防止缩松缩孔

第四节防止缩孔缩松的途径

一、缩孔和缩松的相互转化

对于一定成分的合金，浇注温度一定时合金的收缩体积满足以下关系：总收缩体积＝液态收缩体积＋凝固收缩体积＝缩孔体积＋缩松体积＝常数。

但是，缩孔和缩松体积可以相互转化，造成转化的根本原因是凝固方式的改变：即体积凝固还是逐层凝固。表8－2给出了影响缩孔和缩松体积相互转化的因素。

表8－2 缩孔、缩松互相转换的影响因素

二、防止缩孔和缩松的途径

防止铸件中产生缩孔和缩松的基本原则是针对该合金的收缩和凝固特点制定正确的铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，尽可能地使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的地方。这样，在铸件最后凝固的地方安臵一定尺寸的冒口，使缩孔集中于冒口中，或者把浇口开在最后凝固

的地方直接补缩，即可获得健全的铸件。

使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，主要是通过控制铸件的凝固方向使之符合“顺序凝固原则”或“同时凝固原则”。

1、顺序凝固(progressive solidification)

铸件的顺序凝固原则，是采用各种措施保证铸件结构上各部分，按照远离冒口的部分最先凝固，然后是靠近冒口部分，最后才是冒口本身凝固的次序进行，亦即在铸件上远离冒口或浇口的部分到冒口或浇口之间建立一个递增的温度梯度，如图8-8所示。铸件按照顺序凝固原则进行凝固，能保证缩孔集中在冒口中，获得致密的铸件。

逐层凝固是指铸件某一断面上，先在铸件表面形成硬壳，然后它逐渐向铸件中心长厚，铸件中心最后凝固。因此，顺序凝固和逐层凝固是两个不同的概念。

铸件的结构，以及由铸造条件所形成的温度场，是决定铸件凝固方向的主要因素，可用下例说明。

图8-9a是带冒口的板状铸件，厚度为δ，金属液从冒口浇入，即上注式。右图是铸件纵截面上中心线的温度曲线及随时间变化情况。因为金属液是从冒口

浇入的，所以中心线上A、B、C三点的温度依次向冒口方向递增，t

液—t

固

是

合金的凝固温度范围。图8-9b表示该铸件A、B、C三点的横截面上径向温度分布及随时间变化情况。横坐标为铸件厚度δ，纵坐标为温度。横截面中心线上各点的温度，就是纵截面中心线上相应各点的温度。由于铸件表面冷却快，横截面上内外有温度差，外表温度低。可以近似地认为各点同一时刻的温度分布曲线是平行的。在时刻I，A1、B1、C1三点温度都高于液相线温度t

液

。但在横截面B上，距铸件表面δB1处的温度已降至液相线C1温度；横截面C上，δC1处的温度降至液相线温度。将δB1和δC1移植到图8-9c所表示的铸件纵截面上，并联接起来，即可得到时刻I的“等液相线”，以此类推，则得到不同时刻的“等液相线”。同样方法可绘出各时刻的“等固相线”。同一时刻的“等液相线”和“等固相线”之间的区域，是该时刻铸件的凝固区域。“等液相线”之间的夹角称作“补缩通道扩张角φ”，也随时间变化。向着冒口张开的φ

角范围内金属液都处于液态，形成“楔形”补缩通道，使冒口中的金属液有可能补缩到凝固区域中，φ角越大，则补缩通道越宽。因此，顺序凝固的实质是采取各种措施，保证铸件在整个凝固过程中始终存在着和冒口连通的“补缩通道”，使冒口能发挥补缩作用(图8—9c)。

在铸件中，液固两相区与铸件壁热中心相交的线段为“补缩困难区μ”。液固两相区越宽，扩张角φ越小，补缩困难区就越长(见图8—10)。在液固两相区中，尤其在补缩困难区μ中，液相与固相之间的附着力往往大于液体本身的重量，而且存在于晶体骨架之间的液体以其附加压力反作用于补缩力，致使合金液在凝固终了以前便失去补缩能力。因此，倾向于逐层凝固的共晶成分合金和结晶温度范围较小的合金，其等液相线和等固相线之间的凝固区域较窄，容易实现补缩。相反，在相同的φ角条件下，结晶温度范围较宽的合金就不容易补缩。在这种情况下，有时缩松不能完全转化为缩孔而集中到冒口中去。

顺序凝固的优点是，冒口补缩作用好，可以防止缩孔和缩松，铸件致密。因此，对凝固收缩大，结晶温度范围较小的合金，常采用这个原则以保证铸件质量。

顺序凝固的缺点是，由于铸件各部分有温度差，在凝固期间容易产生热裂，凝固后也容易使铸件产生应力和变形。顺序凝固原则需加冒口和补贴，工艺出品率较低，且切割冒口费工。

如果采取底注式浇注系统，由于铸件底部金属液流动时间长，金属液的温度最高，而上升到冒口中去的金属液温度最低。因此，形成的纵向温度分布是远离冒口部分温度最高，冒口温度最低，形成反向的温度差，为“反顺序凝固”，如图8-11所示。

从图中可以看出，“补缩通道扩张角φ”在底注的情况下，是对着内浇口张开的。所以补缩通道和浇口相通，而冒口和补缩通道之间充塞着凝固区域。在这种情况下，凝固过程中液体可能被分割成两部分或更多部分，在铸件壁的热中心线上产生轴线缩松或区域性缩松。根据以上分析，决定角φ方向、大小和变化速度的是铸件的纵向温度梯度。据实验，对于板状铸钢件，纵向温度梯度应大于0.2～0.4℃／cm；对杆状铸钢件应为1.5～2℃／cm；对于某些宽结晶温度范围的有色合金铸件应为5.5～3℃／cm，可以消除缩松。

2、同时凝固(simultaneous solidification)

同时凝固原则是采取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固。在同时凝固条件下，扩张角φ等于零，没有补缩通道。

同时凝固原则的优点是，凝固时期铸件不容易产生热裂，凝固后也不易引起应力、变形；由于不用冒口或冒口很小，而节省金属，简化工艺、减小劳动量。缺点是铸件中心区域往往出现缩松，铸件不致密。因此，这种原则一般用

于以下情况：

(1)碳硅含量高的灰铸铁，其体收缩较小，甚至不收缩，合金本身就不易产生缩孔和缩松。

(2)结晶温度范围大，容易产生缩松的合金，(如锡青铜)对气密性要求不高时，可采用同时凝固原则，使工艺简化。事实上，这种合金即使加冒口也很难消除缩松。

(3)壁厚均匀的铸件，尤其是均匀薄壁铸件，倾向同时凝固，消除缩松有困难，应采用同时凝固原则。

(4)球铁铸件利用石墨化膨胀力实现自身补缩时，则必须采用同时凝固原则。

(5)从合金性质看适宜采用顺序凝固原则的铸件，当热裂、变形成为主要矛盾时，也可以采用同时凝固原则。

以上介绍了两种凝固原则及其适用范围。对于某一具体铸件，则要根据合金的特点、铸件的结构及其技术要求，以及可能出现的其它缺陷，如应力，变形、裂纹等综合考虑，找出主要矛盾，合理地确定采用哪种凝固准则。

应该指出，两种凝固方式在凝固顺序上虽然是对立的，但是在某个具体铸件上又可以将两者结合起来。铸件结构一般比较复杂，例如，从整体看某个铸件壁厚均匀，但个别部位有热节。所以，不能简单地采用顺序凝固或同时凝固方式，而往往是采用复合的凝固方式，亦即从整体上是同时凝固，为了个别部位的补缩，铸件局部是顺序凝固，或者相反。