鑄鋼件裂紋的形成原因及預(yù)防方案

王 雪 周宇航

中車(chē)齊齊哈爾車(chē)輛有限公司

鑄鋼件裂紋的形成原因及預(yù)防方案

王 雪 周宇航

中車(chē)齊齊哈爾車(chē)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(kāi)設(shè)復(fù)雜的直澆道、橫澆道、冒口，也無(wú)法加冷鐵、發(fā)熱塊等。因此，合金在冷卻凝固過(guò)程中，金屬液的補(bǔ)縮受到一定程度的限制，加上鑄鋼合金的熔點(diǎn)又很高，鑄件極易產(chǎn)生熱裂缺陷。同時(shí)，當(dāng)鑄件冷卻到彈性狀態(tài)的溫度或至室溫時(shí)，鑄件某部分的鑄造應(yīng)力大于金屬的強(qiáng)度極限時(shí)產(chǎn)生的裂紋，這就叫做冷裂紋。所以本文主要就對(duì)鑄鋼件裂紋的形成原因及預(yù)防方案進(jìn)行分析和探討。

鑄鋼件；裂紋；形成原因；預(yù)防

1 鑄鋼件裂紋的形成原因

1.1 熱裂產(chǎn)生的原因

當(dāng)鑄件某個(gè)部位的應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)其材質(zhì)的強(qiáng)度極限時(shí)，鑄件該部位將會(huì)產(chǎn)生裂紋。鑄件在凝固時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的收縮，當(dāng)此收縮受鑄型的阻礙或受鑄件其余部分的牽制，則會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。而鑄件材質(zhì)在凝固階段的強(qiáng)度極限極低，因此應(yīng)力很可能達(dá)到或超過(guò)其強(qiáng)度極限而使鑄件局部產(chǎn)生裂紋。如果裂紋是在凝固前期形成，而此時(shí)仍存在著較大比例的液相且具有良好的流動(dòng)充填性，則裂紋被液相焊合。但當(dāng)裂紋在凝固后期形成(一般指固相率＞0.7)，此時(shí)固相骨架已經(jīng)比較致密，所殘余的液相難以充填彌合裂紋，則裂紋將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展并殘留下來(lái)，熱裂形成點(diǎn)大致在固相線附近。

熱裂往往產(chǎn)生在鑄件“弱點(diǎn)”部位，所謂“弱點(diǎn)”即鑄件凝固過(guò)程中結(jié)殼最薄部位。這些“弱點(diǎn)”通常是鑄件壁連接的內(nèi)角、壁厚變化較大部位或澆注系統(tǒng)引入部位等一些局部過(guò)熱部位。熱裂的產(chǎn)生過(guò)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(jié)殼而具有了一定強(qiáng)度和剛度。之后在內(nèi)圓角部位也凝固結(jié)殼而具有一定強(qiáng)度和剛度。同時(shí)結(jié)殼因凝固冷卻而產(chǎn)生收縮，此時(shí)結(jié)殼將受到與其相連的鑄型型壁的阻礙而產(chǎn)生應(yīng)力，特別是鑄件的突起部位。隨著凝固的進(jìn)行，結(jié)殼增厚，澆注金屬的比強(qiáng)度增大，結(jié)殼的總強(qiáng)度也增大。但是由于鑄型型殼受熱產(chǎn)生膨脹、燒結(jié)而使鑄件的收縮受阻增大，引起了凝固結(jié)殼中應(yīng)力增大。當(dāng)鑄件凝固結(jié)殼的“弱點(diǎn)”部位處的應(yīng)力達(dá)到了澆注金屬的強(qiáng)度極限，則在“弱點(diǎn)”部位產(chǎn)生裂紋，此裂紋穿透了“弱點(diǎn)”部位結(jié)殼的整個(gè)厚度。在此裂紋形成的同時(shí)，應(yīng)力將相應(yīng)緩解。隨著凝固的繼續(xù)進(jìn)行，在斷裂點(diǎn)形成了新的凝固結(jié)殼，應(yīng)力又將重新產(chǎn)生和增大，且集中在原斷裂點(diǎn)的相對(duì)部位。當(dāng)此“弱點(diǎn)”部位的應(yīng)力再次達(dá)到澆注金屬材料的強(qiáng)度極限時(shí)，則會(huì)再次斷裂。如此裂紋繼續(xù)發(fā)展直到貫穿鑄件“弱點(diǎn)”部位整個(gè)截面。但是如果型殼表面層過(guò)熱超過(guò)1100～1200℃以后產(chǎn)生軟化，則能激烈降低收縮應(yīng)力，裂紋的發(fā)展也會(huì)中止。

1.2 冷裂紋產(chǎn)生的原因

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

2 預(yù)防方案

2.1 防止熱裂紋措施

1)和用戶協(xié)商，改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免壁厚突變和多重交接，在易產(chǎn)生拉應(yīng)力和凝固遲緩部位合理設(shè)置防裂筋和冷鐵。2)改進(jìn)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，單個(gè)內(nèi)澆道截面積不宜過(guò)大，盡量采用分散的多道內(nèi)澆道，避免在內(nèi)澆道與鑄件交接處形成熱節(jié)，內(nèi)澆道、冒口與鑄件交接處最好用圓角過(guò)渡，澆道和冒口的形狀、位置不應(yīng)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(shí)度不宜過(guò)高；芯骨尺寸不宜過(guò)大；箱帶不能過(guò)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(chǎn)生過(guò)大、過(guò)厚的飛邊。5)嚴(yán)格控制澆注溫度和澆注速度，避免因澆注溫度過(guò)高使型砂燒結(jié)阻礙鑄件收縮或?qū)е履毯屠鋮s遲緩。澆注溫度由原來(lái)的1560℃降到1530℃，澆注前要將砂型烘熱，并且快速澆注，澆注時(shí)間控制在10-12秒(薄壁鑄件控制在6-10秒)。

2.2 防止應(yīng)力冷裂紋措施

1)改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，壁厚力求均勻，平滑過(guò)渡，鑄件內(nèi)腔圓角要足夠大，工藝筋設(shè)計(jì)要合理，盡量減少鑄件收縮阻力。2)加強(qiáng)合金精煉，減少鑄件中氣孔、夾雜、縮孔、疏松、粗大樹(shù)枝晶等導(dǎo)致應(yīng)力集中、萌生裂紋的缺陷。3)延長(zhǎng)鑄件在型內(nèi)的冷卻時(shí)間，以免開(kāi)箱過(guò)早在鑄件內(nèi)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。鑄型澆注后保溫至少12小時(shí)后再開(kāi)箱。4)鑄件在落砂、清理及搬運(yùn)過(guò)程中盡量避免碰撞。5)殘余應(yīng)力過(guò)大或裂紋傾向嚴(yán)重的鑄件，在清理、機(jī)加工和使用前應(yīng)進(jìn)行熱時(shí)效或振動(dòng)時(shí)效處理，降低鑄件內(nèi)的殘余應(yīng)力。鑄件熱時(shí)效規(guī)范：加熱和冷卻速度為每小時(shí)小于50℃，中間的保溫溫度為550℃，保溫時(shí)間為2小時(shí)加每厘米壁厚1小時(shí)。6)切割澆冒口之前，要對(duì)澆冒口根部及其附近位置預(yù)熱至150-200℃。

結(jié)語(yǔ)

根據(jù)鑄件生產(chǎn)實(shí)際情況，結(jié)合裂紋產(chǎn)生原因的不同，通過(guò)對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，鑄造工藝優(yōu)化，以及化學(xué)成分和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作工藝等方面的調(diào)整與改善，來(lái)預(yù)防裂紋缺陷的產(chǎn)生，達(dá)到減少或消除裂紋缺陷的目的，不僅降低企業(yè)廢品損失，也提高了鑄件安全性、可靠性。由此可見(jiàn)，上述裂紋的改善措施在精鑄行業(yè)中具有一定的參考意義。

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