16.1补缩原理重点

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铸钢件生产技术课程

补缩原理

制作人：陈小红

浙江机电职业技术学院

补缩原理

一、铸件的收缩

1.铸件收缩分类

合金在从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩小的现象称为收缩。液态合金由许多原子团和空穴组成，其原子间距比固态要大得多。随着温度的下降，原子间距离缩短，空穴数量减少。当液态合金转变为固态合金时，空穴消失，原子间距离继续减小，这些因素都使合金产生收缩。收缩是铸件的应力及缩孔、缩松、热裂、冷裂和变形等缺陷产生的基本原因。为了获得优质铸件，必须对收缩加以控制。

金属从高温t0冷却到t1时，其体收缩率和线收缩率各为

Ɛ V=V0−V1

×100%

=αV（t0−t1）×100%

Ɛ l=l0−l1

×100%

=αl（t0−t1）×100%

式中V0、V1——金属在温度t0和t1时的体积；

l0、l1——金属在温度t0和t1时的长度；

αV、αl——金属在t0~t1温度范围内的体积收缩系数和线性收缩系数。

合金从浇注温度冷却到常温，都经历液态收缩、凝固收缩、固态收缩三个阶段。

（1）液态收缩阶段

金属在液体状态时的收缩称为液态收缩。此阶段金属完全处于液态，金属体积的减少表现为型腔内液面的降低。

（2）凝固收缩阶段

金属在凝固过程中的收缩称为凝固收缩。对于一定温度下结晶的纯金属和共晶成分的合金，凝固收缩只是合金的状态改变，于温度无关或基本无关；对于具有结晶温度间隔的合金，凝固收缩不仅与状态改变有关，且随结晶温度间隔的增大而增大。

液态收缩和凝固收缩的外部表现皆为体积减小，一般表现为液面降低，因此称为体积收缩。合金的收缩量通常用体收缩率收缩率来表示。两类收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。

（3）固态收缩阶段

金属在固态冷却过程中的收缩称为固态收缩。固态收缩引起铸件外部尺寸的变化，故又称为尺寸收缩或线收缩。线收缩对铸件形状和尺寸精度影响最大，是产生铸造应力、变形、裂纹等缺陷的基本原因。常用线收缩率表示固态收缩。

纯金属和共晶合金的线收缩是在金属完全凝固以后开始的；对于具有一定结晶温度间隔的合金，当枝晶彼此相连而形成连续的骨架时，合金便开始表现为固态的性质，即开始线收缩。此时合金中含有20%~45%的残留液体。

2.影响铸件收缩的因素

铸件收缩的大小主要取决于铸件的材料与化学成分、铸件结构、铸型和浇注温度等因素。

（1）铸件的材料与化学成分

铸件的材料不同，铸造收缩率不同。在常用的合金中，铸钢的收缩率最大，灰口铸铁的收缩率最小。

铸件的化学成分也影响铸造收缩率。随着碳的质量分数增加，铸钢收缩率增大，灰口铸铁收缩率则下降。灰铸铁中S元素含量增多，收缩率增大，Si元素含量增多，收缩率减少。各种合金元素的含量对铸钢收缩的影响，可参考铸造手册收缩率图。铸钢自由线收缩率为1.6~2.0%，受阻线収缩率为1.3~1.7%，并随碳含量增加，凝固收缩率增加，固态收缩率略减，总体收缩率增加。表1为各种含碳量的铸钢凝固收缩率。

表1 碳钢的凝固收缩率Ɛ V（%）

（2）铸件结构

铸件的结构越复杂，收缩越困难，铸件的收缩率就越小。如同一成分浇注的铸件，因结构形状不同，收缩程度就不一样，自由收缩时收缩率最大。同一铸件，由于结构上的原因，其轴向与径向或长、宽、高三个方向的收缩率可能不一致。对于尺寸要求较精确的铸件，各个方向应给以不同的收缩率。

（3）铸型的退让性

铸型的退让性好，铸件的收缩率就大。如用湿型和水玻璃砂型浇注的铸件比干型浇注的收缩率大。随着铸件的尺寸增大，铸型的退让性变差，铸件的收缩率也减

少。铸件收缩时，未受到型砂或型芯阻碍，则易实现自由收缩，收缩率就较大。

（4）浇注温度

浇注温度升高，合金液态收缩率增加。通常浇注温度每提高100℃，体收缩率增加约1.6%。因此，浇注温度愈高，形成缩孔的倾向愈大。

对于铸钢件的液态收缩，钢液温度每下降100℃，液态体积收缩率约为1.5%~1.75%。

在实际生产中，铸件收缩率要结合具体情况来选择。一般的铸件，特别是尺寸不大的铸件，各个方向都用同一收缩率，尽管这样会造成尺寸误差，但误差一般不大，却会大大方便铸模的设计。对结构复杂、尺寸精度要求较高的铸件，铸造收缩率应根据试浇注的铸件进行修正。

二、铸件的补缩要求与补缩原理

铸件浇注成形过程中要经过液态收缩和凝固收缩阶段，这两个阶段收缩的外部表现都为体积的减小，称为体收缩。在铸件体收缩过程中，如没有补充足够的钢液，铸件将产生缩孔和缩松等缺陷。因此，铸件在体收缩过程中，必须及时得到的钢液补充。

铸件冒口是为了避免铸件出现铸造缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分。在铸型中，冒口的型腔是存贮钢液的空腔，在铸件浇注成形时用以补给钢液，有防止缩孔、缩松、排气和集渣的作用，而冒口的主要作用就是补缩。铸件的补缩一般通过冒口完成。

铸件得到冒口的补缩必须满足以下条件：

（1）凝固时间

铸件（被补缩部分）的凝固时间小于冒口的凝固时间。即铸件比冒口先凝固。

（2）补缩液量

冒口应有足够的钢液补充铸件的液态收缩和凝固收缩。

（3）补缩通道

在凝固期间，冒口和铸件被补缩部位之间存在液体流动的补缩通道，使冒口中的钢液能流入铸件。

从上述补缩要求可知，铸钢件要得到补缩，铸件应遵循顺序凝固的原则。在铸件上建立一个从远离冒口的部分到冒口之间逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离

冒口处向冒口方向顺序地凝固，即远离冒口的部位先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口本身最后凝固。

实现顺序凝固补缩，要合理的布置冒口位置，考虑冒口有效补缩距离是否足够，并合理利用补贴和冷铁的作用，以强化冒口补缩效果。

冒口位置的设置是否合理，直接影响铸件的质量以及冒口的补缩效果。冒口位置设置不合理，不但消除不了缩孔和缩松，还可能引起裂纹等缺陷。确定冒口位置应遵循以下基本原则：

（1）冒口应设在铸件热节的上方（顶冒口）或旁侧（侧冒口）。

（2）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，创造补缩的有利条件。

（3）冒口不应设在铸件重要的、受力大的部位，防止该部位力学性能降低。

（4）冒口位置不要选在铸造应力集中处，并注意减少对铸件的收缩阻碍，以免引起裂纹。

（5）尽量用一个冒口同时补缩几个热节或铸件，以提高冒口的补缩效果。如图1所示。

图1 一个冒口补缩几个热节

a）补缩同一铸件上的三个热节 b）补缩多个铸件上的热节

1—冒口 2—铸件 3—浇道

（6）在满足补缩要求的前提下，冒口应尽可能设置在铸件的加工面上，其残根在机加工时去除，可节约精整工时，零件外观好。

（7）当铸件不同高度上的热节需要补缩时，可以分别设置冒口，但各冒口的补缩区应采用冷铁予以分开，如图2所示。以防高冒口在补缩铸件的同时还要对低位冒口进行补缩，致使高位的铸件出现缩孔和缩松。