第14章縮孔與縮松

1、Chapter 14 Shrinkage holes and shrinkage porosity 第十四章第十四章 縮孔與縮松縮孔與縮松14-1 14-1 縮孔與縮松的種類縮孔與縮松的種類 1、收縮的基本概念、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。減少。體收縮體收縮金屬從液態(tài)到常溫（室溫）的體積改變量金屬從液態(tài)到常溫（室溫）的體積改變量 )(1 1001TTVVv線收縮線收縮金屬在固態(tài)時從高溫到常溫（室溫）的線尺金屬在固態(tài)時從高溫到常溫（室溫）的線尺寸改變量寸改變量 )(1 1001TTLLL%100)(%100/ )(

2、10010TTVVVvv%100)(%100/ )(10010TTLLLLL體收縮率：體收縮率：線收縮率：線收縮率：1、液態(tài)收縮：、液態(tài)收縮：%100)(LTTvv澆液液2、凝固收縮：、凝固收縮：3、固態(tài)收縮：、固態(tài)收縮：%100)(S室固固TTvv%100)(S室TTLL1液態(tài)收縮液態(tài)收縮充滿鑄型瞬間，液態(tài)金屬由所具有的溫度充滿鑄型瞬間，液態(tài)金屬由所具有的溫度T澆澆冷卻至開始凝固的液冷卻至開始凝固的液相線溫度相線溫度TL的體收縮為液態(tài)收縮。因為在此階段中，金屬處于液態(tài)的體收縮為液態(tài)收縮。因為在此階段中，金屬處于液態(tài)，體積的縮小，僅表現(xiàn)為型腔內液面的降低。液態(tài)收縮率用下式表，體積的縮小，僅表現(xiàn)

3、為型腔內液面的降低。液態(tài)收縮率用下式表示：示： () 100%LVVTT液液澆 從中可以看出，提高澆注溫度從中可以看出，提高澆注溫度T澆澆，或因合金成分改變而降低，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，體收縮率也改變。都使液態(tài)收縮率增加。改變體收縮系數(shù)時，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。實驗所得數(shù)值往往有很大差別，計算時常取其平均值。物含量等。實驗所得數(shù)值往往有很大差別，計算時常取其平均值。 2凝固收縮凝固收縮 對于純金屬和共晶合金，凝固期間的體收縮只是由于狀

4、態(tài)的改變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，故具有定值。，而與溫度無關，故具有定值。 具有一定結晶溫度范圍的合金由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)時，固態(tài)的排列具有一定結晶溫度范圍的合金由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)時，固態(tài)的排列比較緊密，伴隨著體積收縮；同時，在凝固過程中溫度降低，也使比較緊密，伴隨著體積收縮；同時，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)改變時的體積縮小。因此，合金的凝固收縮率既與狀態(tài)改變時的體積變化體積變化有有關，且與關，且與結晶溫度范圍結晶溫度范圍有關。有關。 合金在凝固過程中時常發(fā)生引起比容變化的某些反應，如鋼的包合金在凝固過程中時常發(fā)生

5、引起比容變化的某些反應，如鋼的包晶反應、鑄鐵中滲碳體的分解、石墨的析出，大部分合金在凝固期晶反應、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。析出的氣體量急劇增加。 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，由于液態(tài)和凝固收縮體積縮小。如果所減金屬在此外殼中冷卻時，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充，則在鑄件中形成集中于某處的小的體積得不到外來金屬液的補充，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，或分散的孔洞一縮孔或縮松。因此

6、，液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產生縮孔和縮松的根本原因。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，故凝固收縮率為負值。收縮率為負值。3固態(tài)收縮固態(tài)收縮 金屬的固態(tài)體收縮率用下式表示：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生應力、變形和裂紋的基本原因。金屬的線收縮是鑄件中產生應力、變形和裂紋的基本原因。 0() 100%VVTTS固固 在固態(tài)收縮階段，鑄件各個方向上都表現(xiàn)出線尺寸的縮小。因此，在固態(tài)收縮階段，鑄件各個方向上都表現(xiàn)出線尺寸的縮小。因此，這階段對鑄件的形狀和

7、尺寸的精度影響最大。為方便起見，常用線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：收縮率表示固態(tài)收縮，即：0() 100%LLTTS4線收縮的開始溫度線收縮的開始溫度 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。具有結晶溫度范圍的合金凝固以后開始的。具有結晶溫度范圍的合金，當溫度稍低于液相線溫度時開始結晶，溫，當溫度稍低于液相線溫度時開始結晶，溫度下降，枝晶數(shù)量增多，當彼此相連構成連度下降，枝晶數(shù)量增多，當彼此相連構成連續(xù)的骨架時，合金開始表現(xiàn)為固態(tài)的性質，續(xù)的骨架時，合金開始表現(xiàn)為固態(tài)的性質，即開始線收縮。此時

8、合金中尚有即開始線收縮。此時合金中尚有2045的的殘留液體。殘留液體。 對于有結晶溫度范圍的合金，其線收縮不是從完全凝固以后才開對于有結晶溫度范圍的合金，其線收縮不是從完全凝固以后才開始，而是在結晶溫度范圍中的某一溫度開始，這對于鑄件中熱裂的始，而是在結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理是個很重要的概念。形成機理是個很重要的概念。2、鑄鋼的收縮、鑄鋼的收縮圖圖 碳鋼的比容與溫度和含碳量的關系碳鋼的比容與溫度和含碳量的關系10.35C；20.25%C；30.8%C（1）液態(tài)）液態(tài)（2）凝固）凝固（3）固態(tài)收縮）固態(tài)收縮a.珠光體轉變前收縮珠光體轉變前收縮b.共析轉變期的膨脹共

9、析轉變期的膨脹c.珠光體轉變后收縮珠光體轉變后收縮珠后珠前固vVvvUCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan3固態(tài)收縮固態(tài)收縮（1）珠光體轉變前收縮：發(fā)生在從凝固終了到）珠光體轉變前收縮：發(fā)生在從凝固終了到AF相變前的溫度范圍內，以相變前的溫度范圍內，以V珠前珠前表示該階表示該階段的體收縮。以段的體收縮。以L珠前珠前珠前表示該階段的線收縮。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。這階段的體收縮隨碳含量增大而減小。 碳量碳量 %0.10.250.350.450.70凝固收縮凝固收縮率率%2.02

10、.53.04.35.3（2）共析轉變期的膨脹：發(fā)生在）共析轉變期的膨脹：發(fā)生在AF相變的溫度范圍內，以相變的溫度范圍內，以VA-F和和LA-F 表示該階段的體收縮和線收縮。隨碳含量增大，表示該階段的體收縮和線收縮。隨碳含量增大，AF相變膨脹減小，這是因為相變重建晶格而膨脹的同時，由于碳相變膨脹減小，這是因為相變重建晶格而膨脹的同時，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，相變時的膨脹將達到最大值，使鑄

11、件產生應力，并可出現(xiàn)裂紋。變時的膨脹將達到最大值，使鑄件產生應力，并可出現(xiàn)裂紋。 （3）珠光體轉變后收縮：發(fā)生在）珠光體轉變后收縮：發(fā)生在AF相變終了到室溫的范圍相變終了到室溫的范圍內，以內，以V珠后珠后和和L珠后珠后表示該階段的體收縮和線收縮，其值一般為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，改變也很小。提高碳含量時，改變也很小。碳鋼的固態(tài)體收縮由如下三部分確定：碳鋼的固態(tài)體收縮由如下三部分確定：V固固=V珠前珠前-VA-Ag+V珠后珠后線收縮則為：線收縮則為： V=L珠前珠前-LA-Ag+L珠后珠后（4）碳鋼的總收縮，從澆注溫度至冷卻到室溫的范圍內，鋼的總）碳鋼的總收縮，從

12、澆注溫度至冷卻到室溫的范圍內，鋼的總收縮為：收縮為：總總=V液液+V凝凝+V固固=V液液+V凝凝+（V珠前珠前-VA-F+V珠后珠后） 碳鋼的體積總收縮隨鋼中碳含量的提高而增大，當碳含量為碳鋼的體積總收縮隨鋼中碳含量的提高而增大，當碳含量為1時，時，總總可達可達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，奧氏體鋼的是平滑的。但是，奧氏體鋼的L比碳鋼的大，而鐵素體鋼的比碳鋼的大，而鐵素體鋼的L比比碳鋼的小。碳鋼的小。 3、鑄鐵的收縮、鑄鐵的收縮圖圖 鑄鐵的收縮過程曲線鑄鐵的收縮過程曲線1白口鑄鐵；白口鑄鐵

13、；2灰鑄鐵灰鑄鐵610)3090(Cv液(1)液態(tài)收縮液態(tài)收縮（2）凝固收縮：）凝固收縮：狀態(tài)改變溫度降低狀態(tài)改變溫度降低)(L)()(TTSLvSLvv澆凝析出析出1石墨，體積增大石墨，體積增大2凝凝灰鑄鐵灰鑄鐵凝固收縮凝固收縮與碳當量的關系與碳當量的關系（3）鑄鐵的）鑄鐵的固體收縮固體收縮曲線曲線UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan(3)固態(tài)收縮固態(tài)收縮 鑄鐵的固態(tài)收縮可分為五個階段。如圖。鑄鐵的固態(tài)收縮可分為五個階段。如圖。（1）最初收縮階段）最初收縮階段初縮初縮鑄鐵凝固開始后，由于已凝固的外殼縮小，

14、而使鑄件發(fā)生最初的鑄鐵凝固開始后，由于已凝固的外殼縮小，而使鑄件發(fā)生最初的收縮。收縮。初縮初縮的值很小，在一般的收縮曲線上表現(xiàn)不明顯。的值很小，在一般的收縮曲線上表現(xiàn)不明顯。（2）縮前膨脹）縮前膨脹縮前縮前鑄鐵件在凝固時期，當析出一定量的固相而連成骨架后，石墨析鑄鐵件在凝固時期，當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。，縮前膨脹與石墨化有關。 （3）珠光體前收縮）珠光體前收縮珠前珠前到共析轉變溫度停止。固態(tài)下石墨化程度愈大，到共析轉變溫度停止。固態(tài)下石墨化程

15、度愈大，珠前珠前愈小。愈小。（4）共析轉變膨脹）共析轉變膨脹共膨共膨共析轉變時，由于奧氏體分解為鐵素體、石墨和珠光體而發(fā)生的共析轉變時，由于奧氏體分解為鐵素體、石墨和珠光體而發(fā)生的膨脹。膨脹。 A完全轉變?yōu)橥耆D變?yōu)镕時，體膨脹可達時，體膨脹可達1，但隨碳含量增大而降低。因，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，即線膨脹不超過0.1。對于淬火的鑄件，只發(fā)生。對于淬火的鑄件，只發(fā)生AM的馬氏體轉變，而沒有石的馬氏體轉變，而沒有石墨析出，線膨脹能達到墨析出，線膨脹能達到0. 250.3，這是很危險的。，這是很危險的。

16、 （5）珠光體后收縮）珠光體后收縮珠后珠后在共析溫度以下開始，因石墨化微弱，在共析溫度以下開始，因石墨化微弱，珠后珠后主要取決于這階段的主要取決于這階段的收縮系數(shù)。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?？s前膨脹和珠光體前收縮，對鑄件的熱裂傾向性有重要影響?？s前縮前愈大，愈大，珠前珠前愈小，產生熱裂傾向性就愈小。愈小，產生熱裂傾向性就愈小。 珠前珠前、共膨共膨和和珠后珠后對鑄件產生應力、變形和冷裂有影響。對鑄件產生應力、變形和冷裂有影響。鑄鐵的固態(tài)體收縮應為鑄鐵的固態(tài)體收縮應為:V固固=V初縮初縮-V縮前縮前+V珠前珠前-V共膨共膨+V珠后珠后而線收縮為而線收縮為L=初

17、縮初縮-縮前縮前+珠前珠前-共膨共膨+珠后珠后 圖圖 Fe-C合金的自由線收縮曲線合金的自由線收縮曲線1碳鋼；碳鋼；2白口鐵；白口鐵；3灰鑄鐵；灰鑄鐵；4球墨鑄鐵球墨鑄鐵縮孔縮孔：凝固體積收縮，得不到液態(tài)金屬的補充凝固體積收縮，得不到液態(tài)金屬的補充 逐層凝逐層凝固時固時 通過液態(tài)金屬的流動使收縮集中于鑄件最后凝固通過液態(tài)金屬的流動使收縮集中于鑄件最后凝固部位形成部位形成集中集中縮孔。縮孔?？s松縮松：糊狀凝固糊狀凝固糊狀區(qū)、液固共存糊狀區(qū)、液固共存液體流動困難液體流動困難晶間樹枝間得不到補充晶間樹枝間得不到補充 分散的小縮孔分散的小縮孔14-2 14-2 縮孔與縮松的形成機理縮孔與縮松的形成機理

18、危害：危害： 機械性能、機械性能、 氣密性、耐蝕性、鍛造裂紋氣密性、耐蝕性、鍛造裂紋鑄件中縮孔的形成示意圖鑄件中縮孔的形成示意圖 Al-4.5%Cu合金中的顯微縮松合金中的顯微縮松a.含氣量高的顯微縮松與球形孔洞；含氣量高的顯微縮松與球形孔洞；b.樹枝間的顯微縮松樹枝間的顯微縮松圖圖 鑄鐵共晶石墨長大特點示意圖鑄鐵共晶石墨長大特點示意圖灰鑄鐵灰鑄鐵“自補縮能力自補縮能力”球墨鑄鐵球墨鑄鐵膨脹力大膨脹力大若鑄型移動若鑄型移動縮松傾向大縮松傾向大 若鑄型剛性大若鑄型剛性大自補縮自補縮圖圖 灰鐵與球鐵在濕砂型中澆注的膨脹曲線灰鐵與球鐵在濕砂型中澆注的膨脹曲線灰鑄鐵灰鑄鐵“自補縮能力自補縮能力”球墨鑄

19、鐵球墨鑄鐵膨脹力大膨脹力大若鑄型移動若鑄型移動縮松傾向大縮松傾向大 若鑄型剛性大若鑄型剛性大自補縮自補縮影響灰鑄鐵和球鐵縮孔和縮松的主要因素如下：影響灰鑄鐵和球鐵縮孔和縮松的主要因素如下：1鑄鐵的成分鑄鐵的成分 對于亞共晶灰鑄鐵，碳當量增加，共晶石墨的析出量增加，有對于亞共晶灰鑄鐵，碳當量增加，共晶石墨的析出量增加，有利于消除縮孔和縮松。利于消除縮孔和縮松。 共晶成分灰鑄鐵以逐層方式進行凝固，傾向于形成集中縮孔。共晶成分灰鑄鐵以逐層方式進行凝固，傾向于形成集中縮孔。但是，共晶轉變的石墨化膨脹作用，能抵消或超過共晶液體的收但是，共晶轉變的石墨化膨脹作用，能抵消或超過共晶液體的收縮，鑄件中不產生縮

20、孔，甚至使冒口和澆口的項面鼓脹起來。縮，鑄件中不產生縮孔，甚至使冒口和澆口的項面鼓脹起來。 對碳當量超過對碳當量超過4.3的過共晶鑄鐵，可能由于的過共晶鑄鐵，可能由于C、Si量過高，鐵水量過高，鐵水中出現(xiàn)石墨漂浮，反而使石墨析出量減少。中出現(xiàn)石墨漂浮，反而使石墨析出量減少。 對于球鐵，碳當量對于球鐵，碳當量39時，充分孕育，增加鑄型的剛度，創(chuàng)時，充分孕育，增加鑄型的剛度，創(chuàng)造同時凝固條件，即可實現(xiàn)無冒口鑄造，獲得健全的鑄件。造同時凝固條件，即可實現(xiàn)無冒口鑄造，獲得健全的鑄件。2鑄型剛度鑄型剛度 鑄鐵在共晶轉變發(fā)生石墨化膨脹時，型壁是否遷移，是影響縮鑄鐵在共晶轉變發(fā)生石墨化膨脹時，型壁是否遷移，是影響縮孔容積的重要因素。鑄型剛度大，