铸钢和铸铁的收缩特性优化方案

1.铸钢的收缩

纯铁和碳钢的体收缩过程可从碳钢的比容与温度、碳含量之间的关系示出，如图6-14所示。

图6-14 碳钢的比容与温度、碳含量之间的关系

1—w（C）=0.35% 2—w（C）=0.25% 3—w（C）=0.80% 4—纯铁

注①：每降低100℃，液态收缩1.6%。

（1）液态收缩随着碳含量增加，碳钢的液态体收缩系数α_VL相应增大。每增加1%的碳，α_VL增大约20%。碳量增加使液相线温度降低，故在一定浇注温度下，随碳含量增加，碳钢的液态收缩加大。

据测定，对一定成分的碳钢，钢液每降低100℃，其体收缩率下降1.5%～1.7%。

各种合金元素对铸钢比容的影响如图6-15所示。

图6-15 合金元素对铸钢比容的影响（1600℃及20℃）

（2）凝固收缩由Fe-C相图知，随着碳含量增加，钢的结晶温度范围增大（除了在w（C）=0.2%的包晶点附近略有降低外），因凝固时降温幅度加大，故凝固体收缩率也增大。因为碳钢的凝固收缩率是由液-固转变的体积变化率（确定值）和降温引起的收缩率合成的。碳钢的凝固体收缩率见表6-3。

表6-3 碳钢的凝固体收缩率

（3）固态收缩碳钢的固态收缩可分为珠光体转变前收缩、共析转变期的膨胀和珠光体转变后收缩三个阶段。

1）珠光体转变前收缩。从凝固终了至共析转变温度所发生的收缩称为珠光体转变前收缩。它因碳含量增加而减小（见表6-4）。这是因为渗碳体的线膨胀系数（12.5×10^-6）小于奥氏体的线膨胀系数（23.0×10^-6，w（C）=0～1.4%）之故。

2）共析转变的膨胀。据资料，在0～100℃范围内，奥氏体的比容随碳含量增加而增加，当w（C）从0增加到1.4%时，比容由122.27×10^-6m³/kg增至125.28×10^-6m³/kg。铁素体的比容为127.08×10^-6m³/kg，渗碳体的比容为130.23×10^-6m³/kg。随碳含量的增加，奥氏体-铁素体相变的膨胀量减小。这是由于碳从奥氏体中析出，晶格发生收缩之故。但在快速冷却的条件下，碳原子来不及析出，奥氏体即转变成马氏体。马氏体的比容随碳含量增加而增加，当w（C）=0～1.4%时，比容为（127.08～130.61）×10^-6m³/kg。在这种条件下，无论碳含量多少，奥氏体向马氏体转变时，膨胀将达最大值，使铸件产生较大内应力，并可能引起裂纹。

3）珠光体转变后的收缩。发生在共析转变终了到室温的温度范围内。该阶段的线收缩率约为1%，提高碳含量时，改变很小。铁素体的线膨胀系数约为14.5×10^-6℃^-1。该阶段降温约为700℃，在忽略少量渗碳体的影响下，线收缩率为700×14.5×10^-6≈1%，体收缩率约为3%。

碳钢的固态体收缩率和线收缩率为上述三部分之和，分别为

奥氏体钢的线收缩率比碳钢大，如奥氏体高锰钢和耐酸钢的线收缩率为2.7%～2.9%，而铁素体钢的线收缩率比碳钢小，如高铬钢的ε₁为1.6%～1.8%。碳钢的线收缩率ε₁与碳含量关系见表6-4。

表6-4 碳钢的线收缩率ε₁与碳含量的关系

注：表中碳钢含w（Mn）=0.55%～0.80%，w（Si）=0.25%～0.40%。

2.铸铁的收缩

研究证明：铸铁液内存在微小的石墨质点，用X光衍射分析及液淬法均可发现石墨。因此冷却速度和冶金工艺等均影响铸铁液的收缩过程。故需把白口铸铁和铸态有石墨析出的铸铁分别来研究。

（1）铸铁的液态收缩 典型收缩过程如图6-16所示。白口铸铁一般碳当量较低，且铸态没有石墨析出，其收缩过程为：液态收缩a，凝固收缩b、c（奥氏体析出时收缩b，莱氏体转变膨胀c）及固态收缩d。而灰铸铁（曲线2）液态收缩a′阶段几乎和白口铸铁具有相同的体收缩系数（a和a′线段平行），但接着就是体积膨胀过程b′，且体积膨胀开始温度远高于共晶温度，但还是称为共晶膨胀（或奥氏体-石墨共晶膨胀、石墨化膨胀等）。因此，在共晶膨胀之前的液态收缩阶段，灰铸铁和白口铸铁具有相同体收缩系数，但以后则收缩特性差异很大，应分别讨论。

图6-16 铸铁的收缩过程曲线

1—白口铸铁 2—灰铸铁

铸铁的液态收缩系数α_VL随碳当量增高而加大，其平均值为

α_VL=（90+30w（C）×100）×10^-6 （6-6）

式中 w（C）———铸铁中总碳含量（质量分数，%）；

α_VL———铸铁的液态收缩系数（℃^-1）。(www.xing528.com)

根据Fe-C相图可知，亚共晶铸铁的碳含量每增加1%，液相线温度下降约90℃。由此得白口铸铁的液态体收缩率为

ε_VL=α_VL[t_P-（1540-90w（C）×100）]×100% （6-7）

式中 t_P———浇注温度（℃）；

1540———Fe的熔点（1538℃）的近似值。

（2）白口铸铁的凝固收缩 由凝固温度范围内的温度降低和液-固转变两种收缩值叠加而成。亚共晶白口铸铁由液态转变为固态时的体收缩率平均为ε_V（L-S）=3.0%；凝固温度范围内的体收缩系数α_V（L-S）的平均值为1.0×10^-6℃^-1。所以凝固时的体收缩率为

ε_VS=[3.0+1.0×10^-4（t_L-t_S）]% （6-8）

而凝固温度范围，即液相线温度t_L（℃）至固相线温度t_S（℃）的差和碳含量之间为如下关系

t_L-t_S=90（4.3-w（C）×100） （6-9）

将式（6-9）代入式（6-8）可得

ε_VS=[3.0+0.9（4.3-w（C）×100）]%=（6.9-90w（C））% （6-10）

（3）白口铸铁的固态收缩 白口铸铁在铸造过程中无石墨化过程，固态收缩主要表现为珠光体转变前的收缩、共析转变时的膨胀和珠光体转变后的收缩。

（4）铸态析出石墨的铸铁之收缩　灰铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁在凝固过程中，由于存在体积膨胀阶段，且膨胀的大小、出现的早晚，均受到冶金质量和冷却速度的影响，因而有别于其他合金。凝固过程可分为：一次收缩、体积膨胀、二次收缩和固态收缩等四个阶段。其特点为：

1)在凝固完毕前，要经历一次（液态）收缩、体积膨胀和二次收缩的过程。

2)液态收缩、体积膨胀和二次收缩的大小和终止温度并非确定值，而是在很大范围内变化的。液态体收缩系数为(0.016～0.0245)×10^-2℃^-1，体积膨胀量在3.0%～6.0%之间。二次收缩的范围也很大，最后是固态收缩阶段。

球墨铸铁出现体积膨胀，许多文献上称为“石墨化膨胀”或“缩前膨胀”，这并不单纯是因奥氏体一石墨共晶转变引起的。其一，体积膨胀开始温度可高于共晶温度；其二，对石墨化膨胀所做的计算证明，每析出1%质量的石墨，铸铁的体积增大0.89%^[1]～0.95%。而实验数据表明，每析出1%质量的石墨，铸铁的体积增大约2%。因此不能认为析出石墨是造成体积膨胀的唯一因素。有人指出^[1]，体积膨胀还与气体析出有关。球墨铸铁的体积变化如图6-17所示。

图6-17 球墨铸铁的体积变化

实线—冷却速度高，冶金质量差 虚线—冷却速度低，冶金质量高

注：a₁、a₂为液态收缩；b₁、b₂为体积膨胀；c₁、c₂为二次收缩。

凝固最后阶段的二次收缩现象是由碳的偏析引起的，共晶时石墨是领先相，最后凝固的铁液中严重缺碳，几乎像钢液一样，具有3%的体收缩率。

（5）影响球墨铸铁体积变化的因素主要是铸铁的冶金质量和冷却速度。冶金质量好的铸铁，在同样冷却速度下，液态收缩、体积膨胀和二次收缩都小，形成缩孔、缩松和铸件胀大变形的倾向小，容易获得健全的铸件。可以用试样上单位面积内石墨球数来评定球墨铸铁的冶金质量：从25.4mm厚（模数为0.79cm）的Y形试样上取样做金相检查，以1mm²面积上的石墨球数作为评定标准，规定如下：

冶金质量 石墨球数（个/mm²）

好 ＞150

中 90～150

差 ＜90

在评定铸铁的冶金质量时，还需注意影响冶金质量的其他因素。这些因素是：

1）炉型的影响。经验证明采用冲天炉最佳，其次是反射炉、无芯感应炉，电弧炉较差。

2）炉料的影响。高炉新生铁最佳，废钢次之，球墨铸铁回炉料较差。

3）化学成分的影响。增加促进石墨化和石墨球数的元素和降低反石墨化元素，有利于冶金质量的提高。

4）铁液的停留时间。在熔炉内铁液的停留时间长、温度高（不宜超过1500℃）则降低冶金质量。

5）孕育的影响。孕育效果好有利于冶金质量。

冷却速度越低，铸铁的液态收缩、体积膨胀和二次收缩率越低。在砂型铸造的条件下，铸造金属的冷却速度主要决定于铸件的模数。模数越大，表明铸件越厚实，铸造金属凝固时间长、降温慢。在同样冶金质量的条件下，模数大时，铸铁的液态收缩、体积膨胀和二次收缩率小。当模数大于2.5cm时，适于采用无冒口铸造。而对于中等壁厚的铸件，如模数在0.5～2.5cm时，则应该安放冒口。