1.收缩性的概念
收缩性是指金属从液态凝固并冷却至室温过程中产生的尺寸和体积减小的现象。收缩分为三个阶段:
1)液态收缩: 从浇注温度冷却到凝固开始温度发生的收缩。
2)凝固收缩: 从凝固开始温度冷却到凝固终止温度发生的收缩。
3)固态收缩: 从凝固终止温度冷却到室温的收缩。
液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩小，用体积收缩率来表示。固态收缩表现为铸件尺寸的缩小，常用线收缩率来表示。体积收缩是产生缩孔、缩松的主要原因，固态收缩是铸件产生内应力、变形和开裂的主要原因。常用铸造合金收缩率见表9-2，其中铸钢收缩率最大，灰铸铁收缩率最小。由于灰铸铁中大部分碳是以石墨态析出的，石墨的比容大，析出石墨所产生的体积膨胀，抵消了合金的部分收缩，故其收缩率小。
表9-2 常用铸造合金收缩率
2.影响金属收缩性的因素
(1)化学成分
碳素钢随含碳量增加，其凝固收缩增加，而固态收缩略减。灰铸铁中，碳是形成石墨的元素，硅促进石墨化，硫阻碍石墨化。因此，灰铸铁中碳、硅含量越多，硫含量越少，则析出的石墨越多，凝固收缩越小。
(2)浇注温度
浇注温度越高，过热度越大，液态收缩就越大。
(3)铸件结构与铸型条件
合金在铸型中并不是自由收缩，而是受阻收缩，其阻力来源于以下两个方面:
1)铸件的各个部分冷却速度不同，因互相制约而对收缩产生的阻力。
2)铸型和型芯对收缩的机械阻力。
因此，铸件的实际收缩量要小于自由收缩率。铸件结构越复杂，铸型强度越高，实际收缩率与自由收缩率的差别越大。在设计铸型时，必须根据铸造合金的种类和铸型的尺寸、形状等选取合适的收缩率。
3.缩孔和缩松的形成及防止
铸造时，金属液在铸型内的凝固过程中，若其收缩得不到补充，在铸件最后凝固的地方将形成孔洞。大而集中的孔洞称为缩孔，小而分散的孔洞称为缩松。
(1)缩孔的形成
液态合金充满铸型后，因铸型的快速冷却，铸件外表面很快凝固而形成外壳，而内部仍为液态，随着其冷却和凝固，内部液体因液态收缩和凝固收缩，体积减小，液面下降，在上部形成了表面不光滑、形状不规则、近似于倒圆锥形的缩孔，如图9-3 所示。
图9-3 缩孔形成示意图
(2)缩松的形成
铸件首先从外层开始凝固，凝固前沿表面凹凸不平。当两侧凹凸不平的凝固前沿在中心会聚时，剩余液体被分隔成许多小熔池。最后，这些众多的小熔池在凝固收缩时，因得不到金属液的补充而形成缩松，如图9-4 所示。缩松隐藏于铸件内部，从外部难以发现。
图9-4 缩松形成示意图
(3)缩孔和缩松的防止(www.xing528.com)
从缩孔和缩松的形成过程可以看出，结晶温度间隔大的合金易于形成缩松； 纯金属或共晶成分的合金，缩松的倾向性很小，多易形成集中缩孔。缩松分布面广，既难以补缩，又难以发现； 集中缩孔较易检查和修补，也便于采取工艺措施来防止。
收缩是合金的物理本性，是不可避免的，但只要合理控制铸件的凝固，使之实现定向凝固，是可以获得没有缩孔的致密铸件的。所谓定向凝固，就是采取一些工艺措施(图9-5、图9-6)，使铸件远离冒口的部位先凝固，然后是靠近冒口的部位凝固，最后才是冒口本身凝固，将缩孔转移到冒口中去。
图9-5 定向凝固
图9-6 冷铁的应用
4.铸造应力、变形及裂纹
(1)铸造应力
铸件凝固后，温度继续下降，产生固态收缩，尺寸缩小。当线收缩受到阻碍时，便在铸件内部产生应力。这种内应力有的仅存在于冷却过程中，有的一直残留到室温，故称其为残余内应力。铸造内应力是导致铸件变形和产生裂纹的主要因素。铸造内应力简称铸造应力，按产生的机理分为热应力、金相组织体积变化产生的相变应力和收缩应力。
1)热应力。热应力是由于铸件各部分壁厚不同、冷却速度不同和固态收缩不一致而产生的。图9-7 所示为框架形铸件的热应力形成过程。铸件中间为粗杆I，两侧为细杆Ⅱ。当细杆凝固进行固态收缩时，粗杆尚未完全凝固，整个框架随细杆的收缩而轴向缩短。粗杆对这种收缩不产生阻力，三杆内无内应力。当粗杆凝固并进行固态收缩时，由于细杆已基本完成收缩，这使粗杆的收缩受到阻碍，结果是细杆受压、粗杆受拉，形成了热应力。
图9-7 热应力的形成
“＋” 表示拉应力； “-” 表示压应力
2)相变应力。铸件在冷却过程中往往产生固态相变，相变时其相变产物往往具有不同的比容。例如，碳钢发生δ→γ 转变时，体积缩小； 发生γ→α 转变时，体积胀大。铸件在冷却过程中，由于各部分冷却速度不同，会导致相变不同时发生，则会产生相变应力。例如，铸件在淬火或加速冷却时，在低温形成马氏体，由于马氏体的比容较大，则相变引起的内应力可能使铸件破裂。
3)收缩应力。收缩应力是由于铸件在固态收缩时受到铸型和型芯的阻碍而产生的，如图9-8 所示。落砂后，收缩阻力消失，收缩应力随之消失。收缩应力和热应力的共同作用，可能使铸件某部分的拉应力超过铸件材料的高温强度，导致产生裂纹，如图9-8 所示中的A处。因此在铸造生产中应保证型砂和芯砂具有足够的退让性，正确设置芯骨，合理布置浇注系统，及时落砂，以减小收缩应力。
(2)铸件的变形与防止
具有残余应力的铸件，其处于不稳定状态，将自发地进行变形以减少内应力，并趋于稳定状态。显然，只有原来受拉伸部分产生压缩变形、受压缩部分产生拉伸变形，才能使铸件中的残余内应力减少或消除。铸件变形的结果将导致铸件产生扭曲。图9-9 所示为壁厚不均匀的T 字形梁铸件挠曲变形的情况，变形的方向是厚的部分向内凹、薄的部分向外凸，如图9-9 中双点画线所示。
图9-8 收缩应力的形成
图9-9 T 形钢铸件的变形
为了防止铸件变形，除在铸件设计时尽可能使铸件的壁厚均匀、形状对称外，在铸造工艺上应采用同时凝固办法，以便冷却均匀。对于长而易变形的铸件，还可以采用“反变形”工艺。反变形法是在统计铸件变形规律的基础上，在模样上预先做出相当于铸件变形量的反变形量，以抵消铸件的变形。
另外，铸件产生挠曲变形后，对于具有一定塑性的材料可以校正，而对于灰铸铁这样的脆性材料则不易校正。产生挠曲变形的铸件可能因加工余量不够而报废，为此需加大加工余量而造成不必要的浪费。
铸件产生挠曲变形后，往往只能减少应力，而不能完全消除应力。机加工以后，由于失去平衡的残余应力存在于零件内部，经过一段时间后又会产生二次挠曲变形，致使机器的零部件失去应有的精度。为此，对于不允许发生变形的重要机件必须进行时效处理。时效处理分为自然时效和人工时效两种。自然时效是将铸件置于露天场地半年以上，使其缓慢发生变形，从而消除内应力。人工时效是将铸件加热到550 ℃～650 ℃进行去应力退火。
(3)铸件的裂纹与防止
当铸造内应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹。裂纹是一种严重的铸件缺陷，必须设法防止。
1)热裂。热裂的形状特征是裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。热裂是铸钢和铝合金铸件的常见缺陷，是在凝固末期高温下形成的。此时，结晶出来的固体已形成完整的骨架，开始固态收缩，但晶粒之间还存在少量液体，因此金属的强度很低。如果金属的线收缩受到铸型或型芯的阻碍，收缩应力超过了该温度下金属的强度，即发生热裂。
防止热裂的方法是使铸件结构合理，改善铸型和型芯的退让性，减小浇冒口对铸件收缩的机械阻碍，内浇道设置应符合同时凝固原则； 此外，减少合金中有害杂质硫、磷含量，可提高合金高温强度，特别是硫可使合金的热脆性增加，导致热裂倾向增大。
2)冷裂。铸件所产生的热应力和收缩应力的总和，若大于该温度下合金的强度，则会产生冷裂。冷裂是在较低温度下形成的，并常出现在受拉伸的部位，其裂缝细小，呈连续直裂状，缝内干净，有时呈轻微氧化色。壁厚差别大、形状复杂的铸件，尤其是大而薄的铸件，易发生冷裂。凡能减小铸造内应力或降低合金脆性的因素，都能防止冷裂的发生。钢和铸铁中的磷会显著降低合金的冲击韧度，增大脆性，因此在金属熔炼中必须加以限制。
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