第6章 铸件的收缩

Fe-C合金中缩孔和缩松的分配情况
纯铁及共晶成分铸 铁在固定温度下结 晶，铸件倾向于逐 层凝固，容易形成 集中缩孔，结晶温 度范围宽的合金， 倾向于体积凝固， 容易形成缩松。
湿型比干型的 激冷能力强，铸 件的凝固区域变 窄， V缩松减小， V缩孔相应增大， V缩总不变。
金属型的 激冷能力更 大，V缩松显 著减小。
同时凝固方式示意图
同时凝固的优点是，凝固时铸件温差小，不 容易产生热裂，凝固后不易引起应力和变形， 不用冒口或冒口很小，可节省金属、简化工艺、 减少劳动量。
同时凝固的缺点是，铸件中心区域往往有缩 松，铸件不致密。
同时凝固往往在以下情况采用： ① 碳硅含量高的灰铸铁，其体收缩小甚至不 收缩，合金本身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，即使加冒口也无法补缩，对气密性要 求不高时，可采用这一原则，使工艺简化。
加压补缩方法第3章已介绍。
5、热等静压法消除缩孔和缩松
将铸件置于压力容器内，在高温、高压下，通 过惰性气体介质（如氩气）把压力从各个方向等 压地传递到铸件表面上，金属经蠕变-扩散过 程，使内部空洞闭合而消除。如图6-11。
热等静压处理示意图
热等静压法的主要工艺参数是温度、压力和时 间。应使容器内温度均匀地保持在金属的蠕变温 度，不得过高或过低。常用压力为50～200MPa。 保温时间一般通过实验确定。
合金成分 铸件内温度梯度
铸件中形成缩孔或缩松的倾向与合金成分之间 有一定的规律性。当合金成分及其浇注温度确定 以后，则缩孔及缩松的总容积为一定，即
V缩总 V缩孔 V缩松
合金在逐层凝固时 V缩孔是主要的。体积凝固时 则以V缩松 为主。凝固条件的变化可以使V缩松 与 V缩松 互相转化。设法使缩松转化为缩孔，设置适当的 冒口，把缩孔转移到冒口内，可以得到致密的铸 件。
实践证明，经热等静压处理后的铸件不仅可消 除内部孔洞类缺陷，并可显著减轻或消除晶内偏 析，改善力学性能。
例如，某直升机螺旋桨的钛合金轮毂经过103.4 MPa和1188.7K两小时处理后，性能可与采用锻造 件相仿，而且价格低廉。
6. 细化晶粒
采用细化晶粒的各种措施，有助于缩松的防 止和消除。如机械振动、电磁场、离心力等对 消除显微缩松也有效果。
浇注速度
很慢
τ浇=τ凝 V缩孔=0 V缩松减小
采用绝热铸型， 只有含碳量很低的 铸钢件和接近共晶 成分的铸铁件能形 成集中缩孔外，其 余成分的合金铸件 中将出现缩松。
在凝固过 程中增加补 缩压力，可 减小V缩松， 而增加V缩孔。
在高压下浇
注和凝固，则
V缩松=0， V缩孔=0， 获得致密铸件。
气体含量对孔洞度的影响
c）Al-8%Si合金，含0.3mlH2/（100gAl），水冷型 d）Al-8%Si合金，含0.45mlH2/（100gAl），水冷型
6.2.3缩孔和缩松的转化规律
铸件在凝固过程中产生收缩是必然的，但产生 缩孔还是缩松，根据以上的讨论可知，主要取决 于凝固方式。影响凝固方式主要有两方面的因素：
顺序凝固的缺点是，铸件各部分存在温差，在 凝固过程中容易产生热裂，凝固后容易使铸件产 生变形。此外，由于使用冒口和补贴，会降低工 艺出品率。
（2）同时凝固 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 等于零， 没有补缩通道，无法实现补缩。
Pg
PS＞Pa
2
r
PH
当金属在常压下凝固时，公式中变化的参数只 有 Pg和 P，S 气体析出压力与液态金属中气体的 含量有关，显微孔洞的补缩阻力 P与S 枝晶间通道 的长度、晶粒形态以及晶粒大小等因素有关。铸 件的凝固区域越宽，枝晶就越发达。则通道越 长；晶间和分枝被封闭的可能性越大，产生显微 缩松的可能性就越大。
1、顺序凝固原则和同时凝固原则
（1）顺序凝固 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，按照距冒口的距离由远及近， 朝冒口方向凝固，冒口本身最后凝固。铸件按照 这一原则进行凝固，能够使缩孔集中在冒口中， 获得致密的铸件。
顺序凝固方式示意图
顺序凝固优点是，发挥冒口补缩作用好，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，常采用这一原则。
第6章
铸件的收缩 和收缩缺陷 （二）
6.2.2 缩松的形成机理
缩松按其形态分为： 宏观缩松（简称缩松） 微观缩松（显微缩松）
1、缩松的形成
当铸件按照体积凝固方式凝固时，在铸件的凝固 过程中形成了宽的凝固区域（糊状区）。在凝固区 域同时存在着已结晶的树枝状晶体和未凝固的液体。 在这一过程中，同样要发生液态收缩、凝固收缩和 固态收缩，由于合金的液态收缩和凝固收缩大于固 态收缩，出现的小孔洞得不到外部合金液的补充而 形成分散的小缩孔，即缩松。
铸件的缩松表现为分散的孔洞，孔洞的存在使 铸件密度降低。缩松程度可用孔洞度表示为：
孔洞度（%）
金属的理论密度 试样密度 理论密度
100
%
圆柱形铸件中的等孔洞度曲线 (浇注温度对孔洞度的影响)
a）Al-4.5%Cu合金，浇注温度700℃，型温25℃ b）Al-4.5%Cu合金，浇注温度950℃，型温25℃
铸件中的缩松
a）分散性缩松
b）轴线缩松

2、显微缩松
显微缩松是伴随着微观气孔的形成而产生的， 大多出现在晶间和分枝之间，与微观气孔难以 区分，在显微镜下才能观察到。
Al—4.5%Cu合金中的显微缩松
a）含气量高时出现的显微缩松和球形孔洞×30 b）树枝间的显微缩松×350
当铸件在凝固过程中析出气体时，显微缩松的 形成条件可用下面不等式表示：
3、冒口、补贴和冷铁的应用
冒口、补贴和冷铁的使用，是防止缩孔和缩松 最有效的工艺措施。冒口一般应设置在铸件壁厚 或热节部位。冒口的大小应保证铸件被补缩部位 最后凝固，并提供足够的金属液用于补缩需要， 同时冒口与被补缩部位之间必须有补缩通道。
4.加压补缩
显微缩松产生在枝晶间和分枝之间，孔洞细小 弯曲，且弥散分布于铸件整个断面上，采用一般 的工艺措施难以消除。
6.3防止铸件产生缩孔和缩松的途径
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 固的地方安置一定尺寸的冒口，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，就可以获得健全的铸件。
缩松是无法通过浇冒口的补缩来进行消除的。 铸件的凝固区域越宽，则树枝晶越发达，晶间和 树枝间被封闭的可能性越大，产生缩松的倾向也 就越大。
形成缩松的基本原因和形成缩孔是相同的，即 合金的液态收缩和凝固收缩值之和大于固态收缩 值。形成缩松的条件是合金的结晶温度范围较 宽，倾向于体积凝固方式。
缩松的分布 缩松常分布在铸件壁的轴线区域、厚大部位、 冒口根部和内浇口附近。铸件切开后，可直接观 察到密集的孔洞。 对于像板状或棒状等断面厚度均匀的铸件，在 凝固后期不易得到外部合金液的补充，往往在轴 线区域产生缩松，称为轴线缩松。
影响。见下图。
② 浇注工艺 调整液态金属的浇注温度和浇注速度，可以加 强顺序凝固或同时凝固原则。采用高的浇注温度 缓慢地浇注，能增加铸铁纵向温差，有利于顺序 凝固原则。通过多个内浇道低温快浇，则减小纵 向温差，有利于同时凝固原则。
在生产中，为保证充型平稳和排气顺利，常常 采用底注式浇注系统，冒口设在顶部。采用低温 快浇和补浇冒口的方法，可以减小铸件的逆向温 差，实现顺序凝固。冒口设在分型面上，液态金 属通过冒口引入内浇道，采用高温慢浇，有利于 补缩。
③ 壁厚均匀的铸件，尤其是均匀薄壁铸件，倾 向于同时凝固，难以补缩，消除缩松困难，应采用 同时凝固原则。
④ 球墨铸铁件利用石墨化膨胀进行自补缩时， 必须采用同时凝固原则。
⑤ 对于某些适合采用顺序凝固原则的铸件，如 果热裂、变形成为主要矛盾时，可采用同时凝固原 则。
2、浇注条件
① 浇注系统的引入位置 浇注系统的引入位置对铸件的温度分布有重要