铸造工艺学考题

铸造工艺学考题（考试总结）

一，冷铁：为增加铸件局部冷却速度，在型腔内部及工作表面安放的金属块

作用：

①在冒口难于补缩的部位防止缩孔 缩松。

②防止壁厚交叉部位及急剧变化部位产生裂纹。

③与冒口配合使用，能加强铸件的顺序凝固条件，扩大冒口补缩距离或范围，减少冒口数目或体积。

④用冷铁加速个别热节的冷却，使整个铸件接近于同时凝固，既可防止或减轻铸件变形，又可提高工艺出品率。

⑤改善铸件局部的金相组织和力学性能。如细化基体组织，提高铸件表面硬度和耐磨性。

⑥减轻和防止厚壁铸件中的偏析。

二，分型面及选择原则

分型面是两半铸型接触的的表面，分型面在很大程度上影响铸件的尺寸精度，成本和生产率。

选择原则：

①应使铸件全部或大部分位于同一砂型内

②应尽量减少分型面的数目 ③分型面应尽量选用平面

④便于下芯，合箱和检查型腔尺寸

⑤不使砂箱过高

⑥受力件的分型面的选择不应削弱铸件结构强度

⑦注意减轻铸件清理和机械加工量

三钠水玻璃砂硬化机理

硬化机理：因为水玻璃中本来就有下列平衡，硅酸钠水解，

Na2O·mSiO2·nH2O=2NaOH+mSiO2·nH2O 向水玻璃中吹入二氧化碳时，由于二氧化碳是酸性氧化物其余水解反应NaoH+CO2=Na2co3+H2O促进水解反应向右进行，硅酸分子增多，其发生缩聚反应≡Si-O-H+H-O-Si≡→≡Si-O-Si≡+H2O其还会进一步缩聚，形成凝胶。钠水玻璃的物理脱水作用，由（液态到固态）和化学反应（形成新物质）的结果。

目前铸造生产中常用的一些硬化方法，都是加入能直接或间接影响上述反应平衡点的气态、液态或粉状硬化剂，与OH-作用，从而降低pH值，或靠失水，或靠上述两者的复合作用来达到硬化。（1分）a失水发生由液态到固态的转变：凡是能去除水玻璃中水分的方法，如加热烘干，吹热空气或干燥的压缩空气，真空脱水，微波照射以及加入产生放热反应的化合无等都可以使钠水玻璃硬化。（2分）

b化学反应，形成新的产物：钠水玻璃在加入酸性或具有潜在酸性的物质时，其pH值降低，稳定性下降，使得其水解和缩聚过程加速进行。（2分）

目前存在的问题及解决方法：

①出砂性差——a）在钠水玻璃中加入附加物；b）减少钠水玻璃的用量；c）减低易熔融物质的含量；d）采用以石灰石作原砂的钠水玻璃CO2自硬砂。

②铸铁件粘砂——a）刷涂料，最好使用醇基涂料；b）一般铸铁件也可以在钠水玻璃中加入适量的煤粉或者适量具有填料性能的高岭土式粘土

③型、芯表面粉化（白霜）——a）控制钠水玻璃的水分不要偏高，吹CO2的时间不宜过长，型、芯不要放置太久；b）据有关工厂的经验，在钠水玻璃中加入占砂质量1%左右，密度为1.3克∕立方厘米的糖浆，可以有效防止粉化。

④砂芯抗吸湿性差——a）在钠水玻璃砂中加入锂水玻璃或在钠水玻璃中加入Li2CO3、CaCO3、ZnCO3等无机附加物；b）在钠水玻璃中加入少量有机材料或加入具有表面活性剂作用的有机物，粘结剂。

⑤此外，还存在发气量大（注意排气；先烘干砂芯再浇注）、旧砂再生和回用困难、热膨胀（加入质量分数4%的高岭土粘土形式的铝土）等问题。

四. 阐述用湿型砂铸造时出现水分迁移现象时，其传热、传质有何特征？

答：1）热通过两种方式传递，一是通过温度梯度进行导热，未被吸收的热通过干砂区传导至蒸发界面使水分汽化；二是靠蒸汽相传递。蒸汽的迁移依赖于蒸汽的压力梯度。2）干砂区的外侧为蒸发界面及水分凝聚区，没有温度梯度。3）铸件表面温度与干砂区的厚度及蓄热系数有关。

五. 浇注系统的基本类型有哪几种? 各有何特点？

答：1.封闭式浇注系统

特点：封闭式浇注系统有较好的阻渣能力，可防止金属液卷入气体，消耗金属少，清理方便。主要缺点是：进入型腔的金属液流速度高，易产生喷溅和冲砂，使金属氧化，使型内金属液发生扰动、涡流和不平静。因此，主要应用于不易氧化的各种铸铁件。对容易氧化的轻合金铸件，采用漏包浇注的铸钢件和高大的铸铁件，均不宜使用。

2.开放式浇注系统

主要优点是进入型腔时金属液流速度小，充型平稳，冲刷李小，金属氧化轻。适用于轻合金铸件、球铁件等。漏包浇注的铸钢件也宜采用开放式浇注系统，但直浇道不能呈充满态，以防钢水外溢，造成事故。主要缺点是，阻渣效果稍差，内浇道较大，金属消耗略多。

按内浇道在铸件上的位置分为（一）顶注式浇注系统 优点是容易充满，可减少薄壁件浇不到、冷隔的方面的缺陷；充型后上部温度高于底部，有利于铸件自下而上的顺序凝固和冒口的补缩；冒口尺寸小，节约金属；内浇道附近受热较轻；结构简单，易于清除。缺点是易造成冲砂缺陷；金属液下落过程中接触空气，出现激溅、氧化、卷入空气等现象，使充型不平稳。易产生砂孔、铁豆、气孔和氧化夹杂物缺陷；大部分浇注时间，内浇道工作在非淹没状态，相对地说，横浇道阻渣条件较差。

（二）底注式浇注系统 特点是充型后金属的温度分布不利于顺序凝固和冒口补缩；内浇道附近容易过热，导致缩孔、缩松和结晶粗大等缺陷；金属液面在上升中容易结皮，难保证高达的薄壁铸件充满，易形成浇不到、冷隔等缺陷，金属消耗量浇道。（三）中间注入式浇注系统它兼有顶注式和底注式浇注系统的优缺点。由于内浇道在分型面上开设，故极为方便，广为应用。适用于高度不大的中等壁厚的铸件。（四）阶梯式浇注系统 优点是金属液首先由最低层内浇道充型，随着型内液面上升，自下而上地、顺序地流经各层内浇道。因而充型平稳，型腔内气体排出顺利。充型后，上部金属液温度高于下部，有利于顺序凝固和冒口的

补缩，铸件组织致密。易避免缩孔、缩松。冷隔和浇不到等铸造缺陷利用多内浇道，可减轻内浇道附近的局部过热现象。主要缺点是：造型复杂，有时要求几个水平分型面，要求正确的计算和结构设计。

六. 何谓冒口、冒口有效补缩距离？请画出铸钢板件、杆件、阶梯形铸钢件，加

与不加冷铁有效补缩距离示意图。

答：1）设置冒口是常用的铸造工艺措施，冒口常设置在铸件的厚壁处或热节部位，主要用于防止缩孔、缩松、裂纹和变形等铸件缺陷。（2分）

2）冒口的有效补缩距离为冒口作用区与末端区长度之和，它是确定冒口数目的依据，与铸件结构、合金成分及凝固特性、冷却条件、对铸件质量要求的高低等各种因素有关，简称为冒口补缩距离。（2分）

3）（5分）

板件及杆件铸钢冒口的补缩距离

a) 板形件 b)杆形件

阶梯形铸钢件冒口补缩距离

1-冒口 2-铸件

l1=3.5T2 l2=3.5T3-T1 l3=3.5T3-T1+110mm

冷铁对冒口补缩距离的影响

a)板件 b) 杆件

1-冒口 2-冷铁 3-铸件23

八，冒口的功用是什么？常用哪几种冒口？冒口的形状？

冒口是铸型内用以储存金属液的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔，缩松，排气和

集渣的作用。

常用冒口种类：明顶冒口，暗顶冒口，侧冒口。

冒口形状：圆柱形、球顶圆柱形、长(腰)圆柱形、球 形及局球形等多种。

七.侵入性气孔与反应性气孔的本质区别是什么？分析两种气孔的形成条件及形成过程，并提出防止措施。

答：（1）侵入性气孔与反应性气孔的形成原因不同。前者是由于砂型（芯）空隙中蒸发出的气体进入铸型中来不及逸出形成的较大的不圆整，梨形的气孔；后者是由于铸件与砂型中的物质反应，生成的气体在型中形核长大，来不及逸出，在铸件表面形成的针状或蝌蚪状垂直于铸件壁的气孔。（2分） （2）侵入性气孔形成的条件：

形成过程：气体在空隙内有气相处形成气核，气体逐渐向气泡核中聚集，使气泡长大，压力增大，当气泡长到一定大小时，下部出现腰或颈，最后断开，逃离型壁进入金属液中。（1分）

防止措施：a减少铸型发气量；b提高金属液的静压力，即形成时的阻力；c使砂型的紧实度适中，有利于气体排出。（1分）

（3）反应性气孔的形成条件：金属液或金属液的氧化物与型内的附加物或加热时生成的气体反应，生成较多的气体。（1分） 形成过程：（2分）

a CO形成学说：Fe与金属液中的CO2反应生成CO，CO不溶于金属液，在固相或夹杂物上成核，生成的气体聚集，沿阻力小，柱状晶方向生长，来不及逸出，形成气孔； b氢引起学说：FeO与金属液中的H反应生成H2O，钢液脱氧不好时，生成的H2O质点为气泡核，气体聚集来不及逸出时，形成气孔；

c氮引起学说：有机粘结剂砂型中，各组分发生反应生成NH3等气体，分解形成[N][H]，吸

附、溶解、聚集，打一定量时，金属液温度降低，氮气析出成为气泡核，气体聚集，来不及析出时形成气孔。

防止措施：a防止金属液与铸型发生化学反应；b尽量减少有机粘结剂的使用，或用涂料或添加剂等；c避免铸型发生吸气；d在保证砂型强度的基础上尽量降低型中水分含量。（1分）

九，浇注位置的选择或确定为何受到铸造工艺人员的重视？应遵循哪些原则？

确定浇注位置是铸造工艺设计中重要的一环，关系到铸件的内在质量、铸件的尺寸精度铸造 工艺过程中的难易，因此往往须制定出几种方案加以分析，对此择优选用。 应遵循的原则为：

1、铸件的重要部分应尽量置于下部 2、重要加工面应朝下或呈直立状态

3、使铸件的大平面朝下，避免夹砂伤疤类缺陷 4、应保证铸件能充满 5、应有利于铸件的补缩

6、避免用吊砂，吊芯或悬臂式砂芯，便于下芯，合箱及检验 7、应使合箱位置，浇注位置和铸件冷却位置相一致

十，用模数法计算冒口的原理，浇冒口设计步骤

遵守顺序凝固的基本原理，冒口的凝固时间τr应大于等于铸件被补缩部位的凝固时间τc ，遵循公式(Mr/Kr) 2≧(Mc/ Kc)2，Mr 、Mc 分别为冒口模数，铸件模数Kr 、Kc分别为冒口、铸件的凝固系数。在铸件补缩过程中冒口金属逐渐减少，顶面形成缩孔，散热表面积增

大，因而冒口模数逐渐减少。铸件模数由于得到炽热金属液的补充模数相对的有所增大。 浇冒口设计步骤：

1)把铸件分为几个补缩区，按简单几何体即热节点模数公式计算各区模数 2）计算冒口及冒口颈的模数 3）确定冒口的形状和尺寸

4）检查顺序凝固条件，如补缩液是否足够，补缩通道是否畅通。 5）校核冒口补缩能力

十一、怎样发挥横浇道阻渣作用

1）横浇道应呈充满液态，即满足充满条件 2）流速应尽可能低

3）内浇道的位置关系要正确a内浇道距直浇道应足够远，使渣团有条件浮起到超过内浇道的吸动区b有正确的横浇道末端延长段c封闭式浇铸系统的内浇道应位于横浇道的下部，且和横浇道同一底面d封闭式浇注系统的横浇道应高而窄，一般取高度为宽度的2倍e内浇道应远离横浇道的弯道；用直的横浇道；内浇道同横浇道的链接，呈锐角时初期进渣较多；呈钝角时增加紊流程度。19.

十二，铸件的内浇道开设的原则是什么？ 答：内浇道设计的基本原则

（1）内浇道在铸件上的位置和数目应服从所选定的凝固顺序或补缩方法a 同时凝固：内浇道在薄壁处，数量多且分散分布。b 顺序凝固：内浇道开在厚壁或冒口处c 复杂铸件：采用顺序凝固与同时凝固相结合的原则。

（2）方向不要冲着细小砂芯、型壁、冷铁和芯撑

（3）内浇道应尽量薄。

（4）对薄铸件可用多内浇道的浇注系统实现补缩。 （5）内浇道避免开设在铸件品质要求很高的部位。 （6）各内浇道中金属液的流向应尽量一致。 （7）尽量开在分型面上。

（8）对收缩大易裂纹的合金铸件，内浇道的设置不应阻碍收缩。 十三、湿型砂中加入煤粉起什么作用、对煤粉有什么要求？

作用：（1）、产生大量还氧性气体，防止金属液被氧化并使铁液表面的氧化铁被还原和提高型砂的背压，有利于防止粘砂缺陷（2）煤粉受热形成的半焦充填堵塞型砂表面颗粒间的孔隙，阻碍金属液的渗透防止粘砂缺陷

（3）煤粉受热后变成胶质体，具有可塑性，可吸收原砂的受热膨胀力，减少夹砂结疤类缺陷（4）煤粉在高温下受热分解在铸型界面上析出光亮碳，使型砂不为金属液所润湿减少粘砂类缺陷

要求：挥发分含量，灰分、固定碳、光亮碳析出能力，不能太细。 十四，覆膜砂：

砂粒表面在造型前即覆有一层固体树脂膜的型砂或芯砂。有冷法和热法两种覆膜工艺：冷法用乙醇将树脂溶解，并在混砂过程中加入乌洛托品，使二者包覆在砂粒表面，乙醇挥发，得覆膜砂；热法把砂预热到一定温度，加树脂使其熔融，搅拌使树脂包覆在砂粒表面，加乌洛托品水溶液及润滑剂，冷却、破碎、筛分得覆膜砂。 用于铸钢件、铸铁件。 特点：版本1

1)具有适宜的强度性能，对于高强度的壳芯砂，对于中强度的热芯盒砂、低强度的有色合金砂均能满足要求。

2)流动性优良，砂芯成型性好、轮廓清晰，能够制造最复杂的砂芯，如缸盖缸体等水套芯。 3)铸件表面质量好，致密无疏松，不用涂料也能得到较好的铸件表面质量。 4)溃散性好，有利于铸件清理，提高产品使用性能。

5)砂芯不易吸潮，长时间存放后强度不易下降，有利于储存运输及使用。 6)覆膜砂可作为商品供应，使用单位有较大的选择余地。

7)缺点是成本相对较高；能耗较大；在造型、制芯、及浇筑过程中产生的刺激性气味较大，覆膜砂在高温、高湿季节储存时易结块，影响使用等。 版本二：1、振动清砂、高强度、低发气、低膨胀； 2、涣散性好、铸件表面光洁度高；

3、壳型不起层、热稳定性好、导热性好、流动性好,铸件表面平整； 4、高强度、耐高温、低膨胀、.脱模性好、抗粘砂性好； 5、壳层均匀不脱壳、固化速度快；

十五，型砂结构组元及作用

各组元的作用

原纱：为铸型提供必要的耐高温性能和热物理性能，有助于高温金属液顺利充型，以及使金

属液在铸型中冷却、凝固并得到所要求形状和性能的铸件。 粘结剂：主要起粘结沙粒的作用，对金属流变性起着主要作用。

附加物：煤粉、渣油、淀粉等，使型砂具有特定性能，并改善铸件表面质量。

微孔：由原纱砂粒提供，保证型芯具有一定的透气性，在浇注过程中，使金属液受热急剧膨胀形成的气体和铸型本身产生的气体能顺利逸出。 十六、何为浇口比，吸动区

浇口比指的是浇注系统中直浇道，横浇道，内浇道的截面积之比（即S直：S横：S内）横浇道内，在内浇道入口周围存在一个区域只要金属液进入该区就会自动流入内浇道，该区域称为吸动区。

十七、横浇道为何要有末端延长端。第一个内浇道为何不能紧临直浇道？

末端延长段作用：1）容纳最初浇铸的低温，含气及渣污的金属液，防止其进入型腔；吸收液流动能，使金属液流入型腔平稳。末端呈坡形可阻止金属液流到末端时出现折返现象。 内浇道应距直浇道足够远，使渣团有条件浮起到超过内浇道的吸动区。

非重点部分

一 阐述应用奥赞(Osann)公式进行铸铁件浇注系统设计计算的步骤。

答：通常在确定铸造方案的基础上设计浇注系统，用奥赞(Osann)公式进行铸铁件浇注系统设计计算的步骤如下：

1) 选择浇注系统类型（封闭式、开放式、半封闭式、顶注式、中间注入式等）。 2) 确定内浇道在铸件上的位置、数目和金属引方向； 3) 决定直浇道的位置和高度。

一般应使直浇道高度等于上砂箱高度，为了保证金属液能充满离直浇道最远的铸件最高部位，铸件高点离浇口杯内液面的高度必须有一最小值ＨＭ，（称为剩余压力头，ＨＭ＝Ｈ０－Ｐ）。

4) 计算浇注时间并核算金属上升速度

核算铸件最大横截面处的型内金属液上升速度。当不满足要求时，应缩短浇注时间或改变浇注位置。

5) 计算阻流截面积：依水力学公式（奥赞公式）计算阻流截面积S阻。

6）确定浇口比并计算各组元截面积 ：浇注系统中主要组元的截面的截面积比例关系 称为浇口比。以阻流截面积为基数（作为１）计算其他组元的断面积。 7）绘出浇注系统图形 二，内冷铁的熔接过程

1）浇注后，在很短的时间内，冷铁吸热升温，使靠近冷铁表面的金属液过冷，产生类似纯金属组织的粒状等轴晶；

2）自粒状等轴晶表面陆续生长树枝晶，随时间延长，结晶速度减小， 直到结晶前沿停止前进，此时，冷铁的温度已上升到固相线附近。

3）冷铁作用区温度升高，冷铁周围已形成的树枝晶重新熔化，冷铁表面达到熔点 4）内冷铁局部或完全融化，最后由于铸件外壁结晶前沿向中心推进而使凝固结束 三、浇注系统的组成及各部分的作用

1.浇口杯：承受来自浇包的金属液，防止金属液飞溅和溢出，便于浇注；减轻液流对型腔的冲击；分离渣滓和气泡，阻止其进入型腔；增加充型的压力头

2.直浇道：从浇口杯引导金属向下，进入横浇道、内浇道或直浇道导入型腔。提供足够的压力头，使金属液在重力作用下能克服各种流动阻力，在规定的时间内充满型腔

3.直浇道窝：缓冲作用；缩短直—横拐弯处的高度紊流区；改善内浇道的流量分布；减小直—横浇道拐弯处的局部阻力系数和水头损失；浮出金属液中的气泡

4.横浇道：向内浇道分配洁净的金属液；储留最初浇入的含气和渣污的低温金属液并阻留渣滓；使金属液流平稳和减少产生氧化夹渣物

5.内浇道：控制充型速度和方向，分配金属，调节铸件各部位的温度和凝固顺序，浇注系统的金属液通过内浇道对铸件有一定的补缩作用 四、芯头的组成、作用和设计

芯头组成：芯头长度、斜度、间隙、压环、防压环和积砂槽等结构 作用：固定型芯，避免型芯漂浮，将芯子中浇注时产生的气体导出 设计1芯头高度：

对于细而高的砂芯，上下都应留有芯头，以免在液体金属冲击下发生偏斜，而且下芯头应取高一些。对于湿型可不留间隙，以便下芯后能使砂芯保持直立，便于合箱 对于粗而矮的砂芯，常不可用上芯头（高度为零），这可使造型、合箱方便

3）对于等截面的或上下对称的砂芯，上下芯头可用相同的高度和斜度，而对需要区分上下芯头的砂芯，一般应使下芯头高度高于上芯头的。

2芯头斜度：为合箱方便，避免上下芯头和铸型相碰，上芯头和上芯头座的斜度应大些。对水平芯头，如果造芯时芯头不留斜度就能顺利从芯盒中取出，那么芯头可不留斜度。芯座—模样的芯头总是留有斜度的，至少在断面上要留有斜度，上箱斜度比下箱的大，以免合箱 时和砂芯相碰

3芯头间隙：为下芯方便，通常在芯头和芯座之间留有间隙。机器造型、制芯时间隙一般较小，而手工造型、制芯则间隙较大，湿型的间隙小，干砂型、自硬型的间隙大；芯头尺寸大，间隙大

五、铸造工艺设计参数

1.铸件尺寸公差：铸件尺寸公差是指铸件各部分尺寸允许的极限偏差，取决于铸造工艺方法等多种因素

2.机械加工余量：为保证铸件的加工面尺寸和零件精度，应有加工余量，即在铸件工艺设计时预先增加的，而后在机械加工时又被切去的金属层厚度，成为机械加工余量，简称加工余量。

3.铸造收缩率：K=[（Lm-Lj）/Lj]*100%

Lm—模样（或芯盒）工作面的尺寸 Lj—铸件尺寸

起模斜度：为了方便起模，在模样、芯盒的出模方向留有一定的斜度，以免损坏砂型或砂芯，这个斜度称为起模斜度。

反变形量：铸造较大的平板类、床身类等铸件时，由于冷却速度的不均匀性，铸件冷却后常出现变形。为了解决挠曲变形问题，在制造模样时，按铸件可能产生变形的相反方向做出反变形模样，使其于变形量抵消，这样在模样上做出的预变形量称为反变形量。而支座没有较大平板故基本不会产生挠曲变形，所以不用设置反变形量。

6分型负数：干砂型、表面烘干型以及尺寸较大的湿砂型，分型面由于烘烤，修整等原因一般都不很平整，上下型接触面很不严。为了防止浇注时炮火，合箱前需要在分型面之间垫以石棉绳、泥条等，这样在分型面处明显增加了铸件的尺寸。为了保证铸件尺寸精确，在拟定工艺时为抵掉铸件增加的尺寸而在模样上减去相应的尺寸称为分型负数。而支座是湿型且是小型铸件故不予考虑分型负数。

7工艺补正量：为防止铸件局部尺寸由于选择的铸造收缩率不合适、砂型和砂芯对铸件的阻碍、错箱、砂芯上浮等原因造成超差，在相应的非加工面上增厚的金属层。

8砂芯负数：大型粘土砂芯在春砂过程中砂芯向四周涨开，刷涂料以及在烘干过程中发生的

变形，使砂芯四周尺寸增大。为了保证铸件尺寸准确，将芯盒的长、宽尺寸减去一定量，这个被减去的量叫做砂芯负数。 六、提高通用冒口补缩效率的措施

a）提高冒口中金属液的补缩压力，如采用大气压力冒口等 b）延长冒口中金属液的保持时间，如采用保温冒口、发热冒口等 七、冒口补充

3.通用冒口补缩原理1）基本条件a)冒口凝固时间不小于铸件（被补缩部分）的凝固时间b)有足够的金属液补充铸件的液态收缩和凝固收缩，补偿浇注后型腔扩大的面积c)在凝固期间，冒口和被补缩部分之间存在补缩通道，扩张角向着冒口 2）选择冒口位置的原则

a）冒口应就近设在铸件热节的上方或侧旁

b）冒口应尽量设在铸件最高、最厚的部位。对低处的热节增设补贴或使用冷铁，造成补缩的有利条件

c）冒口不应设在铸件重要的、受力大的部位 d）冒口位置不要选在铸造应力集中处 e）尽量用一个冒口同时补缩几个热节或铸件

f）冒口布置在加工面上，可节约铸件精整工时，零件外观好 g)不同高度上的冒口，应用冷铁使各个冒口的补缩范围隔开

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