铸钢件热裂的产生和防止

铸钢件热裂的产生和防止摘要分析了熔模铸钢件热裂产生的原因和过程，论述了防止热裂的工艺措施，并介绍了自割内浇口转移热裂及其设计方法。

关键词：熔模铸造铸钢热裂热裂是熔模铸钢件常见的缺陷之一。

随着熔模铸造的发展，复杂件、薄壁件越来越多，型壳的强度也得到了很大提高，熔模铸钢件中热裂缺陷的比例也随之上升。

如何防止热裂成了熔模铸造技术工作人员关心和棘手的问题。

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。

铸件的裂纹分为热裂和冷裂两类。

如果裂纹是在凝固过程中形成，则此裂纹称为热裂。

热裂的裂口断面呈氧化色，裂口粗糙，其微观组织为晶间断裂。

如果裂纹是在铸件完全凝固后形成的，则此裂纹称为冷裂。

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1 100～1 200 ℃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。

提高模壳退让性！2 热裂的防止由上可知，热裂的产生部位是在铸件的“弱点”上，此“弱点”可以是铸件结构不合理引起的，例如铸件壁的连接结构不合理，内圆角半径过小等。

也可以是铸造工艺不合理引起的，例如浇注系统设计不合理，导致局部过热而形成“弱点”。

本文主要是从铸造工艺角度来分析探讨如何防止熔模铸钢件的热裂缺陷。

2.1 选择热裂敏感小的铸造合金，严格控制有害元素S的含量不同铸造合金，对热裂的敏感性也不同。

凡是凝固过程中收缩系数较小，凝固时形成的固相的强度较高的合金，其热裂敏感性较小。

因此凡有利于提高固相线附近结壳高温强度和降低结壳收缩率的因素都有利于减缓热裂的产生。

表1所示为某些合金钢在固相线以上30～40 ℃时的高温强度。

ZG20虽然其凝固时的高温强度较高，但由于其凝表1 合金钢在固相线以上30～40 ℃时的高温强度［1］Table 1High temperature strength of alloy steel over solidus 30～40 ℃钢的牌号Mn13 1Cr13 T10 ZG55 ZG35 30CrNiMo 工业纯铁 ZG20 1Cr18Ni9Ti 高温强度/MPa 0.3 0.4 0.5 0.7 1.2 1.2 1.4 2.1 2.5固时会发生δ→γ的相变而产生大的线收缩，因此该合金仍然具有较大的热裂敏感性而较容易产生热裂。

硫是钢中有害元素。

图1所示为不同浇注温度时硫对钢高温强度的影响。

钢在凝固时，由于硫的存在，在晶界处出现FeS和Fe的低熔点共晶，而使钢在高温时的强度降低。

因此含硫高的钢，其热裂敏感性大。

图1 含硫量对钢在结晶温度附近的强度影响［1］Fig.1Strength of steel nearby crystallization temperature withS content表2所示为含硫量与铸件热裂产生的关系。

由表可知，含硫量高时铸件中形成热裂多。

因此用稀土对钢冶炼时进行纯化处理，降低钢中含硫量是防止熔模铸钢件产生热裂的有效措施之一。

表2 含S量与铸钢件热裂的关系［2］Table 2Hot tear of steel casting with S content铸钢件热裂含S量/%碱性电炉钢酸性平炉钢没有0.002～0.008 0.024不多0.015～0.020 0.024多0.020～0.028 0.0332.2 低温钢水红壳浇注中碳钢在结晶温度附近的强度极限值很低，大约为0.5～2.0 MPa。

图2所示为中碳钢结壳的强度极限与图2 中碳钢结壳强度与其平均温度的关系［1］Fig.2 Strength of forming shell for medium-carbon steel withaverage temperature其平均温度的关系。

提高浇注温度将降低凝固时结壳的强度。

对于ZG35，当浇注温度由1 580 ℃降低到1 530 ℃,其在热裂危险期的结壳强度将提高31%，因而有利于防止热裂产生。

但是降低浇注温度，特别是对于薄壁铸件，很容易产生冷隔、浇不足等缺陷，因此必须提高浇注时型壳的温度。

一般对于水玻璃型壳希望浇注时型壳温度大于600 ℃，即要求红壳浇注。

提高型壳温度到600 ℃以上还可以避开石英砂(粉)在573 ℃的β→α的相变膨胀(0.82%),并有利于内层型壳出现1 100 ℃以上的软化，从而减缓了型壳对铸件“弱点”的收缩阻碍。

因此低温钢水红壳浇注是熔模铸件防止热裂产生的有效措施。

2.3 薄壁铸件采用扁宽浇口，浇口的模数大于铸件的模数随着熔模铸造的发展，熔模铸造薄壁铸钢件的品种、数量呈增长趋势。

由于熔模铸钢件浇注系统设计长期以来采用以补缩为主的原则，薄壁铸钢件的内浇口厚度习惯上不小于薄壁件的壁厚，加上浇注温度较高，导致铸件浇注系统引入处局部过热而成为“弱点”。

这些局部过热的“弱点”凝固收缩时，其四周的铸件薄壁本体已经凝固，因此过热的“弱点”的收缩受到铸件薄壁本体的牵制，收缩受阻，因而往往在铸件的内浇口附近出现热裂。

避免这类热裂的方法就是将内浇口改为扁宽内浇口。

内浇口厚度一般可取铸件壁厚的1/2。

为了不降低浇注速度，避免局部过热，增强模组的装配强度，内浇口宽度比正常值增大1～2倍。

扁宽内浇口有利于缓和浇注系统引入部位过热而防止热裂产生。

图3所示为板手铸件的浇注系统设计方案。

图3a为改进前的方案，该铸件在内浇口附近出现热裂。

图3b将内浇口厚度减薄一半，宽度增宽一倍，热裂基本消除。

图3 板手精铸件浇注系统方案示意图Fig.3Scheme of the gating system for the investment casting of spanner2.4 浇注金属应尽量均匀充填型腔，避免因浇注金属冲击型腔固定点后分流而形成“热点”浇注金属进入型腔的流向、速度受内浇口的设置位置、大小、形状的限制。

不合理地设计内浇口的设置点、大小、形状可以导致浇注金属冲击型壳某个部位，然后分流，使受冲击部位局部过热而成为“热点”，此“热点”也即是容易产生热裂的“弱点”。

图4所示拐臂精铸件由某厂携压型来我厂进行生产，原浇注系统设计如图所示有两个内浇口A和B,浇注金属液从B内浇口进入型腔后冲击型腔K处然后分流，使K处过热，导致铸件相应该处成为“弱点”而产生热裂。

我们去掉了B内浇口，并适当增大内浇口A的长度后，此热裂随即消除。

图4 拐臂精铸件原内浇口方案及液流示意简图Fig.4Scheme of the former gate and liquid-flow forthe investment castingof corner-arm2.5 浇注系统设计应尽量避免框形结构熔模铸造技术人员对具有两个热节的精铸件或长精铸件往往设计两个内浇口，于是使得铸件-内浇口-直浇道成为一个框形结构系统，这类结构最容易出现收缩受阻，而很容易在内浇口附近产生热裂，也容易产生变形，因此应尽量避免框形结构。

图5a所示为这类铸件-内浇口-直浇道系统框形结构示意图。

铸件A 和B处局部厚大形成两个热节，为了保证A和B热节的补缩，在A和B 部位设置两个内浇口，内浇口附近过热而成为“弱点”，其收缩受铸件本身以及c处型壳的阻碍，“弱点”部位很容易产生热裂。

如将浇注系统改为图5b所示楔条形结构，则浇注金属从整个楔条进入型腔，而不是从两个热节部位集中进入，因而降低了原内浇口附近的过热程度，同时楔条增大了铸件散热面积，提高了凝固结壳强度，c处型壳的阻碍收缩也得以缓和，因此减缓了热裂的产生。

如果再采用低温钢水红壳浇注，基本上可避免这类铸件的热裂产生。

图5 铸件-内浇口-直浇道系统框形结构示意图Fig.5Scheme of frame structure forthe casting-gate-sprue system2.6 设置防裂工艺肋如果用户允许铸件结构改进，可以在易产生热裂的部位设置防裂工艺肋。

防裂工艺肋不仅可以提高铸件热裂部位的强度，更主要是可起散热片作用，改善散热条件，也可使浇注金属合理分流，从而减缓“热点”集中程度，缓解热裂的产生。

因此防裂工艺肋不宜厚，一般为相应部位壁厚的1/3左右，但为保证浇足，厚度应大于2 mm。

图6所示为防裂工艺肋设置举例。

如果用户不同意改变铸件结构，可以在铸件退火消除应力后去除工艺肋。

图6 防裂工艺肋设置举例Fig.6Exemple of technical rib for preventing hot tear2.7 热裂的转移——自割浇口的应用设计浇注系统时可以采用控制浇注系统各组元凝固速度的方法，让热裂转移到内浇口或工艺肋上。

图7所示为热裂往内浇口上转移的设计实例。

这类浇注系统称为自割浇口。

自割浇口还能减少浇口切割工作量，特别是对于大型精铸铸钢件能大大减轻铸件清理、切割工作量，很有推广价值。

图7 自割浇口的设计结构示意图Fig.7Scheme of structure for the self-cut-gate图7所示为自割浇口的设计结构示意。

图中内浇口处设置了过热套4。

过热套采用导热性差的耐火材料混合成水玻璃砂经硬化制成。

制作蜡模时将过热套嵌在压型中，使过热套与蜡模成为一个整体，经制壳、脱蜡、焙烧后，过热套成为型壳的一部分。