灰鐵鑄件的冷裂形成機理及預(yù)防措施

潘駿

（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川750021）

灰鐵鑄件的冷裂形成機理及預(yù)防措施

潘駿

（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川750021）

根據(jù)灰鐵鑄件冷裂紋缺陷產(chǎn)生的機理，從鑄型的性質(zhì)、鑄件的工藝結(jié)構(gòu)、鑄件的成分控制等幾方面分析了鑄件產(chǎn)生裂紋的原因。并從鑄造和熔煉工藝兩方面提出相應(yīng)的防止措施，改進(jìn)灰鐵鑄件冷裂缺陷，對提高鑄件的可靠性和使用壽命等具有一定的指導(dǎo)意義。

灰鐵鑄件；冷裂缺陷；產(chǎn)生機理；防止方法

冷裂是鑄件處于彈性狀態(tài)時，鑄造應(yīng)力超過了鑄鐵的強度極限而產(chǎn)生的。往往出現(xiàn)在鑄鐵件受拉伸的部位，特別是有應(yīng)力集中的地方。因此，鑄件產(chǎn)生冷裂的傾向與鑄件形成應(yīng)力的大小密切相關(guān)，形狀復(fù)雜的大型鑄鐵件容易形成冷裂。對于機床件而言，冷裂一般出現(xiàn)在筋板交錯的內(nèi)腔等非關(guān)鍵部位，焊補后基本能夠滿足使用要求。但對于有氣密性要求的灰鐵汽輪機鑄件而言，冷裂通常出現(xiàn)在與筋板交接的缸壁上，焊補修復(fù)工藝復(fù)雜，焊接區(qū)域較大，會出現(xiàn)影響鑄件氣密性的焊接缺陷，這就使得冷裂對于灰鐵汽輪機鑄件來說幾乎是致命的。因此，研究灰鐵鑄件的冷裂機理，制定合理的預(yù)防措施，可有效提升產(chǎn)品質(zhì)量。

1　冷裂機理

鑄鐵件的冷裂外形呈連續(xù)直線或圓滑曲線，斷口干凈且具有金屬光澤或輕微的氧化色，常常是穿過晶粒、而不是沿晶界斷裂，如圖1所示，這是鑄造應(yīng)力作用的結(jié)果。因此，研究冷裂現(xiàn)象，首先需了解鑄造應(yīng)力的形成。

鑄造應(yīng)力是金屬在凝固或冷卻過程中體積變化受到外界或其本身的制約，變形受阻而產(chǎn)生的應(yīng)力。按其成因可分為熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和收縮應(yīng)力。

1）熱應(yīng)力

由于鑄件各部分壁厚存在差異，導(dǎo)致鐵液在各部位的冷卻速度和收縮量不同，這些具有不同收縮量的部位又構(gòu)成了鑄件整體彼此間存在力的相互作用，這種力便是熱應(yīng)力。

2）相變應(yīng)力

鑄件冷卻時，橫截面的內(nèi)、外層和厚薄不同之處有溫度差，使得它們的固相相變不能同時發(fā)生，導(dǎo)致相變膨脹（或收縮）或先或后的受阻而產(chǎn)生的應(yīng)力，謂之相變應(yīng)力。對于鐵碳合金而言，主要是共析轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變時的相變膨脹，使鑄件產(chǎn)生相變應(yīng)力。

3）收縮應(yīng)力

鑄件在鑄型中冷卻時，其固態(tài)線收縮受到外部因素（如砂芯）的阻礙而產(chǎn)生的鑄造應(yīng)力，謂之收縮應(yīng)力。對于鑄件而言，臨時的收縮應(yīng)力總是拉應(yīng)力，故常常導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生裂紋或變形。因此，提高外部因素（例如砂芯）的退讓性，是防止由于收縮應(yīng)力而形成裂紋的主要對策。

圖1　鑄件冷裂缺陷

2　缺陷原因分析

2.1鐵液過熱及高溫靜置時間的影響

為了浮渣凈化鐵液，或細(xì)化晶粒，要將鐵液升溫至過熱溫度，然后保溫一段時間，如果過熱溫度偏高或保溫時間較長，會將部分異質(zhì)晶核燒損，導(dǎo)致鐵液形核能力下降，在澆注后的冷卻過程中，鐵液收縮量增大，熱應(yīng)力也隨之增大，冷裂傾向增加。2.2孕育的影響

孕育可以提供大量的外來異質(zhì)核心，促進(jìn)鐵液同時凝固，縮小固態(tài)相變發(fā)生時間和程度上的差異，減小相變應(yīng)力。若孕育量不足、孕育不均勻或孕育衰退嚴(yán)重，都會減弱鐵液的同時凝固方式，增加相變應(yīng)力。

2.3主要化學(xué)成分影響

C：在條件一定的情況下，液相收縮值會隨含碳量的增加而增加（見表1）；另一方面，在凝固階段含碳量的高低會影響石墨析出量的多少，石墨析出多則石墨化膨脹可觀，石墨化膨脹可能全部或部分抵消凝固前期產(chǎn)生的液體收縮。因此，合適的含碳量將有助于降低收縮值，減小熱應(yīng)力；

P：當(dāng)灰鑄鐵中的w（P）＞0.3%時，往往有大量網(wǎng)狀磷共晶出現(xiàn)，冷裂傾向明顯增大。

2.4澆注溫度的影響

澆注溫度越高，鐵液凝固過程中的收縮值越大，熱應(yīng)力也相應(yīng)越大，冷裂風(fēng)險增加。

2.5爐料配比的影響

控制爐料配比，降低廢鋼的加入比例，可以減少鑄件裂紋傾向。

表1　灰鑄鐵的液相收縮值

3　改進(jìn)方案及改進(jìn)結(jié)果

根據(jù)以上對灰鑄鐵冷裂機理的探討，可從以下幾方面制定改進(jìn)措施：

1）制定適當(dāng)?shù)倪^熱溫度及高溫靜置時間；

2）孕育充分、均勻，使用長效孕育劑，防止孕育衰退，保證孕育質(zhì)量；

3）選擇合適C、P含量，降低鐵液收縮值，減小冷裂傾向；

4）選擇合適的澆注溫度；

5）選擇合適的爐料配比；

6）選擇合適的去應(yīng)力退火工藝；

7）鑄造工藝方面也應(yīng)該采取一定措施防止冷裂，如：合理設(shè)置冷鐵、選擇適當(dāng)?shù)膲合鋾r間、控制披縫、增加拉筋或補貼，等等。

公司在生產(chǎn)某后汽缸體的過程中，發(fā)生過鑄件冷裂導(dǎo)致報廢的情況，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜（見圖2），噸位重（澆注重量達(dá)20 t），大內(nèi)腔十字筋交錯，壁厚差異大，由此會產(chǎn)生很大的鑄造應(yīng)力，容易發(fā)生冷裂；打箱后觀察發(fā)現(xiàn)冷裂紋由箱口的披縫處開始，延伸至與內(nèi)腔筋板相交的缸壁上（見圖3），這是由于披縫處的夾雜物較多，強度差，應(yīng)力容易將此處拉裂，裂紋尖端應(yīng)力集中，因此不斷向內(nèi)擴展直至缸壁。

圖2　后汽缸體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　鑄件冷裂紋缺陷位置

根據(jù)前述改進(jìn)原則，制定出以下措施防止冷裂：

1）碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在3.10%～3.20%范圍內(nèi)，同時P質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.04%以下；

2）采用二級孕育槽孕育，確保孕育均勻，包內(nèi)放置浮硅補償孕育衰退；

3）澆注溫度控制在1 290℃～1 310℃；

4）在發(fā)生冷裂的缸壁與內(nèi)腔筋板相交的熱節(jié)部位鋪設(shè)冷鐵，改變熱場，力求熱節(jié)部位與缸壁同時凝固，減小熱應(yīng)力；

5）在發(fā)生冷裂的部位增加拉筋，提高該部位強度；

6）將壓箱時間由原來的120 h，延長到168 h，防止打箱溫度過高；

7）嚴(yán)格控制時效工藝，降低鑄件內(nèi)應(yīng)力。

通過以上防止措施的執(zhí)行，成功解決了該產(chǎn)品的冷裂缺陷的發(fā)生，減少了廢品和損失。

4　結(jié)束語

鑄件產(chǎn)生冷裂與許多內(nèi)外因素有關(guān)，內(nèi)因方面有化學(xué)成分、金屬可塑性等，外因方面有澆注條件、鑄型等。在實際的生產(chǎn)中也常常根據(jù)這些方面來考慮避免冷裂的措施，但若想完全消除是不可能的，只能根據(jù)實際情況采取最經(jīng)濟、最有效的方法，降低裂紋產(chǎn)生的可能性。

［1］張習(xí)志，余明.鑄件裂紋的形成原因及防止方法［J］.煤礦機械，2007，28（11）：104-106.

［2］日本鑄造工學(xué)會.鑄造缺陷及其對策［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008：78-79.

［3］郝石堅.現(xiàn)代鑄鐵學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2004：166-168.

Forming Mechanism and Precaution Method of Cold Crack in Gray Iron Casting

PAN Jun
（Kocel Manufacture CO.，LTD.，Yinchuan Ningxia 750021，China）

The cold crack defect in gray iron casting was analyzed accordig to its forming mechanism from the mold property，the casting structure，the composition and so on.Our company improved the casting process and put forward the precaution method，which was helpful to reduce the cold crack defect，enhance the casting reliability and the service life and so on.

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TG21+3

A

1674-6694（2016）04-0041-02

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.04.015

2016-04-29

潘駿（1990-），男，漢族，寧夏銀川人，大學(xué)本科，現(xiàn)主要從事鑄鐵熔煉技術(shù)的研究。