铸钢收缩与温度及成分的关系分析

纯铁和碳钢的体收缩过程曲线如图11-4所示。

图11-4　碳钢的比容与温度、含碳量之间的关系

1—w C=0.35%；2—w C=0.25%；3—w C=0.80%

（一）液态收缩

随着含碳量增加，碳钢的液态体收缩系数αⅤL相应增大。每增加1%的碳，αⅤL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，随含碳增加，碳钢的液态收缩大[见式（11-1）]。

据测定，对一定成分的碳钢，每降低钢液温度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见图11-5。

（二）凝固收缩

由Fe—C状态图知，随着含碳量增加，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），因凝固时期降温幅度加大，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如表11-1所示。

（三）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。不同含碳量的碳钢，其线收缩率如图11-6所示。

图11-5　合金元素对铸钢比容的影响（1600℃及20℃）

表11-1　碳钢的凝固体收缩率(www.xing528.com)

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。它因含碳量增加而减小（见表11-2）。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。

表11-2　碳钢的线收缩率ε1与含碳量的关系

注 表中碳钢内w Mn=0.55%～0.80%，w Si=0.25%～0.40%。

2.共析转变的膨胀

据资料，在0～100℃范围内，奥氏体的比容随含碳量增加而增加，当w C从0增加到1.4%时，比容由122.27×10-6 m3/kg增至125.28×10-6 m3/kg。铁素体的比容为127.08×10-6 m3/kg，渗碳的比容为130.23×10-6 m3/kg。随含碳量的增加，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，奥氏体转变成马氏体。马氏体的比容随含碳量增加而增加，当w C=0～1.4%时，比容为（127.08～130.61）×10-6 m3/kg。在这种条件下，无论含碳量多少，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%，提高含碳量时，改变很小。铁素体的线膨系数约为14.5×10-6/℃。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：

图11-6　碳钢的固态收缩

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，如铁素体高铬钢的ε1为1.6%～1.8%。