合金鑄造性能概念：鑄造性能是指合金鑄造成形，獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。

合金鑄造性能指標(biāo)：充型能力（流動性）、收縮性、氧化性、偏析和吸氣性等。

合金鑄造性能的好壞，對鑄造工藝過程、鑄件質(zhì)量以及鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計都有顯著的影響。因此，在選擇鑄造零件的材料時，應(yīng)在保證使用性能的前提下，盡可能選用鑄造性能良好的材料。但是，實際生產(chǎn)中為了保證使用性能，常常要使用一些鑄造性能差的合金。此時，則應(yīng)更加注意鑄件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并提供適當(dāng)?shù)蔫T造工藝條件，以獲得質(zhì)量良好的鑄件。因此，充分認(rèn)識合金的鑄造性能是十分必要的。

合金的鑄造性能—合金的充型能力
01合金的充型能力定義

定義——液態(tài)合金充滿鑄型，獲得尺寸正確、輪廓清晰的鑄件的能力，稱為液態(tài)合金的充型能力。

液態(tài)合金充型過程是鑄件形成的***個階段。其間存在著液態(tài)合金的流動及其與鑄型之間的熱交換等一系列物理、化學(xué)變化，并伴隨著合金的結(jié)晶現(xiàn)象。因此，充型能力不僅取決于合金本身的流動能力，而且受外界條件，如鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素的影響。

02對鑄件質(zhì)量的影響

對鑄件質(zhì)量的影響--液態(tài)合金的充型能力強，則容易獲得薄壁而復(fù)雜的鑄件，不易出現(xiàn)輪廓不清、澆不足、冷隔等缺陷；有利于金屬液中氣體和非金屬夾雜物的上浮、排出，減小氣孔、夾渣等缺陷；能夠提高補縮能力，減小產(chǎn)生縮孔、縮松的傾向性。

03影響合金充型能力的因素及工藝對策

(1)合金的流動性

定義--流動性是指液態(tài)合金的流動能力。它屬于合金的固有性質(zhì)，取決于合金的種類、結(jié)晶特點和其他物理性質(zhì)(如粘度越小，熱容量越大；導(dǎo)熱率越小，結(jié)晶潛熱越大；表面張力越小，則流動性越好)。

測定方法--為了比較不同合金的流動性，常用澆注標(biāo)準(zhǔn)螺旋線試樣的方法進(jìn)行測定。在相同的鑄型(一般采用砂型)和澆注條件(如相同的澆注溫度或相同的過熱溫度)下獲得的流動性試樣長度，即可代表被測合金的流動性。常用鑄造合金中灰鑄鐵、硅黃銅流動性***好，鑄鋼***差。對于同一種合金，也可以用流動性試樣來考察各種鑄造工藝因素的變動對其充型能力的影響。所得的流動性試樣長度是液態(tài)金屬從澆注開始至停止流動時的時間與流動速度的乘積。所以凡是對以上兩個因子有影響的因素都將對流動性(或充型能力)產(chǎn)生影響。

合金的化學(xué)成分決定了它的結(jié)晶特點，而結(jié)晶特點對流動性的影響處于支配地位。具有共晶成分的合金(如碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%的鐵碳合金等)是在恒溫下凝固的，凝固層的內(nèi)表面比較光滑，對后續(xù)金屬液的流動阻力較小，加之共晶成分合金的凝固溫度較低，容易獲得較大的過熱度，故流動性好；除共晶合金和純金屬以外，其他成分合金的凝固是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，鑄件截面中存在液、固并存的兩相區(qū)，先產(chǎn)生的樹枝狀晶體對后續(xù)金屬液的流動阻力較大，故流動性有所下降。合金成分越偏離共晶成分，其凝固溫度范圍越大，則流動性也越差。因此，多用接近共晶成分的合金作為鑄造材料，其原因就在于此。

(2)鑄型性質(zhì)

①鑄型的蓄熱系數(shù)它表示鑄型從其中的金屬液吸取并存儲熱量的能力。鑄型材料的導(dǎo)熱率、比熱容和密度越大，其蓄熱能力越強，對金屬液的激冷能越力就強，金屬液保持流動的時間就越短，充型能力就越差。例如，金屬型鑄造比砂型鑄造更容易產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷。

②鑄型溫度預(yù)熱鑄型能減小它與金屬液之間的溫差，降低換熱強度，從而提高金屬液的充型能力。例如，在金屬型鑄造鋁合金鑄件時，將鑄型溫度由340℃提高到520℃，在相同的澆注溫度(760℃)下，螺旋線試樣長度由525mm增至950mm。因此，預(yù)熱鑄型是金屬型鑄造中必須采取的工藝措施之一。

③鑄型中的氣體鑄型具有一定的發(fā)氣能力，能在金屬液與鑄型之間形成氣膜，可減小流動阻力，有利于充型。但若發(fā)氣量過大，鑄型排氣不暢，在型腔內(nèi)產(chǎn)生氣體的反壓力，則會阻礙金屬液的流動。因此，為提高型(芯)砂的透氣性，在鑄型上開設(shè)通氣孔是十分必要且經(jīng)常應(yīng)用的工藝措施。

(3)澆注條件

①澆注溫度

澆注溫度對金屬液的充型能力有決定性的影響。澆注溫度提高，使合金粘度下降，且保持流動的時間增長，故充型能力增強；反之，充型能力就會下降。對于薄壁鑄件或流動性差的合金，利用提高澆注溫度以改善充型能力的措施，在生產(chǎn)中經(jīng)常采用也比較方便。但是，隨著澆注溫度的提高，合金的吸氣、氧化現(xiàn)象嚴(yán)重，總收縮量增加，反而易產(chǎn)生氣孔、縮孔、粘砂等缺陷，鑄件結(jié)晶組織也變得粗大。因此，原則上說，在保證足夠流動性的前提下，應(yīng)盡可能降低澆注溫度。

②充型壓力

金屬液在流動方向上所受的壓力越大，則流速越大，充型能力就越好。因此，常采用增加直澆道的高度或人工加壓的方法(如：壓力鑄造、低壓鑄造等)來提高液態(tài)合金的充型能力。

(4)鑄件結(jié)構(gòu)

當(dāng)鑄件的壁厚過小、壁厚急劇變化或有較大的水平面等結(jié)構(gòu)時，會使合金液充型困難。因此，設(shè)計鑄件結(jié)構(gòu)時，鑄件的壁厚必須大于***小允許值；有的鑄件則需要設(shè)計流動通道；在大平面上設(shè)置筋條。這不僅有利于合金液的順利充型，亦可防止夾砂缺陷的產(chǎn)生。

合金的鑄造性能—合金的偏析

偏析——在鑄件中出現(xiàn)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。偏析使鑄件的性能不均勻，嚴(yán)重時會造成廢品。

偏析可分為兩大類：微觀偏析和宏觀偏析。

晶內(nèi)偏析(又稱枝晶偏析)——是指晶粒內(nèi)各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，是微觀偏析的一種。凡形成固溶體的合金在結(jié)晶過程中，只有在非常緩慢的冷卻條件下，使原子充分?jǐn)U散，才能獲得化學(xué)成分均勻的晶粒。在實際鑄造條件下，合金的凝固速度較快，原子來不及充分?jǐn)U散，這樣按樹枝狀方式長大的晶粒內(nèi)部，其化學(xué)成分必然不均勻。為消除晶內(nèi)偏析，可把鑄件重新加熱到高溫，并經(jīng)長時間保溫，使原子充分?jǐn)U散。這種熱處理方法稱為擴散退火。

密度偏析(舊稱比重偏析)——是指鑄件上、下部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，是宏觀偏析的一種。當(dāng)組成合金元素的密度相差懸殊時，待鑄件完全凝固后，密度小的元素大都集中在上部，密度大的元素則較多地集中在下部。為防止密度偏析，在澆注時應(yīng)充分?jǐn)嚢杌蚣铀俳饘僖豪鋮s，使不同密度的元素來不及分離。

宏觀偏析有很多種，除密度偏析之外，還有正偏析、逆偏析、V形偏析和帶狀偏析等。

合金的鑄造性能—合金的吸氣性

合金的吸氣性——合金在熔煉和澆注時吸收氣體的性質(zhì)。

合金的吸氣性隨溫度升高而加大。氣體在合金液中的溶解度較在固體中大得多。合金的過熱度越高，氣體的含量越高。氣體在鑄件中的存在有三種形態(tài)：固溶體、化合物和氣孔。

(1)鑄件中的氣孔

按照合金中的氣體來源，可將氣孔分為以下三類。

①析出性氣孔

溶解于合金液中的氣體在冷凝過程中，因氣體溶解度下降而析出，來不及排除，鑄件因此而形成的氣孔，稱為析出性氣孔。

析出性氣孔在鋁合金中***為常見，其直徑多小于1mm。它不僅影響合金的力學(xué)性能，而且嚴(yán)重影響鑄件的氣密性。

②侵入性氣孔

侵入性氣孔是砂型表面層聚集的氣體侵入合金液中而形成的氣孔。

③反應(yīng)性氣孔

澆入鑄型中的合金液與鑄型材料、芯撐、冷鐵所含水分、銹蝕等或熔渣之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生氣體，從而使鑄件內(nèi)形成的氣孔，稱為反應(yīng)性氣孔。

反應(yīng)性氣孔種類甚多，形狀各異。如合金液與砂型界面因化學(xué)反應(yīng)生成的氣孔，多分布在鑄件表層下1～2mm處，表面經(jīng)過加工或清理后，就暴露出許多小孔，所以稱皮下氣孔。

氣孔破壞合金的連續(xù)性，減少承載的有效面積，并在氣孔附近引起應(yīng)力集中，因而降低了鑄件的力學(xué)性能，特別是沖擊韌度和疲勞強度顯著降低。成彌散狀的氣孔還可促使顯微縮松的形成，降低鑄件的氣密性。

(2)預(yù)防氣孔的措施

①降低型砂(芯砂)的發(fā)氣量，增加鑄型的排氣能力。

②控制合金液的溫度，減少不必要的過熱度，減少合金液的原始含氣量。

③加壓冷凝，防止氣體析出。因為壓力的改變直接影響到氣體的析出。例如液態(tài)鋁合金放在405～608kPa(4～6個大氣壓)的壓力室內(nèi)結(jié)晶，就可以得到無氣孔的鑄件。

④熔煉和澆注時，設(shè)法減少合金液與氣體接觸的機會。如在合金液表面加覆蓋劑保護(hù)或采用真空熔煉技術(shù)。

⑤對合金液進(jìn)行去氣處理。如向鋁合金液中通入氯氣，當(dāng)不溶解的氯氣泡上浮時，溶入鋁合金液中的氫原子不斷向氯氣泡中擴散而被帶出合金液。

⑥冷鐵、芯撐等表面不得有銹蝕、油污，并應(yīng)保持干燥等。

合金的鑄造性能—合金的凝固與收縮

01合金的凝固與收縮

（1）凝固與收縮的定義

凝固——物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。

收縮——鑄件在凝固、冷卻過程中所發(fā)生的體積減小的現(xiàn)象。

（2）對鑄件質(zhì)量的影響

澆入鑄型的液態(tài)金屬在冷凝過程中，如果凝固和收縮得不到合理的控制，鑄件內(nèi)部就會出現(xiàn)縮孔、縮松、鑄造應(yīng)力、變形、裂紋等缺陷。

02鑄件的凝固方式及影響因素

（1）鑄件的凝固方式

在凝固過程中，鑄件斷面上一般存在三個區(qū)域，即固相區(qū)、凝固區(qū)和液相區(qū)。其中，對鑄件質(zhì)量影響較大的主要是液相和固相并存的凝固區(qū)的寬窄。鑄件的“凝固方式”依據(jù)凝固區(qū)的寬窄來劃分，有如下三類。

① 逐層凝固

純金屬或共晶成分合金(例如圖1中的a成分)在凝固過程中不存在液、固相并存的凝固區(qū)(圖2鑄件的凝固方式(a))，故斷面上外層的固體和內(nèi)層的液體由一條界線(凝固前沿)清楚地分開。隨著溫度的下降，固體層不斷加厚，液體層不斷減少，凝固前沿不斷向中心推進(jìn)，直至中心。這種凝固方式稱為逐層凝固。

② 糊狀凝固

如果合金的結(jié)晶溫度范圍很寬(例如圖1中的c成分)，且鑄件內(nèi)的溫度 分布曲線(圖1中的t鑄件曲線)較為平坦，則在凝固的某段時間內(nèi)，鑄件表面并不存在固體層，而液、固相并存的凝固區(qū)貫穿整個斷面(圖1(C))。因為這種凝固方式與水泥類似，即先呈糊狀而后固化，故稱為糊狀凝固。

③ 中間凝固

大多數(shù)合金(例如圖1中的b)的凝固方式介于上述兩者之間，稱為中間凝固方式。

鑄件的凝固與鑄造缺陷的關(guān)系：

一般說來，逐層凝固有利于合金的充型及補縮，便于防止縮孔和縮松；糊狀凝固時，難以獲得組織致密的鑄件。

（2）影響鑄件凝固方式的主要因素

① 合金的結(jié)晶溫度范圍

合金的結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固。例如：砂型鑄造時，低碳鋼為逐層凝固；高碳鋼因結(jié)晶溫度范圍甚寬，為糊狀凝固。

② 鑄件斷面的溫度梯度

在合金結(jié)晶溫度范圍已定的前提下，凝固區(qū)域的寬窄取決于鑄件斷面的溫度梯度(見圖2中T1→T2)。若鑄件的度梯度由小變大，則其對應(yīng)的凝固區(qū)由寬變窄。

鑄件的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、導(dǎo)溫系數(shù)越大、結(jié)晶潛熱越大，鑄件內(nèi)部溫度均勻 化能力就越大，溫度梯度就越小(如多數(shù)鋁合金)；
b.鑄型的蓄熱能力 鑄型蓄熱系數(shù)越大，對鑄件的激冷能力就越強，鑄件溫度梯度就越大；c.澆注溫度 澆注溫度越高，因帶入鑄型中熱量增多，鑄件的溫度梯度就越?。?/span>d.鑄件的壁厚 鑄件壁厚越大，溫度梯度就越小。

通過以上討論可以得出：傾向于逐層凝固的合金(如灰鑄鐵、鋁硅合金等)便于鑄造，應(yīng)盡量選用；當(dāng)必須采用傾向于糊狀凝固的合金(如：錫青銅、鋁銅合金、球墨鑄鐵等)時，可考慮采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?例如，選用金屬型鑄造)，以減小其凝固區(qū)域。

03合金的收縮及其影響因素

(1)合金收縮的原理及過程

液態(tài)合金的結(jié)構(gòu)是由原子集團(tuán)和“空穴”組成的。原子集團(tuán)內(nèi)部的原子呈有序排列，但原子間距比固態(tài)時大。將液態(tài)合金澆入鑄型后，溫度不斷下降，空穴減少，原子間距縮短，合金液的體積要減小。合金液凝固時，空穴消失，原子間距進(jìn)一步縮短。凝固后繼續(xù)冷卻至室溫的過程中，原子間距還要縮短。合金由澆注溫度冷卻到室溫的收縮經(jīng)歷了以下三個階段：

①液態(tài)收縮 即從澆注溫度到開始凝固的液相線溫度之間，合金處于液態(tài)下的收縮。它使型腔內(nèi)液面下降。②凝固收縮 即從凝固開始溫度到凝固終了溫度之間，合金處于凝固過程的收縮。在一般情況下，凝固收縮仍主要表現(xiàn)為液面的下降。③固態(tài)收縮 即從凝固終了溫度至室溫之間，合金處于固態(tài)下的收縮。此階段的收縮表現(xiàn) 為鑄件線性尺寸的減小。

合金的液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松的主要原因；而固態(tài)收縮是鑄件產(chǎn)生鑄造應(yīng)力、變形、裂紋的根本原因，并直接影響鑄件的尺寸精度。

(2)影響合金收縮的主要因素

①合金的化學(xué)成分

不同合金的收縮率不同。在常用合金中，鑄鋼的收縮率***大，灰鑄鐵的收縮率***小?；诣T鐵收縮率很小的原因是：由于其中大部分碳是以石墨狀態(tài)存在的，石墨的比容大，在結(jié)晶過程中石墨析出所產(chǎn)生的體積膨脹，抵消了合金的部分收縮。

②澆注溫度

澆注溫度越高，合金的液態(tài)收縮量越大。

③鑄型條件和鑄件結(jié)構(gòu)

鑄件的實際收縮區(qū)別于合金的自由收縮，它會受到鑄型及型芯的阻礙；而且由于鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜及壁厚不均，冷卻時各部分相互牽制也會阻礙收縮。

合金的凝固與收縮—鑄件中的縮孔與縮松

縮孔和縮松定義——鑄件冷凝時，如果合金的液態(tài)收縮和凝固收縮得不到液態(tài)合金的補充，就會在***后凝固的部位形成孔洞。容積大而集中的稱為縮孔，細(xì)小而分散的稱為縮松。

危害——縮孔和縮松會減小鑄件的有效承載面積，并在該處造成應(yīng)力集中，從而降低力學(xué)性能。對于要求氣密性的零件，縮孔、縮松還會造成滲漏而嚴(yán)重影響其氣密性。所以，縮孔和縮松是很大的鑄造缺陷之一。

01縮孔和縮松的形成

①縮孔的形成過程

將液態(tài)合金澆入圓柱形型腔中，由于鑄型的冷卻作用，液態(tài)合金的溫度逐漸下降，其液態(tài)收縮不斷進(jìn)行，但是當(dāng)內(nèi)澆口未凝固時，型腔總是充滿的(見圖3(a))；隨著溫度的下降，首先鑄件表面凝固成一層硬殼，同時內(nèi)澆口封閉(見圖3(b))；進(jìn)一步冷卻時，硬殼內(nèi)的液態(tài)金屬繼續(xù)液態(tài)收縮，并對形成硬殼時的凝固收縮進(jìn)行補充，由于液態(tài)收縮和凝固收縮遠(yuǎn)大于硬殼的固態(tài)收縮，故液面下降并與殼頂脫離(見圖3(c))；依此進(jìn)行下去，硬殼不斷加厚，液面不斷下降，待金屬全部凝固后，在鑄件上部就形成一個倒錐形的縮孔(見圖3(d))；在鑄件繼續(xù)冷卻至室溫時，其體積有所縮小，使縮孔體積也略有減小(見圖3(e))。如果在鑄件頂部設(shè)置冒口，則縮孔將移到冒口中。

②縮孔出現(xiàn)的部位

一般出現(xiàn)在鑄件***后凝固的區(qū)域，如鑄件的上部或中心處、鑄件上壁厚較大及內(nèi)澆口附近等。

③縮松的形成

是由于鑄件***后凝固區(qū)域的收縮未能得到補足；或者因合金呈糊狀凝固，被樹枝狀晶體分隔開的液體小區(qū)得不到補縮所致。

縮松分為宏觀縮松和顯微縮松兩種。宏觀縮松是用肉眼或放大鏡可以看見的小孔洞，多分布在鑄件中心軸線處或縮孔下方(圖4)。顯微縮松是分布在晶粒之間的微小孔洞，要用顯微鏡才能看見。這種縮松分布更為廣泛，有時遍及整個截面。顯微縮松難以完全避免，對于一般鑄件多不作為缺陷對待；但對氣密性、力學(xué)性能、物理性能或化學(xué)性能要求很高的鑄件，則必須設(shè)法減少。

不同的鑄造合金形成縮孔和縮松的傾向不同。逐層凝固合金（純金屬、共晶合金或窄結(jié)晶溫度范圍合金）的縮孔傾向大，縮松傾向??；糊狀凝固的合金縮孔傾向雖小，但極易產(chǎn)生縮松。由于采用一些工藝措施可以控制鑄件的凝固方式，因此，縮孔和縮松可在一定范圍內(nèi)互相轉(zhuǎn)化。

02孔和縮松的防止

①實現(xiàn)“順序凝固”

為了防止縮孔、縮松的產(chǎn)生，應(yīng)使鑄件按“順序凝固”的原則進(jìn)行凝固?！绊樞蚰獭痹瓌t是指利用各種工藝措施，使鑄件從遠(yuǎn)離冒口的部分到冒口之間建立一個遞增的溫度梯度，凝固從遠(yuǎn)離冒口的部分開始，逐漸向冒口方向順序進(jìn)行，***后是冒口本身凝固。這樣就能實現(xiàn)良好的補縮，使縮孔移至冒口，從而獲得致密的鑄件。為此應(yīng)將冒口安放在鑄件***厚和***高處，其尺寸要足夠大。有條件時，應(yīng)將內(nèi)澆道開設(shè)在冒口上，使充型的熾熱金 屬液首先流經(jīng)冒口。與此同時可在鑄件一些局部厚大的部位上安放冷鐵（如圖5），加快該處的冷卻，以便充分發(fā)揮冒口的補縮作用。

　　順序凝固的缺點是鑄件各部分溫差較大，引起的熱應(yīng)力較大，鑄件易變形、開裂。另外，因為設(shè)置冒口，增加了金屬的消耗和清理費用。順序凝固一般用于收縮率大、凝固溫度范圍窄的合金（如鑄鋼、可鍛鑄鐵、黃銅等），以及壁厚差別大、對氣密性要求高的鑄件。

②加壓補縮

即將鑄型置于壓力室中，澆注后，迅速關(guān)閉壓力室，使鑄件在壓力下凝固，可以消除縮松或縮孔。此法又稱為“壓力釜鑄造”。

③用浸滲技術(shù)防止鑄件因縮孔、縮松而發(fā)生的滲漏

即將呈膠狀的浸滲劑滲入鑄件的孔隙，然后使浸滲劑硬化并與鑄件孔隙內(nèi)壁聯(lián)成一體，從而達(dá)到堵漏的目的。

(3)縮孔和縮松位置的確定

為了防止縮孔和縮松的產(chǎn)生，必須在制定鑄造工藝方案時正確判斷它們在鑄件中的位置，以便采取必要的工藝措施。確定縮孔和縮松位置一般采用等溫線法或內(nèi)接圓法。

①等溫線法

此法是根據(jù)鑄件各部分的散熱情況，把同時到達(dá)凝固溫度的各點連接成等溫線，逐層向內(nèi)繪制，直到***窄的截面上的等溫線相互接觸為止。這樣，就可以確定鑄件***后凝固的部位，即縮孔和縮松的位置。圖6(a)所示為用等溫線法確定的縮孔位置，圖6(b)所示為鑄件上縮孔的實際位置，兩者基本上是一致的。

②內(nèi)接圓法

此法常用來確定鑄件上相交壁處的縮孔位置，如圖7(a)所示。在內(nèi)接圓直徑***大的部分(稱為“熱節(jié)”)，有較多的金屬積聚，往往***后凝固，容易產(chǎn)生縮孔和縮松(圖7(b))。

合金的凝固與收縮—鑄造應(yīng)力、變形和裂紋
1鑄造內(nèi)應(yīng)力的分類及形成

定義——鑄件的固態(tài)收縮受到阻礙而引起的應(yīng)力，稱為鑄造應(yīng)力。

鑄造應(yīng)力可分為三種。

① 機械應(yīng)力

這種應(yīng)力是由于鑄件的收縮受到機械阻礙而產(chǎn)生的，是暫時性的。

只要機械阻礙消除，應(yīng)力也隨之消失。形成機械阻礙的原因是：型(芯)砂的高溫強度高，退讓性差；砂箱箱帶、芯骨的阻礙等。

② 熱應(yīng)力

由于鑄件各部分冷卻速度不同，以致在同一時期內(nèi)收縮不一致，而且各部分之間存在約束作用，從而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，稱為熱應(yīng)力。鑄件冷卻至室溫后，這種熱應(yīng)力依然存在，故又稱為殘余應(yīng)力。

③ 相變應(yīng)力

合金在彈性狀態(tài)下發(fā)生相變會引起體積變化。若鑄件各部分冷卻速度不同，相變不同時進(jìn)行，則由此而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為相變應(yīng)力。

鑄造應(yīng)力是熱應(yīng)力、機械應(yīng)力和相變應(yīng)力三者的代數(shù)和。根據(jù)情況不同，三種應(yīng)力有時相互疊加，有時相互抵消。

鑄造應(yīng)力的存在會帶來一系列不良影響，諸如使鑄件產(chǎn)生變形、裂紋 ，降低承載能力，影響加工精度等。

2減小和消除鑄造應(yīng)力的途徑

①工藝方面

a.使鑄件按“同時凝固”原則進(jìn)行凝固(如圖8所示)。為此，應(yīng)將內(nèi)澆道開設(shè)在薄壁處，在厚壁部位安放冷鐵，使鑄件各部分溫差很小，同時進(jìn)行凝固，由此熱應(yīng)力可減小到***低限度。應(yīng)該注意的是，此時鑄件中心區(qū)域往往出現(xiàn)縮松，組織不夠致密。

b.提高鑄型和型芯的退讓性，及早落砂、打箱以消除機械阻礙，將鑄件放入保溫坑中緩冷，都可減小鑄造應(yīng)力。

②結(jié)構(gòu)設(shè)計方面

應(yīng)盡量做到結(jié)構(gòu)簡單，壁厚均勻，薄、厚壁之間逐漸過渡，以減小各部分的溫差，并使各部分能比較自由地進(jìn)行收縮。

③鑄件產(chǎn)生熱應(yīng)力后，可用自然時效、人工時效等方法消除。

3變形和裂紋

① 變形

有帶鑄造應(yīng)力的鑄件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，會自發(fā)地通過變形使應(yīng)力減小而趨于穩(wěn)定狀態(tài)。顯然，只有受彈性拉伸的部分縮短，受彈性壓縮的部分伸長，鑄件中的應(yīng)力才有可能減小或消除。

T形鑄件產(chǎn)生變形的方向如圖9(a)虛線所示。這是因為T形鑄件冷卻后，厚壁受拉，薄壁受壓，相當(dāng)于兩根不同長度的彈簧(圖9(b)),將上面的短彈簧拉長，下面的長彈簧壓短，以維持同樣長度(圖9(c))。但這樣的組合彈簧系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，力圖恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)，即上面的彈簧要縮短，下面的彈簧要伸長，于是就出現(xiàn)了與上述情形相似的彎曲變形(圖9(d))。

危害、對策

防止鑄件變形的根本措施是減少鑄造內(nèi)應(yīng)力，例如：設(shè)計時，鑄件壁厚力求均勻；制定鑄造工藝時，盡量使鑄件各部分同時冷卻，增加型(芯)砂的退讓性等。

在制造模樣時，可以采用反變形法，即預(yù)先將模樣做成與鑄件變形相反的形狀，以補償鑄件的變形。圖10所示的機床床身，由于導(dǎo)軌較厚，側(cè)壁較薄，鑄造后產(chǎn)生撓曲變形。若將模樣做出用雙點劃線表示的反撓度，鑄造后會使導(dǎo)軌變得平直。

應(yīng)當(dāng)指出，鑄件變形后，往往只能減小而不能徹底消除鑄造應(yīng)力。機械加工后，零件內(nèi)的應(yīng)力失去平衡而引起再次變形，會使加工精度受到影響。因此，對于重要的鑄件，機械加工之前應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火。

②裂紋

當(dāng)鑄造應(yīng)力超過當(dāng)時材料的強度極限時，鑄件會產(chǎn)生裂紋。

裂紋可分為熱裂和冷裂兩種。

熱裂——是在高溫下形成的，是鑄鋼件、可鍛鑄鐵坯件和某些輕合金鑄件生產(chǎn)中***常見的鑄造缺陷之一。其特征是：裂紋形狀曲折而不規(guī)則，裂口表面呈氧化色(鑄鋼件裂口表面近似黑色，而鋁合金則呈暗灰色)，裂紋沿晶粒邊界通過。熱裂紋常出現(xiàn)于鑄件內(nèi)部***后凝固的部位或鑄件表面易產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方。

冷裂——是在低溫下形成的。塑性差、脆性大、熱導(dǎo)率小的合金，如白口鑄鐵、高碳鋼和一些合金鋼易產(chǎn)生冷裂。其特征是：裂紋形狀為連續(xù)直線狀或圓滑曲線狀，常常是通過晶粒的。裂口表面干凈，有金屬的光澤或呈輕微的氧化色。冷裂常出現(xiàn)在鑄件受拉伸的部位，特別是應(yīng)力集中的部位，如內(nèi)尖角處、縮孔和非金屬夾雜物附近。

危害、對策

凡是減小鑄造應(yīng)力或降低合金脆性的因素(如減少鋼鐵中有害元素硫、磷的含量等)均對防止裂紋有積極影響。

來源：材易通

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