第14章 缩孔与缩松

Chapter14Shrinkageholesandshrinkageporosity

第十四章缩孔与缩松UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan§14-1缩孔与缩松的种类1、收缩的基本概念——铸件在液态、凝固态和固态冷却过程中发生的体积减少。体收缩——金属从液态到常温（室温）的体积改变量

线收缩——金属在固态时从高温到常温（室温）的线尺寸改变量

体收缩率：线收缩率：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1、液态收缩：2、凝固收缩：3、固态收缩：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1．液态收缩充满铸型瞬间，液态金属由所具有的温度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。因为在此阶段中，金属处于液态，体积的缩小，仅表现为型腔内液面的降低。液态收缩率用下式表示：

从中可以看出，提高浇注温度T浇，或因合金成分改变而降低TL，都使液态收缩率增加。改变体收缩系数时，体收缩率也改变。影响液态收缩系数的因素很多，如合金成分、温度、气体和夹杂物含量等。实验所得数值往往有很大差别，计算时常取其平均值。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2．凝固收缩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，故具有定值。具有一定结晶温度范围的合金由液态转变为固态时，固态的排列比较紧密，伴随着体积收缩；同时，在凝固过程中温度降低，也使体积缩小。因此，合金的凝固收缩率既与状态改变时的体积变化有关，且与结晶温度范围有关。合金在凝固过程中时常发生引起比容变化的某些反应，如钢的包晶反应、铸铁中渗碳体的分解、石墨的析出，大部分合金在凝固期析出的气体量急剧增加。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan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，由于液态和凝固收缩体积缩小。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洞一缩孔或缩松。因此，液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的根本原因。有一些合金，在凝固过程中体积不但不收缩，反而膨胀，故凝固收缩率为负值。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3．固态收缩金属的固态体收缩率用下式表示：金属的线收缩是铸件中产生应力、变形和裂纹的基本原因。

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：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan4．线收缩的开始温度纯金属和共晶合金的线收缩是在金属完全凝固以后开始的。具有结晶温度范围的合金，当温度稍低于液相线温度时开始结晶，温度下降，枝晶数量增多，当彼此相连构成连续的骨架时，合金开始表现为固态的性质，即开始线收缩。此时合金中尚有20～45％的残留液体。

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。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2、铸钢的收缩图碳钢的比容与温度和含碳量的关系1－0.35％C；2－0.25%C；3－0.8%C（1）液态（2）凝固UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（3）固态收缩a.珠光体转变前收缩b.共析转变期的膨胀c.珠光体转变后收缩UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3．固态收缩（1）珠光体转变前收缩：发生在从凝固终了到A——F相变前的温度范围内，以εV珠前表示该阶段的体收缩。以εL珠前珠前表示该阶段的线收缩。这阶段的体收缩随碳含量增大而减小。

碳量%0.10.250.350.450.70凝固收缩率%2.02.53.04.35.3UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（2）共析转变期的膨胀：发生在A——F相变的温度范围内，以εVA-F和εLA-F

表示该阶段的体收缩和线收缩。随碳含量增大，A——F相变膨胀减小，这是因为相变重建晶格而膨胀的同时，由于碳从奥氏体中析出，发生晶格的收缩。但是，在快速冷却条件下，生成马氏体，碳原子并不析出。在这种情况下，不论碳含量多少，相变时的膨胀将达到最大值，使铸件产生应力，并可出现裂纹。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（3）珠光体转变后收缩：发生在A——F相变终了到室温的范围内，以εV珠后和εL珠后表示该阶段的体收缩和线收缩，其值一般为1％，提高碳含量时，改变也很小。碳钢的固态体收缩由如下三部分确定：εV固=εV珠前-εVA-Ag+εV珠后线收缩则为：εV=εL珠前-εLA-Ag+εL珠后UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（4）碳钢的总收缩，从浇注温度至冷却到室温的范围内，钢的总收缩为：ε总=εV液+εV凝+εV固=εV液+εV凝+（εV珠前-εVA-F+εV珠后）碳钢的体积总收缩随钢中碳含量的提高而增大，当碳含量为1％时，ε总可达14％。

奥氏体钢和铁素体钢在固态下不发生相变，它们的固态收缩曲线是平滑的。但是，奥氏体钢的εL比碳钢的大，而铁素体钢的εL比碳钢的小。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3、铸铁的收缩图铸铁的收缩过程曲线1－白口铸铁；2－灰铸铁(1)液态收缩（2）凝固收缩：状态改变＋温度降低析出1％石墨，体积增大2％凝UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan灰铸铁凝固收缩与碳当量的关系（3）铸铁的固体收缩曲线UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan(3)．固态收缩铸铁的固态收缩可分为五个阶段。如图。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（1）最初收缩阶段ε初缩铸铁凝固开始后，由于已凝固的外壳缩小，而使铸件发生最初的收缩。ε初缩的值很小，在一般的收缩曲线上表现不明显。（2）缩前膨胀ε缩前铸铁件在凝固时期，当析出一定量的固相而连成骨架后，石墨析出的膨胀力作用在骨架上，使铸件尺寸变大，此即缩前膨胀。所以，缩前膨胀与石墨化有关。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（3）珠光体前收缩ε珠前到共析转变温度停止。固态下石墨化程度愈大，ε珠前愈小。（4）共析转变膨胀ε共膨共析转变时，由于奥氏体分解为铁素体、石墨和珠光体而发生的膨胀。

A完全转变为F时，体膨胀可达1％，但随碳含量增大而降低。因此在缓冷的条件下，相变的体膨胀不超过0.3％，即线膨胀不超过0.1％。对于淬火的铸件，只发生A——M的马氏体转变，而没有石墨析出，线膨胀能达到0.25％－0.3％，这是很危险的。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（5）珠光体后收缩ε珠后在共析温度以下开始，因石墨化微弱，ε珠后主要取决于这阶段的收缩系数。缩前膨胀和珠光体前收缩，对铸件的热裂倾向性有重要影响。ε缩前愈大，ε珠前愈小，产生热裂倾向性就愈小。

ε珠前、ε共膨和ε珠后对铸件产生应力、变形和冷裂有影响。铸铁的固态体收缩应为:V固=εV初缩-εV缩前+εV珠前-εV共膨+εV珠后而线收缩为εL=ε初缩-ε缩前+ε珠前-ε共膨+ε珠后UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanUCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan图Fe-C合金的自由线收缩曲线1－碳钢；2－白口铁；3－灰铸铁；4－球墨铸铁UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan①缩孔：凝固体积收缩，得不到液态金属的补充→逐层凝固时→通过液态金属的流动使收缩集中于铸件最后凝固部位形成集中缩孔。②缩松：糊状凝固→糊状区、液固共存—液体流动困难→晶间树枝间得不到补充→分散的小缩孔§14-2缩孔与缩松的形成机理③危害：机械性能、气密性、耐蚀性、锻造裂纹UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan铸件中缩孔的形成示意图UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanAl-4.5%Cu合金中的显微缩松a.含气量高的显微缩松与球形孔洞；b.树枝间的显微缩松UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan图铸铁共晶石墨长大特点示意图灰铸铁——“自补缩能力”球墨铸铁——膨胀力大——若铸型移动——缩松倾向大若铸型刚性大——自补缩UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan图灰铁与球铁在湿砂型中浇注的膨胀曲线灰铸铁——“自补缩能力”球墨铸铁——膨胀力大——若铸型移动——缩松倾向大若铸型刚性大——自补缩UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan影响灰铸铁和球铁缩孔和缩松的主要因素如下：1．铸铁的成分对于亚共晶灰铸铁，碳当量增加，共晶石墨的析出量增加，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，倾向于形成集中缩孔。但是，共晶转变的石墨化膨胀作用，能抵消或超过共晶液体的收缩，铸件中不产生缩孔，甚至使冒口和浇口的项面鼓胀起来。对碳当量超过4.3％的过共晶铸铁，可能由于C、Si量过高，铁水中出现石墨漂浮，反而使石墨析出量减少。对于球铁，碳当量＞3．9％时，充分孕育，增加铸型的刚度，创造同时凝固条件，即可实现无冒口铸造，获得健全的铸件。2．铸型刚度铸铁在共晶转变发生石墨化膨胀时，型壁是否迁移，是影响缩孔容积的重要因素。铸型刚度大，缩前膨胀就小，缩孔容积相应减小。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan产生缩孔、缩松因素与控制：收缩必然性→缩孔或缩松→取决于凝固方式（层、糊）影响凝固方式因素：成分、温度梯度影响缩孔和缩松大小的因素：金属的性质；铸型条件(激冷能力)

浇注条件；铸件尺寸缩孔防止：合理设计浇冒口系统→缩孔于浇冒口中。缩松