铸钢件裂纹的形成原因及预防方案

王 雪 周宇航

中车齐齐哈尔车辆有限公司

铸钢件裂纹的形成原因及预防方案

王 雪 周宇航

中车齐齐哈尔车辆有限公司

熔模铸造由于工艺的特殊性，受到工艺流程、造型方法、铸型特性等诸多因素的影响，不能开设复杂的直浇道、横浇道、冒口，也无法加冷铁、发热块等。因此，合金在冷却凝固过程中，金属液的补缩受到一定程度的限制，加上铸钢合金的熔点又很高，铸件极易产生热裂缺陷。同时，当铸件冷却到弹性状态的温度或至室温时，铸件某部分的铸造应力大于金属的强度极限时产生的裂纹，这就叫做冷裂纹。所以本文主要就对铸钢件裂纹的形成原因及预防方案进行分析和探讨。

铸钢件；裂纹；形成原因；预防

1 铸钢件裂纹的形成原因

1.1 热裂产生的原因

当铸件某个部位的应力达到或超过其材质的强度极限时，铸件该部位将会产生裂纹。铸件在凝固时会产生较大的收缩，当此收缩受铸型的阻碍或受铸件其余部分的牵制，则会产生应力。而铸件材质在凝固阶段的强度极限极低，因此应力很可能达到或超过其强度极限而使铸件局部产生裂纹。如果裂纹是在凝固前期形成，而此时仍存在着较大比例的液相且具有良好的流动充填性，则裂纹被液相焊合。但当裂纹在凝固后期形成(一般指固相率＞0.7)，此时固相骨架已经比较致密，所残余的液相难以充填弥合裂纹，则裂纹将会进一步发展并残留下来，热裂形成点大致在固相线附近。

热裂往往产生在铸件“弱点”部位，所谓“弱点”即铸件凝固过程中结壳最薄部位。这些“弱点”通常是铸件壁连接的内角、壁厚变化较大部位或浇注系统引入部位等一些局部过热部位。热裂的产生过程大致如下：铸件凝固初期，在其平面和圆柱表面部位以及外圆角部位凝固结壳而具有了一定强度和刚度。之后在内圆角部位也凝固结壳而具有一定强度和刚度。同时结壳因凝固冷却而产生收缩，此时结壳将受到与其相连的铸型型壁的阻碍而产生应力，特别是铸件的突起部位。随着凝固的进行，结壳增厚，浇注金属的比强度增大，结壳的总强度也增大。但是由于铸型型壳受热产生膨胀、烧结而使铸件的收缩受阻增大，引起了凝固结壳中应力增大。当铸件凝固结壳的“弱点”部位处的应力达到了浇注金属的强度极限，则在“弱点”部位产生裂纹，此裂纹穿透了“弱点”部位结壳的整个厚度。在此裂纹形成的同时，应力将相应缓解。随着凝固的继续进行，在断裂点形成了新的凝固结壳，应力又将重新产生和增大，且集中在原断裂点的相对部位。当此“弱点”部位的应力再次达到浇注金属材料的强度极限时，则会再次断裂。如此裂纹继续发展直到贯穿铸件“弱点”部位整个截面。但是如果型壳表面层过热超过1100～1200℃以后产生软化，则能激烈降低收缩应力，裂纹的发展也会中止。

1.2 冷裂纹产生的原因

冷裂纹的形成是当铸件处于弹性状态，如果其收缩受到阻碍，则铸件将产生应力并发生弹性变形。铸件在弹性状态下所产生的应力叫做铸造应力。铸造应力包括热应力、相变应力及收缩应力。这三种应力中的任何一种或它们的总和超过金属强度极限时%都将使铸件产生冷裂纹。热应力是铸件在冷却过程中各部分的冷却速度不均匀而产生的；相变应力是铸件在冷却过程中产生相变而导致体积改变所引起的。相变应力的方向有时与热应力的方向相反，有时则相同。前者将使铸件的总应力和产生冷裂纹的可能性减少，后者将使铸件的总应力和产生冷裂纹的可能性增加；收缩应力是铸件处于弹性状态下收缩受到砂型或砂芯等的机械阻碍而产生的应力。其中热应力是这三种应力中使铸件产生冷裂纹的最主要因素。

2 预防方案

2.1 防止热裂纹措施

1)和用户协商，改进铸件结构设计，避免壁厚突变和多重交接，在易产生拉应力和凝固迟缓部位合理设置防裂筋和冷铁。2)改进浇注系统设计，单个内浇道截面积不宜过大，尽量采用分散的多道内浇道，避免在内浇道与铸件交接处形成热节，内浇道、冒口与铸件交接处最好用圆角过渡，浇道和冒口的形状、位置不应阻碍铸件正常收缩，并保证铸件各部位凝固速度尽量趋于一致。3)改善型砂和芯砂的退让性和溃散性。例如在型砂和芯砂中心部分加锯木屑或旧砂；型、芯紧实度不宜过高；芯骨尺寸不宜过大；箱带不能过密，保证型、芯有足够的吃砂量。4)修整模样和芯盒，堵塞芯头间隙，避免产生过大、过厚的飞边。5)严格控制浇注温度和浇注速度，避免因浇注温度过高使型砂烧结阻碍铸件收缩或导致凝固和冷却迟缓。浇注温度由原来的1560℃降到1530℃，浇注前要将砂型烘热，并且快速浇注，浇注时间控制在10-12秒(薄壁铸件控制在6-10秒)。

2.2 防止应力冷裂纹措施

1)改进铸件结构设计，壁厚力求均匀，平滑过渡，铸件内腔圆角要足够大，工艺筋设计要合理，尽量减少铸件收缩阻力。2)加强合金精炼，减少铸件中气孔、夹杂、缩孔、疏松、粗大树枝晶等导致应力集中、萌生裂纹的缺陷。3)延长铸件在型内的冷却时间，以免开箱过早在铸件内产生较大的内应力。铸型浇注后保温至少12小时后再开箱。4)铸件在落砂、清理及搬运过程中尽量避免碰撞。5)残余应力过大或裂纹倾向严重的铸件，在清理、机加工和使用前应进行热时效或振动时效处理，降低铸件内的残余应力。铸件热时效规范：加热和冷却速度为每小时小于50℃，中间的保温温度为550℃，保温时间为2小时加每厘米壁厚1小时。6)切割浇冒口之前，要对浇冒口根部及其附近位置预热至150-200℃。

结语

根据铸件生产实际情况，结合裂纹产生原因的不同，通过对铸件结构优化，铸造工艺优化，以及化学成分和生产现场操作工艺等方面的调整与改善，来预防裂纹缺陷的产生，达到减少或消除裂纹缺陷的目的，不仅降低企业废品损失，也提高了铸件安全性、可靠性。由此可见，上述裂纹的改善措施在精铸行业中具有一定的参考意义。

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