大型鑄鋼件熱裂阻止措施研究

杜宏偉

摘要:鑄鋼是一種很重要的金屬材料,它具有優良的物理化學性能。在機械行業中,大型鑄鋼件有重要用途,特別是一些軍事行業。然而,在鑄造過程中,會產生熱裂現象,進而使鑄件報廢。因此,阻止熱裂現象的研究是機械行業的頭等事之一。

關鍵詞:鑄鋼件;熱裂;阻止措施;內應力

近年來,隨著生產和科學技術的迅猛發展,國內外在鑄鋼方面的發展是很快的,很多新的鋼種和新的冶煉技術的不斷出現,鑄造的技術水平也在不斷的提高。這就要求我們不斷地就探索新的、好的方法去實現鑄鋼件的快速發展,為國家作出更大的貢獻,在大型鑄鋼件的一些缺陷上如熱裂方面必須作出調整。在鑄造的過程中,我們必須不斷的完善方法,做到精益求精,這樣才能在世界制造行業中立于不敗之地。

鑄造是熔煉金屬,制造鑄型,并將熔融金屬澆注,壓入或吸入鑄型型腔,凝固后獲得一定形狀與性能的毛坯或零件的成型方法。鑄造所獲得的毛坯或零件即為鑄件。大型鑄鋼件是鑄造的一種,其中,大型鑄鋼件缺陷的形成與鑄件設計、型砂(包括涂料)、煉鋼、造型、精整、補焊及熱處理過程有關。在這些過程中如果控制不當就會形成缺陷,有的缺陷還不是一種原因形成的。要消除或減少缺陷還必須綜合治理才會收到良好的效果,目前,某些缺陷尚難完全避免。當鑄造內應力超過金屬材料的抗拉強度時,鑄件便會產生裂紋。裂紋是嚴重的鑄件缺陷,必須設法防止。根據產生時溫度的不同,裂紋可分為熱裂和冷裂兩種。

1 熱裂

熱裂是凝固后期,高溫下的金屬強度很低,金屬產生較大的線收縮,而受到鑄型或型芯的阻礙,產生的機械應力超過該溫度下金屬的抗拉強度,便產生熱裂。其形狀特征是:尺寸較短,縫隙較寬,形狀曲折,縫內呈現嚴重的氧化色。

2 內應力

鑄造內應力主要是由于鑄件在固態下的收縮受阻而引起的。這些阻礙包括機械阻礙和熱阻礙。機械阻礙引起的內應力容易理解,如型芯、鑄型或澆冒口等對鑄件收縮的阻礙。這樣產生的應力是暫時性的,一旦機械阻礙消除,應力便會自行消失。

熱應力則較難理解,它與鑄件結構有關。壁厚不均鑄件,冷卻過程中各部分冷速不一,薄壁部分由于冷速快,率先從塑性變形階段進入彈性變形階段,此時,由于壁厚部分仍處于塑性變形階段,厚、薄兩部分之間不會產生應力;當厚壁部分從塑性變形階段進入彈性變形階段進行彈性收縮時,由于這兩部分為一整體,厚壁部分的彈性收縮必然受到薄壁部分的彈性阻礙,為維持它們共同的長度,厚壁部分受到薄壁部分對它的拉應力,而薄壁部分則受到相反的力——壓應力。因此,必須盡量使鑄件壁厚均勻,避免金屬局部積聚,以減小熱應力。

鑄件的內應力將導致鑄件發生變形,甚至變形。所以,首要任務是消除內應力。

3熱裂產生的原因

合金性質。鑄造金屬的結晶特點和化學成分對熱裂的產生均有明顯的影響。合金的結晶溫度范圍愈寬,凝固收縮量愈大,合金的熱裂傾向也愈大。灰鑄鐵和球墨鑄鐵由于凝固收縮較小,故熱裂傾向也較小。鑄鋼、某些鑄鋁合金、白口鑄鐵的熱裂傾向較大。如:硫、磷等有害元素含量偏高形成熱裂紋;鋼中的夾雜物與偏析容易形成應力集中。

4鑄型阻力

鑄型、型芯的退讓性對熱裂的形成有著重要影響。退讓性愈好,機械應力愈小,形成熱裂的可能性也愈小。如:鋼液的線收縮性越大,熱裂紋傾向越大;鑄件設計的結構不良易產生局部應力集中,也會導致熱裂紋;鋼液澆注溫度偏高,易產生熱裂紋;鑄件澆、冒口排列位置不當,導致收縮受阻而產生熱裂紋;砂型舂的過緊,退讓性不良,阻礙收縮,增加熱裂傾向;鑄件冷卻速度過快或松箱時間不合理,都會造成更大的冷卻應力,增加熱裂傾向;鑄件切割澆、冒口不當,也會導致熱裂。

5預防熱裂的措施

合金化學成分。對于鑄鋼件,在技術條件允許的情況下,取中碳鋼之下限,用含ωc為0.21%-0.25%的中碳鋼取代低碳鋼,特別是鋼鑄件結構復雜時就很有必要,以免產生嚴重的熱裂缺陷。鋼中的硫、磷應控制在ωs<0.025%,ωp<0.03%。

加入使晶粒細化的元素是防止熱裂的有效措施。例如,對于碳鋼和合金鋼鑄件進行微合金化和變質處理可使一次結晶的晶粒細化,降低鑄件熱裂傾向。常用的微合金化元素有鈮(Nb)、釩(V)、鈦(Ti)、鋯(Zr)和稀土(RE)等元素。

另外,適當調整熱裂傾向大的合金成分,降低合金的線收縮,盡可能減少的氣孔、縮孔和夾雜等缺陷,也有利于降低鑄件的熱裂傾向性。

6 鑄造工藝

從防止鑄件產生熱裂方面說,在生產實際中應根據鑄件結構的特點,正確采取各種鑄造工藝措施,綜合性的防止鑄件熱裂。要合理的選擇造型材料,使型砂具有良好的高溫退讓性,使鑄件凝固外殼能自由的線收縮,減少外殼的收縮應力。正確設計澆注系統,單個內澆道截面積不宜過大,盡量采用分散的多道內澆道,避免澆道與鑄件澆道處形成熱節。澆、冒口與鑄件連接處要有適當圓角,澆冒口形狀和位置不應阻礙鑄件的正常收縮,并保證鑄件各部位的凝固速度盡量趨于一致。改進鑄件結構設計,盡量使鑄件壁厚均勻,避免壁厚突變和多重交接。兩壁交接處應有足夠大的過渡圓角半徑,避免十字形交叉的熱節,將其改成T型熱節。在易產生拉應力的部位合理設置防裂肋和冷鐵。

鑄件壁的連接應盡量避免金屬積聚和內應力的產生。鑄件壁的轉角處一般應有結構圓角。鑄造圓角的大小應與鑄件的壁厚相適應。通常應使轉角處鑄造內圓角R小于相鄰壁厚的1.5倍,過大則增加縮孔傾向。為減少鑄件上的熱節和應力集中現象,防止熱裂,鑄件壁與之間壁應避免銳角連接,厚、薄壁之間的連接也應逐步過渡,避免突變。

為防止熱裂,可在鑄件易裂處增設防裂筋,為使防裂筋能起應有的防裂效果,筋的方向應和機械應力方向一致,且筋的厚度應為連接壁厚的1/4-1/3。由于防裂筋很薄,故在冷卻過程中先凝固而具有較高的強度,從而增加了壁間的連接力。防裂筋常用于鑄鋼等易熱裂的合金。

在圓角和易裂處,合理放置外冷鐵,可以使此部位加速冷卻,首先凝固,從而保證在鑄件收縮時,此部位具有足夠的抗拉強度來承受應力以避免熱裂的產生。

適當的松箱時間可以使還處于高溫狀態的鑄件減少承受由于壓箱或箱間緊固所疊加的那部分應力,從而減小鑄件產生熱裂的機會;同時適當延長鑄件澆注后在原地的留存時間對避免鑄件熱裂也有一定的作用。

對于大型輪形鑄鋼件,輪輻和輻板的形式不同,其抗裂效果也不同。應盡量避免偶數對稱排列的輪輻和水平式輻板。如偶數輪輻連接,當合金的收縮較大且輪轂、輪緣與輪輻的厚度差較大時,其冷卻速度不同,收縮時間不一致,因而形成較大的內應力。偶數輪輻難以使鑄件的應力通過變形而自行松弛,固輪輻與輪緣連接處常產生了裂紋。采用奇數輪輻連接,則因每根輪輻位置相對的部位為輪緣,其應力可通過輪緣的微量變形來松弛,從而避免裂紋的產生。

總結。鑄鋼在工業中的應用是極為廣泛的。新世紀的鑄鋼工業面臨著技術、管理、經濟和生態環境四個方面的挑戰,所以其發展的特征不再是產量和數量的增加,而是產量相對穩定或略微降勢,但是鋼鑄件的質量、品種、性能以及合金鋼和特殊鋼的比例不斷增加。由于鑄鋼有較高的強度、塑性和韌性,因而在重型力學中用于制造承受巨大載荷的重型零件,例如,搖枕、側架都是采用鑄鋼件。為了能鑄出良好的鑄鋼件,必須采用合理而完善的鑄造工藝,在鑄造工藝方面,不僅要保證鋼鑄件在結構形狀及尺寸上符合技術要求,而且應特別重視對鑄件的凝固過程進行控制,以保證鑄件具有良好的內在質量。對鑄件的凝固過程進行正確而有效的控制,才能得到組織致密的、無縮孔和裂紋等內部缺陷的健全鑄件。

通過分析大型鑄鋼件產生熱裂的原因,對其阻止措施進行了分析,其可行性得到了肯定,希望我們的研究能夠對獲得優質鑄鋼件提供幫助。

參考文獻

[1]錢繼峰,路學成,曹海泉.熱加工工藝基礎.北京:北京大學出版社,2006.8.

[2]耿浩然,章希勝,陳俊華.鑄鋼.北京:化學工業出版社,2007.1.

[3]游文明.工程材料與熱加工.北京:高等教育出版社,2007.10.

[4]王廣生等.金屬熱處理缺陷分析及案例.北京:機械工業出版社,2000.

[5]張潔.金屬熱處理及檢驗. 北京:化學工業出版社,2005.3.

[6]范逸明.簡明金屬熱處理工手冊.北京:國防工業出版社,2006.3.

[7]孫盛玉.熱處理分析圖譜.大連:大連出版社,2003.11.

[8]宋昭祥.機械制造基礎.北京:機械工業出版社,2000.