大型铸钢渣罐裂纹原因分析及控制措施

铸件裂纹的种类
    （1）按裂纹产生的温度范围，裂纹可分为热裂纹，冷裂纹，温裂纹。
    （2）按裂纹存在的位置，可分为内裂纹，外裂纹。
    （3）按裂纹尺寸的大小，可分宏观裂纹，微观裂纹。
    （4）按裂纹产生的次序，可分初生裂纹，二次裂纹。

2、铸件的热裂
    铸件在凝固后期，固相已形成完整的骨架，并开始线收缩，如果此时线收缩受到阻碍，铸件内将产生裂纹。由于这种裂纹是在高温下形成的，故称“热裂”。热裂是铸钢件、可锻铸铁件和某些轻合金铸件生产中常见的铸造缺陷之一。
    （1）热裂的特征
    热裂是铸件处于塑性变形的状态下产生的，由于铸件处于高温状态，热裂纹的表面被严重氧化而呈氧化色，没有金属光泽。对于铸钢件裂口表面近似黑色，而铝合金则呈灰色。当铸钢件冷却缓慢时，裂口的边缘尚有脱碳现象，有时还可以发现树枝状结晶，存在于铸件表面的热裂纹，裂缝较宽，而且呈撕裂状。热裂纹的另一特征是裂口总是沿晶粒产生的，与冷裂纹有显著的区别。
    热裂纹中的外裂纹在铸件表面可以看到，其裂口从铸件表面开始，逐渐延伸到铸件内部，裂纹有时横穿铸件整个断面。外裂纹常产生在铸件的拐角处，截面厚度有改变处或局部冷凝缓慢易产生应力集中的地方，使铸件开裂的主要原因是拉伸应力。
    热裂纹中的内裂纹通常产生在铸件内部后凝固的部位，有时出现在缩孔的附近或尾部，因为内部缩孔很不规则，常有很多交叉，不会延伸到铸件表面，故氧化程度不如外裂明显。
    对于任何一类铸件来说是不允许有裂缝存在的，铸件的外裂缝可以从表面上看出，如铸造合金本身的焊接性能好，经焊补后可以使用。焊接性能差，铸件往往要报废。内裂隐藏在铸件内部，不易被发现，它的危险性，往往由于事先未被发现，在使用中造成严重事故。因此，在生产过程中对如何防止热裂纹的产生，应该给予足够的重视。

（2）热裂的形成过程
    以图1铸钢齿轮毛坯为例来说明热裂的形成过程。齿轮毛坯直径为550mm，齿缘比辐板厚3位，轮缘上设4个冒口，轮毂上设一个冒口，此铸件常在轮缘冒口下轮缘和辐板的交接处产生热裂。
    由于辐板厚度只有轮缘的1/3，故凝固得很快，首先形成固相骨架，并产生线收缩。此时，厚的轮缘尚处于逐层凝固之中。在轮缘的凝固中，由于轮缘冒口下轮缘与辐板的交接是尖角砂，上面又有冒口，热量集中，故凝固层薄。
    当辐板产生收缩时，轮缘、轮毂之间的型砂强烈地阻碍其收缩，使轮缘冒口下的凝固薄层受到很大的拉伸应力。当应力超过该金属的强度时，就在轮缘和辐板的交接处形成了裂纹。若此时该处的补缩通道，尚未凝固的钢水还能流入裂缝填补，则不产生裂纹。

（3）影响热裂形成的因素
    影响热裂形成的因素很多，归纳起来，主要有4个方面：
    1.铸造合金性质的影响。铸造合金的化学成分和结晶特点，对热裂有明显的影响。合金结晶温度范围的变窄，决定了合金凝固收缩的大小。结晶温度范围愈小，凝固收缩愈小，铸件内产生的应力愈小，合金形成热裂的倾向愈小，反之亦然。
    凡是能扩大结晶温度的范围的杂质，都能促使热裂的形成，硫在钢中能形成低熔点共晶，熔点只有985℃，使固相线下移很多，扩大了结晶温度范围，使钢的热裂倾向增加，为限制硫的有害作用，即使在普通钢中，硫量也应小于0.55%，磷也有与硫相似的作用。
    凡是能减小合金在结晶温度范围内线收缩量的元素或相变都能降低铸件形成热裂的倾向。灰铸件、球铁在凝固温度范围内，都伴着石墨化，使铸件体积在凝固温度范围内不仅没有收缩，反而发生膨胀，而白口铸件和铸钢在凝固温度范围，则没有膨胀现象。这就是灰铸铁和球铸铁铸件不易形成热裂，而可锻铸铁件和碳钢件容易产生热裂的主要原因。
    硅的含量在0.1%～0.6%范围内能提高抗裂性。
    锰在钢中可限制硫的有害作用，形成硫化锰，熔点较高。合理提高锰含量，能提高钢的抗裂性。
    2.铸造性质的影响。铸件凝固收缩时，受到铸型的阻力，此种阻力愈大，铸件容易断裂，所以铸型的溃散性对铸件热裂的形成起着重要作用。铸型溃散性好，铸件受到阻力较小，形成热裂的可能性也小。湿型较干型的溃散性好，固湿型浇铸的铸件不易形成热裂。铸型溃散性对热裂的影响不仅与溃散性的大小有关，更主要的还与溃散性的时间有关。如果型砂受热而使型芯抗压强度升高，如果型芯强度达到大值时刻，恰好与铸件凝固即将结束的时刻相吻合，则产生热裂的可能性大。因此，铸型的溃散性，能地防止铸件产生热裂。
    3.浇铸条件的影响。浇铸工艺对铸件形成热裂的影响是多方面的，应根据铸件壁厚来选定。
    薄壁铸件要求高温快浇，使凝固速度缓慢均匀从而减小热裂倾向。而厚壁铸件浇注温度过高会增加缩孔容积，减缓冷却速度，使初晶粗化，形成偏析和黏砂等，从而促进热裂的形成。因此，在条件许可的情况下，以低温度慢浇为宜。
    浇铸系统对热裂的影响也不可忽视，一般浇冒口附近温度较高，冷却缓慢，易产生裂纹，因此，设计合理的浇注系统，确定正确的浇注工艺，减少浇冒口对铸件收缩的阻碍能防止铸件产生热裂。
    4.铸件结构的影响。铸件结构是否合理，对铸件形成热裂的影响也很大，在铸件的设计上，要尽量避免壁厚的突然变化。铸件转角处应做成适当的圆角。避免壁或肋十字交接。减少热节点，防止应力集中。
    总之，促使铸件产生热裂的因素很多，它们相互有关。在分析铸件形成热裂的原因时，综合合号，铸件结构和铸件工艺等各方面因素，进行具体分析，根据热裂产生的原因，采取相应的措施。

3、铸件的冷裂
    冷裂是铸件处于弹性状态时，铸造应力超过合金的强度而产生的。冷裂往往出现在铸件受拉伸的部位，特别是有应力集中的地方。因此，铸件产生冷裂的倾向与铸件形成应力的大小密切相关。影响冷裂的因素与影响铸件应力的因素基本一致。
    冷裂的特征与热裂不同，外形是连续直线状态或圆滑曲线，而且常常是穿过晶粒、而不是沿晶界断裂。冷裂断口干净，且具有金属的光泽或轻微的氧化色。这说明冷裂是在较低的温度下形成的。
    （1）形状复杂的大型铸件，容易形成冷裂。有些冷裂往往在打箱清理后发现，有些是因铸件内部有很大的残余应力，在清理及搬运时受到振动才开列。
    （2）合金的成分和熔炼质量对冷裂的影响很大。例如钢中的碳、铬元素，虽能提高钢的强度，但却降低了钢的导热性，因此这些元素的含量相对较高时，能够增   大钢的冷裂倾向。磷能增加钢的冷脆性，当钢中的磷量大于0.1%时，它的冲击韧性急剧下降，冷裂倾向也明显增加。同理，当灰铸件中磷的含量超过0.5%时，往往有大量网状磷共晶出现，冷裂倾向明显增大。当钢脱氧不良时，氧化类夹杂物聚集在晶粒边界上，使钢的冲击韧性和强度下降，促使冷裂形成。钢中其他非金属夹杂物增多时也有类似情况。
    （3）钢的组织和可塑性对于形成冷裂影响很大。例如低碳奥氏体钢（镍铬耐酸钢），其中能承受高温（1050～1150℃），浸入冷水中淬火。虽然这种钢的导热性很低，并能产生很大的热应力（没有相变应力），但很少形成冷裂。这是因为低碳奥低体钢，其机械性能特征为弹性和高的塑性。淬火时形成较大的热应力很快就超过弹性，使铸件产生塑性变形，因此不会形成冷裂。
    同样的奥低体高锰钢，碳量偏高，铸件冷却时，在奥低体晶体界上析出碳较多，这就增加了钢的脆性。所以，这种铸件不仅在水中急剧冷却时，甚至当提前打箱放在空气中冷却时，也容易形成冷裂。

  4、铸件的温裂
温裂纹是铸件在热处理或气割和焊补过程中产生的。由于裂纹产生后所处的温度和介质不同，温裂纹的表面有时存在氧化薄膜，有时呈现金属光泽。