铸件形成理论6(第十章)

1、第十章 铸件的热裂10-1 概述10-2 热裂形成的温度范围及形成机理10-3 影响热裂形成的因素和防止铸件产生热裂的途径10-1 概述n热裂是铸件处于高温状态时形成的裂纹类缺陷，是常见的铸造缺陷之一。n合金的热裂性是重要的铸造性能之一。n热裂的外形不规则，弯弯曲曲，深浅不一，有时还有分叉，裂纹表面不光滑，可以看到树枝晶，并呈现高温氧化后的颜色，如铸钢为黑灰色，铸铝为暗灰色。10-1 概述n在铸件表面可以观察到的裂纹为外裂。外裂表面宽，内部窄，有的贯穿整个断面。它产生在铸件的拐角处、截面厚度突变处、外冷铁边缘附近以及凝固冷却缓慢且承受拉应力的部位。n隐藏在铸件内部的裂纹为内裂。内裂产生在铸件最

2、后凝固的部位，如缩孔附近。n外裂大部分可用肉眼观察到，细小的外裂需用磁力探伤，或荧光检查等方法才能发现。内裂需用X射线、超声波探伤等检查。BACK10-2 热裂形成的温度范围及形成机理一、热裂形成的温度范围n热裂是在凝固温度范围内邻近固相线时形成的。此时合金处在固液态，故又称结晶裂纹。采用x射线照像法测定碳钢铸件形成热裂纹的温度范围。在铸件凝固过程中，每隔一定时间，在记录铸件温度的同时，摄取一张x射线底片。图中“O”为产生热裂前一测试时刻所记录的温度，“x”为在x射线底片上发现裂纹时的温度，热裂纹产生的温度应在Ox之间。图中O是硫含量偏向的情况，是磷含量偏高的情况。由图可知，碳钢产生热裂的温度

3、是在固相线附近，且随着硫磷含量的增加而降低。10-2 热裂形成的温度范围及形成机理一、热裂形成的温度范围n必须指出，在铸造条件下，合金的结晶都偏离平衡条件。合金在非衡条件下结晶，低熔点物质被排斥到晶界上，形成晶界偏析，使实际固相线温度下移，低于平衡固相线温度。例如，在碳钢中，当硫含量较高时，硫将与Fe和FeO形成熔点仅为940的三元共晶存在于晶界上。因此，产生热裂的温度有时虽在平衡固相线以下，但不能认为它是在合金完全凝固以后形成的。10-2 热裂形成的温度范围及形成机理一、热裂形成的温度范围n通过分析热裂纹断口形貌也可推断热裂纹的形成温度范围。在扫描电镜下观察，在热裂纹断口处可以看到树枝晶，枝

4、晶表面有层皱褶(如图)。据此可推断，热裂纹是在固相线以上形成的，此时，晶间存在液体，在拉伸作用下，枝晶彼此相互移动，牵动晶间液膜变形、开裂，在凝固收缩时，变形的液体形成皱褶。10-2 热裂形成的温度范围及形成机理一、热裂形成的温度范围n因此可以认为，热裂纹是在凝固温度范围内、邻近固相线时形成的，或者说是在有效结晶温度范围形成的。n所谓有效结晶温度范围，其上限指合金形成枝晶骨架，线收缩开始温度，其下限为合金凝固终了的温度。10-2 热裂形成的温度范围及形成机理二、热裂的形成机理1 液膜理论 液膜理论认为，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

5、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。 为什么在“液膜期”合金产生热裂的可能性最大，为便于讨论，以成分为C。的合金为例，将其结晶过程分成以下几个阶段：10-2 热裂形成的温度范围及形成机理二、热裂的形成机理第一阶段：合金处于液态，可以任意流动，不会产生热裂。第二阶段：合金处于液固态，枝晶未连成骨架，液体可在晶间自由流动，一旦出现裂纹，能被液体充填而愈合。此时也不产生热裂。第三阶段：合金处于固液态，枝晶彼此接触，连成骨架，晶间的液体很少，流动困难。一旦在拉应力作用下产生裂纹，很难被液态金属弥合，因此，在该阶段产生热裂的几率最大。第四阶段：合金处于固态，在固相线附近合金的塑

6、性好，在应力作用下，很容易发生塑性交形，形成裂纹的几率很小。10-2 热裂形成的温度范围及形成机理二、热裂的形成机理 合金热裂倾向与晶间液体的性质密切相关。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，合金热裂倾向明显减轻。 凡是降低晶间液膜表面张力的表面活性物质皆使合金的抗裂性下降。钢中的硫、磷为表面活性元素，故在一定范围内，随其含量的增加，钢的抗裂性下降。 如果晶间存在大量的低熔点物质，液膜变厚，且熔点下降，也容易产生热裂纹。10-2 热裂形成的温度范围及形成机理二、热裂的形成机理2 强度理论对合金的高温力学性能的研究表明，温度处于有效结晶温度范围内的合金，强度和断裂

7、应变都很低，呈脆性断裂。因此有效结晶温度范围是合金的“热脆区”。 Al-Cu合金的热脆区热脆区上限热脆区下限处于热脆区的铸件，当收缩受阻时，便产生应力和变形。若应力超过合金在该温度时的强度极限或变形超过塑性变形极限，铸件便产生热裂。10-2 热裂形成的温度范围及形成机理二、热裂的形成机理2 强度理论 热裂纹的产生主要决定于在热脆区TB内合金的断裂应变与铸件因收缩受阻所产生的实际应变之间的对比关系。产生热裂纹的条件可用右图描述。横坐标为温度，纵坐标为铸件产生的应变()和合金的断裂应变()。热脆区以TB表示。当TB及一定时，能否产生热裂纹取决于在TB中的变化情况。10-2 热裂形成的温度范围及形成

8、机理二、热裂的形成机理2 强度理论如果应变()按直线1变化， ，不产生热裂纹；若为直线2时， ，是产生热裂纹的临界条件；若为直线3时， ，则必然产生热裂纹。图中刚好能产生热裂纹的临界应变增长率(即tg)与材料的性质有关，它反应了材料的热裂敏感性。tg越大，材料的热裂敏感性越大。但是，合金的热裂倾向性最终是TB、和的综合影响所决定的。热脆性区越大，金属处在低塑性区的时间越长，则越易形成热裂。在热脆区内金属的断裂应变越低，铸件的越大，则越容易产生热裂。10-2 热裂形成的温度范围及形成机理二、热裂的形成机理2 强度理论研究表明，合金在热脆区内的断裂应变远大于合金在该温度的自由线收缩率。这就是说，即

9、使铸件收缩受到刚性阻碍，如果铸件能均匀变形，也不会产生热裂。但是，在实际生产中，由于铸件结构特点或其它因素造成铸件各部分的冷却速度不一致，致使铸件在凝固过程中各部分的温度不同，抗变形能力也就不同。铸件收缩受阻时，高温区(热节)将产生集中变形。铸件的温度分布越不均匀，集中变形越严重，产生热裂的可能性就越大。 因此，强度理论认为，合金存在热脆区和在热脆区内合金的断裂应变低是产生热裂纹的重要原因，而铸件的集中变形是产生热裂纹的必要条件。BACK10-3 影响热裂形成的因素和防止铸件产生热裂的途径一、影响因素 1铸造合金性质 (1)化学成分对热脆区的影响合金的热脆区越大，热裂倾向性就越大，而热脆区的大

10、小与合金的化学成分有关。10-3 影响热裂形成的因素和防止铸件产生热裂的途径n右图为有限固溶体共晶型合金的热裂倾向性，图中阴影部分是合金的热脆区。由图可见，合金的结晶温度范围越大，热脆区越大，合金的热裂倾向性则越大；纯金属或接近共晶成分的合金，热裂倾向小。n钢中的S、P具有增大热脆区的作用。因此，在铸钢中应严格控制S、P含量。10-3 影响热裂形成的因素和防止铸件产生热裂的途径（2）化学成分与晶间层形态 热裂纹的产生与晶间层性质密切相关。晶界上存在易溶第三相且铺展为液膜时，热裂倾向显著增大；若呈球状，热裂倾向性则显著减小。例如，在铸钢中，当S、Mn含量满足Mn3/S6.7时，硫化物呈球状，热裂

11、倾向明显减轻。10-3 影响热裂形成的因素和防止铸件产生热裂的途径（3）晶粒尺寸及形状 晶粒越粗大，柱状晶方向越明显，产生热裂的倾向性就越大。这是由于晶粒粗大，晶间的结合力低，而柱状晶的晶间强度又低于等轴晶。某些合金钢铸件往往具有粗大的柱状晶组织，故容易产生热裂纹。10-3 影响热裂形成的因素和防止铸件产生热裂的途径（4）合金的收缩量和相变 合金的收缩量越大，则越容易产生热裂纹。灰铸铁在凝固过程中发生石墨化膨胀，所以灰铸铁不易产生热裂，而可锻铸铁和铸钢件热裂倾向性较大。10-3 影响热裂形成的因素和防止铸件产生热裂的途径2 铸型方面的影响 铸型阻力的大小主要决定于铸型的退让性，湿型的退让性比干

12、型好，采用湿型生产铸件热裂倾向性小。所有有机粘结剂型砂都有很好的退让性，故可以减轻铸件产生热裂的倾向性。 砂箱的箱档和芯骨离铸件太近，会加大铸件收缩阻力，铸件容易产生热裂。10-3 影响热裂形成的因素和防止铸件产生热裂的途径3 浇注条件方面的影响 (1)浇冒口系统靠近浇冒口部位温度高，冷却速度较慢，易产生集中变形，故易形成热裂。因此，为防止铸件产生缩孔而采用顺序凝固原则时，则要根据合金的特点和可能出现的缺陷(热裂纹)综合考虑。浇冒口的布置也可能造成铸件收缩时的机械阻碍，导致铸件产生热裂(如图)。铸件的披缝也会阻碍铸件收缩，引起热裂。10-3 影响热裂形成的因素和防止铸件产生热裂的途径3 浇注条

13、件方面的影响 (2)浇注工艺 浇注工艺对热裂倾向性的影响没有一个简单的规律。 提高浇注温度可减轻薄壁铸件的热裂倾向。这是因为，一方面，增大了高温对铸型材料的热作用时间，使之失去强度，提高铸型的退让性，另一方面，降低了铸件收缩速度和集中变形程度。但对于厚大铸件，浇注温度过高，会使铸件晶粒粗大，晶间结合力降低，增加热裂的倾向性。浇注速度是通过改变铸件的温度分布影响热裂的。对于薄壁件，加快填充速度，可防止局部过热；对于厚壁铸件，则要求尽可能减小浇注速度。10-3 影响热裂形成的因素和防止铸件产生热裂的途径4 铸件结构的影响铸件结构设计不合理，在尖角处容易产生应力集中，热裂则容易在这些部分产生。例如，

14、铸件两壁直角相交，两壁十字相交或相交处圆角过小，在交接处容易产生热裂(如图a)，若改用图b所示的圆弧形过渡，则可消除热裂纹。10-3 影响热裂形成的因素和防止铸件产生热裂的途径4 铸件结构的影响 铸件厚薄不均，各处冷却速度不同，温度分布极不均匀，厚大部分产生较大的集中变形，容易产生热裂纹。 浇冒口开设不当，或由于结构原因，铸件收缩严重受阻碍，则增大铸件收缩应力，在热节处产生过大的集中变形，容易产生热裂。10-3 影响热裂形成的因素和防止铸件产生热裂的途径二、防止铸件产生热裂的途径 根据以上讨论可知，凡是能够减小热裂倾向性的因素均可据以制定出防止铸件产生热裂的措施。 1合金成分、熔炼工艺 1)在

15、不影响铸件使用性能的前提下，可适当调正合金的化学成分，或选择热裂倾向性较小的合金，例如，选用接近共晶成分的合金。2)减小合金中的有害杂质。应尽可能地降低钢中硫、磷的含量，硫对热裂的影响尤为敏感。因此，应严格控制炉料中硫的含量，并在熔化过程中加强脱硫脱磷。10-3 影响热裂形成的因素和防止铸件产生热裂的途径二、防止铸件产生热裂的途径 根据以上讨论可知，凡是能够减小热裂倾向性的因素均可据以制定出防止铸件产生热裂的措施。 1合金成分、熔炼工艺 3)改善合金的脱氧工艺，提高脱氧效果。例如，采用综合脱氧剂可以减少夹杂物，且改善夹杂物在铸件中的形态和分布，从而提高抗裂能力。 4)细化初晶组织，对合金进行孕

16、育处理以细化晶粒，消除柱状晶。 采用悬浮浇注法，细化初晶，提高机械强度；用超声波振动可使铸钢件晶粒细化；金属在旋转磁场的作用下凝固也可使晶粒细化，并能消除热节。10-3 影响热裂形成的因素和防止铸件产生热裂的途径二、防止铸件产生热裂的途径 2铸型方面 1)改善砂型和砂芯的溃散性。采用粘土砂时，可加入些木屑，以提高型芯的溃散性；以湿砂型代替干砂型；采用薄壁空心型芯或在型芯内加入松散材料(如碎焦炭、草绳等)，减小芯骨和箱档可能引起的阻碍，春砂不应过硬。2)采用涂料使型腔表面光滑以减小铸件和铸型之间的摩擦阻力。10-3 影响热裂形成的因素和防止铸件产生热裂的途径二、防止铸件产生热裂的途径 3浇注条件

17、方面1)减小浇冒口系统对铸件收缩的机械阻碍，2)减少铸件各部分温差。内绕道开设在铸件薄的部分，或采用多内浇道分散引入，不使每个内绕道流经金属液过多，使铸件各部分的温度趋于一致，防止铸件局部产生集中变形3)用冷铁消除热节的有害作用。在铸件壁与壁的相交处放置冷铁，加快该处的冷却，消除热节，减轻集中变形。浇注薄壁件，为了减缓凝固速度并减少热裂顿向，通常要求较高的浇注温度和较快的浇注速度。而对厚壁件则相反。10-3 影响热裂形成的因素和防止铸件产生热裂的途径二、防止铸件产生热裂的途径 4铸件结构方面铸件结构设计不合理是热裂产生的原因之一，设计铸件时应注意以下几点：1)两壁相交处应做成圆角；2)避免两壁十字交叉，将交叉的壁错开；3)必须在铸件上采用不等厚度截面时，应尽可能使铸件各部分收缩时彼此不发生阻碍。例如将皮带轮的轮辐做成弯曲形状。10-3 影响热裂