鑄鋼件裂紋的形成原因及預防方案

王 雪 周宇航

中車齊齊哈爾車輛有限公司

鑄鋼件裂紋的形成原因及預防方案

王 雪 周宇航

中車齊齊哈爾車輛有限公司

熔模鑄造由于工藝的特殊性，受到工藝流程、造型方法、鑄型特性等諸多因素的影響，不能開設復雜的直澆道、橫澆道、冒口，也無法加冷鐵、發熱塊等。因此，合金在冷卻凝固過程中，金屬液的補縮受到一定程度的限制，加上鑄鋼合金的熔點又很高，鑄件極易產生熱裂缺陷。同時，當鑄件冷卻到彈性狀態的溫度或至室溫時，鑄件某部分的鑄造應力大于金屬的強度極限時產生的裂紋，這就叫做冷裂紋。所以本文主要就對鑄鋼件裂紋的形成原因及預防方案進行分析和探討。

鑄鋼件；裂紋；形成原因；預防

1 鑄鋼件裂紋的形成原因

1.1 熱裂產生的原因

當鑄件某個部位的應力達到或超過其材質的強度極限時，鑄件該部位將會產生裂紋。鑄件在凝固時會產生較大的收縮，當此收縮受鑄型的阻礙或受鑄件其余部分的牽制，則會產生應力。而鑄件材質在凝固階段的強度極限極低，因此應力很可能達到或超過其強度極限而使鑄件局部產生裂紋。如果裂紋是在凝固前期形成，而此時仍存在著較大比例的液相且具有良好的流動充填性，則裂紋被液相焊合。但當裂紋在凝固后期形成(一般指固相率＞0.7)，此時固相骨架已經比較致密，所殘余的液相難以充填彌合裂紋，則裂紋將會進一步發展并殘留下來，熱裂形成點大致在固相線附近。

熱裂往往產生在鑄件“弱點”部位，所謂“弱點”即鑄件凝固過程中結殼最薄部位。這些“弱點”通常是鑄件壁連接的內角、壁厚變化較大部位或澆注系統引入部位等一些局部過熱部位。熱裂的產生過程大致如下：鑄件凝固初期，在其平面和圓柱表面部位以及外圓角部位凝固結殼而具有了一定強度和剛度。之后在內圓角部位也凝固結殼而具有一定強度和剛度。同時結殼因凝固冷卻而產生收縮，此時結殼將受到與其相連的鑄型型壁的阻礙而產生應力，特別是鑄件的突起部位。隨著凝固的進行，結殼增厚，澆注金屬的比強度增大，結殼的總強度也增大。但是由于鑄型型殼受熱產生膨脹、燒結而使鑄件的收縮受阻增大，引起了凝固結殼中應力增大。當鑄件凝固結殼的“弱點”部位處的應力達到了澆注金屬的強度極限，則在“弱點”部位產生裂紋，此裂紋穿透了“弱點”部位結殼的整個厚度。在此裂紋形成的同時，應力將相應緩解。隨著凝固的繼續進行，在斷裂點形成了新的凝固結殼，應力又將重新產生和增大，且集中在原斷裂點的相對部位。當此“弱點”部位的應力再次達到澆注金屬材料的強度極限時，則會再次斷裂。如此裂紋繼續發展直到貫穿鑄件“弱點”部位整個截面。但是如果型殼表面層過熱超過1100～1200℃以后產生軟化，則能激烈降低收縮應力，裂紋的發展也會中止。

1.2 冷裂紋產生的原因

冷裂紋的形成是當鑄件處于彈性狀態，如果其收縮受到阻礙，則鑄件將產生應力并發生彈性變形。鑄件在彈性狀態下所產生的應力叫做鑄造應力。鑄造應力包括熱應力、相變應力及收縮應力。這三種應力中的任何一種或它們的總和超過金屬強度極限時%都將使鑄件產生冷裂紋。熱應力是鑄件在冷卻過程中各部分的冷卻速度不均勻而產生的；相變應力是鑄件在冷卻過程中產生相變而導致體積改變所引起的。相變應力的方向有時與熱應力的方向相反，有時則相同。前者將使鑄件的總應力和產生冷裂紋的可能性減少，后者將使鑄件的總應力和產生冷裂紋的可能性增加；收縮應力是鑄件處于彈性狀態下收縮受到砂型或砂芯等的機械阻礙而產生的應力。其中熱應力是這三種應力中使鑄件產生冷裂紋的最主要因素。

2 預防方案

2.1 防止熱裂紋措施

1)和用戶協商，改進鑄件結構設計，避免壁厚突變和多重交接，在易產生拉應力和凝固遲緩部位合理設置防裂筋和冷鐵。2)改進澆注系統設計，單個內澆道截面積不宜過大，盡量采用分散的多道內澆道，避免在內澆道與鑄件交接處形成熱節，內澆道、冒口與鑄件交接處最好用圓角過渡，澆道和冒口的形狀、位置不應阻礙鑄件正常收縮，并保證鑄件各部位凝固速度盡量趨于一致。3)改善型砂和芯砂的退讓性和潰散性。例如在型砂和芯砂中心部分加鋸木屑或舊砂；型、芯緊實度不宜過高；芯骨尺寸不宜過大；箱帶不能過密，保證型、芯有足夠的吃砂量。4)修整模樣和芯盒，堵塞芯頭間隙，避免產生過大、過厚的飛邊。5)嚴格控制澆注溫度和澆注速度，避免因澆注溫度過高使型砂燒結阻礙鑄件收縮或導致凝固和冷卻遲緩。澆注溫度由原來的1560℃降到1530℃，澆注前要將砂型烘熱，并且快速澆注，澆注時間控制在10-12秒(薄壁鑄件控制在6-10秒)。

2.2 防止應力冷裂紋措施

1)改進鑄件結構設計，壁厚力求均勻，平滑過渡，鑄件內腔圓角要足夠大，工藝筋設計要合理，盡量減少鑄件收縮阻力。2)加強合金精煉，減少鑄件中氣孔、夾雜、縮孔、疏松、粗大樹枝晶等導致應力集中、萌生裂紋的缺陷。3)延長鑄件在型內的冷卻時間，以免開箱過早在鑄件內產生較大的內應力。鑄型澆注后保溫至少12小時后再開箱。4)鑄件在落砂、清理及搬運過程中盡量避免碰撞。5)殘余應力過大或裂紋傾向嚴重的鑄件，在清理、機加工和使用前應進行熱時效或振動時效處理，降低鑄件內的殘余應力。鑄件熱時效規范：加熱和冷卻速度為每小時小于50℃，中間的保溫溫度為550℃，保溫時間為2小時加每厘米壁厚1小時。6)切割澆冒口之前，要對澆冒口根部及其附近位置預熱至150-200℃。

結語

根據鑄件生產實際情況，結合裂紋產生原因的不同，通過對鑄件結構優化，鑄造工藝優化，以及化學成分和生產現場操作工藝等方面的調整與改善，來預防裂紋缺陷的產生，達到減少或消除裂紋缺陷的目的，不僅降低企業廢品損失，也提高了鑄件安全性、可靠性。由此可見，上述裂紋的改善措施在精鑄行業中具有一定的參考意義。

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