材料成形工艺原理第十二章

1、第十二章第十二章缩孔和缩松缩孔和缩松第一节第一节金属凝固过程中的收缩现象金属凝固过程中的收缩现象第二节第二节缩孔缩孔第三节第三节缩松缩松第四节第四节防止缩孔缩松的途径防止缩孔缩松的途径第八章第八章缩孔和缩松缩孔和缩松ShrinkageCavityandDispersedShrinkage第一节第一节金属凝固过程中的收缩现象金属凝固过程中的收缩现象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。温度继续下降时，液态金属凝固，发生由液态到固态的状态变化，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。铸件在液态、凝固

2、态和固态的冷却过程中，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所发生的体积减小现象称为收缩。因此，收缩是铸造合金本身的物理性质。收缩是铸件中许多缺陷如缩孔、缩松、热裂、应收缩是铸件中许多缺陷如缩孔、缩松、热裂、应力、变形和冷裂等产生的基本原因力、变形和冷裂等产生的基本原因。因此，认识它是获得符合要求的几何形状和尺寸，以及致密优质铸件的重要铸造性能之一。任何物体的体积皆与其温度和施于其上的压力有关。在一般铸造条件下，压力的变化可以忽略不计，铸件尺寸的变化，仅取决于温度的变化(如不考虑物态的和同素异形的变化)。金属从液态到常温的体积改变量称金属从液态到常温的体积改变量称为

3、体收缩为体收缩(volumecontraction)。金属在固态时的线尺寸金属在固态时的线尺寸改变量，称为线收缩改变量，称为线收缩(linearcontraction)。此相对收缩量称为收缩率。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收缩率。当温度由t0t1时，金属的体收缩率和线收缩率为：式 中 ： V0， V1 金 属 在 t0和 t1时 的 体 积 ； l0， l1 金 属 在 t0和 t1时 的 长 度 ；v，l金属在(t0t1)温度范围内的体收缩系数和线收缩系数。是某一温度区间的相对收缩量，为与温度差的乘积。因此，既与金属的性质有关，又与温度区间的大小有关。任

4、何一种液态金属注入铸型以后，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(图8-1)：1)液态收缩阶段液态收缩阶段()，2)凝固收缩阶段凝固收缩阶段()，3)固态收缩阶段固态收缩阶段()。铸造合金在不同阶段的收缩特性是不同的，而且对铸件质量也有不同的影响。一、液态收缩一、液态收缩（liquidcontraction） 充满铸型瞬间，液态金属所具有的温度t浇冷却至开始凝固的液相线温度tL的体收缩为液态收缩液态收缩。由于在此阶段中，金属处于液态，因此体积的缩小仅表在此阶段中，金属处于液态，因此体积的缩小仅表现为型腔内液面的降低现为型腔内液面的降低。液态收缩率用下式表示：式中V液液体收缩率；V

5、液金属的液态收缩系数；t浇液态金属的浇注温度；tL液相线温度。从式中可以看出，提高浇注温度t浇，或因合金成分改变而降低tL,都使V液增加。影响液态收缩系数V液的因素很多，如合金成分、合金成分、温度、气体和夹杂物含量等。温度、气体和夹杂物含量等。二、凝固收缩二、凝固收缩(solidificationcontraction)对于纯金属和共晶合金，凝固期间的体收缩只对于纯金属和共晶合金，凝固期间的体收缩只是由于状态的改变，而与温度无关，故具有一个定是由于状态的改变，而与温度无关，故具有一个定值值(见表见表81)。具有一定结晶温度范围的合金由液态转变为固具有一定结晶温度范围的合金由液态转变为固态时，收

6、缩率既与状态改变态时，收缩率既与状态改变时的体积变化有关，又与结晶温度范围有关。元素金属结构液体配位数熔点t熔/熔化热Q熔/(J.mol-1)沸点t沸/气化热Q汽/(J.mol-1)蒸气压密度熔化体积变化*1001mmHg/100mmHg/(kg.m-3*10-1)Li体心立方9.81194605131713598774510844000.4901.5Na体心立方9.597.82637883967984406964000.8542.5K体心立方8.063.72554760790463425814000.7472.41Rb体心立方-39.0219868875822294519391.4752.5

7、Cs体心立方-28.5209370568328278515281.842.6Cu面心立方-1083.01302125953056361390-10807.934.2Ag面心立方-960.511304221225958113671865960.59.34.99Au面心立方11106312686296634252218692521110017.245.19AlAl面心立方面心立方10.610.6660.2660.210676106762450245028453428453415371537208120819009002.3152.3156.66.6Pb面心立方9.4327.451071737177

8、520987141740010.513.6Mg六方密排-651904311031317586219097001.5364.2Zn六方密排10.8419.56698906116727487736419.56.926.9Cd六方密排8.332161127653946113308.014.74Ga斜方1129.9256101983251208131517263015.9053.1In面心正方8.5156.432652087225249124917561647.0262.5Ti8.0303431214571624898251196306.511.293.2Sn9.1231.97201227029307

9、6149219684096.8342.6As三方-814-612-370518-Sb三方6.1630.539942144016747288612237006.45-0.94Bi三方8.0271.0105081477178357917125730010.03-3.32表液态金属物性参数液态金属注入铸型后，首先在表面形成硬壳，其中尚处于液态的金属在此外壳中冷却时，由于液态收缩和凝固收缩使体积缩小。如果所减小的体积得不到外来金属液的补充，则在铸件中形成集中于某处的或分散的孔洞缩孔或缩松缩孔或缩松。因此，液态液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。

10、V液V凝愈大，缩孔的容积就愈大。有一些合金，在凝固过程中体积不但不收缩，有一些合金，在凝固过程中体积不但不收缩，反而膨胀，如某些反而膨胀，如某些Ga合金，合金，Bi-Sb合金，故凝固收合金，故凝固收缩率为负值缩率为负值。三、固态收缩三、固态收缩(solidcontraction)金属的固态体收缩率用下式表示：式中:V固金属的固态体收缩率；V固金属的固态体收缩系数；tS固相线温度；t0室温。 在固态收缩阶段，铸件各个方向上都表现出线尺寸的缩小。因此，这个阶段对铸件的形状和尺寸的精度影响最大。为方便起见，常用线收缩率表示固态收缩，即：式中:l金属的线收缩率；l金属的固态线收缩系数。金属的线收缩是铸

11、件中产生金属的线收缩是铸件中产生应力、变形和裂纹应力、变形和裂纹的的根本原因根本原因。四、线收缩的开始温度四、线收缩的开始温度 对于纯金属和共晶合金，线收缩是在金属完全凝固对于纯金属和共晶合金，线收缩是在金属完全凝固以后开始的以后开始的。对于具有一定结晶温度范围的合金，当液态金属的温度稍低于液相线温度时，便开始结晶，但是，由于枝晶还比较少，不能形成连续的骨架，仍为液态收缩性质。当温度继续下降，如降至图8-2虚线所示温度时，枝晶数量增多，彼此相连构成连续的骨架，合金则开始表现为固态的性质，即开始线收缩。实验证明，此时合金中尚有2045的残留液体。图8-2中的虚线为该合金的线收缩开始温度的连线，称

12、为线收缩开始温度线线收缩开始温度线。所以，对于有结晶温度范围的合金，其线收缩不是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，这对于铸件中热裂的形成机理是个很重一温度开始，这对于铸件中热裂的形成机理是个很重要的概念要的概念。五、线收缩与状态图的关系五、线收缩与状态图的关系一般合金的线收缩和状态图之间有一定的规律，可归纳为以下三种基本类型。1、共晶型合金、共晶型合金(图8-3a)，随着B成分的增加和线收缩开始温度降低，l沿曲线2急剧下降。在m-n之间的合金线收缩开始温度相同，l变化仅与B的含量有关，l

13、比较平缓地沿曲线3变化。2、固溶体合金、固溶体合金(图8-3b)，l向熔点较低的成分B方向上，沿曲线1平滑地下降。3、有限固溶体合金、有限固溶体合金(图8-3c)，关于这类合金的l的变化规律，可根据前两类合金进行分析。合金的线收缩还与固态时的相变、气体含量及其析出程度有关。第二节第二节 缩缩 孔孔铸件在凝固过程中，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，称为缩缩孔孔。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，简称为缩松分散性缩孔，简称为缩松。缩孔的形状不规则；表面不光滑，可以看到发达缩孔的形状不规则；表面不光滑，可以看到发达的树枝晶末

14、梢，故可以和气孔区别开来的树枝晶末梢，故可以和气孔区别开来。在铸件中存在任何形态的缩孔，都会由于减小受减小受力的有效面积，以及在缩孔处产生应力集中现象，而力的有效面积，以及在缩孔处产生应力集中现象，而使铸件的机械性能显著降低使铸件的机械性能显著降低。由于缩孔的存在，还降低铸件的气密性和物理化学降低铸件的气密性和物理化学性能性能。因此，缩孔是铸件的重要缺陷之一，必须设法消除。一、一般合金缩孔的形成一、一般合金缩孔的形成缩孔容积较大，多集中在铸件的上部和最后凝固的部位。现以圆柱体铸件为例分析缩孔的形成过程。假定所浇注的金属在固定温度下凝固，或结晶温度范很窄，铸件由表及里逐层凝固。图84表示液态金属

15、充满了铸型。由于铸型的吸热，液态金属温度下降，发生液态收缩，但它将从浇注系统得到补充。因此，在此期间型腔总是充满着金属液。当铸件外表的温度下降到凝固温度时，铸件表面凝固一层硬壳，并紧紧包住内部的液态金属。内浇口此时被冻结。进一步冷却时，硬壳内的液态金属因温度降低发生液态收缩，以及对形成硬壳时凝固收缩的补充，液面要下降。与此同时，固态硬壳也因温度降低而使铸件外表尺寸缩小。如果因液态收缩和凝固收缩造成的体积缩等于如果因液态收缩和凝固收缩造成的体积缩等于因外壳尺寸缩小所造成的体积缩减，因外壳尺寸缩小所造成的体积缩减，则凝固的外壳仍和内部液态金属紧密接触，不会产生缩孔。但是，由于合金的液态收缩和凝固收

16、缩超过硬由于合金的液态收缩和凝固收缩超过硬壳的固态收缩，因而液体将与硬壳的顶面脱离。壳的固态收缩，因而液体将与硬壳的顶面脱离。凝固继续进行下去，硬壳不断加厚，液面将不凝固继续进行下去，硬壳不断加厚，液面将不断下降，待金属全部凝固后，在铸件上部就形成了断下降，待金属全部凝固后，在铸件上部就形成了一个倒锥形的缩孔。一个倒锥形的缩孔。整个铸件的体积因温度下降至常温而不断缩小。使缩孔的绝对体积有所减小，但其值变化不大。如果铸件顶部设置冒口，缩孔将移至冒口中。 在液态合金中含气量不大的情况下，当液态金在液态合金中含气量不大的情况下，当液态金属与硬壳顶面脱离时，液面上要形成真空。属与硬壳顶面脱离时，液面上

17、要形成真空。上面的薄壳在大气压力作用下，可能向缩孔方向凹进去。因此缩孔应包括外部的缩凹和内部的缩孔两部分如果铸件顶面的硬壳强度很大，也可能不出现缩凹。综上所述，在铸件中产生集中缩孔的基本原因铸件中产生集中缩孔的基本原因，是合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值.产生集中缩孔的条件产生集中缩孔的条件，是铸件由表及里地逐层凝固(而不是整个体积同时凝固)，缩孔就集中在最后凝固的地方二、缩孔位置的确定二、缩孔位置的确定集中缩孔产生在铸件最后凝固的区域，因此，确定缩孔的位置就是确定铸件最后凝固的区域。常用等固相线法确定缩孔的位置。对于在恒温下结晶或结晶温度范围很小的合金，可将凝固前沿视为固液相的分界线

18、，也是一条等温线，称为等固相线。所谓等固相线法等固相线法，就是在铸件断面上从冷却表面开始逐层向内绘制等固相线，直到最窄断面上的等固相线相接触为止。此时，等固相线不相接连的地方，就是铸件的最后凝固区域，也就是缩孔的位置，如图8-5所示。用等固相线法确定工字形截面铸件的缩孔位置如图8-6所示。图8-6a是等固相线法确定的缩孔位置。图8-6b是实际铸件的缩孔位置。如果在铸件的底边放置冷铁，由于加大了该处的冷却速度，等固相线上移，缩孔全部集中在铸件上部，如图8-6c所示，如果冷铁尺寸适当，并在上部设冒口，可以使铸件内部无缩孔(图8-6d)。若铸件结构上两壁相交之处的内切圆大于相交各壁的厚度，则此处凝固

19、较晚，也是产生缩孔的部位，称为热节热节。此外，铸件中厚壁处和内浇口附近，也是凝固缓慢的热节。三、影响因素三、影响因素 1 1、合金本身的影响、合金本身的影响(1)液态收缩率越大，缩孔容积越大。(2)凝固收缩率越大，缩孔容积越大。(3)固态收缩率越大，缩孔容积越小。(4)导热性越大，温度场均匀，缩孔容积越小。2 2、冷却条件的影响、冷却条件的影响(1)外部冷却强度提高，边浇注边补缩，收缩总量减小，缩孔容积减小。但是缩孔集中。(2)铸型刚度小，有位移，缩孔容积增大。 3 3、浇注工艺的影响、浇注工艺的影响(1)浇注温度越高，液态收缩越大，缩孔容积越大。(2)浇注速度低，边浇注边补缩，缩孔容积减小。

20、 4 4、铸坯结构的影响、铸坯结构的影响铸坯厚度增加，形成表面壳后，内部液态金属多，总收缩量提高。第三节第三节 缩缩 松松 缩松常分布在铸件壁的轴线区域，厚大部位，冒口根部和内浇口附近。铸件切开后可直接观察到密集的孔洞。一、缩松的形成一、缩松的形成图8-7所示为试样抗拉强度的相对值与其缩松度的关系。试样是从长1100cm的板件(ZG35)上切取的，浇注温度1557，干砂型。缩松度是用秤量法测定的，强度相对值是该试样的强度与杆件上取的试样强度的比值。杆件在同样条件下浇注，但采取了良好的补缩措施。缩松对铸件机械性能影响很大，且由于它分布面广，难于补缩，是铸件中最危险的缺陷之一。形成缩松的基本原因和

21、形成缩孔一样，是由于合形成缩松的基本原因和形成缩孔一样，是由于合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。但是，形成缩松的基本条件是合金的结晶温形成缩松的基本条件是合金的结晶温度范围较宽，倾向于糊状凝固方式，缩孔分散；度范围较宽，倾向于糊状凝固方式，缩孔分散；或者是在缩松区域内铸件断面的温度梯度小，凝或者是在缩松区域内铸件断面的温度梯度小，凝固区域较宽，合金液几乎同时凝固，因液态收缩固区域较宽，合金液几乎同时凝固，因液态收缩和凝固收缩所形成的细小孔洞分散且得不到外部和凝固收缩所形成的细小孔洞分散且得不到外部合金液的补充而造成的。合金液的补充而造成的。铸件的凝固区域

22、越宽，就越倾向于产生缩松。断面厚度均匀的铸件，如板状或棒状铸件,在凝固后期不易得到外部合金液的补充，往往在轴线区域产生缩松，称为轴线缩松。二、显微缩松二、显微缩松显微缩松产生在晶间和分枝之间，与细小的析出性气孔很难区分，且经常是同时发生的，在显微镜下才能观察到。显微缩松在各种合金铸件中或多或少都存在，它降低铸件的力学性能；对铸件的冲击韧性和延伸率影响更大；降低铸件的气密性和物理化学性能，对于一般铸件往往不作为缺陷。但在特殊情况下，如要求铸件有较高的气密性，高的力学性能和物理化学性能时，则必须设法减少和防止显微缩松的产生。第四节第四节 防止缩孔缩松的途径防止缩孔缩松的途径一、缩孔和缩松的相互转化

23、一、缩孔和缩松的相互转化对于一定成分的合金，浇注温度一定时合金的收缩体积满足以下关系：总收缩体积液态收缩体积总收缩体积液态收缩体积凝固收缩体积缩孔体积缩松体积常数凝固收缩体积缩孔体积缩松体积常数。但是，缩孔和缩松体积可以相互转化，造成转化的根本原因是凝固方式的改变：即体积凝固还是逐层即体积凝固还是逐层凝固。凝固。表82给出了影响缩孔和缩松体积相互转化的因素。表表82缩孔、缩松互相转换的影响因素缩孔、缩松互相转换的影响因素影响因素凝固区域凝固倾向缩孔体积缩松体积体积总收缩结晶间隔糊不变干型粘土砂糊不变湿型粘土砂层不变金属型层不变或稍绝热型糊不变或稍浇注温度不变浇注速度不变二、防止缩孔和缩松的途径

24、二、防止缩孔和缩松的途径防止铸件中产生缩孔和缩松的基本原则是针对该合金的收缩和凝固特点制定正确的铸造工艺，使铸件在凝制定正确的铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，尽可能地使缩松转化为固过程中建立良好的补缩条件，尽可能地使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的地方缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的地方。这样，在铸件最后凝固的地方安置一定尺寸的冒口，使缩孔集中于冒口中，或者把浇口开在最后凝固的地方直接补缩，即可获得健全的铸件。使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，主要是通过控制铸件的凝固方向使之符合“顺序凝固原则顺序凝固原则”或“同时凝固原则同时凝固原则”。 1、顺序凝固、顺序凝

25、固(progressivesolidification)铸件的顺序凝固原则，是采用各种措施保证铸件结构上各部分，按照远离冒口的部分最先按照远离冒口的部分最先凝固，然后是靠近冒口部分，最后才是冒口本凝固，然后是靠近冒口部分，最后才是冒口本身凝固的次序进行，亦即在铸件上远离冒口或身凝固的次序进行，亦即在铸件上远离冒口或浇口的部分到冒口或浇口之间建立一个递增的浇口的部分到冒口或浇口之间建立一个递增的温度梯度温度梯度，如图8-8所示。铸件按照顺序凝固原则进行凝固，能保证缩孔集中在冒口中，获得致密的铸件。逐层凝固是指铸件某一断面上，先在铸件表面形成硬壳，然后它逐渐向铸件中心长厚，铸件中心最后凝固。因此，

26、顺序凝固和逐层凝固是两个不同的概念。铸件的结构，以及由铸造条件所形成的温度场，是决定铸件凝固方向的主要因素，可用下例说明。图8-9a是带冒口的板状铸件，厚度为，金属液从冒口浇入，即上注式。右图是铸件纵截面上中心线的温度曲线及随时间变化情况。因为金属液是从冒口浇入的，所以中心线上A、B、C三点的温度依次向冒口方向递增，t液t固是合金的凝固温度范围。 图8-9b表示该铸件A、B、C三点的横截面上径向温度分布及随时间变化情况。横坐标为铸件厚度，纵坐标为温度。横截面中心线上各点的温度，就是纵截面中心线上相应各点的温度。由于铸件表面冷却快，横截面上内外有温度差，外表温度低。可以近似地认为各点同一时刻的温

27、度分布曲线是平行的。在时刻I，A1、B1、C1三点温度都高于液相线温度t液。但在横截面B上，距铸件表面B1处的温度已降至液相线C1温度；横截面C上，C1处的温度降至液相线温度。将B1和C1移植到图8-9c所表示的铸件纵截面上，并联接起来，即可得到时刻I的“等液相线”，以此类推，则得到不同时刻的“等液相线”。同样方法可绘出各时刻的“等固相线”。同一时刻的同一时刻的“等液相线等液相线”和和“等固相线等固相线”之间之间的区域，是该时刻铸件的凝固区域的区域，是该时刻铸件的凝固区域。“等液相线等液相线”之间的夹角称作之间的夹角称作“补缩通道扩张角补缩通道扩张角”，也随时间变化。向着冒口张开的角范围内金属

28、液都处于液态，形成“楔形”补缩通道，使冒口中的金属液有可能补缩到凝固区域中，角越大，则补缩通道越宽。因此，顺序凝固的实质是采取各种措施，保证铸件在整个凝固过程中始终存在着和冒口连通的“补缩通道”，使冒口能发挥补缩作用(图89c)。在铸件中，液固两相区与铸件壁热中心相交的在铸件中，液固两相区与铸件壁热中心相交的线段为线段为“补缩困难区补缩困难区”。液固两相区越宽，扩张角。液固两相区越宽，扩张角越小，补缩困难区就越长越小，补缩困难区就越长(见图见图810)。在液固两相区中，尤其在补缩困难区中，液相与固相之间的附着力往往大于液体本身的重量，而且存在于晶体骨架之间的液体以其附加压力反作用于补缩力，致使

29、合金液在凝固终了以前便失去补缩能力。因此，倾向于逐层凝固的共晶成分合金和结共晶成分合金和结晶温度范围较小的合金，其等液相线和等固相线晶温度范围较小的合金，其等液相线和等固相线之间的凝固区域较窄，容易实现补缩之间的凝固区域较窄，容易实现补缩。相反，在相同的角条件下，结晶温度范围较宽的合金就不结晶温度范围较宽的合金就不容易补缩容易补缩。在这种情况下，有时缩松不能完全转化为缩孔而集中到冒口中去。顺序凝固的优点是顺序凝固的优点是:冒口补缩作用好，可以防止缩孔和缩松，铸件致密。因此，对凝固收缩大，结晶温度范围较小的合金，常采用这个原则以保证铸件质量。顺序凝固的缺点是顺序凝固的缺点是:由于铸件各部分有温度差，在凝固期间容易产生热裂，凝固后也容易使铸件产生应力和变形。顺序凝固原则需加冒口和补贴，工艺出品率较低，且切割冒口费工。如果采取底注式浇注系统，由于铸件底部金属液流动时间长，金属液的温度最高，而上升到冒口中去的金属液温度最低。因此，形成的纵向温度分布是远离冒口部分温度最高，冒口温度最低，形成反向的温度差，为“反顺序凝固”，如图8-11所示。从图中可以看出，“