合金鑄造性能概念：鑄造性能是指合金鑄造成形，獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。

合金鑄造性能指標(biāo)：充型能力（流動(dòng)性）、收縮性、氧化性、偏析和吸氣性等。

合金鑄造性能的好壞，對(duì)鑄造工藝過程、鑄件質(zhì)量以及鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都有顯著的影響。因此，在選擇鑄造零件的材料時(shí)，應(yīng)在保證使用性能的前提下，盡可能選用鑄造性能良好的材料。但是，實(shí)際生產(chǎn)中為了保證使用性能，常常要使用一些鑄造性能差的合金。此時(shí)，則應(yīng)更加注意鑄件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并提供適當(dāng)?shù)蔫T造工藝條件，以獲得質(zhì)量良好的鑄件。因此，充分認(rèn)識(shí)合金的鑄造性能是十分必要的。

合金的鑄造性能—合金的充型能力
01合金的充型能力定義

定義——液態(tài)合金充滿鑄型，獲得尺寸正確、輪廓清晰的鑄件的能力，稱為液態(tài)合金的充型能力。

液態(tài)合金充型過程是鑄件形成的***個(gè)階段。其間存在著液態(tài)合金的流動(dòng)及其與鑄型之間的熱交換等一系列物理、化學(xué)變化，并伴隨著合金的結(jié)晶現(xiàn)象。因此，充型能力不僅取決于合金本身的流動(dòng)能力，而且受外界條件，如鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素的影響。

02對(duì)鑄件質(zhì)量的影響

對(duì)鑄件質(zhì)量的影響--液態(tài)合金的充型能力強(qiáng)，則容易獲得薄壁而復(fù)雜的鑄件，不易出現(xiàn)輪廓不清、澆不足、冷隔等缺陷；有利于金屬液中氣體和非金屬夾雜物的上浮、排出，減小氣孔、夾渣等缺陷；能夠提高補(bǔ)縮能力，減小產(chǎn)生縮孔、縮松的傾向性。

03影響合金充型能力的因素及工藝對(duì)策

(1)合金的流動(dòng)性

定義--流動(dòng)性是指液態(tài)合金的流動(dòng)能力。它屬于合金的固有性質(zhì)，取決于合金的種類、結(jié)晶特點(diǎn)和其他物理性質(zhì)(如粘度越小，熱容量越大；導(dǎo)熱率越小，結(jié)晶潛熱越大；表面張力越小，則流動(dòng)性越好)。

測(cè)定方法--為了比較不同合金的流動(dòng)性，常用澆注標(biāo)準(zhǔn)螺旋線試樣的方法進(jìn)行測(cè)定。在相同的鑄型(一般采用砂型)和澆注條件(如相同的澆注溫度或相同的過熱溫度)下獲得的流動(dòng)性試樣長(zhǎng)度，即可代表被測(cè)合金的流動(dòng)性。常用鑄造合金中灰鑄鐵、硅黃銅流動(dòng)性***好，鑄鋼***差。對(duì)于同一種合金，也可以用流動(dòng)性試樣來考察各種鑄造工藝因素的變動(dòng)對(duì)其充型能力的影響。所得的流動(dòng)性試樣長(zhǎng)度是液態(tài)金屬?gòu)臐沧㈤_始至停止流動(dòng)時(shí)的時(shí)間與流動(dòng)速度的乘積。所以凡是對(duì)以上兩個(gè)因子有影響的因素都將對(duì)流動(dòng)性(或充型能力)產(chǎn)生影響。

合金的化學(xué)成分決定了它的結(jié)晶特點(diǎn)，而結(jié)晶特點(diǎn)對(duì)流動(dòng)性的影響處于支配地位。具有共晶成分的合金(如碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%的鐵碳合金等)是在恒溫下凝固的，凝固層的內(nèi)表面比較光滑，對(duì)后續(xù)金屬液的流動(dòng)阻力較小，加之共晶成分合金的凝固溫度較低，容易獲得較大的過熱度，故流動(dòng)性好；除共晶合金和純金屬以外，其他成分合金的凝固是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，鑄件截面中存在液、固并存的兩相區(qū)，先產(chǎn)生的樹枝狀晶體對(duì)后續(xù)金屬液的流動(dòng)阻力較大，故流動(dòng)性有所下降。合金成分越偏離共晶成分，其凝固溫度范圍越大，則流動(dòng)性也越差。因此，多用接近共晶成分的合金作為鑄造材料，其原因就在于此。

(2)鑄型性質(zhì)

①鑄型的蓄熱系數(shù)它表示鑄型從其中的金屬液吸取并存儲(chǔ)熱量的能力。鑄型材料的導(dǎo)熱率、比熱容和密度越大，其蓄熱能力越強(qiáng)，對(duì)金屬液的激冷能越力就強(qiáng)，金屬液保持流動(dòng)的時(shí)間就越短，充型能力就越差。例如，金屬型鑄造比砂型鑄造更容易產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷。

②鑄型溫度預(yù)熱鑄型能減小它與金屬液之間的溫差，降低換熱強(qiáng)度，從而提高金屬液的充型能力。例如，在金屬型鑄造鋁合金鑄件時(shí)，將鑄型溫度由340℃提高到520℃，在相同的澆注溫度(760℃)下，螺旋線試樣長(zhǎng)度由525mm增至950mm。因此，預(yù)熱鑄型是金屬型鑄造中必須采取的工藝措施之一。

③鑄型中的氣體鑄型具有一定的發(fā)氣能力，能在金屬液與鑄型之間形成氣膜，可減小流動(dòng)阻力，有利于充型。但若發(fā)氣量過大，鑄型排氣不暢，在型腔內(nèi)產(chǎn)生氣體的反壓力，則會(huì)阻礙金屬液的流動(dòng)。因此，為提高型(芯)砂的透氣性，在鑄型上開設(shè)通氣孔是十分必要且經(jīng)常應(yīng)用的工藝措施。

(3)澆注條件

①澆注溫度

澆注溫度對(duì)金屬液的充型能力有決定性的影響。澆注溫度提高，使合金粘度下降，且保持流動(dòng)的時(shí)間增長(zhǎng)，故充型能力增強(qiáng)；反之，充型能力就會(huì)下降。對(duì)于薄壁鑄件或流動(dòng)性差的合金，利用提高澆注溫度以改善充型能力的措施，在生產(chǎn)中經(jīng)常采用也比較方便。但是，隨著澆注溫度的提高，合金的吸氣、氧化現(xiàn)象嚴(yán)重，總收縮量增加，反而易產(chǎn)生氣孔、縮孔、粘砂等缺陷，鑄件結(jié)晶組織也變得粗大。因此，原則上說，在保證足夠流動(dòng)性的前提下，應(yīng)盡可能降低澆注溫度。

②充型壓力

金屬液在流動(dòng)方向上所受的壓力越大，則流速越大，充型能力就越好。因此，常采用增加直澆道的高度或人工加壓的方法(如：壓力鑄造、低壓鑄造等)來提高液態(tài)合金的充型能力。

(4)鑄件結(jié)構(gòu)

當(dāng)鑄件的壁厚過小、壁厚急劇變化或有較大的水平面等結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)使合金液充型困難。因此，設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)時(shí)，鑄件的壁厚必須大于***小允許值；有的鑄件則需要設(shè)計(jì)流動(dòng)通道；在大平面上設(shè)置筋條。這不僅有利于合金液的順利充型，亦可防止夾砂缺陷的產(chǎn)生。

合金的鑄造性能—合金的偏析

偏析——在鑄件中出現(xiàn)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。偏析使鑄件的性能不均勻，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成廢品。

偏析可分為兩大類：微觀偏析和宏觀偏析。

晶內(nèi)偏析(又稱枝晶偏析)——是指晶粒內(nèi)各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，是微觀偏析的一種。凡形成固溶體的合金在結(jié)晶過程中，只有在非常緩慢的冷卻條件下，使原子充分?jǐn)U散，才能獲得化學(xué)成分均勻的晶粒。在實(shí)際鑄造條件下，合金的凝固速度較快，原子來不及充分?jǐn)U散，這樣按樹枝狀方式長(zhǎng)大的晶粒內(nèi)部，其化學(xué)成分必然不均勻。為消除晶內(nèi)偏析，可把鑄件重新加熱到高溫，并經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間保溫，使原子充分?jǐn)U散。這種熱處理方法稱為擴(kuò)散退火。

密度偏析(舊稱比重偏析)——是指鑄件上、下部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，是宏觀偏析的一種。當(dāng)組成合金元素的密度相差懸殊時(shí)，待鑄件完全凝固后，密度小的元素大都集中在上部，密度大的元素則較多地集中在下部。為防止密度偏析，在澆注時(shí)應(yīng)充分?jǐn)嚢杌蚣铀俳饘僖豪鋮s，使不同密度的元素來不及分離。

宏觀偏析有很多種，除密度偏析之外，還有正偏析、逆偏析、V形偏析和帶狀偏析等。

合金的鑄造性能—合金的吸氣性

合金的吸氣性——合金在熔煉和澆注時(shí)吸收氣體的性質(zhì)。

合金的吸氣性隨溫度升高而加大。氣體在合金液中的溶解度較在固體中大得多。合金的過熱度越高，氣體的含量越高。氣體在鑄件中的存在有三種形態(tài)：固溶體、化合物和氣孔。

(1)鑄件中的氣孔

按照合金中的氣體來源，可將氣孔分為以下三類。

①析出性氣孔

溶解于合金液中的氣體在冷凝過程中，因氣體溶解度下降而析出，來不及排除，鑄件因此而形成的氣孔，稱為析出性氣孔。

析出性氣孔在鋁合金中***為常見，其直徑多小于1mm。它不僅影響合金的力學(xué)性能，而且嚴(yán)重影響鑄件的氣密性。

②侵入性氣孔

侵入性氣孔是砂型表面層聚集的氣體侵入合金液中而形成的氣孔。

③反應(yīng)性氣孔

澆入鑄型中的合金液與鑄型材料、芯撐、冷鐵所含水分、銹蝕等或熔渣之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生氣體，從而使鑄件內(nèi)形成的氣孔，稱為反應(yīng)性氣孔。

反應(yīng)性氣孔種類甚多，形狀各異。如合金液與砂型界面因化學(xué)反應(yīng)生成的氣孔，多分布在鑄件表層下1～2mm處，表面經(jīng)過加工或清理后，就暴露出許多小孔，所以稱皮下氣孔。

氣孔破壞合金的連續(xù)性，減少承載的有效面積，并在氣孔附近引起應(yīng)力集中，因而降低了鑄件的力學(xué)性能，特別是沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度顯著降低。成彌散狀的氣孔還可促使顯微縮松的形成，降低鑄件的氣密性。

(2)預(yù)防氣孔的措施

①降低型砂(芯砂)的發(fā)氣量，增加鑄型的排氣能力。

②控制合金液的溫度，減少不必要的過熱度，減少合金液的原始含氣量。

③加壓冷凝，防止氣體析出。因?yàn)閴毫Φ母淖冎苯佑绊懙綒怏w的析出。例如液態(tài)鋁合金放在405～608kPa(4～6個(gè)大氣壓)的壓力室內(nèi)結(jié)晶，就可以得到無氣孔的鑄件。

④熔煉和澆注時(shí)，設(shè)法減少合金液與氣體接觸的機(jī)會(huì)。如在合金液表面加覆蓋劑保護(hù)或采用真空熔煉技術(shù)。

⑤對(duì)合金液進(jìn)行去氣處理。如向鋁合金液中通入氯氣，當(dāng)不溶解的氯氣泡上浮時(shí)，溶入鋁合金液中的氫原子不斷向氯氣泡中擴(kuò)散而被帶出合金液。

⑥冷鐵、芯撐等表面不得有銹蝕、油污，并應(yīng)保持干燥等。

合金的鑄造性能—合金的凝固與收縮

01合金的凝固與收縮

（1）凝固與收縮的定義

凝固——物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。

收縮——鑄件在凝固、冷卻過程中所發(fā)生的體積減小的現(xiàn)象。

（2）對(duì)鑄件質(zhì)量的影響

澆入鑄型的液態(tài)金屬在冷凝過程中，如果凝固和收縮得不到合理的控制，鑄件內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)縮孔、縮松、鑄造應(yīng)力、變形、裂紋等缺陷。

02鑄件的凝固方式及影響因素

（1）鑄件的凝固方式

在凝固過程中，鑄件斷面上一般存在三個(gè)區(qū)域，即固相區(qū)、凝固區(qū)和液相區(qū)。其中，對(duì)鑄件質(zhì)量影響較大的主要是液相和固相并存的凝固區(qū)的寬窄。鑄件的“凝固方式”依據(jù)凝固區(qū)的寬窄來劃分，有如下三類。

① 逐層凝固

純金屬或共晶成分合金(例如圖1中的a成分)在凝固過程中不存在液、固相并存的凝固區(qū)(圖2鑄件的凝固方式(a))，故斷面上外層的固體和內(nèi)層的液體由一條界線(凝固前沿)清楚地分開。隨著溫度的下降，固體層不斷加厚，液體層不斷減少，凝固前沿不斷向中心推進(jìn)，直至中心。這種凝固方式稱為逐層凝固。

② 糊狀凝固

如果合金的結(jié)晶溫度范圍很寬(例如圖1中的c成分)，且鑄件內(nèi)的溫度 分布曲線(圖1中的t鑄件曲線)較為平坦，則在凝固的某段時(shí)間內(nèi)，鑄件表面并不存在固體層，而液、固相并存的凝固區(qū)貫穿整個(gè)斷面(圖1(C))。因?yàn)檫@種凝固方式與水泥類似，即先呈糊狀而后固化，故稱為糊狀凝固。

③ 中間凝固

大多數(shù)合金(例如圖1中的b)的凝固方式介于上述兩者之間，稱為中間凝固方式。

鑄件的凝固與鑄造缺陷的關(guān)系：

一般說來，逐層凝固有利于合金的充型及補(bǔ)縮，便于防止縮孔和縮松；糊狀凝固時(shí)，難以獲得組織致密的鑄件。

（2）影響鑄件凝固方式的主要因素

① 合金的結(jié)晶溫度范圍

合金的結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固。例如：砂型鑄造時(shí)，低碳鋼為逐層凝固；高碳鋼因結(jié)晶溫度范圍甚寬，為糊狀凝固。

② 鑄件斷面的溫度梯度

在合金結(jié)晶溫度范圍已定的前提下，凝固區(qū)域的寬窄取決于鑄件斷面的溫度梯度(見圖2中T1→T2)。若鑄件的度梯度由小變大，則其對(duì)應(yīng)的凝固區(qū)由寬變窄。

鑄件的溫度梯度主要取決于：

a.合金的性質(zhì) 合金的凝固溫度越低、導(dǎo)溫系數(shù)越大、結(jié)晶潛熱越大，鑄件內(nèi)部溫度均勻 化能力就越大，溫度梯度就越小(如多數(shù)鋁合金)；
b.鑄型的蓄熱能力 鑄型蓄熱系數(shù)越大，對(duì)鑄件的激冷能力就越強(qiáng)，鑄件溫度梯度就越大；c.澆注溫度 澆注溫度越高，因帶入鑄型中熱量增多，鑄件的溫度梯度就越??；d.鑄件的壁厚 鑄件壁厚越大，溫度梯度就越小。

通過以上討論可以得出：傾向于逐層凝固的合金(如灰鑄鐵、鋁硅合金等)便于鑄造，應(yīng)盡量選用；當(dāng)必須采用傾向于糊狀凝固的合金(如：錫青銅、鋁銅合金、球墨鑄鐵等)時(shí)，可考慮采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?例如，選用金屬型鑄造)，以減小其凝固區(qū)域。

03合金的收縮及其影響因素

(1)合金收縮的原理及過程

液態(tài)合金的結(jié)構(gòu)是由原子集團(tuán)和“空穴”組成的。原子集團(tuán)內(nèi)部的原子呈有序排列，但原子間距比固態(tài)時(shí)大。將液態(tài)合金澆入鑄型后，溫度不斷下降，空穴減少，原子間距縮短，合金液的體積要減小。合金液凝固時(shí)，空穴消失，原子間距進(jìn)一步縮短。凝固后繼續(xù)冷卻至室溫的過程中，原子間距還要縮短。合金由澆注溫度冷卻到室溫的收縮經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：

①液態(tài)收縮 即從澆注溫度到開始凝固的液相線溫度之間，合金處于液態(tài)下的收縮。它使型腔內(nèi)液面下降。②凝固收縮 即從凝固開始溫度到凝固終了溫度之間，合金處于凝固過程的收縮。在一般情況下，凝固收縮仍主要表現(xiàn)為液面的下降。③固態(tài)收縮 即從凝固終了溫度至室溫之間，合金處于固態(tài)下的收縮。此階段的收縮表現(xiàn) 為鑄件線性尺寸的減小。

合金的液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松的主要原因；而固態(tài)收縮是鑄件產(chǎn)生鑄造應(yīng)力、變形、裂紋的根本原因，并直接影響鑄件的尺寸精度。

(2)影響合金收縮的主要因素

①合金的化學(xué)成分

不同合金的收縮率不同。在常用合金中，鑄鋼的收縮率***大，灰鑄鐵的收縮率***小?；诣T鐵收縮率很小的原因是：由于其中大部分碳是以石墨狀態(tài)存在的，石墨的比容大，在結(jié)晶過程中石墨析出所產(chǎn)生的體積膨脹，抵消了合金的部分收縮。

②澆注溫度

澆注溫度越高，合金的液態(tài)收縮量越大。

③鑄型條件和鑄件結(jié)構(gòu)

鑄件的實(shí)際收縮區(qū)別于合金的自由收縮，它會(huì)受到鑄型及型芯的阻礙；而且由于鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜及壁厚不均，冷卻時(shí)各部分相互牽制也會(huì)阻礙收縮。

合金的凝固與收縮—鑄件中的縮孔與縮松

縮孔和縮松定義——鑄件冷凝時(shí)，如果合金的液態(tài)收縮和凝固收縮得不到液態(tài)合金的補(bǔ)充，就會(huì)在***后凝固的部位形成孔洞。容積大而集中的稱為縮孔，細(xì)小而分散的稱為縮松。

危害——縮孔和縮松會(huì)減小鑄件的有效承載面積，并在該處造成應(yīng)力集中，從而降低力學(xué)性能。對(duì)于要求氣密性的零件，縮孔、縮松還會(huì)造成滲漏而嚴(yán)重影響其氣密性。所以，縮孔和縮松是很大的鑄造缺陷之一。

01縮孔和縮松的形成

①縮孔的形成過程

將液態(tài)合金澆入圓柱形型腔中，由于鑄型的冷卻作用，液態(tài)合金的溫度逐漸下降，其液態(tài)收縮不斷進(jìn)行，但是當(dāng)內(nèi)澆口未凝固時(shí)，型腔總是充滿的(見圖3(a))；隨著溫度的下降，首先鑄件表面凝固成一層硬殼，同時(shí)內(nèi)澆口封閉(見圖3(b))；進(jìn)一步冷卻時(shí)，硬殼內(nèi)的液態(tài)金屬繼續(xù)液態(tài)收縮，并對(duì)形成硬殼時(shí)的凝固收縮進(jìn)行補(bǔ)充，由于液態(tài)收縮和凝固收縮遠(yuǎn)大于硬殼的固態(tài)收縮，故液面下降并與殼頂脫離(見圖3(c))；依此進(jìn)行下去，硬殼不斷加厚，液面不斷下降，待金屬全部凝固后，在鑄件上部就形成一個(gè)倒錐形的縮孔(見圖3(d))；在鑄件繼續(xù)冷卻至室溫時(shí)，其體積有所縮小，使縮孔體積也略有減小(見圖3(e))。如果在鑄件頂部設(shè)置冒口，則縮孔將移到冒口中。

②縮孔出現(xiàn)的部位

一般出現(xiàn)在鑄件***后凝固的區(qū)域，如鑄件的上部或中心處、鑄件上壁厚較大及內(nèi)澆口附近等。

③縮松的形成

是由于鑄件***后凝固區(qū)域的收縮未能得到補(bǔ)足；或者因合金呈糊狀凝固，被樹枝狀晶體分隔開的液體小區(qū)得不到補(bǔ)縮所致。

縮松分為宏觀縮松和顯微縮松兩種。宏觀縮松是用肉眼或放大鏡可以看見的小孔洞，多分布在鑄件中心軸線處或縮孔下方(圖4)。顯微縮松是分布在晶粒之間的微小孔洞，要用顯微鏡才能看見。這種縮松分布更為廣泛，有時(shí)遍及整個(gè)截面。顯微縮松難以完全避免，對(duì)于一般鑄件多不作為缺陷對(duì)待；但對(duì)氣密性、力學(xué)性能、物理性能或化學(xué)性能要求很高的鑄件，則必須設(shè)法減少。

不同的鑄造合金形成縮孔和縮松的傾向不同。逐層凝固合金（純金屬、共晶合金或窄結(jié)晶溫度范圍合金）的縮孔傾向大，縮松傾向?。缓隣钅痰暮辖鹂s孔傾向雖小，但極易產(chǎn)生縮松。由于采用一些工藝措施可以控制鑄件的凝固方式，因此，縮孔和縮松可在一定范圍內(nèi)互相轉(zhuǎn)化。

02孔和縮松的防止

①實(shí)現(xiàn)“順序凝固”

為了防止縮孔、縮松的產(chǎn)生，應(yīng)使鑄件按“順序凝固”的原則進(jìn)行凝固。“順序凝固”原則是指利用各種工藝措施，使鑄件從遠(yuǎn)離冒口的部分到冒口之間建立一個(gè)遞增的溫度梯度，凝固從遠(yuǎn)離冒口的部分開始，逐漸向冒口方向順序進(jìn)行，***后是冒口本身凝固。這樣就能實(shí)現(xiàn)良好的補(bǔ)縮，使縮孔移至冒口，從而獲得致密的鑄件。為此應(yīng)將冒口安放在鑄件***厚和***高處，其尺寸要足夠大。有條件時(shí)，應(yīng)將內(nèi)澆道開設(shè)在冒口上，使充型的熾熱金 屬液首先流經(jīng)冒口。與此同時(shí)可在鑄件一些局部厚大的部位上安放冷鐵（如圖5），加快該處的冷卻，以便充分發(fā)揮冒口的補(bǔ)縮作用。

　　順序凝固的缺點(diǎn)是鑄件各部分溫差較大，引起的熱應(yīng)力較大，鑄件易變形、開裂。另外，因?yàn)樵O(shè)置冒口，增加了金屬的消耗和清理費(fèi)用。順序凝固一般用于收縮率大、凝固溫度范圍窄的合金（如鑄鋼、可鍛鑄鐵、黃銅等），以及壁厚差別大、對(duì)氣密性要求高的鑄件。

②加壓補(bǔ)縮

即將鑄型置于壓力室中，澆注后，迅速關(guān)閉壓力室，使鑄件在壓力下凝固，可以消除縮松或縮孔。此法又稱為“壓力釜鑄造”。

③用浸滲技術(shù)防止鑄件因縮孔、縮松而發(fā)生的滲漏

即將呈膠狀的浸滲劑滲入鑄件的孔隙，然后使浸滲劑硬化并與鑄件孔隙內(nèi)壁聯(lián)成一體，從而達(dá)到堵漏的目的。

(3)縮孔和縮松位置的確定

為了防止縮孔和縮松的產(chǎn)生，必須在制定鑄造工藝方案時(shí)正確判斷它們?cè)阼T件中的位置，以便采取必要的工藝措施。確定縮孔和縮松位置一般采用等溫線法或內(nèi)接圓法。

①等溫線法

此法是根據(jù)鑄件各部分的散熱情況，把同時(shí)到達(dá)凝固溫度的各點(diǎn)連接成等溫線，逐層向內(nèi)繪制，直到***窄的截面上的等溫線相互接觸為止。這樣，就可以確定鑄件***后凝固的部位，即縮孔和縮松的位置。圖6(a)所示為用等溫線法確定的縮孔位置，圖6(b)所示為鑄件上縮孔的實(shí)際位置，兩者基本上是一致的。

②內(nèi)接圓法

此法常用來確定鑄件上相交壁處的縮孔位置，如圖7(a)所示。在內(nèi)接圓直徑***大的部分(稱為“熱節(jié)”)，有較多的金屬積聚，往往***后凝固，容易產(chǎn)生縮孔和縮松(圖7(b))。

合金的凝固與收縮—鑄造應(yīng)力、變形和裂紋
1鑄造內(nèi)應(yīng)力的分類及形成

定義——鑄件的固態(tài)收縮受到阻礙而引起的應(yīng)力，稱為鑄造應(yīng)力。

鑄造應(yīng)力可分為三種。

① 機(jī)械應(yīng)力

這種應(yīng)力是由于鑄件的收縮受到機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的，是暫時(shí)性的。

只要機(jī)械阻礙消除，應(yīng)力也隨之消失。形成機(jī)械阻礙的原因是：型(芯)砂的高溫強(qiáng)度高，退讓性差；砂箱箱帶、芯骨的阻礙等。

② 熱應(yīng)力

由于鑄件各部分冷卻速度不同，以致在同一時(shí)期內(nèi)收縮不一致，而且各部分之間存在約束作用，從而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，稱為熱應(yīng)力。鑄件冷卻至室溫后，這種熱應(yīng)力依然存在，故又稱為殘余應(yīng)力。

③ 相變應(yīng)力

合金在彈性狀態(tài)下發(fā)生相變會(huì)引起體積變化。若鑄件各部分冷卻速度不同，相變不同時(shí)進(jìn)行，則由此而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為相變應(yīng)力。

鑄造應(yīng)力是熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和相變應(yīng)力三者的代數(shù)和。根據(jù)情況不同，三種應(yīng)力有時(shí)相互疊加，有時(shí)相互抵消。

鑄造應(yīng)力的存在會(huì)帶來一系列不良影響，諸如使鑄件產(chǎn)生變形、裂紋 ，降低承載能力，影響加工精度等。

2減小和消除鑄造應(yīng)力的途徑

①工藝方面

a.使鑄件按“同時(shí)凝固”原則進(jìn)行凝固(如圖8所示)。為此，應(yīng)將內(nèi)澆道開設(shè)在薄壁處，在厚壁部位安放冷鐵，使鑄件各部分溫差很小，同時(shí)進(jìn)行凝固，由此熱應(yīng)力可減小到***低限度。應(yīng)該注意的是，此時(shí)鑄件中心區(qū)域往往出現(xiàn)縮松，組織不夠致密。

b.提高鑄型和型芯的退讓性，及早落砂、打箱以消除機(jī)械阻礙，將鑄件放入保溫坑中緩冷，都可減小鑄造應(yīng)力。

②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面

應(yīng)盡量做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壁厚均勻，薄、厚壁之間逐漸過渡，以減小各部分的溫差，并使各部分能比較自由地進(jìn)行收縮。

③鑄件產(chǎn)生熱應(yīng)力后，可用自然時(shí)效、人工時(shí)效等方法消除。

3變形和裂紋

① 變形

有帶鑄造應(yīng)力的鑄件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)自發(fā)地通過變形使應(yīng)力減小而趨于穩(wěn)定狀態(tài)。顯然，只有受彈性拉伸的部分縮短，受彈性壓縮的部分伸長(zhǎng)，鑄件中的應(yīng)力才有可能減小或消除。

T形鑄件產(chǎn)生變形的方向如圖9(a)虛線所示。這是因?yàn)門形鑄件冷卻后，厚壁受拉，薄壁受壓，相當(dāng)于兩根不同長(zhǎng)度的彈簧(圖9(b)),將上面的短彈簧拉長(zhǎng)，下面的長(zhǎng)彈簧壓短，以維持同樣長(zhǎng)度(圖9(c))。但這樣的組合彈簧系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，力圖恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)，即上面的彈簧要縮短，下面的彈簧要伸長(zhǎng)，于是就出現(xiàn)了與上述情形相似的彎曲變形(圖9(d))。

危害、對(duì)策

防止鑄件變形的根本措施是減少鑄造內(nèi)應(yīng)力，例如：設(shè)計(jì)時(shí)，鑄件壁厚力求均勻；制定鑄造工藝時(shí)，盡量使鑄件各部分同時(shí)冷卻，增加型(芯)砂的退讓性等。

在制造模樣時(shí)，可以采用反變形法，即預(yù)先將模樣做成與鑄件變形相反的形狀，以補(bǔ)償鑄件的變形。圖10所示的機(jī)床床身，由于導(dǎo)軌較厚，側(cè)壁較薄，鑄造后產(chǎn)生撓曲變形。若將模樣做出用雙點(diǎn)劃線表示的反撓度，鑄造后會(huì)使導(dǎo)軌變得平直。

應(yīng)當(dāng)指出，鑄件變形后，往往只能減小而不能徹底消除鑄造應(yīng)力。機(jī)械加工后，零件內(nèi)的應(yīng)力失去平衡而引起再次變形，會(huì)使加工精度受到影響。因此，對(duì)于重要的鑄件，機(jī)械加工之前應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火。

②裂紋

當(dāng)鑄造應(yīng)力超過當(dāng)時(shí)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，鑄件會(huì)產(chǎn)生裂紋。

裂紋可分為熱裂和冷裂兩種。

熱裂——是在高溫下形成的，是鑄鋼件、可鍛鑄鐵坯件和某些輕合金鑄件生產(chǎn)中***常見的鑄造缺陷之一。其特征是：裂紋形狀曲折而不規(guī)則，裂口表面呈氧化色(鑄鋼件裂口表面近似黑色，而鋁合金則呈暗灰色)，裂紋沿晶粒邊界通過。熱裂紋常出現(xiàn)于鑄件內(nèi)部***后凝固的部位或鑄件表面易產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方。

冷裂——是在低溫下形成的。塑性差、脆性大、熱導(dǎo)率小的合金，如白口鑄鐵、高碳鋼和一些合金鋼易產(chǎn)生冷裂。其特征是：裂紋形狀為連續(xù)直線狀或圓滑曲線狀，常常是通過晶粒的。裂口表面干凈，有金屬的光澤或呈輕微的氧化色。冷裂常出現(xiàn)在鑄件受拉伸的部位，特別是應(yīng)力集中的部位，如內(nèi)尖角處、縮孔和非金屬夾雜物附近。

危害、對(duì)策

凡是減小鑄造應(yīng)力或降低合金脆性的因素(如減少鋼鐵中有害元素硫、磷的含量等)均對(duì)防止裂紋有積極影響。

來源：材易通

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