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第二章金属液态成形装备及自动化-教案

1）液态金属成形俗称“铸造”，它是机械工业的基础

（2）先进的铸造装备是生产高质量铸件的保障

（3）分类：

a.可分为“重力作用下的铸造成形”和“非重力作用下的铸造成形” ，

b.也可分为“砂型铸造”（占80~90%）和“特种铸造”。

1）砂型铸造（根据粘结剂的不同）通常可分为粘土砂型铸造、树脂砂型铸造、水玻璃砂型铸造、覆膜砂型（壳型）铸造等；

2）特种铸造通常是指所有的非砂型铸造，包括：压力铸造、离心铸造、低压铸造、金属型铸造、熔模铸造、挤压铸造等等。

3）消失模铸造目前通常被归纳为特种铸造，但按其工艺性质和过程特点更应归纳为砂型铸造类。

(4)用框图表示铸造方法的分类

(5)铸造设备的分类

1）熔化、浇注装备：

冲天炉熔化装备、电炉熔化装备、浇注设备

2）砂型铸造装备：

砂处理装备、造型装备、制芯装备、落砂装备、清理装备

3）特种铸造装备：

压铸机、熔模铸造装备、低压铸造机、离心铸造机等

4）运输定量装备：

铸型输送机、鳞板输送机、振动输送机、气力输送装置、给料设备、定量设备

5）检测与控制装备：

冲天炉熔炼检测与控制设备、炉前快速分析与检验设备、型砂性能试验设备、铸件无损探伤设备

6）环保装备：

除尘设备、噪声防治设备、污水净化设备

7）其它附属装备：

材料准备设备、起重运输设备、远红外烘干炉

（6）本章的主要内容

介绍液态成形工艺过程中的主要装备及其自动化。

具体内容包括：

1）熔化、浇注装备及控制，

2）砂处理装备及自动检测系统，

3）造型设备及自动化生产线，

4）铸件落砂与清理装备及自动化，

5）压力铸造装备及自动化，

6）低压铸造装备及自动化，

7）消失模精密铸造装备及生产线，

8）半固态成形装备及生产线。

2.2 金属熔化及浇注装备

熔化是金属液态成形的首要环节，其任务是提供高质量的金属液体。

根据合金材料可选择不同的金属熔化方法：

1）铸铁合金广泛采用冲天炉熔化

2）铸钢常用电弧炉或感应电炉熔炼

3）铝合金常用电阻炉或油气炉熔化等。

金属的熔化装备一般应包括三大部分：熔化炉、辅助装备（如配料加料装备等）、浇注装备。本节的内容：铁合金熔化用冲天炉、感应电炉熔炼装备及其自动化、自动浇注装备及其应用。

2.2.1 冲天炉

熔化

（1）

冲天

炉结

构

它由炉底、炉体和炉顶三部分组成。炉底起支撑作用，炉体是冲天炉的主要工作区域，炉顶排出炉气，如图2-1所示。

图2-1 冲天炉结构

1-除尘器2-烟囱3-进风通4-前炉5-出渣口6-出铁口

7-支腿8-炉底板9-加料口

2.2.2 电炉熔化

铁合金常用的熔化电炉，有：三相交流电弧炉和感应电炉。

（1）三相交流电弧炉

原理：利用电极和炉料之间产生高温电弧使金属料熔化。

电弧炉结构图如下图2-9所示。

图2-9 三相交流电弧炉

1-支腿; 2-炉体; 3-炉盖; 4-除尘;5-电极;

6-炉盖开启旋转机构;7-电缆; 8-变压器

（2）坩埚式感应电炉

感应炉断面结构图如下图2-10所示。

原理：当线圈中通以一定频率的交流电时，在坩埚中产生磁场，使得处于该磁场内的金属材料中形成感应电流。由于金属材料有电阻，因此金属材料便发热而熔化。

图2-10坩埚式感应电炉

1-出水口；2-炉盖；3-作业面板；4-冷却水；5-感应线圈粘接剂；

6-炉体；7-铁芯；8-感应线圈；9-耐火材料；10-金属液；11-耐火砖；

12-倾转油缸；13-支架

（3）感应炉熔炼的集中控制式自动化系统

集中控制式自动化系统的优点：

1）运行优化，节能省电；

2）熔液出炉温度偏差小，质量稳定；

3）可防止升温过高，安全可靠；

4）自动化程度高，不会因操作者的不同而引起熔液质量的波动；

5）熔化效率提高；

6）炉衬的使用寿命长；

7）改善劳动环境。

为确保安全自动运行，本系统还设有安全自动监视装置、耐火砖损耗检测装置及物料搭棚状况检测装置。

2.2.3 自动浇注装备

（1）自动浇注机的类型及特点

基本功能包括：浇注时的定位与同步、浇注流量控制、浇注速度控制、金属液补充及保温、安全保护等。

国内外常用的自动浇注机主要有：电磁泵式浇注机、气压包式浇注机、倾转式浇注机等。（2）电磁泵的工作原理及电磁泵式自动浇注机

1）电磁泵的原理：通入电流的导电流体在磁场中受到洛仑兹力的作用，使其定向移动，如图2-11所示。

2）电磁泵的主要技术性能指标－压头(ΔＰ)间存在如下关系:

x dx

ΔＰ是压头；

Jx是垂直于磁感应强度和金属液体流动方向上的电流密度；By是垂直于电流和金属液体流动方向上的磁感应强度，

Ｌ是处于磁隙间的金属液体长度。

图2-11 电磁泵工作原理

3）自动浇注机的结构由电磁泵和浇注流槽组成。电磁泵的效率通常很低，如何提高电磁泵的效率,对于电磁泵的推广应用是一个十分重要的课题。

电磁泵的效率受诸多因素的影响，泵体流槽结构、直流电极是关键结构因素。优点是：容易调节浇注速度和浇注量；容易实现自动化；此外电磁力对熔渣不起作用，因此流动时只有金属液向浇注口方向运动，可保证浇注的金属液质量。

图2-12 电磁泵自动浇注机的结构简图

1-排液口2-加料口3-电磁泵4-流槽5-耐火材料6-浇嘴7-贮液槽

（3）气压式自动浇注机

1）工作原理（如图2-13所示）

在密封浇包的金属液面上施加一压力，金属液在压力的作用下沿浇注槽上升，金属液到达浇注口后便自然下落，浇入到铸型。浇注完毕，金属液面上的气体卸压，金属液回落。为保证浇注平稳，浇注前金属液面上应施加一个预压力（备浇压力），使金属液到达浇注槽的预定位置。每浇注一次，浇包内的金属液面下降，该预压力应随着液面的下降而自动补偿。

图2-13 气压式自动浇注机的工作原理

2）带荷重传感器的气压式自动浇铸机

采用荷重传感器与预压力联合控制，可大大提高浇注定量的精度和浇注过程的稳定性，它使称量、保持备浇状态、浇注、卸压等各个动作均自动连续进行。

图2-14 带荷重传感器的气压式自动浇铸机

3）摄像头检测液面的自动浇注机控制原理图

将摄取的浇口杯中的液面图像数据传输到计算机中，与计算机中预存的浇口杯充填状态图进行比较处理，并以此得到相应的控制信号，然后驱动伺服油缸/电机动作，带动塞杆升降得到不同的开启程度。如浇口杯中完全充满液体，且液面不再变化时，即认为浇注完毕，塞杆下降关闭浇嘴。

图2-15 摄像头检测液面的自动浇注机控制原理图

1—伺服油缸2—塞杆3—摄像头

（4）倾转式自动浇注机

倾转式浇注机是目前使用最广泛的浇注装备。其特点是结构简单容易操作，适应性强，能满足不同用户的需求，如下图2-16所示。

图2-16倾转式自动浇注机

1-同步挡块，2，4-薄膜气缸，3-横向移动车架，5-电机，6-减速器，7-摩擦轮，

8-横向移动液压缸9-纵向移动液压缸10-倾转油缸11-倾转架12-浇包

（5）全自动倾转式浇注机控制原理

全自动倾转式浇注机，采用了多传感器检测浇注时温度、流量、浇口杯液面等以适时控制浇注机，实现浇注过程的全自动化。

2.3 砂处理装备及自动检测系统

2.3.1 砂处理装备概述

砂处理装备，一般包括旧砂的回用（或再生）处理装备、混砂装备、搬运及辅助装备等。旧砂回用装备的主要功能是：去除旧砂中的金属屑、杂质灰尘、降温冷却及贮藏等。

再生装备主要用于：化学粘结剂砂（树脂砂和水玻璃砂等），其作用是去除包覆在砂粒表面的残留粘结剂膜。

混砂装备则是：完成砂、粘结剂及附加物等的称量和混制，获得满足造型要求的高质量型砂。

根据粘结剂的不同，分为粘土砂、水玻璃砂、树脂砂三类。

型砂制备工艺流程图

一个组成简单（典型）的粘土旧砂处理系统

旧砂回用系统的自动化重点是:旧砂冷却,即旧砂温度的检测与控制

为提高旧砂的冷却效率，普遍的方法是采用增湿冷却方法其原理是将水加入到热的旧砂中，水吸热汽化带走砂的热量使砂温降低。因此，在自动化的旧砂回用系统中须设置型砂温度传感器、水分传感器、加水装置、搅拌装置、除尘装置等。而型砂混制系统的自动化重点则是型砂性能的控制，其主要控制对象是以型砂紧实率为中心的型砂性能在线检测装置、水分检测装置、加水装置等。

2.3.2 旧砂处理装备

粘土旧砂处理装备常有：夹杂物分离设备、冷却设备等。对于化学粘结剂砂还包括旧砂的再生设备。

（1）夹杂物分离设备

对于混杂在旧砂中的断裂浇冒口、飞边、铁豆等铁磁性物质可用磁分离的方法去除。对于没有磁性的金属、砂芯芯头等则可用筛分的方法去除。

常用的磁分离设备有：磁分离滚筒、磁分离带轮和带式磁分离机三种；

常用的筛分装置有：滚筒筛砂机、摆动筛砂机、振动筛砂机等。常用的磁分离设备：

（2）旧砂冷却装备

自动化造型生产线的型砂使用频率很高，浇注后型砂温度升高，必须对旧砂进行冷却。常用的冷却装备中有加水和吹冷空气冷却方法。采用吹冷空气方法的设备有冷却提升机、振动沸腾冷却床等。

回转冷却滚筒

振动提升冷却设备：集冷却与垂直提升于一体，如下图：

振动沸腾冷却，如下图：

（3）旧砂再生装备

对于化学粘结剂砂（树脂砂、水玻璃砂等）而言，如象粘土旧砂一样，对旧砂进行简单的处理（破碎、去磁、除尘等）较难达到回用之目的，必须对旧砂进行再生。随着环保要求的日益严格和资源的减少，旧砂再生已成为现代化的铸造企业必须考虑的重要课题之一。旧砂再生的方法很多，不同的旧砂由于其性质的明显不同，适合不同的再生方法。根据其再生原理可分为：干法再生、湿法再生、热法再生等。各种旧砂再生装备系统将在第9章中介绍。

2.3.3 混砂装备

混砂装备是自动化砂处理系统中最重要的设备，应根据铸件大小、造型方法、型砂类型、粘结剂等来选择合适的混砂装备。混砂装备种类繁多，结构各异。

（1）粘土砂混砂机

粘土砂混砂机，按混砂装置可分为：碾轮式、转子式、摆轮式、叶片式、逆流式等。混砂机对混制粘土砂的要求是：将各种成分混合均匀，使水分均匀湿润所有物料；使粘结剂

膜均匀地包覆在砂粒表面；将混砂过程中产生的粘土团破碎，使型砂松散。

1）碾轮式混砂机:是目前使用最广泛的混砂装备之一

碾轮的运动分析：

在辗轮上的任一点的速度都由三个分速度合成。这三个分速度表示了辗轮的三种运动，从而形成了对型砂的三种作用：垂直方向的辗压作用，水平方向的搓研作用，辗轮轴向的拖抹作用。

2）转子式混砂机

转子式混砂机依据强烈搅拌原理设计，是一种高效、大容量的混砂装备。其主要混砂机构是高速旋转的混砂转子，转子上焊有多个叶片。根据底盘的转动方式有底盘固定式、底盘旋转式两类。

图2-19 转子式混砂机示意图1-刮板混砂器电动机 2-机架 3-刮板混砂器 4-大齿圈 5-卸砂门 6-混砂转子

7-底盘转动电动机 8-围圈 9-混砂转子电动机

图2-20 S14系列转子混砂机

1-转子电动机 2-转子减速器 3-流砂锥 4-加水装置 5-围圈 6-壁刮板7-长刮板 8-底

盘

9-主电动机 10-减速器 11-主轴套 12-内衬圈 13-短刮板14-混砂转子与常用的碾轮式混砂机相比，转子混砂机有如下特点：

①碾轮混砂机的碾轮对物料施以碾压力，而转子混砂机的混砂器对物料施加冲击力、剪切力和离心力，使物料处于强烈的运动状态。

②碾轮混砂机的碾轮不能埋在料层中，以免前进阻力太大。转子混砂工具可以完全埋在料层中工作，可将能量全部传给物料。

③碾轮混砂机主轴转速一般为25~45r/min；高速转子的转速为600r/min左右，使受到冲击的物料快速运动，混合速度快，混匀效果好。

④碾轮使物料始终处于压实和松散的交替过程；转子则使物料一直处于松散的运动状态，有利于物料间穿插、碰撞和摩擦，也减轻了混砂阻力。

⑤转子混砂机生产效率高，生产量大。

⑥转子混砂机结构简单，维修方便。

（2）化学粘结剂砂混砂机：用于化学粘结剂如树脂、水玻璃砂的混砂机有双螺旋连续式混砂机和球形混砂机。只要求充分搅拌。

1）球形混砂机

图2-21 球形混砂机示意图

1－转轴 2—球型外壳 3—搅拌叶片 4—反射叶片 5—卸料门2）双螺旋连续式混砂机

图2-22 双螺旋连续式混砂机

1—螺旋混砂装置 2，4—闸门气缸 3—机身 5—快速混砂装置

（3）粘土混砂的自动控制及在线检测

1）粘土混砂过程在线控制的自动化及检测是近年来砂处理装备中最引人瞩目的研究领域。

2）型砂中的水分是影响型砂质量的关键要素，型砂紧实率是反映型砂性能的重要指标。因此，混砂的自动检测及控制多以水分及紧实率的测量及控制为中心进行。

测量参数控制方式测定方法受控介质水分、水分+砂温下次混料预测控制电阻法、电容法、红

外线法

水

体积密度、体积密度+

水分、体积密度+水分

+砂温

下次混料预测控制荷重传感器+

电容法

水

紧实率、剪切强度、

抗压强度

下次混料预测控制专用测定装置水、粘土紧实率本次混料反馈控制专用测定装置水、时间紧实率本次混料反馈控制专用测定装置水、时间

图2-22 型砂性能在线检测仪工作原理图

图2-23 以紧实率为目标的自动混砂系统

2.3.4 砂处理系统的自动检测/监测

2.4 造型设备及自动化生产线

造型是金属液态成形的主要工艺过程，其目的是获得一个紧实高而且分布均匀的砂型。

造型过程主要包括：填砂、紧实、起模、下芯、合箱及砂型、砂箱的运输等工序。

造型机是整个造型过程的核心装备，它的作用有三个：填砂、紧实和起模。其中紧实是关键的一环。

所谓的紧实就是：将包覆有粘结剂的松散砂粒在模型中形成具有一定强度和紧实度的砂块或砂型。紧实后的砂型应具有如下性能：

（1）有足够的强度。能经受起搬运、翻转过程中的震动或浇注时金属液的冲刷而不破坏。（2）容易起模。起模时不能损坏或脱落，能保持型腔的精确度。

（3）有必要的透气性，避免产生气孔等缺陷。上述要求，有时互相矛盾。

2.4.1 粘土砂用造型装备

常用紧实型砂的方法（简称实砂）有震击紧实、压实紧实、射砂紧实、气流紧实等。

根据其紧实原理造型机可分为震击/震压造型机、高压造型机、射压造型机、静压造型机、气冲造型机等。

根据是否使用砂箱又可分为有箱造型机和无箱/脱箱造型机。

（1）震击/震压造型机

1）震击紧实工作原理

震击紧实时的紧实度分布

震压造型的工作示意图

2）Z145型震压造型机

1－机身 2－按压阀 3－起模同步架 4－震压气缸 5－起模导向杆 6－起模顶杆

7－起模液压缸

8－震动器 9－转臂动力缸 10－装臂中心轴 11－垫块 12－压板机构13－

工作台14－起模架

3）主要部件

（2）压实/高压造型机

1）平板压实紧实原理

图2-24 Z145型震压造型机的震压气缸结构

1—压实气缸 2—压实活塞及震击气缸 3—密封圈

4—排气孔 5—震击活塞 6—导杆7—折叠式防尘罩

图2-25 Z145型震压造型机

1-起模缸2-节流阀3-进气孔4

2）多触头压实

图2-28 平压板压实后砂型内紧实度分布情况

1－砂型中心部分 2－靠近箱壁或落箱角处

图2-29 多触头压头

（a）压实前（b）压实后

1-小液压缸 2-多触头 3-辅助框 4-模样 5-砂箱3）典型的多触头高压微震造型机的结构

图2-30 高压微震造型机的结构

1-压实缸 2-压实活塞 3-立柱 4-模板穿梭机构 5-震动器6-工作台 7-模板框 8-加砂斗 9-压头移动

缸

10-横梁11-导轨 12-缓冲器 13-多触头压头 14-辅助框 15-边辊道16-模板夹紧器 17-气动微震

缸 18-机座

（3）射压造型机

1）射砂紧实方法

2）垂直分型无箱射压造型机

a.工作原理

图2-31 射砂机构示意图

1－射砂筒 2—射腔 3—射砂孔 4—排气塞5—砂斗 6—加砂闸板 7—射砂阀 8—贮气包9—射砂头10—射砂板 11—芯盒 12—工作台

b.垂直分型无箱射压造型机结构

c.3

垂直分型无箱射压造型机的型循环的六个工序

图2-33 垂直分型无箱射压造型机

1－射砂筒 2—加砂口 3—射砂阀 4—贮气包

5—主液压缸 6—导杆 7—机座 8—正压板 9—造型室

图2-34 造型循环的六个工序

A) 工序Ⅰ射砂 b ）工序Ⅱ压实 c ）工序Ⅲ起模（1） d ）工序Ⅳ推出合型 e ）工序Ⅴ起模（2） f ）工

1—造型室 2—排气阀 3—射砂筒 4—砂闸板 5—贮气罐 6—增速液压缸 7—增速活塞 8—辅助活塞 9—导

液压缸 12—正压板 13—反压板 14—料位指示器 15—射砂阀 16—砂型

d. 垂直分型无箱射压造型机的液压工作原理图

2.4.2 树脂砂制芯/型装备

（1）热芯盒射芯机

图

2-47 热芯盒射芯机

1—振动电机 2—闸板 3—射砂筒 4—射砂头 5—排气塞 6—气动托板7—工作台及其升降气缸 8—底座 9—立柱 10—闸板气缸 11—闸板密封圈12—砂斗 13—减震器 14—排气阀 15—加热板 16—夹紧器 17—夹紧气缸18—工作台 19—开关控制器 20—取芯杆 21—砂芯 22—薄膜阀23—芯盒

液态金属成型原理作业

液态金属成型原理一、简述普通金属材料特点及熔配工艺 1 普通金属材料的特点 1.1铸铁材料铸铁是含碳量大于2.11%或者组织中具有共晶组织的铁碳合金，其成分范围为：2.4%~ 4.0%C，0.6%~3.0%Si，0.2%~1.2%Mn，0.1%~1.2%P，0.08%~0.15%S。依据碳在铸铁中的形态可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁及麻口铸铁，其中灰口铸铁依据石墨形态的不同分为普通灰铸铁、蠕虫状石墨铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。（1）白口铸铁白口铸铁中的碳少量溶于铁素体，大部分以碳化物的形式存在于铸铁中，断口呈银白色。白口铸铁硬而脆，很难加工。我们可以利用它的硬度高和抗磨性好的特点制造一些高耐磨的零件和工具。（2）灰铸铁碳主要结晶成片状石墨存在于铸铁中，断口为暗灰色。灰口铸铁不能承受加工变形，但是却具有特别优良的铸造性能，同时切削加工性能也很好，低熔点、良好的流动性和填充性以及小的凝固收缩。（3）麻口铸铁麻口铸铁具有灰口和白口的混合组织，断口呈灰白交错。麻口铸铁不利于机械加工，也无特殊优异的使用性能。（4）可锻铸铁可锻铸铁是由白口铸铁经过石墨化退火后制成的。具有较高的强度、塑性和韧性，与球墨铸铁相比具有质量稳定、处理铁水简便以及易于组织流水线生产等优点，适用于形状复杂薄壁小件的大批量生产。（5）球墨铸铁球墨铸铁中的碳主要以球状石墨形态存在于铸铁中。球墨铸铁具有比灰口铸铁高得多的强度、塑性和韧性，同时仍保持着灰口铸铁所具有的耐磨、消震、易切削加工、容易铸造等一系列优异性能。 1.2 铸钢材料铸钢具有良好的综合机械性能和物理化学性能，比铸铁具有更高的强度、塑性和良好的焊接性。按化学成分可以分为碳素钢和合金钢，其中碳素钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。（1）低碳钢低碳钢的含碳量小于0.20%，它的塑性和韧性较高，但是强度较低，通常要经过渗碳后进行淬火、回火处理来提高强度和耐磨性。低碳钢的铸造性能差，熔点高，钢液流动性差，

液态金属

液态金属行业研究报告第一节液态金属材料简述 1.1液态金属的定义液态金属即非晶材料，是一种长程无序（短程有序）、亚稳态（一定温度晶化）、一定程度上的物理特性各向同性的金属材料，具有固态、金属、玻璃的特性，又称金属玻璃，具有高强度、高硬度、塑性、热传导和耐磨性等。图1-1 液态金属具有长程无序结构

1.2 液态金属的特点液态金属兼有玻璃、金属、固体和液体的特性，是一类全新性的高性能金属材料，具备很多不同于传统玻璃材料的独特的性质。非晶材料具有高强度、高比强度、高硬度和高弹性形变等优点

Liquidmetal在表面光洁度上远远高于镁、铝、钛、钢等金属。1)是迄今为止最强的金属材料（屈服强度和断裂韧性最高）和最软的（屈服强度最低）金属材料之一； 2) 具有接近陶瓷的硬度，却又能在一定温度下能像橡皮泥一样的柔软，像液体那样流动（超塑性），所以它又是最理想的微、纳米加工材料之一； 3) 液态金属的强度（1900Mpa）是不锈钢或钛的两倍，易塑形堪比塑料，兼具了钢铁和塑料的优势，可以塑性加工。

工艺余成本优势优势劣势加工工艺 1.相对于一般的高强度合金制备，它具有净成形（Net-ShapeCasting ）的特点，可以避免繁琐的后期机加工。复合材料熔点较低，不适合用于高温环境，比如蒸汽机引擎部件等。 2.目前的制备的液态金属通常很薄，一般的锆-钛非晶合金只有 2.5cm 厚度，暂时不适用于大型的结构部件热敏塑性，可以用模具塑型，既简单又经济，而且精度高非晶合金的复合材料熔点低，避免了高温对复合成分中的金属性质造成损害无氧环境下成型，具有钝面的表面光洁度成本基本上是一次净成型，且表面光洁度高，省却大量的后加工；效率非常高，以宜安科技自制的压铸设备为例，每台机可以实现压铸600次/天，相比于CNC 加工数个小时加工一件的效率相比，成本优势相当显著，大约能降低一半的成本。 1.3 液态发展历程第二节液态金属的制备方法

液态成型作业答案完结版

第二讲 1、哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏？答：以下现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏：（1）物质熔化时体积变化、熵变（及焓变）一般均不大。［注意：简答题此部分可略：如金属熔化时典型的体积变化△Vm／V（多为增大）为3～5％左右，表明液体原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。］（2）金属熔化潜热比其汽化潜热小得多（1／15～1／30），表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。 2、实际液态金属的结构是怎样的？实际液态金属和合金由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子集团、空穴所组成，同时也含有各种固态、液态或气态杂质或化合物，而且还表现出能量、结构及浓度三种起伏特征，其结构十分复杂。 3、名词解释：能量起伏、结构起伏、浓度起伏、粘度、运动粘度、雷诺数、层流、紊流、表面张力和表面能。答：能量起伏：液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起伏结构起伏: 由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时大时小，此起彼伏的，称为结构起伏浓度起伏: 对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为成分起伏粘度: 流体在层流流动状态下，流体中的所有液层按平行方向运动。在层界面上的质点相对另一层界面上的质点作相对运动时，会产生摩擦阻力。当相距1cm的两个平行液层间产生1cm/s的相对速度时，在界面1cm2面积上产生的摩擦力，称为粘滞系数或粘度运动粘度:液体在重力作用下流动时内摩擦力的量度，数值等于γ=η/ρ。表面张力:产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。与表面能大小、单位一致，从不同角度描述同一现象。表面能:表面自由能（简称表面能）为产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。雷诺数: 流体流动时的惯性力Fg和粘性力(内摩擦力)Fm之比称为雷诺数。用符号Re 表示。Re是一个无因次量。层流：流体流动时,如果流体质点的轨迹(一般说随初始空间坐标x、y、z和时间t而变)是有规则的光滑曲线（最简单的情形是直线），这种流动叫层流。紊流：在一定雷诺数下，流体表现在时间和空间上的随机脉动运动，流体中含有大量不同尺度的涡旋(eddy)。 4、分析粘度的影响因素及其对粘度的影响规律。 ①温度一般情况下温度提高，液体金属的粘度减小。 ②化学成分杂质的数量、状态和分布情况都能在不同程度上影响到液态金属的粘度。在液态金属中呈固态杂质常使其粘度增加。但有些熔点低的杂质在液态属中呈熔融状态，反而会使该液态金属的粘度降低。酸性钢较碱性钢的粘度小就是因为酸性钢的杂质多是液态的，而碱性钢的杂质常呈粒状固体；共晶成分的合金粘度小；液体金属和合金的粘度与其过热度有关，过热度越大，粘度越小。 5、分析表面张力的影响因素及其对表面张力的影响规律。（1）表面张力与熔点的关系熔点越高，或摩尔表面积越大，表面张力越大。因为熔点越高说明金属原子之间的作用

金属材料的液态成型

第一章金属材料的液态成形 1.1概述金属的液态成型常称为铸造，铸造成形技术的历史悠久。早在5000多年前，我们的祖先就能铸造红铜和青铜制品。铸造是应用最广泛的金属液态成型工艺。它是将液态金属浇注到铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。在机器设备中液态成型件所占比例很大，在机床、燃机、矿山机械、重型机械中液态成型件占总重量的70%~90%；在汽车、拖拉机中占50%~70%；在农业机械中占40%~70%。液态成型工艺能得到如此广泛的应用，是因为它具有如下的优点：（1）可制造出腔、外形很复杂的毛坯。如各种箱体、机床床身、汽缸体、缸盖等。（2）工艺灵活性大，适应性广。液态成型件的大小几乎不限，其重量可由几克到几百吨，其壁厚可由0.5mm到1m左右。工业上凡能溶化成液态的金属材料均可用于液态成型。对于塑性很差的铸铁，液态成型是生产其毛坯或零件的唯一的方法。（3）液态成型件成本较低。液态成型可直接利用废机件和切屑，设备费用较低。同时，液态成型件加工余量小，节约金属。但是，金属液态成型的工序多，且难以精确控制，使得铸件质量不够稳定。与同种材料的锻件相比，因液态成型组织疏松、晶粒粗大，部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷。其机械性能较低。另外，劳动强度大，条件差。近年来，随着液态成型新技术、新工艺、新设备、新材料的不断采用，使液态成型件的质量、尺寸精度、机械性能有了很大提高，劳动条件到底改善，使液态成型工艺的应用围更加广阔。液态材料铸造成形技术的优点：（1）适应性强，几乎适用于所有金属材料。（2）铸件形状复杂，特别是具有复杂腔的铸件，成形非常方便。（3）铸件的大小不受限制，可以由几克重到上百吨。（4）铸件的形状尺寸，组织性能稳定。（5）铸造投资小、成本低，生产周期短。液态材料铸造成形技术也存在着某些缺点：如铸件部组织疏松，晶粒粗大，易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷；而外部易产生粘砂、夹砂、砂眼等缺陷。另外铸件的力学性能低，特别是冲击韧性较低。铸造成形工艺较为复杂，且难以精确控制，使得铸件品质不够稳定。铸造成形技术的发展：（1）提高尺寸精度和表面质量；（2）先进的造型技术及自动化生产线；（3）高效、节能，减少污染；（4）降低成本，改善劳动条件。 1.2 钢铁的生产过程钢铁的生产过程是一个由铁矿石炼成生铁、再由生铁炼成钢液并浇注成钢锭的过 1.2.1 炼铁炼铁在高炉中进行，其过程为：将铁矿石、焦碳和石灰石等按一定比例配成炉料，由加料车送入炉，形成料柱，加料完毕，将炉顶关闭。被热风炉加热到900～1200℃的热风，由炉壁上的风口吹入高炉下部，使焦碳燃烧，产生大量的炉气。炙热的炉气在炉上升，加热炉料，并

《材料成形原理》重点及答案

一、名词解释 1 表面张力—表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均匀所致。 2 粘度－表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。或作用于液体表面的应力τ大小与垂直于该平面方向上的速度梯度dvx/dvy的比例系数。 3 表面自由能(表面能)－为产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。 4 液态金属的充型能力－液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力。 5 液态金属的流动性－是液态金属的工艺性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。 6 铸型的蓄热系数－表示铸型从液态金属吸取并储存在本身中热量的能力。 7 不稳定温度场－温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场稳定温度场－不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）： 8 温度梯度—是指温度随距离的变化率。或沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。 9 溶质平衡分配系数K0—特定温度T*下固相合金成分浓度CS*与液相合金成分CL*达到平衡时的比值。 10 均质形核和异质形核－均质形核(Homogeneous nucleation) ：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生形核的过程，亦称“自发形核”。非均质形核(Hetergeneous nucleation) ：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程，亦称“异质形核”。 11、粗糙界面和光滑界面－从原子尺度上来看，固－液界面固相一侧的点阵位置只有50％左右被固相原子所占据，从而形成一个坑坑洼洼凹凸不平的界面层。粗糙界面在有些文献中也称为“非小晶面”。

材料成型工艺基础习题答案

材料成型工艺基础（第三版）部分课后习题答案第一章 ⑵.合金流动性决定于那些因素？合金流动性不好对铸件品质有何影响？答：①合金的流动性是指合金本身在液态下的流动能力。决定于合金的化学成分、结晶特性、粘度、凝固温度范围、浇注温度、浇注压力、金属型导热能力。 ②合金流动性不好铸件易产生浇不到、冷隔等缺陷，也是引起铸件气孔、夹渣、縮孔缺陷的间接原因。 ⑷.何谓合金的收縮？影响合金收縮的因素有哪些？答：①合金在浇注、凝固直至冷却至室温的过程中体积和尺寸縮减的现象，称为收縮。 ②影响合金收縮的因素：化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件。 ⑹.何谓同时凝固原则和定向凝固原则？试对下图所示铸件设计浇注系统和冒口及冷铁，使其实现定向凝固。答：①同时凝固原则：将内浇道开在薄壁处，在远离浇道的厚壁处出放置冷铁，薄壁处因被高温金属液加热而凝固缓慢，厚壁出则因被冷铁激冷而凝固加快，从而达到同时凝固。 ②定向凝固原则：在铸件可能出现縮孔的厚大部位安放冒口，使铸件远离冒口的部位最先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口本身最后凝固。第二章 ⑴ .试从石墨的存在和影响分析灰铸铁的力学性能和其他性能特征。答：石墨在灰铸铁中以片状形式存在，易引起应力集中。石墨数量越多，形态愈粗大、分布愈不均匀，对金属基体的割裂就愈严重。灰铸铁的抗拉强度低、塑性差，但有良好的吸震性、减摩性和低的缺口敏感性，且易于铸造和切削加工。石墨化不充分易产生白

口，铸铁硬、脆，难以切削加工；石墨化过分，则形成粗大的石墨，铸铁的力学性能降低。 ⑵.影响铸铁中石墨化过程的主要因素是什么？相同化学成分的铸铁件的力学性能是否相同？答：①主要因素：化学成分和冷却速度。 ②铸铁件的化学成分相同时铸铁的壁厚不同，其组织和性能也不同。在厚壁处冷却速度较慢，铸件易获得铁素体基体和粗大的石墨片，力学性能较差；而在薄壁处，冷却速度较快，铸件易获得硬而脆的白口组织或麻口组织。 ⑸.什么是孕育铸铁？它与普通灰铸铁有何区别？如何获得孕育铸铁？答：①经孕育处理后的灰铸铁称为孕育铸铁。 ②孕育铸铁的强度、硬度显著提高，冷却速度对其组织和性能的影响小，因此铸件上厚大截面的性能较均匀；但铸铁塑性、韧性仍然很低。 ③原理：先熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、硅含量的高温铁液，然后向铁液中冲入少量细状或粉末状的孕育剂，孕育剂在铁液中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化骤然增强，从而得到细化晶粒珠光体和分布均匀的细片状石墨组织。 ⑻.为什么普通灰铸铁热处理效果不如球墨铸铁好？普通灰铸铁常用的热处理方法有哪些？其目的是什么？答：①普通灰铸铁组织中粗大的石墨片对基体的破坏作用不能依靠热处理来消除或改进；而球墨铸铁的热处理可以改善其金属基体，以获得所需的组织和性能，故球墨铸铁性能好。 ②普通灰铸铁常用的热处理方法：时效处理，目的是消除内应力，防止加工后变形；软化退火，目的是消除白口、降低硬度、改善切削加工性能。

《金属精密液态成形技术》习题参考答案-(1)

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

成型技术基础·成型技术基础平时作业

《成型技术基础》作业班级__2017秋____ 姓名__尹佩仪_____ 一、判断题 1.缩松是铸件的气孔。（×） 2.自由锻是一种不用任何辅助工具的可以锻造任何形状的零件的锻造方法。（×） 3.铸造是指将液态合金浇注到具有与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待冷却凝固后获得毛坯或零件的生产方法。（√）4.铸件在冷却凝固过程中由于体积收缩得不到补充而在最后凝固部位形成的倒圆锥形孔洞称为缩孔。（√） 5.低碳钢的强度、硬度低，但具有良好的塑性、韧性及焊接性能。（√） 6.塑性是金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。（√） 7.可锻铸铁比灰铸铁的塑性好，因此可以进行锻压加工。（√） 8.随塑性变形程度的增大，金属强度和硬度上升而塑性和韧性下降的现象称为加工硬化。（√） 9.板料冲压是利用冲模使液态金属成型的加工方法。（×） 10.“同时凝固”这种工艺措施可以有效的防止应力、变形和缩孔缺陷。（×） 11.普通钢和优质钢是按其强度等级来区分的。（×） 12.金属的塑性变形主要通过位错的滑移进行。（√） 13.金属的晶粒越细小，其强度越高，但韧性变差。（×） 14.弹簧钢的最终热处理应是淬火+低温回火。（×） 15.奥氏体的塑性比铁素体的高。（√）

16.钢的含碳量越高，其焊接性能越好。（×） 17.锻造加热时过烧的锻件可用热处理来改正。（×） 18.给铸件设置冒口的目的是为了排出多余的铁水。（×） 19.薄板件的波浪形变形主要是焊缝局部应力较大而引起的。（√） 20.一般把金属的焊接分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。（√）二、问答题和分析题 1.在金属结晶过程中采用哪些措施可以使其晶粒细化？答：增加过冷度、变质处理、附加震动。 2.最常见的晶体结构有哪几种？下列金属各具有哪些晶体结构。 α-Feδ-Feγ-Fe 答：常见的晶体结构有，体心立方晶格、面心立方晶格、密排六防晶格。其中，α-Fe为体心立方晶格，δ-Fe为体心立方晶格，γ-Fe为面心立方晶格。 3.什么叫金属的同素异晶转变？室温下和1200°C的铁分别是什么晶格？答：金属在固态下由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化称为金属的同素异晶转变；室温下和1200°C的铁分别是面心立方晶格的γ-Fe和体心立方晶格的α-Fe。 4.什么是液态合金的充型能力？影响充型能力的因素有哪些答：液态合金的充型能力是指液态合金充满铸型型腔，获得尺寸正确、形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。影响充型能力的因素主要有合金的流动性、浇注温度、充型压力、铸型条件。 5.铸件缩孔形成的原因是什么？什么是顺序凝固原则？什么是同时凝固原则？各采取什么措施来实现？上述两种凝固原则各适用于哪种场合？答：（1）铸件缩孔形成的原因是液态金属填满铸型后，合金液逐渐冷却，铸件表面先冷却形成硬壳，里面的液态金属冷却收缩而形成凹陷，最后凝固成倒锥形缩孔。（2）顺序凝固原则就是使铸件按递增的温度梯度方向从一个部分到另一部分依次凝固。在铸件可能出现缩孔的热节处，通过增设冒口或冷铁等一系列工艺措

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）