二合金的凝固與收縮

（一）鑄件的凝固方式及影響因素
    1. 鑄件的凝固方式

（1）逐層凝固方式
    合金在凝固過程中其斷面上固相和液相由一條界線清楚地分開，這種凝固方式稱為逐層凝固。常見合金如灰鑄鐵、低碳鋼、工業(yè)純銅、工業(yè)純鋁、共晶鋁硅合金及某些黃銅都屬于逐層凝固的合金。
    （2）糊狀凝固方式
    合金在凝固過程中先呈糊狀而后凝固，這種凝固方式稱為糊狀凝固。球墨鑄鐵、高碳鋼、錫青銅和某些黃銅等都是糊狀凝固的合金。

（3）中間凝固方式
大多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間，稱為中間凝固方式。中碳鋼、高錳鋼、白口鑄鐵等具有中間凝固方式。

圖9-5 鑄件的凝固方式

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2. 凝固方式的影響因素
    （1）合金凝固溫度范圍的影響
    合金的液相線和固相交叉在一起，或間距很小，則金屬趨于逐層凝固；如兩條相線之間的距離很大，則趨于糊狀凝固；如兩條相線間距離較小，則趨于中間凝固方式。
    （2）鑄件溫度梯度的影響
    增大溫度梯度，可以使合金的凝固方式向逐層凝固轉(zhuǎn)化；反之，鑄件的凝固方式向糊狀凝固轉(zhuǎn)化。

（二）鑄造合金的收縮
    鑄造合金從液態(tài)冷卻到室溫的過程中，其體積和尺寸縮減的現(xiàn)象稱為收縮。它主要包括以下三個階段：
     1.液態(tài)收縮金屬在液態(tài)時由于溫度降低而發(fā)生的體積收縮。
    2.凝固收縮熔融金屬在凝固階段的體積收縮。液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的基本原因。
    3.固態(tài)收縮金屬在固態(tài)時由于溫度降低而發(fā)生的體積收縮。固態(tài)收縮對鑄件的形狀和尺寸精度影響很大，是鑄造應(yīng)力、變形和裂紋等缺陷產(chǎn)生的基本原因。

（三）影響合金收縮的因素
    1. 化學(xué)成分不同成分的合金其收縮率一般也不相同。在常用鑄造合金中鑄剛的收縮最大，灰鑄鐵最小。
    2. 澆注溫度合金澆注溫度越高，過熱度越大，液體收縮越大。
    3. 鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件鑄件冷卻收縮時，因其形狀、尺寸的不同，各部分的冷卻速度不同，導(dǎo)致收縮不一致，且互相阻礙，又加之鑄型和型芯對鑄件收縮的阻力，故鑄件的實(shí)際收縮率總是小于其自由收縮率。這種阻力越大，鑄件的實(shí)際收縮率就越小。

（四）收縮對鑄件質(zhì)量的影響
    1. 縮孔和縮松
    （1）縮孔的形成
    縮孔總是出現(xiàn)在鑄件上部或最后凝固的部位，其外形特征是：內(nèi)表面粗糙，形狀不規(guī)則，多近于倒圓錐形。通?？s孔隱藏于鑄件的內(nèi)部，有時經(jīng)切削加工才能暴露出來?？s孔形成的主要原因是液態(tài)收縮和凝固收縮?？s孔形成過程見圖9-6。

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圖9-6 縮孔形成過程示意圖

（2）縮松的形成
    宏觀縮松多分布在鑄件最后凝固的部位，顯微縮松則是存在于在晶粒之間的微小孔洞，形成縮松的主要原因也是液態(tài)收縮和凝固收縮所致?？s松形成過程見圖9-7。

圖9-7 縮松形成過程示意圖

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（3）縮孔、縮松的防止措施
    a）采用定向凝固的原則所謂定向凝固，是使鑄件按規(guī)定方向從一部分到另一部分逐漸凝固的過程。冒口和冷鐵的合理使用，可造成鑄件的定向凝固，有效地消除縮孔、縮松。定向凝固原則見圖9-8。

圖9-8 定向凝固原則

b）合理確定鑄件的澆注位置、內(nèi)澆道位置及澆注工藝澆注位置的選擇應(yīng)服從定向凝固原則；內(nèi)澆道應(yīng)開設(shè)在鑄件的厚壁處或靠近冒口；要合理選擇澆注溫度和澆注速度，在不增加其它缺陷的前提下，應(yīng)盡量降低澆注溫度和澆注速度。

2. 鑄造應(yīng)力、變形和裂紋
    在鑄件的凝固以及以后的冷卻過程中，隨溫度的不斷降低，收縮不斷發(fā)生，如果這種收縮受到阻礙，就會在鑄件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，引起變形或開裂，這種缺陷的產(chǎn)生，將嚴(yán)重影響鑄件的質(zhì)量。

（1）鑄造應(yīng)力的產(chǎn)生
    鑄造應(yīng)力按其產(chǎn)生的原因可分為三種：
    a）熱應(yīng)力鑄件在凝固和冷卻過程中，不同部位由于不均衡的收縮而引起的應(yīng)力。
    b）固態(tài)相變應(yīng)力鑄件由于固態(tài)相變，各部分體積發(fā)生不均衡變化而引起的應(yīng)力。
    c）收縮應(yīng)力鑄件在固態(tài)收縮時，因受到鑄型、型芯、澆冒口、箱擋等外力的阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。

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    鑄件鑄出后存在于鑄件不同部位的內(nèi)應(yīng)力稱為殘留應(yīng)力。

（2）鑄造應(yīng)力的防止和消除措施
    a）采用同時凝固的原則同時凝固是指通過設(shè)置冷鐵、布置澆口位置等工藝措施，使鑄件溫差盡量變小，基本實(shí)現(xiàn)鑄件各部分在同一時間凝固。如圖9-9所示。
    b）提高鑄型溫度
    c）改善鑄型和型芯的退讓性
    d）進(jìn)行去應(yīng)力退火

圖9-9 同時凝固原則

（3）鑄件的變形和防止
    鑄件的變形包括鑄件凝固后所發(fā)生的變形以及隨后的切削加工變形。防止鑄件變形有以下幾種方法：
     a) 采用反變形法可在模樣上做出與鑄件變形量相等而方向相反的預(yù)變形量來抵消鑄件的變形，此種方法稱為反變形法。
    b) 進(jìn)行去應(yīng)力退火鑄件機(jī)加工之前應(yīng)先進(jìn)行去應(yīng)力退火，以穩(wěn)定鑄件尺寸，降低切削加工變形程度。
    c) 設(shè)置工藝?yán)?/span>為了防止鑄件的鑄態(tài)變形，可在容易變形的部位設(shè)置工藝?yán)摺?/span>

（4）鑄件的裂紋及防止
    a) 鑄件裂紋的分類及其形貌
    鑄件一般有熱裂和冷裂兩種開裂方式。當(dāng)固態(tài)合金的線收縮受到阻礙，產(chǎn)生的應(yīng)力若超過該溫度下合金的強(qiáng)度，即產(chǎn)生熱裂；而冷裂是鑄件處于彈性狀態(tài)時，鑄造應(yīng)力超過合金的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生的。熱裂裂紋一般沿晶界產(chǎn)生和發(fā)展，其外形曲折短小，裂紋縫內(nèi)表面呈氧化色；冷裂裂紋常常是穿晶斷裂，裂紋細(xì)小，外形呈連續(xù)直線狀或圓滑曲線狀，裂紋縫內(nèi)干凈，有時呈輕微氧化色。
    b）鑄件裂紋的防止
    為有效地防止鑄件裂紋的發(fā)生，應(yīng)盡可能采取措施減小鑄造應(yīng)力；同時金屬在熔煉過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制有可能擴(kuò)大金屬凝固溫度范圍元素的加入量及鋼鐵中的硫、磷含量。