[技术]铸件的收缩规律

    液态金属浇入铸型后，由于铸型的散热，金属温度下降，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，原子由近程有序转变为远程有序排列，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、凝固态和固态的冷却过程中，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

    随着温度的降低及凝聚态的变化，铸件材料的力学行为也发生变化，并对不同的铸造工艺条件产生不同的反映，比如铸件塑性和强度的变化，以及由于不同程度的收缩阻力而产生铸件的内应力和变形

    收缩特性是铸造合金的铸造性能之一，合金收缩是使铸件中产生缩孑LI缩松、热裂、应力、变形和冷裂等缺陷的重要原因

因此，为了得到尺寸精确、内部致密的优质铸件，必须了解其收缩特性

    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(-不考虑物态的和同素异形的变们。金属从液态到常温的体积改变量称为体收缩;金属在固态时的线尺寸改变量，称为线收缩;在实际中，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

    任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3个互相联系的收缩阶段(图3-币 :①液态收缩阶段(I) 1②凝固收缩阶段(II),③固态收缩阶段(III)

图3-4一、液态收缩充满铸型瞬间，液态金属从所具有的温度冷却至开始凝固的液相线温度的体收缩为液态收缩。由于在此阶段中，金属处于液态，因此，体积的缩小仅表现为型腔内液面的降低。影响液态收缩的因素很多，如合金成分、温度、气体和夹杂物含量等

二、凝固收缩    金属液在凝固阶段发生的收缩即为凝固收缩。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，故具有一个定值。具有一定结晶温度范围的合金，由液态转变为固态时，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。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

    液态金属注入铸型后，首先在表面形成凝固层，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。因此，液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因

    有一些合金，在凝固过程中体积不但不收缩，反而膨胀，如某些Ga合金，Bi-Sb合金，故凝固收缩率为负值

三、固态收缩    合金的固态收缩指合金从固相线温度冷却到室温时的收缩，表现为三维尺寸的缩小，即三个方向的收缩

    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。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，仍表现为液态收缩性质。当温度继续下降，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。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

    合金的总体积收缩为上述三个阶段收缩之和。液态收缩和凝固收缩会引起型腔内液面的下降，表现为合金体积的收缩，常用体收缩率表示。它们是铸件产生缩孔、缩松的基本原因。固态收缩一般直观地表现为铸件外形尺寸的减少，常用线收缩率表示，它是铸件产生内应力、变形和裂纹的基本原因

四、铸件的受阻收缩    以上对合金收缩规律的分析，仅涉及合金成分、温度等自身因素对收缩的影响，没有考虑收缩过程中遇到的各种阻碍，这种收缩称为自由收缩。实际上，铸件在铸型中收缩时，要受到各种阻碍而使收缩不能自由进行，这时产生的收缩称为受阻收缩。受阻收缩率总小于自由收缩率，阻力更大时将出现裂纹

    铸件的不同部位由于结构、壁厚的差异，以及铸型环境的不同，其状态和收缩进程不会完全一样，即使同一部位，其表面与中心的情况也不同，这样就造成各处收缩受到互相牵制。此外，由于铸件与铸型接触，铸件收缩时还会受到型腔表面及型芯等的阻碍

    铸件收缩中受到的阻力有以下几种

    ①摩擦阻力。铸件收缩时铸件表面与型腔表面间的相对运动形成的阻力。摩擦阻力的大小与铸件重量、型腔表面的光滑程度有关。当型腔、砂芯表面光滑或有光整的涂料、敷料时，摩擦阻力小，可忽略不计

    ②热阻力。铸件各部分由于温度不同，收缩不完全同步，收缩时相互制约形成的阻力。热阻力的大小与铸件结构、温度分布及材料性能有关

    ③机械阻力。铸件收缩时受到来自型壁、型芯等的阻力

铸型和型芯的紧实度、强度及退让性、箱挡及芯骨的位置、铸件的厚度或长度等，都影响机械阻力的大小

    实际生产中，铸件凝固过程中，一般都是同时受到多种收缩阻力，其大小的确定比较困难。各种阻力对铸件形成并非都是有害的，有时合理利用阻力设计铸造工艺反而能提高铸件质量，具体的实例在本书后面的铸造工艺设计中有阐述

五、影响合金收缩的因素    合金的收缩与其化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件有关

    ①化学成分。碳钢随含碳量增加，凝固温度范围扩大，收缩量随之增大。灰口铸铁中C, Si为促进石墨化元素，当其含量增加或碳以石墨形态存在的可能性愈大，则收缩量减小，因石墨密度小，比容大，抵消了灰口铸铁的部分收缩，使其总的收缩量减小;而阻碍石墨化元素，会使收缩量增加，例如So    总之，不同的合金，化学成分不同，收缩率也不一样。几种铸造合金的收缩见表3-1 o表3-1    ②浇注温度。浇注温度愈高，过热度愈大其液态收缩量增加，合金总的收缩率增大

    ③铸型条件和铸件结构。铸件在铸型中是受阻收缩而不是自由收缩，其阻力来自铸型和型芯。铸件壁厚不同，壁在型内所处的位置不同，其冷却速度也不同，冷凝时，铸件各部分相互制约也会产生阻力。这些都会影响合金的实际收缩率

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