鑄造性壁厚敏感性

鑄件隨壁厚不同而引起力學性能各異的現(xiàn)象，當鑄型和澆注條件確定后鑄件壁厚是影響鑄件冷卻速度的重要因素。由于冷速的不同而得到不同的金屬組織，從而導致不同的力學性能。這是所有鑄造合金的通性，但因合金類別不同，有的合金對壁厚差異特別敏感，有的則敏感性較差。如鑄鐵的壁厚敏感性大于鑄鋼。因而在進行鑄件設計時，應注意合金的這一特點，以減小由此引起的鑄件性能下降 2100433B

合金在高溫時產生的裂紋稱為熱裂，而在低溫或常溫時因鑄造應力過大而產生的裂紋稱為冷裂。熱裂和冷裂均由合金收縮所引起，熱裂是凝固收縮引起，而冷裂主要由固態(tài)收縮產生的鑄造應力而導致。不同種類合金其產生熱裂的傾向不同，如高鉻鉬合金鋼熱裂傾向大，而普通灰鑄鐵幾乎無熱裂傾向。不同化學成分的合金在同等鑄造條件下所產生的鑄造應力也不同。如相同結構的鑄件比較，鑄鋼件中殘留鑄造應力大于球鐵件，后者又大于普通灰鐵件。此外，鑄件的變形及鑄造應力大小與鑄件結構和鑄造條件密切相關，因而在設計鑄件結構時應盡量采用均勻壁厚，并使其在鑄造時能同時冷卻，以減少鑄造應力。

合金由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時會吸收氣體，而由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)時又會析出氣體，此氣體存留在鑄件中將引起氣孔、夾渣等缺陷，氣體元素即使以原子態(tài)存在于鑄件中，也會使鑄件的力學性能，尤其是韌性指標下降。

合金吸氣性的強弱主要與合金的化學成分有關，如鑄鋼比鑄鐵更易吸收氧等。此外，同一種合金其吸氣性還因冷卻速度，凝固時所受壓力等工藝因素不同而有差異，因而在設計對耐壓抗?jié)B漏有較高要求的鑄件時應慎重選擇合金并確定相應的工藝措施。

鑄件凝固后，在截面上各個部分及晶粒內部往往出現(xiàn)化學成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析，可分為晶內偏析、區(qū)域偏析和比重偏析三種類型，后二者為宏觀偏析，使鑄件的各部分性能不一致，嚴重影響鑄件質量，往往使鑄件報廢。

偏析的產生主要與合金的化學成分有關。不同化學成分的合金其結晶溫度范圍不同，范圍越寬越容易產生區(qū)域偏析。此外，偏析傾向還與冷卻凝固速度和凝固時所受壓力等工藝因素有關。設計者在確定鑄件材質時應認真考慮材質的偏析特性，若必須采用易產生偏析的合金時，則應在鑄件斷面結構設計和選擇鑄造方法時充分注意，采取措施減少偏析的產生。

鑄造合金在冷卻凝固過程中體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮。合金從澆注溫度冷卻至常溫的收縮共分為三個階段。由澆注溫度至凝固溫度期間的收縮稱為液態(tài)收縮，凝固溫度范圍內的收縮稱為凝固收縮，從凝固終了溫度冷卻至常溫階段的收縮稱為固態(tài)收縮。液態(tài)和凝固收縮通常以體收縮表示，其收縮值大小對鑄件產生縮孔和縮松起決定性影響，而固態(tài)收縮通常以線收縮表示，又稱為收縮率，它對鑄件的尺寸精度，變形和鑄件殘留應力及冷裂紋的形成起主要作用。

不同化學成分的合金所表現(xiàn)出的收縮傾向不同，如普通碳素鋼的體收縮值為10%～14.5%，線收縮率為2%。而灰鑄鐵的體收縮率為5%～8%，線收縮率約為1%。合金的收縮特性除與化學成分有關外，還主要與鑄件的結構形狀，澆注溫度與澆注速度，冷卻方式等工藝條件有關。因此，設計者在選擇零件的合金時，要充分考慮它的收縮特性，優(yōu)先選用收縮傾向小的合金。在設計鑄件結構時，也要避免采用厚大截面，或局部凸厚或熱節(jié)集中的結構，以減少縮孔縮松等鑄造缺陷的產生。

鑄件的收縮率可根據(jù)合金種類、成分、鑄件結構尺寸等參數(shù)決定。

液態(tài)金屬充填鑄型的能力。流動性越好，越易于得到形狀輪廓清晰、壁薄的鑄件，不易產生冷隔、澆不足等鑄造缺陷，并對防止其他類缺陷(如：縮孔、夾渣、氣孔等)的產蘭 生也較為有利。在設計鑄件的結構形狀和輪廓尺寸時，尤其在確定鑄件壁厚時要充分考慮金屬材質的流動性。

影響流動性的主要因素是金屬的結晶特性(凝固溫度范圍、初晶形狀)，通常金屬的凝固溫度范圍越大，初晶越易為發(fā)達的樹枝狀晶，表現(xiàn)出流動性差，反之則較好。例如：在相同鑄型及澆注條件下，在皿共晶鑄鐵中，共晶成分鑄鐵流動性最好，而碳含量越低者凝固溫度范圍越寬，初生奧氏體枝晶發(fā)達，流動性越差。金屬的化學成分將影響金屬的結晶特性和物理性質，因而對流動性的影響也很大。此外，流動性還與鑄造過程中的其他工藝條件有關，如澆注溫度和澆注壓力、鑄型的熱導率及鑄件復雜程度等。在已定金屬成分的情況下，可通過調整這些工藝條件達到改善流動性的目的。

鑄件在凝固后繼續(xù)冷卻至室溫產生固態(tài)收縮，當收縮受到阻礙而產生的內應力稱為鑄造應力。它是鑄件產生變形和裂紋等缺陷的主要原因，鑄造應力可分為機械應力和熱應力兩種。

鑄造合金收縮性機械應力

鑄件在固態(tài)收縮時，受到鑄型或型芯等的機械阻礙而產生的內應力稱為機械應力， 也稱收縮應力，如圖《機械應力》所示。機械應力是暫時的，鑄件從鑄型中取出之后便可自行消除。但在鑄型中機械應力與熱應力同時作用，應力瞬間超過鑄件的強度極限時，鑄件將產生裂紋。在工藝上增加鑄型的退讓性可堿小鑄件的機械應力。

鑄造合金收縮性熱應力

由于鑄件壁厚不均勻，造成各部分冷卻速度不同，在同一時期內鑄件各部分收縮不一致而產生的應力稱為熱應力。 2100433B

鑄造合金從液態(tài)凝同和冷卻至室溫過程中，其體積和尺寸減少的現(xiàn)象稱為收縮性。包括液態(tài)收縮、凝固收縮、固態(tài)收縮三個階段。液態(tài)收縮是金屬液由于溫度的降低而發(fā)生的體積縮減。凝固收縮是金屬液凝固（液態(tài)轉變?yōu)橥瑧B(tài)）階段的體積縮減。液態(tài)收縮和凝固收縮表現(xiàn)為合金體積的縮減，通常稱為“體收縮”。固態(tài)收縮是金屬在固態(tài)下由于溫度的降低而發(fā)生的體積縮減，固態(tài)收縮雖然也導致體積的縮減，但通常用鑄件的尺寸縮減量來表示，故稱為“線收縮”。

鑄件收縮不僅影響尺寸，還會使鑄件產生縮孔、疏松、內應力、變形和開裂等缺陷，故鑄造用材料的收縮率越小越好。收縮直接影響鑄件的質量。液態(tài)收縮和凝固收縮若得不到補足，會使鑄件產生縮孔和縮松缺陷，固態(tài)收縮若受到阻礙會產生鑄造內應力，導致鑄件變形開裂。

1、縮孔和縮松

縮孔是由于金屬的液態(tài)收縮和凝固收縮部分得不到補足時，在鑄件的最后凝固處出現(xiàn)的較大的集中孔洞?？s松是分散在鑄件內的細小的縮孔?？s孔和縮松都能使鑄件的力學性能下降，縮松還能使鑄件在氣密性試驗和水壓試驗時出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。生產中可通過在鑄件的厚壁處設置冒口的工藝措施，使縮孔轉移至最后凝固的冒口處，從而獲得完整的鑄件。冒口是多余部分，切除后便獲得完整、致密的鑄件；也可以通過合理地設計鑄件結構，避免鑄件局部金屬積聚，來預防縮孔的產生。

2、變形與開裂

鑄件在凝固后繼續(xù)冷卻過程中，若固態(tài)收縮受到阻礙就會產生鑄造內應力，當內應力達到一定數(shù)值時，鑄件便產生變形甚至開裂。鑄造內應力主要包括收縮時的機械應力和熱應力兩種，機械應力是由鑄型、型芯等外力的阻礙收縮引起的內應力；熱應力是鑄件在冷卻和凝固過程中，由于不同部位的不均衡收縮引起的內應力。

生產中為減小鑄造內應力，經常從改進鑄件結構和優(yōu)化鑄造工藝入手，如鑄件的壁厚應均勻，或合理地設置冷鐵等工藝措施，使鑄件各部位冷卻均勻，同時凝固，從而減小熱應力；鑄件的結構盡量簡單、對稱，這樣可減小金屬的收縮受阻，從而減小機械應力。

影響收縮率的因素分內部和外部條件。

（1）合金的種類和成分

合金的種類和成分不同，其收縮率不同，鐵碳合金中灰鑄鐵的收縮率小，鑄鋼的收縮率大。圖3為常用鑄造合金的線收縮率。

（2）工藝條件

金屬的澆注溫度對收縮率有影響，澆注溫度越高，液態(tài)收縮越大。鑄件結構和鑄型材料對收縮也有影響，型腔形狀越復雜、鑄型材料的退讓性越差，對收縮的阻礙越大。當鑄件結構設計不合理，鑄型材料的退讓性不良時，鑄件會因收縮受阻而產生鑄造應力，容易產生裂紋。

零件結構的鑄造工藝性指的是零件的結構應符合鑄造生產的要求，易于保證鑄件品質，簡化鑄造工藝過程和降低成本。實際上，一個好的鑄造零件是經過以下設計步驟完成的：①功用設計； ②依鑄造經驗修改和簡化設計； ③冶金設計(鑄件材質的選擇和適用性)；④考慮經濟性 。2100433B