一、概述

熱裂紋常發(fā)生在鑄件最后凝固并且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，如熱節(jié)、拐角或靠近內(nèi)澆口等處。熱裂紋分為內(nèi)裂紋和外裂紋。內(nèi)裂紋產(chǎn)生在鑄件內(nèi)部最后凝固的地方，有時(shí)與晶間縮孔、縮松較難區(qū)別。外裂紋(如圖1所示)在鑄件的表面可以看見(jiàn)，其始于鑄件的表面，由大到小逐漸向內(nèi)部延伸，嚴(yán)重時(shí)裂紋將貫穿鑄件的整個(gè)斷面。

圖1 鑄件的外裂紋

宏觀裂紋：由于熱裂紋是在高溫下形成的，因此裂紋的表面與空氣接觸并被氧化而呈暗褐色甚至黑色，同時(shí)熱裂紋呈彎曲狀而不規(guī)則。

微觀裂紋：沿晶界發(fā)生與發(fā)展，熱裂紋的兩側(cè)有脫碳層并且裂紋附近的晶粒粗大，并伴有魏氏組織，如圖2所示。

圖2 熱裂紋附近的內(nèi)部組織

二、熱裂紋的產(chǎn)生原因

１．熱裂紋形成的溫度范圍

熔模鑄件的熱裂紋到底是在什么溫度下發(fā)生的，長(zhǎng)期以來(lái)說(shuō)法不一．到目前為止歸納起來(lái)仍有兩種：其一，熱裂紋是在凝固溫度范圍內(nèi)但接近于固相線溫度時(shí)形成的，此時(shí)合金處于固-液態(tài)；其二，熱裂紋是在稍低于固相線溫度時(shí)形成的，此時(shí)合金處于固態(tài)。

有人對(duì)碳鋼鑄件熱裂紋形成的溫度范圍進(jìn)行了研究。用X射線拍攝的辦法，將鑄件形成熱裂紋的溫度范圍記錄下來(lái)（如圖3所示）。不管碳鋼鑄件含碳量多少，形成熱裂紋的溫度范圍都在固相線附近。

圖3 熱裂紋形成的溫度范圍

2.產(chǎn)生原因

熱裂紋是鑄件在高溫時(shí)，由于冷凝時(shí)收縮受到阻礙而產(chǎn)生的；因此產(chǎn)生熔模鑄件熱裂紋的主要原因如下：

(1)鑄件在高溫時(shí)的強(qiáng)度較低和塑性較低。

(2)鑄件的鑄造應(yīng)力大。

三、熱裂紋的防止措施

１．提高鑄件在高溫時(shí)的強(qiáng)度與塑性

(1)合理選材 選材是一項(xiàng)極為復(fù)雜的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。所渭合理選材就是選用的材質(zhì)應(yīng)該同時(shí)滿足鑄件的使用性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于鑄件而言，主要是鑄造工藝性(熱裂性、流動(dòng)性和收縮性等)。如果該材質(zhì)的鑄造工藝性能不佳，熱裂傾向性大，那么澆注出來(lái)的鑄件產(chǎn)生熱裂紋的廢品率就高。

(2)保證熔煉質(zhì)量 在鑄鋼合金成分中，最有害的化學(xué)成分是硫。當(dāng)wS＞0.03％，以O(shè).05％的臨界鋁含量脫氧，硫化物以鏈狀共晶形式分布時(shí)，塑性很低，易引起熱裂紋。在熔煉時(shí)，可以加入適量的強(qiáng)脫硫劑稀土元素，以減少合金中的含硫量。只要稀土元素的加入工藝合理，其脫硫效果為40％～50％：并且稀土元素能細(xì)化晶粒，改變夾雜物的形態(tài)與分布，從而減輕了熱裂紋的程度(指裂紋的大小與深淺)和降低了熱裂紋的數(shù)量。

另外，分布于鑄鋼晶界的低熔點(diǎn)夾雜物將降低它的強(qiáng)度和塑性，并且隨著夾雜物的增多，強(qiáng)度和塑性下降，促使形成熱裂紋。在熔煉時(shí)，應(yīng)選用干凈、清潔的爐料；采用合理的熔煉工藝，加強(qiáng)操作，才能保證熔煉質(zhì)量。

2.提高型殼的退讓性，減少鑄造應(yīng)力

(1)鑄件的結(jié)構(gòu) 其與形成熱裂紋的關(guān)系很大。結(jié)構(gòu)不合理，如壁厚相差較大、熱節(jié)較多而且較大、壁厚薄的轉(zhuǎn)角處圓角太小或呈尖角引起應(yīng)力集中等，均會(huì)引起熱裂紋的產(chǎn)生。

鑄件的壁厚不勻，導(dǎo)致鑄件的冷卻速度不一致。薄壁處先冷凝，并且有一定的強(qiáng)度，其對(duì)厚壁處的冷凝收縮起到阻礙作用(使厚壁處收縮時(shí)受到拉應(yīng)力)。當(dāng)阻力超過(guò)此時(shí)厚壁處合金的強(qiáng)度極限時(shí)，就產(chǎn)生熱裂紋。

鑄件壁厚薄的轉(zhuǎn)角處圓角太小或呈尖角，引起應(yīng)力集中，促使熱裂紋的產(chǎn)生；圓角太大，又出現(xiàn)新的熱節(jié)。因此，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇適當(dāng)?shù)蔫T造圓角。

(2)澆注系統(tǒng) 澆冒口的設(shè)置可能造成鑄件收縮時(shí)的熱阻礙和機(jī)械阻礙。鑄件在靠近內(nèi)澆道的部位，凝固的較晚、冷卻較慢。因此，鑄件在此薄弱的部位容易引起熱裂紋。如果將內(nèi)澆道分散，使金屬液從幾處進(jìn)入型腔，就能分散熱應(yīng)力，減少鑄件收縮時(shí)的熱阻礙和機(jī)械阻礙，防止或減少熱裂紋的產(chǎn)生。

為了使熔模鑄件順序凝固，以利于補(bǔ)縮，而把內(nèi)澆道設(shè)置在鑄件厚大處。這使鑄件上的熱量分布極不均勻，產(chǎn)生較大的溫度梯度，鑄件收縮很不一致，易造成熱裂紋。這就需要改變內(nèi)澆道的位置，使鑄件由順序凝固變?yōu)橥瑫r(shí)凝固。鑄件各處的溫度均勻，冷凝較一致，可以減少或防止了鑄件形成熱裂紋。這樣做可能減少了熱裂紋，卻可能使鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松。

(3)澆注工藝 澆注溫度和澆注速度對(duì)鑄件產(chǎn)生熱裂紋的影響比較復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于薄壁件宜采用較高的澆注溫度和較快的澆注速度。這可以使鑄件溫度很快趨向均勻，防止局部過(guò)熱，同時(shí)可以使鑄件冷凝較慢，減少鑄件的收縮應(yīng)力，從而減少或防止熱裂紋的產(chǎn)生。對(duì)于厚壁件宜采用較低的澆注溫度和較慢的澆注速度。如果厚壁件也采用高的澆注溫度和快的澆注速度，則金屬液的收縮大、晶粒粗化，更易使鑄件產(chǎn)生熱裂紋；嚴(yán)重時(shí)將使鑄件同時(shí)形成熱裂紋和縮孔(如果兩個(gè)缺陷出現(xiàn)在同一個(gè)部位，即為縮裂)。

(4)型殼的退讓性 鑄件在冷凝過(guò)程中收縮受到型殼的阻礙時(shí)產(chǎn)生了收縮應(yīng)力，收縮應(yīng)力的大小直接影響到鑄件是否產(chǎn)生熱裂紋。因此，提高型殼的退讓性非常重要。型殼的退讓性好，則鑄件收縮時(shí)的阻力小，形成熱裂紋的可能性小。

有的企業(yè)在型殼第三層以上的各層中加入適量的木屑等或在保證型殼高溫強(qiáng)度(以澆注時(shí)不跑火為限)的情況下，減少型殼的層數(shù)，提高型殼退讓性，減少熱裂紋。

這里需要特別指出的是，產(chǎn)生熱裂紋不僅與型殼退讓性的大小有關(guān)，更重要的是與其退讓性產(chǎn)生的時(shí)刻有關(guān)。例如：目前國(guó)內(nèi)的熔模鑄造多采用石英砂(粉)做為耐火材料，在自然界中出現(xiàn)的石英大多是低溫型的，且主要是以β-石英存在。用石英制成的型殼，在加熱至573℃時(shí)由β-石英轉(zhuǎn)變?yōu)棣?石英。這時(shí)隨著多晶轉(zhuǎn)化體積驟然膨脹，線膨脹值達(dá)1．4％，對(duì)型殼的熱穩(wěn)定性影響最大。至于573℃以上的多晶轉(zhuǎn)化，由于進(jìn)行得很緩慢，需要較長(zhǎng)的時(shí)問(wèn)，程度也較輕微，故對(duì)型殼的熱穩(wěn)定性影響不大。要使石英型殼具有較好的退讓性，就必須使型殼在澆注時(shí)的溫度高于573℃；反之，金屬液注入型腔使型殼溫度迅速上升，體積急劇膨脹，鑄件冷凝收縮時(shí)，產(chǎn)生很大的應(yīng)力，易形成熱裂紋。

四、生產(chǎn)實(shí)例

鎖緊圈(見(jiàn)圖4)是某產(chǎn)品上的一個(gè)熔模鑄件。材質(zhì)RZG45，采用石英砂(粉)為耐火材料，以水玻璃為粘結(jié)劑的高強(qiáng)度型殼，每組12件。原澆注時(shí)型殼溫度為180～200℃，結(jié)果因熱裂紋而報(bào)廢的鑄件很多，據(jù)兩個(gè)月的不完全統(tǒng)計(jì)，廢品率平均為56.6％，最高一爐的廢品率為94.7％。

圖4 鎖緊圈熱裂紋示意

從圖4可以看出，鎖緊圈在凝固過(guò)程中A處是熱節(jié)，此處冷凝較晚、速度較慢，鑄件收縮受到型殼的阻礙，產(chǎn)生了熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力。在澆注時(shí)型殼的溫度較低，恰在鑄件冷凝收縮時(shí)，型殼受熱急劇膨脹，使應(yīng)力再次增加，再加上A處有尖角產(chǎn)生應(yīng)力集中，故此處非常容易產(chǎn)生熱裂紋，使鑄件廢品率很高。

1．試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

在500kg無(wú)芯工頻感應(yīng)爐(酸性爐襯)中進(jìn)行熔煉。爐料選用45鋼料邊和RZG45返回料(按照工藝要求)。當(dāng)爐溫升至1580～1600℃(光學(xué)高溫計(jì)，未校正)時(shí)，用鋁終脫氧，控制鋼液的澆注溫度為1540～1560℃。

型殼經(jīng)（860～880）℃×2h焙燒，出爐后在不同的時(shí)間(因無(wú)法檢測(cè)澆注時(shí)的型殼溫度，而采用時(shí)間分別為3min，5min、8min、12min)開(kāi)始澆注鎖緊圈。

目視檢驗(yàn)結(jié)果：3min開(kāi)始澆注228件，5min開(kāi)始澆注104件，8min開(kāi)始澆注110件，均沒(méi)有熱裂紋。12min開(kāi)始澆注91件，有9件產(chǎn)生熱裂紋，廢品率為9.89％。

按照鎖緊圈的實(shí)際使用狀態(tài)進(jìn)行熱處理，鎖緊圈在（880～900）℃× 1h，正火；（840～860）℃×20min，淬火；500℃×1h，回火處理后使用。把試驗(yàn)澆注合格的鎖緊圈按同樣的熱處理工藝進(jìn)行處理，結(jié)果：3min開(kāi)始澆注228件，5min開(kāi)始澆注104件，熱處理后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)熱裂紋；8min開(kāi)始澆注110件，熱處理后發(fā)現(xiàn)2件產(chǎn)生熱裂紋；12min開(kāi)始澆注剩余的82件，熱處理后發(fā)現(xiàn)27件產(chǎn)生熱裂紋，廢品率為32.93％。

由此可見(jiàn)，隨著開(kāi)始澆注時(shí)間的延長(zhǎng)，鑄件的熱裂紋增加。即原來(lái)小的、輕微的熱裂紋在熱處理過(guò)程中進(jìn)一步擴(kuò)大。

2．實(shí)施檢測(cè)

按照鎖緊圈的實(shí)際使用情況，采用模擬式進(jìn)行破壞性試驗(yàn)(除去3min和12min開(kāi)始澆注的鎖緊圈，探索5min和8min開(kāi)始澆注的鎖緊圈)。

（1）用測(cè)扭矩扳手測(cè)試鎖緊圈承受的力矩，其結(jié)果表明：5min和8min開(kāi)澆時(shí)間鎖緊圈的硬度為25～35 HRC，平均承受力矩為600kg?cm（產(chǎn)品要求承受力矩為180kg?cm）。

（2）用lOt液壓機(jī)測(cè)試鎖緊圈承受的壓力（進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)試時(shí)，必須采取有效措施注意人身安全），其結(jié)果表明：5min開(kāi)始澆注鎖緊圈的平均承受壓力6458kg，高于8min開(kāi)始澆注鎖緊圈的平均承受壓力5878kg。

（3）礦山試驗(yàn)。把剩余的302件鎖緊圈分別送到不同煤礦中的三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用半年，沒(méi)有一個(gè)損壞。

（4）熱殼澆注工藝。鋼液澆注溫度1540～1560℃，型殼于860～880℃出爐后≤6min或8min開(kāi)始澆注（室溫約低于20℃時(shí)，取6min，此外取8min）。

（5）生產(chǎn)驗(yàn)證。采用熱殼澆注后工人的勞動(dòng)條件相比較差，筆者制作了一付簡(jiǎn)單的吊具，對(duì)操作工人的勞動(dòng)條件有所改善。

鎖緊圈采用熱殼澆注后，據(jù)9個(gè)月的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，共交檢鎖緊圈24343件，因熱裂紋廢掉879件，廢品率為3．61％。另進(jìn)行一次使用砂輪磨削檢驗(yàn)，共磨檢鎖緊圈4307件，熱裂紋104件，廢品率為2．41％。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)熱殼澆注，改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)，改變澆注系統(tǒng)，減少型殼層數(shù)，以及添加稀土等措施，降低、甚至消除了鑄件的熱裂紋。

總之，只要采取提高鑄件在高溫時(shí)的強(qiáng)度與塑性，提高型殼的退讓性，以及減少應(yīng)力的措施，就可有效減少或消除鑄件的熱裂紋。

來(lái)源：金屬加工（熱加工）