熱裂

熱裂是鑄件生產中最常見的鑄造缺陷之一。裂紋表面呈氧化色(鑄鋼件裂紋表面近似黑色，鋁合金呈暗灰色)，不光滑，可以看到樹枝晶。裂紋是沿晶界產生和發展的，外形曲折。

熱裂分為外裂和內裂。在鑄件表面可以看到的裂紋稱為外裂，其表面寬，內部窄，有時貫穿鑄件整個斷面。外裂常產生在鑄件的拐角處、截面厚度有突變或局部冷凝慢且在凝固時承受拉應力的地方。內裂產生在鑄件內部最後凝固的部位，也常出現在縮孔附近或縮孔尾部。

形成熱裂紋的理論原因和實際原因很多，但根本原因是鑄件的凝固方式和凝固時期鑄件的熱應力和收縮應力。 液體金屬澆入到鑄型後，熱量散失主要是通過型壁，所以，凝固總是從鑄件表面開始。當凝固後期出現大量的枝晶並搭接成完整的骨架時，固態收縮開始產生。但此時枝晶之間還存在一層尚未凝固舶液體金屬薄膜（液膜），如果鑄件收縮不受任何阻礙，那麼枝晶骨架可以自由收縮，不受力的作用。當枝晶骨架的收縮受到砂型或砂芯等的阻礙時，不能自由收縮就會產生拉應力。當拉應力超過其材料強度極限時，枝晶之間就會產生開裂。如果枝晶骨架被拉開的速度很慢，而且被拉開部分周圍有足夠的金屬液及時流入拉裂處並補充，那麼鑄件不會產生熱裂紋。相反，如果開裂處得不到金屬液的補充，鑄件就會出現熱裂紋。

由此可知，寬凝固温度範圍，糊狀或海綿網絡狀凝固方式的合金最容易產生熱裂。隨着凝固温度範圍的變窄，合金的熱裂傾向變小，恆温凝固的共晶成分的合金最不容易形成熱裂。熱裂形成於鑄件凝固時期，但並不意味着鑄件凝固時必然產生熱裂。主要取決於鑄件凝固時期的熱應力和收縮應力。鑄件凝固區域固相晶粒骨架中的熱應力，易使鑄件產生熱裂或皮下熱裂；外部阻礙因素造成的收縮應力，則是鑄件產生熱裂的主要條件。處於凝固狀態的鑄件外殼，其線收縮受到砂芯、型砂、鑄件表面同砂型表面摩擦力等外部因素阻礙，外殼中就會有收縮應力（拉應力），鑄件熱節，特別是熱節處尖角所形成的外殼較薄，就成為收縮應力集中的地方，鑄件最容易在這些地方產生熱裂。 熱裂紋產生的原因體現在工藝和鑄件結構方面其中有：鑄件壁厚不均勻，內角太小；搭接部位分叉太多，鑄件外框、肋板等阻礙鑄件正常收縮；澆冒口系統阻礙鑄件正常收縮，如澆冒口靠近箱帶或澆冒口之間型砂強度很高，限制了鑄件的自由收縮；冒口太小或太大；合金線收縮率太大；合金中低熔點相形成元素超標，鑄鋼鑄鐵中硫、磷含量高；鑄件開箱落砂過早，冷卻過快。

所有能夠影響合金在熱裂形成温度範圍內的線收縮、收縮阻礙和合金力學性能的因素，都將對熱裂傾向產生影響，其中主要與合金性質、鑄型阻力、鑄件結構、澆冒口的佈置和澆注工藝等方面有關。

1、合金性質的影響

主要決定於合金在熱裂形成温度範圍內的絕對收縮量和強度。所有能夠擴大有效結晶温度範圍的元素，都將增大熱裂傾向。凡是能夠減少合金在有效結晶温度範圍內絕對收縮量的元素和相變，都將減小熱裂傾向。灰口鑄鐵和球墨鑄鐵在凝固過程中發生石墨化膨脹，所以不易形成熱裂，而可鍛鑄鐵胚件和鑄鋼件則容易產生熱裂。

2、鑄型阻力的影響

鑄型的阻力大小主要取決於鑄型或砂芯的退讓性。鑄型退讓性好，鑄件受到的阻力小，形成熱裂的可能性也愈小。濕型較幹型的退讓性好。鑄型或型芯的退讓性與型砂中的粘結劑密切相關。值得注意的是，鑄型退讓性對產生熱裂的影響不僅與其退讓性大小有關，更重要的還與其退讓的時刻有關。如果型砂受熱而引起抗壓強度升高達到最大值的時刻恰好與鑄件凝固即將結束的時刻相吻合，則產生熱裂的可能性最大，所以，在採用粘土砂製造薄壁鑄件的型芯時，應注意改善型芯的退讓性。

3、澆、冒口系統分佈的影響

鑄件在靠近澆口和冒口的部位，其凝固和冷卻都較慢，温度較高，當鑄件收縮受阻時，該部位易形成熱裂。因此為保證順序凝固防止鑄件產生縮孔而採取的澆、冒口布置方案會有造成熱裂的危險。所以，在確定採用順序凝固或同時凝固原則時，對於防止縮孔和熱裂之間往往存在着矛盾。澆注系統結構不當，阻礙鑄件的收縮，可能導致鑄件熱裂。同樣，鑄件的披縫太多，亦可能阻礙鑄件收縮，引起鑄件熱裂。

4、澆注工藝的影響

澆注工藝的選擇視鑄件的厚薄而定。對於薄壁鑄件要求較高的澆注温度和快的澆注速度。除了為保證流動性的要求外，還可以減緩鑄件的凝固速度，延長高温對鑄型的作用時間，從而增加鑄型的退讓性，有利於防止鑄件外熱裂。至於厚鑄件，則應採用較低的澆注温度和較慢的澆注速度，以免因縮孔體積增大、初晶粗化及偏析等原因促使鑄件產生內熱裂。

5、鑄件結構的影響

鑄件結構設計不合理，使局部造成過厚的熱節或引起應力集中現象，則熱裂易在這些部位形成。在鑄件厚薄不均的厚實部分和鑄件壁十字交接處都易形成熱裂。

影響鑄件形成熱裂的因素很多，因此，考慮防止熱裂的措施還要結合具體的合金和鑄件結構做具體分析，並採取相應的措施。

1．鑄件結構方面

在設計鑄件時應注意幾點：兩截面相交處不要做成直角轉彎，而應做成圓角或比較平緩的過渡；避免採用十字交叉截面，應將交叉的截面錯開；如必須在鑄件上採用不等厚截面時，應儘量使各部分收縮時互不阻礙；當採用鑄一焊聯合結構時，應把一個複雜的鑄件分成幾部分鑄出，然後再把它們焊接或連結起來。

2．合金成分、熔鍊工藝及精煉方面

在不影響鑄件使用性能的前提下，可適當調整合金的化學成分，縮小凝固温度範圍，減少凝固期的收縮量，選擇抗裂性較好的共晶成分或接近共晶成分；對碳鋼及合金鋼進行微合金和變質處理，可大大提高鑄鋼件的抗裂強度。加入稀土元素或其它元素可以達到此目的，加入量一般均在0．3%以下；改進鑄鋼的脱氧工藝及對鋼液進行真空處理，可使鋼中氣體含量顯著下降，減少非金屬夾雜物，提高鑄鋼的抗裂性能；採用懸浮澆注法，即在鋼水澆注的同時通過澆口或其它通道加入細顆粒金屬粉末使初晶組織化。

3．造型工藝方面

(1)增加鑄型退讓性，減少鑄型對鑄件的收縮阻力，其措施有：採用粘土砂時，可加入一些細木屑或其它物質以降低砂型的高温強度或採用以有機化合物為粘結劑的型砂；採用薄殼或中空砂芯，或在粗大的砂芯中間放置鬆散物質，如焦炭、爐渣等；減少芯骨和箱檔可能引起的阻礙；採用塗料，使鑄型和型芯表面光滑，防止粘砂，以減少鑄件收縮阻力。

(2)減少鑄件各部分温差的措施從以下兩方面着手：將內澆道開在鑄件較薄的部分或將內澆道分散多處注入型腔，使鑄件各部分的温度趨於一致；採用冷鐵加速局部冷卻。

(3)在鑄件上設置防裂筋。在鑄件上開設的鑄筋有兩種。一種是防變形筋；另一種就是防裂筋，用來增強鑄件易裂處的強度，防止熱裂。收縮筋一般取連接壁薄壁部分的1/3左右，筋間距可取鑄件壁厚的3—5倍，筋的長度應足以連接熱節兩側的鑄件壁，並設置在受拉的一側，以承受拉應力。收縮筋由於壁薄、冷卻快，當鑄件壁凝固收縮時，已具有較高的強度防止拉裂。防裂筋可在清理時除去，如不影響使用也可以不去除 ^[1]  。