鑄件形成理論6(第十章).

1、第十章 鑄件的熱裂10-1 概述10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機理10-3 影響熱裂形成的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑10-1 概述n熱裂是鑄件處于高溫狀態(tài)時形成的裂紋類缺陷，是常見的鑄造缺陷之一。n合金的熱裂性是重要的鑄造性能之一。n熱裂的外形不規(guī)則，彎彎曲曲，深淺不一，有時還有分叉，裂紋表面不光滑，可以看到樹枝晶，并呈現(xiàn)高溫氧化后的顏色，如鑄鋼為黑灰色，鑄鋁為暗灰色。10-1 概述n在鑄件表面可以觀察到的裂紋為外裂。外裂表面寬，內(nèi)部窄，有的貫穿整個斷面。它產(chǎn)生在鑄件的拐角處、截面厚度突變處、外冷鐵邊緣附近以及凝固冷卻緩慢且承受拉應力的部位。n隱藏在鑄件內(nèi)部的裂紋為內(nèi)裂。內(nèi)裂產(chǎn)生在鑄件最

2、后凝固的部位，如縮孔附近。n外裂大部分可用肉眼觀察到，細小的外裂需用磁力探傷，或熒光檢查等方法才能發(fā)現(xiàn)。內(nèi)裂需用X射線、超聲波探傷等檢查。BACK10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機理一、熱裂形成的溫度范圍n熱裂是在凝固溫度范圍內(nèi)鄰近固相線時形成的。此時合金處在固液態(tài)，故又稱結(jié)晶裂紋。采用x射線照像法測定碳鋼鑄件形成熱裂紋的溫度范圍。在鑄件凝固過程中，每隔一定時間，在記錄鑄件溫度的同時，攝取一張x射線底片。圖中“O”為產(chǎn)生熱裂前一測試時刻所記錄的溫度，“x”為在x射線底片上發(fā)現(xiàn)裂紋時的溫度，熱裂紋產(chǎn)生的溫度應在Ox之間。圖中O是硫含量偏向的情況，是磷含量偏高的情況。由圖可知，碳鋼產(chǎn)生熱裂的溫度

3、是在固相線附近，且隨著硫磷含量的增加而降低。10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機理一、熱裂形成的溫度范圍n必須指出，在鑄造條件下，合金的結(jié)晶都偏離平衡條件。合金在非衡條件下結(jié)晶，低熔點物質(zhì)被排斥到晶界上，形成晶界偏析，使實際固相線溫度下移，低于平衡固相線溫度。例如，在碳鋼中，當硫含量較高時，硫?qū)⑴cFe和FeO形成熔點僅為940的三元共晶存在于晶界上。因此，產(chǎn)生熱裂的溫度有時雖在平衡固相線以下，但不能認為它是在合金完全凝固以后形成的。10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機理一、熱裂形成的溫度范圍n通過分析熱裂紋斷口形貌也可推斷熱裂紋的形成溫度范圍。在掃描電鏡下觀察，在熱裂紋斷口處可以看到樹枝晶，枝

4、晶表面有層皺褶(如圖)。據(jù)此可推斷，熱裂紋是在固相線以上形成的，此時，晶間存在液體，在拉伸作用下，枝晶彼此相互移動，牽動晶間液膜變形、開裂，在凝固收縮時，變形的液體形成皺褶。10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機理一、熱裂形成的溫度范圍n因此可以認為，熱裂紋是在凝固溫度范圍內(nèi)、鄰近固相線時形成的，或者說是在有效結(jié)晶溫度范圍形成的。n所謂有效結(jié)晶溫度范圍，其上限指合金形成枝晶骨架，線收縮開始溫度，其下限為合金凝固終了的溫度。10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機理二、熱裂的形成機理1 液膜理論 液膜理論認為，熱裂紋的形成是由于鑄件在凝固末期晶間存在液膜和鑄件在凝固過程中受拉應力共同作用的結(jié)果。 液膜

5、是產(chǎn)生熱裂紋的根本原因，而鑄件收縮受阻是產(chǎn)生熱裂紋的必要條件。 為什么在“液膜期”合金產(chǎn)生熱裂的可能性最大，為便于討論，以成分為C。的合金為例，將其結(jié)晶過程分成以下幾個階段：10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機理二、熱裂的形成機理第一階段：合金處于液態(tài)，可以任意流動，不會產(chǎn)生熱裂。第二階段：合金處于液固態(tài)，枝晶未連成骨架，液體可在晶間自由流動，一旦出現(xiàn)裂紋，能被液體充填而愈合。此時也不產(chǎn)生熱裂。第三階段：合金處于固液態(tài)，枝晶彼此接觸，連成骨架，晶間的液體很少，流動困難。一旦在拉應力作用下產(chǎn)生裂紋，很難被液態(tài)金屬彌合，因此，在該階段產(chǎn)生熱裂的幾率最大。第四階段：合金處于固態(tài)，在固相線附近合金的塑

6、性好，在應力作用下，很容易發(fā)生塑性交形，形成裂紋的幾率很小。10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機理二、熱裂的形成機理 合金熱裂傾向與晶間液體的性質(zhì)密切相關(guān)。晶間液體鋪展液膜時，熱裂傾向顯著增大；若晶間液體呈球狀而不易鋪展時，合金熱裂傾向明顯減輕。 凡是降低晶間液膜表面張力的表面活性物質(zhì)皆使合金的抗裂性下降。鋼中的硫、磷為表面活性元素，故在一定范圍內(nèi)，隨其含量的增加，鋼的抗裂性下降。 如果晶間存在大量的低熔點物質(zhì)，液膜變厚，且熔點下降，也容易產(chǎn)生熱裂紋。10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機理二、熱裂的形成機理2 強度理論對合金的高溫力學性能的研究表明，溫度處于有效結(jié)晶溫度范圍內(nèi)的合金，強度和斷裂

7、應變都很低，呈脆性斷裂。因此有效結(jié)晶溫度范圍是合金的“熱脆區(qū)”。 Al-Cu合金的熱脆區(qū)熱脆區(qū)上限熱脆區(qū)下限處于熱脆區(qū)的鑄件，當收縮受阻時，便產(chǎn)生應力和變形。若應力超過合金在該溫度時的強度極限或變形超過塑性變形極限，鑄件便產(chǎn)生熱裂。10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機理二、熱裂的形成機理2 強度理論 熱裂紋的產(chǎn)生主要決定于在熱脆區(qū)TB內(nèi)合金的斷裂應變與鑄件因收縮受阻所產(chǎn)生的實際應變之間的對比關(guān)系。產(chǎn)生熱裂紋的條件可用右圖描述。橫坐標為溫度，縱坐標為鑄件產(chǎn)生的應變()和合金的斷裂應變()。熱脆區(qū)以TB表示。當TB及一定時，能否產(chǎn)生熱裂紋取決于在TB中的變化情況。10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成

8、機理二、熱裂的形成機理2 強度理論如果應變()按直線1變化， ，不產(chǎn)生熱裂紋；若為直線2時， ，是產(chǎn)生熱裂紋的臨界條件；若為直線3時， ，則必然產(chǎn)生熱裂紋。圖中剛好能產(chǎn)生熱裂紋的臨界應變增長率(即tg)與材料的性質(zhì)有關(guān)，它反應了材料的熱裂敏感性。tg越大，材料的熱裂敏感性越大。但是，合金的熱裂傾向性最終是TB、和的綜合影響所決定的。熱脆性區(qū)越大，金屬處在低塑性區(qū)的時間越長，則越易形成熱裂。在熱脆區(qū)內(nèi)金屬的斷裂應變越低，鑄件的越大，則越容易產(chǎn)生熱裂。10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機理二、熱裂的形成機理2 強度理論研究表明，合金在熱脆區(qū)內(nèi)的斷裂應變遠大于合金在該溫度的自由線收縮率。這就是說，即

9、使鑄件收縮受到剛性阻礙，如果鑄件能均勻變形，也不會產(chǎn)生熱裂。但是，在實際生產(chǎn)中，由于鑄件結(jié)構(gòu)特點或其它因素造成鑄件各部分的冷卻速度不一致，致使鑄件在凝固過程中各部分的溫度不同，抗變形能力也就不同。鑄件收縮受阻時，高溫區(qū)(熱節(jié))將產(chǎn)生集中變形。鑄件的溫度分布越不均勻，集中變形越嚴重，產(chǎn)生熱裂的可能性就越大。 因此，強度理論認為，合金存在熱脆區(qū)和在熱脆區(qū)內(nèi)合金的斷裂應變低是產(chǎn)生熱裂紋的重要原因，而鑄件的集中變形是產(chǎn)生熱裂紋的必要條件。BACK10-3 影響熱裂形成的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑一、影響因素 1鑄造合金性質(zhì) (1)化學成分對熱脆區(qū)的影響合金的熱脆區(qū)越大，熱裂傾向性就越大，而熱脆區(qū)的大

10、小與合金的化學成分有關(guān)。10-3 影響熱裂形成的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑n右圖為有限固溶體共晶型合金的熱裂傾向性，圖中陰影部分是合金的熱脆區(qū)。由圖可見，合金的結(jié)晶溫度范圍越大，熱脆區(qū)越大，合金的熱裂傾向性則越大；純金屬或接近共晶成分的合金，熱裂傾向小。n鋼中的S、P具有增大熱脆區(qū)的作用。因此，在鑄鋼中應嚴格控制S、P含量。10-3 影響熱裂形成的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑（2）化學成分與晶間層形態(tài) 熱裂紋的產(chǎn)生與晶間層性質(zhì)密切相關(guān)。晶界上存在易溶第三相且鋪展為液膜時，熱裂傾向顯著增大；若呈球狀，熱裂傾向性則顯著減小。例如，在鑄鋼中，當S、Mn含量滿足Mn3/S6.7時，硫化物呈球狀，熱裂

11、傾向明顯減輕。10-3 影響熱裂形成的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑（3）晶粒尺寸及形狀 晶粒越粗大，柱狀晶方向越明顯，產(chǎn)生熱裂的傾向性就越大。這是由于晶粒粗大，晶間的結(jié)合力低，而柱狀晶的晶間強度又低于等軸晶。某些合金鋼鑄件往往具有粗大的柱狀晶組織，故容易產(chǎn)生熱裂紋。10-3 影響熱裂形成的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑（4）合金的收縮量和相變 合金的收縮量越大，則越容易產(chǎn)生熱裂紋?；诣T鐵在凝固過程中發(fā)生石墨化膨脹，所以灰鑄鐵不易產(chǎn)生熱裂，而可鍛鑄鐵和鑄鋼件熱裂傾向性較大。10-3 影響熱裂形成的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑2 鑄型方面的影響 鑄型阻力的大小主要決定于鑄型的退讓性，濕型的退讓性比干

12、型好，采用濕型生產(chǎn)鑄件熱裂傾向性小。所有有機粘結(jié)劑型砂都有很好的退讓性，故可以減輕鑄件產(chǎn)生熱裂的傾向性。 砂箱的箱檔和芯骨離鑄件太近，會加大鑄件收縮阻力，鑄件容易產(chǎn)生熱裂。10-3 影響熱裂形成的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑3 澆注條件方面的影響 (1)澆冒口系統(tǒng)靠近澆冒口部位溫度高，冷卻速度較慢，易產(chǎn)生集中變形，故易形成熱裂。因此，為防止鑄件產(chǎn)生縮孔而采用順序凝固原則時，則要根據(jù)合金的特點和可能出現(xiàn)的缺陷(熱裂紋)綜合考慮。澆冒口的布置也可能造成鑄件收縮時的機械阻礙，導致鑄件產(chǎn)生熱裂(如圖)。鑄件的披縫也會阻礙鑄件收縮，引起熱裂。10-3 影響熱裂形成的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑3 澆注條

13、件方面的影響 (2)澆注工藝 澆注工藝對熱裂傾向性的影響沒有一個簡單的規(guī)律。 提高澆注溫度可減輕薄壁鑄件的熱裂傾向。這是因為，一方面，增大了高溫對鑄型材料的熱作用時間，使之失去強度，提高鑄型的退讓性，另一方面，降低了鑄件收縮速度和集中變形程度。但對于厚大鑄件，澆注溫度過高，會使鑄件晶粒粗大，晶間結(jié)合力降低，增加熱裂的傾向性。澆注速度是通過改變鑄件的溫度分布影響熱裂的。對于薄壁件，加快填充速度，可防止局部過熱；對于厚壁鑄件，則要求盡可能減小澆注速度。10-3 影響熱裂形成的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑4 鑄件結(jié)構(gòu)的影響鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，在尖角處容易產(chǎn)生應力集中，熱裂則容易在這些部分產(chǎn)生。例如，

14、鑄件兩壁直角相交，兩壁十字相交或相交處圓角過小，在交接處容易產(chǎn)生熱裂(如圖a)，若改用圖b所示的圓弧形過渡，則可消除熱裂紋。10-3 影響熱裂形成的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑4 鑄件結(jié)構(gòu)的影響 鑄件厚薄不均，各處冷卻速度不同，溫度分布極不均勻，厚大部分產(chǎn)生較大的集中變形，容易產(chǎn)生熱裂紋。 澆冒口開設(shè)不當，或由于結(jié)構(gòu)原因，鑄件收縮嚴重受阻礙，則增大鑄件收縮應力，在熱節(jié)處產(chǎn)生過大的集中變形，容易產(chǎn)生熱裂。10-3 影響熱裂形成的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑二、防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑 根據(jù)以上討論可知，凡是能夠減小熱裂傾向性的因素均可據(jù)以制定出防止鑄件產(chǎn)生熱裂的措施。 1合金成分、熔煉工藝 1)在

15、不影響鑄件使用性能的前提下，可適當調(diào)正合金的化學成分，或選擇熱裂傾向性較小的合金，例如，選用接近共晶成分的合金。2)減小合金中的有害雜質(zhì)。應盡可能地降低鋼中硫、磷的含量，硫?qū)崃训挠绊懹葹槊舾小Ｒ虼?，應嚴格控制爐料中硫的含量，并在熔化過程中加強脫硫脫磷。10-3 影響熱裂形成的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑二、防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑 根據(jù)以上討論可知，凡是能夠減小熱裂傾向性的因素均可據(jù)以制定出防止鑄件產(chǎn)生熱裂的措施。 1合金成分、熔煉工藝 3)改善合金的脫氧工藝，提高脫氧效果。例如，采用綜合脫氧劑可以減少夾雜物，且改善夾雜物在鑄件中的形態(tài)和分布，從而提高抗裂能力。 4)細化初晶組織，對合金進行孕

16、育處理以細化晶粒，消除柱狀晶。 采用懸浮澆注法，細化初晶，提高機械強度；用超聲波振動可使鑄鋼件晶粒細化；金屬在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下凝固也可使晶粒細化，并能消除熱節(jié)。10-3 影響熱裂形成的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑二、防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑 2鑄型方面 1)改善砂型和砂芯的潰散性。采用粘土砂時，可加入些木屑，以提高型芯的潰散性；以濕砂型代替干砂型；采用薄壁空心型芯或在型芯內(nèi)加入松散材料(如碎焦炭、草繩等)，減小芯骨和箱檔可能引起的阻礙，春砂不應過硬。2)采用涂料使型腔表面光滑以減小鑄件和鑄型之間的摩擦阻力。10-3 影響熱裂形成的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑二、防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑 3澆注條件

17、方面1)減小澆冒口系統(tǒng)對鑄件收縮的機械阻礙，2)減少鑄件各部分溫差。內(nèi)繞道開設(shè)在鑄件薄的部分，或采用多內(nèi)澆道分散引入，不使每個內(nèi)繞道流經(jīng)金屬液過多，使鑄件各部分的溫度趨于一致，防止鑄件局部產(chǎn)生集中變形3)用冷鐵消除熱節(jié)的有害作用。在鑄件壁與壁的相交處放置冷鐵，加快該處的冷卻，消除熱節(jié)，減輕集中變形。澆注薄壁件，為了減緩凝固速度并減少熱裂頓向，通常要求較高的澆注溫度和較快的澆注速度。而對厚壁件則相反。10-3 影響熱裂形成的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑二、防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑 4鑄件結(jié)構(gòu)方面鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理是熱裂產(chǎn)生的原因之一，設(shè)計鑄件時應注意以下幾點：1)兩壁相交處應做成圓角；2)避免兩壁十字交叉，將交叉的壁錯開；3)必須在鑄件上采用不等厚度截面時，應盡可能使鑄件各部分收縮時彼此不發(fā)生阻礙。例如將皮帶輪的輪輻做成彎曲形狀。10-3 影響熱裂