工程材料及成形技术 - 电子教材0(8)

二、液态合金的收缩 （一）收缩的概念

液态合金在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的现象称为合金的收缩。收缩能使铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形和内应力等缺陷。

合金的收缩经历如下三个阶段，如图7-25所示。

（1） 液态收缩：从浇注温度（T浇）到凝固开始温度（即液相线温度Tl）间的收缩。 （2） 凝固收缩：从凝固开始温度（Tl）到凝固终止温度（即固相线温度Ts）间的收缩。 （3） 固态收缩：从凝固终止温度（Ts）到室温间的收缩。 合金的收缩率为上述三个阶段收缩率的总和。

图7-25 合金收缩的三个阶段

体收缩率：因为合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩减，故常用单位体积收缩量来表示。

线收缩率：合金的固态收缩不仅引起体积上的缩减，同时还使铸件在尺寸上减小，因此常用单位长度上的收缩量来表示。

常用合金中，铸钢的收缩率最大，灰铸铁最小。几种铁碳合金的体积收缩率见表 。常用铸造合金的线收缩率见表 。

表 几种铁碳合金的体积收缩率

含碳量 浇注温度 液态收缩 凝固收缩 固态收缩 总体积收缩 （%） /℃ 1610 1400 1400 （%） 1.6 2.4 3.5 （%） 3.0 4.2 0.1 （%） 7.86 5.4~6.3 3.3~4.2 （%） 12.46 12~12.9 6.9~7.8 合金种类 碳素铸钢 0.35 白口铸铁 灰 铸 铁 3.0 3.5 表 常用铸造合金的线收缩率

合金种类 灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 碳素铸钢 铝合金 铜合金 0.8~1.3 1.38~2.0 0.8~1.6 1.2~1.4 线收缩率（%） 0.8~1.0 1.2~2.0 化学成分不同，其收缩率也略有差别。例如，碳素铸钢随含碳量的增加，其结晶温度范围变宽，凝固收缩率增大。

几种铸造碳钢的凝固收缩率见表 。

表1-4 铸造碳钢的凝固收缩率

含碳量（%） 0.10 0.25 0.35 0.45 0.70 凝固收缩率（%） 2.0 2.5 3.0 4.3 5.3

（二）铸件的缩孔和缩松

1． 缩孔和缩松的形成

若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。

缩孔：集中在铸件上部或最后凝固部位、容积较大的孔洞。缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙。

缩松：分散在铸件某些区域内的细小缩孔。

（1）缩孔的形成 主要出现在金属在恒温或很窄温度范围内结晶，铸件壁呈逐层凝固方式的条件下。如图7-26所示。

图7-26 缩孔形成过程示意图 合金的液态收缩和凝固收缩越大，浇注温度越高，铸件的壁越厚，缩孔的容积就越大。 （2）缩松的形成 主要出现在呈糊状凝固方式的合金中或断面较大的铸件壁中，是被树枝状晶体分隔开的液体区难以得到补缩所致。缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方，如图7-26所示。

2．缩孔和缩松的防止

防止缩孔：使铸件实现“顺序凝固”。

顺序凝固：在铸件可能出现缩孔的厚大部位，通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位最先凝固（图1-8I），尔后是靠近冒口的部位凝固（图7-27 Ⅱ、Ⅲ），冒口本身最后凝固。按照这样的凝固顺序，先凝固部位的收缩，由后凝固部位的金属液来补充；后凝固部位的收缩，由冒口中的金属液来补充从而将缩孔转移到冒口之中。

图7-27 顺序凝固示意图 冷铁：为了实现定向凝固，在安放冒口的同时，在铸件上某些厚大部位增设的金属材料，如图7-28所示。

图7-28 冷铁的应用 热节：画“凝固等温线法”和“内切圆法”，近似找出缩孔的部位，如图7-29所示。计

算机凝固数值模拟技术，可以帮助预测缩孔或缩松产生的位置。

图7-29 缩孔位置的确定 （三）铸造应力

铸造内应力有热应力和机械应力两类，它们是铸件产生变形和裂纹的基本原因。 1．热应力的形成 由于铸件各部分冷却速度不同，以致在同一时期铸件各部分收缩不一致而引起。

图7-30为框形铸件热应力的形成过程。

图7-30 热应力的形成 +表示拉应力 -表示压应力 热应力形成规律：铸件的厚壁或心部受拉应力，薄壁或表层受压应力。

2．机械应力的形成 机械应力是合金的线收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力，如图7-31所示。

机械应力使铸件产生拉伸或剪切应力，是暂时存在的，在铸件落砂之后，这种内应力便可自行消除。

图7-31 机械应力 3．减小应力的措施 在铸造工艺上采取“同时凝固原则”，尽量减小铸件各部位间的温度差，使铸件各部位同时冷却凝固。

将铸件加热到550~650℃之间保温，进行去应力退火可消除残余内应力。 （四）铸件的变形

翘曲变形：厚薄不均匀、截面不对称及细长的杆类、板类及轮类铸件，当铸造应力超过铸件材料的屈服极限时产生。如图7-32所示的框架型铸件和图7-34所示的T型梁铸钢件。

图7-32 框架铸件变形示意图

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