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(yōu)良的物理化學(xué)性能。在機(jī)械行業(yè)中,大型鑄鋼件有重要用途,特別是一些軍事行業(yè)。然而,在鑄造過程中,會(huì)產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象,進(jìn)而使鑄件報(bào)廢。因此,阻止熱裂現(xiàn)象的研究是機(jī)械行業(yè)的頭等事之一。

關(guān)鍵詞:鑄鋼件;熱裂;阻止措施;內(nèi)應(yīng)力

近年來,隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,國內(nèi)外在鑄鋼方面的發(fā)展是很快的,很多新的鋼種和新的冶煉技術(shù)的不斷出現(xiàn),鑄造的技術(shù)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(shí)現(xiàn)鑄鋼件的快速發(fā)展,為國家作出更大的貢獻(xiàn),在大型鑄鋼件的一些缺陷上如熱裂方面必須作出調(diào)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(yè)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(shè)計(jì)、型砂(包括涂料)、煉鋼、造型、精整、補(bǔ)焊及熱處理過程有關(guān)。在這些過程中如果控制不當(dāng)就會(huì)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(huì)收到良好的效果,目前,某些缺陷尚難完全避免。當(dāng)鑄造內(nèi)應(yīng)力超過金屬材料的抗拉強(qiáng)度時(shí),鑄件便會(huì)產(chǎn)生裂紋。裂紋是嚴(yán)重的鑄件缺陷,必須設(shè)法防止。根據(jù)產(chǎn)生時(shí)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(qiáng)度很低,金屬產(chǎn)生較大的線收縮,而受到鑄型或型芯的阻礙,產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力超過該溫度下金屬的抗拉強(qiáng)度,便產(chǎn)生熱裂。其形狀特征是:尺寸較短,縫隙較寬,形狀曲折,縫內(nèi)呈現(xiàn)嚴(yán)重的氧化色。

2 內(nèi)應(yīng)力

鑄造內(nèi)應(yīng)力主要是由于鑄件在固態(tài)下的收縮受阻而引起的。這些阻礙包括機(jī)械阻礙和熱阻礙。機(jī)械阻礙引起的內(nèi)應(yīng)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(chǎn)生的應(yīng)力是暫時(shí)性的,一旦機(jī)械阻礙消除,應(yīng)力便會(huì)自行消失。

熱應(yīng)力則較難理解,它與鑄件結(jié)構(gòu)有關(guān)。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(jìn)入彈性變形階段,此時(shí),由于壁厚部分仍處于塑性變形階段,厚、薄兩部分之間不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力;當(dāng)厚壁部分從塑性變形階段進(jìn)入彈性變形階段進(jìn)行彈性收縮時(shí),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(yīng)力,而薄壁部分則受到相反的力——壓應(yīng)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(yīng)力。

鑄件的內(nèi)應(yīng)力將導(dǎo)致鑄件發(fā)生變形,甚至變形。所以,首要任務(wù)是消除內(nèi)應(yīng)力。

3熱裂產(chǎn)生的原因

合金性質(zhì)。鑄造金屬的結(jié)晶特點(diǎn)和化學(xué)成分對熱裂的產(chǎn)生均有明顯的影響。合金的結(jié)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(yīng)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(jī)械應(yīng)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(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不良易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中,也會(huì)導(dǎo)致熱裂紋;鋼液澆注溫度偏高,易產(chǎn)生熱裂紋;鑄件澆、冒口排列位置不當(dāng),導(dǎo)致收縮受阻而產(chǎn)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(shí)間不合理,都會(huì)造成更大的冷卻應(yīng)力,增加熱裂傾向;鑄件切割澆、冒口不當(dāng),也會(huì)導(dǎo)致熱裂。

5預(yù)防熱裂的措施

合金化學(xué)成分。對于鑄鋼件,在技術(shù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)就很有必要,以免產(chǎn)生嚴(yán)重的熱裂缺陷。鋼中的硫、磷應(yīng)控制在ωs<0.025%,ωp<0.03%。

加入使晶粒細(xì)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(jìn)行微合金化和變質(zhì)處理可使一次結(jié)晶的晶粒細(xì)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(dāng)調(diào)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(chǎn)生熱裂方面說,在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),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(yīng)力。正確設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng),單個(gè)內(nèi)澆道截面積不宜過大,盡量采用分散的多道內(nèi)澆道,避免澆道與鑄件澆道處形成熱節(jié)。澆、冒口與鑄件連接處要有適當(dāng)圓角,澆冒口形狀和位置不應(yīng)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(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),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(yīng)有足夠大的過渡圓角半徑,避免十字形交叉的熱節(jié),將其改成T型熱節(jié)。在易產(chǎn)生拉應(yīng)力的部位合理設(shè)置防裂肋和冷鐵。

鑄件壁的連接應(yīng)盡量避免金屬積聚和內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。鑄件壁的轉(zhuǎn)角處一般應(yīng)有結(jié)構(gòu)圓角。鑄造圓角的大小應(yīng)與鑄件的壁厚相適應(yīng)。通常應(yīng)使轉(zhuǎn)角處鑄造內(nèi)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(jié)和應(yīng)力集中現(xiàn)象,防止熱裂,鑄件壁與之間壁應(yīng)避免銳角連接,厚、薄壁之間的連接也應(yīng)逐步過渡,避免突變。

為防止熱裂,可在鑄件易裂處增設(shè)防裂筋,為使防裂筋能起應(yīng)有的防裂效果,筋的方向應(yīng)和機(jī)械應(yīng)力方向一致,且筋的厚度應(yīng)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(qiáng)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(shí),此部位具有足夠的抗拉強(qiáng)度來承受應(yīng)力以避免熱裂的產(chǎn)生。

適當(dāng)?shù)乃上鋾r(shí)間可以使還處于高溫狀態(tài)的鑄件減少承受由于壓箱或箱間緊固所疊加的那部分應(yīng)力,從而減小鑄件產(chǎn)生熱裂的機(jī)會(huì);同時(shí)適當(dāng)延長鑄件澆注后在原地的留存時(shí)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(yīng)盡量避免偶數(shù)對稱排列的輪輻和水平式輻板。如偶數(shù)輪輻連接,當(dāng)合金的收縮較大且輪轂、輪緣與輪輻的厚度差較大時(shí),其冷卻速度不同,收縮時(shí)間不一致,因而形成較大的內(nèi)應(yīng)力。偶數(shù)輪輻難以使鑄件的應(yīng)力通過變形而自行松弛,固輪輻與輪緣連接處常產(chǎn)生了裂紋。采用奇數(shù)輪輻連接,則因每根輪輻位置相對的部位為輪緣,其應(yīng)力可通過輪緣的微量變形來松弛,從而避免裂紋的產(chǎn)生。

總結(jié)。鑄鋼在工業(yè)中的應(yīng)用是極為廣泛的。新世紀(jì)的鑄鋼工業(yè)面臨著技術(shù)、管理、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境四個(gè)方面的挑戰(zhàn),所以其發(fā)展的特征不再是產(chǎn)量和數(shù)量的增加,而是產(chǎn)量相對穩(wěn)定或略微降勢,但是鋼鑄件的質(zhì)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(qiáng)度、塑性和韌性,因而在重型力學(xué)中用于制造承受巨大載荷的重型零件,例如,搖枕、側(cè)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(jié)構(gòu)形狀及尺寸上符合技術(shù)要求,而且應(yīng)特別重視對鑄件的凝固過程進(jìn)行控制,以保證鑄件具有良好的內(nèi)在質(zhì)量。對鑄件的凝固過程進(jìn)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(nèi)部缺陷的健全鑄件。

通過分析大型鑄鋼件產(chǎn)生熱裂的原因,對其阻止措施進(jìn)行了分析,其可行性得到了肯定,希望我們的研究能夠?qū)Λ@得優(yōu)質(zhì)鑄鋼件提供幫助。

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