凝固原理与铸造技术题目及答案.docx

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凝固原理与铸造技术题目及答案

凝固原理与铸造技术复习题答案

1、画出纯金属浇入铸型后发生的传热模型示意图，并简要说明其凝固过程的传热特点。

凝固过程的传热有如下一些特点：

简单地说：

一热、二迁、三传。

首先它是一个有热源的传热过程。

金属凝固时释放的潜热，可以看成是一个热源释放的热，但是金属的凝固潜热，不是在金属全域上同时释放，而只是在不断推进中的凝固前沿上释放。

即热源位置在不断地移动；另外，释放的潜热量也随着凝固进程而非线性地变化。

一热：

有热源的非稳态传热过程，是第一重要的。

二迁：

固相、液相间界面和金属铸型间界面，而这二个界面随着凝固进程而发生动态迁移，并使传热现象变得更加复杂。

三传：

液态金属的凝固过程是一个同时包含动量传输、质量传输和热量传输的三传（导热、对流和辐射传热）耦合的三维传热物理过程。

其次，在金属凝固时存在着两个界面。

即固相、液相间界面和金属铸型间界面，而在这些界面上，通常发生极为复杂的传热现象。

2、一个直径为25cm的长圆柱形铸钢件在砂型和金属型中凝固：

（l）当忽略铸件-铸型界面热阻时，它们的凝固时间各为多少？

（2）当铸件-铸型的界面换热系数hi=0.0024J（cm2．s．℃）时，它们的凝固时间各为多少？

计算用参数如表l-2所示，计算中假定钢水无过热度，并在一个固定的温度Tf下凝固，同时假定铸型无限厚。

3、对于单元系而言，为什么高温时稳定的同素异性结构具有比低温时稳定的同素异性结构有较高的热焓，即H（γ-Fe）>H（α-Fe）?

4、推导曲率引起的平衡温度改变的计算公式。

除压力外，表面曲率亦对平衡温度产生影响。

在凝固时，表面曲率对固相来说相当于增加了一项附加压力，这项附加压力是与界面张力相平衡的。

当任一曲面体的体积增加ΔV，面积增加ΔA时，附加压力ΔP与界面张力σ的关系为：

由于曲率引起的平衡温度的改变为：

5、二元合金的溶质平衡分配系数，除可以用热力学数据计算外，还可以用液相线斜率mL及结晶潜热ΔHm来计算。

试推导其计算公式。

溶质平衡分配系数k0为恒温下固相溶质浓度CS与液相溶质浓度CL达到平衡时的比值（即k0=Cs/CL）。

二元合金的溶质平衡分配系数，除可以用热力学数据计算外，还可以用液相线斜率mL及结晶潜热ΔHm来计算。

在二元合金中，设mL和mS为常数，则有：

6、已知纯铜的熔点为1085℃，液态时铜的摩尔体积为8.0×10-6m3，固态时为7.1×10-6m3，当压力的变化为103MPa时，试确定纯铜熔点温度的变化。

Clausius-Claceyron方程式：

=（1085+273）*（8.0-7.1）*10（-6）/（13.05*10（3））*10（3）*10（6）=93.66K

7、从最大形核功的角度，解释dAG/dr=0的意义。

当液体中出现晶核时，系统自由能的变化由两部分组成，一部分是液相和固相体积自由能差ΔGv，它是相变的驱动力,另一部分是由于出现了固-液界面，使系统增加了界面能ΔGe，它是相变的阻力。

这样，系统总的自由能变化为：

因此，总的自由能将随r的变大而由小变大再变小，在晶核临界半径r*时，为极大值，与其相对应的ΔG*即为形核功。

为此，将式（3-2）对r求导，并令dΔG/dr=O，即可求出临界品核半径：

或：

由于ΔG是r的函数，dΔG/dr=0表示ΔG在晶核半径为临界晶核r*时达到最大，当晶胚尺寸小于临界晶核尺寸时其长大将导致体系自由能的增加，故这种尺寸的晶胚难以长大，最终熔化而消失，只有当晶胚尺寸大于临界晶核尺寸时才能形成稳定的晶核。

8、讨论说明下图所表述的意义。

尽管润湿角在非自发形核中有着重要作用，但用实验方法测定润湿角是困难的。

一般，润湿角愈小，夹杂界面的形核能力愈高。

过冷度ΔT愈大，晶胚尺寸愈大，其曲率半径愈大。

但在相同的过冷度下，润湿角小的晶胚，在折合成同体积的情况下，其曲率半径更大些。

它们与临界半径r*和ΔT的关系曲线的交点即为该θ角相应的形核过冷度，从图中可知θ角愈小，形核过冷度愈小，即其形核能力愈强。

上述情况必须有几个先决条件，首先是润湿角和温度无关，其次是夹杂的基底面积要大于晶胚接触所需要的面积，最后是晶胚和夹杂的接触面为平面。

9、分析讨论选择形核剂的条件。

生产中选择形核剂时还应考虑哪些因素？

形核剂的条件

根据界面能产生的原因，不难理解，两个相互接触的界面结构（原子排列的几何情况、原子大小，原于间距等）愈近似，它们之间的界面能就愈小。

通常用错位度（或称不匹配度）δ来表示界面上晶核原子与夹杂原子互相间的匹配情况。

当δ值很小时，过冷度ΔT与δ之间有如下关系：

δ值较小的物质对形核是有效的。

但是，这种点阵匹配原理并不是完善的，特别是用它作为选择形核剂的标准还远远不够，因为它与很多事实不符，例如尽管Ag与Sn的δ值比Pt与Sn的δ值小，但Pt能作Sn的形核剂，而Ag却不能，这说明单靠点阵常数的差异还不能作为判断形核剂的唯一标准，其它的物理化学特性是不能忽视的，目前关于形核剂的选用，主要还是依靠经验。

润湿角除与界面张力有关外，还与形核剂表面粗糙度有关。

假若供形核的界面不是平面，而是曲面，则界面的曲度大小与方向（凸、凹）会影响界面的催化效果。

图3-21为在三个不同形状的界面上形成的三个晶胚，它们具有相同的曲率半径和相同的θ角，但三个晶胚的体积却不一样。

凸面上形成的晶胚体积最大，平面上次之，凹面上最小。

在铸件生产中，希望获得细小等轴晶结构的材料，为获得这种结构材料，最简单而有效的办法是采用孕育处理。

晶体结构、化学因素（两相异类原子间的结合键力）以及表面状态等对孕育剂的形核效果都起重要作用。

为充分发挥孕育剂的效果，必须保证它在液体金属中的均匀分布，防止其表面的污染（如氧化以及吸附其它有害于降低界面张力的元素）和熔化。

此外，为了保证有效地利用孕育剂，在液体金属中出现成分过冷是需要的。

促使成分过冷的有效条件是：

液体中低的温度梯度、大的晶体长大速度和对于ko<1的情况下的低的溶质分配系数。

在铸型或锭模中，加强液体金属的对流以造成枝晶的熔断、游离（如电磁搅拌），可以获得大量的细小晶体，它们的表面纯净，没有降低润湿性的氧化膜，有利于晶体生长，其所起的作用和有效的孕育剂是一样的。

为了避免孕育剂的表面污染，在选择孕育剂时，考虑到通过化学反应的产物作为非自发核心是非常必要的。

必须指出的是，非自发形核的过冷度将随溶液冷速的增加而加大，在溶液内存在着形核能力不同的多种物质时，如果溶液达到其能力所允许的特定过冷度，它们中间的多种形核物质可能同时达到其对晶核的催化能力，这样，非自发形核的晶核尺寸将是多种多样的。

这说明具有一定形核能力的夹杂颗粒，其形核行为与冷却速度有关。

10、用平面图表示，为什么在晶体长大时，快速长大的晶体平面会消失，而留下长大速度较慢的平面？

由于不同晶面族上原子密度和晶面间距的不同，故液相原子向上堆砌的能力也各不相同。

因此在相同的过冷度下，各族晶面的生长速度也必然不同。

一般而言，液相原子比较容易向排列松散的晶面上堆砌，因而在相同的过冷度下，松散面的生长速度比密排面的生长速度大。

这样生长的结果，快速生长的松散面逐渐隐没，晶体表面逐渐为密排面所覆盖。

因此快速长大的晶体平面会消失，而留下长大速度较慢的平面。

如图3-11

11、试述在什么情况下，小晶面长大方式的晶体会长成树枝晶组织？

什么情况下又会长成漏斗形晶体？

树枝状长大:

 当液相具有负温度梯度时, 晶体将以树枝状方式生长. 此时, 界面上偶然的凸起深入液相时, 由于过冷度的增大, 长大速率越来越大; 而它本身生长时又要释放结晶潜热, 不利于近旁的晶体生长, 只能在较远处形成另一凸起. 这就形成了枝晶的一次轴, 在一次轴成长变粗的同时, 由于释放潜热使晶枝侧旁液体中也呈现负温度梯度, 于是在一次轴上又会长出小枝来, 称为二次轴, 在二次轴上又长出三次轴……由此而形成树枝状骨架, 故称为树枝晶（简称枝晶）. 

晶核一旦形成之后，为使其继续长大，液相原子必须向固-液界面上附着。

因此，晶体的进一步长大，受着原子向固-液界面附着的动力学条件的影响。

晶体长大的形貌，主要取决于固-液界面原子尺度的特殊结构，这种结构与固、液两相在晶体结构及结合键力上的差别密切相关。

通常，可以把材料在结晶形貌上分成两大类。

一类为非小晶面长大，金属和一些特殊的有机化合物属于此类，它们的晶体具有宏观上光滑的固一液界面，且显示不出任何结晶面的特征，原子在向固一渡界面上附着时是各向同性的。

原子的供给取决于热流及溶质原子的扩散场，哪个方向传热、传质快，哪个方向就长大得快。

与此同时，由于界面能的各向异性，这类晶体在长大方向上有择优取向的倾向，表现在树枝晶的主干有一定的结晶取向。

另一类为小晶面长大，类金属及金属间化合物、矿物、一些有机物晶体属于此类，它们的晶体具有宏观上锯齿状的固-液界面，并显示出结晶面的特征，图3-22b为这类晶体的外形。

这种晶体的不同晶面长大的速度是不一样的，高指数的晶面，长大时向前（垂直于晶面方向）推进的速度快，最后晶体被低指数晶面包封，从而形成有棱角的外形，究竟哪类物质属于非小晶面长大，哪类物质又是属于小晶面长大，这要取决于它们的熔化熵值，为此，必需首先要从固-液界面自由能方面进行讨论。

12、铸件在金属型中的位置选择主要有哪些设计原则？

铸件在金属型中的位置直接关系到型芯和分型面的数量、液体金属的导入位置、冒口的补缩效果、排气的通畅程度以及金属型的复杂程度等。

铸件在金属型中位置的设计原则如下。

（1）浇注系统易于安放，保证金属液平稳地充满金属型，排气方便，避免金属液流卷气和氧化。

（2）铸件最厚大部位应放置在金属型的上端，便于设置冒口补缩。

如盖子或盘形铸件的厚大法兰面应向上，便于设置冒口补缩。

（3）应使金属型结构简单，型芯数量少，安装方便，定位牢固可靠。

（4）应保证便于分型取出铸件，防止铸件被拉裂或变形。

由此可见铸件在金属型中的位置决定了工艺方案的优劣，所以在确定铸件位置时，应多方比较，综合考虑，以选择最佳的位置方案。

13、金属型的铸造工艺方案是决定金属型铸件质量的最本质因素。

确定铸造工艺方案时应注意哪些因素？

金属型的铸造工艺方案是决定金属型铸件质量的最本质因素。

确定铸造工艺方案时应注意以下几点。

（1）浇注系统的设计应尽可能简单，设置直浇道、横浇道等时应避免产生紊流。

近年来，为了防止浇注时金属液流动过程中形成紊流，可采用倾转式浇注（图2-1b）。

（2）铸件应力求避免壁厚的突然变化，厚壁与薄壁之间应平滑过渡。

因为壁厚的剧烈变化易引起金属液流动时形成紊流及凝固时产生热节，增加卷气或缩孔、缩松之类的缺陷。

（3）为保证金属液完全充满型腔，对于易形成密闭空间的部位（如拐角、凹坑等〕应设置排气塞或排气道来强化排气。

（4）确保顺序凝固。

合理设置冒口或补缩通道。

（5）为了保证铸件质量和提高生产效率，应考虑设置模具的冷却结构。

14、金属型铸造的顶注式浇注系统有哪些优缺点？

顶注式浇注系统主要应用于哪些生产条件？

金属液从设置在铸件顶部的浇道流入型腔，见图2-8。

缺点：

金属液自上而下流动，在流动过程中易飞溅，不利于气体排出，铸件易产生氧化夹渣和卷气等缺陷。

优点：

温度场分布合理。

因为低温熔液在下，而最后流入的高温液体在上，形成下低上高的温度场，非常有利于顺序凝固及余属液补缩。

浇道结构简单，制造方便，消耗的金属液体少。

应用：

顶注式浇注适用于矮而简单的铸件，高度超过100mm的铝、镁合金铸件宜采用倾转或倾斜浇注。

倾斜浇注时，倾斜角度为30~50度。

15、压铸主要存在哪些问题。

压铸存在的一些问题：

①由于液体金属充型速度极快，型腔中的气体很难排除，便以气孔形式存留于铸件中。

因此普通压铸法压铸的铸件不能进行热处理或焊接（加热时气体膨胀将导致铸件鼓泡而报废），也不适于比较深的机加工，以免铸件表面显出气孔。

②现有模具材料主要适合于低熔点的合金。

如锌、铝、镁等合金。

生产铜合金、黑色金属等高熔点合金，其模具材料存在着较大的问题，主要是模具的寿命非常短。

③压铸设备投资高，压铸模制造复杂，周期较长，费用较高，一般不适用于小批量生产。

④由于填充型腔时金属液的冲击力大，一般压铸不能使用砂芯，因此不能压铸具有复杂内腔（内凹）结构的铸件，如闭舵结构的铝合会发动机缸体。

16、如何确定铸件在压铸型中停留时间？

从持压终了至开型取出铸件所需要的时间称为停留时间，停留时间的长短实际上就是铸件出型时温度的高低。

若停留时间太短，铸件出型时温度较高，强度低，自型内顶出铸件时可能发生变形，铸件中气体膨胀使其表面出现鼓泡;

若停留时间过长，铸件出型时温度低，收缩大，抽芯及顶出铸件的阻力增大，热脆性合金铸件会发生开裂。

3.4.4填充时间、持压及铸件在压铸型中停留的时间

（1）填充时间

自液体金属开始进入型腔到充满为止所需要的时间称为填充时间。

填充时间与压铸件轮廓尺寸、壁厚和形状复杂程度以及液体金属和压铸模的温度等因素有关。

形状简单的厚壁铸件以及浇注温度与压铸型的温度差较小时，填充时间可以长些；反之，则填充时间应短些。

填充时间主要通过控制压射比压、压射速度或内浇道尺寸来实现，一般为0.01~0.2s。

（2）持压时间

从液体金属充满型腔建立最终静压力瞬时起，在这压力持续作用下至铸件凝固完毕，这段时间称为持压时间。

在这期间内应建立自铸件至内浇道的顺序凝固条件，使压力能传递至正在凝固的金属，以获得组织致密的铸件。

持压时间与合金的特性及铸件的壁厚有关。

对熔点高、结晶温度范围宽的合金，应有足够的时间，若同时又是厚壁铸件，则持压时间还可再长些。

持压时间不够，容易造成缩松。

有时当内浇道处的金属尚未完全凝固，由于压射冲头退回，未凝固的金属被抽出，常在靠近内浇道处出现孔穴。

对结晶温度范围窄的合金，铸件壁又薄，持压时间可短些。

当用立式压铸机时，持压时间长，切除余料困难。

17、压铸型喷涂涂料主要有哪些要求？

粉状脱模剂涂料的主要组成是什么？

喷涂涂料要求：

1.在喷涂涂料时应使涂料层均匀并避免过厚。

2.涂料喷涂后应待稀释剂挥发完毕，再合型浇注，以免型腔或压室中有大量气体存在，影响铸件质量。

3.在生产过程中应注意对排气槽、转角或凹入部位容易堆积涂料的地方及时进行清理。

粉状脱模剂主要由石墨粉、滑石粉、陶瓷粉以及少量的有机物等组成，可采用负压和静电喷徐在模具表面，有良好的脱模效果且减少了水分的挥发，保证了型腔内的高真空度。

对涂料组成物的要求主要如下：

（1）高温时具有良好的润滑作用，且不析出对人体有害的气体。

（2）性能稳定，在常温下稀释剂挥发后，使涂料不易变稠，粉状材料不易沉淀，以便存放。

稀释剂一般在100~150℃时应挥发很快。

（3）对压铸型及铸件没有腐蚀作用。

18、挤压铸造的工艺形式有哪几种？

选择一种工艺形式分析其特点和应用于什么条件？

挤压铸造的工艺形式有多种，按成形时液体金属填充的特性和挤压受力情况，可分为柱塞挤压、直接冲头挤压、间接冲头挤压〔又分上挤法和下挤法）等形式。

间接冲头挤压铸造和超低速压铸工艺类似，它的冲头除将液态金属挤入型腔外，还通过由冲头和凹型组成的内浇道，将压力传到铸件上。

特点：

（1）由于铸件是在已合型闭锁的型腔中形成，它不受金属浇注量的影响，因而铸件尺寸精度高。

（2）但冲头不直接而是部分加压于铸件上，因此，加压效果较差，而且铸件上留有料饼及内浇道，金属液利用率较低。

应用：

适合于产量较大，形状较复杂的铸件。

柱塞挤压铸造。

用柱塞作为加压冲头，施压于凹型里的液体金属，保压至铸件完全凝固。

加压时，液体金属基本上不产生充型流动。

这种工艺方法主要适合于形状简单的厚壁铸件及铸锭。

直接冲头挤压利用成形压头在合型时把它插入液体金属中，使部分液体金属上流填充全部型腔，继续升压和保压至铸件全部凝固。

加压时，液体金属进行充型流动。

这种工艺方法没有浇注系统，浇入的液体金属全部成为铸件，铸件的高度取决于浇入的金属量。

图5-1（b）适用于壁较薄、形状较复杂的铸件。

挤压铸造（SqueezeCasting）就是对浇入到型腔中的金属液体施加一较大的机械静压力，使金属液体在高压下凝固成形的一种工艺方法。

19、挤压铸造时如何选择比压值？

挤压铸造的主要特点之一是对液态金属施加较高的机械压力来提高铸件质量。

为了消除液态金属凝固过程中因体积收缩而产生的有关缺陷，以获得晶粒细、力学性能好、表面质量高的铸件，对液态金属必须施加足够的压力，否则难以获得优质铸件。

比压是指挤压铸造时挤压压力作用在金属液上的压强。

比压的大小与合金的种类、挤压形式、铸件结构和技术条件要求等有关。

挤压铸造非铁合金铸件的比压小于黑色合金铸件；

直接冲头挤压的比压小于间接冲头挤压；

形状简单的铸件比压小于形状复杂和薄壁铸件。

根据生产实践经验，采用柱塞挤压或间接冲头挤压的非铁合金铸件的比压可选用60~100MPa；直接冲头挤压的比压可选用25~50MPa。

黑色金属铸件的比压约比有色金属铸样大两倍左右。

20、夹渣缺陷是挤压铸造中一个比较突出的问题。

间接挤压铸造时可采取哪些措施减少夹渣缺陷？

间接挤压铸造时，当金属液浇入料缸后，其表面与带有涂料的料缸壁相接触，迅速凝固形成一层硬壳。

在挤压充型时，如果内浇口直径小于料缸直径，则此凝固外壳随金属液一起移动时被冲头挤碎，其部分进入到型腔而形成夹渣。

如果内浇口直径等于料缸直径，则还会在冲头顶部（铸件底部）形成一层冷夹层。

为避免间接挤压铸造时的夹渣，在料缸的上部设置一集渣腔，集渣腔的直径大于料缸直径和内浇口的直径。

当挤压冲头挤压金属液上升充型时，破碎的凝固壳会留在集渣腔内〔或料饼中）而不进入到型腔中。

另外在间接挤压铸造时，模具中开设溢流槽（或集渣包）必不可少。

浇注后充型前及时扒渣也能有效减少夹渣的形成。