金属凝固过程中的收缩现象

  液态金属浇入铸型后，由于铸型的吸热，金属温度下降，空穴数量减少，原子间距离缩短，液态金属的体积减小。温度继续下降时，液态金属凝固，发生由液态到固态的状态变化，原子间距离进一步缩短；金属凝固完毕后，在固态下继续冷却时，原子间距离还要缩短。铸件在液态、凝固态和固态的冷却过程中，所发生的体积减小现象称为收缩。因此，收缩是铸造合金本身的物理性质。

收缩是铸件中许多缺陷如缩孔、缩松、热裂、应力、变形和冷裂等产生的基本原因。因此，它是获得符合要求的几何形状和尺寸，以及致密优质铸件的重要铸造性能之一。

任何物体的体积皆与其温度和施于其上的压力有关。在一般铸造条件下，压力的变化可以忽略不计，铸件尺寸的变化，仅取决于温度的变化(如不考虑物态的和同素异形的变化)。金属从液态到常温的体积改变量称为体收缩(volume contraction)。金属在固态时的线尺寸改变量，称为线收缩(linear contraction)。此相对收缩量称为收缩率。

在实际中，通常以相对收缩量表示金属的收缩特性，此相对收缩量称为收缩率。

当温度由t₀→t₁时，金属的体收缩率和线收缩率为：

式中：V₀，V₁——金属在t₀和t₁时的体积；

l₀，l₁——金属在t₀和t₁时的长度；

α_v，α_l----金属在(t₀—t₁)温度范围内的体收缩系数和线收缩系数。

ε是某一温度区间的相对收缩量，为α与温度差的乘积。因此，ε既与金属的性质有关，又与温度区间的大小有关。

任何一种液态金属注入铸型以后，从浇注温度冷却到常温都要经历三个互相联系的收缩阶段(图8—1)：1)液态收缩阶段(Ⅰ)， 2)凝固收缩阶段(Ⅱ)， 3)固态收缩阶段(Ⅲ)。

铸造合金在不同阶段的收缩特性是不同的，而且对铸件质量也有不同的影响。

一、液态收缩（liquid contraction）

充满铸型瞬间，液态金属所具有的温度t浇冷却至开始凝固的液相线温度tL的体收缩为液态收缩。由于在此阶段中，金属处于液态，因此体积的缩小仅表现为型腔内液面的降低。液态收缩率用下式表示：

式中： ε_V液——液体收缩率；

α_V液——金属的液态收缩系数；

t_浇——液态金属的浇注温度；

t_L——液相线温度。

从式中可以看出，提高浇注温度t_浇，或因合金成分改变而降低t_L,都使ε_V液增加。

影响液态收缩系数αV液的因素很多，如合金成分、温度、气体和夹杂物含量等。

二、凝固收缩(solidification contraction)

对于纯金属和共晶合金，凝固期间的体收缩只是由于状态的改变，而与温度无关，故具有一个定值(见表8—1)。具有一定结晶温度范围的合金由液态转变为固态时，收缩率既与状态改变时的体积变化有关，又与结晶温度范围有关。

表８—１ 液态金属物性参数

液态金属注入铸型后，首先在表面形成硬壳，其中尚处于液态的金属在此外壳中冷却时，由于液态收缩合凝固收缩使体积缩小。如果所减小的体积得不到外来金属液的补充，则在铸件中形成集中于某处的或分散的孔洞——缩孔或缩松。因此，液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。ε_V液＋ε_V凝愈大，缩孔的容积就愈大。

有一些合金，在凝固过程中体积不但不收缩，反而膨胀，如某些Ga合金，Bi-Sb合金，故凝固收缩率为负值。

三、固态收缩(solid contraction)

金属的固态体收缩率用下式表示：

式中: ε_V固——金属的固态体收缩率；

α_V固——金属的固态体收缩系数；

t_S——固相线温度；

t₀——室温。

在固态收缩阶段，铸件各个方向上都表现出线尺寸的缩小。因此，这个阶段对铸件的形状和尺寸的精度影响最大。为方便起见，常用线收缩率表示固态收缩，即：

式中: ε_l——金属的线收缩率；

α_l——金属的固态线收缩系数。

金属的线收缩是铸件中产生应力、变形和裂纹的根本原因。

四、线收缩的开始温度

对于纯金属和共晶合金，线收缩是在金属完全凝固以后开始的。对于具有一定结晶温度范围的合金，当液态金属的温度稍低于液相线温度时，便开始结晶，但是，由于枝晶还比较少，不能形成连续的骨架，仍为液态收缩性质。当温度继续下降，如降至图8-2虚线所示温度时，枝晶数量增多，彼此相连构成连续的骨架，合金则开始表现为固态的性质，即开始线收缩。实验证明，此时合金中尚有20—45％的残留液体。

图8-2中的虚线为该合金的线收缩开始温度的连线，称为线收缩开始温度线。所以，对于有结晶温度范围的合金，其线收缩不是从完全凝固以后才开始，而是在结晶温度范围中的某一温度开始，这对于铸件中热裂的形成机理是个很重要的概念。