《金属精密液态成形技术》习题参考答案及解析

一、简答题
1．常用金属精密液态成形方法有哪些？
答：常用的金属精密液态成形方法有：熔模精密铸造、石膏型精密铸造、陶瓷型精密铸造、消失模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、差压铸造、真空吸铸、调压铸造、挤压铸造、离心铸造、壳型铸造、连续铸造、半固态铸造、喷射成形技术、石墨型铸造、电渣熔铸和电磁铸造等。

2．金属精密液态成形技术的特点是什么？对铸件生产有哪些影响？
特点：〔1特殊的铸型制造工艺与材料。

〔2特殊的液态金属充填方式与铸件冷凝条件。

对铸件生产的影响：由于铸型材料与铸型制作工艺的改变,对铸件表面粗糙度产生很大影响,不但尺寸精度很高,还可使铸件表面粗糙度降低,从而可实现近净成形。

在某些精密液态成形过程中,金属液是在外力〔如离心力、电磁力、压力等作用下完成充型和凝固的,因此提高了金属液的充型能力,有利于薄壁铸件的成形；液态金属在压力下凝固,有利于获得细晶组织,减少缩松缺陷,提高力学性能。

熔模：一、名词解释
1.硅溶胶：硅溶胶是由无定形二氧化硅的微小颗粒分散在水中而形成的稳定胶体。

硅溶胶是熔模铸造常用的一种优质黏结剂。

2.硅酸乙酯水解：
3.水玻璃模数：水玻璃中的SiO2与Na2O摩尔数之比。

4.树脂模料：是以树脂及改性树脂为主要组分的模料。

5.压型温度：
6.涂料的粉液比：涂料中耐火材料与黏结剂的比例。

7析晶：石英玻璃在熔点以下处于介稳定状态,在热力学上是不稳定的,当加热到一定温度,开始转变为方石英,此转变过程称
"析晶"。

二、填空题1.熔模铸造的模料强度通常以抗弯强度来衡量。

2.硅溶胶型壳的干燥过程实质上就是硅溶胶的胶凝过程。

3.一般说来说：硅溶胶中SiO2含量越高、密度越大,则型壳强度越高。

4.涂料中最基本的两个组成耐火材料和黏结剂之间的比例,即为涂料的粉液比。

5.通常按模料熔点的高低将其分为高温、中温和低温模料。

6.硅溶胶中Na20含量和PH值反映了硅溶胶及其涂料的稳定性。

7.模料的耐热性是指温度升高时模料的抗软化变形的能力。

8.熔模的制备方法有自由浇注和压注两种。

9.常用石蜡-硬脂酸模料的配比为白石蜡和一级硬脂酸各50%。

三、判断题
1.压蜡温度愈高,熔模的表面粗糙度越小,表面越光滑；但压蜡温度越高,熔模的收缩率越大。

〔√
2.压注压力和保压时间对熔模尺寸有影响,随压力和保压时间增加,熔模的线收缩率减小。

〔√
3.为提高水玻璃模数,可在水玻璃中加入氢氧化钠。

〔×
4.熔模铸造使用最广泛的浇注方法是热壳重力浇注法。

〔√
5.使用树脂基模料时,脱蜡后所得的模料可以直接用来制造新的熔模。

〔×
四、简答题1.什么是熔模铸造？试用方框图表示其大致工艺过程。

熔模铸造是用易熔材料制成精确的可熔性模样,在其上涂覆若干层耐火涂料,熔去模样,经过焙烧而得到型壳,浇入金属而
得到铸件的方法。

其工艺过程如下：制作蜡模或蜡模组→涂挂耐火涂料→撒砂→结壳硬化→脱蜡→烘干焙烧型壳→浇注铸件→出箱清理打磨。

2.影响熔模质量的因素有哪些？答：〔1压型尺寸精度及表秒粗糙度〔2模料质量〔3制模工艺：压射压力保压时间
注蜡温度压型温度
3.常用模料有哪两类,其基本组成、特点和应用范围如何？答：①蜡基模料蜡基模料是以矿物蜡、动植物蜡为主要成分的模料。

此类模料一般成分比较简单,成本较低,便于脱蜡和回收,但强度和热稳定性较低,收缩大。

多用于要求较低的铸件。

②树脂基模料树脂基模料是以树脂及改性树脂为主要组分的模料。

此类模料一般成分比较复杂,强度较高,热稳定性较好,收缩较小,制成的熔模的质量和尺寸稳定性较高,但模料易老化、寿命短,成本较高,多用于质量要求较高的熔模铸件。

从模料中去除水分、粉尘、砂粒和皂化物的工艺过程称为模料回收。

采用蒸汽或热水脱蜡后所回收的模料中会不可避免地混有杂质、砂粒和水分,某些蜡基模料中所含的硬脂酸,在制壳工艺过程中还会与一些物质反应生成皂化物〔脂肪酸盐,因而使模料变质,影响使用性能。

4.试述常用三种制壳黏结剂的特点及应用范围。

答：目前国内熔模铸造常用的黏结剂主要有：如水玻璃、硅酸乙酯、硅溶胶等。

水玻璃作黏结剂具有成本低、硬化速度快〔化学硬化、湿态强度高、制壳周期短等优点。

缺点是表面质量差,尺寸精度不高
,在近净形熔模铸造中用得较少。

硅酸乙酯的表面张力低,黏度小,对模料的润湿性能好。

所制型壳耐火度高,尺寸稳定,高温时变形及开裂的倾向小,表面
粗糙度低,铸件表面质量好,较硅溶胶的制壳周期短,但价格较贵,且对环境有一定污染,工业发达国家现使用有下降的趋势。

硅溶胶使用方便,易配成高粉液比〔耐火材料与黏结剂的比例的优质涂料,涂料稳定性好。

型壳制造时不需化学硬化,工
序简单,所制型壳高温性能好,有高的型壳高温强度及高温抗变形能力。

但硅溶胶涂料对熔模润湿性差,需加表面活性剂改善
涂料的涂挂性。

另外,硅溶胶型壳干燥速度慢,型壳湿强度较低,制壳周期长。

5.熔模铸造用硅溶胶主要有哪些物化参数？它们对型壳质量有何影响？答：硅溶胶的主要物化参数有SiO2含量、Na2O含量、密度、值、黏度及胶粒直径等,它们与硅溶胶涂料和型壳性能关系密切。

硅溶胶中SiO2含量及密度都反映其胶体含量的多少,即黏结力
的强弱。

一般来说,硅溶胶中SiO2含量增加,硅溶胶密度越高,则型壳强度越高。

而Na2O含量影响硅溶胶的PH值,它们都影响
硅溶胶及其涂料的稳定性。

硅溶胶的黏度反映其黏稠程度,将影响所配涂料的粉液比,黏度低的硅溶胶可配成高粉液比涂料,所
制型壳表面粗糙度值低、强度较好。

硅溶胶的另一参数是胶体粒子直径,它影响硅溶胶的稳定性和型壳强度。

粒子越小,凝胶结
构中胶粒接触点越多,凝胶致密,型壳强度越高,但溶胶稳定性越差。

6.硅溶胶、水玻璃、硅酸乙酯粘结剂型壳的干燥和硬化工艺有何本质的区别?
硅溶胶型壳的干燥和硬化是物理硬化过程。

随着型壳的干燥,水分蒸发,硅溶胶含量提高,胶体颗粒碰撞几率增加,溶胶便
胶凝而形成凝胶,牢固地将耐火材料颗粒粘结起来,同时耐火材料颗粒彼此接近,这就使得型壳获得了强度。

水玻璃型壳化学硬化前的自然干燥是水玻璃型壳脱除自由水的过程。

但水玻璃型壳只有经过化学硬化才能形成不可逆转化的
硅凝胶,使型壳获得足够的湿强度。

化学硬化是指水玻璃粘结剂与硬化剂发生硬化反应,达到硬化型壳的目的,其原理是基于电解
质对水玻璃的胶凝作用。

硅酸乙酯黏结剂型壳的干燥硬化,实质上是涂料中的硅酸乙酯水解液继续水解-缩聚反应而达到最终的胶凝以及溶剂挥发的过程。

前者主要是化学硬化,后者是物理过程,但彼此有密切联系。

型壳的硬化可用氨气催化,俗称氨干。

氨气既可通过碱解反应加快水解,又可通过改变涂层中水解液的PH值而加快缩聚反应。

7.型壳焙烧的目的是什么？常用三种型壳焙烧工艺参数如何？答：焙烧的目的是去除型壳中的水分、残余模料、硬化剂、盐分等, 降低型壳浇注时的发气性,提高透气性,防止出现气孔、浇不足等缺陷。

水玻璃型壳的焙烧温度一般为 850℃,保温时间约为0.5
～2h。

对于硅溶胶或硅酸乙酯型壳则为950～1100℃,薄壁件应适当提高,保温时间约为2～3h。

焙烧时,升温速度不能太快,应
缓慢加热,因为型壳的热导率很低,升温太快时型壳内外温差较大,各部位膨胀量不同会导致型壳出现裂纹。

8. 试述热压注硅质陶瓷型芯的成形方法及型芯材料的组成。

在耐火粉料中加入热塑性材料〔如蜡为增塑剂制成陶瓷料浆,用热压注法制成型芯坯体,再经高温烧结成型芯。

型芯材料的主要组成基体基体〔如石英玻璃、矿化剂〔如氧化铝系、增塑剂〔如蜡、表面活性剂〔如油酸等。

9.硅溶胶型壳制壳有哪些步骤？影响硅溶胶型壳干燥的因素有那些？生产中可不可以采用提高环境温度来缩短型壳干燥时间？为什么？
答：硅溶胶型壳制壳工艺过程下图所示：
影响硅溶胶型壳干燥的因素很多,其中环境湿度、风速和环境温度三种因素作用最大。

生产中不能用提高环境温度来缩短型壳干燥时间,而应将温度控制在一个较窄的范围内。

因为环境温度会影响模组模料的热膨胀和热稳定性,从而影响铸件尺寸精度。

石膏型：一、填空题
1．石膏型熔模精密铸造时,石膏型工作温度一般在150℃～300℃℃之间。

2．α型半水石膏更适合作为石膏铸型用材料。

3．为使石膏型具有良好的强度,减小其线收缩和裂纹倾向,需要在石膏中加入填料。

4．石膏型导热性能差,焙烧时应采用阶梯升温。

5．制备石膏型所用的原材料主要有石膏、填料和添加剂等。

二、简答题1．石膏有哪几种变体？石膏型精密铸造应选用哪种石膏？为什么？
答：石膏有7种变体：二水石膏、β型硬石膏Ⅲ、α型半水石膏、硬石膏Ⅱ、β型半水石膏、硬石膏Ⅰ和α型硬石膏Ⅲ。

硬石膏不能配成石膏浆料,故不能用于石膏型铸造中；生石膏含水量过多,所制石膏型强度低也不能用于石膏型铸造；α型半水石膏具有致密、完整而粗大的晶粒,总比表面积小。

β型半水石膏因孔多,表面不规律,似海面状,其比表面积大。

在配成相同流动性的石膏浆料时,α型半水石膏所需水固比低,浆料凝固后强度高,故α型半水石膏更适合作为石膏铸型用的材料。

2．石膏浆料中为什么要加填料？填料应如何选择？答：为使石膏型具有良好的强度,减小其线收缩和裂纹倾向,需要在石膏中
加入填料。

石膏型的填料应满足下列要求：〔1有合适的线膨胀率；〔2有较高的熔点和耐火度；〔3有良好的化学稳定性；
〔4发气量少、吸湿性小、保水性好；〔5填料在石膏型浆体中有良好的悬浮弥散性；〔6能降低石膏混合料的裂纹倾向。

3．为什么石膏浆料配制和灌注时需在真空下进行？
答：在真空下配制石膏浆料和灌浆是为了使浆料中所含的气体能够顺利外排。

石膏浆料吸附大量的气体,在浆体搅拌时又
会卷入大量的气,致使浆体中有大量的气泡,影响石膏型腔表面的质量。

因此石膏浆料配制和灌注需在真空下进行。

4．石膏型精密铸造常用的充填及凝固方法有哪些？各用于什么情况下？石膏型精密铸造常用的充填及凝固方法有：
1）重力浇注,常压凝固——适用于壁不薄、形状简单的中小件。

2真空吸铸——适于生产中、小型复杂薄壁铸件。

3真空下重
力浇注,增压凝固——目前国内外石膏型精铸常用的充填凝固方法。

4低压铸造——适于生产批量较大的复杂薄壁铸件。

5真
空下重力浇注,常压凝固——适用于壁较薄、壁厚较均匀铸件。

6调压铸造——适于生产有厚壁部分的复杂薄壁铸件。

5．如何确定石膏型精密铸造浇注工艺参数？答：浇注工艺参数主要包括浇注温度和石膏型温度。

〔1铝合金浇注温度由于石膏型导热性差,合金浇注温度可低于其他铸造方法。

一般控制在700℃左右,大型薄壁件不宜超过720℃。

2石膏型温度确定石膏型温度时要考虑两个因素,一是石膏型抗激冷激热能力差,二是石膏型导热性差。

石膏型工作温度过低,浇注时石膏型易开裂；石膏型温过高,铸件凝固速度慢,易出现粗大组织。

浇注时石膏型温度一般控制在150～300℃之间,大型复杂薄壁件取上限,中小型、壁稍厚铸件取下限。

陶瓷型：一、填空题
1.陶瓷型铸造可分为整体陶瓷铸型和复合陶瓷铸型两大类。

2.陶瓷型精密铸造常用的黏结剂是硅酸乙酯水解液。

3.为提高生产率,在制造陶瓷型的浆料中必须加入催化剂来缩短胶凝时间。

4.陶瓷型喷烧目的是使酒精燃烧起来,均匀地挥发,从而使陶瓷型表面有一定的强度和硬度,并出现均匀密布的显微裂纹
二、简答题1.为什么广泛采用复合陶瓷型,而不使用整体陶瓷型？答：整体陶瓷型所用陶瓷浆料太多,成本高,而且透气性差, 型壁太厚时喷烧铸型易产生较大的变形。

采用复合陶瓷型,水玻璃砂套,砂底套制作方便,透气性好,成本低,应用较普遍。

2.陶瓷型铸造灌浆时应注意哪些问题？答：正确低控制浆料的流动性和准确地掌握它们的结胶时间,是成功完成灌浆工序、获得高质量陶瓷型的关键。

灌浆太早,容易冲走母模表面的脱模剂,引起黏模,同时浆料中耐火材料容易沉淀,使铸型产生大量裂纹；灌浆太迟,浆料的流动性太差,铸型内腔论过不清晰。

因此准备浆料和灌浆时应注意以下几点： 1在保证浆料具有一定流动性
和充型能力的前提下,尽量增加浆料中固体含量,以增大浆料的黏度。

2在保证浆料能够充满铸型的条件下,尽可能缩短结胶
时间。

3相向水解液中加入耐火材料时边加边搅拌,直至混合均匀后加入催化剂,并保证它在浆料中的均匀性。

〔4浆料的结
胶时间应视零件大小而定,在严格控制其他条件不变的情况下,结胶时间一般可以借助调整催化剂的加入量来控制。

3．陶瓷浆料制备过程中加入催化剂的作用是什么？答：陶瓷浆料中加催化剂的目的是为了改变硅酸乙酯水解液的PH值,以促使陶瓷浆料结胶。

通过催化剂加入量的多少来控制浆料固化开始时间和固化终了时间。

一般环境温度较高时,催化剂的加入量可以少些,温度较低时则需要加入较多的催化剂。

常用的催化剂有氢氧化钙、氧化镁、氢氧化钠,氧化钙等。

4.陶瓷浆料硬化起模后为什么还要经过喷烧？有什么注意事项？答：起模后要立即点火喷烧陶瓷型,使酒精燃烧起来,均匀地挥发,从而使陶瓷型表面有一定的强度和硬度,并出现均匀密布的显微裂纹。

这样的陶瓷层表面不会影响铸件表面粗糙度,但可提高陶瓷层的透气性和尺寸稳定性。

如取模后不立即点火喷烧,陶瓷层内外的酒精挥发速度不同,型腔表面的酒精挥发快,收缩大, 层内部的酒精挥发慢,收缩小,从而造成陶瓷型出现大裂纹。

起模后立即点火喷烧的陶瓷型尺寸变化率是最小,而其强度则是最高
5.显微裂纹在陶瓷型焙烧过程中的作用是什么？答：焙烧的目的是去除陶瓷型中残余的乙醇、水分和少量的有机物,并使硅酸胶体脱水,最后形成体型结构,并进一步提高陶瓷层的强度。

焙烧温度与陶瓷型强度的关系见图4-13。

不同合金对铸型强度要求不同,陶瓷型焙烧温度也可不同。

铸钢件铸型焙烧温度应大于600℃,铸铁件铸型焙烧温度大于500℃,铸铝和铸铜件铸型焙烧温
度则可在350℃～450℃之间。

焙烧时间由铸型厚度而定,铸型越厚时间越长。

消失模：一、填空题1.消失模铸造泡沫塑料模样制作方法可分为板材加工和模具发泡成形。

2.消失模铸造的浇注温度一般比普通砂型铸造要高 30℃～50℃。

3.消失模铸造的冷却凝固速度比普通砂型铸造的慢。

4.有机黏结剂在常温状态可以提高涂层的强度,在浇注时被烧失,又能有效地提高涂层的透气性。

5.在EPS、EPMMA和STMMA三种模样材料中,发气量最大的是EPMMA。

6.消失模铸造涂料应具有高的强度和良好的透气性。

7.消失模铸造浇注黑色金属铸件时常采用封闭式浇注系统。

二、判断题1．对表面增碳要求特高的少数合金钢件,模样材料一般选择EPS 珠粒。

〔×
2．钢液的原始含碳量越高,增碳越严重。

〔×
3．涂料的性能仅与其组成有关,而与制备工艺无关。

〔×
4．耐火材料颗粒的粒度越大、分布越集中,涂料的透气性越好。

〔√
5. 消失模铸造浇注时负压越高越好。

〔×
三、简答题1.生产铸铝、铁、钢不同合金消失模铸件各应选择哪种制模材料？为什么？答：
〔1对于碳量没有特殊要求的铝、铜、灰铸铁和中碳钢以上的钢铸件,可采用EPS珠粒,而对表面增碳有严格要求的低碳钢铸件最好采用STMMA ,对表面增碳要求特别高的少数合金钢件可选用EPMMA。

〔2性能要求较高的球铁件对卷入碳黑夹渣比较敏感通常也采用STMMA。

此外,对要求表面光洁的薄壁铸件不论是灰铁、球铁还是钢件,须用最细的珠粒,最优的发泡倍数,也需采用STMMA。

〔3根据模样的壁厚选择珠粒大小,保证铸件最小壁厚δmin处模样发泡后有三颗珠粒,使此处模样无明显颗粒网纹。

珠粒发泡30～40倍,因此,原始珠粒大小该为铸件最小壁厚δmin的1/10 ～1/9。

2.消失模铸造与砂型铸造相比金属液的充型有何特点？凝固有何区别？答：由于消失模铸造浇注时,铸型型腔是实型,使它的成形规律与一般砂型铸造有很大的差异。

在砂型铸造中,金属液从内浇口进入后,先填满型腔底部,然后液面逐渐上升,直至充满
最高处。

而在消失模铸造中金属液从内浇口进入后,呈放射弧形逐层向前推进,最后充满离浇口最远处。

消失模铸造充型速度比
普通砂型铸造慢。

影响消失模铸造充型速度的因素很多,各种工艺因素对金属液充型速度的影响由大到小依次为：真空度、模样材料、金属液静压头、涂料层透气性、浇注温度、内浇口面积、浇注位置等。

消失模铸造的凝固特点主要有以下两点。

①消失模铸造的冷却凝固速度比普通的砂型铸造慢,消失模铸造工艺需要较高的浇注温度,也进一步加剧了这一变化趋势。

②消失模铸造铸型刚度好,浇注铸铁件时,铸型不容易发生体积膨胀,使铸件的自补缩能力增强,因而大大减少了铸件缩孔、缩松倾向。

为了弥补消失模铸造冷却速度慢带来铸件组织和性能的影响,一般采用激冷造型材料或调整铸件化学成分、优化合金处理工艺
等措施来解决。

3.试述消失模铸造用涂料的作用与性能。

答：〔1提高泡沫塑料模样的强度和刚度,防止模样在运输、填砂振动时破坏或变形。

〔2浇注时,涂料层将金属液和铸型分开,防止金属液渗入干砂中,以保证获得表面光洁、无粘砂的铸件。

同时,防止干砂流入
金属液与泡沫塑料模的间隙中,造成铸型塌箱。

〔3涂料层能让泡沫塑料模样在高温下的分解产物顺利地排逸到铸型中去,防止铸件产生气孔、炭黑等缺陷。

4.消失模浇冒系统设计应考虑哪些原则？答：在设计消失模浇注系统时,应考虑以下基本原则：1内浇道与横浇道的夹角应在同
一平面以保证浇注时内浇道同时充型；2浇注系统引导金属液流动铸型型腔,同时让模样气化的残留物逸出；3在上涂料、填砂及
振实过程中,浇注系统常被用作支撑和搬运,必须具有足够的强度以便于操作；4铸造后,浇注系统要易于清除。

答：
6.为什么消失模铸造时常采用封闭式浇注系统？
答：封闭式浇注系统的特点是流量控制的最小截面处于浇注系统的末端,浇注时直浇道内的泡沫塑料迅速气化,并在很短的时间内被液体金属充满,浇注系统内易建立起一定的静压力使金属液呈层流状充填,可以避免充型过程中金属液的搅动与喷溅。

7.消失模铸造时负压的作用是什么？如何选择？答：负压的作用是：固定干砂、防止冲砂和铸型蹦散、型壁移动；加快排气速度和排量,加快金属前沿的推进速度,提高充型能力；在密封下浇注,改善工作环境。

提高负压度有利于减少或消除皱皮缺陷。

因负压度越大,充型速度越快,致使低粘度的液相产物来不及转变为高粘度液相产
物；另外,负压高有利于热解产物通过涂层向型砂中排放,因此皱皮减少。

提高负压度可有效地防止铸钢件增碳缺陷。

但负压度过
大会将涂层吸裂,浇注时工艺参数不合理将涂层冲刷而开裂引起粘砂。

负压过小会导致塌箱,过大则会将模样快包裹在金属液中,
引起气孔缺陷。

8.如何防止消失模铝合金铸件产生针孔缺陷？答：从充型过程的角度来看,合金液的质量、模样材料、涂料的组成和厚度、浇注
温度等对针孔的形成均有影响。

1精练除气与变质处理：采用Al-Ti-B变质剂,细化晶粒,可阻止气核形成；2涂料：采用颗粒细
小的耐火材料,如珠光粉、云母粉等均为片状骨料,保温性能好,随着加入量的增加,涂料的孔隙率减少,透气性降低。

采用这种涂料,会降低铝液的充型速度,铝液充型平稳,气体易排除,有利于减少针孔。

3模样材料：采用低密度模样4浇注温度：浇温＞770℃时,铝合金的气孔率增大。

在保证充型性能的前提下,尽量采用低的浇注温度；5真空度：真空度降低,充型速度低,金属充型前沿
流动更加平稳、规则,减少了模样热解产物卷入合金液中的倾向,因而有利于针孔的减少。

低压：一、判断题1．低压铸造时,结晶压力越大,补缩效果越好,铸件的组织也越致密。

〔√
2．低压铸造时,如果用湿砂型浇注厚壁铸件,充型速度应快些。

〔×
3．低压铸造设备中的升液管的出口面积应小于铸件热节面积。

〔×
4．充型压力与升液压力一样,也随坩埚内金属液面的下降而增加。

〔√
5．差压铸造时,增压法与减压法相比,增压法金属液上升平稳。

〔×
6．真空吸铸的铸型只能是金属的水冷结晶器。

〔×
7．调压铸造与差压铸造最大区别在于不仅能够实现正压的控制,还能够实现负压的控制。

〔√
8.差压铸造时,对于高度大于300mm的铸件,可以选用缝隙式浇注系统。

〔√
二、填空题1．调压铸造是在真空条件下充型,金属液充型性好,不会卷气。

2．差压铸造充填成形与低压铸造相同,而铸件凝固是在更高的压力下结晶凝固的。

3．低压铸造时,自增压结束至铸件完全凝固所需的时间称为保压时间。

4．低压铸造时,铸件形状复杂、精度要求高的中小件,铸型宜采用熔模型壳。

5．低压铸造的特点之一,就是浇铸系统与位于铸型下方的升液管直接相连。