材料加工第2章作业参考答案

第2章作业参考答案1. 液态金属成形的一般工艺过程是怎样的？结合其工艺特点分析该类工艺的优点、缺点和和适用范围。

液态金属成形是将液态金属注入铸型中使之冷却、凝固而形成零件的方法，一般工艺过程包括模样制造、铸型制造、金属熔化与充型、凝固等关键步骤。

铸造为液体成形具有不受零件大小/薄厚/复杂程度限制、可制造各种合金铸件、相对焊接和塑性成形而言尺寸精度高、成本低等优点；但需要造型、浇注等步骤，工艺相对繁琐，工件承载能力不如锻件，同时工作环境差，粉尘多。

铸造适用于绝大部分零件，适用范围广。

（工艺过程三点明确。

明确分析优点、缺点和适用范围，同时结合其工艺特点）2.铸造合金流动性差对铸件质量有何影响？浇注时金属液过热温度及其他工艺条件相同的情况下，初步判断一下HT350和HT200两种合金，哪个流动性好，为什么？什么是液态金属的充型性能？它与那些因素有关？流动性差，金属充型能力差，铸件成形质量降低；液态金属中的气体夹杂物不易浮出，易产生气孔、夹杂；对缩孔和裂纹的充填和愈合作用减弱，易产生缩孔、裂纹等缺陷。

HT200流动性好，HT200碳含量在3.0~3.6%，HT350在2.7~3.2%，因HT200成分更靠近共晶点，固-液区间小，熔点较低，故流动性好（固液两相区越大，结晶温度范围越大，枝晶越发达，流动性越差）。

（流动性影响，判断及理由）充型能力：指液态金属充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰健全铸件的能力。

充型能力首先取决于合金的流动性，同时又受到铸型性质（如铸型蓄热系数、铸型温度、铸型中的气体）、浇注条件（如浇注温度、充型压头、浇注系统结构）以及铸件结构（如模数、复杂程度等）的影响。

（充型能力定义，四个影响方面）3. 缩孔、缩松的区别是什么？什么样的合金容易出现疏松缺陷？生产中如何采取措施防止缩孔、缩松缺陷的产生？缩孔缩松的区别在形态，而取决于凝固方式，当铸件以逐层凝固方式凝固时，液态金属的流动使收缩集中到铸件最后凝固部分形成集中孔，即缩孔；而铸件以体积凝固方式凝固时，枝晶间隙的液体得不到补缩而形成小的孔洞，即缩松。

凝固区间大，收缩大的合金易产生缩松，如具有宽结晶温度范围的非共晶合金等。

防止缩孔缩松的产生，可以调整化学成分，降低浇注温度和减慢浇注速度，增加铸型的激冷能力，设置冒口进行补缩，对于灰口铸铁和球铁可以利用石墨析出造成的体积膨胀，抵消部分或全部体积收缩。

（缩孔缩松区别，产生缩孔缩松的原因，防止措施）4. 什么是铸造应力？铸造应力对铸件质量有什么影响？影响铸造应力大小的因素有哪些？生产中可以考虑采取哪些措施防止和减少铸造应力对铸件的危害？结合铸造应力造成的缺陷问题分析一下铸造汽车轮毂在结构设计可采取了什么预防举措？铸造应力是指铸件在冷却过程中由于温度下降或相变等原因产生的体积变化受阻而形成的应力。

铸造应力如果超过合金强度可能使铸件产生裂纹；铸造应力如果超过屈服极限则使铸件产生变形；铸造应力会产生残余应力，对铸件质量有很大影响，尤其对于承受交变载荷的零件，当载荷和铸造应力方向一致时，应力总和可能超过材料强度极限而发生断裂。

残余应力还可能使零件在机加工后产生变形或降低精度，在腐蚀环境中会引起应力腐蚀开裂。

铸造应力有热应力、相变应力以及收缩应力。

合金弹性模量、收缩（膨胀）系数、以及会产生较大温度梯度的因素（如铸件壁厚差，导热能力，铸型蓄热系数，浇注温度等）均会影响热应力。

相变应力取决于合金的相变。

而收缩应力是由于铸件固态收缩受到铸型、型芯等外力阻碍而产生的，是临时应力，但可能会使铸件产生冷裂。

减小铸造应力的方法：减小铸件各部位温差，如采用冒口、冷铁等；改善铸型和型芯退让性；选择弹性模量和收缩系数小的合金。

消除铸造应力的方法：采用人工时效、自然时效以及振动时效等。

结构设计采取的预防措施，如避免两截面直角相交，避免十字相交，圆角过渡，采用奇数辐条等，回答言之成理即可，但要紧扣结构设计。

（铸造应力定义及影响，影响因素及防治措施，轮毂问题）5. 某铝合金潮模砂铸件发现有气孔，试分析造成气孔的气体可能来源于哪些方面？气孔在铸件上可能分布在什么位置？可能是氢气孔（析出性气孔），可能是湿型砂产生的反应性气孔，也可能是型腔内气体产生的侵入性气孔。

析出性气孔可分布在冒口、热节等温度较高区域，而反应性气孔和侵入性气孔多在表面。

（气孔来源至少2个，位置）6. 铸铁、铸钢、铸铝等常见铸造合金一般采用什么方式进行熔炼？不同合金的熔炼设备可以互换吗？为什么？铸铁一般用冲天炉、感应电炉、以及联合方法等；铸钢常用感应电炉、电弧炉和转炉；铸铝常用的有电阻坩埚炉、电阻反射炉、中频感应炉、煤气或重油感应炉和火焰反射炉等。

不同合金的熔炼设备一般不可以互换，因为不同合金要求的熔炼温度、纯净度、熔体处理等均有差别，所以不能互换。

（熔炼方式，是否可互换及理由）7. 湿型粘土砂的型砂主要由哪些组分组成？各有什么作用？湿型粘土砂的造型方法有哪些？试比较应用震击、压实、射压、高压、气冲和静压等各种造型方法的紧实的砂型紧实度分布（沿砂箱高度方向）。

主要由原砂，粘土，附加物（煤粉等）和水组成。

原砂是骨干材料，起耐热、支撑作用；粘土和水起粘结剂作用，将原砂粘结使之具有一定的强度；附加物主要为调整铸型性质。

造型方法有压实、高压、震击、射砂紧实、气流冲击紧实、静压等。

紧实度分布见图。

（组成及造型方法，紧实度分布）不同造型方法的紧实度曲线1.震击造型2.高压造型（压实造型与此类似）3.微震加高压紧实造型4.气流加压紧实（静压）造型5.气冲造型6.射砂9. 如果考虑采用铸造方法制造某一零件毛坯，为了便于铸造过程实现，一般要在产品结构设计上注意哪些方面？1. 从避免缺陷方面审查铸件结构：（1）铸件应有合适的壁厚；（2）铸件结构不应严重阻碍收缩；（3）铸件内壁应薄于外壁；（4）壁厚力求均匀；（5）利于补缩和实现顺序凝固；（6）防止铸件翘曲变形；（7）避免浇注位置上有水平的大平面结构。

2从简化铸造工艺方面改进零件结构：（1）改进妨碍起模的凸台、凸缘和肋板的结构；（2）取消铸件外表侧凹铸件；（3）改进铸件内腔结构以减少砂芯；（4）减少和简化分型面；（5）有利于砂芯的固定和排气；（6）减少清理铸件的工作量；（7）简化模具的制造；（8）大型复杂件的分体铸造和简单小件的联合铸造。

（两方面均要涉及）10. 浇注系统一般由哪几个基本组元组成？各组元的作用是什么？何谓封闭式、开放式、底注式及阶梯式浇注系统？它们各有什么优缺点？由浇口杯、直浇道、直浇道窝、横浇道和内浇道等组成。

作用：浇口杯：用来承受来自浇包的金属液流并引入直浇道，便于浇注；减少冲击；挡渣；增加静压头。

直浇道：浇口杯向下引导金属液进入浇注系统的其他组元或直接导入型腔；提供压力头直浇道窝：减缓冲击；挡渣；减少卷气等横浇道：将液态金属均匀分配到各个内浇口和挡渣内浇道：引导液态金属进入铸型型腔四者分属两种不同的分类方式：1.按组元是否充满分：封闭式：正常浇注条件下，各组元都被充满的浇注系统，S内≤S横≤S直。

优点：有较好的阻渣能力，防卷气，金属消耗少，清理方便。

缺点：金属流速高，易喷溅，易冲砂，易氧化。

开放式：金属液不能充满所有组元的浇注系统，S内≥S横≥S直。

优点：金属液流速小，充型平稳，不易氧化。

缺点：几乎不能阻渣和防卷气。

2.按内浇道位置分：顶注式浇注系统：以浇注位置为基准，内浇道设在铸件顶部。

优点：易充满，可减少薄壁件浇不到、冷隔等缺陷，有利于铸件自下而上顺序凝固和冒口补缩；冒口小，节约金属，内浇道附近受热轻，结构简单，易于清除。

缺点：易形成冲砂，金属液易飞溅、氧化、卷气，充型不平稳，易产生砂孔、铁豆、气孔、夹杂等缺陷，横浇道阻渣条件极差。

底注式浇注系统：内浇道在铸件底部。

优点：充型平稳；避免金属液激溅、氧化等；横浇道基本工作在充满状态下，有利于阻渣；型腔气体易排出。

缺点：温度分布不利于顺序凝固和冒口补缩；内浇道易过热，产生缩孔缩松结晶粗大等缺陷；金属液上升过程中易结皮，薄壁铸件易形成浇不到、冷隔等缺陷；金属液消耗大。

（组成及作用，浇注系统分类及优缺点）中间注入式：从铸件中间某一高度面上开设内浇道的称为中间注入式浇注系统，兼具顶注式和底注式的优缺点。

阶梯式：在铸件不同高度上开设多层内浇道的浇注系统。

优点：自下而上充型，充型平稳，易于排气，有利于补缩，不易出现缩孔、缩松、气孔等缺陷。

缺点：造型复杂，需要正确计算和设计浇注系统。

11. 试结合工艺的基本特点分析比较熔模铸造、压力铸造、消失模铸造的优势和应用领域。

传统的汽车发动机缸体多采用砂型铸造生产，现在有用压铸生产汽车发动机缸体，可行吗？请分析实现的困难和如何实现。

现代航空发动机空心涡轮叶片目前采用熔模铸造生产，选择熔模铸造生产的原因是什么？还有其他铸造方法可以替代吗？3熔模铸造：采用压射模料制模，铸件精度高，表面光洁；可铸复杂零件；合金种类不限，生产批量不限。

在航空发动机和燃气轮机叶片的关键工艺，同时在不锈钢、碳钢等中小铸件生产中广泛应用。

压力铸造：采用压力完成充型，充型时间短，生产效率高，铸件精度高；冷却快，压力下结晶，晶粒细小，表层紧实，铸件强度高；便于嵌铸。

在汽车、拖拉机、航空、仪表、纺织、国防等工业部门中广泛应用，尤其在低熔点有色金属的小型、薄壁或复杂零件大批量生产中有重要应用。

消失模铸造：无取模步骤，无分型面，无型芯，是一种近无余量，精确成型的工艺，无毛边飞边；铸件结构设计具有充分自由度；工序简单。

可应用于铝、铸铁、除低碳钢以外的铸钢等金属，铸件结构、大小（壁厚>3mm）、复杂度以及批量均有很大自由度。

目前以灰铸铁箱体件应用比较成熟。

铸钢件因增碳问题，受到一定影响。

用压铸生产汽车发动机缸体完全可行（实际已经采用）。

难点在于如何避免充型过快产生的缺陷，如气孔等。

解决办法有合理设计浇注系统，采用合适的工艺参数，避免卷气、夹杂等；对金属液进行精炼、除气；还可用真空方法避免产生气孔等缺陷。

要改变结构设计，使利于压铸模具设计，特别对于内腔，要便于金属芯的抽取等。

涡轮叶片采用熔模精密铸造是因为熔模铸造铸件精度高，可铸复杂零件，对金属无限制，可用于高温合金的铸造。

目前尚无可替代的铸造方法。

其他铸造方法无法应对高温合金、复杂内腔、精度要求、凝固控制的综合要求。

（三种方法比较，后两问，理由充分）。