第14章 縮孔與縮松

Chapter14Shrinkageholesandshrinkageporosity

第十四章縮孔與縮松UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan§14-1縮孔與縮松的種類1、收縮的基本概念——鑄件在液態(tài)、凝固態(tài)和固態(tài)冷卻過程中發(fā)生的體積減少。體收縮——金屬從液態(tài)到常溫（室溫）的體積改變量

線收縮——金屬在固態(tài)時(shí)從高溫到常溫（室溫）的線尺寸改變量

體收縮率：線收縮率：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1、液態(tài)收縮：2、凝固收縮：3、固態(tài)收縮：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1．液態(tài)收縮充滿鑄型瞬間，液態(tài)金屬由所具有的溫度T澆冷卻至開始凝固的液相線溫度TL的體收縮為液態(tài)收縮。因?yàn)樵诖穗A段中，金屬處于液態(tài)，體積的縮小，僅表現(xiàn)為型腔內(nèi)液面的降低。液態(tài)收縮率用下式表示：

從中可以看出，提高澆注溫度T澆，或因合金成分改變而降低TL，都使液態(tài)收縮率增加。改變體收縮系數(shù)時(shí)，體收縮率也改變。影響液態(tài)收縮系數(shù)的因素很多，如合金成分、溫度、氣體和夾雜物含量等。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)值往往有很大差別，計(jì)算時(shí)常取其平均值。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2．凝固收縮對于純金屬和共晶合金，凝固期間的體收縮只是由于狀態(tài)的改變，而與溫度無關(guān)，故具有定值。具有一定結(jié)晶溫度范圍的合金由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，固態(tài)的排列比較緊密，伴隨著體積收縮；同時(shí)，在凝固過程中溫度降低，也使體積縮小。因此，合金的凝固收縮率既與狀態(tài)改變時(shí)的體積變化有關(guān)，且與結(jié)晶溫度范圍有關(guān)。合金在凝固過程中時(shí)常發(fā)生引起比容變化的某些反應(yīng)，如鋼的包晶反應(yīng)、鑄鐵中滲碳體的分解、石墨的析出，大部分合金在凝固期析出的氣體量急劇增加。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan液態(tài)金屬注入鑄型后，首先在表面形成硬殼，其中尚處于液態(tài)的金屬在此外殼中冷卻時(shí)，由于液態(tài)和凝固收縮體積縮小。如果所減小的體積得不到外來金屬液的補(bǔ)充，則在鑄件中形成集中于某處的或分散的孔洞一縮孔或縮松。因此，液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的根本原因。有一些合金，在凝固過程中體積不但不收縮，反而膨脹，故凝固收縮率為負(fù)值。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3．固態(tài)收縮金屬的固態(tài)體收縮率用下式表示：金屬的線收縮是鑄件中產(chǎn)生應(yīng)力、變形和裂紋的基本原因。

在固態(tài)收縮階段，鑄件各個(gè)方向上都表現(xiàn)出線尺寸的縮小。因此，這階段對鑄件的形狀和尺寸的精度影響最大。為方便起見，常用線收縮率表示固態(tài)收縮，即：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan4．線收縮的開始溫度純金屬和共晶合金的線收縮是在金屬完全凝固以后開始的。具有結(jié)晶溫度范圍的合金，當(dāng)溫度稍低于液相線溫度時(shí)開始結(jié)晶，溫度下降，枝晶數(shù)量增多，當(dāng)彼此相連構(gòu)成連續(xù)的骨架時(shí)，合金開始表現(xiàn)為固態(tài)的性質(zhì)，即開始線收縮。此時(shí)合金中尚有20～45％的殘留液體。

對于有結(jié)晶溫度范圍的合金，其線收縮不是從完全凝固以后才開始，而是在結(jié)晶溫度范圍中的某一溫度開始，這對于鑄件中熱裂的形成機(jī)理是個(gè)很重要的概念。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2、鑄鋼的收縮圖碳鋼的比容與溫度和含碳量的關(guān)系1－0.35％C；2－0.25%C；3－0.8%C（1）液態(tài)（2）凝固UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（3）固態(tài)收縮a.珠光體轉(zhuǎn)變前收縮b.共析轉(zhuǎn)變期的膨脹c.珠光體轉(zhuǎn)變后收縮UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3．固態(tài)收縮（1）珠光體轉(zhuǎn)變前收縮：發(fā)生在從凝固終了到A——F相變前的溫度范圍內(nèi)，以εV珠前表示該階段的體收縮。以εL珠前珠前表示該階段的線收縮。這階段的體收縮隨碳含量增大而減小。

碳量%0.10.250.350.450.70凝固收縮率%2.02.53.04.35.3UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（2）共析轉(zhuǎn)變期的膨脹：發(fā)生在A——F相變的溫度范圍內(nèi)，以εVA-F和εLA-F

表示該階段的體收縮和線收縮。隨碳含量增大，A——F相變膨脹減小，這是因?yàn)橄嘧冎亟ňЦ穸蛎浀耐瑫r(shí)，由于碳從奧氏體中析出，發(fā)生晶格的收縮。但是，在快速冷卻條件下，生成馬氏體，碳原子并不析出。在這種情況下，不論碳含量多少，相變時(shí)的膨脹將達(dá)到最大值，使鑄件產(chǎn)生應(yīng)力，并可出現(xiàn)裂紋。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（3）珠光體轉(zhuǎn)變后收縮：發(fā)生在A——F相變終了到室溫的范圍內(nèi)，以εV珠后和εL珠后表示該階段的體收縮和線收縮，其值一般為1％，提高碳含量時(shí)，改變也很小。碳鋼的固態(tài)體收縮由如下三部分確定：εV固=εV珠前-εVA-Ag+εV珠后線收縮則為：εV=εL珠前-εLA-Ag+εL珠后UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（4）碳鋼的總收縮，從澆注溫度至冷卻到室溫的范圍內(nèi)，鋼的總收縮為：ε總=εV液+εV凝+εV固=εV液+εV凝+（εV珠前-εVA-F+εV珠后）碳鋼的體積總收縮隨鋼中碳含量的提高而增大，當(dāng)碳含量為1％時(shí)，ε總可達(dá)14％。

奧氏體鋼和鐵素體鋼在固態(tài)下不發(fā)生相變，它們的固態(tài)收縮曲線是平滑的。但是，奧氏體鋼的εL比碳鋼的大，而鐵素體鋼的εL比碳鋼的小。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3、鑄鐵的收縮圖鑄鐵的收縮過程曲線1－白口鑄鐵；2－灰鑄鐵(1)液態(tài)收縮（2）凝固收縮：狀態(tài)改變＋溫度降低析出1％石墨，體積增大2％凝UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan灰鑄鐵凝固收縮與碳當(dāng)量的關(guān)系（3）鑄鐵的固體收縮曲線UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan(3)．固態(tài)收縮鑄鐵的固態(tài)收縮可分為五個(gè)階段。如圖。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（1）最初收縮階段ε初縮鑄鐵凝固開始后，由于已凝固的外殼縮小，而使鑄件發(fā)生最初的收縮。ε初縮的值很小，在一般的收縮曲線上表現(xiàn)不明顯。（2）縮前膨脹ε縮前鑄鐵件在凝固時(shí)期，當(dāng)析出一定量的固相而連成骨架后，石墨析出的膨脹力作用在骨架上，使鑄件尺寸變大，此即縮前膨脹。所以，縮前膨脹與石墨化有關(guān)。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（3）珠光體前收縮ε珠前到共析轉(zhuǎn)變溫度停止。固態(tài)下石墨化程度愈大，ε珠前愈小。（4）共析轉(zhuǎn)變膨脹ε共膨共析轉(zhuǎn)變時(shí)，由于奧氏體分解為鐵素體、石墨和珠光體而發(fā)生的膨脹。

A完全轉(zhuǎn)變?yōu)镕時(shí)，體膨脹可達(dá)1％，但隨碳含量增大而降低。因此在緩冷的條件下，相變的體膨脹不超過0.3％，即線膨脹不超過0.1％。對于淬火的鑄件，只發(fā)生A——M的馬氏體轉(zhuǎn)變，而沒有石墨析出，線膨脹能達(dá)到0.25％－0.3％，這是很危險(xiǎn)的。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（5）珠光體后收縮ε珠后在共析溫度以下開始，因石墨化微弱，ε珠后主要取決于這階段的收縮系數(shù)。縮前膨脹和珠光體前收縮，對鑄件的熱裂傾向性有重要影響。ε縮前愈大，ε珠前愈小，產(chǎn)生熱裂傾向性就愈小。

ε珠前、ε共膨和ε珠后對鑄件產(chǎn)生應(yīng)力、變形和冷裂有影響。鑄鐵的固態(tài)體收縮應(yīng)為:V固=εV初縮-εV縮前+εV珠前-εV共膨+εV珠后而線收縮為εL=ε初縮-ε縮前+ε珠前-ε共膨+ε珠后UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanUCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖Fe-C合金的自由線收縮曲線1－碳鋼；2－白口鐵；3－灰鑄鐵；4－球墨鑄鐵UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan①縮孔：凝固體積收縮，得不到液態(tài)金屬的補(bǔ)充→逐層凝固時(shí)→通過液態(tài)金屬的流動(dòng)使收縮集中于鑄件最后凝固部位形成集中縮孔。②縮松：糊狀凝固→糊狀區(qū)、液固共存—液體流動(dòng)困難→晶間樹枝間得不到補(bǔ)充→分散的小縮孔§14-2縮孔與縮松的形成機(jī)理③危害：機(jī)械性能、氣密性、耐蝕性、鍛造裂紋UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan鑄件中縮孔的形成示意圖UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanAl-4.5%Cu合金中的顯微縮松a.含氣量高的顯微縮松與球形孔洞；b.樹枝間的顯微縮松UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖鑄鐵共晶石墨長大特點(diǎn)示意圖灰鑄鐵——“自補(bǔ)縮能力”球墨鑄鐵——膨脹力大——若鑄型移動(dòng)——縮松傾向大若鑄型剛性大——自補(bǔ)縮UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖灰鐵與球鐵在濕砂型中澆注的膨脹曲線灰鑄鐵——“自補(bǔ)縮能力”球墨鑄鐵——膨脹力大——若鑄型移動(dòng)——縮松傾向大若鑄型剛性大——自補(bǔ)縮UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan影響灰鑄鐵和球鐵縮孔和縮松的主要因素如下：1．鑄鐵的成分對于亞共晶灰鑄鐵，碳當(dāng)量增加，共晶石墨的析出量增加，有利于消除縮孔和縮松。共晶成分灰鑄鐵以逐層方式進(jìn)行凝固，傾向于形成集中縮孔。但是，共晶轉(zhuǎn)變的石墨化膨脹作用，能抵消或超過共晶液體的收縮，鑄件中不產(chǎn)生縮孔，甚至使冒口和澆口的項(xiàng)面鼓脹起來。對碳當(dāng)量超過4.3％的過共晶鑄鐵，可能由于C、Si量過高，鐵水中出現(xiàn)石墨漂浮，反而使石墨析出量減少。對于球鐵，碳當(dāng)量＞3．9％時(shí)，充分孕育，增加鑄型的剛度，創(chuàng)造同時(shí)凝固條件，即可實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造，獲得健全的鑄件。2．鑄型剛度鑄鐵在共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生石墨化膨脹時(shí)，型壁是否遷移，是影響縮孔容積的重要因素。鑄型剛度大，縮前膨脹就小，縮孔容積相應(yīng)減小。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan產(chǎn)生縮孔、縮松因素與控制：收縮必然性→縮孔或縮松→取決于凝固方式（層、糊）影響凝固方式因素：成分、溫度梯度影響縮孔和縮松大小的因素：金屬的性質(zhì)；鑄型條件(激冷能力)

澆注條件；鑄件尺寸縮孔防止：合理設(shè)計(jì)澆冒口系統(tǒng)→縮孔于澆冒口中。縮松