铸件中的缩孔与缩松——形成过程及原因、危害、对策 缩孔和缩松定义----铸件冷凝时，如果合金的液态收缩和凝固收缩得不到液态合金的补充，就会在最后凝固的部位形成孔洞。容积大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。 危害----缩孔和缩松会减小铸件的有效承载面积，并在该处造成应力集中，从而降低力学性能。对于要求气密性的零件，缩孔、缩松还会造成渗漏而严重影响其气密性。所以，缩孔和缩松是很大的铸造缺陷之一。 （1）缩孔和缩松的形成 ①缩孔的形成过程 将液态合金浇入圆柱形型腔中，由于铸型的冷却作用，液态合 金的温度逐渐下降，其液态收缩 不断进行，但是当内浇口未凝固时，型腔总是充满的(见图B-3(a))；随着温度的下降，首先铸件表面凝固成一层硬壳， 同时内浇口封闭(见图B-3(b ))；进一步冷却时，硬壳内的液态金属继续液态收缩，并对形成硬壳时的凝固收缩进行补 充，由于液态收缩和凝固收缩远大于硬壳的固态收缩，故液面下降并与壳顶脱离(见图B-3(c ))；依此进行下去，硬壳不 断加厚，液面不断下降，待金属全部凝固后，在铸件上部就形成 一个倒锥形的缩孔(见图B-3(d))；在铸件继续冷却至室 温时，其体积有所缩小，使缩孔体积也略有减小(见图B-3(e))。如果在铸件顶部设置冒口，则缩孔将移到冒口中。 图B-3 缩孔形成过程示意图 ②缩孔出现的部位 一般出现在铸件最后凝固的区域，如铸件的上部或中心处、铸件上壁厚较大及内浇口附近等。 图B-4 缩孔出现部位 ③缩松的形成 是由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足；或者因合金呈糊状凝固，被树枝状晶体分隔开的液体小区得不到补缩所致。 缩松分为宏观缩松和显微缩松两种。宏观缩松是用肉眼或放大镜可以看见的小孔洞，多分布在铸件中心轴线处或缩孔下方(图B-4)。显微缩松是分布在晶粒之间的微小孔洞，要用显 微镜才能看见。这种缩松分布更为广泛，有时遍及整个截面。显微缩松难以完全避免，对于一般铸件多不作为缺陷对待；但对气密性、力学性能、物理性能或化学性能要求很高的铸件，则必须设法减少。 不同的铸造合金形成缩孔和缩松的倾向不同。逐层凝固合金(纯金属、共晶合金或 窄结晶温 度 范围合金)的缩孔倾向大，缩松倾向小；糊状凝固的合金缩孔倾向虽小， 但极易产生 缩松。由于采用一些工艺措施可以控制铸件的凝固方式，因此，缩孔和缩 松可在一定范围内互相转化。 (2)缩孔和缩松的防止 ①实现“顺序凝固” 为了防止缩孔、缩松的产生，应使铸件按“顺序凝固”的原则进行凝固。 “顺序凝固”原则是指利用各种工艺措施，使铸件从远离冒口的部分到冒口之间建立一个递增的温度梯度，凝固从远离冒口的部分开始，逐渐向冒口方向顺序进行，最后 是冒口本身凝固。这样就能实现良好的补缩，使缩孔 移至冒口，从而获得致密的铸件。 为此应将冒口安放在铸件最厚和最高处，其尺寸要足够大。有条件时，应将内浇道开设在冒口上，使充型的炽热金 属液首先流经冒口。与此同时可在铸件一些局部厚大的部位上安放冷铁 ，加快该处的冷却，以便充分发挥冒口的补缩作用。 顺序凝固的缺点是铸件各部分温差较大，引起的热应力较大，铸件易变形、开裂。另外，因 为设置冒口，增加了金属的消耗和清理费用。顺序凝固一般用于收缩率大、凝固温度范围窄的合金(如铸钢、可锻铸铁、黄铜等)，以及壁厚差别大、对气密性要求高的铸件。 图B-6 冷铁的作用 ②加压补缩 即将铸型置于压力室中，浇注后，迅速关闭压力室，使铸件在压力下凝固，可以消除缩松或缩孔。此法又称为“压力釜铸造”。 ③用浸渗技术防止铸件因缩孔、缩松而发生的渗漏 即将呈胶状的浸渗剂渗入铸件的孔隙，然后使浸渗剂硬化并与铸件孔隙内壁联成一体，从而达到堵漏的目的。 (3)缩孔和缩松位置的确定 为了防止缩孔和缩松的产生，必须在制定铸造工艺方案时正确判断它们在铸件中的位置，以便采取必要的工艺措施。确定缩孔和缩松位置一般采用等温线法或内接圆法。 ①等温线法 此法是根据铸件各部分的散热情况，把同时到达凝固温度的各点连接成等温线 ，逐层向内绘制，直到最窄的截面上的等温线相互接触为止。这样，就可以确定铸件最后凝固的部位，即缩孔和缩松的位置。图B-7(a)所示为用等温线法确定的缩孔位置，图B-7( b)所示为铸件上缩孔的实际位置，两者基本上是一致的。 图B-7 等温线法 ②内接圆法 此法常用来确定铸件上相交壁处的缩孔位置，如图B-8(a)所示。在内接圆直 径最大的部分(称为“热节”)，有较多的金属积聚，往往最后凝固，容易产生缩孔和缩松(图B-8(b))。 图B-8 内接圆法 ● 合金的凝固与收缩——铸造应力、变形和裂纹 铸造应力、变形和裂纹——形成过程及原因、危害、对策 （1）铸造内应力的分类及形成 定义----铸件的固态收缩受到阻碍而引起的应力，称为铸造应力。 铸造应力可分为三种。 ① 机械应力 这种应力是由于铸件的收缩受到机械阻碍而产生的，是暂时性的。 只要机械阻碍一消除，应力也随之消失。形成机械阻碍的原因是：型(芯)砂的高温强度 高，退让性差； 砂箱箱带、芯骨的阻碍等。图1-12是套筒收缩受阻的情况，经落砂、清理 后，应力即可消除。 ② 热应力 由于铸件各部分冷却速度不同，以致在同一时期内收缩不一致，而且 各部分之间 存在约束作用，从而产生的内应力，称为热应力。铸件冷却至室温后，这种热 应力依然存在 ，故又称为残余应力。 ③ 相变应力 合金在弹性状态下发生相变会引起体积变化。若铸件各部分冷却速度不同，相变 不同时进行，则由此而产生的应力称为相变应力。 纳米硬盘 铸造应力是热应力、机械应力和相变应力三者的代数和。根据情况不同，三种应力有时相互叠加，有时相互抵消。 铸造应力的存在会带来一系列不良影响，诸如使铸件产生变形、裂纹 ，降低承载能力，影响加工精度等。 （2）减小和消除铸造应力的途径 ①工艺方面 a.使铸件按“同时凝固”原则进行凝固(如图1-14所示)。为此，应将内浇道开设在薄壁处，在厚壁部位安放冷铁，使铸件各部分温差很小，同时进行凝固，由此热应力 可减小到最低限度。应该注意的是，此时铸件中心区域往往出现缩松，组织不够致密。 b.提高铸型和型芯的退让性，及早落砂、打箱以消除机械阻碍，将铸件放入保温坑中缓冷，都可减小铸造应力。 ②结构设计方面 应尽量做到结构简单，壁厚均匀，薄、厚壁之间逐渐过渡，以减小各部分的温差，并使各部分能比较自由地进行收缩。 ③铸件产生热应力后，可用自然时效、人工时效等方法消除。 | |
图B-9 铸件的同时凝固 (3) 变形和裂纹 ① 变形 有带铸造应力的铸件处于不稳定状态，会自发地通过变形使应力减小而趋于稳定状态。显然 ，只有受弹性拉伸的部 分缩短，受弹性压缩的部分伸长，铸件中的应力才有可能减小或消除 。 图B-10 热应力引起变形的示意图 T形铸件产生变形的方向如图B-10(a)虚线所示。这是因为T形铸件冷却后，厚壁受拉，薄壁受压，相当于两根不同长度的弹簧(图B-10(b)),将上面的短弹簧拉长，下面的长弹簧压短，以维持同样长度(图B-10(c))。但这样的组合弹簧系统是不稳定的，力图恢复到原来的平衡状态，即上面的弹簧要缩短，下面的弹簧要伸长，于是就出现了与上述情形相似的弯曲变形(图B-10(d))。 危害、对策 防止铸件变形的根本措施是减少铸造内应力，例如：设计时，铸件壁厚力求均匀；制定铸造工艺时，尽量使铸件各部分同时冷却，增加型(芯)砂的退让性等。 在制造模样时，可以采用反变形法，即预先将模样做成与铸件变形相反的形状，以补偿铸件的变形。图 所的机床床身，由于导轨较厚，侧壁较薄，铸造后产生挠曲变形。若将模样做出用双点划线表示的反挠度，铸造后会使导轨变得平直。 应当指出，铸件变形后，往往只能减小而不能彻底消除铸造应力。机械加工后，零件内的应力失去平衡而引起再次 变形，会使加工精度受到影响。因此，对于重要的铸件，机械加工之前应进行去应力退火。 图B-11 机床床身的挠曲变形和反挠度 ② 裂纹 当铸造应力超过当时材料的强度极限时，铸件会产生裂纹。 裂纹可分为热裂和冷裂两种。 热裂——是在高温下形成的，是铸钢件、可锻铸铁坯件和某些轻合金铸件生产中最常见的铸造缺 陷之一。其特征是：裂纹形状曲折而不规则，裂口表面呈氧化(铸钢件裂口表面近似黑 ，而铝合金则呈暗灰)，裂纹沿晶粒边界通过。 热裂纹常出现于铸件内部最后凝固的部位 或铸件表面易产生应力集中的地方。 冷裂——是在低温下形成的。塑性差、脆性大、热导率小的合金，如白口铸铁、高碳钢和一些合 金钢易产生冷裂。其特征是：裂纹形状为连续直线状或圆滑曲线状，常常是通过晶粒的。裂 口表面干净，有金属的光泽或呈轻微的氧化。 冷裂常出现在铸件受拉伸的部位，特别是应 力集中的部位，如内尖角处、缩孔和非金属夹杂物附近。 危害、对策 凡是减小铸造应力或降低合金脆性的因素(如减少钢铁中有害元素硫、磷的含量等)均对防止 裂纹有积极影响。 | 
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