第6章 铸件的收缩

似地等型腔中的液态金属体积。
铸件中致密固态金属的体积 V固等于原液态金 属体积 V液减去其全部收缩量：
（1）液态金属由平均温度 t液 降至 tS 的液态收缩 量：V液V液 (t液 ts )
（2）金属在恒温下凝固时的体收缩量：V液V凝 （3）铸件中心凝固后，金属由凝固温度 t S 冷却
至断面平均温度 (tS tF ) / 2 的固态收缩量：
体积收缩，包括液态收缩和凝固收缩的一部 分，若得不到应有的补偿，如没有冒口，则铸件 将产生缩孔、缩松等缺陷；
线收缩则影响铸件的尺寸精度，且是使铸件产 生内应力、变形及裂纹的内在原因。
6.1.2铸件的收缩
一、铸件的受阻收缩 自由收缩：仅考虑合金、成分、温度、相变等 自身因素对收缩的影响，没有考虑收缩过程遇到 的各种阻碍，这种收缩称自由收缩。 受阻收缩：铸件在铸型中收缩时，要受到各种 阻碍而使收缩不能自由进行，这时产生的收缩称 为受阻收缩。对于同一合金，受阻收缩率总小于 自由收缩率。
V缩孔 V壳 V固
计算缩孔容积的示意图
薄壳由凝固温度tS 降至 tF ，因固态体收缩，其 体积为：
V壳 V壳' 1V固(ts tF ) V液 1V固(ts tF )
式中
V液—薄壳在 t S 时的体积； V固 —金属的固态收缩系数； V‘壳 —薄壳在 t S 时包围的液态金属体积，近
铸件收缩中受到的阻力： 1、摩擦阻力：铸件收缩时铸件表面与型腔表
面间的相对运动形成的阻力，称为摩擦阻力。摩 擦阻力的大小与铸件重量、型腔表面的平滑程度 有关。
2、热阻力：铸件各部分由于温度不同，收缩 不完全同步，收缩时相互制约形成的阻力称热阻 力。热阻力的大小与铸件结构、温度分布及材料 性质有关。
二、受阻收缩的响应
1、铸造收缩率
铸

l模 l件 l件
100%
2、铸件的收缩缺陷 铸件的收缩受阻，将使铸件处于应力场的作用 之下。由于收缩阻力作用的温度、时间，大小、 部位以及收缩速率等条件的不同，使应力状态及 其后果非常复杂。收缩是使铸件产生缩孔、缩松、 应力、变形、热裂、冷裂等缺陷的根源。
6.2 缩孔及缩松
铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和 凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔 洞，称为缩孔。容积大而集中的孔洞称为集中 缩孔，或简称为缩孔；细小而分散的孔洞称为 分散性缩孔，简称为缩松。
6.2.1缩孔
1、缩孔的形成机理 缩孔的形成过程： 以圆柱体铸件为例，并假定铸件为逐层凝固 方式。
是某一温度区间的相对收缩量，为α与温度
差的乘积。因此， 既与金属的性质有关，又与
温度区间的大小有关。
收缩的三阶段 任何一种液态金属浇入铸型后，从浇注温度
冷却到常温都要经历三个互相联系的收缩阶段： 液态收缩阶段（Ⅰ） 凝固收缩阶段（Ⅱ） 固态收缩阶段（Ⅲ）
铸造合金的收缩过程示意图
一、液态收缩
V
V0 V1 V0
100 % V (t0
t1 ) 100 %
线收缩率：
l

l0 l1 l0
100 %
l (t0
t1 ) 100 %
V 3l
V 3 l
V、l 是温度的函数，从资料中查到的某一种 合金的收缩系数，是指某一温度范围内的平均值。
1 2
V液V固
(ts

tF
)
所以，致密固态金属的体积 V固为：
V固

V液
1 V液 (t液

ts
)

V凝

1 2
V固
(ts
tF
)
铸件中缩孔的容积 V缩孔为：
V缩孔
V液
V液 (t液
ts ) V凝

1 2
V固
(ts
tF
)
以上讨论的是迅速浇注的情况。如果浇注速度 缓慢，或者铸型的激冷作用强，在浇注过程中金 属表面已形成一层硬壳，则实际参加收缩的液态 金属量由 V液 V‘液 ，缩孔容积必然要减小。
有些合金，在凝固过程中体积不但不收缩，反 而膨胀，如某些Ga合金，Bi—Sb合金内，因此， 其凝固收缩率V凝 为负值。此外，铸铁在凝固后期 由于石墨析出发生膨胀，使凝固收缩率减小，甚 至为负值。
合金凝固过程中往往因气体析出而使凝固收缩 率减小。影响凝固收缩率的因素较复杂，实测数 据波动范围较大。
的影响：
（1）合金的液态收缩系数 V液 或凝固收缩率V凝 越大，则缩孔容积V缩孔 越大。
（2）合金的固态收缩系数 V固 越大，铸件缩孔容 积 V缩孔越小。但是，相对液态收缩和凝固收缩而 言，固态收缩的影响比较小。
认为合金的线收缩越大，缩孔容积越大的概念 是错误的。
（3）铸型的激冷能力越大，缩孔容积就越小。 铸型的激冷能力大，容易造成边浇注边凝固的条 件，金属的收缩在较大程度上被后注入的金属液 所补充，并使实际发生收缩的液态金属量减少。 如果冷却速度使得凝固时间等于浇注时间，铸件 就不会出现缩孔。
图6-4a）所示，在液相线温度以上时，由于 铸型吸热，液态金属温度下降，将产生液态收 缩。若内浇口尚未凝固堵塞，其体积的减少将 通过内浇口得到金属液的补充，型腔内总是充 满金属液，
铸件中缩孔形成过程示意图
产生缩孔的条件： 铸件由表及里地逐层凝固 产生缩孔的原因： 合金的液态收缩与凝固收缩之和大于固态收缩
线收缩率的一般表达式为：
l

l固 l室 l固
100% l (t固
t室 ) 100%
金属的线收缩是铸件中产生应力、变形和裂纹
的基本原因。的大小与合金成分和温度有关。
四、线收缩开始的温度 对于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范围的合金，在结晶较 少，未搭成连续骨架时，仍为液态收缩性质。当 枝晶数量增多，构成连续的骨架时，合金则开始 表现为固态的性质，即开始线收缩。
三、固态收缩
合金从固相线温度 t固 冷却到室温t室的收缩。
固态收缩率V固 用下式表示
V固
V固 V室 V固
100% V固 (t固
t室 ) 100%
V固 的大小与合金成分和温度条件有关。当成 分一定时，t室 低则 V固大。合金成分主要影响 的 V固 大小。固态收缩表现为线尺寸的缩减，而测定线 性尺寸变化比测定固体体积变化方便，故实际上 常用固态的线收缩大小来表征固态收缩的特点。 因此，为使用方便，通常又用线收缩率表示固态 收缩。
影响液态收缩系数εV液 的因素很多，如合金 成分、温度、气体及杂质含量等。
二、凝固收缩 合金液从液相线温度降温到固相线温度的体积
缩减，称为凝固收缩。金属液凝固过程的收缩容 易造成铸件的内部缩孔。凝固收缩率用下式表示：
V凝
V液 V固 V液
100%
纯金属和共晶合金的凝固在定温下进行，凝 固收缩只是由于状态的改变，而与温度无关（温 度不变），故具有一定的数值。
2、缩孔的容积
下面介绍一种理论计算方法。通过计算公式的 推导进一步了解缩孔的形成机理和对影响因素进 行分析。
为使问题简化，假设：
①所浇注的金属在恒温下凝固，并在固态时没有 相变；
②铸件各方向均匀冷却； ③在浇注过程中，铸件表面不形成硬壳，而且由 于浇注迅速，铸件表面和中心无温差。
缩孔容积 V缩孔等于所形成的薄壳冷却到某一温 度tF 的体积 V壳 ，减去由薄壳紧紧包围的液态金 属所形成的致密固态金属冷却至同一温度 tF 时的 体积 V固 。即：
假设铸件底部先被液态金属充满，其凝固层
厚度 ，根据平方根定律 K
因为浇注完了时，铸件顶部的凝固层厚度
0 ，故取凝固层平均厚度 ： 平均
平均

1 2
K

浇注过程中铸件表面形成的硬壳
浇注完了时已凝固的金属体积 V晶 为：
1 V晶 2 K
F
式中 F —铸件表面积
V液'
合金液从浇注温度 t浇 冷却到液相线温度t液的 体积缩减。体积缩小的表现形式为型腔内液面下
降（一维尺寸减小）。液态收缩容易造成铸件的
宏观缩孔。
V液
V浇 V液 V浇
100% V液 (t浇
t液 ) 100%
提高浇注温度t浇 ，或因合金成分改变而降低 t液，都使εV液 增加。αV液改变,εV液也相应改 变。
2、体收缩与线收缩 体收缩：金属从液态到常温的体积改变量称为
体收缩。
V1 V0 1 V (t0 t1 )
线收缩：金属在固态时的线尺寸改变量，称为 线收缩。
l1 l0 1 l (t0 t1 )
3、收缩率 在实际中，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：
具有一定结晶温度范围的合金由液态转变为固 态时，由于固态的原子呈有序排列且比较紧密， 伴随着体积收缩，此外，在凝固过程中温度降 低，也使体积缩小。因此，合金的凝固收缩率既 与状态改变时的体积变化有关，且与结晶温度范 围有关。
液态金属浇入铸型后，首先在表面形成硬壳，其 中尚处于液态的的金属在此外壳的包围中冷却时， 由于液态收缩和凝固收缩体积缩小。如果所减小的 体积得不到外来金属液的补充，则在铸件中形成缩 孔或缩松。εy液+εV凝越大，缩孔的容积就越大。
3、机械阻力： 铸件收缩时受到来自型壁、型 芯等的阻力称为机械阻力。机械阻力的大小与铸 型和型芯的紧实度、强度、退让性、箱档和芯骨 的位置，以及铸件的厚度和长度等有关。
受机械阻碍的铸件
铸件收缩过程中，一般都不仅是受到单一的收 缩阻力，而是同时受到几种收缩阻力，其大小的 确定比较困难。目前多以实验的方法来确定实际 铸件所受到总的收缩阻力。
第6章
铸件的收缩 和收缩缺陷
6.1铸造合金及其铸件的收缩
6.1铸造合金及其铸件的收缩 6.1.1收缩的基本概念 1、收缩的定义： 铸件在液态、凝固态和固态
的冷却过程中所发生的体积减小现象，称为收缩。 收缩是铸造合金本身的物理性质。
收缩的实质：液态金属浇入铸型后，由于铸型
的吸热，金属温度下降，空穴数量减少，原子间 距离缩短，液态金属的体积减小。温度继续下降, 液态金属凝固,原子间距离进一步缩短。金属凝固 完毕后，在固态下继续冷却时，原子间距离还要 缩短。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（4）浇注温度越高， t液 就高，合金的液态收缩 就越大，则缩孔容积V缩孔 越大。但是，在有冒口 或浇注系统补缩的条件下，提高浇注温度固然使 液态收缩增加，然而它也使冒口或浇注系统的补 缩能力提高。
（5）浇注速度越缓慢，即浇注时间 越长，缩 孔容积越小。如在浇注完毕时，铸件有很厚的硬 壳形成，则缩孔容积可能很小。
（6）铸件壁厚越大，表面层凝固后，内部的金 属液温度越高，液态收缩就越大，则缩孔容积不 仅绝对值增加，其相对值也增加。
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。
对于有结晶温度范围的合金，其线收缩不是
从完全凝固以后才开始，而是在结晶温度范围中 的某一温度开始。凝固期间开始发生线收缩的温 度称线收缩开始温度t开。
线收缩的大小与线收缩开始温度至固相线温 度区间（t开-t固）的大小有关，并显著影响铸件 产生热裂缺陷的倾向。
五、线收缩与状态图的关系 一般合金的线收缩和状态图之间的关系有一定的 规律，如图6-2所示，有三种基本类型。

V液
V晶

V液

1 2
K
F
K
K
V液 2 V液 V液 V液 (1 2M )
F
式中 V液 / F M 为铸件模数
以V‘液 代替V液 ，得缩孔容积为：
V缩孔
V液
V液 (t液
tS
)

V凝

1 2
V固
(tS

t
F
) (1
K
2M
)
通过该式可以清楚地了解各种因素对缩孔容积
1、共晶型合金（图6-2a） 对于亚共晶成分，随着B组元增加，线收缩开 始温度降低，线收缩率沿曲线2急剧下降。过共 晶成分近B组元一端的与有相同的对应关系。在 m-n之间的合金，其线收缩开始温度都与共晶温 度相同，的大小仅与B的含量有关，变化较平缓。
合金的线收缩与成分的关系
2、固溶体合金（图6-2b） 线收缩率与线收缩开始温度变化规律相同，较 为平滑。 3、有限固溶体合金（图6-2c） 关于这类合金的线收缩率的变化规律，可根据前 两类合金进行分析。