河北吴桥盈丰钢结构铸钢厂

浅谈铸钢件裂纹的形成与预防http://s3/mw690/0018RKlLzy7eBRD7hVU22&690

铸钢件在铸造过程中常会产生裂纹，通常情况下将 铸造裂纹分为热裂纹和冷裂纹。

1.热裂纹

热裂纹是铸件在高温下产生的裂纹，即铸件处于 塑性变形状态下产生的，在铸件凝固末期及凝固后不 久的温度范围内金属的强度和塑性很低，由于金属的 固态线收缩受到阻碍，使铸件产生升裂。热裂纹沿晶 粒边界产生和发展，外形曲折而不规则，表面被严重 氧化，无金属光泽，有时可发现树枝状结晶，裂纹宽 度较宽。

热裂纹一般分为三种，即外热裂纹、内热裂纹和皮 下热裂纹。外热裂纹存在于铸件表面，一般肉眼能看到。 而后两神热裂纹隐藏在铸件内部，无法目视检查到，只 能在加工后才能看到。

在三种热裂纹当中，外热裂纹最为常见，它与冷裂 纹的明显区别是其形成在铸件的表面呈单条或多条裂纹， 裂纹长度短，走向扭曲，互不连续，裂纹表面呈现黑的 氧化色。

金属材料的组织的影响与塑性变形特点、晶界和晶 粒的位向差有关。由霍尔-佩奇关系可知，材料的组织 越细小，其抵抗塑性变形的能力就越强，则材料的耐磨 性越好。例如对疲劳磨损而言：当两个试样相对滑动时， 在接触区形成的循环应力超过材料痩劳强度的情况下， 在表面层将引发裂纹并逐步扩展，最后使裂纹以上的材 料断裂剥落下来。材料的组织越小，则裂纹经过的晶界 越多，金属越不容易从基体上剥落。半固态加工细化了 材料的显微组织，因此A140Cu合金磨损表面的划痕较 细，磨损量较小。同时，对偶材料对试样的磨损量也有 影响，从图1中可以看出，与45钢对磨时，材料的磨损 量要小于与A359/SiC复合材料对磨时的磨损量，这主要

多年来，我们在实践中摸索并认为外热裂纹是晶界 裂纹，即裂纹是沿着晶粒的晶界发展的。其中，一种是 脆性裂纹。因为在温度高于实际固相线温度时，晶界呈 粘滞性，特别是晶界处富集低熔点化合物时，一旦发现 有外热裂纹现象，首先想到的是磷、硫是否超标，这一 点更为突出。因此晶界强度显著小于晶内强度，在收缩 应力的作用下，裂纹形成于晶界，成为晶界裂纹，且裂 纹走向呈扭曲状。另一种是枝晶状裂纹，它的形成机理 是：铸件在冷却过程中易生产一次枝晶（主枝），发达 的柱状晶晶界很脆弱，在凝固时，表层的柱状晶层一旦 受到来自收缩产生的拉应力，也容易产生晶界裂纹，这 种裂纹一般是树枝状裂纹。

以上两种裂纹有一个共同点，就是产生在最后凝固 的部位，这也就是我们通常所说的由于结构或工艺形成 的铸造热节点。

针对裂纹产生的原因，我们可采取以下措施来避免 外热裂纹的产生：首先可加高、加大补缩冒口；其次应 增加保温材料，最好制成保温冒口套，浇注时覆盖保温

是因为A359中的SiC颗粒大大增加了试样的磨粒磨损程 度，且同为铝合金的摩擦副在试验过程中发生的粘着磨 损程度也大于另一对摩擦副。

5.结语

半固态加工过程的机械搅拌作用能够明显细化A1- 40Cu合金的显微组织，增强材料的强度，因此，A1- 40Cu合金磨损表面的划痕较细，磨损量较小。与45钢 对磨时，A140Cu合金为“疲劳磨损+粘着磨损”的层 离剥落磨损机制。半固态挤压铸造A140Cu合金的耐磨 性得到了改善，可以进行大量的工程应用。MW

材料，把铸造热节点转移出铸件本体，使裂纹全部留在 冒口中，这样就可铸出无裂纹的铸件。

皮下热裂多产生在砂型散热差的部位。根据多年来 的生产实践，我们发现铸件开裂部位都在拐角上，也是 热应力集中的地方，因为在铸件凝固区域中，固相晶粒 骨架层薄，而砂型散热好的地方，晶粒骨架层厚，因此 厚的晶粒骨架层的固态线收缩就集中在薄的地方，从而 使薄的晶粒骨架层成为热应力集中的地点，在此处出现 热应力峰值区域。当热应力峰值超过薄的晶粒骨架在该 温度下的抗拉强度时，或应变集中的应变量超过它的允 许伸长量时，薄的晶粒骨架就会升裂。如果液相滲流流 动能力差，不能填满这些升裂的裂縫时，就形成了裂纹。 此外，皮下热裂纹中大多伴有缩松，就是液相滲流流动 能力差即治愈热裂能力差的有力证明。这种裂縫向温度 较低的铸件表面扩展时，由于温度低，材料的抗拉强度 大，扩展因难，结果使裂縫越趋向铸件表层就越窄，甚 至扩展不到铸件表面。因此，皮下热裂纹在铸件表面显 示不明显，不像外热裂纹在铸件表面有明显的、很宽的 裂縫。因为外热裂纹是由于收缩应力而形成的，而皮下 热裂纹是由于薄的和厚的晶粒骨架之间的溫差，即由于 热应力而产生的，所以外热裂纹是“从外向里”扩展 的。相反，皮下热裂纹是从铸件皮下内层的热裂源向表 层扩展，也就是“从里往外”升裂。

综上所述，铸件凝固时，沿着铸件表面的纵向温 度差越大，就越容易产生皮下热裂纹。这里所说的纵 向是指向着冒口的方向，此方向温差大，铸件在凝固 时，橫截面积上从外往里的温差大，也容易产生皮下 热裂纹。此时铸件表层易生产柱状晶粒区，内层则易 生产等轴晶区，此两区交界处存在着溶质富集带，使 此处的液膜厚且存在时间长，成为热裂源。溶质富集 带越靠近铸件表面，就越容易生产皮下热裂纹，且厚 实的铸件容易形成这种状态，因此其皮下热裂纹倾向 要比细薄铸件大的多。

2.冷裂纹

冷裂纹是铸件处于弹性变形状态下产生的，当铸件 冷却到弹性状态的温度或至室温时，铸件某部分的铸造 应力大于金属的强度极限时产生的裂纹。冷裂纹是穿过 晶体而不是沿晶界断裂，裂纹常呈连续直线状，断口有 金属光泽，有轻微的氧化色，裂纹宽度较窄。

冷裂纹的形成是当铸件处于弹性状态，如果其收缩 受到阻碍，则铸件将产生应力并发生弹性变形。铸件在 弹性状态下所产生的应力叫做铸造应力（也叫内应力）。

铸造应力包括热应力、相变应力及收缩应力。这三 种应力中的任何一种或它们的总和超过金属强度极限时， 都将使铸件产生冷裂纹。热应力是铸件在冷却过程中各 部分的冷却速度不均匀而产生的；相变应力是铸件在冷 却过程中产生相变而导致体积改变所引起的C相变应力 的方向有时与热应力的方向相反，有时则相同。前者将 使铸件的总应力和产生冷裂纹的可能性減少，后者将使 铸件的总应力和产生冷裂纹的可能性增加；收缩应力是 铸件处于弹性状态下收缩受到砂型或砂芯等的机械阻碍 而产生的应力。其中热应力是这三种应力中使铸件产生 冷裂纹的最主要因素。

通过以上分析可见，冷裂纹的产生是各种应力综合 作用的结果，它决定于某一溫度下铸造应力的大小和金 属强度极限的高低。当某一状态下的铸造应力超过金属 的强度极限时，铸件就会产生冷裂纹。而且由于在弹性 状态下金属的晶界具有很高的强度，因此冷裂纹具有晶 内的特点。但是当晶界存在大量的氧化物时，冷裂纹也 可能沿晶界出现。

针对冷裂纹的产生原因，我们可采取以下措施来避 免冷裂纹的产生。

应尽可能使铸钢件在铸造时壁厚均勾，各部分 同时凝固，以減少热应力。

尽可能使铸钢件相互连接部分在收缩时不产生 阻碍作用，以免产生拉应力。

避免存在<90°的内角，并适当加大内角的圆 角半径，以改善散热条件，这对于大型厚壁铸钢件具有 重要的意义，因为大型厚壁铸钢件的凝固速度慢，圆角 处外冷铁的激冷作用效果不大。

铸钢件的壁厚不要突然改变，当壁厚緩慢改变 时，各部分的凝固层厚度相差不多，沿壁厚变化的截面 上不会存在应力集中的现象，因此也不易产生冷裂纹。

铸钢件的筋壁应尽可能交错排列，以免形成太 大的热节和内角太小。

避免升箱过早，这是防止产生冷裂纹的有效措 施之一
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