液态金属铸造成形（第2章）第3讲凝固过程中的补缩

1、HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY材料科学与工程学院华中科技大学2022年3月5日星期六21时09分12秒1HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY授课教师：吕书林2主要主要内容内容v液态金属的凝固液态金属的凝固v液态金属凝固过程中的收缩液态金属凝固过程中的收缩v铸件中的缩孔和缩松铸件中的缩孔和缩松v课后作业课后作业2022年3月5日星期六21时09分13秒32022年3月5日星期六21时09分13秒铸件的凝固过程：在铸件的凝固过程中，其截面一般存在三个区域，即液相区、凝固区、固相区。对铸件质量影

2、响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。表层中心St铸件温度ab逐层凝固 糊状凝固表层中心t铸件固相线液相线液相线成分温度表层中心t铸件液固液c液相线液相线固凝固区中间凝固4铸件的凝固方式根据凝固区的宽窄来划分。1）逐层凝固：纯金属或共晶成分的合金的凝固，合金充型能力强；2）糊状凝固：结晶温度范围很宽的合金的凝固，充型能力差，易产生缩松；3）中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间，大多数合金为此凝固方式1）合金的结晶温度范围: 结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越倾向于逐层凝固。低碳钢，近共晶成分铸铁倾向于逐层凝固，高碳钢、远共晶成分铸铁倾向于糊状凝固。2022年3月5日星期六21时09分14

3、秒52）铸件的温度梯度：在合金的结晶温度范围已定时，若铸件的温度梯度由小变大，则凝固区由宽变窄，倾向于逐层凝固。铸件温度梯度主要取决于：a)合金的性质 合金的凝固温度越低、温度梯度越小。b) 铸型的蓄热能力越强，激冷能力越强，温度梯度越大。c) 浇注温度越高，温度梯度减小。 温度梯度对凝固区域的影响2022年3月5日星期六21时09分14秒62.2 2.2 液态金属凝固收缩过程的工艺分析液态金属凝固收缩过程的工艺分析 合金从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。合金的收缩给液态成形工艺带来许多困难，会造成许多铸造缺陷。（如：缩孔、缩松、裂纹、变形等）。（1）收缩的概念 收缩是指合金从

4、液态冷却至常温的过程中，体积或尺寸缩小的现象。通常用体收缩率或线收缩率来表示： 体收缩率%100%10010010ttVVVVV线收缩率%100%10010010ttlllll式中 、 合金在 、 时的体积（ ）； 、 合金在 、 时的长度（ ）； 、 合金在 至 温度范围内的体收缩系数和线收缩系数（ ）0V1V0t1t3m0l1l0t0t1t1tmlVC017合金的收缩经历如下三个阶段： I、液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。 T浇 T液III、固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。 T固 T室II、凝固收缩 从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。 T液 T固T液T固（2）铸造合金

5、的收缩2022年3月5日星期六21时09分14秒8合金收缩固态合金冷却液态合金冷却液态收缩凝固收缩缩孔:恒温下结晶缩松:两相区结晶线收缩裂纹变形应力1）、液态收缩浇tlt 从浇注温度冷却至液相线温度的体收缩为液态收缩。 %100ttlvv）（浇液液液v的因素： 影响浇注温度 合金成分 合金成分、温度、气体和夹杂物含量 浇tlt液v2022年3月5日星期六21时09分14秒92）、凝固收缩l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，所以具有一定的数值。l具有一定结晶温度范围的合金由液态转变为固态时，由于固态的原子呈有序排列且比较紧密，伴随着体积收缩，此外，在凝固过程

6、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。%100液固液凝VVVV有些合金，在凝固过程中体积不但不收缩，反而膨胀，如某些Ga合金，BiSb合金内，因此，其凝固收缩率 为负值。此外，铸铁在凝固后期由于石墨析出发生膨胀，使凝固收缩率减小，甚至为负值。合金凝固过程中往往因气体析出而使凝固收缩率减小。影响凝固收缩率的因素较复杂，实测数据波动范围较大。注 意2022年3月5日星期六21时09分14秒10%100tt0svv）（固固线收缩率：%100tt0sll）（金属的线收缩是铸件产生应力、变形和裂纹的基本原因。（冷却阶段的相变也会引起收缩率的变

7、化）3）、固态收缩线收缩的开始温度线收缩的开始温度v对于纯金属和共晶合金的线收缩是在金属完全凝固后开始的。v对于具有一定结晶温度范围的合金，随着枝晶数量增多，彼此相连构成连续的骨架，则开始线收缩。2022年3月5日星期六21时09分14秒11v缩 孔：铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，在铸件最后凝固的部位出现容积大而集中的孔洞集中缩孔v缩 松：铸件在凝固过程中，出现细小而分散的孔洞，称分散缩孔。对铸件的影响： 降低铸件的气密性和物理化学性能。 减小受力的有效面积，应力集中-降低机械性能。发动机后盖缩孔TiAl合金支架缩孔2022年3月5日星期六21时09分14秒12(1) 缩孔形

8、成机理缩孔缩孔a. 浇注充满；b. 成壳,紧密接触。固态收缩率等于液态与凝固收缩率之和。c. 脱离。液态收缩与凝固收缩超过硬壳的固态收缩。d. 倒立锥孔和上面凹陷形成。倒形锥孔是由于液态金属在重力的作用下补充了下面缩孔。凹面形成是由于外面压力大于缩孔内部的压力或者壳的强度不够所造成。2022年3月5日星期六21时09分15秒13缩孔位置的确定采用等固相线法确定最后凝固区域，从而确定缩孔的位置。等固相线：对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解线，也是一条等温线，称为等固线。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接触为

9、止。(1) 缩孔形成机理2022年3月5日星期六21时09分15秒14(2) 缩松形成机理 宏观缩松（简称缩松） 微观缩松（显微缩松）缩松：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。缩松分布面广，难于补缩，是铸件中最危险的缺陷之一。 b 缩松度对试棒抗拉强度的影响 。缩松度（相对强度）缩松2022年3月5日星期六21时09分15秒15(2) 缩松形成机理v形成原因：和缩孔一样，液态收缩和凝固收缩值大于固相收缩。v形成条件：合金的结晶温度范围较宽，或铸件断面温度梯度小-凝固区域宽，倾向于糊状凝固方式；v显微缩松产生在晶间和分枝之间，与微观气孔很难区分，且经常是同时发生的，在显微镜

10、下才能观察到。v位 置：铸件壁的轴线区域（轴线缩松）、厚大部位、冒口根部和内浇口附近。2022年3月5日星期六21时09分15秒16 铸件的缩松表现为分散的孔洞，孔洞的存在使铸件密度降低，缩松程度可用孔洞度表示为：%100%理论密度试样密度金属的理论密度）孔洞度（ 铸件在凝固过程中产生收缩是必然的，但产生缩孔还是缩松，主要取决于凝固方式。影响凝固方式主要有两方面的因素： 合金成分 铸件内温度梯度 铸件中形成缩孔或缩松的倾向与合金成分之间有一定的规律性。当合金成分及其浇注温度确定以后，则缩孔及缩松的总容积为一定，即：缩松缩孔缩总VVV(3) 小 结2022年3月5日星期六21时09分15秒17排气管中的缩孔排气管中的缩孔发动机后盖缩孔发动机后盖缩孔TiAl合金支架缩孔合金支架缩孔补缩是铸