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知识篇:浅析铸钢件热裂纹成因

根据坎贝尔提出的理论,大多数铸钢件热裂的萌生来自于卷入的双层膜,这对我们分析裂纹问题拓展了思路。

铸件在充型过程中,常常发生液面飞溅或波动,因此,氧化膜的卷入现象是不可避免的。但卷入并不只是由于破裂波的强烈运动引起的,在液体自由表面收缩时也容易发生,当液体表面收缩时,氧化物自身面积并不能收缩,因此,使得多余面积发生折叠,卷入到金属液内部,如图1所示。卷入的氧化膜总是双层的,所以称为双层膜。双层膜往往裹夹着砂子、氧化渣、气孔等夹杂物。

图1 由液体收缩引起的表面双层膜卷入现象

 一般认为热裂的产生是液态金属的凝固收缩和收缩受阻而导致,与铸造合金本身的性质、铸型性质、铸件结构有关。以T型热节为例,如图2所示,根据坎贝尔双层膜理论,推出热裂产生的机制:

(1)钢液浇入铸型充满型腔,由于流动湍流和钢液收缩引起的氧化膜折叠和卷入,钢液内尤其在上表面嵌入双层氧化膜;  

(2)铸型表面与金属液在高温下发生作用,产生的气体或夹杂被氧化膜裹携向钢液表层渗入,形成界面层,对于树脂砂铸型,其硬化剂分解出来的硫化物渗入到钢液中,并滞留在距铸件表层1.5~2.0 mm激冷细晶体处;

(3)伴随凝固过程枝晶骨架的收缩产生微小变形,受到型芯的阻碍而产生应力,当产生的应力大于金属材料在当时温度下的断裂强度时,则金属首先在包含夹杂物的双层膜密集的地方被拉开,形成细小的“Z”形“微裂纹”;

(4)转角处滞后于其他部分凝固,凝固表壳成长较慢,特别是树脂砂型含有相当于Ⅱ型硫化锰的低熔点相,更加剧了圆角处的滞后凝固,铸件整体形状上的微小变形所产生的应力集中在圆角处,导致微裂纹扩展, 形成较深的甚至开口的“Y”形“拉裂纹”;另外,“T”形热节底部在较大拉应力的作用下,表面微裂纹不断向内延伸,如果最后得不到钢液补缩,将形成开口的“X”形“缩裂纹”。

图2 热裂纹产生机理示意图