铸造合金收缩性铸造应力

铸件在凝固后继续冷却至室温产生固态收缩，当收缩受到阻碍而产生的内应力称为铸造应力。它是铸件产生变形和裂纹等缺陷的主要原因，铸造应力可分为机械应力和热应力两种。

铸造合金收缩性机械应力

铸件在固态收缩时，受到铸型或型芯等的机械阻碍而产生的内应力称为机械应力， 也称收缩应力，如图《机械应力》所示。机械应力是暂时的，铸件从铸型中取出之后便可自行消除。但在铸型中机械应力与热应力同时作用，应力瞬间超过铸件的强度极限时，铸件将产生裂纹。在工艺上增加铸型的退让性可碱小铸件的机械应力。

铸造合金收缩性热应力

由于铸件壁厚不均匀，造成各部分冷却速度不同，在同一时期内铸件各部分收缩不一致而产生的应力称为热应力。 2100433B

液态金属在铸型内凝固时，如果收缩得不到补充，在铸件最后凝固的部位将形成孔洞，这种孔洞称为缩孔。按照孔洞的大小和分布，缩孔分为集中缩孔和分散缩孔两类。通常把集中缩孔称为缩孔，分散缩孔称为缩松。

合金在铸型中不是自由收缩，而是受阻收缩。受阻的原因一方面是由于铸型和型芯对合金收缩的机械阻力；另一方面是由于铸件结构各部分冷却速度不同，相互制约而对收缩产生阻力。因此，铸件的实际线收缩率比合金的自由线收缩率小。

1、化学成分：不同的铸造合金有不同的收缩率。在常用合金中，铸钢收缩率最大，灰口铸铁最小。硅元素促进收缩率减小，硫使收缩率增大。

2、浇注条件：浇注温度越高，合金过热度就越大，则液态收缩量也增大。浇注速度很慢或明冒口中不断补浇高温合金液，使铸件液态和凝固收缩及时得到补偿，铸件总体积收缩减小，缩孔容积也减小。

3、铸型条件和铸件结构：铸型材料对铸件冷却速度影响很大。湿型比干型的冷却能力大，使凝固区域变窄，缩松减少。金属型冷却能力更大，故缩松更显蓍减少。

当温度下降液态合金由液态转变为固态时，因为金属原子由近程有序逐渐转变为远程有序，以及空穴的减少或消失，一般都会发生体积减小。液态合金凝固后，随温度的继续下降，原子间的距离还要缩短，体积也进一步减小。铸造合金在液态、凝固态和固态冷却的过程中，由于温度的降低而发生的体积减小现象，称为铸造合金的收缩性。它是铸造合金本身的物理性质。

铸件在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的现象称为收缩。金属从浇注温度冷却到室温要经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个收缩阶段。在液态收缩和凝固收缩阶段铸件易产生缩孔、缩松缺陷。这两个阶段的收缩量通常用体收缩率来表示。固态收缩阶段只引起铸件外部尺寸变化，使铸件易产生内应力、变形和裂纹等缺陷。其收缩量用线收缩率表示。

铸造合金在冷却凝固过程中体积和尺寸减小的现象称为收缩。合金从浇注温度冷却至常温的收缩共分为三个阶段。由浇注温度至凝固温度期间的收缩称为液态收缩，凝固温度范围内的收缩称为凝固收缩，从凝固终了温度冷却至常温阶段的收缩称为固态收缩。液态和凝固收缩通常以体收缩表示，其收缩值大小对铸件产生缩孔和缩松起决定性影响，而固态收缩通常以线收缩表示，又称为收缩率，它对铸件的尺寸精度，变形和铸件残留应力及冷裂纹的形成起主要作用。

不同化学成分的合金所表现出的收缩倾向不同，如普通碳素钢的体收缩值为10%～14.5%，线收缩率为2%。而灰铸铁的体收缩率为5%～8%，线收缩率约为1%。合金的收缩特性除与化学成分有关外，还主要与铸件的结构形状，浇注温度与浇注速度，冷却方式等工艺条件有关。因此，设计者在选择零件的合金时，要充分考虑它的收缩特性，优先选用收缩倾向小的合金。在设计铸件结构时，也要避免采用厚大截面，或局部凸厚或热节集中的结构，以减少缩孔缩松等铸造缺陷的产生。

铸件的收缩率可根据合金种类、成分、铸件结构尺寸等参数决定。

铸造合金从液态凝同和冷却至室温过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。包括液态收缩、凝固收缩、固态收缩三个阶段。液态收缩是金属液由于温度的降低而发生的体积缩减。凝固收缩是金属液凝固（液态转变为同态）阶段的体积缩减。液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩减，通常称为“体收缩”。固态收缩是金属在固态下由于温度的降低而发生的体积缩减，固态收缩虽然也导致体积的缩减，但通常用铸件的尺寸缩减量来表示，故称为“线收缩”。

铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷，故铸造用材料的收缩率越小越好。收缩直接影响铸件的质量。液态收缩和凝固收缩若得不到补足，会使铸件产生缩孔和缩松缺陷，固态收缩若受到阻碍会产生铸造内应力，导致铸件变形开裂。

1、缩孔和缩松

缩孔是由于金属的液态收缩和凝固收缩部分得不到补足时，在铸件的最后凝固处出现的较大的集中孔洞。缩松是分散在铸件内的细小的缩孔。缩孔和缩松都能使铸件的力学性能下降，缩松还能使铸件在气密性试验和水压试验时出现渗漏现象。生产中可通过在铸件的厚壁处设置冒口的工艺措施，使缩孔转移至最后凝固的冒口处，从而获得完整的铸件。冒口是多余部分，切除后便获得完整、致密的铸件；也可以通过合理地设计铸件结构，避免铸件局部金属积聚，来预防缩孔的产生。

2、变形与开裂

铸件在凝固后继续冷却过程中，若固态收缩受到阻碍就会产生铸造内应力，当内应力达到一定数值时，铸件便产生变形甚至开裂。铸造内应力主要包括收缩时的机械应力和热应力两种，机械应力是由铸型、型芯等外力的阻碍收缩引起的内应力；热应力是铸件在冷却和凝固过程中，由于不同部位的不均衡收缩引起的内应力。

生产中为减小铸造内应力，经常从改进铸件结构和优化铸造工艺入手，如铸件的壁厚应均匀，或合理地设置冷铁等工艺措施，使铸件各部位冷却均匀，同时凝固，从而减小热应力；铸件的结构尽量简单、对称，这样可减小金属的收缩受阻，从而减小机械应力。

影响收缩率的因素分内部和外部条件。

（1）合金的种类和成分

合金的种类和成分不同，其收缩率不同，铁碳合金中灰铸铁的收缩率小，铸钢的收缩率大。图3为常用铸造合金的线收缩率。

（2）工艺条件

金属的浇注温度对收缩率有影响，浇注温度越高，液态收缩越大。铸件结构和铸型材料对收缩也有影响，型腔形状越复杂、铸型材料的退让性越差，对收缩的阻碍越大。当铸件结构设计不合理，铸型材料的退让性不良时，铸件会因收缩受阻而产生铸造应力，容易产生裂纹。

铸造合金灰铸铁

灰铸铁的含碳量接近共晶成分，结晶温度间隔小、熔点低，结晶时有石墨析出，体积膨胀，可抵消部分铸件的收缩，故总的收缩小，流动性好。如灰铸铁的浇注温度在1200～1280℃时，表示流动性好坏的螺旋线长度为600～1200mm，总体积收缩率在6.9%～7.8%之间。

铸造合金碳素铸钢

常用于制造机器零件的铸钢含碳量为0.25%～0.45%。铸钢的浇注温度高(约在1500℃，流动性差，螺旋线长度为100mm，收缩大，总体积收缩率达12.4%，在熔炼过程中易吸气和氧化，因此铸钢的铸造性能差，易产生粘砂、浇不足、冷隔、缩孔、裂纹、气孔等缺陷。

铸造合金有色金属

铜合金熔点低，流动性好。锡青铜浇注温度为1040℃，螺旋线长度为420mm，硅黄铜浇注温度为1100℃，螺旋线长度为1000mm。铜合金熔炼时易氧化，某些铜合金(如铅青铜)还易产生密度偏析，熔炼时要注意防止合金氧化、烧损、偏析。

铝合金的浇注温度更低，一般在680℃螺旋线长度为700～800mm。铝合金在高温下易吸气和氧化，影响其力学性能，故熔炼时要注意隔绝合金液体与炉气的接触，并采用一些净化措施。