度差由小變大，則其對應的凝固區(qū)由寬變窄。第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五5、什么金屬傾向于逐層凝固？如何改變鑄件的凝固形式？一般純金屬傾向于逐層凝固，同時常見合金如灰鑄鐵、低碳鋼、工業(yè)純銅、工業(yè)純鋁、共晶鋁硅合金及某些黃銅都屬于逐層凝固的合金。

可以改變

果改變結晶時的溫度梯度，其凝固方式也可以改變。第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五6、什么是縮松和縮孔？其形成的基本條件和原因是什么？液態(tài)金屬在凝固過程中，由于液態(tài)收縮和凝固收縮，往往在鑄件最后凝固的部位出現大而集中的孔洞，稱為縮孔；細小而分散的孔洞則稱為縮松。縮孔：形成的基本條件是金屬在恒溫或很窄的溫度范圍內結晶，鑄件由表及里逐層凝固。產生的基本原因是金屬的液態(tài)收縮和凝固收縮值大于固態(tài)收縮值，且得不到補償?？s孔產生的部位在鑄件最后凝固區(qū)域?？s松：形成的基本原因是金屬的液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮。形成的基本條件是金屬的結晶溫度范圍較寬，呈糊狀凝固。第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五7、試分析鑄造合金的收縮特性對鑄件質量影響的基本規(guī)律。1.合金收縮性及其對鑄件質量的影響鑄件在凝固和冷卻過程中，體積和尺寸減小的現象稱為收縮。金屬從澆注溫度冷卻到室溫要經歷液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮三個收縮階段。在液態(tài)收縮和凝固收縮階段鑄件易產生縮孔、縮松缺陷。這兩個階段的收縮量通常用體收縮率來表示。固態(tài)收縮階段只引起鑄件外部尺寸變化，使鑄件易產生內應力、變形和裂紋等缺陷。其收縮量用線收縮率表示。第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五8、鑄造應力是怎么產生的？對鑄件質量有何影響？鑄件在凝固后的冷卻過程中繼續(xù)發(fā)生固態(tài)收縮，有些合金在固態(tài)下還要發(fā)生相變而伴有收縮或膨脹，從而引起鑄件的體積和尺寸的變化。此時，如果這種變化受到阻礙，鑄件內將產生內應力，稱為鑄造應力。鑄造應力鑄造應力按產生的原因不同，主要可分為熱應力、收縮應力和相變應力三種。（1）熱應力鑄件在凝固和冷卻過程中，不同部位由于不均衡的收縮而引起的應力，稱熱應力。熱應力使冷卻較慢的厚壁處受拉伸，冷卻較快的薄壁處或表面受壓縮，鑄件的壁厚差別愈大合金的線收縮率或彈性模量愈大，熱應力愈大。定向凝固時，由于鑄件各部分冷卻速度不一致，產生的熱應力較大，鑄件易出現變形和裂紋。（2）收縮應力（機械應力）鑄件在固態(tài)收縮時，因受鑄型、型芯、澆冒口等外力的阻礙而產生的應力稱收縮應力。一般鑄件冷卻到彈性狀態(tài)后，收縮受阻都會產生收縮應力。收縮應力常表現為拉應力。形成原因一經消除（如鑄件落砂或去除澆口后）收縮應力也隨之消之，因此收縮應力是一種臨時應力。但在落砂前，如果鑄件的收縮應力和熱應力共同作用其瞬間應力大于鑄件的抗拉強度時，鑄件會產生裂紋。第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五3）相變應力鑄件冷卻時，如有固相相變，由于相變前后固相的比容不同，就有相變的體（線）膨脹或體（線）收縮。固相相變過程完成，相變膨脹或收縮也就隨之結束。鑄件冷卻時，橫截面的內外層和厚薄不同之有溫度差，使得它們的固相相變不同時發(fā)生，導致它們的相變膨脹（或收縮）或先或后受阻而產生的應力，謂之相變應力。第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五9、試述鑄件產生變形和開裂的原因及其防止措施。變形：若冷卻到室溫的鑄件內部存在有較大的殘余應力，此時鑄件是不穩(wěn)定的，如鑄造應力超過合金的屈服強度時，則會產生塑性變形，彎曲或扭曲以減小或消除應力。開裂：當鑄造應力超過材料的強度極限（或稱抗拉強度）時，鑄件產生裂紋。熱裂紋是鑄件在凝固末期或凝固后不久尚處于強度和塑性很低狀態(tài)下，因鑄件固態(tài)收縮受阻而引起的裂紋；冷裂紋是鑄件凝固后冷卻到彈性狀態(tài)時，因局部鑄造應力大于合金極限強度而引起的開裂。兩者防止措施相同：減小和消除鑄造應力：采取安放冒口、冷鐵或調整內澆口位置等工藝措施，使鑄件各部分溫度均勻、同時凝固；提高鑄型和芯子退讓性；合理設計鑄件結構，使壁厚均勻，結構對稱等；盡量選用E和αL小的材料；對鑄件進行時效熱處理可消除應力。第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五10、鑄件中的氣體和非金屬夾雜物對鑄件質量有何影響？如何消除？1、氣體來源：熔煉過程、鑄型、澆注過程種類：H、O、N、CO、CO2形態(tài)：固溶體、化合物、氣態(tài)對鑄件質量的影響：氣孔、非金屬夾雜鑄造性能（熱裂、疏松和充型能力等）2、非金屬夾雜物來源：原材料、脫氧和脫硫產物、熔渣、耐火材料影響：使用性能：降低塑性、韌性和疲勞強度、抗蝕性工藝性能：降低液態(tài)合金流動性、鑄造性能切削加工：表面剝落、粗糙度增大、加速刀具磨損熱處理性能：氮化起泡焊接性能：熱裂紋3、減少措施

吸附凈化法：加入凈化劑或過濾器機械過濾非吸附凈化法：真空處理、超聲波處理化學法：脫氧、脫硫

第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五11、常用的造型材料有哪些？對其性能有何要求？粘土型砂：原砂、粘土、附加物、水水玻璃砂：原砂、水玻璃（硅酸鈉水溶液）、附加物有機粘結砂：原砂、粘土、附加物、水＋植物油、合脂、樹脂

—芯砂第一要耐火,第二要透氣,第三不能和鑄造金屬粘合得太牢固,要便于清理.第四要便于把澆注后的鑄件取出,也就是要有一定得潰散性.強度透氣性要求耐火度和化學穩(wěn)定性退讓性工藝性能

第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五12、什么是冒口？其作用和設計原則？位置：一般設置在鑄件最后凝固部位的上方或側面主要作用：（1）利用冒口中液體金屬來補償鑄件凝固過程中所產生的體積收縮，避免鑄件最后凝固區(qū)域產生縮孔和縮松缺陷，以獲得致密的鑄件。（2）集渣和排氣。設計原則1、冒口的凝固時間必須大于或等于鑄件被補縮部分的凝固時間。2、冒口應具有足夠大的體積，以保證有足夠的金屬液補充鑄件內部的體收縮。3、在鑄件凝固時，冒口與被補縮部位之間應有通暢的補縮通道。第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五13、常見的特種鑄造方法有哪些？各有何特點？答：常見的特種鑄造方法有金屬型鑄造、熔模鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造、連續(xù)鑄造和消失模鑄造等七種。1、金屬型鑄造：a.可以連續(xù)重復使用，生產效率高，勞動條件好，但成本高；b.鑄件精度高，表面粗糙度較低；c.金屬散熱性能好，晶粒細化，力學性能好；d.不透氣且無退讓性，易造成不足或開裂；e.適于生產大批量有色金屬鑄件。2、熔模鑄造：a.鑄件尺寸精度高，表面光潔；b.可鑄造形狀復雜零件；c.工藝過程復雜，生產周期長，成本高；d.適于鑄造小尺寸的各類合金鑄件，特別是少切削或無切削精密鑄件。3、壓力鑄造：a.澆注時間短，易于機械化、自動化作業(yè)；b.鑄型散熱快，晶粒細化，耐磨、耐蝕性好；c.鑄件尺寸精度高，表面光潔；d.凝固速度快，排氣困難，易形成縮松和縮孔e.模具成本高，鑄件尺寸受限；f.適于有色金屬薄壁復雜鑄件的大批量生產。第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五4、低壓鑄造：a.充型壓力和速度易于控制，氣孔、夾渣較少，組織致密，力學性能好；b.無需冒口設置，金屬利用率高；c.適應性強，金屬型、砂型和熔模型均可使用；d.鑄件尺寸精度高，表面光潔；e.適用于質量要求高的鋁、鎂等有色金屬鑄件。5、離心鑄造：a.離心力改善金屬的流動性，提高了充型能力，改善了補縮條件，縮孔等缺陷減少；b.簡化了中空圓柱形鑄件的生產過程；c.成分偏析嚴重，尺寸難以控制；d.內表面質量較差、內孔不準確、加工余量較大；e.特別適于橫截面呈圓柱的鑄件生產，如套、環(huán)、管、筒、輥和葉輪等，多用于黑色金屬及銅合金。6、連續(xù)鑄造：a.冷卻速度快，組織致密，機械性能好；b.工藝簡單，生產效率高；c.適于橫截面一定的鋼材、鋁材和鑄鐵管等鑄件的生產。7、消失模鑄造：a.不分型，不起模，工藝簡化，精度提高；b.能制造形狀復雜的鑄件和工藝品；c.冒口可自由設置，不易產生縮孔、縮松等；d.易產生有害氣體，鑄件易增碳，表面質量降低；e.適于生產起模困難，形狀復雜的鑄件，例如汽車發(fā)動機進排氣歧管、缸體等。第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五14、陶瓷的液態(tài)成形方法有哪些？各有何特點？1)流延成形特點:設備簡單,工藝穩(wěn)定,可連續(xù)操作,生產效率高,可實現高度自動化2)粉漿澆注：以水為溶劑、粘土為粘結劑的成形方法.為得到高質量的注漿坯體,要求漿料:(1)流動性好(2)穩(wěn)定性好,不易沉淀和分層(3)含水量盡可能少,減少成形和干燥時的收縮,減少坯體的變形和開裂.以及滲透性好、脫模性好、不含氣泡等.適用于形狀復雜、大型薄壁、精度要求不高的日用和建筑陶瓷制品.3)壓模成形：將粉狀、片狀或顆粒狀原料,放在一定溫度的模具中閉模加壓,使之在模具中熔化，充滿整個型腔而成形硬化.缺點:成形周期長,生產效率低,模具成本較高4)注射成形：能生產形狀復雜、薄壁的陶瓷制品。第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五15、聚合物的液態(tài)成形方法有哪些？各有何特點？1、壓模成形將粉狀、片狀或顆粒狀原料，放在一定溫度的模具中閉模加壓，使之熔化，充滿整個型腔而成形硬化。缺點：周期長，效率低，模具成本高。2、傳遞模成形優(yōu)點：(1)原料在轉移過程中接收到相當一部分能量，從而可縮短成形時間；(2)能確保制品中的金屬嵌件位置正確。應用：大部分工程橡膠都是用該法制成的。3、注射成形將聚合物原料在注射機料筒內加熱熔化，通過推桿或螺桿向前推壓至噴嘴，迅速注入封閉模具內，冷卻后即得聚合物制品。主要用于熱塑性塑料。周期短，生產率高。能生產形狀復雜、薄壁、嵌有金屬或非金屬的塑料制品。4、吹塑成形又稱為中空注模，熔融態(tài)的塑料坯通過擠出機或注射機擠出后，置于模具內，用壓縮空氣將此坯料吹脹，使其緊貼模內壁成型而獲得中空制品。5、澆注成型又稱澆塑、鑄塑法，在處于流動狀態(tài)的高分子材料中加入適量固化劑，然后澆入特定的模具型腔中，在常壓或低壓及常溫或適當加熱條件下使之固化并得到與模具型腔一致的制品的過程。第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五砂型鑄造的特點及應用1、不受鑄件材質、尺寸、質量和生產批量限制；2、屬于一次性鑄造成形，造型工作量大；3、鑄件精度和表面質量差；4、砂型鑄造缺陷多，廢品率高，力學性能較差；5、設備簡單、投資少，價格低廉，應用廣泛。第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

金屬型鑄造定義：金屬型鑄造是指利用金屬材料制成鑄型，在重力作用下將熔融金屬澆注到鑄型中制造鑄件的一種鑄造方法，也稱永久型鑄造。工藝過程：第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五特點和應用

1、可重復使用，生產效率高，勞動條件好；

2、鑄件精度高，表面粗糙度較低；

3、金屬散熱性能好，晶粒細化，力學性能好；

4、不透氣且無退讓性，易造成澆不足或開裂。

5、適于生產大批量有色金屬鑄件。第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

熔模鑄造/失蠟鑄造

是指利用易熔材料制成模型，并在模型表面粘結一定厚度的耐火材料，然后將模型熔化而使金屬液充滿型腔的一種鑄造方法第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五工藝過程組裝蠟模上涂料熔模焙燒失蠟第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五特點和應用

1、鑄件尺寸精度高，表面光潔；

2、可鑄造形狀復雜零件；

3、工藝過程復雜，生產周期長，成本高；

4、適于鑄造小尺寸的各類合金鑄件，特別是少切削或無切削精密鑄件。精密熔模鑄造第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

壓力鑄造定義：是指將液態(tài)或半液態(tài)合金澆入壓鑄機的壓室中，使之在高壓和高速下充填型腔，并在高壓下成形結晶而獲得鑄件的一種鑄造方法。工藝過程：第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五特點和應用：

1、澆注時間短，易于機械化、自動化作業(yè)；

2、鑄型散熱快，晶粒細化，耐磨、耐蝕性好；

3、鑄件尺寸精度高，表面光潔；

4、凝固速度快，排氣困難，易形成縮松和縮孔；

5、模具成本高，鑄件尺寸受限；

6、適于有色金屬薄壁復雜鑄件的大批量生產。第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五低壓鑄造定義：是指液態(tài)金屬在低的氣體壓力作用下從坩堝中自下而上地充填型腔并凝固而獲得鑄件的一種鑄造方法。

工藝過程：第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五特點和應用：

1、充型壓力和速度易于控制，氣孔、夾渣較少，組織致密，力學性能好；

2、無需冒口設置，金屬利用率高；

3、適應性強，金屬型、砂型和熔模型均可使用；

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