材料成形工艺学上课后习题

1.金属液态成型工艺特点：

1适应性强。铸造方法不受零件大小、形状和结构复杂程度的限制，又可铸造各种合金2尺寸精度高。节约金属材料和机械加工工时

3成本低。4废旧金属可以再生利用。5存在结构缺陷。铸件一般组织

疏松，晶粒粗大，铸件内部有时会出现缩孔、缩松、裂纹和偏析等缺陷，导致力学性能降低6废品率高。工序多，每道工序难以精确控制

7对周围环境污染严重，生产环境差，劳动环境差、强度高

2.液态金属充型过程有哪些水力学特点？

1多相黏性流动。钢水中含有夹杂物和气体2不稳定流动。充型

过程中物理场（温度、断面积、流速）在不断变化3紊流流动。

Re>>Re临，流路方向变化，紊流流动4在“多孔管”中流动。浇注系

统和铸型的型腔有透气性，像“多孔管”，液体在“多孔管”中流动

5.奥赞公式的意义和成立条件

是浇注系统水力学计算的基本公式，为合理设计浇注系统提供了

依据成立条件：1浇注系统内充满流动2浇口杯液面保持不变3透气

性好，4需满足伯努利（能量）方程

6.液态金属充型能力，它与液态金属流动性有什么区别和联系？

充型能力：液态金属充满型腔，获得完整形状、轮廓清晰的铸件

的能力

流动性：即合金金属的流动能力，是决定液态金属充型能力的内因，起主导作用，即流动性是充型能力的量度。而充型能力还受外界

条件的影响，铸型性质、浇注条件、铸型（件）结构也可以影响金属

液的充型能力

7.液态金属充型过程停止流动机理是？

1对纯金属、共晶合金、窄结晶间隔的合金，靠近管壁的液态金

属首先凝固，一般以柱状晶组织向管壁内推进，而中心的过热金属可

以继续向前流动，而且可以全部或部分熔化正在生长的柱状晶，当液

态金属的过热度散尽，柱状晶生长到中心，中间卡死，液态金属停止

流动

2对于有一定结晶温度范围的合金，他们在一定的范围内结晶，

不断接触管壁的液态金属前端首先到达凝固温度，并有部分枝晶析出。随着枝晶的增多，流动的阻力越来越大，流速越来越慢，到某一程度后，前端阻塞，液态金属停止流动。

影响因素：合金本身性能，铸型条件，浇铸工艺

8.金属凝固动态曲线的意义是什么？

把不同时间，不同位置到达同一温度点连接起来，就得到凝固动

态曲线

凝固动态曲线可以明确凝固区间，确定凝固过程中典型温度点

（液固相温度）可以知道在某一时间某个断面所处的凝固状态（L、SL、S），从而合理制定铸造工艺。

逐层凝固：流动性好，易于获得健全的凝固体。液体补缩性好，

凝固的的组织致密，形成集中缩孔的倾向大，热裂倾向小，气孔倾向小，应力大，宏观偏析严重

体积凝固：中间凝固：

三砂两孔缺陷的特点，形成机理，影响因素，防止措施：

夹砂结疤、鼠尾：

鼠尾：型壁表面呈带状翘起，翘起砂层未破裂；

沟槽：型壁表面呈带状凸起，凸起砂层未破裂；

夹砂：型壁表面呈带状凸起后砂层破裂，但未折断；

结疤：型壁表面呈带状凸起破裂后折断。

形成机理：浇筑过程中，砂型表面被金属液烘烤使砂型里外层产

生温度差，产生水分迁移现象，形成了干砂区和高湿度低强度的水分

饱和凝聚区，由于砂型里外层温度不同而使砂型各层的膨胀量不同，

当表面烘干层膨胀受助时就会形成较大的热压应力。当干砂区的热压

应力大于水分饱和凝聚区的剪切应力时，干砂区边缘翘起而形成鼠尾

缺陷；当水分饱和凝聚区热湿拉强度较低时，干砂区就会凸起导致分层，严重时砂层破裂金属液进入层间孔隙而形成夹砂缺陷，如果金属

液将凸起的砂层冲断，在砂层折断部位就形成结疤缺陷，漂走的砂块

还可能形成砂眼和表面砂孔缺陷等。

影响因素：干砂区的热应力越小，水分饱和凝聚区的抗拉强度越大，越容易产生

防止措施：造型材料方面：1使用粒度分散的原砂2使用Na/Ca

基膨润土做粘结剂可以提高热湿拉强度3使用能提高砂型热湿拉强度，降低表面烘干层热压应力的附加物，如煤粉，渣油4控制型砂含水量，降低含泥量.工艺方面：1缩短浇注时间，使金属液尽快充满型腔2合

理设计浇注系统和浇注位置，避免局部型壁烘烤时间过长和过热3排

气通畅4紧实度均匀，不宜过大

粘砂：（机械/化学粘砂）

特点：砂粒或含砂物质粘附在铸件表面难以清除

形成机理：

机械粘砂：根据毛细理论，将型砂表面砂粒间的微孔看成是直径

细小的毛细管，金属液渗入微孔中便形成机械粘砂。

形成条件：P金〉P临=P气-P腔-P毛（2ocosO/r）

影响因素：机械粘砂：1金属液凝固时间2砂型特点，孔尺寸大，激冷能力越弱，蓄热量越小，发气量越小，越容易产生机械粘砂3界

面特性,控制界面气氛可以改变金属液对砂型的润湿性4金属液静压力：砂型某部位的金属液静压力与铸件高度和浇注位置有关，金属液静压

力大的部位容易产生粘砂

防止措施：

1缩小砂型孔隙：使用细沙或刷涂料，提高紧实度 2缩短金属液

对砂型的热作用时间：适当降低浇注温度，使用激冷材料3加附加物

改善界面润湿条件型砂中加入受热时可生成不被金属液润湿的材料，

可产生还原性气氛的附加物。4调整液态金属的静压力

化学粘砂：

概念：金属氧化物渗入砂型微孔中并与砂粒起反应

砂层结构：粘砂层=金属氧化层+烧结层（低熔点化合物）

影响因素：氧化气氛和热作用

防止措施：1控制氧化层，加入附加物产生还原性气氛，降低浇

注温度，加入氧化铁粉等氧化剂2控制烧结层，加入附加物不被润湿，使用非石英砂非石英质涂料

气孔

特点：浇注时产生的大量气体未来得及排出

侵入性气孔

特点：1 数量少，体积大 2 孔壁光滑，表面氧化 3 梨形、椭圆

形

形成机理：在铸件/砂型界面处，P气>P静+P阻+P腔时，气体就

会侵入到金属液中形成气泡，随着金属液的凝固，来不及上浮的气泡

就形成气孔

影响因素：1砂型的发气性、透气性 2 液态金属的性质：表面张力，润湿性等 3 浇注条件

防止措施：1 控制砂型的发气性，减少造型材料中的发气物质，

使用发气速度慢，发气温度高的造型材料。 2 增加砂型的透气性，扎

气眼，设置排气道等，使用透气性好的背砂3 降低浇注温度胀砂：

特点：砂型膨胀导致铸件尺寸变大

形成机理：砂型受热膨胀，在金属液浇注凝固后，铸件依照胀的

箱凝固，造成铸件尺寸变大，严重时铸件报废防止措施：1选用热膨

胀系数小的镁砂或锆砂2增加砂型的排气能力3适当降低砂型的含水

量4紧实均匀，紧实度不宜过大

沙孔

特点：在铸件表面或内部充塞着型砂

形成机理：1 散落砂，未清理干净或合箱搬运中出现掉砂 2 冲砂

金属液的冲击或者冲刷使砂型脱落，这些砂块在金属液凝固前未浮到

冒口或积砂孔内，就会产生砂眼

影响因素：落砂、冲砂

防止措施：1 提高型砂的表面强度刷涂料，改进型砂配方 2 合理

设置浇注系统和冒口，采用缓流，底注式浇注系统，设置排渣冒口 3

严格执行操作规程，清理落砂

11.砂型铸造时铸件铸型界面存在的作用?

1热作用--传热，传质。在金属和砂型之间有热交换，水分迁移，气体迁移和元素扩散。热作用使砂型膨胀，容易使铸件产生夹砂结疤

缺陷

2机械作用--冲击，冲刷，静压力。如果砂型表层强度不够，金

属液将冲坏型壁，使铸件产生砂眼等表面缺陷。如果砂型整体强度不够，型壁在金属液静压力下发生移动，使铸件产生尺寸误差（胀箱，

肥大）

3化学和物理化学作用--造型材料自身的分解和化学反应，可以

改变界面气氛和压力，引起铸件气孔缺陷。金属液和造型材料起化学

和物理化学反应，可引起铸件粘砂，表面成分改变，气孔等缺陷。