分析鑄鋼件裂紋的成因與控制措施

呂 威

中車齊齊哈爾車輛有限公司

分析鑄鋼件裂紋的成因與控制措施

呂 威

中車齊齊哈爾車輛有限公司

鑄鋼件在鑄造生產過中由于各種原因，往往會出現裂紋，嚴重時會給鑄件造成至命的破壞而報廢。特別是一些大型鑄鋼件，由于零件尺寸大，重量重，運輸很不方便，在現場安裝時發現裂紋，通過制定合理的焊補措施使之得到修復，達到使用性能要求，是很有意義的。基于此，本文將著重分析探討鑄鋼件裂紋的成因與有效控制措施，以期能為以后的實際工作起到一定的借鑒作用。

鑄鋼件；裂紋；成因；控制

1 、鑄鋼件熱裂控制

熱裂是鑄鋼件處于塑性變形的狀態下產生的，由于鑄件處于高溫狀態，裂口斷面被嚴重氧化而呈氧化色，當鑄鋼件緩慢冷卻時，裂口的邊緣尚有脫碳現象，有時還可以發現樹枝狀結晶。存在于鑄件表面的熱裂紋，裂縫較寬而成撕裂狀，裂口粗糙，其微觀組織為晶間斷裂，與冷裂紋有顯著區別。熱裂紋一般分為三種，即外熱裂紋、內熱裂紋和皮下熱裂紋。外熱裂紋存在于鑄件表面，一般肉眼能看到。而后兩種熱裂紋隱藏在鑄件內部，無法目視檢查到，只能在加工后才能看到。在三種熱裂紋當中，外熱裂紋最為常見，它與冷裂紋的明顯區別是其形成在鑄件的表面呈單條或多條裂紋，裂紋長度短，走向扭曲，互不連續，裂紋表面呈現黑的氧化色。

針對鑄鋼件熱裂，我們主要采取的控制如下：1)選擇熱裂敏感小的鑄造合金，嚴格控制有害元素S的含量。不同鑄造合金，對熱裂的敏感性也不同。凡是凝固過程中收縮系數較小，凝固時形成的固相的強度較高的合金，其熱裂敏感性較小。因此凡有利于提高固相線附近結殼高溫強度和降低結殼收縮率的因素都有利于減緩熱裂的產生。表1所示為某些合金鋼在固相線以上30～40℃時的高溫強度。

2)嚴格控制型砂強度及含水量。以水玻璃脂自硬砂鑄造為例，型砂強度一般在在3.5-3.8范圍內。強度過高，導致型殼退讓性降低，使收縮受阻加大了熱裂傾向，鑄件更易形成裂紋；強度太低，型砂在澆注是易脫落、粉化，造成砂眼氣孔，進而導致鑄件在凝固過程中因受力不均造成熱裂。另造型時可在泥芯中添加草繩，以增加其退讓性。3)設置防裂工藝肋。如果用戶允許鑄件結構改進，可以在易產生熱裂的部位設置防裂工藝肋。防裂工藝肋不僅可以提高鑄件熱裂部位的強度，更主要是可起散熱片作用，改善散熱條件，也可使澆注金屬合理分流，從而減緩“熱點”集中程度，緩解熱裂的產生。因此防裂工藝肋不宜厚，一般為相應部位壁厚的1/3左右，但為保證澆足，厚度應大于2mm。

2 、鑄鋼件應力冷裂控制

應力冷裂是鑄件凝固后冷卻到彈性狀態時，因鑄件局部鑄造應力大于合金的極限強度而引致的裂紋。應力冷裂紋總是發生在冷卻過程中承受拉應力的部位，特別是拉應力集中的部位。應力冷裂紋與熱裂紋不同，冷裂紋往往穿晶擴展到整個截面，外形呈寬度均勻細長的直線或折線狀，冷裂紋的斷口表面干凈有金屬光澤或呈輕度氧化色，裂紋走向平滑，而非沿晶界發生。這與熱裂紋有顯著的不同。冷裂紋檢驗用肉眼可見，可根據其宏觀形貌及穿晶擴展的微觀特征與熱裂紋進行區別。當鑄件內的鑄造應力大于金屬的強度極限時，鑄件將產生應力冷裂紋。如圖1。

圖1

針對鑄鋼件應力冷裂紋，我們主要采取的控制如下：1)改進鑄件結構設計，壁厚力求均勻，平滑過渡，鑄件內腔圓角要足夠大，工藝筋設計要合理，盡量減少鑄件收縮阻力。2)加強合金精煉，減少鑄件中氣孔、夾雜、縮孔、疏松、粗大樹枝晶等導致應力集中、萌生裂紋的缺陷。3)延長鑄件在型內的冷卻時間，以免開箱過早在鑄件內產生較大的內應力。鑄型澆注后保溫至少12小時后再開箱。4)鑄件在落砂、清理及搬運過程中盡量避免碰撞。5)殘余應力過大或裂紋傾向嚴重的鑄件，在清理、機加工和使用前應進行熱時效或振動時效處理，降低鑄件內的殘余應力。鑄件熱時效規范：加熱和冷卻速度為每小時小于50℃，中間的保溫溫度為550℃，保溫時間為2小時加每厘米壁厚1小時。6)切割澆冒口之前，要對澆冒口根部及其附近位置預熱至150-200℃。

3 、工程實例分析

以焊補處理錘式破碎機關鍵件－橫梁環卷為例，該件重22噸，材質ZG270-500，針對裂紋情況，采取以下控制措施：

考慮焊縫本身有橫向收縮量，輕者咬邊，重者出現縱向裂紋，因此，為避免焊縫本身收縮引起的裂紋傾向，盡可能促使基體平衡吸收，采用多層多道焊接。先在坡口二側各焊一道縱焊縫，再橫向來回焊接，每層焊縫焊后清渣，并檢查有否裂紋，若有應磨掉，焊縫表面應圓滑過渡，每處焊縫應不間斷連續焊接，直至填滿整條焊縫。

為防止工件變形和盡可能減少焊接過程應力產生，工件墊平墊穩，先同時在a、d二處進行操作，包括開坡口和焊補，完工后立即運用遠紅外電加熱裝置，對焊縫進行500℃～570℃焊后回火處理。然后，按上述同樣步驟對b、c二處裂紋以及工件翻身后對遺漏缺陷進行處理。

總而言之，鑄鋼件在鑄造過程中常會產生裂紋，通常情況下將鑄造裂紋分為熱裂紋和冷裂紋，為保證其質量，就要求我們在以后的實際工作中必須進一步研究探討對鑄鋼件裂紋的成因分析及控制。

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表1 合金鋼在固相線以上30～40℃時的高溫強度