铸造工艺工程学

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8 .铸件中的夹杂物是如何形成的？如何控制合金熔炼工艺，以减少铸件夹杂物缺陷？ 非金属氧化物的来源： 内生夹杂物（脱氧，脱硫产物；S、O、N等元素以低熔点共晶或化合物形式析出） 外来夹杂物（金属与外界物质相互作用而生成的夹杂；金属液被大气氧化生成的氧化物） • 减少和排除夹杂物的途径 • 1.正确选择合金成分，严格控制易氧化元素的含量 2.加溶剂 3.采用复合脱氧剂，可生成 密度小，熔点低的液态脱氧产物，利于上浮、排除。 4.采用真空或在保护气氛下熔炼和 浇注 5.避免浇注、充型时发生的飞溅和涡流 6.过滤法，通过过滤器，再注入型腔。 7.型砂中控制水分，加入煤粉、铸型表面撒剂，形成还原性气氛。 10.为什么说铸型工作条件恶劣？铸型接触区是一个什么概念？金属与铸型接触区有何相互作 用？他们对铸件质量分别带来什么影响？ • 铸型接触区：铸型与金属液直接相接触及受到其影响的部分，可称为接触区。 铸型与金属的相互作用及影响： • ①热作用。高温液态金属浇入铸型后，由于金属与铸型间存在很大的温差而发生强烈 的热交换。在金属表层结成具有足够强度的硬壳之前，若铸型接触区与内层分离或出现表 面掉砂，则有可能导致表面产生夹砂或表面缩沉等缺陷。 • ②机械作用。在浇注过程中，液态金属会对铸型型壁产生冲击和冲刷作用，铸型还将 承受液态金属的静压力。铸件凝固收缩时也将受到铸型和砂芯的机械阻碍作用。这些力的 作用有可能造成铸件砂眼、裂纹、变形及尺寸超差等缺陷。 • ③化学作用。液态金属对铸型的热作用将使铸型在高温下析出气体，引起铸型中各种 附加物、有机物的燃烧、分解和升华，可能使铸件产生气孔。
20、分析铁合金的一次结晶过程。说明共晶团形成机制，共晶团数量对铸件质量有何影响？ • 铁合金的一次结晶过程：（灰口铸铁的一次结晶为例） • ①初析渗碳体、石墨的结晶 ②初析奥氏体的结晶 ③共晶凝固过程 • 共晶团形成机制：共晶团是指铸铁的共晶转变过程中，由铁液中结晶出来的石墨-奥氏体所 构成的集合体。灰铸铁共晶团数量决定于共晶转变时的成核及成长条件。冷却速度及过冷 度愈大、非均质晶核越多，生长速度越慢，则形成共晶团数量越多。 • 共晶团数量对铸件质量有何影响：共晶团数量的增加可以减少白口倾向，力学性能略有提 高。但是由于共晶凝固的膨胀力，因而是铸件胀大的倾向增加，从而增加了缩松倾向。 21、分析讨论片状石墨、球状石墨、蠕虫状石墨的长大过程和形成条件。 • 片状石墨：A型：均匀分布无方向性片状。小的（冷却速率）过冷度、石墨晶核比较多（即 石墨形核能力较强）的条件下结晶形成的石墨形态。对基体割裂作用较小。分布比较均匀， 分枝不发达，尺寸较大。C型：粗大厚片状。过共晶、小的（冷却速率）过冷度。粗大的初 析石墨与比较细小的石墨共存。 • 球状石墨：长大过程：经镁或铈处理之后的球墨铸铁，熔体和石墨棱面的界面能高于熔体 与石墨基面的界面能，为石墨沿c轴生长创造了条件。球状石墨成长的过程中，仍然存在着 大量晶体缺陷，在球状石墨的生长过程中。特别的，螺旋位错的存在，在晶体表面造成的 螺旋台阶的旋出口是碳原子作为开始生长的最有利位置。形成条件：①铁液凝固时必须有 较大的过冷度②较大的铁液与石墨间的界面张力③加入任何一种球化剂（Mg、Ce、Y、La等） 都会使铁液过冷度加大，而且也会影响铁液的表面张力。 • 蠕虫状石墨：长大过程：蠕虫状石墨主要是在共晶凝固过程中从铁液中直接析出的，最初 形态呈小球状或聚集状，经过畸变，并经没有被奥氏体全包围的长出口，在与铁液直接接 触的条件下长大而成。即小球墨-畸变球墨-蠕虫状石墨。也可能是小片状，然后在界面前 沿，由于蠕化元素的局部富集而逐渐变成蠕虫状石墨。
4.什么是金属流动性？如何衡量其流动性？流动性对于铸件的成形有何影响？ • 流动性：液态金属本身的流动能力。 • 金属流动性测试实验(浇注螺旋流动性和真空流动性实验) • 改善金属的流动性有利于形成薄壁复杂的铸件；排除内部夹杂物和气体；加快凝固中液体的补缩 7.铸件中气孔对铸件质量有何影响？形成气孔的主要原因有哪些？ • 气体对铸件质量的影响：降低机械性能、引起裂纹产生、降低韧性、降低流动性、降低气密性 • 形成气孔的主要原因：①侵入性气孔：由于铸型表面聚集的气体侵入金属液中而形成的孔洞。② 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。③应性气孔：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。 9.如何评价铸件综合质量和铸件技术质量？铸件技术质量分为哪三个等级？各有什么要求？与工业 发达国家相比，目前我国铸造生产还存在哪些差距？ • 铸件综合质量=交货期+价格+技术质量 • 铸件技术质量是一个动态的概念，将随着生产水平的发展和市场对质量的要求而节节提高。 • 三个等级：合格品、一等品和优等品。（差距：造型工艺、铸造工艺装备、铸造工艺材料） 11.试根据砂型铸造的特征，分析对造型材料的基本要求。 • 1) 型砂、芯砂应具有一定的强度 2) 良好的透气性，以消除或减少铸件中的气孔缺陷。3) 对 铸件收缩的可退让性。为了不使铸件出现裂纹和残余变形，要求铸型在高温下可以丧失部分强度。 4） 一定的耐火度和化学稳定性。保证在高温液态金属作用下，造型材料不软化；不与液态金属 发生化学反应；不产生或少产生反应性气体。5） 良好的工艺性能，即在造型、制芯时不粘模， 具有好的型(芯)砂流动性和可塑性；在铸件落砂和清理时具有良好的出砂性。6）对于铝、镁合 金生产条件下，还要求造型材料具有保护性，以防止合金在浇注和凝固过程中氧化、燃烧。
12.湿型砂一般常用哪些原材料混碾而成？他们对铸件质量分别带来什么影响？ • 原材料： 1）原砂 橄榄石砂烧结点比硅砂低，不被金属润湿，具有化学惰性，耐火温度高， 与钢液接触时，能形成致密烧结层，可防止铸件粘砂及毛刺。用镁橄榄石替代硅砂生产高锰钢铸 件的表面质量好，还可避免工人接触有害硅粉末。 • 锆砂组分为锆英石，另含有铁的化合物，锆砂的热膨胀性能较低，能避免铸件产生夹砂、结疤等 缺陷。此外，热导率、蓄热系数、密度都比硅砂高，铸件的冷却速度快，可以细化晶粒，提高力 学性能。化学稳定性高，且不被熔融技术或金属氧化物浸湿，有利于阻止金属液侵入铸型孔隙， 防止化学粘砂、减少机械粘砂缺陷。 • 铬铁矿砂：冷却速度一致，表面质量更好 • 2）粘土（膨润土,普通粘土） 粘土是湿型砂的主体粘结剂。粘土被水湿润后具有粘结性和可 塑性；烘干后硬结，具有干强度。重新润湿后，粘结性和可塑性又能恢复而具复用性。但在被烧 枯后不能再加水恢复其塑性。 • 3）水 4）附加物 煤粉、渣油、淀粉等附加材料，使型砂具有特定的性能，改善铸件的 表面质量。 13.湿型砂铸造有何特点？理解湿型砂基本性能要求。 • 铸造特点：砂型不须烘干，不存在硬化过程；生产灵活性大，生产率高，生产周期短，便于组织 流水生产，易于实现生产过程的机械化和自动化；材料成本低，节省烘干设备、燃料、电力和车 间生产面积；延长砂箱使用寿命。采用湿型铸造容易产生一些铸造缺陷，如夹砂结疤、粘砂、气 孔、砂眼、涨砂等。 • 性能要求： 水分和紧实率：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。
17、为何有双重相图的存在？双重相图的存在对铸铁件生产有何实际意义？ • 双重相图的存在原因: 稳定平衡的Fe-C相图中的共晶温度和共析温度比介稳定平衡的高一些。共晶温度高出 6oC，共晶温度高出9oC。产生变化的根本原因是由于自由能变化引起的。 • 从结晶动力学（晶核的形成与长大过程）角度来说：以含C4.3%的共晶成分液体在低于共晶温度的凝固为例， 在液体中形成含C6.67%的渗碳体晶核要比形成含C100%的石墨晶核容易，而且渗碳体是间隙型的金属间化合物， 并不要求铁原子从晶核中扩散出去。因此，在某种条件下，奥氏体加石墨的共晶转变的进行还不如莱氏体共晶 转变那样顺利。 • 热力学观点上看，Fe-Fe3C相图只是介稳定的，Fe-C相图才是最稳定的。从动力学观点看，在一定条件下，按 照Fe-Fe3C相图转变也是可能的，因此就出现了二重性。意义：不同含碳量的铁碳合金在不同温度和不同冷速 度下会生成不同的相，由于石墨呵渗碳体往往会同时出现在一个铸件上，因而要研究双重相图以及各种组织的 形式 18、硅对双重相图有何影响？对于合金材料有何实际意义？ • 硅对双重相图影响：共晶点和共析点含碳量随硅含量的增加而减少；硅的加入使相图上出现了共晶和共析转变 的三相共存区；说明铁-碳-硅三元合金的共析和共晶转变是在一个温度区间内完成的； • 对于合金材料的实际意义：共晶和共析温度范围改变了，硅对稳定系和介稳定系的共晶温度的影响是不同的； 硅含量越高，奥氏体加石墨的共晶温度高出奥氏体加渗碳体的共晶温度越多。由于硅的增高，共析转变的温度 提高更多，因此，有利于铁素体基体的获得；硅含量增加，还缩小了相图上的奥氏体区。硅含量10%，奥氏体 趋于消失。 19、试说明碳当量的含义，及对理解合金性质的意义？ • 碳当量：根据各元素对共晶点实际碳量的影响，将这些元素的量折算成碳量的增减，谓之碳当量，以CE表示 • 对理解合金性质的意义：铸铁偏离共晶点的程度还可用铸铁的实际含碳量和共晶点的实际含碳量的比值来表示， 这个比值称为共晶度，以Sc表示。 22、说明铸铁固态相变过程中，共析转变时形核和长大特征。 • 据分析，形核会因为凝固条件的差异存在不同。如白口铸铁共析转变可能是Fe3C领先析出，灰铸铁则是先发生 碳的脱熔，然后析出铁素体，然后进入共析阶段。 • 在铁素体、Fe3C生长过程中，各自的前沿和侧面分别有碳和铁的富集。在生长前沿产生溶质元素的交替扩散， 使晶体先前或者通过搭桥或分枝的方式沿其侧面交替生长，形成新片层；此外，先析出的领先相虽然长自与晶 核有位相关系的某个奥氏体晶体，却长入与他们无特定位相关系的另一个奥氏体晶粒中。
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 。 • 优点：a适用范围广 b可以制造各种合金铸件 c铸件尺寸精度高（与一般焊接件、锻件比较） d成本低廉 e可以生产形状复杂的零件 • 缺点：1铸造生产过程比较复杂；2影响铸件质量的因素多；3废品率一般较高；4铸件容易出 现各种缺陷。（浇不足，缩孔，气孔，裂纹等）。 2.影响液态金属充型行为的因素包括哪几个方面？从铸造工艺角度考虑，可以通过什么方法改 善其充型能力？ • 1金属的流动性 2 浇注温度 3 充型压力 • 流动性：充型速度的影响 增大速度可以增大流动距离，但是增加流速会增大液体的紊流程 度，进而降低流动距离 • 凝固时间对充型距离的影响 增大凝固时间可以显著提高流动距离 • 浇注温度：浇注温度提高，粘度降低，流动性提高；同时凝固时间增加，充填路径加大，这 两方面促使充型能力提高 • 充型压力：充型压力增大，流动速度提高，充型能力提高 3.逐层凝固和糊状凝固的概念是什么？形成这两种凝固方式的条件是什么？这两种凝固方式所 获得铸件有何组织结构特征？ • 逐层凝固：纯金属和共晶成分的合金在凝固中因为不存在固液两相并存的凝固区，所以固体 与液体分界面清晰可见，一直向铸件中心移动。--凝固过程中容易补缩，组织致密，性能好， 易出现柱状晶 • 糊状凝固：铸件在结晶过程中，当结晶温度范围很宽，且铸件截面上的温度梯度较小，则不 存在固相层，固液两相共存的凝固区贯穿整个区域。--易产生缩松、夹杂、开裂
6.砂型铸造铸件成形过程中主要存在哪些缺陷？是如何形成的？如何通过工艺方法避免？ • 1) 缩孔 产生原因：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。 • 2) 缩松 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。另外，缩松 还可能由凝固时被截留在铸件内的气体无法排除所致。 防止措施：采取顺序凝固的办法避 免缩孔、缩松的出现。 • 3)裂纹与变形 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； • 热裂 :一般认为，热裂是在凝固的末期，固相线附近出现的。此时，由于铸件中结晶的骨架已经 形成并开始收缩，但晶粒间还有一定量的液相存在，且这时铸件强度和塑性极低，收缩稍受阻碍 即可开裂。 • 裂纹和变形的防止 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。 • 4) 铸件中的气孔 • 气体的来源 • 1）熔炼过程 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。 • 防止a.减少金属液含气量b.对金属液进行除气处理浮游去气、真空去气、冷凝去气c.阻止气体析 出 提高冷却速度，提高凝固外压 • 5) 铸造合金中的夹杂物 • 来源：①内在夹杂物 FeS、MnS ②外来夹杂物 炉料、燃料、炉衬、铸型 • 防止：a控制杂质来源b去除金属液中夹杂物 （加溶剂和集渣剂、过滤、浇注系统）