液態(tài)金屬鑄造成形（第2章）第3講凝固過(guò)程中的補(bǔ)縮

1、HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY材料科學(xué)與工程學(xué)院華中科技大學(xué)2022年3月5日星期六21時(shí)09分12秒1HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY授課教師：呂書(shū)林2主要主要內(nèi)容內(nèi)容v液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固v液態(tài)金屬凝固過(guò)程中的收縮液態(tài)金屬凝固過(guò)程中的收縮v鑄件中的縮孔和縮松鑄件中的縮孔和縮松v課后作業(yè)課后作業(yè)2022年3月5日星期六21時(shí)09分13秒32022年3月5日星期六21時(shí)09分13秒鑄件的凝固過(guò)程：在鑄件的凝固過(guò)程中，其截面一般存在三個(gè)區(qū)域，即液相區(qū)、凝固區(qū)、固相區(qū)。對(duì)鑄件質(zhì)量影

2、響較大的主要是液相和固相并存的凝固區(qū)的寬窄。表層中心St鑄件溫度ab逐層凝固 糊狀凝固表層中心t鑄件固相線液相線液相線成分溫度表層中心t鑄件液固液c液相線液相線固凝固區(qū)中間凝固4鑄件的凝固方式根據(jù)凝固區(qū)的寬窄來(lái)劃分。1）逐層凝固：純金屬或共晶成分的合金的凝固，合金充型能力強(qiáng)；2）糊狀凝固：結(jié)晶溫度范圍很寬的合金的凝固，充型能力差，易產(chǎn)生縮松；3）中間凝固：介于逐層凝固和糊狀凝固之間，大多數(shù)合金為此凝固方式1）合金的結(jié)晶溫度范圍: 結(jié)晶溫度范圍越小，凝固區(qū)域越窄，越傾向于逐層凝固。低碳鋼，近共晶成分鑄鐵傾向于逐層凝固，高碳鋼、遠(yuǎn)共晶成分鑄鐵傾向于糊狀凝固。2022年3月5日星期六21時(shí)09分14

3、秒52）鑄件的溫度梯度：在合金的結(jié)晶溫度范圍已定時(shí)，若鑄件的溫度梯度由小變大，則凝固區(qū)由寬變窄，傾向于逐層凝固。鑄件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、溫度梯度越小。b) 鑄型的蓄熱能力越強(qiáng)，激冷能力越強(qiáng)，溫度梯度越大。c) 澆注溫度越高，溫度梯度減小。 溫度梯度對(duì)凝固區(qū)域的影響2022年3月5日星期六21時(shí)09分14秒62.2 2.2 液態(tài)金屬凝固收縮過(guò)程的工藝分析液態(tài)金屬凝固收縮過(guò)程的工藝分析 合金從液態(tài)冷卻至室溫的過(guò)程中，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象。合金的收縮給液態(tài)成形工藝帶來(lái)許多困難，會(huì)造成許多鑄造缺陷。（如：縮孔、縮松、裂紋、變形等）。（1）收縮的概念 收縮是指合金從

4、液態(tài)冷卻至常溫的過(guò)程中，體積或尺寸縮小的現(xiàn)象。通常用體收縮率或線收縮率來(lái)表示： 體收縮率%100%10010010ttVVVVV線收縮率%100%10010010ttlllll式中 、 合金在 、 時(shí)的體積（ ）； 、 合金在 、 時(shí)的長(zhǎng)度（ ）； 、 合金在 至 溫度范圍內(nèi)的體收縮系數(shù)和線收縮系數(shù)（ ）0V1V0t1t3m0l1l0t0t1t1tmlVC017合金的收縮經(jīng)歷如下三個(gè)階段： I、液態(tài)收縮 從澆注溫度到凝固開(kāi)始溫度之間的收縮。 T澆 T液III、固態(tài)收縮 從凝固終止溫度到室溫間的收縮。 T固 T室II、凝固收縮 從凝固開(kāi)始到凝固終止溫度間的收縮。 T液 T固T液T固（2）鑄造合金

5、的收縮2022年3月5日星期六21時(shí)09分14秒8合金收縮固態(tài)合金冷卻液態(tài)合金冷卻液態(tài)收縮凝固收縮縮孔:恒溫下結(jié)晶縮松:兩相區(qū)結(jié)晶線收縮裂紋變形應(yīng)力1）、液態(tài)收縮澆tlt 從澆注溫度冷卻至液相線溫度的體收縮為液態(tài)收縮。 %100ttlvv）（澆液液液v的因素： 影響澆注溫度 合金成分 合金成分、溫度、氣體和夾雜物含量 澆tlt液v2022年3月5日星期六21時(shí)09分14秒92）、凝固收縮l對(duì)于純金屬和共晶合金，凝固期間的體收縮只是由于狀態(tài)的改變，而與溫度無(wú)關(guān)，所以具有一定的數(shù)值。l具有一定結(jié)晶溫度范圍的合金由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，由于固態(tài)的原子呈有序排列且比較緊密，伴隨著體積收縮，此外，在凝固過(guò)程

6、中溫度降低，也使體積縮小。因此，合金的凝固收縮率既與狀態(tài)改變時(shí)的體積變化有關(guān)，且與結(jié)晶溫度范圍有關(guān)。%100液固液凝VVVV有些合金，在凝固過(guò)程中體積不但不收縮，反而膨脹，如某些Ga合金，BiSb合金內(nèi)，因此，其凝固收縮率 為負(fù)值。此外，鑄鐵在凝固后期由于石墨析出發(fā)生膨脹，使凝固收縮率減小，甚至為負(fù)值。合金凝固過(guò)程中往往因氣體析出而使凝固收縮率減小。影響凝固收縮率的因素較復(fù)雜，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍較大。注 意2022年3月5日星期六21時(shí)09分14秒10%100tt0svv）（固固線收縮率：%100tt0sll）（金屬的線收縮是鑄件產(chǎn)生應(yīng)力、變形和裂紋的基本原因。（冷卻階段的相變也會(huì)引起收縮率的變

7、化）3）、固態(tài)收縮線收縮的開(kāi)始溫度線收縮的開(kāi)始溫度v對(duì)于純金屬和共晶合金的線收縮是在金屬完全凝固后開(kāi)始的。v對(duì)于具有一定結(jié)晶溫度范圍的合金，隨著枝晶數(shù)量增多，彼此相連構(gòu)成連續(xù)的骨架，則開(kāi)始線收縮。2022年3月5日星期六21時(shí)09分14秒11v縮 孔：鑄件在凝固過(guò)程中，由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮，在鑄件最后凝固的部位出現(xiàn)容積大而集中的孔洞集中縮孔v縮 松：鑄件在凝固過(guò)程中，出現(xiàn)細(xì)小而分散的孔洞，稱分散縮孔。對(duì)鑄件的影響： 降低鑄件的氣密性和物理化學(xué)性能。 減小受力的有效面積，應(yīng)力集中-降低機(jī)械性能。發(fā)動(dòng)機(jī)后蓋縮孔TiAl合金支架縮孔2022年3月5日星期六21時(shí)09分14秒12(1) 縮孔形

8、成機(jī)理縮孔縮孔a. 澆注充滿；b. 成殼,緊密接觸。固態(tài)收縮率等于液態(tài)與凝固收縮率之和。c. 脫離。液態(tài)收縮與凝固收縮超過(guò)硬殼的固態(tài)收縮。d. 倒立錐孔和上面凹陷形成。倒形錐孔是由于液態(tài)金屬在重力的作用下補(bǔ)充了下面縮孔。凹面形成是由于外面壓力大于縮孔內(nèi)部的壓力或者殼的強(qiáng)度不夠所造成。2022年3月5日星期六21時(shí)09分15秒13縮孔位置的確定采用等固相線法確定最后凝固區(qū)域，從而確定縮孔的位置。等固相線：對(duì)在恒溫下結(jié)晶或結(jié)晶溫度范圍很小的合金，可將凝固前沿視為固液相的分解線，也是一條等溫線，稱為等固線。等固相線法：就是在鑄件斷面上從冷卻表面開(kāi)始逐層向內(nèi)繪制等固相線，直到最窄斷面上的等固相線接觸為

9、止。(1) 縮孔形成機(jī)理2022年3月5日星期六21時(shí)09分15秒14(2) 縮松形成機(jī)理 宏觀縮松（簡(jiǎn)稱縮松） 微觀縮松（顯微縮松）縮松：分布在鑄件壁的軸線區(qū)域、厚大部位、冒口根部和內(nèi)澆 口附近?？s松分布面廣，難于補(bǔ)縮，是鑄件中最危險(xiǎn)的缺陷之一。 b 縮松度對(duì)試棒抗拉強(qiáng)度的影響 ?？s松度（相對(duì)強(qiáng)度）縮松2022年3月5日星期六21時(shí)09分15秒15(2) 縮松形成機(jī)理v形成原因：和縮孔一樣，液態(tài)收縮和凝固收縮值大于固相收縮。v形成條件：合金的結(jié)晶溫度范圍較寬，或鑄件斷面溫度梯度小-凝固區(qū)域?qū)挘瑑A向于糊狀凝固方式；v顯微縮松產(chǎn)生在晶間和分枝之間，與微觀氣孔很難區(qū)分，且經(jīng)常是同時(shí)發(fā)生的，在顯微鏡

10、下才能觀察到。v位 置：鑄件壁的軸線區(qū)域（軸線縮松）、厚大部位、冒口根部和內(nèi)澆口附近。2022年3月5日星期六21時(shí)09分15秒16 鑄件的縮松表現(xiàn)為分散的孔洞，孔洞的存在使鑄件密度降低，縮松程度可用孔洞度表示為：%100%理論密度試樣密度金屬的理論密度）孔洞度（ 鑄件在凝固過(guò)程中產(chǎn)生收縮是必然的，但產(chǎn)生縮孔還是縮松，主要取決于凝固方式。影響凝固方式主要有兩方面的因素： 合金成分 鑄件內(nèi)溫度梯度 鑄件中形成縮孔或縮松的傾向與合金成分之間有一定的規(guī)律性。當(dāng)合金成分及其澆注溫度確定以后，則縮孔及縮松的總?cè)莘e為一定，即：縮松縮孔縮總VVV(3) 小 結(jié)2022年3月5日星期六21時(shí)09分15秒17排氣管中的縮孔排氣管中的縮孔發(fā)動(dòng)機(jī)后蓋縮孔發(fā)動(dòng)機(jī)后蓋縮孔TiAl合金支架縮孔合金支架縮孔補(bǔ)縮是鑄