鑄造性熱裂傾向及鑄造應(yīng)力和變形

合金在高溫時(shí)產(chǎn)生的裂紋稱為熱裂，而在低溫或常溫時(shí)因鑄造應(yīng)力過大而產(chǎn)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(chǎn)生的鑄造應(yīng)力而導(dǎo)致。不同種類合金其產(chǎn)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(xué)成分的合金在同等鑄造條件下所產(chǎn)生的鑄造應(yīng)力也不同。如相同結(jié)構(gòu)的鑄件比較，鑄鋼件中殘留鑄造應(yīng)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(yīng)力大小與鑄件結(jié)構(gòu)和鑄造條件密切相關(guān)，因而在設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)盡量采用均勻壁厚，并使其在鑄造時(shí)能同時(shí)冷卻，以減少鑄造應(yīng)力。

合金由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)會(huì)吸收氣體，而由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)又會(huì)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(huì)使鑄件的力學(xué)性能，尤其是韌性指標(biāo)下降。

合金吸氣性的強(qiáng)弱主要與合金的化學(xué)成分有關(guān)，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(shí)所受壓力等工藝因素不同而有差異，因而在設(shè)計(jì)對(duì)耐壓抗?jié)B漏有較高要求的鑄件時(shí)應(yīng)慎重選擇合金并確定相應(yīng)的工藝措施。

鑄件凝固后，在截面上各個(gè)部分及晶粒內(nèi)部往往出現(xiàn)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析，可分為晶內(nèi)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(yán)重影響鑄件質(zhì)量，往往使鑄件報(bào)廢。

偏析的產(chǎn)生主要與合金的化學(xué)成分有關(guān)。不同化學(xué)成分的合金其結(jié)晶溫度范圍不同，范圍越寬越容易產(chǎn)生區(qū)域偏析。此外，偏析傾向還與冷卻凝固速度和凝固時(shí)所受壓力等工藝因素有關(guān)。設(shè)計(jì)者在確定鑄件材質(zhì)時(shí)應(yīng)認(rèn)真考慮材質(zhì)的偏析特性，若必須采用易產(chǎn)生偏析的合金時(shí)，則應(yīng)在鑄件斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇鑄造方法時(shí)充分注意，采取措施減少偏析的產(chǎn)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(gè)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(nèi)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(duì)鑄件產(chǎn)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(duì)鑄件的尺寸精度，變形和鑄件殘留應(yīng)力及冷裂紋的形成起主要作用。

不同化學(xué)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(xué)成分有關(guān)外，還主要與鑄件的結(jié)構(gòu)形狀，澆注溫度與澆注速度，冷卻方式等工藝條件有關(guān)。因此，設(shè)計(jì)者在選擇零件的合金時(shí)，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(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)時(shí)，也要避免采用厚大截面，或局部凸厚或熱節(jié)集中的結(jié)構(gòu)，以減少縮孔縮松等鑄造缺陷的產(chǎn)生。

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

液態(tài)金屬充填鑄型的能力。流動(dòng)性越好，越易于得到形狀輪廓清晰、壁薄的鑄件，不易產(chǎn)生冷隔、澆不足等鑄造缺陷，并對(duì)防止其他類缺陷(如：縮孔、夾渣、氣孔等)的產(chǎn)蘭 生也較為有利。在設(shè)計(jì)鑄件的結(jié)構(gòu)形狀和輪廓尺寸時(shí)，尤其在確定鑄件壁厚時(shí)要充分考慮金屬材質(zhì)的流動(dòng)性。

影響流動(dòng)性的主要因素是金屬的結(jié)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(dá)的樹枝狀晶，表現(xiàn)出流動(dòng)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(dòng)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(dá)，流動(dòng)性越差。金屬的化學(xué)成分將影響金屬的結(jié)晶特性和物理性質(zhì)，因而對(duì)流動(dòng)性的影響也很大。此外，流動(dòng)性還與鑄造過程中的其他工藝條件有關(guān)，如澆注溫度和澆注壓力、鑄型的熱導(dǎo)率及鑄件復(fù)雜程度等。在已定金屬成分的情況下，可通過調(diào)整這些工藝條件達(dá)到改善流動(dòng)性的目的。

鑄件隨壁厚不同而引起力學(xué)性能各異的現(xiàn)象，當(dāng)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(dǎo)致不同的力學(xué)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(duì)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(jìn)行鑄件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意合金的這一特點(diǎn)，以減小由此引起的鑄件性能下降 2100433B

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

鑄造合金收縮性機(jī)械應(yīng)力

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

鑄造合金收縮性熱應(yīng)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(shí)期內(nèi)鑄件各部分收縮不一致而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)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(gè)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(zhuǎn)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(dǎo)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(huì)使鑄件產(chǎn)生縮孔、疏松、內(nèi)應(yīng)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(zhì)量。液態(tài)收縮和凝固收縮若得不到補(bǔ)足，會(huì)使鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松缺陷，固態(tài)收縮若受到阻礙會(huì)產(chǎn)生鑄造內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)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(bǔ)足時(shí)，在鑄件的最后凝固處出現(xiàn)的較大的集中孔洞。縮松是分散在鑄件內(nèi)的細(xì)小的縮孔。縮孔和縮松都能使鑄件的力學(xué)性能下降，縮松還能使鑄件在氣密性試驗(yàn)和水壓試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。生產(chǎn)中可通過在鑄件的厚壁處設(shè)置冒口的工藝措施，使縮孔轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)，避免鑄件局部金屬積聚，來預(yù)防縮孔的產(chǎn)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(huì)產(chǎn)生鑄造內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，鑄件便產(chǎn)生變形甚至開裂。鑄造內(nèi)應(yīng)力主要包括收縮時(shí)的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力兩種，機(jī)械應(yīng)力是由鑄型、型芯等外力的阻礙收縮引起的內(nèi)應(yīng)力；熱應(yīng)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(nèi)應(yīng)力。

生產(chǎn)中為減小鑄造內(nèi)應(yīng)力，經(jīng)常從改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)和優(yōu)化鑄造工藝入手，如鑄件的壁厚應(yīng)均勻，或合理地設(shè)置冷鐵等工藝措施，使鑄件各部位冷卻均勻，同時(shí)凝固，從而減小熱應(yīng)力；鑄件的結(jié)構(gòu)盡量簡單、對(duì)稱，這樣可減小金屬的收縮受阻，從而減小機(jī)械應(yīng)力。

影響收縮率的因素分內(nèi)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(duì)收縮率有影響，澆注溫度越高，液態(tài)收縮越大。鑄件結(jié)構(gòu)和鑄型材料對(duì)收縮也有影響，型腔形狀越復(fù)雜、鑄型材料的退讓性越差，對(duì)收縮的阻礙越大。當(dāng)鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，鑄型材料的退讓性不良時(shí)，鑄件會(huì)因收縮受阻而產(chǎn)生鑄造應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂紋。

零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性指的是零件的結(jié)構(gòu)應(yīng)符合鑄造生產(chǎn)的要求，易于保證鑄件品質(zhì)，簡化鑄造工藝過程和降低成本。實(shí)際上，一個(gè)好的鑄造零件是經(jīng)過以下設(shè)計(jì)步驟完成的：①功用設(shè)計(jì)； ②依鑄造經(jīng)驗(yàn)修改和簡化設(shè)計(jì)； ③冶金設(shè)計(jì)(鑄件材質(zhì)的選擇和適用性)；④考慮經(jīng)濟(jì)性 。2100433B