熔模铸钢件热裂缺陷的研究与防止

李长东

（一汽铸造有限公司特种铸造厂，吉林长春 130011）

·应用研究·

熔模铸钢件热裂缺陷的研究与防止

李长东

（一汽铸造有限公司特种铸造厂，吉林长春 130011）

针对熔模铸造铸钢件的热裂问题，对形成机理进行了分析，提出有效的防止措施，显著降低铸件热裂废品率。

熔模铸造；铸钢件；热裂

熔模铸造由于工艺的特殊性，受到工艺流程、造型方法、铸型特性等诸多因素的影响，不能开设复杂的直浇道、横浇道、冒口，也无法加冷铁、发热块等。因此，合金在冷却凝固过程中，金属液的补缩受到一定程度的限制，加上铸钢合金的熔点又很高，铸件极易产生热裂缺陷。这是熔模精密铸造行业内难以解决的问题。

我厂的熔模铸件中，铸钢件占有很大比例，而且多数属于汽车上的重要件、安全件。多年来，这些件的热裂废品率居高不下，一般都在20%左右，个别件、个别批次甚至超过了50%，严重影响了产品质量和正常供货装车，也增加了铸件生产成本。废品率较高的铸件中叉子类铸件占很大比例，表1为易于产生热裂缺陷的铸件情况。

1　热裂缺陷的外观及危害

热裂缺陷基本发生在铸件的热节处或厚薄壁交界处（见图1），在铸件表面或内部呈现形状不规则的裂纹，在断口有时可以看到晶粒形状。由于裂纹是在高温下形成的，断口已被强烈氧化，呈黑色，有时还伴有脱碳现象。较大的裂纹在铸件表面用肉眼就能发现，而细小的裂纹则必须通过物理探伤才能检测出来。

表1　易于产生热裂缺陷的铸件

存在热裂缺陷的零件，在使用过程中随着受力时间的延长，裂纹呈扩展性，越来越大，直至最后零件失效。因此，热裂是铸件危险性最大的缺陷，严重威胁着整车的安全。

图1　铸件产生热裂缺陷的部位

2　热裂形成的机理

2.1热裂形成的机理

热裂是合金在固相线附近、靠近液相侧的温度范围内形成的。若合金中S或P的质量分数较高时，会形成低熔点化合物，使实际固相线下移，热裂的温度会下降至固相线以下。合金在凝固过程中，收缩系数急剧改变，在接近固相线温度时，逐步形成铸件的骨架，开始产生较大的收缩。对于铸钢来说，由液相变为固相时，其收缩系数会急剧增大。而此时的合金中尚有部分残留液体存在，强度极低，若受到外界阻力，就会被拉断。

2.2热裂形成的过程

合金在凝固过程中，当凝固到固相线附近时，在晶体的周围还有少量未凝固的液体，这些液体构成了一层液膜。液膜的强度和塑性都是极低的。这层液膜初期较厚，随着温度降低，越接近固相线，液膜越薄。当铸件全部凝固时，液膜即消失。当液膜中含有较多低熔点化合物时，会扩大凝固温度范围，使液膜存在的时期延长，并相应增加了合金凝固期间的收缩量。合金在结晶末期若收缩因某种原因受到阻碍，晶体和晶间的液膜内就会产生应力，液膜受到拉伸作用，当拉伸量和拉伸速度超过合金在该温度下的强度极限时，液膜会被拉断［1］。于是晶间产生裂纹，形成了铸件裂纹。

3　钢水凝固方式及壳温的影响

熔模铸件的模壳结构见图2.

图2熔模铸造的型壳

钢水浇入熔模的模壳后，存在着由外部向内部逐渐增大的温度梯度。铸件的凝固是沿着互成直角状态的两个方向进行的，即垂直于模壳侧壁向内推进和从铸件向浇口方向推进。要想获得致密无裂纹的铸件，凝固的前沿就必须以这种方式移动，以便和液态金属相接触。水平凝固消耗了铸件中心区域液体，来补缩铸件外部；而纵向凝固则消耗了浇口棒的液体以达到铸件的补缩。如果浇注温度恒定，由浇冒口流向铸件的热量所建立和维持的纵向温度梯度是保持常量的。而提高模壳温度可导致水平温度梯度的减少，这样就减少了由模壳侧壁向内推进的凝固速度，使浇冒口的钢水能够补缩铸件的时间延长。也就是模壳温度的提高，使铸件在热节处的凝固时间变长，从而达到补缩充分，大大减少铸件的裂纹倾向。因此，生产实践中，一般浇注时的模壳温度都必须达到300℃以上。

从生产实践中得出，同一种铸件，在同样浇注温度下，随着模壳温度的提高，铸件的热裂废品率呈明显下降趋势。达到500℃时以上时，热裂基本被消除（见图3）.

图3　浇注温度与热裂的关系

4　热裂缺陷的产生原因

1）铸件结构的壁厚不均，且差别较大；存在热节，热节较大；

2）浇注系统设计不合理，导致铸件各部分冷却速度不一，温差较大，导致钢水凝固过程中补缩不好，合金收缩时受到阻碍；

3）钢水浇注温度不合适。浇注温度过高时，对于厚壁铸件，促使缩孔形成，增加热裂倾向；对于薄壁铸件，则冷凝缓慢，减少铸件各部分温差，减少热裂倾向；

4）浇注时模壳温度低；

5）铸件浇注后在凝固过程中受到较大振动；

6）模壳本身的退让性差，使铸件凝固时的收缩受到一定阻碍。

5　热裂缺陷的防止措施

1）在不影响铸件性能及使用的条件下，征得产品设计者及用户同意，更改铸件结构，使其利于金属液凝固过程中的补缩。如减少铸件壁厚差别、避免厚薄壁交接处急剧过渡、增大圆角半径、设置工艺筋、减小热节、扩散热节等。例如图4的刹车踏板连接叉，叉柄根部由10 mm增加到13 mm，长度延长到14 mm，裂纹废品率由改进前的50%以上降低到1%以下甚至完全消除。

2）合理设计浇注系统，如适当加大浇口杯，加粗浇口棒等。通过增加浇口的热容量，保证凝固过程中各部分冷却均匀，消除收缩时的障碍，保证补缩充分及时。

图4　将叉柄根部热节处加粗加长

3）在熔炼过程中严格控制金属液中硫、磷等有害元素及氧化物夹杂物的含量。

4）根据铸件大小和壁厚确定合适的钢水浇注温度［2］。

5）热壳浇注，根据铸件结构确定浇注时的具体模壳温度。

6）铸件浇注后，合金在凝固过程中不要马上移动浇注车，应静置停放一定时间，避免铸件受到较大振动。

7）提高模壳的退让性，适当减薄模壳厚度或在制壳材料中加入弹性的耐火材料等。

我厂主要熔模铸钢件熔化浇注的工艺参数见表2.

6　效果验证及结论

1）采取以上有效措施，我厂熔模铸造铸钢件的热裂废品率已从20%以上降低到1%以下，大多数铸件已消除了热裂缺陷，使铸件综合废品率明显降低。

2）热裂形成的机理是合金在固相线附近，在凝固过程中收缩系数急剧改变，在结晶末期收缩受到一定阻碍，晶体和晶间的液膜内产生应力被拉断而形成的。

表2　典型熔模铸钢件熔化浇注工艺参数

3）解决热裂缺陷的措施中，使合金实现水平和垂直两个方向同时凝固，减少铸件各部分温差是首要原则；提高浇注时模壳温度，并合理设定钢水浇注温度是重要措施。

［1］《熔模铸造缺陷手册》编委会.熔模铸造缺陷手册［M］.北京：国防工业出版社，1983.

［2］ 朱权利，李微，张先满，等.低合金钢履带板铸造裂纹的研究［J］.铸造技术，2011（8）：1061-1063.

Hot Tear Research and Prevention of the Investment Steel Casting

LI Chang-dong
（FAW Foundry CO.，LTD.，Special Casting Factory，Changchun Jilin 130011，China）

This paper analyzed the hot tear defect forming mechanism of investment steel casting，put forward effective preventive measure and greatly reduced the hot tear rejection rate.

investment casting，steel casting，hot tear

TG245

A

1674-6694（2016）03-0033-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.03.010

2016-03-29

李长东（1954-），吉林长春人，正高级工程师．主要从事合金熔炼的研究和应用及现场工艺工作。