第14章缩孔与缩松

1、1/28 材料成形原理材料成形原理材料成型与控制专业材料成型与控制专业 2/28 第一节第一节 收缩的基本概念收缩的基本概念1 1、收缩、收缩 （1 1）液态液态金属在冷却过程中，随着温度下降，金属在冷却过程中，随着温度下降，空穴数量减少，原子集团中原子间距缩短，液态金属空穴数量减少，原子集团中原子间距缩短，液态金属的体积减小；的体积减小； （2 2）液态液态金属发生金属发生凝固凝固时，状态的变化也导致金时，状态的变化也导致金属体积显著减小；属体积显著减小； （3 3）金属在）金属在固态固态下继续冷却，原子间距还要缩短，下继续冷却，原子间距还要缩短，体积会进一步减小。体积会进一步减小。 把铸件

2、在把铸件在液态、凝固态和固态液态、凝固态和固态冷却过程中发生的冷却过程中发生的体积减小现象称为体积减小现象称为收缩收缩。3/28 2 2、体收缩、体收缩 金属从液态到常温的金属从液态到常温的体积改变量体积改变量称为体收称为体收缩。缩。 3 3、线收缩、线收缩 金属在固态时从高温到常温的金属在固态时从高温到常温的线尺寸改变线尺寸改变量量称为线收缩。称为线收缩。 4 4、收缩率收缩率 在实际使用中，通常用相对收缩来表示金在实际使用中，通常用相对收缩来表示金属的收缩特性，把这一相对收缩称为收缩率。属的收缩特性，把这一相对收缩称为收缩率。%100)(10TTVV%100)(10TTLL4/28 收缩三

3、个阶段收缩三个阶段 根据上述分析，根据上述分析，铸造合金从浇注温度冷却到常温，铸造合金从浇注温度冷却到常温，一般要经历以下三个一般要经历以下三个收缩收缩阶段：阶段： 1 1液态收缩：液态收缩：铸造合金从浇注温度冷却到液相线温度铸造合金从浇注温度冷却到液相线温度发生的体收缩。发生的体收缩。 2 2凝固收缩：凝固收缩：金属从液相线温度到固相线温度间产生金属从液相线温度到固相线温度间产生的体收缩。的体收缩。 对于纯金属和共晶合金，凝固期间的体收缩是由于状态的改对于纯金属和共晶合金，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。变，与温度无关，具有一定的数值。 对于对于BiBi、SbS

4、b合金，在凝固过程中体积不但不收缩，反而膨胀，合金，在凝固过程中体积不但不收缩，反而膨胀，因此，其凝固收缩率为负值。因此，其凝固收缩率为负值。 3 3固态收缩：固态收缩：金属在固相线以下发生的体收缩。金属在固相线以下发生的体收缩。 5/28 第二节第二节 缩孔与缩松的形成机理缩孔与缩松的形成机理 1 1、缩孔：缩孔：铸造合金在凝固过程中，由于液态收缩和凝固铸造合金在凝固过程中，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，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，把尺寸较大而且集中的孔洞称为集中缩孔，称为缩孔，把尺寸较大而且集中的孔洞称为集中缩孔，简称缩孔。简称

5、缩孔。2 2、缩松：缩松：尺寸细小而且分散的孔洞称为分散性缩孔，简尺寸细小而且分散的孔洞称为分散性缩孔，简称缩松。称缩松。3 3、对铸件性能的影响、对铸件性能的影响 1 1）减少铸件的有效受力面积，在尖角处产生应）减少铸件的有效受力面积，在尖角处产生应力集中，导致裂纹的出现，力集中，导致裂纹的出现，显著降低显著降低其其力学性能力学性能。 2 2）降低铸件的气密性，降低其）降低铸件的气密性，降低其承压能力承压能力。6/28 一、缩孔的形成一、缩孔的形成 纯金属、共晶成分合金和窄结晶温度范围纯金属、共晶成分合金和窄结晶温度范围的合金，的合金，按按逐层凝固逐层凝固方式凝固，由于其凝固前沿直接与液态金

6、方式凝固，由于其凝固前沿直接与液态金属接触，当液体金属凝固成固体而发生体积收缩时，属接触，当液体金属凝固成固体而发生体积收缩时，可以不断得到液体的补充，在铸件最后凝固的地方产可以不断得到液体的补充，在铸件最后凝固的地方产生缩孔。生缩孔。7/28 缩凹的产生缩凹的产生 在液态金属中含气量不大的情况下，当液在液态金属中含气量不大的情况下，当液态金属与顶面层脱离时，液面上部要形成真空。态金属与顶面层脱离时，液面上部要形成真空。在大气压力的作用下，顶面固体层可能向缩孔在大气压力的作用下，顶面固体层可能向缩孔方向凹进去。因此缩孔应包括外部的缩凹和内方向凹进去。因此缩孔应包括外部的缩凹和内部的缩孔两部分。

7、当铸件顶面薄层强度很大时，部的缩孔两部分。当铸件顶面薄层强度很大时，也可能不出现缩凹。也可能不出现缩凹。 8/28 形成缩孔的原因及条件形成缩孔的原因及条件 1 1、基本原因：、基本原因： 合金的合金的液态收缩液态收缩和和凝固收缩凝固收缩值之和值之和大于大于固态收缩固态收缩值。值。 2 2、条件：、条件： 铸件由表及里铸件由表及里逐层凝固逐层凝固。9/28 二、缩松的形成二、缩松的形成 当某种成分下的合金当某种成分下的合金结晶温度范围较宽结晶温度范围较宽时，通常按时，通常按体积凝固体积凝固的方式凝固。凝固区域宽，的方式凝固。凝固区域宽，晶体容易发展成为树枝发达的晶体容易发展成为树枝发达的粗大等

8、轴晶粗大等轴晶，当，当固相约占固相约占7070( (体积分数体积分数) )时，尚未凝固的液体时，尚未凝固的液体被分割为一个个互不相通的被分割为一个个互不相通的小熔池小熔池。 随温度降低，同样要发生液态收缩、凝随温度降低，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，出现的细小孔洞固收缩大于固态收缩，出现的细小孔洞得不到得不到外部合金液的外部合金液的补充补充而形成分散性的细小缩孔，而形成分散性的细小缩孔，即即缩松缩松。10/28 形成缩松的原因及条件形成缩松的原因及条件1 1、形成缩松基本原因和形成缩孔是相同的：、形成缩

9、松基本原因和形成缩孔是相同的： 合金的液态收缩值和凝固收缩值之和大于固合金的液态收缩值和凝固收缩值之和大于固态收缩。态收缩。2 2、形成缩松的条件：、形成缩松的条件： 合金的结晶温度范围较宽，倾向于合金的结晶温度范围较宽，倾向于体积凝固体积凝固方式。方式。11/28 三、灰铸铁和球墨铸铁铸件的缩孔和缩松三、灰铸铁和球墨铸铁铸件的缩孔和缩松 共晶灰铸铁和球墨铸铁有一个共同点，共晶灰铸铁和球墨铸铁有一个共同点，这就是这就是初生奥氏体枝晶具有很大连成骨初生奥氏体枝晶具有很大连成骨架的能力，使补缩通道受阻。架的能力，使补缩通道受阻。因此，这因此，这两种铸铁两种铸铁都有产生缩松的可能性都有产生缩松的可能

10、性，但是，但是，由于它们的共晶凝固方式和石墨长大的由于它们的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机理不同，产生缩孔和缩松的倾向性有很大差别。很大差别。12/28 灰铸铁的灰铸铁的“自补缩能力自补缩能力” 灰铸铁共晶团中的片状石灰铸铁共晶团中的片状石墨，与枝晶间的共晶液体直接墨，与枝晶间的共晶液体直接接触，因此接触，因此片状石墨长大时所片状石墨长大时所产生的体积膨胀大部分作用在产生的体积膨胀大部分作用在所接触的晶间液体上所接触的晶间液体上，迫使它，迫使它们通过枝晶间通道去充填奥氏们通过枝晶间通道去充填奥氏体枝晶间由于液态收缩和凝固体枝晶间由于液态收缩和凝固收缩所产生的小孔洞

11、，从而大收缩所产生的小孔洞，从而大大降低了灰铸铁产生缩松的严大降低了灰铸铁产生缩松的严重程度。这就是重程度。这就是灰铸铁的所谓灰铸铁的所谓“自补缩能力自补缩能力”。13/28 片状石墨片状石墨横向长大的作用横向长大的作用 被共晶奥氏体包围的片状石墨，由于碳原子的扩被共晶奥氏体包围的片状石墨，由于碳原子的扩散作用，在横向上也要长大，但是速度很慢。散作用，在横向上也要长大，但是速度很慢。 石墨片在横向上长大石墨片在横向上长大而产生的膨胀力作用在共晶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，使铸件产生奥氏体枝

12、晶骨架上，使铸件产生缩前膨胀缩前膨胀。 很显然，这种缩前膨胀会抵消一部分自补缩效果，很显然，这种缩前膨胀会抵消一部分自补缩效果，但是，由于这种横向的膨胀作用很小而且是逐渐发生但是，由于这种横向的膨胀作用很小而且是逐渐发生的，同时因灰铸铁在共晶凝固中期，在铸件表面已经的，同时因灰铸铁在共晶凝固中期，在铸件表面已经形成硬壳，因此形成硬壳，因此灰铸铁的缩前膨胀一般只有灰铸铁的缩前膨胀一般只有0.10.1-0.2-0.2左右左右。 所以，所以，灰铸铁件产生缩松的倾向性较小灰铸铁件产生缩松的倾向性较小。14/28 球墨铸铁在凝固过程中，当石墨球长大到一定程度后，球墨铸铁在凝固过程中，当石墨球长大到一定程

13、度后，四周形成奥氏体外壳，碳原子是通过奥氏体外壳扩散到共四周形成奥氏体外壳，碳原子是通过奥氏体外壳扩散到共晶团中使石墨球长大。晶团中使石墨球长大。 当共晶团长大到相互接触后，石墨化膨胀所产生的膨当共晶团长大到相互接触后，石墨化膨胀所产生的膨胀力，只有一小部分作用在晶间液体上，而大部分作用在胀力，只有一小部分作用在晶间液体上，而大部分作用在相邻的共晶团上或奥氏体枝晶上，趋向于把它们挤开。因相邻的共晶团上或奥氏体枝晶上，趋向于把它们挤开。因此，此，球墨铸铁的缩前膨胀比灰铸铁大得多球墨铸铁的缩前膨胀比灰铸铁大得多。 15/28 由于按照体积凝固方式凝固，铸件表面在由于按照体积凝固方式凝固，铸件表面在

14、凝固后期没有形成坚固的外壳，如果铸型刚度凝固后期没有形成坚固的外壳，如果铸型刚度不够，膨胀力将迫使不够，膨胀力将迫使型壁外移型壁外移。尺寸精度变差。尺寸精度变差。 随着石墨球的长大，共晶团之间的间隙逐随着石墨球的长大，共晶团之间的间隙逐步扩大，使得铸件普遍膨胀。共晶团之间的间步扩大，使得铸件普遍膨胀。共晶团之间的间隙就是球墨铸铁的显微缩松，并布满铸件整个隙就是球墨铸铁的显微缩松，并布满铸件整个断面，所以断面，所以球墨铸铁铸件产生缩松的倾向性很球墨铸铁铸件产生缩松的倾向性很大大。 如果铸件厚大，球墨铸铁铸件这种较大的如果铸件厚大，球墨铸铁铸件这种较大的缩前膨胀也会导致铸件产生缩孔。缩前膨胀也会导

15、致铸件产生缩孔。 如果如果铸型刚度足够大铸型刚度足够大，石墨化的膨胀力能，石墨化的膨胀力能够将缩松挤合。在这种情况下，球墨铸铁也可够将缩松挤合。在这种情况下，球墨铸铁也可看作是看作是具有具有“自补缩自补缩”能力能力。 16/28 第三节第三节 影响缩孔与缩松的因素及防止措施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一、影响缩孔与缩松的因素( (一一) )影响缩孔与缩松大小的因素影响缩孔与缩松大小的因素 1 1金属的性质：金属的性质：合金的液态收缩系数和凝固收缩率越大，缩合金的液态收缩系数和凝固收缩率越大，缩孔及缩松容积越大。合金的固态收缩系数越大，缩孔及缩松容积孔及缩松容积越大。

16、合金的固态收缩系数越大，缩孔及缩松容积越小。越小。 2 2铸型条件：铸型条件：提高铸型的激冷能力，可以减小缩孔及缩松容提高铸型的激冷能力，可以减小缩孔及缩松容积。铸型激冷能力大，容易造成边浇注边凝固的条件，使金属的积。铸型激冷能力大，容易造成边浇注边凝固的条件，使金属的收缩在较大程度上被后注入的金属液补充，使实际发生收缩的液收缩在较大程度上被后注入的金属液补充，使实际发生收缩的液态金属量减少。态金属量减少。 3 3浇注条件：浇注温度越高浇注条件：浇注温度越高，合金的液态收缩越大，缩孔容，合金的液态收缩越大，缩孔容积越大；积越大；浇注速度越缓慢浇注速度越缓慢，浇注时间越长，缩孔容积越小。浇注，浇

17、注时间越长，缩孔容积越小。浇注条件对缩松的容积影响不大。条件对缩松的容积影响不大。 4 4铸件尺寸：铸件尺寸：铸件壁厚越大，表面层凝固后，内部的金属液铸件壁厚越大，表面层凝固后，内部的金属液温度越高，液态收缩越大，缩孔及缩松容积增加。温度越高，液态收缩越大，缩孔及缩松容积增加。17/28 （二）影响灰铸铁和球墨铸铁缩孔和缩松的因素二）影响灰铸铁和球墨铸铁缩孔和缩松的因素 1 1铸铁的成分铸铁的成分（1 1）共晶灰铸铁，随碳当量增加，共晶石墨的析出量增加，石墨膨）共晶灰铸铁，随碳当量增加，共晶石墨的析出量增加，石墨膨胀量增加，有利于消除缩孔和缩松。胀量增加，有利于消除缩孔和缩松。 共晶成分灰铸铁

18、是以逐层方式凝固，易形成集中缩孔。但是，共晶成分灰铸铁是以逐层方式凝固，易形成集中缩孔。但是，由于共晶转变的石墨化膨胀作用，能抵消甚至超过共晶液体的收由于共晶转变的石墨化膨胀作用，能抵消甚至超过共晶液体的收缩，使铸件中不产生缩孔。缩，使铸件中不产生缩孔。（2 2）球墨铸铁的碳当量对缩松有很大影响。当铸型刚度足够时，利）球墨铸铁的碳当量对缩松有很大影响。当铸型刚度足够时，利用共晶石墨化膨胀作用，产生自补缩效果，可以获得致密的铸件。用共晶石墨化膨胀作用，产生自补缩效果，可以获得致密的铸件。（3 3）球墨铸铁中磷含量、残余镁量及残余稀土量过高，都会增加缩）球墨铸铁中磷含量、残余镁量及残余稀土量过高，

19、都会增加缩松倾向。松倾向。 1 1）磷共晶削弱铸件外壳的强度，使其容易变形，增加缩前）磷共晶削弱铸件外壳的强度，使其容易变形，增加缩前膨胀值，松弛了铸件内部压力。膨胀值，松弛了铸件内部压力。 2 2）形成三元磷共晶时，使碳以碳化物的方式析出，减少石）形成三元磷共晶时，使碳以碳化物的方式析出，减少石墨析出，促进二次收缩程度的增加。墨析出，促进二次收缩程度的增加。 3 3）镁及稀土会增大白口倾向，减少石墨析出，石墨膨胀作）镁及稀土会增大白口倾向，减少石墨析出，石墨膨胀作用减弱。用减弱。18/28 2 2铸型刚度铸型刚度 铸铁在共晶转变发生石墨化膨胀时，型壁是铸铁在共晶转变发生石墨化膨胀时，型壁是否

20、迁移，是影响缩孔容积的重要因素，否迁移，是影响缩孔容积的重要因素，铸型刚度铸型刚度大，缩前膨胀就减小，缩孔容积会相应减小，甚大，缩前膨胀就减小，缩孔容积会相应减小，甚至不产生缩孔。至不产生缩孔。 铸型刚度依下列次序逐级降低：铸型刚度依下列次序逐级降低： 金属型金属型覆砂金属型覆砂金属型水泥型水泥型水玻璃砂型水玻璃砂型干型干型湿型。湿型。19/28 二、防止铸件产生缩孔和缩松的途径二、防止铸件产生缩孔和缩松的途径 ( (一一) )顺序凝固和同时凝固顺序凝固和同时凝固 1 1顺序凝固：顺序凝固：采用各种措采用各种措施，保证铸件结构上各部分施，保证铸件结构上各部分按照距冒口的距离由远及近，按照距冒口

21、的距离由远及近，朝冒口方向凝固，冒口本身朝冒口方向凝固，冒口本身最后凝固。最后凝固。 铸件按照这一原则进行铸件按照这一原则进行凝固，产生最佳的补缩效果凝固，产生最佳的补缩效果能够使缩孔集中在冒口中，能够使缩孔集中在冒口中，获得致密铸件。获得致密铸件。20/28 顺序凝固顺序凝固优缺点优缺点 顺序凝固可以充分发挥冒口的补缩作用，防止缩顺序凝固可以充分发挥冒口的补缩作用，防止缩孔和缩松的形成，获得致密铸件。因此，对凝固收缩孔和缩松的形成，获得致密铸件。因此，对凝固收缩大，结晶温度范围较小的合金如某些类型的铸钢件，大，结晶温度范围较小的合金如某些类型的铸钢件，通常采用这一原则。通常采用这一原则。 但

22、是，顺序凝固时，铸件各部分存在温差：但是，顺序凝固时，铸件各部分存在温差： （1 1）在凝固过程中易产生）在凝固过程中易产生热裂热裂； （2 2）凝固后容易使铸件产生）凝固后容易使铸件产生变形变形 （3 3）使用冒口和补贴，会）使用冒口和补贴，会降低工艺出品率降低工艺出品率。21/28 2 2同时凝固同时凝固 同时凝固同时凝固：采取工艺措施保证铸件结构上各部采取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固。固。 在这种凝固条件下，没有补缩通道，无法实在这种凝固条件下，没有补缩通道，无法实现补缩。但是由于同时凝固时铸件温差小，不

23、容现补缩。但是由于同时凝固时铸件温差小，不容易产生热裂，凝固后不易引起应力和变形。易产生热裂，凝固后不易引起应力和变形。22/28 同时凝固同时凝固应用应用 (1)(1)碳硅含量高的灰铸铁，其体收缩小甚至不收缩，合碳硅含量高的灰铸铁，其体收缩小甚至不收缩，合金本身不易产生缩孔和缩松，可采用这一原则。金本身不易产生缩孔和缩松，可采用这一原则。 (2)(2)结晶温度范围大，容易产生缩松的合金，如锡青铜，结晶温度范围大，容易产生缩松的合金，如锡青铜，即使加冒口也无法补缩，对气密性要求不高时，可采即使加冒口也无法补缩，对气密性要求不高时，可采用这一原则，使工艺简化。用这一原则，使工艺简化。 (3)(3

24、)壁厚均匀的铸件，尤其是均匀薄壁铸件，倾向于同壁厚均匀的铸件，尤其是均匀薄壁铸件，倾向于同时凝固，难以补缩，消除缩松困难。时凝固，难以补缩，消除缩松困难。 (4)(4)球墨铸铁件利用石墨化膨胀进行自补缩时，必须采球墨铸铁件利用石墨化膨胀进行自补缩时，必须采用同时凝固原则。用同时凝固原则。 (5)(5)对于某些适合采用顺序凝固原则的铸件，如果热裂、对于某些适合采用顺序凝固原则的铸件，如果热裂、变形成为主要矛盾时，可采用同时凝固原则。变形成为主要矛盾时，可采用同时凝固原则。23/28 ( (二二) )浇注条件浇注条件 采用高温慢浇，能增加铸件纵向温差，有采用高温慢浇，能增加铸件纵向温差，有利于顺序

25、凝固原则。利于顺序凝固原则。 通过多个内浇道低温快浇，则减小纵向温通过多个内浇道低温快浇，则减小纵向温差，有利于同时凝固原则。差，有利于同时凝固原则。 一般情况下，冒口在顶部的顶注式，适合一般情况下，冒口在顶部的顶注式，适合采用高温慢浇工艺，加强顺序凝固；对底注式采用高温慢浇工艺，加强顺序凝固；对底注式浇注系统，采用低温快浇和补浇冒口的方法，浇注系统，采用低温快浇和补浇冒口的方法，可以减小铸件的逆向温差，实现同时凝固；冒可以减小铸件的逆向温差，实现同时凝固；冒口设在分型面上，液态金属通过冒口引入内浇口设在分型面上，液态金属通过冒口引入内浇道，采用高温慢浇，有利于补缩，属顺序凝固。道，采用高温慢

26、浇，有利于补缩，属顺序凝固。24/28 ( (三三) )冒口、补贴和冷铁的应用冒口、补贴和冷铁的应用 冒口补贴和冷铁的使用，是防止缩孔和缩松最冒口补贴和冷铁的使用，是防止缩孔和缩松最有效的工艺措施。有效的工艺措施。 冒口一般应设置在铸件厚壁或热节部位冒口一般应设置在铸件厚壁或热节部位。 冒口的大小冒口的大小应保证铸件被补缩部位最后凝固，应保证铸件被补缩部位最后凝固，并提供足够的金属液用于补缩需要。并提供足够的金属液用于补缩需要。 冒口与被补缩部位之间必须有冒口与被补缩部位之间必须有补缩通道补缩通道。 补贴和冷铁通常是配合冒口设置使用的，可以补贴和冷铁通常是配合冒口设置使用的，可以造成人为的补缩通道及末端区，延长冒口的有效补造成人为的补缩通道及末端区，延长冒口的有效补缩距离。此外，冷铁还可以加速铸件壁局部热节的缩距离。此外，冷铁还可以加速铸件壁局部热节的冷却，实现同时凝固原则。冷却，实现同时凝固原则。25/28 ( (四四) )加压补缩加压补缩 加压补缩是指将铸件放在具有较高压力的加压补缩是指将铸件放在具有较高压力的装置中，使其在较高压力下凝固，通过外压来装置中，使其在较高压力下凝固，通过外压来消除显微