第九章 铸件的收缩

缩孔产生的基本原因：合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值。 缩孔产生的条件：铸件由表及里逐层凝固，缩孔集中在最后凝固的地方。
2）缩孔位置的确定
采用等固相线法确定最后凝固区域，从而确定缩孔的位置。
等固相线：对在恒温下结晶或结晶温度范围很小的合金，可将 凝固前沿视为固液相的分解线，也是一条等温线，称为等固线。
a.共晶团的石墨与共晶液直接接触，碳原子直接扩散到石墨上 b.石墨纵向长大膨胀对晶间液体作用 c.大部分作用力迫使晶间液填充奥氏体枝晶间收缩产生的小孔洞 d.一部分作用力作用在奥氏体枝晶骨架上，产生缩前膨胀
灰铸铁共晶石 墨长大特点图
被共晶奥氏体包围的石墨，由于碳原子的扩散作用，在横向上也要长大，但 速度很慢。石墨片在横向上长大而产生的膨胀力作用在共晶奥氏体上，使共 晶团膨胀，并传到邻近的共晶团上或奥氏体枝晶骨架上，使铸件产生缩前膨 胀，这种膨胀会抵消一部分自补缩效果，但是这种横向膨胀作用很小，而且 是逐渐发生的。同时灰铸铁在共晶凝固中期，在铸件表面已形成硬壳，所以 灰铸铁的缩前膨胀一般只有0.1～0.2％。灰铸铁铸件产生缩松的倾向性小。
l＝ 珠前 ＋ 珠后
总＝ V液＋ V凝＋ V固＝ V液＋ V凝＋ V珠前 V ＋ V珠后
碳钢的线收缩率与碳含量的关系 W(C)%
εｖ珠前 1.42
1.51 1.47
εVγ→α －0.11
－0.11 －0.11
εｖ珠后 1.16
1.06 1.04
p g：某一温度下金属中气 体的析出压力
2 p g p s pa PH r
p s：显微孔洞补缩的阻力 pa：凝固的金属上的大气 压力
：气液界面上的表面张 力
r：显微孔洞半径
PH：孔洞上的金属压头
补缩阻力与晶粒有关，而晶粒与凝固区域有关。凝固区域越宽，枝晶越发达， 通道越长（阻力越大），枝间和晶间被封死的可能性就越大，产生缩松可能性 越大。
缩松：尺寸细小而且分散的孔洞称为分散性缩孔，简称缩松。 缩孔特点：缩孔形状不规则，表面不光滑，可以看到发达的树 枝晶末梢（与气孔的区别）。 缩孔与缩松对铸件性能的影响：降低铸件的强度；减少受力的 有效面积，容易产生应力集中，出现裂纹，降低铸件的气密性和 物理化学性能。
二、缩孔 1）缩孔的形成 a.成壳。 b.紧密接触。固态收缩率等于液态与凝固收缩率之和。 c.脱离。液态收缩与凝固收缩超过硬壳的固态收缩。 d.倒立锥孔和上面凹陷形成。倒形锥孔是由于液态金属在重力的 作用下补充了下面缩孔。凹面形成是由于外面压力大于缩孔内部 的压力或者壳的强度不够所造成。
等固相线法：就是在铸件断面上从冷却表面开始逐层向内绘制 等固相线，直到最窄断面上的等固相线接触为止。
采用内切园法来确定热节 内切圆法： 由两个以上相交壁形成的铸件，分别画出相交壁处的 内切圆，内切圆直径最大的位置，就是铸件最后凝固 的区域。 热节：在凝固过程中，铸件凝固较慢的节点或区域。 热节的特点：
2.0 5.7 4.9
2.5 6.0 4.2
3.0 6.5 3.7
3.5 7.1 3.3
4.0 7.9 3.1
白口铸铁 tp-tL=100℃
灰铸铁
6.6
5.8
6.3
4.5
6.0
3.2
5.7
1.9
5.4
0.6
考虑从液态到凝固整个过程，对于白口铸铁，当浇注温度固定 时，提高碳量对增大液态收缩率起主导作用。因此，收缩率随碳 含量增大而增大。但是当铁液过热度固定时，提高碳量而减小 凝固收缩率比较突出，所以收缩率随碳含量增大而降低。
a.石墨被奥氏体包围，碳原子是通过奥氏体外壳扩散到共晶团中 使球墨长大 b.共晶团相互接触，一小部分作用晶间液体，大部分作用在相邻 奥氏体枝晶或者共晶团，趋向于把它们分开
c. 膨胀力产生很大的缩前膨胀
球墨铸铁共晶石墨 长大特点示意图
由于是体积凝固方式，铸件表面凝固后期没有坚固的外壳，在铸型 刚度不够的条件下，膨胀力迫使铸型外移。随着石墨的进一步长大， 共晶团之间的间隙逐渐扩大，使得铸件普遍膨胀。而且共晶团间产 生显微缩松，布满铸件整个断面，所以球墨铸件产生缩松的倾向性 很大。如果铸型刚度足够大，石墨化的膨胀力能够将缩松挤合。
浇
tL
增大
2.凝固收缩
凝固期间的收缩受状态改变和温度降低两部分所影响。
状态改变引起的体收缩为一固定值。温度的改变可改变体 收缩。 铸钢凝固收缩率
含碳量 收缩率
0.1 2.0
0.25 2.5
0.35 3.0
0.45 4.3
0.70 5.3
碳钢：液态收缩率加上凝固收缩率的总和随着碳含量的增加 而增大。
C石墨＝C总－ .6 1
由上两式得：
V凝＝6.9 0.9C总 2C石墨 ％＝(10.1 2.9C总 )%
由上面公式得下表：
从数据来看，对于灰铸铁，碳量足够高时，在凝固后期将发生 体积膨胀现象。这种膨胀作用在铸件内部产生很大压力，使尚 未凝固的液体能对因收缩而形成的孔洞进行充填，所以灰铸铁 有“自实”或“自补缩”作用。 对于灰铸铁，由于石墨化的膨胀作用而减小凝固体收缩，在所有 的情况下（浇注温度固定或者过热度固定）都是主要的。所以体 收缩率随碳含量增加而降低。当铁液过热度固定时，这种作用就 更明显。只有在低的浇注温度和碳量高的条件下，体收缩才可是 负值。
2）灰铸铁
对于亚共晶灰铸铁，在凝固后期共晶转变时，由于石墨化的 膨胀而使体收缩得到补偿。每析出1％（体积分数）的石墨， 体积增大2％，故亚共晶灰铸铁的凝固收缩为：
V凝＝6.9 0.9C总 2C 石墨 ％
C W（c） 100
在W(C)≈２％的铁液中，奥氏体中碳含量W(C) ≈1.6%,剩余的 碳量，在慢冷和碳硅量较高的条件下将沿稳定系结晶成石墨，其 数量为:
3.固态收缩
1）珠光体转变前收缩，发生在凝固终了到 相变前的温度 范围，以 V珠前 表示。 2）共析转变期的膨胀，发生在 相变的温度范围内，以 V 表示。 3）珠光体转变后收缩，发生在 相变终了到室温的温度 范围内，以 V珠后 表示。
V固＝ V珠前 V ＋ V珠后
收缩率：实际中，通常以相对收缩量表示金属的收缩特性， 此相对收缩量称为收缩率。 体收缩率： 线收缩率：
V0 V1 100% V t 0 t1 100% V0 l l l 0 1 100% l t 0 t 1 100% l0
V
V , l : 金属在t 0 t 1 温度范围内的体收缩系 数和线收缩系数
V凝＝6.9 0.9C %
C每增大1％，液相线温度降低90℃
V凝＝3.0% 0.9 4.3 C %
C W（c） 100
由上面公式计算得下表：
从数据来看，随碳含量增大，亚共晶白口铸铁的凝固收缩率减小。
亚共晶铸铁凝固收缩率
W(C)% 白口铸铁 1400℃ 灰铸铁
V液＝90＋30wC 104
由相图知：铸铁的碳质量分数每增加1％，液相线温度下降90℃。
V液＝ V液 t 浇－1540 90w c 100%
２.凝固收缩
1）亚共晶白口铸铁收缩 与钢一样，是状态和温度降低共同作用的结果
V凝＝ V（L S） V（L S）t L t S
具有结晶温度范围的合金：其线收缩不是 从完全凝固开始，而是在结晶温度范围中 的某一温度开始。
三、铸钢的收缩 1.液态收缩
V V液 t 浇 t L 100%
由合金相图可知，增加碳含量，液相温度下降，t W（C）每增大1％， V液 增大20％ 钢液温度每下降100℃，收缩率减少1.5％－1.75％
三、缩松 1）缩松的形成
b.表面形成凝固层。液态区域内部也开始凝固。 缩松产生的基本原因：液态 收缩和凝固收缩值大于固相 c.凝固层增厚，内部凝固区域开始增多且长大。 收缩。
d.进一步长大，互相接触。
缩松成生的条件：合金产生 e.中心轴区域留下宏观缩松，晶间有显微缩松。 体积凝固 f.固相收缩。
2）显微缩松产生的条件 显微缩松存在于枝晶间，因而在铸件中或多或少存在。
3.固态收缩
缩前膨胀 珠光体前收缩 铸铁固态收缩 共析转变膨胀－－奥氏体分解为铁素体、 石墨和珠光体 对应力、变形和冷裂 有影响 珠光体后收缩 对热裂有影响
四、铸件的收缩 1.自由收缩； 2.铸件收缩所受阻力种类
铸型表面摩擦阻力
热阻力 机械阻力
§9-2 铸件中的缩孔与缩松
一、概述
缩孔：在凝固过程中，由于液态收缩和凝固收缩的产生，往往 在铸件最后凝固的部位出现孔洞，称为缩孔，尺寸较大而且集 中的孔洞称为集中缩孔，简称缩孔。
灰铸铁 弱 缩松产生的倾向性
球墨铸铁 强 灰铸铁 弱
膨胀强度 球墨铸铁 强
§9-3 影响缩孔与缩松的因素及防止措施
一、影响缩孔与缩松的因素
温度高、散热慢，容易发生缩孔、缩松、气孔等缺陷。
3）缩孔的容积
计算方法省略 影响缩孔容积的因素： 1.液态收缩系数越大，则缩孔容积越大。 2.合金的凝固收缩系数越大，缩孔容积越大。灰铸铁在凝固期间 由于有石墨化膨胀，使缩孔容积显著减小。 3.固态收缩系数越大，铸件的缩孔容积愈小。相对液态收缩和 凝固收缩，其影响比较小。 4.铸型的激冷能力愈大，缩孔容积就愈小。 5.浇注温度越高，液态收缩就越大，则缩孔容积愈大。 6.浇注时间越长，则缩孔容积越小。 7.铸件越厚，铸件内部温度越高，液态收缩越大，缩孔越大。
εl 2.47
2.46 2.40
0.08
0.14 0.35
0.45 0.55
0.60
1.39 1.35
1.21
－0.11 －0.09
－0.01
1.07 1.05
0.98
2.35 2.31
2.18
碳钢：整体收缩率随着碳含量的增加而增大。
四、铸铁的收缩
1.液态收缩
铸铁的液态体收缩系数随碳含量的提高而增大。 对亚共晶有下式：
§9-1 缩孔与缩松的种类
一、收缩的种类
液态收缩
V液 V液 t浇 t L 100%
从浇注温度到凝固开始温度（即液相线温度）间的收缩
凝固收缩 收缩
金属从液相线温度到固相线温度间产生的体收缩称为凝 固收缩。对于纯合金和共晶合金，凝固期间的体收缩是 由于状态的改变，与温度无关，具有一定的数值。其它 合金凝固期间的体收缩不仅与状态有关而且还与温度有 关。
3）缩孔和缩松的转化
a.d.合金及浇注温度的影响
b.c.d.铸型的影响
r.e.补缩压力
三、灰铸铁和球铁铸件的缩孔和缩松 灰铸铁和球墨铸铁凝固特点： 相同点：初生奥氏体枝晶具有很大连接骨架的能力，使补缩通 道受阻，都有可能产生缩松。 不同点：共晶凝固方式和石墨长大的机理不同，产生缩孔和缩松 的倾向性有很大差别。 灰铸铁共晶凝固近似中间凝固方式 共晶固体区，共晶固－液共存区 共晶凝固方式的不同 （铸件表面有固态外壳） 球墨铸铁共晶凝固是体积凝固方式 共晶固－液共存区 （铸件表面不完全具备固态外壳）
基本概念
第九章 铸件的收缩
收缩：铸件在凝固和冷却到室温的过程中，其体积和尺寸都将减 少，这种现象称为收缩。 收缩的原因：液态到固态，空穴数量减少，原子间距缩短，造成 体积减少；固态到室温，由原子间距缩短造成。
体收缩：金属从液：金属在凝固和随后固态冷却时的线尺寸改变量称为线收缩
收缩图
固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。 V固 V固 t S t 0 100%
l l t s t 0 100%
液态收缩和凝固收缩是产生缩孔和缩松的基本原因。 线收缩是铸件中产生应力、变形和裂纹的基本原因
二、线收缩的开始温度
纯金属和共晶合金：金属完全凝固后开始 线收缩的开始温度
V凝 凝固收缩率
V（LS） 因状态改变的体收缩， 其平均值为 .0％ 3
V LS） 凝固温度范围内的体收缩系数，其平均值为1.0 104 / ℃ （
V 凝＝3.0% 1.0 104 tL tS 100%
t L t S 904.3 C