二合金的凝固与收缩
（一）铸件的凝固方式及影响因素
1. 铸件的凝固方式
（1）逐层凝固方式
合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，这种凝固方式称为逐层凝固。常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。
（2）糊状凝固方式
合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，这种凝固方式称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。
（3）中间凝固方式
大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。
图9-5 铸件的凝固方式
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2. 凝固方式的影响因素
（1）合金凝固温度范围的影响
合金的液相线和固相交叉在一起，或间距很小，则金属趋于逐层凝固；如两条相线之间的距离很大，则趋于糊状凝固；如两条相线间距离较小，则趋于中间凝固方式。
（2）铸件温度梯度的影响
增大温度梯度，可以使合金的凝固方式向逐层凝固转化；反之，铸件的凝固方式向糊状凝固转化。
（二）铸造合金的收缩
铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。它主要包括以下三个阶段：
1.液态收缩金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。
2.凝固收缩熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。
3.固态收缩金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。
（三）影响合金收缩的因素
1. 化学成分不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。
2. 浇注温度合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。
3. 铸件结构与铸型条件铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越小。
（四）收缩对铸件质量的影响
1. 缩孔和缩松
（1）缩孔的形成
缩孔总是出现在铸件上部或最后凝固的部位，其外形特征是：内表面粗糙，形状不规则，多近于倒圆锥形。通常缩孔隐藏于铸件的内部，有时经切削加工才能暴露出来。缩孔形成的主要原因是液态收缩和凝固收缩。缩孔形成过程见图9-6。
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图9-6 缩孔形成过程示意图
（2）缩松的形成
宏观缩松多分布在铸件最后凝固的部位，显微缩松则是存在于在晶粒之间的微小孔洞，形成缩松的主要原因也是液态收缩和凝固收缩所致。缩松形成过程见图9-7。
图9-7 缩松形成过程示意图
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（3）缩孔、缩松的防止措施
a）采用定向凝固的原则所谓定向凝固，是使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。冒口和冷铁的合理使用，可造成铸件的定向凝固，有效地消除缩孔、缩松。定向凝固原则见图9-8。
图9-8 定向凝固原则
b）合理确定铸件的浇注位置、内浇道位置及浇注工艺浇注位置的选择应服从定向凝固原则；内浇道应开设在铸件的厚壁处或靠近冒口；要合理选择浇注温度和浇注速度，在不增加其它缺陷的前提下，应尽量降低浇注温度和浇注速度。
2. 铸造应力、变形和裂纹
在铸件的凝固以及以后的冷却过程中，随温度的不断降低，收缩不断发生，如果这种收缩受到阻碍，就会在铸件内产生应力，引起变形或开裂，这种缺陷的产生，将严重影响铸件的质量。
（1）铸造应力的产生
铸造应力按其产生的原因可分为三种：
a）热应力铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。
b）固态相变应力铸件由于固态相变，各部分体积发生不均衡变化而引起的应力。
c）收缩应力铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡等外力的阻碍而产生的应力。
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铸件铸出后存在于铸件不同部位的内应力称为残留应力。
（2）铸造应力的防止和消除措施
a）采用同时凝固的原则同时凝固是指通过设置冷铁、布置浇口位置等工艺措施，使铸件温差尽量变小，基本实现铸件各部分在同一时间凝固。如图9-9所示。
b）提高铸型温度
c）改善铸型和型芯的退让性
d）进行去应力退火
图9-9 同时凝固原则
（3）铸件的变形和防止
铸件的变形包括铸件凝固后所发生的变形以及随后的切削加工变形。防止铸件变形有以下几种方法：
a) 采用反变形法可在模样上做出与铸件变形量相等而方向相反的预变形量来抵消铸件的变形，此种方法称为反变形法。
b) 进行去应力退火铸件机加工之前应先进行去应力退火，以稳定铸件尺寸，降低切削加工变形程度。
c) 设置工艺肋为了防止铸件的铸态变形，可在容易变形的部位设置工艺肋。
（4）铸件的裂纹及防止
a) 铸件裂纹的分类及其形貌
铸件一般有热裂和冷裂两种开裂方式。当固态合金的线收缩受到阻碍，产生的应力若超过该温度下合金的强度，即产生热裂；而冷裂是铸件处于弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限而产生的。热裂裂纹一般沿晶界产生和发展，其外形曲折短小，裂纹缝内表面呈氧化色；冷裂裂纹常常是穿晶断裂，裂纹细小，外形呈连续直线状或圆滑曲线状，裂纹缝内干净，有时呈轻微氧化色。
b）铸件裂纹的防止
为有效地防止铸件裂纹的发生，应尽可能采取措施减小铸造应力；同时金属在熔炼过程中，应严格控制有可能扩大金属凝固温度范围元素的加入量及钢铁中的硫、磷含量。
