大型铸钢件热裂阻止措施研究

杜宏伟

摘要:铸钢是一种很重要的金属材料,它具有优良的物理化学性能。在机械行业中,大型铸钢件有重要用途,特别是一些军事行业。然而,在铸造过程中,会产生热裂现象,进而使铸件报废。因此,阻止热裂现象的研究是机械行业的头等事之一。

关键词:铸钢件;热裂;阻止措施;内应力

近年来,随着生产和科学技术的迅猛发展,国内外在铸钢方面的发展是很快的,很多新的钢种和新的冶炼技术的不断出现,铸造的技术水平也在不断的提高。这就要求我们不断地就探索新的、好的方法去实现铸钢件的快速发展,为国家作出更大的贡献,在大型铸钢件的一些缺陷上如热裂方面必须作出调整。在铸造的过程中,我们必须不断的完善方法,做到精益求精,这样才能在世界制造行业中立于不败之地。

铸造是熔炼金属,制造铸型,并将熔融金属浇注,压入或吸入铸型型腔,凝固后获得一定形状与性能的毛坯或零件的成型方法。铸造所获得的毛坯或零件即为铸件。大型铸钢件是铸造的一种,其中,大型铸钢件缺陷的形成与铸件设计、型砂(包括涂料)、炼钢、造型、精整、补焊及热处理过程有关。在这些过程中如果控制不当就会形成缺陷,有的缺陷还不是一种原因形成的。要消除或减少缺陷还必须综合治理才会收到良好的效果,目前,某些缺陷尚难完全避免。当铸造内应力超过金属材料的抗拉强度时,铸件便会产生裂纹。裂纹是严重的铸件缺陷,必须设法防止。根据产生时温度的不同,裂纹可分为热裂和冷裂两种。

1 热裂

热裂是凝固后期,高温下的金属强度很低,金属产生较大的线收缩,而受到铸型或型芯的阻碍,产生的机械应力超过该温度下金属的抗拉强度,便产生热裂。其形状特征是:尺寸较短,缝隙较宽,形状曲折,缝内呈现严重的氧化色。

2 内应力

铸造内应力主要是由于铸件在固态下的收缩受阻而引起的。这些阻碍包括机械阻碍和热阻碍。机械阻碍引起的内应力容易理解,如型芯、铸型或浇冒口等对铸件收缩的阻碍。这样产生的应力是暂时性的,一旦机械阻碍消除,应力便会自行消失。

热应力则较难理解,它与铸件结构有关。壁厚不均铸件,冷却过程中各部分冷速不一,薄壁部分由于冷速快,率先从塑性变形阶段进入弹性变形阶段,此时,由于壁厚部分仍处于塑性变形阶段,厚、薄两部分之间不会产生应力;当厚壁部分从塑性变形阶段进入弹性变形阶段进行弹性收缩时,由于这两部分为一整体,厚壁部分的弹性收缩必然受到薄壁部分的弹性阻碍,为维持它们共同的长度,厚壁部分受到薄壁部分对它的拉应力,而薄壁部分则受到相反的力——压应力。因此,必须尽量使铸件壁厚均匀,避免金属局部积聚,以减小热应力。

铸件的内应力将导致铸件发生变形,甚至变形。所以,首要任务是消除内应力。

3热裂产生的原因

合金性质。铸造金属的结晶特点和化学成分对热裂的产生均有明显的影响。合金的结晶温度范围愈宽,凝固收缩量愈大,合金的热裂倾向也愈大。灰铸铁和球墨铸铁由于凝固收缩较小,故热裂倾向也较小。铸钢、某些铸铝合金、白口铸铁的热裂倾向较大。如:硫、磷等有害元素含量偏高形成热裂纹;钢中的夹杂物与偏析容易形成应力集中。

4铸型阻力

铸型、型芯的退让性对热裂的形成有着重要影响。退让性愈好,机械应力愈小,形成热裂的可能性也愈小。如:钢液的线收缩性越大,热裂纹倾向越大;铸件设计的结构不良易产生局部应力集中,也会导致热裂纹;钢液浇注温度偏高,易产生热裂纹;铸件浇、冒口排列位置不当,导致收缩受阻而产生热裂纹;砂型舂的过紧,退让性不良,阻碍收缩,增加热裂倾向;铸件冷却速度过快或松箱时间不合理,都会造成更大的冷却应力,增加热裂倾向;铸件切割浇、冒口不当,也会导致热裂。

5预防热裂的措施

合金化学成分。对于铸钢件,在技术条件允许的情况下,取中碳钢之下限,用含ωc为0.21%-0.25%的中碳钢取代低碳钢,特别是钢铸件结构复杂时就很有必要,以免产生严重的热裂缺陷。钢中的硫、磷应控制在ωs<0.025%,ωp<0.03%。

加入使晶粒细化的元素是防止热裂的有效措施。例如,对于碳钢和合金钢铸件进行微合金化和变质处理可使一次结晶的晶粒细化,降低铸件热裂倾向。常用的微合金化元素有铌(Nb)、钒(V)、钛(Ti)、锆(Zr)和稀土(RE)等元素。

另外,适当调整热裂倾向大的合金成分,降低合金的线收缩,尽可能减少的气孔、缩孔和夹杂等缺陷,也有利于降低铸件的热裂倾向性。

6 铸造工艺

从防止铸件产生热裂方面说,在生产实际中应根据铸件结构的特点,正确采取各种铸造工艺措施,综合性的防止铸件热裂。要合理的选择造型材料,使型砂具有良好的高温退让性,使铸件凝固外壳能自由的线收缩,减少外壳的收缩应力。正确设计浇注系统,单个内浇道截面积不宜过大,尽量采用分散的多道内浇道,避免浇道与铸件浇道处形成热节。浇、冒口与铸件连接处要有适当圆角,澆冒口形状和位置不应阻碍铸件的正常收缩,并保证铸件各部位的凝固速度尽量趋于一致。改进铸件结构设计,尽量使铸件壁厚均匀,避免壁厚突变和多重交接。两壁交接处应有足够大的过渡圆角半径,避免十字形交叉的热节,将其改成T型热节。在易产生拉应力的部位合理设置防裂肋和冷铁。

铸件壁的连接应尽量避免金属积聚和内应力的产生。铸件壁的转角处一般应有结构圆角。铸造圆角的大小应与铸件的壁厚相适应。通常应使转角处铸造内圆角R小于相邻壁厚的1.5倍,过大则增加缩孔倾向。为减少铸件上的热节和应力集中现象,防止热裂,铸件壁与之间壁应避免锐角连接,厚、薄壁之间的连接也应逐步过渡,避免突变。

为防止热裂,可在铸件易裂处增设防裂筋,为使防裂筋能起应有的防裂效果,筋的方向应和机械应力方向一致,且筋的厚度应为连接壁厚的1/4-1/3。由于防裂筋很薄,故在冷却过程中先凝固而具有较高的强度,从而增加了壁间的连接力。防裂筋常用于铸钢等易热裂的合金。

在圆角和易裂处,合理放置外冷铁,可以使此部位加速冷却,首先凝固,从而保证在铸件收缩时,此部位具有足够的抗拉强度来承受应力以避免热裂的产生。

适当的松箱时间可以使还处于高温状态的铸件减少承受由于压箱或箱间紧固所叠加的那部分应力,从而减小铸件产生热裂的机会;同时适当延长铸件浇注后在原地的留存时间对避免铸件热裂也有一定的作用。

对于大型轮形铸钢件,轮辐和辐板的形式不同,其抗裂效果也不同。应尽量避免偶数对称排列的轮辐和水平式辐板。如偶数轮辐连接,当合金的收缩较大且轮毂、轮缘与轮辐的厚度差较大时,其冷却速度不同,收缩时间不一致,因而形成较大的内应力。偶数轮辐难以使铸件的应力通过变形而自行松弛,固轮辐与轮缘连接处常产生了裂纹。采用奇数轮辐连接,则因每根轮辐位置相对的部位为轮缘,其应力可通过轮缘的微量变形来松弛,从而避免裂纹的产生。

总结。铸钢在工业中的应用是极为广泛的。新世纪的铸钢工业面临着技术、管理、经济和生态环境四个方面的挑战,所以其发展的特征不再是产量和数量的增加,而是产量相对稳定或略微降势,但是钢铸件的质量、品种、性能以及合金钢和特殊钢的比例不断增加。由于铸钢有较高的强度、塑性和韧性,因而在重型力学中用于制造承受巨大载荷的重型零件,例如,摇枕、侧架都是采用铸钢件。为了能铸出良好的铸钢件,必须采用合理而完善的铸造工艺,在铸造工艺方面,不仅要保证钢铸件在结构形状及尺寸上符合技术要求,而且应特别重视对铸件的凝固过程进行控制,以保证铸件具有良好的内在质量。对铸件的凝固过程进行正确而有效的控制,才能得到组织致密的、无缩孔和裂纹等内部缺陷的健全铸件。

通过分析大型铸钢件产生热裂的原因,对其阻止措施进行了分析,其可行性得到了肯定,希望我们的研究能够对获得优质铸钢件提供帮助。

参考文献

[1]钱继峰,路学成,曹海泉.热加工工艺基础.北京:北京大学出版社,2006.8.

[2]耿浩然,章希胜,陈俊华.铸钢.北京:化学工业出版社,2007.1.

[3]游文明.工程材料与热加工.北京:高等教育出版社,2007.10.

[4]王广生等.金属热处理缺陷分析及案例.北京:机械工业出版社,2000.

[5]张洁.金属热处理及检验. 北京:化学工业出版社,2005.3.

[6]范逸明.简明金属热处理工手册.北京:国防工业出版社,2006.3.

[7]孙盛玉.热处理分析图谱.大连:大连出版社,2003.11.

[8]宋昭祥.机械制造基础.北京:机械工业出版社,2000.