合金的凝固收缩

钢的凝固收缩系数

1、钢凝固收缩过程的三个阶段：液态收缩、凝固收缩和固态收缩

钢的总体收缩为上述三个阶段收缩之和。它与合金的成分、温度和相变有关。不同合金收缩率是不同的。

2、影响收缩的因素

（1）化学成分

碳素钢随含碳量增加，凝固收缩增加，而固态收缩略。灰铸铁中，碳是形成石墨化元素，硅是促进石墨化元素，所以碳硅含量增加，收缩率减小。硫阻碍石墨的析出，使铸铁的收缩率增大。适量的锰，可与硫合成MnS，抵硫对石墨的阻碍作用，使收缩率减小。但含锰量过高，铸铁的收缩率又有增加。

（2）浇注温度

浇注温度愈高，过热度愈大，合金的液态收缩增加。

（3）铸件结构

铸型中的铸件冷却时，因形状和尺寸不同，各部分的冷却速度不同，结果对铸件收缩产生阻碍。

（4）铸型和型芯对铸件的收缩也产生机械阻力

铸件的实际线收缩率比自由线收缩率小。因此设计模具时，应根据合金的种类、铸件的形状、尺寸等因素，选取适合的收缩率。

3、钢水凝固过程中的收缩：

钢水由液态转变为固态，随着温度下降，收缩可分为：

(1)液态收缩：由浇注温度降到液相线温度的收缩。对于低碳钢一般为1％；

(2)凝固收缩：液体完全变为固体的体积收缩。对于钢一般为3～4％。体积收缩会在钢锭中留下缩孔。

(3)固态收缩：从固相线温度冷却到室温的收缩。一般为7～8％。固态收缩表现为整个钢锭的线收缩，它与钢冷却过程的相变有关。对钢锭产生裂纹有重要影响。

液体钢密度为7.0g/cm3，固体钢密度为7.8g/cm3，则液体变为固体收缩量为：((7.8-7.0)/7.0)×100％=11.4％，其中液态收缩量约1％,凝固收缩3～6％，固态收缩7～8％。凝固时3～4％的体积收缩在钢锭中会留下缩孔，采用保护帽使缩孔集中在钢锭头部。而连铸时钢水不断补充到液相，故连铸坯中无集中缩孔。而带液芯的铸坯继续凝固时的线收缩对铸坯质量和生产安全性有重要影响。因此结晶器应保持一定的倒锥度，二次冷却区支承辊的辊缝从上到下应符合铸坯线收缩的规律。也就是说带液芯的铸坯在许多对辊子所构成的内外弧包络面空间运行．辊间的开口度应随铸坯冷却过程的线收缩而减小。如带直立段的立弯式板坯连铸机，在二次冷却区布置有99对辊子，要使辊子开口度从上到下呈连续递减，这在机械结构上是有困难的。因此，把辊间距开口度设定呈阶梯形收缩。如厚250mm板坯，结晶器上口窄面厚度为258mm，下口厚为257mm，出结晶器后分成10个阶梯减到第99对辊间距为253mm。

关于铜合金的凝固技术

初见，发现生活之美 /

1、前言

铜是与人类关系非常密切的有色金属，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。铜在电气、电子工业中应用最广、用量最大，占总消费量一半以上。用于各种电缆和导线，电机和变压器的绕阻，开关以及印刷线路板等；在机械和运输车辆制造中，用于制造工业阀门和配件、仪表、滑动轴承、模具、热交换器和泵等；在化学工业中广泛应用于制造真空器、蒸馏锅、酿造锅等；在国防工业中用以制造子弹、炮弹、枪炮零件等，每生产100万发子弹，需用铜13--14吨；在建筑工业中，用做各种管道、管道配件、装饰器件等。铜的这种广泛应用使得研究开发高性能的铜合金来满足日益发展的要求显得很有必要。

随着研究的进展，制备高性能铜合金的工艺方法越来越多，并向实用化工业化生产进行，总的来说有合金化法、复合材料法。合金化法就是传统的固溶强化和析出强化，这种方法虽然在一定程度上提高了铜合金的强度，最高抗拉强度可以达到650Mpa，但由于固溶于铜基体中的原子引起铜原子点阵畸变对电子的散射作用增强，使铜合金电阻增大，因而降低了 Cu合金的导电性。复合材料法包括粉末冶金法、塑性变形法、定向凝固法等。其中有一些方法还只是停留在实验室阶段，离投入生产有一段距离。虽然一些新工艺也在高性能铜合金的生产制备方面有所突破，如70年代就有美国SCM公司生产氧化物弥散强化铜合金，确立了此种合金的地位，而且粉末冶金技术也越来越多的应用到制备高性能的铜合金，但一种新的方法由研究到使用毕竟有一段很长的路要走，而以传统的熔炼和铸造技术在制备生产铜合金方面还是占有很大的地位，问题是如何改进这些工艺发展适合我国资源国情和市场需求的铜及合金产品。尤其是随着电子工业的急速发展，带来了工程中各种机械向着小型化发展的倾向，因而也就强烈的需要我们去开发新的铸造方法以生产那些没有铸造缺陷的优质材料。

铸件的凝固与收缩

1．铸件的凝固方式

铸件凝固过程中，在其断面上存在三个区域，即已凝固的固相区、液固两相并存的凝固区和

未开始凝固的液相区。其中凝固区的宽窄对铸件质量影响较大，其宽窄决定着铸件的凝固方

式。

（1）逐层凝固

纯金属或共晶成分的合金，凝固时铸件的断面上不存在液、固两相并存的凝固区，已凝固层与未凝固的液相区之间界限清晰，随着温度的下降，已凝固层不断加厚，液相区逐渐减小，

一直到铸件完全凝固，这种凝固方式称为逐层凝固。

（2）糊状凝固

如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件断面的温度梯度较小，则在开始凝固的一段时间内，

铸件表面不会形成坚固的已凝固层，而是液、固两相共存区贯穿铸件的整个断面，如图4.4c）。

这种凝固方式先呈糊状，然后整体凝固，故称为糊状凝固。

（3）中间凝固

大多数铸造合金的凝固方式介于逐层凝固和糊状凝固之间，即在凝固过程中，铸件断面上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区，称为中间凝固方式。

铸件采取何种凝固方式主要取决于该合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度。

（1）铸造合金的结晶温度范围

合金的结晶温度范围愈窄，铸件的凝固区域就愈窄，愈倾向于逐层凝固。如砂型铸造时，低

碳钢的凝固为逐层凝固，而高碳钢的结晶温度范围较宽成为糊状凝固。

（2）铸件的温度梯度

铸造合金的成分一定时，铸件凝固区域的宽窄就取决于其断面的温度梯度，如图3.5所示，随温度梯度由小变大，则相应的凝固区会由宽变窄。

铸件的温度梯度主要取决于：

1）铸造合金的性质。如铸造合金的导热性愈好、结晶潜热愈大，则铸件均匀温度的能力愈

强，温度梯度就愈小。

2）铸型的蓄热能力和导热性愈好，对铸件的激冷能力愈强，使铸件的温度梯度愈大。

3）提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从而降低铸件的温度梯度。总之，合金的结晶温范围愈小，铸件断面的温度梯度愈大，铸件愈倾向于逐层凝固方式，也

愈容易铸造；所以铸造倾向于糊状凝固的合金铸件时，如锡青铜和球墨铸铁等，应采用适当

的工艺措施，减小其凝固区。

职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库

铸钢件生产技术课程

补缩原理

制作人：陈小红

浙江机电职业技术学院

职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库

1 铸钢件生产技术课程 补缩原理

一、铸件的收缩 1.铸件收缩分类 合金在从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩小的现象称为收缩。液态合金由许多原子团和空穴组成，其原子间距比固态要大得多。随着温度的下降，原子间距离缩短，空穴数量减少。当液态合金转变为固态合金时，空穴消失，原子间距离继续减小，这些因素都使合金产生收缩。收缩是铸件的应力及缩孔、缩松、热裂、冷裂和变形等缺陷产生的基本原因。为了获得优质铸件，必须对收缩加以控制。 金属从高温t0冷却到t1时，其体收缩率和线收缩率各为 Ɛ 𝑉=𝑉0−𝑉1𝑉0×100%

=𝛼𝑉（𝑡0−𝑡1）×100% Ɛ 𝑙=𝑙0−𝑙1𝑙0×100%

=𝛼𝑙（𝑡0−𝑡1）×100% 式中 V0、V1——金属在温度t0和t1时的体积； l0、l1——金属在温度t0和t1时的长度； 𝛼𝑉、𝛼𝑙——金属在t0~t1温度范围内的体积收缩系数和线性收缩系数。 合金从浇注温度冷却到常温，都经历液态收缩、凝固收缩、固态收缩三个阶段。 （1）液态收缩阶段 金属在液体状态时的收缩称为液态收缩。此阶段金属完全处于液态，金属体积的减少表现为型腔内液面的降低。 （2）凝固收缩阶段 金属在凝固过程中的收缩称为凝固收缩。对于一定温度下结晶的纯金属和共晶成分的合金，凝固收缩只是合金的状态改变，于温度无关或基本无关；对于具有结晶温度间隔的合金，凝固收缩不仅与状态改变有关，且随结晶温度间隔的增大而增大。 液态收缩和凝固收缩的外部表现皆为体积减小，一般表现为液面降低，因此称为体积收缩。合金的收缩量通常用体收缩率收缩率来表示。两类收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。 职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库