实现紧密的维度 公差 在铸造生产方面仍然是最重要的关注.
随着熔融金属冷却和凝固, 它不可避免地收缩 - 有时可以预见, 其他时间是不可预测的 - 对合金化学反应, 几何学, 和过程参数.
没有适当的控制, 收缩可以引入内部空隙, 扭曲, 以及损害性能和成本的耐受性功能.
在这篇全面的文章中, 我们检查金属收缩的力学, 它对亚铁和非有产性合金的实际含义, 以及策略铸造厂和设计师采用的减轻缺陷.
1. 介绍
维度精度为每个铸件组件的功能支撑, 从汽车发动机块到精密航空航天壳体.
金属收缩 是指随着合金从液体到环境温度的合金过渡而发生的体积和线性尺寸的减小.
甚至谦虚 2–3％ 钢或线性收缩 5–8％ 在铝中可能导致不合适, 翘曲, 或拒绝零件如果未解决.
通过探索简单与复杂几何形状与复杂的几何形状以及对比鲜明的金属和非有产性合金的收缩, 我们为有针对性的设计和过程控制奠定了基础.
2. 收缩类型
了解在铸造过程中发生的不同类型的收缩类型对于实现维度准确性和结构完整性至关重要.
收缩 金属铸件 通常在三个主要阶段进行进展 - 液体收缩, 固化收缩, 和 坚硬的 (图案制造商的) 收缩 - 对设计的影响不同, 霉菌准备, 和缺陷控制.
此外, 收缩可以通过其物理表现归类为 宏观碎裂, 微碎片, 或者 管道, 取决于铸件中的规模和位置.
液体收缩
液体收缩是指体积减少，因为熔融金属从倒入温度向下倒入凝固点, 同时保持在完全液态状态.
这种收缩范围从 1% 到 3% 按音量, 取决于合金类型.
尽管通常不关心维度控制, 在此阶段保持上升的开放式喂养路径至关重要.
如果立管无法提供足够的熔融金属, 演员可能会发展 表面凹陷 或者 不完整的填充.
例子: 铝合金可能会经历液体收缩 2.5%, 需要仔细的立管设计以在早期冷却期间保持一致的霉菌填充.
凝固 (固体液) 收缩
从缺陷的角度来看，这是收缩的最关键形式.
随着金属从液体到固体的过渡, 它经历了重要的 体积收缩, 通常 3% 到 7%.
这种收缩发生在所谓的“糊状区”中, 固体和液相共存.
如果在此阶段未正确喂养熔融金属, 宏观碎裂 诸如 空隙, 中心线孔隙率, 或空腔 可以形成.
固化收缩对:
- 冷却速率和热梯度
- 固化模式 (共晶, 方向, 或等亚)
- 合金冷冻范围
方向固化, 促进单向热流向立管, 是一种应对这些影响的广泛采用的策略.
坚硬的 (图案制造商的) 收缩
一旦完全固化, 铸件在冷却到环境温度时继续收缩. 这 线性收缩 通常范围从 1% 到 2.5%, 取决于合金. 例如:
- 碳钢: 〜2.0％
- 灰铁: 〜1.0％
- 铝合金: 〜1.3％至1.3％ 1.6%
图案制造商通过使用标准化来缩放图案维度来适应这种收缩 收缩津贴.
这种收缩被认为是相对可预测和均匀的, 尽管它在具有复杂几何形状或可变截面厚度的铸件中可能不均匀.
微碎片与. 宏碎片与. 管道
| 类型 | 描述 | 典型的位置 | 原因 |
|---|---|---|---|
| 微碎片 | 美好的, 固体结构内的分散空隙或孔隙率 | 随机区域或孤立区域 | 树突状固化, 进食不佳 |
| 宏观碎裂 | 大的, 可见的空隙通常在铸件的中心或顶部发现 | 中央或立管颈 | 立管饲料不足 |
| 管道 | 漏斗形腔从立管延伸到铸件 | 靠近立管连接处 | 提升量不足或进食延迟 |
3. 固化模式及其影响
金属如何固化 - 它 固化模式 - 对收缩行为有深远的影响, 喂食要求, 和最终铸造质量.
固化不是统一的过程; 合金成分差异很大, 冷却率, 和霉菌设计.
了解三种主要固化模式 - 共晶, 方向, 和 等亚 - 对于控制收缩和最小化内部缺陷（例如孔隙和空隙）至关重要.
共晶固化
当金属或合金在固定温度下从液体到固体的过渡, 在非常细的混合物中同时形成两个或多个固体相位.
这种转变迅速发生, 通常一次在整个铸造横截面上, 留下最小的机会收缩喂养.
- 常见合金: 灰铁, 铝合金合金 (例如。, A356), 还有一些青铜
- 收缩特征: 低宏观碎裂, 但是，如果无法正确控制
- 喂养行为: 需要最小的提升量, 但是精确的热管理是必不可少的
例子: 灰铁铸件通过产生石墨片的共晶反应固化.
石墨降水引起的体积膨胀有时会抵消收缩, 使灰铁在喂养方面相对宽容.
方向固化
方向固化, 金属从铸件的一端逐渐巩固 (通常是模具墙) 朝指定的热储库或立管.
这种受控的热梯度允许熔融金属有效地进食凝固区域, 减少收缩缺陷.
- 常见合金: 碳钢, 低合金钢, 基于镍的超级合金
- 收缩特征: 可以通过放置良好的立管来管理的可预测的宏观冲突路径
- 喂养行为: 出色的, 如果保持热梯度并避免热点
例子: 在钢铸件中, 通过寒意，故意设计方向固化 (加速固化) 和隔热的立管 (延迟它).
这将固化前线从较薄的部分到较厚, 协助无缺陷铸造.
等亚固化
等亚固化涉及整个液态金属的晶粒的同时成核.
凝固是随机发生的，而不是遵循可预测的热梯度. 这使得喂养和收缩控制更具挑战性.
- 常见合金: 铝 356 (在某些铸造方法中), 铝青铜器
- 收缩特征: 内部收缩和微孔隙率的高风险
- 喂养行为: 难以管理; 容易过早阻塞进食路径
例子: 在等亚铝铸件中, 谷物可能会在孤立区域巩固不可预测的, 如果金属饲料被较早的固化阻塞，则会产生内部空隙. 仿真软件通常用于预测此类风险并相应调整门控设计.
对孔隙和饲料设计的影响
每种固化模式都会影响孔隙率的发展方式以及必须如何设计喂养系统:
| 固化模式 | 孔隙率风险 | 进食复杂性 | 提升效率 |
|---|---|---|---|
| 共晶 | 低宏, 可能的微型 | 缓和 | 高的 |
| 方向 | 如果管理良好，则低 | 低至中等 | 高的 |
| 等亚 | 高的 (微观和宏) | 高的 | 低的 |
4. 关键影响因素
铸件中的金属收缩不受一个变量的控制，而是由冶金的复杂相互作用支配, 几何, 和过程驱动的因素.
了解这些因素使铸造工程师可以设计减轻收缩缺陷的铸件和过程, 提高尺寸精度, 并提高整体铸造性能.
以下是影响收缩行为的主要因素:
合金类型和成分
铸造的合金系统在确定收缩特性方面起着基本作用.
由于固化和热收缩系数的密度变化差异，不同的金属及其各自的合金以不同的速率收缩。.
- 钢合金 通常在3-4％的范围内表现出容量固化收缩.
- 铝合金 可能收缩6–7％, 虽然像硅这样的添加 (例如。, 我 - ) 通过形成共晶结构来减少收缩.
- 基于铜的合金 可以显示出更大的收缩 (到 8%), 取决于锡的存在, 锌, 或铝.
包含合金元素也可以改变凝固路径 (共晶与. 等亚), 从而改变喂养行为和孔隙率趋势.
截面厚度和热梯度
几何特征对冷却速率和局部收缩行为具有重大影响. 较厚的切片保持更长的热量，并更慢地凝固, 较薄的部分快速冷却.
这会创建内部 热梯度, 这决定了固化如何通过铸造进行.
- 厚的部分 容易发生热点和内部收缩空隙.
- 突然的部分更改 (例如。, 从厚到薄) 创建局部应力区，并可能阻止进食路径, 导致收缩孔隙度.
设计最佳实践鼓励平稳过渡和统一的部分厚度均匀地管理散热.
塑料和刚性
模具的物理特征 - 尤其是 导热率和刚度 - 如何从熔融金属中提取热量, 影响固化的速率和方向.
- 绿沙模 提供灵活性并可以容纳轻微的收缩，但由于其强度较低而可能引入翘曲.
- 空气定型或化学键合的砂霉 提供更大的尺寸控制，但对热收缩不太宽容, 增加残留应力.
- 永久模具 (例如。, 压铸) 由于其高热电导率，强制执行严格的冷却速率，但需要更精确的收缩津贴.
此外, 模具涂料和寒意可用于局部控制凝固时间和进食效果.
浇注温度和速率
这 倒金属的温度 影响固化窗口的流动性和大小.
较高的过热可以延迟成核并促进等亚固化, 这可能会增加微孔隙度.
- 过高的倾倒温度会导致湍流, 气体夹带, 和收缩空隙.
- 反过来, 低浇注温度可能导致过早凝固和冷关, 在收缩补偿之前阻止进食路径.
这 浇注率 还必须优化以确保在凝固之前填充模具的所有部分, 同时避免模具侵蚀或湍流.
立管设计和门控系统
适当的立管设计是打击收缩的最直接方法之一. 立管作为 熔融金属储层 在固化过程中收缩时会进食铸件.
关键设计原则包括:
- 立管体积 必须足以补偿凝固收缩.
- 立管位置 应该在热点附近，以确保在需要的地方可用熔融金属.
- 方向固化 应通过放置和尺寸提升, 大门, 和寒意.
高级门控设计 (底部门控, 加压vs. 非压力系统) 影响金属如何填充腔并冷却, 直接影响收缩形成.
5. 铸件中金属收缩的补偿策略
有效缓解铸件中的金属收缩需要精确设计, 预测建模, 和执行良好的过程控制.
因为收缩是一种与冷却和固化相关的不可避免的物理现象, 铸造厂专注于补偿性策略，以确保维度准确性并防止内部缺陷，例如空隙和孔隙率.
本节概述了用于管理亚铁和非有产性铸造过程中收缩的关键工程技术和技术创新.
模式缩放规则和CAD收缩因素
补偿收缩的最基本方法之一是调整铸件模式的大小.
由于所有金属在冷却时都在不同程度上收缩, 图案制造商申请 收缩津贴 基于特定合金的预期收缩率.
- 例如, 碳钢 图案通常包括2.0％–2.5％线性收缩津贴.
- 铝合金, 由于他们的收缩较高, 通常需要3.5％–4.0％的津贴.
- 这些值是在手动过程中使用“收缩规则”或 CAD中的缩放因子 数字设计期间的模型.
然而, 收缩不均匀分布 - 具有复杂的几何形状或不均匀质量的区域可能需要局部调整.
现代CAD软件允许特定区域缩放, 提高复杂铸件的准确性.
立管放置和热点控制
立管作为 熔融金属储层 在凝固过程中喂食铸件, 补偿体积收缩.
有效的立管设计对于促进定向凝固至关重要, 确保厚部分的全部喂养, 并消除收缩腔.
关键立管设计注意事项包括:
- 尺寸: 立管必须保留比铸件更长的热量，以保持熔融，而铸造巩固.
- 地点: 立管应放置在热点上方或附近 - 由于质量浓度而巩固最后.
- 形状: 圆柱或圆锥形立管提供良好的体积与表面区域比率, 减慢热量损失.
- 立管绝缘: 使用 绝缘袖子或放热材料 可以延长立管冷却时间, 提高喂食效果.
使用寒意和绝缘袖子
发冷 是导热率高的材料 (经常铁或铜) 放置在模具中以加速目标区域.
它们的使用有助于控制凝固的方向和速率, 有效地 将固化前面远离立管 促进定向喂养.
- 内部发冷 可以嵌入霉菌腔中.
- 外部发冷 放在铸造表面外.
- 绝缘袖子被应用于立管或模具区域 延迟固化, 协助饲料中的饲料.
这种战略热管理有助于降低内部孔隙度并确保一致的结构完整性.
高级模拟和预测软件
现代铸造厂严重依赖 铸造模拟软件 在产生物理模具之前可视化和优化收缩控制.
诸如 岩浆, 校流, 和 固体播放 模拟流体流, 传热, 和霉菌腔内的固化行为.
好处包括:
- 预测收缩孔隙度和热点位置
- 验证立管和门控系统设计
- 寒冷放置和模具绝缘的优化
- 评估替代合金或霉菌材料
例如, 模拟可以表明，大型铝制外壳在安装法兰附近具有高风险的热区.
然后，工程师可以添加当地的立管并冷却以改善进食并最大程度地减少失真.
铸造过程控制和监视
即使有声音设计和模拟, 如果未能始终控制过程变量，则可能发生收缩缺陷. 关键过程控制包括:
- 浇注温度: 太高会增加湍流和收缩孔隙度; 太低可能导致不完整的填充或冷关.
- 霉菌预热和涂层: 影响初始传热和霉菌相互作用.
- 冷却率: 可以受霉菌材料的影响, 环境条件, 和在模具盒中的铸件放置.
通过实时数据获取 热电偶, 高温法, 和热成像 支持在倒入和冷却阶段的主动监视和调整.
6. 合金收缩率 (近似)
这是一个综合列表 大约合金收缩率 用于常用 铸造合金, 覆盖两者 亚铁和非有产金属.
这些线性收缩值通常表示为百分比，对于图案设计至关重要, 工具补偿, 和精确的尺寸控制.
黑色合金
| 合金类型 | 大约. 线性收缩 (%) | 笔记 |
|---|---|---|
| 灰色铸铁 | 0.6 - 1.0% | 凝固过程中石墨膨胀引起的低收缩. |
| 延性铁 (SG铁) | 1.0 - 1.5% | 中等收缩; 结节性会影响音量收缩. |
| 白色铸铁 | 2.0 - 2.5% | 较高的收缩; 没有石墨补偿. |
| 碳钢 (低的 & 中等的) | 2.0 - 2.6% | 高收缩; 需要仔细提升和喂食. |
| 合金钢 (例如。, 4140, 4340) | 2.1 - 2.8% | 随着合金内容和冷却速率而变化. |
| 不锈钢 (304, 316) | 2.0 - 2.5% | 高收缩; 容易喂入内部空隙，如果没有适当的喂养. |
| 工具钢 | 1.8 - 2.4% | 对温度梯度和霉菌设计敏感. |
| 可延展的铁 | 1.2 - 1.5% | 类似于延性铁，但具有后固化退火. |
非有产性合金 - 基于铝合金
| 合金类型 | 大约. 线性收缩 (%) | 笔记 |
|---|---|---|
| 铝 356 (热处理) | 1.3 - 1.6% | 中等收缩; 受T6热处理影响. |
| 铝 319 / A319 (高si) | 1.0 - 1.3% | 降低收缩; 好的铸造特征. |
| 铝 535 (毫克) | 1.5 - 1.8% | 更容易孔隙率; 寒意受益. |
| 铝 6061 (锻) | 〜1.6％ | 在需要T6属性时用于铸造. |
| 铝合金 (一般的) | 1.0 - 1.8% | 因组成和冷却策略而变化. |
基于铜
| 合金类型 | 大约. 线性收缩 (%) | 笔记 |
|---|---|---|
| 黄色的 黄铜 (例如。, C85700) | 1.5 - 2.0% | 高收缩; 需要强大的喂养系统. |
| 红色黄铜 (例如。, C83450) | 1.3 - 1.7% | 良好的流程; 中等收缩. |
| 硅青铜 (C87300, C87600) | 1.3 - 1.6% | 广泛用于艺术铸造; 中等收缩. |
| 铝青铜 (C95400) | 2.0 - 2.5% | 高收缩; 定向固化必不可少的. |
| 锡青铜 (C90300, C90500) | 1.1 - 1.5% | 由于锡含量而降低收缩. |
非有产性合金 - 基于镍的
| 合金类型 | 大约. 线性收缩 (%) | 笔记 |
|---|---|---|
| inconel 718 | 2.0 - 2.5% | 高温合金; 需要精确铸造控制. |
| Hastelloy (C系列) | 1.9 - 2.4% | 用于耐腐蚀的应用. |
| 莫内尔 (镍肥大) | 1.8 - 2.3% | 良好的延展性; 高收缩. |
镁合金
| 合金类型 | 大约. 线性收缩 (%) | 笔记 |
|---|---|---|
| AZ91D (压铸) | 1.1 - 1.3% | 轻的; 快速冷却辅助维度控制. |
| Ze41 / Ze43 (沙子铸造) | 1.2 - 1.5% | 需要控制氢孔隙度. |
钛合金
| 合金类型 | 大约. 线性收缩 (%) | 笔记 |
|---|---|---|
| ti-6al-4V | 1.3 - 1.8% | 高性能合金; 需要投资. |
7. 尺寸公差和标准
国际标准将设计期望与过程能力保持一致:
- ISO 8062: 定义铸造耐受等级 (CT5 -CT15) 标称大小的规模.
- ASME & ASTM: 提供特定行业的收缩津贴 (例如。, ASTM A802用于钢铸件).
- 权衡: 紧张的公差增加工具成本和交货时间; 设计师平衡负担能力与所需精度.
8. 结论
金属收缩提出了可预测的和复杂的挑战 铸件.
通过结合冶金理解 - 收缩, 相变动力学, 和固化模式 - 具有强大的设计和仿真工具,
工程师和铸造厂可以减轻收缩缺陷, 优化喂养策略, 并实现现代应用程序的严格容忍需求.
最终, 成功取决于设计和生产团队之间的早期合作, 利用经验和技术将熔融金属转化为精确组件.
在 狼河, 我们很乐意在设计过程的早期讨论您的项目，以确保选择任何合金或应用后处理后的任何合金, 结果将符合您的机械和性能规格.
讨论您的要求, 电子邮件 [email protected].
铸件中金属收缩的常见问题解答
什么是铸件中的金属收缩?
金属收缩是指降低体积和线性尺寸，而熔融金属从其倒入温度向下冷却到环境温度时会发生。.
为什么金属在铸造过程中会收缩?
第一的, 热收缩 使液态金属朝冰点冷却时收缩.
第二, 固化收缩 当金属从液体转变为固体时发生, 导致额外的体积收缩.
最后, 固相收缩 随着完全固体的金属冷却至室温，继续.
图案制造商的收缩是什么?
图案制造商的收缩是线性收缩 (通常1–2％) 在金属完全固化并冷却至室温之后发生; 铸造厂通过扩大模式维度来弥补它.
哪些因素会影响收缩幅度和方向?
关键因素包括合金成分 (例如。, 硅减少铝的收缩), 截面厚度 (较厚的区域更慢),
塑料和刚性 (沙与. 永久模具), 浇注温度/速率, 以及立管和门控系统的设计.
立管和寒意在收缩控制中起什么作用?
立管 充当熔融金属储层，在凝固期间喂食铸造,
尽管 发冷 (高导度插入物) 在目标区域加速冷却, 促进定向固化并防止内部空隙.
如何计算出模式的收缩津贴?
收缩津贴 (%) = (图案维度 - 铸造维度) / 铸造维度× 100%.
铸造厂从经验上为每种合金和过程得出这些津贴, 然后将它们作为CAD量表因子或模式扩展实施.
