1、第17章 铸件的热裂n裂纹在应力和致脆因子的共同作用下，使材料的原子结合遭到破坏，在形成新界面的时候产生的缝隙。n对材料的影响生产事故社会灾难n 裂纹的种类（包括铸造裂纹和焊接裂纹）按位置：表面裂纹、内部裂纹按走向：纵向和横向按尺寸：宏观和微观按温度范围：热裂纹和冷裂纹按形成机理：热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂、应力腐蚀裂纹。17.1 概述n 热裂的特征外观形状曲折而不规则，末端呈圆形。裂口的表面呈氧化色，裂口宽度0.050.5mm。当铸钢件冷却缓慢时，裂口的边缘尚有脱碳现象 沿晶断裂分内裂和外裂n 产生的部位拐角处、最后凝固的部位，有时出现在缩孔的下部。危害 沿晶断裂内裂17.2 热裂形
2、成的温度范围及形成机理1 热裂形成的温度范围 n 两种观点n 有效结晶温度区间，其上限是指形成晶体骨架，线收缩开始温度，其下限为凝固结束的固相线温度。凝固温度范围内近于固相线温度金属凝固以后即稍低于固相线温度形成晶体骨架，线收缩开始温度n 研究结果铝-硅、铝-铜以及铝-镁两元合金的热裂倾向性与化学成分之间的关系研究：最大热裂性与最大有效结晶区间相一致。x射线照像含碳0.031.0的碳素钢进行实验的结果。热裂前所显示的温度x射线底片上出现裂纹时的温度 用平衡图上的固相线温度来说明热裂产生的温度范围，往往会得出错误的结论。从合金的近平衡凝固过程和微观偏析形成理论得知，当合金在近平衡条件下凝固时，低
3、熔点的溶质或低熔点化合物将被排斥在晶界，形成晶界偏析，使实际固相线温度明显下移，有效结晶温度区间显著增大。因此，实际固相线温度往往低于平衡固相线温度。从近平衡凝固的观点来看，在实验过程中即使发现裂纹产生在平衡固相线温度以下，也不应得出热裂出生于固相线以下的结论。n 合金收缩系数与温度的关系 通过合金在凝固期间收缩值的变化也可以说明，热裂是在固相线附近T2T4温度范围内产生的。出现裂缝时，如附近的液态金属有良好的流动性，裂口可能被液体充填而愈合，裂缝内往往浓聚着低熔点偏析物可说明这一点。2 热裂形成机理 强度理论 n 脆性温度区间：固相线附近n 脆性温度区间强度和塑性小，脆性区愈大，金属处于低塑
4、性区时间愈长，热裂愈易形成。有效结晶温度区间和脆性温度区间是一致的。合金在温度低于固相线时，合金强度因温度升高而缓慢下降，高于固相线温度时强度急剧下降，而在凝固温度范围内，强度转为缓慢下降。因此可以认为 合金在实际固相线温度以上形成热裂的可能性最大。合金在固相线附近时延伸率极低，基本上呈现脆性。铸件凝固时如能自由收缩，不受外部和内部阻力，即使合金在凝固期呈现较低的强度和塑性，也不致形成热裂。凝固收缩时往往受到铸型、型芯、铸件结构本身以及浇注系统等各种阻力，致使铸件内部产生应力。如果应力超过金属在该温度下的强度，即产生热裂。液膜理论 n 合金的热裂倾向性与合金结晶末期晶体周围的液体性质及其分布有
5、关。铸件冷却到固相线附近时，晶体周围还有少量未凝固的液体，构成液膜。温度越接近固相线，液体数量越少，铸件全部凝固时液膜即消失。如果铸件收缩受到某种阻碍，变形主要集中在液膜上，晶体周围的液膜被拉长。当应力足够大时，液膜开裂，形成晶间裂纹。n 热裂纹的形成是由于铸件在凝固末期晶间存在液膜和铸件在凝固过程中受拉应力共同作用的结果。液膜是产生热裂纹的根本原因，而铸件收缩受阻是产生热裂纹的必要条件。n 凝固过程的四个阶段 脆性温度区：上限为枝晶开始交织长合的温度，其下限为液膜完全消失的实际固相线温度。n 晶间液体的形态：晶间液体铺展液膜时，热裂倾向显著增大；若晶间液体呈球状而不易铺展时，合金热裂倾向明显
6、减轻。n 裂纹的形核和发展：裂纹的形核容易发生在固相晶粒相交的液相汇集部位。由于受到凝固过程溶质再分配而引起的晶界偏折（包括晶界夹杂物）的影响，液相汇集部位的双边角 也会因润湿性不同而在0o180o 之间变化cos2SLSSn 液膜的表面张力和液膜厚度的影响把液膜拉断之力与液体的表面张力，固体同液体的接触面积成正比，而与液膜的厚度成反比。根据上式可以看出晶间液膜的表面张力和其厚度对铸件抗裂性的影响。液膜的表面张力与合金的化学成分和铸件冷却条件有关。液膜厚薄决定于晶粒大小，晶粒愈细，由于晶粒表面积的增加就降低了单位表面上的液膜数量和其厚度，故增加了铸件的抗裂性。因此，可以推定，凡是能够降低晶体和
7、液膜之间表面张力的表面活性元素，都能够促使合金抗裂性下降。bAP21 铸造合金性质的影响化学成分和凝固温度区间及脆性温度区间n 化学成分有效凝固温度区间脆性温度区间绝对收缩量热裂。17.3 影响热裂形成的因素n 凡是能够扩大有效凝固温度区间的杂质，都能够促使热裂的形成。如钢中的S元素。001kkmrLf0CrTff凝固温度范围合金的收缩量和相变n 凡是能够减小合金在有效凝固温度区间绝对收缩量的元素或相变，都能降低形成热裂之倾向；n 灰口铸铁、球墨铸铁在凝固温度范围内的石墨化；n 冷硬铸铁件生产中向铸铁中加入0.30.4磷，此时形成的磷共晶，发生体积膨胀，从而减少了总的收缩量。凝固温度范围的强度
8、和表面活性元素的影响n 提高合金在凝固温度范围内的强度可以减少热裂倾向。bAP2n 硫和磷扩大有效凝固温度区间，在钢中属于表面活性元素，能吸附在晶粒表面，减低相间界面张力，并对晶粒生长及非金属夹杂物的形状和分布产生不良影响；n 硅含量在0.10.6范围内可以提高钢的抗裂力；n 锰在钢中可以限制硫的有害作用，形成硫化锰，熔点较高，锰在1以下，增加锰量能增加钢的抗裂力。n 氧在铁能大大降低铁的表面张力。因此，随着氧化铁夹杂物的增加，钢的抗裂力也随之下降。n 氧化物的影响n 氮和氢的影响 化学成分与晶间层形态n 热裂纹的产生与晶间层性质密切相关。晶界上存在易熔第三相且铺展为液膜时，热裂倾向显著增大；
9、若呈球状，热裂倾向性则显著减小。例如，在铸钢中，当锰硫比达到一定值时，硫化物呈球状，热裂倾向明显减轻。n 其它元素可改善夹杂物的形态2 铸型（型芯）性质的影响n 铸型（型芯）对收缩的阻力越大，铸件内产生的收缩应力愈大，铸件愈易开裂。n 铸件表面粘砂将影响铸件相对于铸型表面移动，因而会影响铸件收缩并促使热裂形成。n 金属型温度3 浇注条件的影响浇冒口系统n 靠近浇冒口部位易形成热裂。n 浇注时金属引入铸型的方法n 浇冒口的布置 浇注工艺n 提高浇注温度可减轻薄壁铸件的热裂倾向。n 厚大铸件，浇注温度过高，会使铸件晶粒粗大，晶间结合力降低，形成偏析、形成粘砂；同时，浇注温度高会增加钢水中的气体含量
10、，增加热裂的倾向性。n 浇注速度是通过改变铸件的温度分布影响热裂的。4 铸件结构的影响n 铸件结构设计 n 铸件厚度 n 铸件壁十字交接 17.4 防止铸件产生热裂形成的途径1 合金成分、熔炼工艺的精炼方面适当调整合金的化学成分或选择抗裂性较好的的合金。对碳钢及合金钢进行微合金化和变质处理；加入稀土元素、或其他元素可以达到此目的，加入量一般均在0.3以下。可以单独加入一种元素，也可以几种元素同时加入，常用的元素有钒、钛、铌、锆、铈、钙、硼等。这种方法可以使铸钢晶粒细化、减少非金属夹杂、改变夹杂物的形状和分布状态，从而改变了钢的一次结晶过程，提高了铸钢件的抗裂性能和力学性能。改进铸钢的脱氧工艺；
11、提高脱氧效果，减少氧化夹杂物并改变其分布状态可以减少铸钢热裂倾向。采用综合脱氧剂要比单独采用硅、锰、铝进行脱氧的效果要好得多。这是因为脱氧产物的尺寸要比单独用硅和锰脱氧时大得多，因而有利于钢液将脱氧产物排除。综合脱氧剂中因有钙，减少了钢的二次脱氧，同时使钢铸件变得更加致密，例如用一般方法脱氧时（加锰铁、硅铁、铝）钢的密度为7.78，用锰硅铝钙综合脱氧时，密度可达7.9。对钢液进行真空处理 可使钢中气体含量显著下降，从而减少非金属夹杂物，提高铸钢的抗裂性能。此外，用合成渣处理钢水可以达到脱硫、脱氧和去除夹杂物的目的。用石灰和铝矾土的合成渣（主要成分CaO5355；Al2O34345）以及利用电炉
12、冶炼的白渣作合成渣处理钢水，可使钢中0.0350.045含硫量降到0.0060.012，同时可以减少钢中含氧量，从而提高了钢的塑性和抗裂性能。控制铸钢的结晶过程，使初晶组织细化，减少热裂倾向。用超声波振动可使碳钢、高铬钢和高烙镍钢铸件结晶细化，晶粒尺寸可减小36倍。使金属在旋转磁场的作用下凝固也可以使晶粒细化。采用悬浮浇注法，即在钢水浇注的同时通过浇口或其他通道加入细颗粒金属粉末使初晶组织细化。例如35碳钢铸件加入2粒度为0.1 的铁粉；高锰钢铸件浇注时加入2的锰铁粉；浇注铬钼模具铸件时加入粒度0.1 的钼粉，均有细化晶粒提高力学性能，减少热裂缺陷的作用。2 造型工艺方面增加铸型（型芯）的退让
13、性n 粘土砂时加入一些细木屑，或采用有机化合物做粘结剂的型砂；n 采用薄壳泥芯或中空泥芯，或在粗大的泥芯中间放置焦碳，炉渣等；n 减少泥芯骨和箱档的阻力。n 采用涂料，使铸型和泥芯表面光滑，防止粘砂以减少铸件收缩阻力；n 采用金属型铸造时将金属型预热。改进金属液引入铸型的方法采用冷铁加速局部冷却温度设置防裂筋3浇注条件方面减小浇冒口系统对铸件收缩的机械阻碍；减少铸件各部分温差；用冷铁消除热节的有害作用；控制浇注温度和速度 浇注薄壁件，为了减缓凝固速度并减少热裂倾向，通常要求较高的浇注温度和较快的浇注速度，面对于厚壁铸件则相反。4铸件结构方面 两截面相交处不要做成直角拐弯，而应做成圆角；应避免采用十字交叉的截面，应将交叉的截面错开；必须在铸件上采用不等厚度的截面时，应使铸件各部分收缩时彼此不发生阻碍。例如皮带轮，齿轮的轮辐应做成可伸缩的弯曲形状；可以采用铸焊结构，把一个铸件分成几部分铸出，然后把它们焊起来。
