铸件成形原理,第11章 凝固收缩过程中的,11.1 金属的收缩 11.2 缩孔与缩松的分类及特征 11.3 缩孔与缩松的形成机理 11.4 影响缩孔与缩松的因素及防止措施 11.5 热裂纹的形成与控制,11.1 金属的收缩,11.1.1 收缩的基本概念 11.1.2 铸铁的收缩 11.1.3 铸钢的收缩 11.1.4 铸件的收缩,11.1.1 收缩的基本概念,金属在凝固过程中，由于外界环境吸热导致金属温度降低，金属原子间的距离逐渐变短；因液、固两相的密度差别，金属在液-固转变过程中通常体积也会陡然变小(一级相变特征)。金属在液态冷却、凝固过程和固态冷却过程中发生体积减小的现象称为收缩。金属从液态到常温的体积改变量称为体收缩；金属在固态时的线尺寸改变量称为线收缩。收缩是金属本身的物理性质，也是导致缩孔、缩松、热裂、应力及变形等缺陷的基本原因。 液态金属从浇注温度冷却到常温，其收缩要经历三个阶段，如图11-1所示，即液态收缩阶段()、凝固收缩阶段()及固态收缩阶段()。,11.1.1 收缩的基本概念,1.液态收缩 2.凝固收缩 3.固态收缩,11.1.1 收缩的基本概念,图11-1 二元合金收缩过程示意图 a)合金相图 b)一定结晶温度范围的合金 c)恒温凝固合金,11.1.1 收缩的基本概念,1.液态收缩,2.凝固收缩,金属从液相线冷却到固相线所产生的体收缩，称为凝固收缩，其大小由凝固收缩率V凝表示。对于纯金属和共晶合金而言，凝固期间的体收缩是由状态变化引起的，与温度无关，故凝固收缩率具有一定的数值。对于具有一定结晶温度范围的合金，其凝固收缩率不仅与状态改变时的体积变化有关，而且还与结晶温度范围有关。对于Ga、Bi-Sb等合金，在凝固过程中体积不但不收缩反而膨胀，故其凝固收缩率为负值。 凝固收缩的表现形式分为两个阶段：当结晶较少未连成骨架时，表现为液面的降低；当结晶较多并搭成完整骨架时，收缩表现为三维尺寸减小，在结晶骨架间残留的液体则表现为液面下降。,3.固态收缩,11.1.2 铸铁的收缩,1.液态收缩 2.凝固收缩 3.固态收缩,11.1.2 铸铁的收缩,图11-2 铸铁的收缩过程曲 1白口铸铁 2灰口铸铁,1.液态收缩,1.液态收缩,表11-1 亚共晶铸铁的液态收缩率与含碳量的关系,2.凝固收缩,2.凝固收缩,表11-2 亚共晶铸铁的凝固收缩率与含碳量的关系,3.固态收缩,(1)最初收缩初缩 铸铁凝固开始后，已凝固的外壳缩小，发生初步收缩，但收缩量很小，如图11-3中所示不明显。 (2)缩前膨胀缩前 共晶转变时析出奥氏体和石墨，发生膨胀。 (3)珠光体前收缩珠前 在共析转变前的收缩。 (4)共析转变膨胀共膨 共析转变时析出铁素体、石墨和珠光体，产生膨胀。 (5)珠光体后收缩珠后 在共析转变后的收缩。,3.固态收缩,图11-3 Fe-C合金的固态自由线收缩曲线 1碳钢 2白口铸铁 3灰铸铁 4球墨铸铁,表11-3 几种Fe-C合金的自由线收缩率,3.固态收缩,11.1.3 铸钢的收缩,1.液态收缩 2.凝固收缩 3.固态收缩,11.1.3 铸钢的收缩,图11-4 碳钢和纯铁的收缩过程曲,1.液态收缩,铸钢的液态收缩率见式(11-3)。在浇注温度不变时，随着含碳量的增加，液相线温度降低，V液相应增大，铸钢的液态收缩率也增大。在铸钢的化学成分一定时，若浇注温度提高，液态收缩率也增大。,2.凝固收缩,表11-4 碳钢的凝固收缩率与含碳量的关系,3.固态收缩,(1)珠光体转变前收缩珠前 介于凝固结束温度与相变前的温度范围内。 (2)共析转变期膨胀 发生在相变温度范围内。 (3)珠光体转变后收缩珠后 发生在相变结束到室温的温度范围内。,11.1.4 铸件的收缩,1.铸型表面摩擦力 2.机械阻力 3.热阻力,1.铸型表面摩擦力,铸件收缩时，其表面和铸型表面间摩擦力的大小与铸件质量、铸型表面的光滑程度有关。例如，当铸型表面涂有涂料时，摩擦阻力可以忽略不计。,2.机械阻力,图11-5 铸件收缩受阻,3.热阻力,3.热阻力,表11-5 常用合金的铸造收缩率,11.2 缩孔与缩松的分类及特征,11.2.1 缩孔 11.2.2 缩松,11.2 缩孔与缩松的分类及特征,图11-6 缩孔与缩松形貌 a)Al-4.5%Cu合金挤压铸造缩孔形 b)Mg-6%Al合金二维缩松形 c)Al-4.5%Cu合金三维缩松形,11.2.1 缩孔,图11-7 铸件缩孔形式 a)顶部缩孔 b)凹角缩孔 c)芯面缩孔 d)内部缩孔,11.2.1 缩孔,图11-8 铸件热节处的缩孔与缩松,11.2.2 缩松,缩松常出现在结晶温度范围较宽的合金中，多分布于铸件轴线附近较宽的区域及缩孔附近等部位，如图11-8所示。缩松按其形态分为宏观缩松和微观缩松两种类型；按其分布特点又可分为分散性缩松、轴线缩松和局部缩松三种类型。宏观缩松简称缩松，微观缩松也称为显微缩松。宏观缩松可以通过肉眼观察，微观缩松只有在显微镜下才能观察到，它存在于各种铸件中，一般出现于树枝晶间或分枝晶间。分散在整个铸件断面上的缩松称为分散性缩松;在铸件轴线附近区域产生的缩松称为轴线缩松;存在于铸件局部范围的缩松称为局部缩松，如在铸件的厚大部分、冒口根部及内浇道附近存在的缩松。,11.3 缩孔与缩松的形成机理,11.3.1 缩孔的形成机理 11.3.2 缩松的形成机理 11.3.3 铸铁件的缩孔及缩松形成特点,11.3.1 缩孔的形成机理,图11-9 铸件中缩孔的形成示意图,11.3.2 缩松的形成机理,图11-10 铸件微观气孔周围的 显微缩松分,11.3.2 缩松的形成机理,11.3.2 缩松的形成机理,图11-11 Fe-C合金中缩孔和缩松的分布状,11.3.3 铸铁件的缩孔及缩松形成特点,图11-12 亚共晶灰铸铁和球墨铸铁的凝固动态曲线 a)灰铸铁 b)球墨铸铁,11.3.3 铸铁件的缩孔及缩松形成特点,图11-13 灰铸铁和球墨铸铁共晶石墨长大示意图 a)片状石墨 b)球状石墨,11.4 影响缩孔与缩松的因素及防止措施,11.4.1 影响缩孔与缩松的因素 11.4.2 影响灰铸铁和球墨铸铁缩孔与缩松的因素 11.4.3 防止缩孔与缩松的措施,11.4.1 影响缩孔与缩松的因素,1.金属性质 2.铸型条件 3.浇注条件 4.铸件尺寸 5.补缩压力,1.金属性质,金属熔体的液态体收缩系数和液态及凝固的收缩率越大，缩孔和缩松的容积越大。而金属的固态收缩系数越大，缩孔及缩松的容积越小，其形成的趋势也越小。,2.铸型条件,铸型的激冷能力越强，缩孔及缩松的容积越小。因为铸型的激冷能力强，易造成浇注与凝固几乎同时进行的条件，使金属收缩在较大程度上被后注金属液所填充，实际发生收缩的液态金属量减少。,3.浇注条件,浇注温度越高，金属的液态收缩越大，缩孔的容积越大。但是，在具有冒口的条件下，高的浇注温度有助于提高冒口的补缩能力而减小缩孔的容积。浇注速度越缓慢，浇注时间越长，缩孔容积越小。,4.铸件尺寸,铸件壁厚尺寸越大，形成缩孔和缩松的趋势越大。因为在铸件表层凝固后，厚壁铸件内部的金属液温度很高，液态收缩量很大，导致缩孔及缩松的容积较大。,5.补缩压力,在凝固过程中施加补缩压力，可有效减小缩孔及缩松形成的趋势。,11.4.2 影响灰铸铁和球墨铸铁缩孔与缩松的因素,1.铸铁的成分 2.铸型的刚度,1.铸铁的成分,对于亚共晶灰铸铁，随着碳当量增加，共晶石墨析出量增大，石墨化膨胀量增大，有利于消除缩孔和缩松。共晶成分灰铸铁以逐层方式进行凝固，有利于缩孔的形成。但是，共晶石墨的膨胀作用能抵消或超过共晶液体的收缩，在铸件中不形成缩孔。对于碳当量超过4.3%的过共晶灰铸铁，由于C、Si的含量过高，在铁液中出现石墨漂浮，使石墨析出量减少，石墨化膨胀作用减小。,2.铸型的刚度,铸铁在共晶石墨化膨胀时，其型壁是否迁移是影响缩孔容积的重要因素。铸型刚度越大，缩前膨胀越小，则缩孔容积越小。铸型刚度依下列顺序逐级降低：金属型覆砂金属型水泥型水玻璃砂型干型湿型。,11.4.3 防止缩孔与缩松的措施,1.顺序凝固和同时凝固原则 2.浇注系统的引入位置及浇注工艺 3.冒口、补贴和冷铁及其他措施的应用,1.顺序凝固和同时凝固原则,(1)顺序凝固原则 顺序凝固原则是采取工艺措施使铸件各部分按照距离冒口的远近，由远及近向冒口方向凝固，冒口最后凝固，如图11-14所示。 (2)同时凝固原则 同时凝固原则是采取工艺措施使铸件各部分之间没有温差，或使温差尽量减小，使铸件各部分同时凝固，如图11-20所示。,(1)顺序凝固原则,图11-14 顺序凝固方式示意图,(1)顺序凝固原则,图11-15 不同冷却条件下的板状铸件凝固状 a)无温度梯度 b)外加温度梯度,(1)顺序凝固原则,图11-16 铸件凝固时间与临界温度梯度的关系 (实线为圆柱形固体区域的计算温度梯度， 虚线为固-液区域的平均温度梯度,(1)顺序凝固原则,图11-17 铸件冷却速度与缩孔半径的关,(1)顺序凝固原则,图11-18 均匀壁厚铸件的顺序凝固过程示意图 a)带冒口铸件 b)14为不同时刻铸件中的温度分布 c)凝固顺序(14为不同时刻的铸件断面),(1)顺序凝固原则,图11-19 扩张角对补缩困难区的影响示意图,(2)同时凝固原则,图11-20 同时凝固方式示意图,2.浇注系统的引入位置及浇注工艺,图11-21 浇注系统的不同引入位置对铸件纵向温度分布的影响 1顶注式 2底注快浇 3底注慢浇 4阶梯式注入,3.冒口、补贴和冷铁及其他措施的应用,图11-22 冒口有效补缩距离示意图,11.5 热裂纹的形成与控制,11.5.1 热裂纹的分类及形成机理 11.5.2 热裂纹的影响因素及防止措施,11.5.1 热裂纹的分类及形成机理,1.热裂纹的分类及特征 2.热裂纹的形成机理,1.热裂纹的分类及特征,热裂纹是常见的铸造缺陷之一，裂纹外观形状曲折而不规则，断口表面呈氧化色。热裂纹分为外裂纹和内裂纹。在铸件表面可以看到的热裂纹称为外裂纹。外裂纹一般产生于局部凝固缓慢、容易产生应力集中的部位，裂纹从铸件表面开始，逐渐延伸到铸件内部，表面宽而内部窄。图11-23所示为Mg-8Al合金的外裂纹形貌。内裂纹通常产生在铸件内部的最后凝固部位，有时出现在缩孔的下部。内裂纹需用X射线、射线或超声探伤才能检测到，其氧化程度不明显。,2.热裂纹的形成机理,(1)液膜理论 从第1章中可知，由于表面张力的作用，在凝固后期，存在于晶粒之间的液膜会将晶粒紧紧地吸附在一起，液膜厚度越小，其吸附力就越大。 (2)强度理论 强度理论认为，热脆区、合金应变能力及铸件受阻应变综合影响热裂纹的产生。,2.热裂纹的形成机理,图11-23 Mg-8%Al合金的 外裂纹形,(1)液膜理论,图11-24 金属结晶阶段及脆性温度区 液相线 固相线 脆性温度区,(2)强度理论,图11-25 产生凝固裂纹的条件 液相线 固相线 脆性 温度区 T上限 T下限,11.5.2 热裂纹的影响因素及防止措施,1.影响因素 2.防止措施,1.影响因素,(1)铸造合金性质 (2)铸型性质 铸件凝固收缩时受到来自铸型(或砂芯)的阻力，如果阻力越大，铸件内产生的收缩应力越大，热裂纹形成的趋势越大。 (3)浇注条件 浇冒口系统设计对铸件产生热裂的趋势均有影响。 (4)铸件结构 若铸件结构设计不合理，则容易引起热裂纹。,(1)铸造合金性质,图11-26 凝固温度区与裂纹倾向的关系 实线平衡状态 虚线非平衡状态,2.防止措施,(1)合金成分及熔炼工艺 (2)铸型方面 (3)浇注条件方面 (4)铸件结构方面,(1)合金成分及熔炼工艺,1)在不影响铸件使用性能的前提下，选择抗热裂性能好的合金成分，如接近共晶成分的合金。 2)减少合金中的有害物质含量。严格控制炉料中的硫、磷等有害物质含量，加强熔化过程中的脱氧、脱碳、脱硫及脱磷处