第四章 裂紋、冷隔類缺陷
GB/T 5611—1998中，裂紋、冷隔類缺陷包括冷裂、熱裂、縮裂（收縮裂紋）、熱處理裂紋、網(wǎng)狀裂紋（龜裂）、白點（發(fā)裂）、冷隔、澆注斷流和重皮等9類。
第一節(jié) 裂紋、冷隔類缺陷的產(chǎn)生機理和防治理論
這里只對裂紋、冷隔類缺陷中幾種難以防治的缺陷進行重點介紹。
一、斷裂缺陷
鑄件斷裂缺陷指鑄件因受機械作用或搬運不慎而造成的缺陷。
造成這種缺陷的原因可能在以下方面。
1. 鑄件和模樣設(shè)計
（1）截面不規(guī)則，如驟厚驟薄或驟然凸起。這類鑄件在落砂和清理工段搬運時要倍加小心。鑄件中的薄弱截面，在正火與退火之前，就有形成熱應力的趨勢。截面不規(guī)則處，也最容易產(chǎn)生補縮不良。
（2）內(nèi)圓角太小。因為尖角部位在熱處理前最容易形成冷卻應力。
（3）未設(shè)置加強筋和拉筋。在鑄件設(shè)計較差易于產(chǎn)生斷裂的薄弱部位，未設(shè)置加強筋和拉筋，常會造成鑄件斷裂。
2. 模樣
在澆口和冒口上未設(shè)置合理的縮頸時，就會對鑄件本身產(chǎn)生過大的應力。因此，工藝設(shè)計上的任何差錯，對于造成鑄件缺陷影響很大。
3. 砂箱及其準備
（1）箱帶距冒口或直澆道過近，會阻礙鑄件的正常收縮，這樣就會產(chǎn)生內(nèi)應力。如果這一內(nèi)應力沒有造成熱裂，那么內(nèi)應力就很可能尚未消失。這樣，若搬運不慎（包括落砂），就會導致鑄件冷裂或斷裂。
（2）箱帶伸進鑄件空腔過深，會阻礙型砂正常潰散，同樣會在鑄件中造成類似上述的應力。
4. 澆冒口系統(tǒng)
（1）內(nèi)圓角倒角不夠。在澆注系統(tǒng)中若內(nèi)圓角倒角不夠，則在敲掉澆冒時，會使內(nèi)澆口或冒口斷在鑄件一側(cè)。
（2）防裂筋和拉筋置放不當。若防裂筋和拉筋做得過大，則在將其除去時，難免把鑄件打裂；若做得過小，又難以防止在鑄件中產(chǎn)生應力。
（3）澆注系統(tǒng)設(shè)計不良，會導致鑄件產(chǎn)生應力。通常的錯誤是忽視同時凝固的一般原則，結(jié)果在薄截面處產(chǎn)生應力或變形。
5. 型砂
雖然鑄件的這類缺陷是因搬運不慎而造成的，但是還有許多因素會使鑄件產(chǎn)生應力異常，從而使鑄件變得十分脆弱。
（1）型砂的高溫強度或干強度過高，造成潰散性不良。型砂的潰散性不良會在鑄件中形成冷卻應力，這樣，鑄件就會產(chǎn)生斷缺或開裂。造成型砂溫度強度和干強度過高的原因，是型砂中含有過量的瀝青、水分、細砂、黏土或黏結(jié)劑。
（2）型砂中含有燒結(jié)點低的物質(zhì)（熔劑）。這會使砂型變得異常堅硬，從而阻礙其正常的潰散。
（3）型砂的高溫強度高，而退讓性又低，這兒會增加鑄件中的冷卻應力。要是型砂具有足夠的高溫退讓性，那么，即使高溫強度高一點兒，一般也是允許的。例如，砂型緊實度過高，則砂型的高溫強度會遠比其高溫退讓性增加得快。這一因素減少了型壁的位移，對那些設(shè)計欠佳的鑄件，則可能會在鑄件中造成預應力。
6. 制芯
（1）芯砂的高溫強度或干強度過高，造成砂芯潰散性差。這可能是由于芯砂中含有過量的瀝青、水分、細砂、黏土或黏結(jié)劑所致。
（2）砂芯的高溫退讓性差而潰散性又不好，這會進一步使問題復雜化。更換黏結(jié)劑品種，會改變鑄件產(chǎn)生裂紋的傾向。
（3）芯棒、芯骨等距芯表面過近。這將妨礙局部砂芯的潰散，并且在鑄件冷卻過程中產(chǎn)生局部應力。
（4）砂芯加固過度，會妨礙砂芯的正常潰散，并且在鑄件中造成冷卻應力。
7. 造型
（1）砂型舂實過度，會妨礙砂型的正常潰散，或者在砂型高溫退讓性沒有得到相應提高的情況下，造成高溫強度不適宜地增高。
（2）鐵棒、骨架和砂鉤距型面過近，將造成如同制芯（3）所闡述的結(jié)果。
（3）冒口或直澆道距箱帶過近，其后果見砂箱及其準備（1）。
（4）修型時刷水或（用海綿球）蘸水過多，會在砂型的局部區(qū)域造成高溫強度或干強度過高，如型砂（1）所述。
（5）冷鐵使用不當或激冷過度，局部（受激冷）區(qū)域冷卻過快，容易在鑄件中造成內(nèi)應力。
8. 金屬成分
金屬成分是產(chǎn)生鑄件斷缺或開裂缺陷的一個因素，因為金屬中產(chǎn)生內(nèi)應力傾向的大小與其成分有關(guān)。某些金屬對截面尺寸或冷卻速度極為敏感，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計不良的鑄件，采用這類金屬是很容易造成鑄件斷缺的。
（1）鑄件成分差誤。如前所述，這可能是鑄件產(chǎn)生這類缺陷的原因之一。然而，因判斷不準，不恰當?shù)馗淖冭T件成分，將進一步增加在金屬中造成應力的傾向。成分的差誤會降低合金的強度，這樣，即使是正常的應力也會使鑄件產(chǎn)生斷裂。
（2）金屬收縮率過高?？赡苁侨刍僮鞑徽_，如爐內(nèi)氣氛不當所致。
9. 熔化
（1）碳化物穩(wěn)定劑加入量過多，促使金屬收縮率增高（特別對灰鑄鐵），尤其在截面不均勻處會造成很大的內(nèi)應力，應力大的很容易斷裂。
（2）收縮率太高的金屬會引起許多鑄造缺陷。
10. 澆注
澆注溫度過低影響砂型和砂芯的正常潰散，這可能是熔化操作不當或熔融金屬在澆注時溫度下降所致。
11. 其他
由于斷裂問題僅與鑄件受力不當或搬運不慎有關(guān)，那么管理不良、操作疏忽或操作人員缺乏責任心，就是造成此類缺陷的主要原因。
（1）落砂過早或過猛。落砂過猛可能是因設(shè)備有問題或者是鑄件在落砂格柵上停留時間太長所致。
（2）搬運和操作不慎。包括：鑄件在搬運時跌落、將鑄件向裝運箱內(nèi)扔摔，把厚實的鑄件拋在輕薄的鑄件上或在校正和去除毛刺時粗心大意。
（3）在清理滾筒中鑄件裝填不當。在滾筒和其他類似的機械清理設(shè)備中，有可能因鑄件相互碰撞而造成鑄件斷裂。
（4）用拋丸滾筒清理鑄件或把厚實鑄件和輕薄鑄件在同一滾筒內(nèi)清理，厚實鑄件就會鐵錘似的砸在輕薄鑄件上，這些輕薄鑄件即使不被砸斷也會產(chǎn)生裂紋。
（6）不正確地堆置或疊放鑄件，會在復雜的或薄弱的鑄件中造成過高的應力，鑄件在墊板上捆扎過緊，會使薄壁或復雜的鑄件發(fā)生斷裂。
若熔模鑄件發(fā)生斷裂問題，防止的措施如下。
①嚴格控制脫氧劑（鋁）的加入量，通常不得超過鋼液重量的0.1%，且脫氧時應盡可能使鋁在鋼液中均勻分布。
②用潔凈的爐料，提高爐襯質(zhì)量，以防止硫、硼及其他有害雜質(zhì)混入鋼液。鋼液中含硼量一般不得超過0.005%。
③嚴格熔煉工藝，防止鋼液嚴重過熱。
二、熱裂缺陷
在實際生產(chǎn)中，兩種相類似的缺陷往往難以分辨，熱裂和縮裂屬于這種情況。熱裂是在金屬處于凝固或半凝固的狀態(tài)下發(fā)生的，因此，斷口的顏色是區(qū)分熱裂和縮裂的重要線索。由于金屬此時具有足夠的熱量，因此出現(xiàn)那種有代表性的氧化色。不過，縮裂的斷口有時也會顯示出這種色彩。
有些時候，熱裂和縮裂極其相似，人們只能在所采取的措施取得成效之后，才能確定該缺陷屬于哪一種，若還有疑問，則反復考慮產(chǎn)生這兩種缺陷的各種可能性，以免再次搞錯；有些時候，這兩種裂紋又如上所述的那樣，有明顯的差別。
熱裂缺陷產(chǎn)生的因素可能有以下幾個方面。
1. 鑄件和模樣設(shè)計
（1）內(nèi)圓角大小不當，是鑄件產(chǎn)生熱裂紋最普遍的原因，因為鑄件在冷卻時尖角處會產(chǎn)生很大的應力。在內(nèi)圓角小的部位，即使補縮良好不出現(xiàn)縮裂，也會產(chǎn)生熱裂。要消除縮裂，一般采取的解決措施就是加大內(nèi)圓角。
（2）截面驟然改變，導致冷卻速度快慢不一。鑄件截面驟然改變，即使補縮良好也能造成應力，使鑄件在凝固后出現(xiàn)裂口或裂紋。對鑄件截面而言，內(nèi)澆口截面太大或數(shù)量太少，會形成熱節(jié)而導致熱裂。在這種情況下，熱節(jié)所起的作用就像截面驟然改變一樣，因此就有必要分散設(shè)置較小的內(nèi)澆口。
（3）具有T型連接的槽型或工字形截面的鑄件，在連接處的砂型會阻礙金屬液的正常凝固。因而在冷卻過程中，型壁阻礙鑄件正常收縮，從而產(chǎn)生很高的內(nèi)應力，這種鑄鐵結(jié)構(gòu)很常見，通常在內(nèi)圓角處置放冷鐵，或采用特殊的造型方法，例如，將U型或槽型截面兩壁之間的砂型或砂芯挖空或減薄。
2. 模樣
（1）內(nèi)圓角大小不當。如果只在箱型截面內(nèi)側(cè)做出圓弧，而其外側(cè)交角是尖角，這樣更容易產(chǎn)生熱裂。解決的辦法是把鑄件模樣的外壁改為斜行或把拐角修圓。
（2）防裂筋與拉筋的位置不正確。若因防裂筋或拉筋過小、過大或位置不當，都會產(chǎn)生熱裂。防裂筋過大，會像冷鐵那樣引起內(nèi)應力；防裂筋過小，通常會把凹陷處的砂型撕裂，這是由于防裂筋的強度不夠，承受不了應變產(chǎn)生的力量。拉筋應大致等于鑄件的壁厚，并做出內(nèi)圓角，以防止產(chǎn)生熱裂。
3. 砂型及其準備
（1）箱帶距冒口和直澆道過近。鑄件是一部分，由于不能正?；蜃杂傻嘏蛎浕蚴湛s，就會在鑄件中形成很高的內(nèi)應力，不論受拉應力或受壓應力，均能產(chǎn)生熱裂。因此，箱帶或其他物體，在冷卻時阻礙了冒口或直澆道的正常移動，就會出現(xiàn)嚴重的熱裂問題。如果直澆道和冒口妨礙鑄件收縮，就會使鑄件的不同截面受到扭轉(zhuǎn)。
（2）箱帶深入吊砂以致該處的型砂不能潰散，典型的熱裂問題就隨之發(fā)生。這些箱帶頂住緊靠箱帶處的鑄件，在這種情況下，應采用砂鉤或固砂木片來固定吊砂，這樣就不會阻撓正常的收縮。
4. 澆冒口系統(tǒng)
（1）直澆道或冒口距箱帶過近，在冷卻時會妨礙鑄件的正常膨脹或收縮。如果箱帶的位置不能移動，則可適當移動直澆道和冒口，以消除這種常見的缺陷。
（2）內(nèi)澆口、冒口和橫澆道設(shè)置不當，使鑄件不能正常收縮。有許多情況會使?jié)沧⑾到y(tǒng)妨礙鑄件正常收縮，并在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生應力。顯然，這必將在鑄件原來應力就已很高的拐角部位和截面變化處出現(xiàn)熱裂。
5. 砂型
（1）由于砂型的高溫溫度或干強度過高而導致的潰散性不良。對鑄件結(jié)構(gòu)或金屬成分容易產(chǎn)生內(nèi)應力的鑄件，如果砂型阻礙其收縮變形，將會使鑄件更容易產(chǎn)生熱裂缺陷。然而，對砂型進行大的改變，必須謹慎行事，以免發(fā)生鑄件補縮方面或尺寸增大等缺陷。這就是消除縮裂與消除熱裂的根本區(qū)別所在。砂型緊實度低一些或許能減輕熱裂，但很可能會加重縮裂，出現(xiàn)此消彼長的問題。因此，在消除熱裂缺陷時，很重要的一點就是要搞明白要怎么才能防止產(chǎn)生縮裂。
砂型的高溫強度過高，高溫退讓性和干強度過低，是人們最關(guān)心的性能，這些性能與型砂的成分及型砂緊實度有關(guān)。砂型的這些性能，一般受黏結(jié)劑的品種、加入量以及水分含量所制約。水分過多，高溫強度和干強度則往往偏高。砂型中如加入瀝青，則由于瀝青的增多會導致砂型潰散性降低。細砂、石英粉，甚至黏土，如加入量過多，都會使高溫強度和干強度過高。正確選擇黏結(jié)劑，是一種最簡便的消除缺陷的措施，例如，可將水分控制在合適的范圍內(nèi)。
（2）砂型中有熔點低的物質(zhì)，熔點低的物質(zhì)燒結(jié)成硅酸鹽物質(zhì)后，容易引起鑄件產(chǎn)生熱裂，并對控制型壁位移、預防縮裂無益。硅酸鈉（水玻璃）和造渣材料，都容易形成這種熔點低、對黑色金屬鑄件有害的熔融物。有色金屬因澆注溫度低，通常不能產(chǎn)生這種硅酸鹽物質(zhì)，除非這種熔融物質(zhì)含量非常大。
（3）砂型的高溫強度大，而退讓性又差。如果鑄件的結(jié)構(gòu)容易導致產(chǎn)生熱裂，則當該鑄件冷卻時，砂型必須具有一定的退讓能力。與其降低砂型的緊實度，還不如減少水分、黏結(jié)劑。也有例外的情況，例如鑄鋼件離心鑄造時，反而希望能提高型砂的高溫強度和膨脹性能。
用酚醛樹脂和水玻璃作黏結(jié)劑的薄殼砂芯具有良好的退讓性。用黏土和水玻璃的干態(tài)實芯退讓性較差。在砂芯中加入細木屑，采用有機化合物作黏結(jié)劑，或在粗大的砂芯中放置焦炭、爐渣等，均可提高砂芯的退讓性。
6. 制芯
（1）芯砂的高溫強度或干強度過高而導致砂芯的潰散性不良。潰散性不良對砂芯的影響同對砂型的影響大致相同。黏結(jié)劑不同，其潰散性也不同，例如，尿素樹脂砂芯就比酚醛樹脂砂芯更容易潰散。
（2）砂芯的潰散性和高溫退讓性都差。砂芯所用的黏結(jié)劑可能在高溫時不具有退讓性，某些油類黏結(jié)劑的退讓性較差，但是可改變烘烤周期來加以調(diào)整。
烘烤過度的砂芯，其殘余高溫強度可能比未烘透的砂芯還高。事實上，砂芯在被烤干之前，其高溫強度隨烘烤時間和烘烤溫度的增長而提高。所以，如果砂型中未烘透的砂芯在澆注后繼續(xù)受到烘烤，砂芯的高溫強度和剛性都會提高，因而，未烘透的砂芯也會引起熱裂缺陷。
（3）芯棒、芯骨等距砂芯表面過近。
（4）砂芯加固過度。由于在砂芯中放置鐵絲、芯棒和芯骨，妨礙其正常潰散，因而常產(chǎn)生來自砂芯的機械阻力問題。加固物過多或放置不當，會阻礙鑄件的正常收縮。對于大砂芯，解決這類問題的辦法是在砂芯中填塞焦炭。殼芯就因為是空心的而容易潰散，但是如果操作不當（殼芯的某些截面成了實心的），鑄件則照樣會產(chǎn)生熱裂缺陷。
在金屬型中，型芯的潰散性問題顯得格外重要，因為鑄型是剛性的，鑄件的收縮全靠型芯來承受。這時，若不及時將型芯抽出，就會使鑄件產(chǎn)生裂縫。
7. 造型
（1）砂型舂實過硬。由于熱裂和砂型的高溫強度和干強度有關(guān)，砂型的干強度隨其硬度增加而提高，而且在水分高時砂型的干強度提高得尤其迅速。因此，水分高的型砂舂得過硬更容易產(chǎn)生缺陷。在許多情況下，將砂型舂得松一點兒，既可以抑制熱裂而又可不引起縮裂。例如，砂型硬度在HB85～90，可以保證不發(fā)生型壁位移，當硬度高達HB90～98時，就有產(chǎn)生熱裂的危險。
（2）鐵棍、骨架、砂鉤等距型面過近。鐵棍、砂鉤和固砂木片常是獲得優(yōu)良砂型必不可少的。但它們放置的位置必須正確，以使鑄件能正常地收縮。
（3）冒口和直澆道距箱帶過近。
（4）刷水或蘸水過多。由于砂型中水分過高是產(chǎn)生熱裂的主要原因，所以噴、刷涂料（水基）過多也會產(chǎn)生同樣的問題。
（5）沒有安放能防止熱裂的冷鐵。
8. 金屬成分
某些金屬產(chǎn)生熱裂的傾向較另一些金屬要大得多，含有收縮率特高的金屬，對鑄件產(chǎn)生熱裂的影響比鑄型或鑄件結(jié)構(gòu)這兩個因素要大得多。鑄造合金的化學成分和結(jié)晶特點，對熱裂有明顯的影響。結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固收縮量愈小，鑄件內(nèi)產(chǎn)生的應力愈小，合金形成熱裂的傾向就愈小，反之則大。
凡是能擴大結(jié)晶溫度范圍的雜質(zhì)，都能促使熱裂傾向增大。硫在鋼中能形成低熔點共晶，熔點985℃，使固相線下移很多，擴大了結(jié)晶溫度范圍，使鋼易產(chǎn)生熱裂。磷也有與硫相同的作用。故在熔化鑄鋼時，要嚴格控制硫、磷的含量，可以減小鋼的熱裂傾向。在鋼中加入0.1%～0.6%的硅能提高鋼的抗裂性。對碳鋼及合金鋼進行微合金化或變質(zhì)處理，可提高鑄鋼件的抗裂能力。如加入0.3%以下的稀土元素；在20鋼中加入微量礬；在35鋼中加入2%粒度為0.1mm的鐵粉；高錳鋼件澆注時加入2%錳鐵粉，都可提高其抗熱裂性能。
9. 熔化和澆注
加料疏忽造成金屬成分差錯。成分對某些合金非常重要，所以熔化時必須保證正確的成分。加料、稱料不慎或爐氣控制不當，是影響成分不準的主要因素。黑色金屬進行包內(nèi)孕育或變質(zhì)處理，有可能因碳化物析出過多而產(chǎn)生熱裂的危險。
澆注工藝是指澆注溫度和澆注速度。鑄件澆注溫度太低，使砂型（砂芯）達不到正常的潰散速度。澆注溫度應有一定的范圍，尤其對那些熱裂傾向大的金屬。澆注溫度太低，則不能將型砂或砂芯中的黏結(jié)劑燒掉，以使其適度潰散。另一方面，若澆注溫度太高，則會在截面不均勻的鑄件中構(gòu)成較大的溫度梯度。薄壁件要高溫快澆，這樣既可保證流動性，還可延緩凝固速度，延長高溫對鑄型的作用時間，從而增加鑄型的退讓性，有利于防止熱裂；厚壁件要低溫慢澆，以免因縮孔等原因促使鑄件產(chǎn)生內(nèi)熱裂。
10. 其他
溫度梯度引起的內(nèi)應力。鑄件澆注后的處置方式，對冷卻應力或溫度梯度的形成有重大影響，最明顯的情況是落砂過早或在內(nèi)圓角和截面交接處等部位的冷卻過快。猛烈地或過早地挪動舂得不實的砂型，如放置在鑄型輸送器上的砂型，都可能造成熱裂缺陷。
對于熔模鑄造來說，影響熔模鑄件熱裂的因素很多，其中以合金特性、鑄件結(jié)構(gòu)和熔模鑄造工藝的影響尤為顯著。
合金形成熱裂的溫度范圍亦稱為有效凝固溫度范圍。這溫度范圍越大，則形成熱裂的傾向性也就越大。凡擴大有效凝固溫度范圍、削弱合金高溫強度與伸長率的元素都會促進熱裂，如鋼中含硫、磷量增加，均促進熱裂。
鑄件壁厚差大，連接處又為尖角則易在交接處產(chǎn)生熱裂。
就熔模鑄造工藝因素方面如何防止鑄件熱裂有以下幾點。
（1）正確設(shè)計澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)，特別是內(nèi)澆道位置對鑄件凝固時的溫度分布影響很大。通常熔模鑄鋼件內(nèi)澆道設(shè)置在鑄件厚實的熱節(jié)處，這對熱節(jié)處補縮固然有利，但加大了鑄件厚實處與薄處的溫差，增大了鑄件熱應力，使熱裂傾向增大。另外，對于形狀復雜、壁厚不均勻的鑄件，因有較多孤立的熱節(jié)，為保證補縮，往往需設(shè)置多個內(nèi)澆道，澆注系統(tǒng)較復雜，造成鑄件線收縮受阻，增加鑄件產(chǎn)生熱裂的傾向。
為減少熱裂傾向，在設(shè)置澆注系統(tǒng)時，既要考慮到鑄件厚大部位的補縮，又要考慮件厚薄部分的熱平衡，以減小熱應力；應考慮到整個鑄件線收縮的方向和收縮應力分布，減少鑄件收縮應力；在金屬液充填、補縮前提下，澆注系統(tǒng)形狀力求簡單，內(nèi)澆道數(shù)量不宜過多，要特別注意內(nèi)澆道間的鑄件過熱和澆注系統(tǒng)對鑄件的線收縮阻礙?？傊?，要避免鑄件最后凝固或熱節(jié)處因線收縮受阻而產(chǎn)生拉應力；應將最后凝固部位分散，或?qū)⑹湛s應力分散作用于各部位，或?qū)烧呓诲e開，以減小鑄件熱裂傾向。
（2）正確控制鑄件冷卻速度。鑄件冷卻速度對熱裂影響很復雜，對厚壁件和易產(chǎn)生熱裂的鑄件，提高冷卻速度可以減小熱裂傾向。但對個別強烈收縮受阻的壁厚均勻的薄壁件，冷卻速度過高，收縮應力往往使鑄件在內(nèi)澆道附近產(chǎn)生熱裂。
（3）正確選擇型殼。工廠經(jīng)驗表明，熱膨脹系數(shù)小的耐火材料，如鋁礬土、上店土（一種高嶺石類熟料）所制型殼澆注后，型殼甚至會收縮，使用這類型殼有利于減少鑄件熱裂。對防止鑄件熱裂而言，耐火材料高溫下熱膨脹性能比其高溫強度、熱導率影響還大。關(guān)鍵在于當鑄件處于熱裂溫度范圍時，型殼這時膨脹應小，如此時不膨脹，甚至收縮就能減少和防止熱裂。
三、冷裂缺陷
冷裂缺陷是指鑄件凝固后在較低溫度下形成的裂紋，裂口常穿過晶粒延伸到整個斷面。防止的措施有以下幾種。
1. 鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計要合理，減小冷裂傾向性
鑄件壁厚應均勻，厚、薄過渡之處應緩和。齒輪類剛性結(jié)構(gòu)輪形鑄鋼件，要限制壁厚差異，不能過分懸殊，以減小鑄造熱應力。設(shè)計鑄件結(jié)構(gòu)時，要使鑄件具有更好的局部變形能力，以能有效地松弛鑄造應力，減小鑄件冷裂傾向性。
2. 采用正確的鑄造工藝措施
（1）使鑄件實現(xiàn)同時凝固，不僅有利于防止熱裂，亦有助于防止冷裂。因為采取外冷鐵、內(nèi)冷鐵、石墨塊（用于鑄鐵件）等措施激冷鑄件厚實部分或熱節(jié)凹角，金屬液從鑄件薄處分散引入等方法實現(xiàn)鑄件同時凝固，不僅減小了鑄件凝固時期金屬中溫度差而有利于防止熱裂，而且亦減小了鑄件冷卻時厚實和細薄處之間的溫度梯度，減小熱應力而有助于防止冷裂。
（2）正確確定鑄件在砂型中的停留時間，然后打箱將鑄件從砂型中清理出來。這段時間實際就是鑄件在砂型中的保溫時間。砂型是一種良好的“緩冷容器”，能使鑄件厚實和細薄處的溫度均勻化，減小它們之間的溫度差，降低熱應力。
從防止由于殘余熱拉應力而產(chǎn)生冷裂的角度說，上述停留時間或保溫時間的意義是：當鑄件厚實部分溫度高于塑彈性轉(zhuǎn)變臨界溫度時，溫度均勻化，可降低臨時熱應力；減小厚實和細薄部分的不均一塑性變形，即減小厚實部分的塑性壓縮量和細薄部分的塑性伸長量，從而可以減小常溫下的厚實部分發(fā)生的彈性拉伸量，即減小其殘余熱拉應力，減小常溫下的細薄部分發(fā)生的彈性壓縮量，即減小其殘余熱壓應力。因此，可以減小發(fā)生冷裂的危險性。
當鑄件厚實部分達到反向產(chǎn)生殘余熱拉應力并逐漸增大的時刻，這時的保溫、均溫作用可以減小殘余熱拉應力的增大速度，也就是減小其彈性拉伸速度，避免由于拉伸速度過快而出現(xiàn)脆斷，導致冷裂。但此時的保溫，對于減小殘余熱應力是沒有作用的。殘余熱應力的大小，取決于厚實部分在塑彈性轉(zhuǎn)變臨界溫度以上的不均一塑性變形的嚴重程度。厚實部分的塑性壓縮越大，則常溫下的彈性拉伸的補償量亦越大，導致其殘余熱拉應力亦越大。
根據(jù)以上所述，確定鑄件在砂型中的停留時間或保溫時間的依據(jù)是，決定于鑄件厚實部分打箱落砂時的溫度，即鑄件的落砂溫度。落砂溫度越低，則鑄件在砂型中所需要的停留時間就越長。所以確定落砂溫度有著重要意義：如果它定得過高，鑄件在砂型中的停留時間雖短，但落砂后的鑄件在空氣中冷卻，加大厚實和細薄處兩者的溫度差，增大殘余熱應力，鑄件易冷裂；如果它定得過低，鑄件雖不易冷裂，但降低了鑄件生產(chǎn)率，因為它不必要地延長了鑄件在砂型內(nèi)的停留時間。
原則上，鑄件（厚實部分）落砂溫度應等于合金材料的塑彈性轉(zhuǎn)變臨界溫度（實為一個溫度范圍，應是其下限溫度）。如果落砂溫度高于塑彈性轉(zhuǎn)變臨界溫度，則定得過高，鑄件易冷裂，但是對于形狀簡單，冷裂傾向性不大的小型鑄件，因為它的固態(tài)線收縮絕對值不大，其落砂溫度可以高于塑彈性轉(zhuǎn)變臨界溫度。甚至，只要落砂后的處于紅熱狀態(tài)的鑄件，不會由于落砂時的撞擊而變形，這類小型鑄件凝固完畢后就可以落砂。對于形狀復雜，合金材料導熱性差，易冷裂的中、大型鑄件其落砂溫度應低于塑彈性轉(zhuǎn)變臨界溫度；越易冷裂的鑄件，其落砂溫度應越低。中、大型鑄件的落砂溫度是影響鑄件是否會冷裂的重要鑄造工藝參數(shù)。
鑄件在砂型中的冷卻速度，決定了鑄件冷卻到落砂溫度所需要的時間，即鑄件在砂型中的停留時間。鑄件在砂型中的冷卻，是一種復雜的不穩(wěn)態(tài)導熱的傳熱問題，有待計算機開發(fā)，解決鑄件在砂型中的停留時間的計算問題。生產(chǎn)中一般根據(jù)經(jīng)驗或半徑驗圖表，解決這問題。也可以用實測方法，既解決落砂溫度又同時確定其停留時間。
為了既防止由于殘余熱拉應力而產(chǎn)生冷裂，又可以縮短鑄件在砂型中的停留時間，有時可以在鑄件凝固以后，將厚實處型砂扒開使之在空氣中冷卻，甚至澆水加速它的冷卻，以加速鑄件溫度均勻化，又可縮短停留時間，這實際上是一種強制冷卻法。專門的大型鑄鋼件或灰鑄鐵件的強制冷卻法是：造型時，在鑄件厚實處型壁中預埋管道，鑄件澆注后至冷卻到落砂溫度這段時間內(nèi)，就在預埋管道中通入壓縮空氣或水等流體冷卻劑。冷卻劑吸收砂型大量熱量而流走，鑄件厚實部分就被加速冷卻而使鑄件厚實處和細薄處加速溫度均勻化。這樣既可以縮短鑄件在鑄型中的停留時間，又可以防止冷裂。
對于非常容易產(chǎn)生冷裂的鑄件，也可以在鑄件澆注、凝固后，立刻打箱落砂，將紅熱的鑄件裝入專用的緩冷爐中，使之緩慢冷卻；如果還有后續(xù)的熱處理工序，也可以裝入熱處理爐中升溫進行后續(xù)工序。這實際上是一種強制加熱法，達到鑄件溫度均勻化，防止冷裂和取消鑄件在砂型中停留時間的目的。缺點是惡化了鑄件打箱落砂操作的勞動條件。
（3）增加砂型、砂芯退讓性，鑄件凝固后及早卸壓箱鐵，松開砂箱緊固裝置等，是防止由于收縮應力而使鑄件產(chǎn)生冷裂的關(guān)鍵措施。中、大型壁厚均勻的箱形灰鑄鐵件，往往總是“薄壁大芯”鑄件，特別容易產(chǎn)生這種冷裂。
3. 去應力退火
去應力又稱低溫退火。這種退火只是消除鑄件的殘余應力，合金材料無組織變化。它是將鑄件緩慢加熱到保溫溫度并保持一定時間，達到以塑性變形為主的狀態(tài)。通過塑性變形或蠕變變形，使殘余應力松弛而消除或顯著減小了鑄件殘余應力。然后慢冷地通過塑彈性轉(zhuǎn)變臨界溫度范圍，以免產(chǎn)生新的熱處理殘余應力。去除或顯著減小鑄件殘余應力后，就可以避免外加負荷產(chǎn)生的拉應力同殘余拉應力相疊加，而產(chǎn)生的冷裂和灰鑄鐵件的微量自變形。
去應力退火主要用于灰鑄鐵件，亦稱為人工時效處理。保溫溫度一般為450～550℃。溫度過低，消除殘余應力效果不佳；溫度過高，鑄鐵組織變化，硬度下降。故保溫溫度在不降低鑄鐵硬度前提下，應有足夠高的溫度，獲得好的去應力效果。壁厚25～50mm的灰鑄鐵件，保溫時間為3～4h；加熱時升溫速度為80～120℃/h，結(jié)構(gòu)復雜的鑄件取下限；保溫后，可隨爐冷卻到150～200℃，就可以出爐。
一般來說，鑄造應力與鑄件結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)和合金成分等有密切關(guān)系，凡增大鑄造應力的因素都能促使冷裂。防止熔模鑄造冷裂的措施如下。
（1）改進鑄件結(jié)構(gòu)，使壁厚均勻，必要時可增設(shè)加強筋。
（2）合理設(shè)置澆注系統(tǒng)，避免鑄件線收縮受阻，減少鑄造應力。
（3）控制鋼水中碳、鉻、錳、磷等含量。碳、鉻、錳等會降低鋼的導熱性和塑性，因此，這些元素含量高，冷裂傾向就增大。磷使鋼具有冷脆性。
（4）鋼液要充分脫氧，否則，在晶粒邊界上聚集較多的FeO、MnO等氧化夾雜物使鋼變脆。
（5）對特殊合金成分件要改變其冷卻速度，以防止冷裂。
（6）在鑄件清理、矯正時，要避免劇烈撞擊。
四、裂紋、冷隔類缺陷的防治措施總結(jié)
各種主要的裂紋、冷隔類缺陷的名稱、定義和特征、鑒別方法、成因及防治補救措施總結(jié)如表4-1、表4-2、表4-3、表4-4、表4-5。
表4-1 白點缺陷的特征、鑒別方法、成因及防治措施
表4-2 冷隔缺陷的特征、鑒別方法、成因及防治措施
表4-3 冷裂缺陷的特征、鑒別方法、成因及防治措施
續(xù)
表4-4 熱處理裂紋缺陷的特征、鑒別方法、成因及防治措施
表4-5 熱裂缺陷的特征、鑒別方法、成因及防治措施
續(xù)
第二節(jié) 裂紋、冷隔類缺陷的防治實例
案例1 低壓鑄造鋁合金輪轂裂紋的改進措施
生產(chǎn)條件及存在問題 低壓鑄造已成為鋁合金輪轂生產(chǎn)的主要工藝方法，國內(nèi)的鋁合金輪轂制造企業(yè)多數(shù)采用此工藝生產(chǎn)。低壓鑄造可實現(xiàn)高度機械化、自動化，既提高生產(chǎn)率（10～15型/h），又可減少眾多的不利于生產(chǎn)工藝的人為因素，提高成品率，且可大大地減輕工人的勞動強度。然而低壓鑄造件的質(zhì)量受到諸如工藝方案、工藝參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)及人工操作等因素影響以及它們之間的相互影響，任何一個環(huán)節(jié)設(shè)計不合理或操作不當都有可能導致低壓鑄造件產(chǎn)生缺陷。其中，鋁合金輪轂裂紋的產(chǎn)生是影響企業(yè)生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率的重要因素，且輪轂裂紋是汽車安全性的重大隱患。
缺陷形成原因 低壓鑄造鋁合金輪轂裂紋主要產(chǎn)生在應力集中的部位，或輪轂頂出時因受力不均，或升液管處液體凝固造成的開裂。裂紋一般分為冷裂和熱裂兩種。冷裂紋是指合金在低于其固相線溫度時形成的裂紋。通俗地說，冷裂是鑄件冷卻到低溫時，作用在鑄件上的鑄造應力超過鑄件本身強度或塑性所允許的程度而產(chǎn)生的。冷裂多在鑄件表面上出現(xiàn)，裂口表面有輕微的氧化；而熱裂通常認為是在合金凝固過程中產(chǎn)生的，由于型壁的傳熱作用，鑄件總是從表面開始凝固的。當鑄件表面出現(xiàn)大量的枝晶并搭接成完整的骨架時，鑄件就會出現(xiàn)固態(tài)收縮（常以線收縮表示）。此時枝晶之間還存在一層尚未凝固的液體金屬薄膜（液膜），如果鑄件的收縮不受任何阻礙，那么枝晶層不受力的作用，可以自由收縮，也就不會出現(xiàn)應力。當枝晶層的收縮受到阻礙時，不能自由收縮或受到拉力的作用，就會出現(xiàn)拉應力，這時枝晶間的液膜將受到拉伸的作用而變形。當拉應力超過液膜的強度極限時，枝晶間就會被拉開。但是被拉裂部分的周圍還存在一些液體金屬，如果液膜被拉開的速度很慢，且周圍有足夠的液體并及時流入拉裂處，那么拉裂處將得到填補和“愈合”，鑄件不會出現(xiàn)熱裂紋。如果拉裂處不能重新“愈合”，鑄件就會出現(xiàn)熱裂紋。熱裂斷口處表面被強烈氧化，呈現(xiàn)無金屬光澤的暗色或黑色。
對于同一種合金，輪轂是否產(chǎn)生裂紋，往往取決于輪轂結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)和模具溫度等因素。
（1）輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計不當對輪轂裂紋的影響。
①內(nèi)圓角大小不當，是輪轂產(chǎn)生熱裂紋最普遍的原因，因為輪轂在冷卻時尖角處會產(chǎn)生很大的應力。在內(nèi)圓角小的部位，即使補縮良好不出現(xiàn)縮裂，也會產(chǎn)生熱裂。
②輪轂截面驟然改變，會導致冷卻速度快慢不一，即使補縮良好也會產(chǎn)生較大應力，使輪轂凝固后出現(xiàn)裂口或裂紋。
（2）工藝參數(shù)不合理對輪轂裂紋的影響。在低壓鑄造中，由于保壓時間過長或升液管過長造成升液管內(nèi)液體出現(xiàn)凝固，在輪轂鑄件頂出時承受一定的拉力，從而造成輪轂產(chǎn)生冷裂。因此，設(shè)計合理的保壓時間和升液系統(tǒng)，對減少輪轂在頂出時造成的開裂有十分重要的意義。
（3）模具溫度對輪轂裂紋的影響。低壓鑄造的模具溫度決定合金液的凝固方式，并直接影響鑄件的內(nèi)部和表面狀況，是鑄件產(chǎn)生尺寸偏差及變形等諸多缺陷的主要原因之一，同時對生產(chǎn)率也有很大的影響。模具溫度隨著鑄件重量、壓鑄周期、壓鑄溫度及模具冷卻方式等的變化而改變。
改進措施
（1）合理設(shè)計升液系統(tǒng)。由于保壓時間過長或升液管過長造成升液管內(nèi)液體出現(xiàn)凝固，使輪轂鑄件在頂出時承受一定的拉力，從而造成輪轂產(chǎn)生冷裂，因此設(shè)計合理的升液系統(tǒng)對減少裂紋傾向具有十分重要的意義。升液系統(tǒng)是指澆注時液態(tài)金屬由坩堝進入型腔的通道，包括升液管、保溫套和鑄件澆注系統(tǒng)。這幾部分的尺寸直接影響坩堝內(nèi)液面到鑄件內(nèi)澆口之間的距離。這段距離越長，則澆注時液態(tài)金屬通過這段距離時降溫越快，極易造成升液管通道早期凝固。因此應注意：①縮短坩堝內(nèi)液面到鑄件內(nèi)澆口之間的距離。這段距離涉及到設(shè)備、工藝、模具等幾個方面，所以要綜合考慮，應以減短這段距離為宜；②改進保溫套。適當加大保溫套直徑，以便擴大保溫層厚度或采用保溫性能好的材料作為保溫套，如硅酸鋁纖維氈；③升液管直徑適當加大。為防止升液管早期凝固，應適當加大升液管的直徑。
（2）設(shè)計合理的輪轂結(jié)構(gòu)應避免尖角結(jié)構(gòu)和截面的驟然改變，宜采用圓角或厚度均勻的結(jié)構(gòu)。
（3）在不出現(xiàn)鑄造缺陷的情況下，適當提高模具溫度。
案例2 電機端蓋的熱裂缺陷及防止措施
生產(chǎn)條件及存在問題 某鑄造廠在生產(chǎn)225型號的電機端蓋時，有一段時間，在端蓋的中心凸臺內(nèi)孔A點處經(jīng)常發(fā)現(xiàn)橫向裂紋。根據(jù)現(xiàn)場觀察，該裂紋彎曲不平，長30～40 mm，深4～5mm，內(nèi)有氧化色，均出現(xiàn)在壓邊冒口的下部10～15mm處，很有規(guī)律，并造成鑄件成批報廢。電機端蓋的鑄造工藝見圖4-1。熔煉設(shè)備為2t/h的熱風沖天爐，出鐵溫度1420℃左右，層焦鐵比為1∶10，鑄件材質(zhì)要求為HT200。
產(chǎn)生缺陷原因分析 從廢品件的工藝上分析，由于受砂箱高度的限制，其壓邊冒口高度偏小，澆注過程當中它僅起到出氣冒口的作用。鐵水從內(nèi)澆口進入型腔，完全充型后才上升到冒口里，這樣冒口的鐵水溫度偏低，凝固過早。而鐵水是通過冒口根部進入冒口，又因凸臺內(nèi)孔直徑僅約100mm，造成A處散熱不良，凝固最慢。在冒口和鑄件其他部位冷卻收縮的共同作用下，A處受到拉應力，造成該裂紋的形成。
解決措施
（1）在造型時，取消原來設(shè)置的壓邊冒口。為了防止出現(xiàn)氣孔缺陷，型砂的水分要控制得低些，并且在造型時多扎些出氣孔，以利排氣。
（2）調(diào)整化學成分。為了降低鐵水的含碳量，將原來爐料配比中的廢鋼由10%提高到20%，生鐵減少10%；另外，爐后補加1%的65碳素錳鐵和1%的75硅鐵。爐后的化驗結(jié)果為（質(zhì)量分數(shù)，%）：C 3.45，Si 2.42，Mn 0.81；硅碳比為0.70。這樣即調(diào)整為高硅碳比鑄鐵。眾所周知，高硅碳比鑄鐵的內(nèi)應力小，而且它的斷面組織細小均勻，力學性能好。
（3）爐前孕育。原操作工藝未進行爐前孕育處理；現(xiàn)在沖天爐出鐵水時，將占包內(nèi)鐵水質(zhì)量0.4%的75硅鐵，在出鐵槽內(nèi)隨流沖入，并在包內(nèi)攪拌均勻，進行孕育處理，然后澆注。
采取上述措施后，該鑄件再未出現(xiàn)過裂紋缺陷。
圖4-1 電機端蓋鑄造工藝簡圖
案例3 缸體裂紋對策
生產(chǎn)條件及存在問題 柴油機四、六缸體鑄件，用于拖拉機、聯(lián)合收割機、工程機械和汽車。材質(zhì)HT250，采用高壓造型線濕型生產(chǎn)，沖天爐一有芯工頻感應電爐雙聯(lián)熔煉，中注式澆注（圖4-2），澆注溫度1380～1420℃，隨流孕育。自產(chǎn)品投產(chǎn)以來，檢視面及下缸筒裂紋不斷發(fā)生，且缺陷常在加工后發(fā)現(xiàn)，造成較大損失。
缺陷分析及解決措施 冷裂通常呈直線型，為穿晶斷裂，是鑄件在凝固和以后的冷卻過程中所產(chǎn)生的熱應力、相變應力和機械阻礙應力的總和，即鑄造內(nèi)應力大于金屬在彈性狀態(tài)下的強度極限所產(chǎn)生的。若總應力低于金屬的彈性極限，則以殘余內(nèi)應力存在于鑄件內(nèi)。當殘余內(nèi)應力較大，鑄件受到落砂碰撞、熱處理焊補、機械加工等過程產(chǎn)生的附加應力時，鑄件易產(chǎn)生裂紋或使裂紋擴展。缸體鑄件結(jié)構(gòu)復雜，砂芯較多，壁厚懸殊不均。在凝固冷卻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應力可達130MPa，加之生產(chǎn)過程中鑄件受落砂、熱處理、焊補、機械加工等多種因素引起的附加應力（可使應力重新分布），疊加應力可達156.9MPa，形成裂紋傾向大。
圖4-2 缸體鑄造工藝簡圖
（1）鑄件結(jié)構(gòu)影響。四、六缸體挺桿室檢視面法蘭壁厚為12mm，較薄，而長主搭子、方加強搭子厚大（26mm），法蘭與搭子連接處因產(chǎn)品設(shè)計及芯盒分盒面不當形成尖角，產(chǎn)生應力集中而造成冷裂。當改變芯盒局部分盒面，增加挺桿室法蘭厚度，增大法蘭與搭子連接圓角后，挺桿室局部壁厚均勻性改善，消減了應力集中，增加了檢視面發(fā)蘭斷面強度，冷裂紋消除，方塔子處的損傷裂紋明顯減少。
（2）落砂狀態(tài)影響。鑄件在型內(nèi)緩慢冷卻無疑對鑄件殘余內(nèi)應力減少有利。但是，因造型線設(shè)備等因素所限，尤其是大批量生產(chǎn)節(jié)拍在1箱/45s時，鑄件在型內(nèi)冷卻（捅箱）時間在1.5h左右，2.5h左右出鱗板，溫度高，尤其夏季高溫天氣時，造型型砂溫度在60℃以上，鑄件到落砂床時外部溫度高達500℃，內(nèi)部溫度在600℃以上。缸筒壁厚大，處于紅熱（塑—彈性）狀態(tài)，強度僅有130MPa左右。受鑄件結(jié)構(gòu)及鑄造工藝影響，上型凹部（圖4-2A部）及排氣冒口加大了上型砂包緊力；而下型較平坦（圖4-2B部），鑄件出鱗板到落砂床時上型包覆型砂，冷卻速度慢，鑄件內(nèi)應力小（約30%）；下型型砂基本落去，冷卻速度快，鑄件內(nèi)應力增加迅速（可達75%）。落砂床上有部分砂子形成“砂墊”，再輔助“橡皮—鋼板”墊，緩沖鑄件下落；提高懸鏈（落砂床）運行速度。克服鑄件相互碰撞后，檢視面及下缸筒裂紋均得到明顯控制。
（3）熱處理、焊補條件影響。為消除鑄造殘余內(nèi)應力，灰鑄鐵件常在500～600℃下退火處理，升溫、冷卻速度小于80～120℃/h，進出爐溫度控制在100～200℃。缸體上型原無法噴涂料，為輔助清除缸體表面粘砂等內(nèi)外表面異物，焊補鑄件缺陷，消除鑄件殘余內(nèi)應力，將鑄件全部進爐處理。為防止焊硬，爐溫在650～700℃。大批量生產(chǎn)時連續(xù)作業(yè)，爐溫始終居高不下，局部溫度達720℃，造成缸體過速升溫、冷卻，產(chǎn)生較大臨時附加應力，且使珠光體分解，缸筒本體強度、硬度、彈性模量大幅度降低，引起裂紋產(chǎn)生或擴展。在增補缸體上型涂料工藝，增加DISA雙臂機械手拋丸清理設(shè)備后，僅焊補鑄件進爐處理，便于爐溫控制，且焊補鑄件可及時返回爐內(nèi)，爐外焊補時間一般不超過10min，減少了二次應力傾向，裂紋減少。
（4）合金成分影響。缸體工藝要求本體強度≥200MPa，硬度HB180-250。但在實際生產(chǎn)中，常因化學成分偏差大，缸筒內(nèi)腔冷卻條件差等因素，缸體缸筒力學性能常偏低，抗拉強度僅175MPa，硬度僅HB156。珠光體含量低，片間距大，A型石墨數(shù)量少且粗大，缸體易于開裂。因此，應嚴格控制合金化學成分，以促進A型石墨、珠光體增加和細化、組織均勻化，提供低應力、高強度合金。
①CE、Si/C影響。通過大量典型下缸筒裂紋與非裂紋缸體化學成分、性能對比分析，當控制wCE=3.85%～4.02%，Si/C=0.62～0.75時，可獲得高強度低應力合金，減小下缸筒裂紋傾向。
②磷影響。磷具有嚴重的結(jié)晶偏析傾向，易形成網(wǎng)狀磷共晶，增加灰鑄鐵脆性。大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，為防止下缸筒裂紋產(chǎn)生，應使wP＜0.09%。
③鉻、銅影響。鉻、銅合金可降低奧氏體轉(zhuǎn)變的臨界溫度，提高過冷奧氏體穩(wěn)定性，從而使灰鑄鐵在緩冷條件下細化石墨，增加、細化珠光體，改善力學性能?？刂沏t、銅分別為0.20%～0.35%、0.25%～0.42%時，裂紋傾向較小。
上述措施的實施，消除了檢視面鑄造應力裂紋。
案例4 改變澆注系統(tǒng)解決閥體精鑄件裂紋缺陷
超純鐵索體不銹鋼是優(yōu)秀的耐濃堿腐蝕材料。用真空感應熔煉代替電子束熔煉開發(fā)的這種合金鑄件，價格只比18-8型不銹鋼貴一倍，但耐濃堿腐蝕性能是18-8不銹鋼的70～100倍，具有開發(fā)應用價值。在研制燒堿工業(yè)用Dg100截止閥體過程中，閥體件由于鑄造裂紋缺陷造成大批廢品達70%以上，其鑄件結(jié)構(gòu)尺寸如圖4-3所示。原采用的澆注系統(tǒng)形式如圖4-4所示，裂紋都出現(xiàn)在雨淋內(nèi)澆口根部附近，數(shù)量達幾條或十幾條，外觀曲折，小于0.8MPa水壓測試就發(fā)生滲漏。
解決措施 避免在均勻壁厚區(qū)形成明的凝固不一致的現(xiàn)象，消除熱應力。采用新的澆注系統(tǒng)如圖4-5所示，改變了澆注位置，形成順序凝固，鑄件得到良好補縮。鑄件薄壁區(qū)形成比較均勻一致的凝固，澆注系統(tǒng)設(shè)在加工面上，鑄件清理方便，外觀整齊。組合后的模組強度高，不易損壞。側(cè)冒口與主冒口相連的橫澆口，形成有效的排氣作用。采用這種澆注系統(tǒng)后，完全消除了裂紋缺陷。
圖4-3 Dg100截止閥體鑄件圖
圖4-4 原采用的澆注系統(tǒng)形式
圖4-5 改進后的澆注系統(tǒng)
案例5 防止曲柄齒輪鑄件裂紋的措施
生產(chǎn)條件及存在問題 一臺3t/h三相堿性電弧爐，采用氧化法工藝生產(chǎn)，平均出鋼量每爐6t，熔化后期極限出鋼量10t。一般采用8t底注式盛鋼桶進行澆注，單注孔最大直徑60mm，鋼水溫度主要靠結(jié)膜法測量。采用木質(zhì)模樣、通用砂箱、水玻璃砂面砂，易粘砂部位用水玻璃鉻鐵礦砂，背砂用黏土砂；造型工藝以手工造型為主，砂型在220～240℃下，經(jīng)3～4h烘干。曲柄齒輪結(jié)構(gòu)特點：①屬大平面、高度低的類似圓盤鑄件，其直徑與高度比值在7.40～11.34之間；②曲柄齒輪區(qū)別于一般齒輪，由于曲軸（后壓裝）處強度需要，輪緣約1/6范圍與厚大的輪載相連；③輪轂與輪輻壁厚懸殊，比例從2∶1到3.34∶1，輪緣與輻板交接處的熱節(jié)較大，如1397mm輪緣熱節(jié)124mm，而輪緣上部厚度只有89mm；1613mm輪緣熱節(jié)140mm，輪緣厚113mm；④輻板的結(jié)構(gòu)有直型和過渡型，減輕孔有大、有小。
曲柄齒輪在鑄造過程中較容易出現(xiàn)裂紋傾向大的因素有：①結(jié)構(gòu)中各處壁厚懸殊，輪轂特別厚大，使其在凝固過程中遠遲于其他部分凝固；②輪轂部分收縮量較大，需設(shè)計較大冒口，冒口與鑄件連接后，凝固模數(shù)進一步增值；③在澆注系統(tǒng)設(shè)計上，內(nèi)澆道由輪轂底部澆注，鋼水長時間經(jīng)流轂部，使輪轂處過熱更加嚴重。
解決措施
（1）鑄造工藝方案對質(zhì)量的影響。通過分析，選擇曲柄齒輪鑄件的澆注位置是以有凹面的端面朝上的工藝方案，如圖4-6所示。雖然這種工藝造成了上箱的吊胎，輪緣處的補貼較大，但這種把輪緣處熱節(jié)置于澆注位置下部的做法，優(yōu)點在于：①能使鑄件厚大處先行凝固，加上合適的補貼和冒口工藝以及較高的壓力頭作用，對熱節(jié)進行更有效補縮，使鑄件比較致密；②減少了輪緣處的熱裂傾向；③輪緣端面加工余量較少；④模樣結(jié)構(gòu)完整、強度較好。
（2）冒口及補貼工藝設(shè)計的影響。曲柄齒輪的冒口及補貼設(shè)計是決定鑄件質(zhì)量的特別重要因素。由于曲柄齒輪材質(zhì)和結(jié)構(gòu)本身的特點，使得澆注溫度較高，鋼水的液態(tài)收縮和凝固收縮量大。線收縮率達2%，體收縮率ZG310～ZG570為5.2%～5.6%，低合金鋼達5.3%～6.0%，而且受溫度影響大。所以，容易出現(xiàn)縮孔、縮松、縮裂，造成返修甚至報廢。為減少熱裂傾向，有人曾經(jīng)試將1613mm曲柄齒輪輪轂上300號保溫冒口改小一號，采用280號保溫冒口，結(jié)果鑄件就產(chǎn)生了從未有過的嚴重縮孔、縮裂現(xiàn)象，致使鑄件報廢。而與此相對的例子是，由于生產(chǎn)實際的原因，也有將1613mm以上的曲柄齒輪拿到某大廠鑄造，分析是生產(chǎn)工藝的原因。該廠對送去的工藝圖中冒口規(guī)格一般是加大2個級別，而且數(shù)量增多，工藝出品率較本廠降低10%左右，產(chǎn)生的質(zhì)量效果并不理想。比如外協(xié)的2235mm曲柄齒輪6個，經(jīng)加工發(fā)現(xiàn)，其中有1個裂紋，造成報廢；1個有較嚴重的鋼包砂和非主要位置的裂紋。
可見，工藝上要盡可能設(shè)計出既滿足鑄件補縮需要又不增加裂紋傾向的冒口，即冒口既不能偏小，又不能太大。偏小引起的縮孔缺陷是顯而易見的，而偏大的冒口會引起裂紋傾向增加。
（3）澆注系統(tǒng)的影響。從理論上說，對此類鑄件的內(nèi)澆道應開在鑄件較薄的輪緣處并多處流入型腔，使鑄件各部分溫度的分布趨于一致。這對防止裂紋及砂型方面的缺陷是大有好處的。以往主要遵循保證輪緣處質(zhì)量的原則，采用澆道由輪轂部底澆的傳統(tǒng)工藝進行設(shè)計。但是，做一些澆口新工藝措施的嘗試，并取得了較好的效果：①以往內(nèi)澆道多排在冒口下的輪轂底部底澆，后來，采取避開冒口，開在較薄處輪轂的對稱位置二處底澆的工藝，減輕了冒口下輪轂部分的過熱程度，消除了澆口處裂紋現(xiàn)象；②曾將SPT2159mm曲柄齒輪澆口改成輪轂頂處一遭與輪緣處2道底澆。雖然由于當時沒有采用“工藝縮頸”的關(guān)鍵工藝措施，輪轂處裂紋仍沒有解決，但輪緣處也沒有因此而出現(xiàn)質(zhì)量問題，所以取得了澆口工藝可行的結(jié)論；③在生產(chǎn)2235mm曲柄齒輪時，采取由輪輻處3道對稱（均勻）底注的澆注系統(tǒng)，所生產(chǎn)的6個鑄件取得了全新的鑄件質(zhì)量，分析認為，與此工藝措施有密切關(guān)系。
（4）鑄型和砂芯退讓性的影響。由于采用保溫冒口工藝措施，冒口在完成盛裝鋼水后，保溫材料燒結(jié)，形成空隙，加上水玻璃砂工藝，使得鑄型的退讓性得到很大改善。減少了鑄件收縮時的機械阻礙，對防止鑄件產(chǎn)生熱裂起到了較大作用。除此，還采取在黏土型砂中加2%～3%木屑，冒口周圍環(huán)繞稻草繩的措施，亦有一定的防裂效果。
（5）鋼水成分、澆注溫度和澆注速度對裂紋的影響。在保證規(guī)定的性能、成分范圍內(nèi)，適當調(diào)整碳和其他易導致裂紋合金元素的化學成分至中下限?？s小凝固溫度范圍，以減少凝固期間的線收縮量；對鋼水的脫氧、脫磷和脫硫要徹底，減少各種夾雜物，以提高鑄鋼的高溫強度；在曲柄齒輪鑄件特定的工藝和生產(chǎn)條件下強調(diào)采用適當?shù)偷臐沧囟群痛罅髁繚沧⑺俣?，以其使鑄件溫度較為一致，不使?jié)部谔幒兔翱谔幃a(chǎn)生嚴重過熱。
（6）澆注后松箱時間、保溫時間的影響。由于曲柄齒輪鑄件面積較大，當鑄件凝固收縮時，上箱的凸出砂胎會阻礙其收縮。如果不及時松開鎖箱螺絲，則增加了鑄件橫向收縮的阻礙，使產(chǎn)生裂紋的傾向性增加。對此，規(guī)定了各種曲柄齒輪的澆注后松箱時間，與保溫時間一起，作為防裂工藝措施進行落實。
（7）冒口、澆口熱割工藝的影響。氣割冒口時，由于割口處溫度高，與周圍溫差較大，鑄件產(chǎn)生了一定的熱應力，加上曲柄齒輪鑄件本身存在較大的應力，所以氣割冒口及補貼時容易產(chǎn)生裂紋，而防止切割裂紋的主要措施是采用預熱切割工藝。根據(jù)有關(guān)技術(shù)資料，規(guī)范了對曲柄齒輪的熱割工藝。由此消除了由于氣割引起的裂紋現(xiàn)象。
圖4-6 曲柄齒輪工藝方案簡圖
案例6 高錳鋼鑄件產(chǎn)生裂紋的因素探討
生產(chǎn)條件及存在問題 高錳鋼在抗磨材料中占有一定的比例，高錳鋼鑄件因裂紋缺陷造成的廢品占廢品的一半左右。高錳鋼鑄件的裂紋主要是熱裂紋，高錳鋼自由線收縮值（2.4%～3.0%）比碳素鋼的線收縮值大得多，因此，高錳鋼鑄件易產(chǎn)生熱裂。這是在鑄造過程中，鑄件產(chǎn)生熱裂的主要因素。其次，高錳鋼的導熱系數(shù)低，為碳素鋼的1/4～1/6，所以高錳鋼鑄件在加熱及冷卻過程中各部位的溫差較大，造成相當大的熱應力，這也是高錳鋼鑄件產(chǎn)生熱裂的另一個重要原因。
實踐證明：高錳鋼鑄件在使用過程中產(chǎn)生的裂紋，一方面，是由于鑄件內(nèi)部有鑄造缺陷存在，在沖擊載荷作用下，縮孔及縮松周邊便萌出裂紋，經(jīng)過疲勞擴展，發(fā)展成外部裂紋；另一方面，鑄件熱處理時的溫度及入水時間不當在晶界上析出了碳化物或者鋼中含磷量較高，晶界上出現(xiàn)的磷共晶削弱了晶界的強度及韌性。這些地方可以在高沖擊載荷下萌生裂紋，同時，裂紋的疲勞擴展在這里加速進行。
解決措施
（1）鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。鑄件的壁厚相差太大、壁厚過渡不當、鑄件圓角過渡太小等均容易產(chǎn)生裂紋。因此，鑄件設(shè)計應密切與鑄造工藝相結(jié)合，盡量避免鑄件設(shè)計不合理。例如，可以將十字斷面改為T形斷面等。
（2）鑄造工藝形設(shè)計。在鑄造工藝因素中最重要的是鑄型的退讓性，其次是砂箱設(shè)計不合理。例如，箱筋阻礙收縮可以產(chǎn)生裂紋，因此，箱筋距鑄件及冒口要有一定的距離。澆注系統(tǒng)設(shè)計不當，分散導入的多條內(nèi)澆道往往因阻礙鑄件收縮，而在與澆道聯(lián)結(jié)處開裂，應該特別指出，在鑄件內(nèi)澆道導入處，局部溫度高而最后凝固，因為得不到足夠的補縮，收縮使鑄件開裂，所以一般在內(nèi)澆道處要設(shè)置冒口補縮。
（3）高錳鋼鑄件的冒口及冷鐵設(shè)置。高錳鋼鑄件的冒口設(shè)置以不用普通頂冒口為原則，因為用乙炔焰切割冒口時容易造成裂紋。所以最好采用側(cè)冒口及易割冒口，冒口一般用錘打掉。鑄件設(shè)置冒口對熱節(jié)進行補縮，使鑄件不產(chǎn)生縮孔及縮松，是防止內(nèi)裂的有效措施，但冒口設(shè)置又產(chǎn)生了接觸熱節(jié)。其他工藝措施要與其配合得當，如合理地使用冷鐵，就可做到既防止內(nèi)裂又不會產(chǎn)生外裂。
（4）化學成分及熔煉工藝。在高錳鋼中，碳和磷對裂紋的產(chǎn)生影響較大。含碳量越高，鑄件越容易產(chǎn)生裂紋。原因是在鑄態(tài)鑄件晶界上析出的碳化物多，甚至形成網(wǎng)狀，使鑄件變脆。磷在高錳鋼中易形成磷共晶，在晶界上偏析，使高錳鋼變脆。因此，高錳鋼中磷的含量一定要嚴格控制。
（5）熱處理工藝。裝爐時爐溫與鑄件溫差是影響裂紋產(chǎn)生的一個重要因素。鑄件入爐后要均溫1.0～1.5h后再升溫，以使鑄件緩慢升溫。低溫階段（650℃以下）的升溫速度是產(chǎn)生裂紋的關(guān)鍵。一般較復雜的鑄件，升溫速度不應超過50℃，否則鑄件易開裂。
案例7 高錳鋼鑄件裂紋產(chǎn)生的預防措施
生產(chǎn)條件及存在問題 高錳鋼鑄件在鑄造生產(chǎn)過程中，裂紋廢品常常占廢品率的首位，一般在5O%以上。承受高沖擊載荷的高錳鋼鑄件，往往因裂紋造成非正常失效，導致產(chǎn)品壽命降低。
解決措施 由于高錳鋼鑄件工藝性能差，在設(shè)計鑄件時，應盡量使壁厚均勻，合理的過渡圓角，以減少熱節(jié)。手工造型的車間要盡量采用型板造型，以保證分型面平整，盡量避免鑄件在分型面上產(chǎn)生飛邊，飛邊會使鑄件產(chǎn)生裂紋。
用石英砂造型時一定要刷鎂砂粉或鋯英涂料，防止鑄件產(chǎn)生粘砂，粘砂增加鑄件在凝固收縮過程中與鑄型的摩擦力，從而使鑄件內(nèi)應力增大，裂紋傾向性增大。由于水玻璃石英砂退讓性比石灰石砂差，選用石灰石砂作為高錳鋼鑄件造型較為理想。
高錳鋼鑄件澆注系統(tǒng)的設(shè)計應注意，首先澆道面積比一般鑄鋼件大20%左右，保證快速澆注，同時澆注系統(tǒng)要光滑拐角少，對較大鑄件要用澆道磚以免澆注過程中金屬液對澆道沖刷造成夾雜。其次，內(nèi)澆道的長短要合適，太長會在鑄件和澆道連接處出現(xiàn)縮孔，太短時，在用氧乙炔切割澆道時，由于切口離鑄件太近，熱應力使鑄件產(chǎn)生裂紋。
高溫開箱的鑄件在空氣中冷卻時，由于高錳鋼的導熱性能差，溫差較大，造成的應力相應也大，加之鑄件這時強度低，很容易產(chǎn)生裂紋。具體的開箱溫度要根據(jù)鑄件大小、壁厚、復雜程度決定。若條件限制，鑄件開箱溫度高時，應立即將鑄件放入保溫爐內(nèi)緩慢冷卻或采取保溫措施。高錳鋼鑄件不要采用水爆清砂工藝，特別是大型的高錳鋼鑄件，實踐證明水爆清砂工藝不適合高錳鋼鑄件的清砂。
在選用含碳量時，要根據(jù)鑄件的使用情況決定。對受大沖擊載荷的鑄件，含碳量應選低一些（0.9%～1.0%）。
低溫快速澆注是防止高錳鋼鑄件產(chǎn)生裂紋的很好方法。澆注溫度應根據(jù)鑄件的大小、壁厚及復雜程度控制在1430～1460℃為好。鋼液出爐后溫度高時，應靜置一段時間，這樣既可以使鋼液中的雜質(zhì)上浮，也可調(diào)整澆注溫度。澆注時先澆小件后澆大件。
案例8 搖枕熱裂紋的消除
生產(chǎn)條件及存在問題 搖枕的材質(zhì)為ZG230-450，其結(jié)構(gòu)呈山字形，峰頂與峰谷高度差為275mm，尺寸為2815mm×700mm×500mm，內(nèi)腔筋板復雜交錯。搖枕的結(jié)構(gòu)導致其在鑄造過程中很容易出現(xiàn)裂紋、縮孔、縮松等缺陷，其結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。在過去的生產(chǎn)中，搖枕在圖4-7所示的A、B、C、D、E、F、G、H處很容易產(chǎn)生裂紋（圖中這些位置的粗實線表示裂紋），產(chǎn)生裂紋的鑄件占該產(chǎn)品總數(shù)的80%～90%，裂紋的長度為30～ 220mm，數(shù)量為2～4條/件。這些裂紋要經(jīng)過剖凈、多層焊補、打磨等多道工序處理，嚴重制約著該產(chǎn)品的生產(chǎn)。
解決措施 如圖4-8所示，根據(jù)鑄件收縮時砂芯的阻礙以及裂紋通常出現(xiàn)的位置，將規(guī)格為R51mm×80mm×12mm×55mm的冷鐵分別放置在A、B、C、D立面處，并取消E、F、G、H處的冷鐵。
圖4-7 搖枕結(jié)構(gòu)簡圖
圖4-8 搖枕鑄造工藝簡圖
案例9 柴油機機體鑄造裂紋的防止
生產(chǎn)條件及存在問題 R175A柴油機機體結(jié)構(gòu)見圖4-9，材質(zhì)為HT200，最大外形尺寸286mm×273mm×196mm，毛坯質(zhì)量28kg，鑄件主要壁厚僅為5mm，最大壁厚25mm，是典型的薄壁箱型結(jié)構(gòu)。機體采用無冒口鑄造工藝鑄造，齒輪室朝下，底腳板中心對稱分型，每型兩件，流水線機器造型，手工制芯；鑄件齒輪室坭芯采用黏土砂芯，曲軸室坭芯采用渣油砂芯；澆注系統(tǒng)采用3道扁梯形內(nèi)澆口，于鑄件分型面底腳板處進鐵水。澆注溫度＞1310℃，澆注時間15s。鑄件在型內(nèi)保溫時間1～1.5h，人工落砂，拋丸清理，手工清鏟，非時效處理。裂紋發(fā)生在冷卻較快的齒蓋面和冷卻較慢的軸承座孔兩個部位。齒蓋面處裂紋寬度不一，有的在鑄件清鏟中發(fā)現(xiàn)，而有的在加工后才發(fā)現(xiàn)。裂紋形狀比較平直、規(guī)則、穿透鑄件壁厚。從解剖裂紋的斷口可觀察到輕微氧化色澤，說明裂紋形成溫度較低，是典型的冷裂紋。裂紋方向垂直于齒蓋面，數(shù)量l～2條，出現(xiàn)的頻率在20%左右。
解決措施 冷裂紋主要從實現(xiàn)鑄件均衡冷卻上解決。熱裂紋則主要從提高鐵液質(zhì)量（減少有害元素含量，減少鐵液斷面敏感性）及細化晶粒上解決。
（1）改進、優(yōu)化鑄件結(jié)構(gòu)。改齒蓋面搭子處圓角R5為R10，齒蓋面寬度8mm為15mm，以減少急劇過渡而形成的應力集中；在齒輪室內(nèi)壁加設(shè)4～6條加強筋，以提高鑄件的剛性和強度；在軸承座孔里外厚壁與薄壁交界處增設(shè)3～5條加強筋，以提高厚壁處抵抗鑄造拉應力的能力。
（2）采用高Si/C（0.65～0.75）鑄件，在保證力學性能的前提下嚴格控制化學成分，特別是硫、磷及微量雜質(zhì)元素的含量，并提高鐵水出爐溫度（1440～1500℃）和澆注溫度（＞1340℃），采用稀土硅鐵孕育，以凈化鐵液、增加過冷度和細化晶粒，改善鑄鐵的組織和性能，防止鑄件產(chǎn)生硬、脆、裂傾向。
（3）將芯砂中的鋸木屑增至2%～2.5%，以降低坭芯的高溫強度，改善坭芯的退讓性、潰散性及出砂性，在操作規(guī)程上，注意防止鑄件毛刺及披縫，延長箱內(nèi)保溫時間2h以上。在落砂、清鏟和運輸過程中嚴禁猛烈撞擊，切削加工時，吃刀量不宜過深，切削速度不宜過大。
圖4-9 R175A柴油機機體毛坯簡圖
案例10 紫銅鑄件裂紋缺陷的改進
生產(chǎn)條件及存在的問題 在紫銅鑄件的生產(chǎn)過程中，幾次出現(xiàn)了由于開裂和表面龜裂缺陷而批量報廢的問題，無一件合格品，造成了較大的經(jīng)濟損失。生產(chǎn)用的原材料：100%高純陰極銅。由于電解銅板吸附有大量氫氣，純銅原料要充分預熱（600℃），熔化前在電阻爐內(nèi)烘烤2h，烘烤溫度600℃。熔化設(shè)備：0.5t中頻感應電爐，每爐400kg，鉑銠—鉑熱電偶測溫。技術(shù)要求：鑄件銅含量要求≥99.90%。
熔煉工藝：將預熱烘烤后的紫銅裝入中頻感應電爐，要求裝料緊實，不準有雜物混入爐內(nèi)。由于鑄件成分及導電性要求較高，采用不覆蓋工藝熔煉。待爐料全部熔化后，過熱至1180～1220℃，用Cu-P10脫氧，磷銅按磷占爐料銅0.021%加入，并用石墨棒將磷銅壓入銅液內(nèi)。升溫至1260℃左右，加入混合的NaF+LiF熔劑，NaF按爐料總重的0.06%～0.08%加入，LiF按爐料總重的0.02%～0.03%加入。待熔清后，再加入干燥的稻草灰，將懸浮在液面上的熔劑去除干凈，然后即可出爐澆注，澆注溫度為1150～1200℃。
解決措施 根據(jù)分析，在確保原材料無質(zhì)量問題的前提下，針對性地采取了以下措施。
（1）確保紫銅原材料的預熱烘烤工藝。銅原料的預熱要充分，應認真進行，包括溫度和時間參數(shù)的穩(wěn)定。此舉目的就是為了基本穩(wěn)定紫銅原材料烘烤后表面的CuO數(shù)量，以控制銅液的氧化程度。
（2）采用對紫銅導電性影響較小的Mg-Cu中間合金進行二次脫氧處理，加入量以鑄件的開裂缺陷消除即可。同時，亦加強了紫銅件生產(chǎn)工藝各個環(huán)節(jié)的管理。結(jié)果表明，紫銅鑄件的批量開裂問題得到解決，鑄件質(zhì)量滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。
案例11 鑄造高錳鋼轍叉產(chǎn)生裂紋的消除
生產(chǎn)條件及存在問題 鐵道線路上的轍叉90%采用整鑄高錳鋼鑄件，以其高強度、高耐磨的特點在國內(nèi)外得到廣泛應用。但是，鑄造高錳鋼轍叉因其鑄造特點，鋪設(shè)后有時產(chǎn)生裂紋給列車行車安全帶來隱患，使工務部門更換轍叉的工作量增加，造成較大的經(jīng)濟損失。轍叉是細長形鑄件，以型號為60-12的全加轍叉為例，長、寬、高分別為5927mm、440mm、179mm，壁厚22mm，鑄件從一端澆注，軌面全部下冷鐵，澆注溫度為1480～1510℃，水韌處理溫度為1020～1080℃，保溫2h。
解決措施
（1）跟趾端600mm處軌面橫裂紋。該種裂紋較多，從線路使用看，轍叉跟端、趾端分別用魚尾板固定，跟趾端600mm處強度低時極易開裂。跟趾端600mm處是轍叉結(jié)構(gòu)過渡處，由于結(jié)構(gòu)復雜，在工藝設(shè)計時使用冷鐵，以實現(xiàn)順序凝固。經(jīng)解剖，發(fā)現(xiàn)該處有φ20～φ30mm縮孔。
縮孔位置在澆注位置底部，要對縮孔進行補縮，工藝上采用頂部暗冒口。采用漂珠保溫冒口，尺寸為φ140mm×180mm，從頂部補縮。為使補縮通道暢通，需加補貼，厚度為40mm。另外，為便于切割，采用易割冒口。易割片選用紙漿類，冒口頸φ70mm、厚20mm。
改進后的轍叉經(jīng)實際使用，無裂紋產(chǎn)生。
（2）心寬50mm處至理論尖端水平裂紋。在輪緣槽部分應用鎂橄欖石面砂，以減少發(fā)氣量。鎂橄欖石砂粒度為0.15～0.30mm，原砂水分≤0.4%。在心寬35mm處理論尖端處設(shè)置冒口。改進后的轍叉經(jīng)解剖，內(nèi)部無缺陷，經(jīng)鋪設(shè)在線路上未出現(xiàn)水平裂紋。
（3）軌頭橫裂紋。經(jīng)金相觀察，晶粒粗大。
①原因分析。軌頭處較厚，且是澆口位置，因此過熱時間長。高錳鋼導熱比碳鋼低，僅為碳鋼的1/3，因此，散熱較差，鋼液凝固緩慢，柱狀晶粗大，很容易生成長條柱狀晶，使鋼的塑性、沖擊韌度大幅下降，脆性增加。因此，晶粒粗大是該處斷裂的主要原因。
②改進常規(guī)熱處理方法不但不能使高錳鋼組織細化，過熱還會使晶粒進一步長大，因此解決該裂紋最好的辦法是降低澆注溫度。實際生產(chǎn)中，將澆注溫度由1520℃降為1460～1470℃。另外，在鋼中加0.10%～0.15%鈦鐵，以細化組織。鋪設(shè)后軌頭裂紋得到有效解決。
（4）耳板裂紋。高錳鋼耳板細長，面積較大，出現(xiàn)缺陷的可能性增加。目前組裝轍叉鑄造心軌長度2000mm，缺陷可能性大大減少。現(xiàn)澆注位置是轍叉耳板朝上，傾斜澆注，因此，夾雜物易聚集在上方，使耳板處存在夾雜。耳板焊補多，但高錳鋼在焊補時會出現(xiàn)碳化物析出，增加脆性。如以前導電銷是焊上的，在線路上就多次出現(xiàn)裂紋。
加強冶煉、澆注：①采用吹氬氣精煉，使鋼中夾渣物上浮，以免帶入型腔；②延長澆注前的鎮(zhèn)靜時間，使鋼中夾渣物上?。虎蹖Χ搴秆a時，應分層、間斷焊，每焊一層澆一次水；④耳板裂紋在補焊時應先鉆止裂孔，再打坡口焊。改進后，耳板裂紋得到有效控制。
案例12 鑄鋼構(gòu)架裂紋的改進措施
生產(chǎn)條件及存在問題 鑄鋼構(gòu)架是鐵道機車、客車及地下鐵道電動客車走行部分的重要受力部件，是鐵道機車車輛鑄件生產(chǎn)當中難度最大的鑄件之一。由于尺寸大，結(jié)構(gòu)復雜，壁薄及厚度不均等因素，使構(gòu)架的凝固收縮過程中受到熱應力、機械阻力的作用，而使構(gòu)架產(chǎn)生裂紋。有時一個構(gòu)架上有多達幾十處大小不等的裂紋存在，嚴重影響構(gòu)架的產(chǎn)品質(zhì)量。客車鑄鋼構(gòu)架裂紋見圖4-10，構(gòu)架的裂紋均發(fā)生在構(gòu)架凝固收縮時受拉伸應力較大的部位。
解決措施 由于鑄造構(gòu)架在凝固收縮過程中，受各種應力作用的結(jié)果，而成為裂紋極其敏感的鑄鋼件，在設(shè)計構(gòu)架防裂整體方案時，除加強對銅水中的硫、磷含量夾雜物，脫氧去氣程度以及型芯退讓性、坭芯披縫、箱帶、澆冒口阻力等加以控制外，以下幾項因素對構(gòu)架的裂紋影響極大。
（1）構(gòu)架的結(jié)構(gòu)。構(gòu)架的結(jié)構(gòu)對于裂紋的形成有明顯的影響，無論是鋼的結(jié)晶條件或構(gòu)架收縮時達到的機械阻礙以及熱應力都受到構(gòu)架結(jié)構(gòu)的影響。為了得到合理的構(gòu)架鑄造結(jié)構(gòu)，在設(shè)計構(gòu)架時進行了以下幾點改進。
①合理選用構(gòu)架壁厚是減少裂紋的有效措施。在實際生產(chǎn)中，對DK2構(gòu)架的壁厚從8～18mm進行試驗，發(fā)現(xiàn)在其他條件基本相同的情況下，構(gòu)架的壁厚越薄裂紋越多，越厚裂紋越少。構(gòu)架的壁厚采用16～20mm為合適，壁厚在14mm以下的構(gòu)架鑄造缺陷，裂紋均較嚴重。如壁厚或各梁上的局部凸臺厚度大于20mm以上，則在壁厚的心部產(chǎn)生縮松形成微型內(nèi)裂紋。
②構(gòu)架壁厚力求均勻。盡量減少各梁間的凸臺和凹槽，將梁上的各種吊座與構(gòu)架分別鑄造，爾后再焊接于構(gòu)架上，使構(gòu)架按同時冷卻的原則進行凝固，以減少應力的產(chǎn)生。
（2）減少收縮阻力防止裂紋。三軸內(nèi)燃機車鑄鋼構(gòu)架側(cè)梁砂型總長為5300mm，有三個導框，要求收縮量為95mm，實際收縮量59mm，構(gòu)架收縮率僅為1.13%，可見，砂型阻力很大。對于這類收縮量比較大而容易產(chǎn)生裂紋的鑄件，除采用一般的防裂措施外，必須采用順向減少阻力的措施防止產(chǎn)生裂紋，在砂塑和坭芯的收縮關(guān)鍵部位，設(shè)退讓性好的緩沖墊，減少砂型和坭芯的阻力，實踐證明，用這種方法效果比較顯著。
（3）內(nèi)澆口的位置不應設(shè)在構(gòu)架凝固收縮時應力大和集中的地方，如客車構(gòu)架原澆注系統(tǒng)內(nèi)澆口通過橫梁和端梁彎進入型腔，構(gòu)架在凝固收縮時，橫梁、側(cè)梁受拉伸，便在內(nèi)澆口高溫區(qū)產(chǎn)生熱裂紋，后去掉橫梁內(nèi)澆口，使內(nèi)澆口順端梁外壁切線進入型腔，構(gòu)架的裂紋大為減少。
（4）鋼水溫度對裂紋的影響。鋼水溫度的高低，對構(gòu)架裂紋的多少是有直接關(guān)系的，在其他條件基本相同的情況下，鋼水溫度高裂紋明顯增加。澆注溫度低裂紋顯著減少，澆注溫度過低易產(chǎn)生澆不足使構(gòu)件報廢，一般控制在1520～1550℃，生產(chǎn)中采用低溫快速澆注，構(gòu)架表面光潔，裂紋少或無裂紋。
（5）構(gòu)架內(nèi)部鑄造缺陷對裂紋的影響。鑄造缺陷如縮孔、縮松、氣孔、砂眼、冒口補縮不良等都成為裂紋源，且大部分是內(nèi)裂紋，加工后透視才能發(fā)現(xiàn)。構(gòu)架內(nèi)部必須消除各種鑄造缺陷，內(nèi)部裂紋也就隨之減少。
（6）消除冷裂的有效方法是選用含磷較低、收縮系數(shù)較小的金屬材料，采用工藝措施滿足同時凝固的原則，提高型芯退讓性，防止打箱過早，采用水浴清砂，最大限度地降低鑄造應力，是消除冷裂的有效措施。
圖4-10 鑄鋼構(gòu)架裂紋分布圖
案例13 箱體類鑄鋼件裂紋缺陷的防止
生產(chǎn)條件及存在的問題 閥體、軸承箱體、法蘭等鑄鋼件，材質(zhì)為ZG25、ZG1Cr18Ni9、ZGCr5Mo等，壁厚在10～100mm之內(nèi)。在實際生產(chǎn)中，由于箱體類鑄件在鑄造凝固收縮過程中，往往會受到砂芯的阻礙，而產(chǎn)生變形或裂紋。這些裂紋曲折而不規(guī)則，呈撕裂狀，斷口氧化無金屬光澤，外寬內(nèi)窄，屬于熱裂紋缺陷。多發(fā)生在薄厚壁交叉聯(lián)結(jié)處、撓口或冒口根部的鑄件外表面。
解決措施
（1）提高砂型（芯）的退讓性。樹脂砂砂型、芯在高溫下傳熱相對比較差。采取措施提高砂芯的退讓性，將是解決鑄件熱裂的重要途徑。我們主要采取了以下措施。
①對安全閥閥體、閥蓋等工藝定型產(chǎn)品，將其芯子做空，并做出專用模型胎具，使芯子的吃砂量在50mm左右，以避免砂型太厚有產(chǎn)生裂紋的傾向。
②對容易產(chǎn)生裂紋的部位，在距鑄件50～80mm的地方放泡沫塑料，或在芯腔中充填木屑等松散料。退讓帶一般設(shè)在砂型收縮方向的兩端。
（2）提高易裂部位的強度。增強易裂部位自身的強度，也是防止熱裂的有效措施。在拉應力集中、凝固遲緩的箱體兩壁交界處設(shè)置防裂拉筋。利用拉筋壁薄、凝固早、具有較大的抗拉強度的特點以提高該部位的抗拉能力，阻止鑄件裂紋的發(fā)生。
（3）放置內(nèi)外冷鐵，消除熱節(jié)效應。厚壁處的熱節(jié)凝固最遲，有很大的熱裂傾向，應采取措施，消除熱節(jié)。薄厚壁交界處、兩壁夾角小于90°的地方，放外冷鐵。對一些特殊件，如汽輪機箱體，箱蓋上的軸承座部位厚度與箱壁厚度相差5倍，在交界熱節(jié)處放置外冷鐵，同時分別在軸承座內(nèi)、箱體底部的四周和拉筋內(nèi)，設(shè)計放置內(nèi)冷鐵，預防裂紋的效果非常好，而且還取消箱體、箱蓋外部的防裂拉筋，減少了加工量。其余的如泵蓋、泵體、填料箱外殼、閘閥閥板內(nèi)，都采用內(nèi)冷鐵，有效地預防了裂紋。
（4）降低澆冒口的熱干擾。為了避免高溫鋼液對易裂部位的熱干擾，澆注系統(tǒng)的設(shè)置，在首先考慮符合開設(shè)原則、滿足充型的條件下，掌握盡量使鋼液的引入位置避開易裂部位，并使內(nèi)澆道附近的冷卻速度同時或不慢于臨近部位。對澆注系統(tǒng)采用多道分散底注式，并將內(nèi)澆道設(shè)置在偏移箱體兩壁交界處，便于鋼液充注在薄壁部位。在鑄件熱節(jié)大需要補縮或為了排氣排渣而設(shè)置冒口時，應將冒口設(shè)置在偏離熱節(jié)的地方，造成動態(tài)順序凝固補縮。在生產(chǎn)中還發(fā)現(xiàn)，當冒口與鑄件本身共同形成熱節(jié)時，為避免在冒口根部與鑄件相連處產(chǎn)生裂紋，還需在此設(shè)置三角形拉筋。
（5）冶煉、澆注的控制。對合金中熱裂敏感元素硫、磷含量控制在0.04%以下；合金鋼的出鋼溫度控制在1650℃左右，普通碳鋼則為1620℃左右，以防因冷隔而形成的裂紋（這種缺陷在大型法蘭、閥體上經(jīng)常發(fā)生）；澆注時采用全流快速澆注；2t以上的鑄件用φ70mm漏包水口，2t以下鑄件用φ50mm漏包水口；鋼水充滿后，應由專人負責立即挑除毛刺，以免直澆道、出氣孔中的金屬凝固時在已凝固的毛刺阻礙下將與之相連的鑄件拉裂。
（6）清砂及熱處理的合理控制。1t以下的鑄件在澆注后的第二天打箱；1t以上的鑄件在澆注后的第三天才能打箱。嚴禁在紅熱的普通碳鋼鑄件表面灑水激冷，以免因收縮不均勻產(chǎn)生過大的熱應力而形成后期冷裂。對于局部的粘砂，應盡量避免用乙炔火焰長時間刺燒。
對ZG1Cr18Ni9鑄件的熱處理，必須加熱到1000～1050℃保溫一定時間后，入水進行固溶處理，以減少相變應力和脆性相的析出，并獲得單一的奧氏體組織；對ZGCr5Mo鑄件采用熱切割冒口，熱掃毛刺，入庫前正火、回火的熱處理工藝。
案例14 樹脂砂床身熱裂紋缺陷的防止
生產(chǎn)條件及存在的問題 床身鑄件毛坯輪廓尺寸2418mm×950mm×1120mm，最大壁厚25mm，最小壁厚l5mm。最大斷面尺寸80mm×60mm，質(zhì)量為2460kg，呋喃樹脂砂造型，10t工頻感應電爐熔煉，該件材質(zhì)為HT300。鑄件清砂后，經(jīng)常在斜導軌底部支撐肋與油盤搭接處發(fā)生熱裂紋缺陷，裂紋斷口處呈氧化色，撕裂狀，寬度為1～2mm。
解決措施
（1）修改鑄件結(jié)構(gòu)。按鑄件品質(zhì)對零件結(jié)構(gòu)的要求：鑄件中肋的厚度因小于鑄件的壁厚，一般肋厚為與肋連接鑄件壁厚的0.8倍。將熱裂處一道50mm厚支撐肋換成2道30mm厚支撐肋，保證斜導軌處鑄件整體力學性能不變。這樣一來，30mm厚支撐肋與15mm厚油盤壁壁厚相差較小，鑄件壁厚過渡形式較為合理。一方面減小了鑄造殘余熱應力，另一方面又減少了鐵液對薄壁砂芯的烘烤熱量，減小了鑄件熱節(jié)，相應地減少了鑄件凝固時該處液體數(shù)量。
（2）增加變截面防裂筋。傳統(tǒng)意義上的防裂筋垂直于鑄件熱裂方向設(shè)置，其厚度約為鑄件裂紋處壁厚的1/3～1/4。由于拉筋相對壁厚較薄，冷卻速度較快，它可以先于相對較厚的鑄件實體凝固為固體，由它來承擔熱節(jié)部位凝固外殼中所產(chǎn)生的收縮拉應力，可以防止鑄件開裂。但這種防裂筋只是將鑄件的殘余應力由原鑄件熱裂部位轉(zhuǎn)移到其自身。鑄件殘余應力仍然存在，當防裂筋壁厚尺寸或去除時間設(shè)計不當時，鑄件仍然會發(fā)生熱裂缺陷。以該件為例，當防裂筋壁厚均為10mm時，在防裂筋與鑄件連接處產(chǎn)生熱裂紋。如何將鑄件殘余熱應力徹底地消除，才是解決鑄件熱裂紋的關(guān)鍵。最后，將防裂筋中間部位局部壁厚改為6mm后，鑄件落砂后，在防裂筋中部位開裂1～2mm，鑄件完好無損。其原因在于變截面防裂筋開裂后，釋放了鑄件殘余熱應力。從理論上講，該應力與熱節(jié)處液膜開裂應力大小相等、方向相同。
采取上述措施后，共生產(chǎn)24件，鑄件油盤拐角處沒有發(fā)生熱裂紋缺陷。
案例15 單輻板輪心裂紋對策
生產(chǎn)條件及存在問題 高速機車輪心結(jié)構(gòu)采用單輻板形式，由輪緣、輪轂、輻板三部分組成。與以前生產(chǎn)的雙輻板輪心相比，單輻板輪心在輪轂處熱節(jié)更大，補縮距離更長。這無疑增加了鑄造工藝的難度。為了保證力學強度，該輪心材料為ZG25Mn。試制鑄造方案，輪芯鑄件工藝如圖4-11所示，兩開箱，一箱一件，平做平澆輪緣放置12個φ120mm× 160mm的保溫冒口加補貼，輪轂中心采用φ330mm的明冒口加補貼。內(nèi)澆道由2號、3號預埋坭芯形成，采用底注式，要求對中心明冒口進行點沖。型、芯全部采用呋喃樹脂自硬砂，型、芯水路面涂刷醇基鋯英涂料兩遍，并采用乙炔火焰表面烘烤。采用5t堿性電弧爐冶煉，在試制初期，輪芯經(jīng)加工后檢查，發(fā)現(xiàn)輪轂軸孔內(nèi)有裂紋缺陷。
解決措施
（1）按照順序凝固的原理，對工藝進行了如下優(yōu)化，采用3個保溫冒口分布在輪轂與輻板過渡區(qū)，從而改善了輪轂區(qū)的受熱狀態(tài)（圖4-12）。三個保溫冒口能充分補縮輪轂與輻板熱節(jié)區(qū)，極大地改善輪轂軸孔內(nèi)的冷卻條件，降低了該處產(chǎn)生裂紋的傾向。
（2）改進鑄型的退讓性?？刂七秽珮渲敖K強度，型砂小于5kg/cm2，芯砂小于6kg/cm2。提高砂芯的退讓性，在軸孔砂芯中心部位填充砂團（圖4-12），一方面提高了砂芯的透氣性，另一方面提高了砂芯的退讓性。
（3）冶煉工藝的控制。采用低碳高錳的配料方案，采用大流量、低溫澆注工藝。由于低溫鋼液降低其對鑄型的填充能力，所以必須采用大流量、低溫澆注工藝。
圖4-11 輪芯鑄件工藝簡圖
圖4-12 優(yōu)化后的輪芯鑄造工藝簡圖
案例16 大型鑄鋼件球艉開裂的防止措施
生產(chǎn)條件和存在的問題 球艉是一種大型鑄鋼件，材質(zhì)為ZG270-500，單重46t，其結(jié)構(gòu)復雜，壁厚懸殊，因此，技術(shù)要求高，熱處理難度大。按傳統(tǒng)工藝處理，易造成開裂報廢。球艉上端壁厚為900mm，最小壁厚為30mm，由于壁厚差懸殊，易造成較大的鑄造應力。鑄造時為了消除縮孔、縮松，頂部大熱節(jié)處需采取工藝措施。若在頂部設(shè)置一個大冒口，可以起到補縮作用，但也會帶來嚴重的負面效應，造成非常大的工藝熱節(jié)，使此部位冷卻凝固過慢，順序凝固強烈，上下溫差大，產(chǎn)生巨大的熱應力。
解決措施 減少鑄造應力，可降低球艉在熱處理過程中開裂的傾向，為提高熱處理質(zhì)量奠定較好的基礎(chǔ)。
（1）控制澆注溫度。澆注溫度高，鑄造應力相應就會增大；澆注溫度過低，鑄件壁薄處就會出現(xiàn)缺陷。ZG270-500鋼澆注溫度一般為1540～1560℃，我們按1540℃控制。
（2）造型。采用石灰石砂作為骨架砂，因其退讓性好，可減少鑄件收縮應力；在冒口與鑄件之間采用冒口縮頸通道（經(jīng)計算，冒口模數(shù)：冒口縮頸：鑄件實用模數(shù)=1.2∶1.05∶1），可使順序凝固變得緩和，上下溫差合理，從而降低熱應力。由于采取冒口縮頸通道，消除了流通效應，使夾雜物不直接進入鑄件，而是停留在縮頸通道口變成冒口至縮頸通道至鑄件的順序補縮，起到了良好的效果。
為了保證鑄件的強度，采用φ20mm熔融內(nèi)冷鐵，其體積為鑄件總體積的10%。由于內(nèi)冷鐵具有強烈的激冷作用，使鑄件的幾何熱節(jié)減少了30%，其實用模數(shù)=0.7×幾何模數(shù)，相應的冒口可減少30%。為進一步增加激冷效果，采用激冷能力為硅砂4倍的鉻鐵礦砂，使幾何熱節(jié)又降低約15%，這樣加上內(nèi)冷鐵的作用，其實用模數(shù)=0.6×幾何模數(shù)，冒口相應為原工藝的0.6。
（3）控制打箱時間。打箱過早，鑄件溫度高，易增大鑄造應力，因此打箱時間應嚴格控制。根據(jù)生產(chǎn)大型鑄鋼件的經(jīng)驗，控制打箱時間為140h。
（4）清砂時間的控制。打箱后，清砂時間不宜過長，否則鑄件冷卻至室溫，鑄造應力就會增大。清沙時間應≤6h。
（5）進爐時間的控制。清砂完成后，應立即進爐進行退火處理，這是防止鑄件在退火加熱過程中開裂的主要環(huán)節(jié)。
案例17 Cr12MoV鋼輪型鑄件裂紋的改進措施
生產(chǎn)條件及存在的問題 磨環(huán)和磨盤為德標G-X165CrMoV12高合金鋼，現(xiàn)改用Cr12MoV鋼作代換件，鑄件結(jié)構(gòu)見圖4-13，兩者化學成分相近。由于鑄件尺寸厚大，且合金成分特殊，鑄件收縮過程中產(chǎn)生加大的熱應力和機械阻力，使鑄件產(chǎn)生嚴重裂紋，在試生產(chǎn)中鑄件的開裂率達80%以上。
解決措施 由于Cr12MoV鋼鑄造應力很大，冷裂傾向嚴重，通過分析，我們從以下幾個方面加強防裂措施，收到了良好效果。
（1）為了減小冒口對鑄件收縮阻礙和減小切割冒口對鑄件本體的熱影響，將磨環(huán)與磨盤工藝作了如下修改（圖4-14）：磨環(huán)工藝中，將冒口改成環(huán)形冒口，以減小冒口對工件的收縮阻礙，磨盤工藝中，將頂冒口改成側(cè)冒口，這樣切割冒口時對鑄件熱影響小，能防止在切割冒口時鑄件開裂。
（2）在坭芯中設(shè)置退讓性好的緩沖墊（耐火棉層）以減小坭芯的阻力。
（3）在煉鋼還原期充分脫氧，終脫氧要適當，澆注中防止各種夾雜物進入鑄件。
圖4-13 原工藝方案及裂紋產(chǎn)生部位
圖4-14 改進后的工藝方案
案例18 高強度殼體鑄鐵件裂紋的對策
生產(chǎn)條件及存在的問題 高強度殼體鑄鐵件多為框架結(jié)構(gòu)，由于強度高，壁厚相差大，凝固過程中易產(chǎn)生應力集中，生產(chǎn)中形成裂紋。在公司造型線生產(chǎn)的HT250殼體件中，其中有兩個零件，由于結(jié)構(gòu)的原因生產(chǎn)中隨著材料的變化，裂紋廢品時高時低，最高時廢品達20%以上。裂紋出現(xiàn)在兩個軸孔之間與大小方孔的圓角處，軸孔間裂紋最多，大小方孔圓角處裂紋交替出現(xiàn)。
解決措施
（1）鐵液冶金質(zhì)量對裂紋產(chǎn)生的影響。
①鐵液碳量。生產(chǎn)控制要求wC=3.3%±0.1%，實際成分偏離工藝要求，主要在于生產(chǎn)過程中忽視了電爐保溫對鐵液成分的燒損與及時檢測。盡管鐵液中過高的硫、磷含量，也會對裂紋產(chǎn)生影響，但裂紋鑄件檢測的硫、磷成分符合要求。所以采取相應對策：適當提高鐵液的碳當量，防止爐內(nèi)燒損。
②合金元素。鉻作為捉進白口傾向的元素，增大了鐵液的收縮傾向，鑄件出現(xiàn)裂紋幾率增加，而鉬細化晶粒，改善鑄件的斷面敏感性，減輕了裂紋傾向，但是鉬價格過高，難以大批量使用。而銅作為穩(wěn)定珠光體的元素，含量大于0.5%時，強度明顯提高。經(jīng)試驗以0.5%～0.7%銅和小于0.20%鉻進行合金化處理，同時加強二級孕育，不僅保證了強度，而且使裂紋減少。最后對策：控制鉻含量在0.2%以內(nèi)，以0.5%～0.7%銅進行合金化處理。
③組織。由于磷共晶數(shù)量不多，不易引起裂紋，但塊狀石墨的存在，在應力的作用下，很容易成為裂紋源。塊狀石墨為生鐵遺傳，沖天爐或電爐在1500℃以上過熱可以消除塊狀石墨。同時選用優(yōu)質(zhì)生鐵可以避免產(chǎn)生，此外，加強爐前孕育，控制白口寬度，細化組織，改善鑄件的斷面敏感性，也就減少了應力產(chǎn)生的條件，防止了裂紋的產(chǎn)生。其對策：①選用優(yōu)質(zhì)生鐵，鐵液過熱1500℃以上；②加強爐前孕育，細化組織。
（2）澆注對裂紋的影響及對策。澆注溫度：鑄件的澆注溫度直接影響液態(tài)收縮，澆注溫度越高，液態(tài)收縮越大，總收縮就大。收縮率增大，無疑增加裂紋傾向。同時澆注溫度高時，易形成鑄件粘砂，阻礙鑄件收縮，引起裂紋。此外，厚壁鑄件高溫澆注，增加縮孔容積，減緩冷卻速度，使初晶粗化，形成偏析，造成裂紋。裂紋殼體件壁厚10～25mm，澆注溫度由1370～1410℃降至1360～1390℃時，裂紋廢品有了進一步降低。
澆注孕育：澆注時的隨流孕育能明顯改善鑄件組織，但是孕育劑粒度，加入量及孕育時間都會對鑄件裂紋產(chǎn)生一定的影響。過細的孕育劑易被鐵液的熱蒸汽吹走，造成實際孕育量下降，組織差。過大的孕育劑粒度，過早的孕育，部分孕育劑來不及熔化形成硬質(zhì)點，造成裂紋。過大的孕育量，易形成糊狀凝固，造成縮孔降低強度極限，在應力作用下造成裂紋，生產(chǎn)實踐中也證明了上述分析。采取對策：澆注溫度1360～1390℃，孕育劑粒度0.3～0.8mm；孕育量0.08%～0.10%。
（3）砂芯對裂紋的影響及對策。砂芯的退讓性和表面質(zhì)量是造成機械阻礙應力的主要因素。殼體鑄件上兩個軸孔之間的裂紋，不僅有凝固收縮產(chǎn)生的拉應力，還有分芯面過大間隙產(chǎn)生的阻礙應力。澆注后間隙進入鐵液，鑄件上形成具有白口組織的薄披縫，一旦白口延伸到鑄件，就會造成裂紋。此外，自硬砂加入樹脂，造成芯子退讓性差，鑄件裂紋傾向大。生產(chǎn)中自硬砂改為油砂，改善了退讓性，裂紋廢品減少。最后對策：砂芯采用油砂，減少分芯面間隙尺寸。
（4）鑄件結(jié)構(gòu)等因素對裂紋的影響及對策。鑄件結(jié)構(gòu)對裂紋的影響最大，設(shè)計工裝確定之后，很難有大的改動，但增大裂紋處圓角半徑，改變應力分布，可以減少裂紋傾向。造型開箱時，機械手夾持力極大，從鑄件中部抱起取出，比夾持一個部位把鑄件拉出能夠減少應力的產(chǎn)生。采取對策：增大圓角半徑，減少各工序產(chǎn)生應力。
案例19 熔模鑄件裂紋的預防
生產(chǎn)條件及存在的問題 在熔模精密鑄件生產(chǎn)中，客車車鉤的鎖提件、轉(zhuǎn)向架走行部位的搖枕吊套件和夾板件等，由于裂紋而產(chǎn)生大量的廢品，一直是生產(chǎn)技術(shù)上的難題。
解決裂紋的措施
（1）化學成分的控制。要嚴格控制鋼水中的化學成分，磷、硫雜質(zhì)含量要小于0.04%。在出鋼前要加鋁進行脫氧，必要時進行二次脫氧，但用鋁量不得超過鋼水量的0.10%。
（2）內(nèi)澆口結(jié)構(gòu)改進。將內(nèi)澆口設(shè)計在遠離產(chǎn)生裂紋的部位，使鑄件在結(jié)構(gòu)上形成凝固及收縮時間盡量一致，盡量減少對熱節(jié)的影響。
（3）鋼水和模殼澆注溫度控制。為了減少裂紋傾向，應采用高溫出爐、低溫澆注的辦法。在保證鋼水充型能力的前提下，應盡量降低鋼水的澆注溫度。還要減少鋼水和模殼之間的溫度差。
（4）模殼打箱工藝。要求模殼澆注鋼水后，鑄件必須冷卻30min以上才能吊運打箱，應避免澆注后馬上進行吊運等操作，同事保證鑄件自然冷卻時間大于2h，方可振擊模殼。
案例20 防止熔模鑄鋼件裂紋缺陷的工藝措施
生產(chǎn)條件及存在的問題 裂紋是熔模鑄鋼件常見的缺陷。隨著熔模鑄造的發(fā)展，復雜件、薄壁件、桿狀件越來越多，這些熔模鑄件容易出現(xiàn)裂紋缺陷。
解決措施 工藝設(shè)計上防止熱裂要做到以下兩點。
（1）因靠近內(nèi)澆口處較易產(chǎn)生熱裂，尤其是為了使金屬液均勻澆入，用復雜而且相連的澆口時，危險就更大，故應合理地設(shè)置內(nèi)澆口，如圖4-15所示。
（2）因在壁厚不均勻的截面交接處易產(chǎn)生熱裂，宜在許可情況下在這些部位設(shè)置工藝筋。防裂工藝筋不僅可以提高鑄件熱裂部位的強度，而且能起散熱作用，減少熱點集中程度。工藝筋不宜太厚，一般為相應部位壁厚的1/3左右，否則也會導致熱裂。
圖4-15 內(nèi)澆口的改進
案例21 水輪機葉片裂紋缺陷的防止
生產(chǎn)條件及存在問題 某廠生產(chǎn)的各種規(guī)格（170MW、150MW、125MW）的水輪機組不銹鋼葉片（以下簡稱葉片）多達幾百臺機組、上千件葉片、幾萬噸重，肩部經(jīng)常出現(xiàn)裂紋缺陷。葉片的外形見圖4-16所示，葉片材料有兩種：ZG1Cr13Ni6Mo和ZG1Cr13Ni4Mo。
解決裂紋的措施
（1）可在鋼中加入稀土元素（RE），凈化鋼水、改善夾雜物的分布和細化晶粒，從而提高材料的綜合性能。
（2）增大葉片法蘭與肩部連接處的鑄造圓角R（R＞200mm），形成圓滑過渡，減少應力集中，同時，有利于夾雜物上浮，減輕了裂紋源，這是杜絕葉片裂紋的關(guān)鍵措施。
（3）葉片冒口澆注后保溫，不得采用碳保溫劑，而應選用無碳保溫劑。
（4）葉片在鑄態(tài)下，不可進行氣割、氣刨、補焊和局部加熱烘烤，要求鑄后及時熱處理。
（5）葉片正火（淬火）鼓風冷卻應在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以上約300℃時停止鼓風，采取 進爐緩冷，減少溫差，待葉片厚截面心部全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體后出爐，以避免應力過大而淬裂。
圖4-16 葉片幾何形狀示意圖
案例22 水輪發(fā)電機活塞鑄件裂紋的消除
生產(chǎn)條件及存在問題 水輪發(fā)電機活塞的材質(zhì)為ZG20MnSi，毛重1200kg，軸身及軸身與活塞交接處有多道裂紋，如圖4-17所示。
消除裂紋的措施
（1）設(shè)置收縮肋，見圖4-18，收縮肋的設(shè)置方向與收縮力方向一致，即和熱裂紋方向相垂直。
（2）加大交接處圓角。由于在軸身與活塞交接處散熱條件差，凝固速度慢，容易產(chǎn)生應力集中，故增大圓角R=60mm。
（3）水玻璃砂造型。水玻璃具有在800℃左右高溫下重新熔融，形成液相的特點。在高溫下很容易變形，從而使砂型具有良好的退讓性，可以減少鑄件收縮時受到的阻礙，減輕鑄件產(chǎn)生熱裂的傾向。
圖4-17 活塞鑄件簡圖
圖4-18 鑄件工藝簡圖
案例23 改變澆注系統(tǒng)位置解決裂紋缺陷
生產(chǎn)條件及存在的問題 一種渣罐產(chǎn)品，毛重21t，材質(zhì)ZG230/450。由于產(chǎn)品外表的筋板很多，為了方便造型，當時選擇的澆注方向是開口端向上。澆注主要采用從下側(cè)底返引入?？紤]到產(chǎn)品較高，在鋼水上升到渣罐端面處，設(shè)置了一層接力澆口。當鋼水上升到接近該高度時，打開上層澆口，接力澆注。最初，上層澆口引入位置選擇在大冒口下的補貼處，如圖4-19的A所示。鑄件澆注后沒有發(fā)現(xiàn)異常，吊耳座位（圖中標▽）MT、UT合格，但吊耳座位加工后采用斜探頭UT檢查，發(fā)現(xiàn)淺表面密集的線性缺陷，長度5～50mm，而連續(xù)生產(chǎn)的多件產(chǎn)品均有此問題。組織技術(shù)力量進行了數(shù)次工藝改進試驗，包括吊耳座位冒口加高加大、增設(shè)外冷鐵、外側(cè)上部增設(shè)補貼等措施，但皮下的線性缺陷依然存在。
解決裂紋的措施 對整個渣灌端面結(jié)構(gòu)進行分析，發(fā)現(xiàn)其壁厚相差非常懸殊，并由此推斷該部位在凝固冷卻過程的熱應力較集中，而前期在吊耳座位設(shè)置補貼和加大冒口等措施反而加劇熱應力影響。我們采取新的改進措施是，將上層澆口的引入位置避開大冒口下熱量集中區(qū)，如圖4-19的B所示，并取消補貼，使吊耳座處皮下裂紋現(xiàn)象迎刃而解。
圖4-19 渣罐上層澆口示意圖
案例24 提高澆注溫度解決裂紋缺陷
生產(chǎn)條件及存在的問題 采用德國FAT公司樹脂砂生產(chǎn)線，為某筑路機械廠生產(chǎn)旋風筒，該件的結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝見圖4-20所示，中間空腔部分用一整體芯構(gòu)成。主要壁厚為8mm，澆注溫度為1360～1380℃，澆注系統(tǒng)從薄壁處引入，采用此工藝連續(xù)生產(chǎn)若干件，均發(fā)現(xiàn)一條自上而下的貫穿性裂紋。
解決裂紋的措施 分析認為，裂紋是由液態(tài)金屬凝固收縮時受到砂芯阻礙產(chǎn)生的，如采用中空芯、薄殼芯或改變型砂配比等措施，可以解決此問題，但該廠受生產(chǎn)條件制約無法實施，所以只好另辟蹊徑，將澆注溫度由1360～1380℃提高至1480～1500℃。利用高溫鐵液，加厚砂芯燒酥層，增加退讓性，結(jié)果生產(chǎn)數(shù)百件均無裂紋發(fā)生。這種方法簡單易行，是解決收縮性裂紋的好方法。
案例25 添加鋸末解決裂紋缺陷
生產(chǎn)條件及存在的問題 由于水玻璃砂的退讓性差、高溫殘留強度高，加之閥門鑄件壁薄、結(jié)構(gòu)復雜、不利于鑄件的自由收縮，使得該鑄鋼件在凝固收縮過程中因收縮阻力大而出現(xiàn)裂紋，同時也使得鑄件內(nèi)腔的清理十分困難。
解決裂紋的措施 在水玻璃芯砂中加入適量鋸末，取得了良好的效果。具體做法是在水玻璃芯砂中按質(zhì)量百分比加入3%～5%的鋸末?；炷牍に囀牵合燃痈缮昂?%～8%的水玻璃混8～10min，混碾均勻后再加入鋸末混3～5min。
鋸末芯砂的使用有著嚴格的要求，不能像普通水玻璃芯砂隨意使用。首先砂芯的表面層中不能使用鋸末芯砂，而必須用在砂芯的內(nèi)層，外層仍是水玻璃芯砂。砂芯表面層使用鋸末芯砂的危害在于：①鋸末降低了表面層的耐火度和強度，容易造成沖砂、夾砂等鑄件缺陷；②鋸末增大了表面層的發(fā)氣量，而這些氣體更容易進入鋼水中形成氣孔缺陷。當然，砂芯無鋸末的面砂層也不能太厚，否則，內(nèi)層的鋸末砂就不起作用。一般要求砂芯表面層厚度為20～60mm，最高不超過80mm。
圖4-20 旋風筒結(jié)構(gòu)及鑄造工藝圖
其次，使用鋸末砂的砂芯芯骨的制作應特別注意，應使芯骨在砂芯的表面層中也要起到作用，這是因為鋸末砂強度低，吊運時極易造成砂芯的開裂和折斷。另外，使用鋸末砂的砂芯更應注意烘烤、扎通氣孔及開設(shè)通氣道，否則由于發(fā)氣量大，極易形成鑄件氣孔缺陷。最后，鋸末砂芯一般只用于閥體等重要受壓件，而對于閥蓋、閘板、支架等鑄件的砂芯一般不必使用鋸末砂。
使用鋸末砂后，鑄件因收縮受阻而產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象基本上消除了，尤其是使用在止回閥閥體，球閥閥體等結(jié)構(gòu)形式不易收縮的鑄件更顯著。砂芯潰散性極好，鑄件清理工作量大大減少，降低了勞動強度，經(jīng)濟效益明顯。
案例26 高鎳鉻鑄鐵軋輥輥身微裂紋綜合防止方法
生產(chǎn)條件及存在的問題 高鎳鉻無限冷硬復合鑄鐵軋輥的生產(chǎn)方法有底漏復合法、全沖洗法和離心復合澆注法。用離心復合澆注法生產(chǎn)無限冷硬復合鑄鐵軋輥，既可以保證軋輥質(zhì)量，又可以節(jié)約鐵水和合金，所以離心復合澆注法在高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥的生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。但是，由于在離心鑄造過程中存在震動，同時鑄型的冷卻能力較大，容易使軋輥產(chǎn)生較大熱應力，所以用離心鑄造方法生產(chǎn)的無限冷硬鑄鐵軋輥容易出現(xiàn)裂紋，其中較難發(fā)現(xiàn)，危害較大的是微裂紋。因為在軋輥開箱后一般很難直接觀察到微裂紋，往往是在軋輥經(jīng)過熱處理和部分機加工后才能發(fā)現(xiàn)微裂紋的。
微裂紋的防止措施
（1）定期對離心機進行調(diào)整，并檢查冷型磨損情況（臥式離心冷型），對磨損過度的冷型和離心機托輪及時進行更換，以減小生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的震動。
（2）計算調(diào)整冷型轉(zhuǎn)速。離心鑄件實際生產(chǎn)中通常是用一些經(jīng)驗公式計算冷型轉(zhuǎn)速，再根據(jù)實際生產(chǎn)情況進行適當修正。常用的公式有：①康斯坦丁諾夫鑄型轉(zhuǎn)速計算公式；②凱門鑄型轉(zhuǎn)速計算公式；③重力系數(shù)鑄型轉(zhuǎn)速計算公式。這三個公式中重力系數(shù)鑄型轉(zhuǎn)速計算公式比較適合用于計算軋輥冷型的轉(zhuǎn)速。
在使用計算轉(zhuǎn)速生產(chǎn)時，如果成分偏析嚴重，有微裂紋產(chǎn)生時，可以適當提高冷型轉(zhuǎn)速。
（3）精確調(diào)整軋輥化學成分，碳的質(zhì)量分數(shù)應控制在3.0%～3.5%范圍內(nèi)，鉻質(zhì)量分數(shù)控制在1.6%～1.8%的范圍內(nèi)，鉬質(zhì)量分數(shù)控制在0.2%～0.6%的范圍內(nèi)。
（4）涂料應采用噴涂或滾涂，盡量不使用刷涂方法，因為刷涂時涂料均勻性差，易出現(xiàn)脫落；另外，在操作過程中要注意對涂料的充分攪拌，防止因涂料本身不均勻影響使用。
案例27 金屬型鋁合金鑄件裂紋產(chǎn)生的對策
生產(chǎn)條件及存在的問題 油底殼是汽車發(fā)動機上最大的深型腔、薄壁、大平面鑄件，一般要求能夠承受0.15MPa的水壓試驗，鑄件要求無縮孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷。某油底殼零件凈質(zhì)量為9.5kg，鑄件澆注17kg，平均壁厚4mm，外形尺寸805mm×330mm× 225mm，鋁合金金屬型重力鑄造，最典型的鑄造缺陷是裂紋。該油底殼材料英國牌號是LM27/BS1490—1988，該類成分的合金傾向于糊狀凝固，不容易補縮，容易形成縮松，金屬型鑄造裂紋缺陷不容易控制。油底殼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其工藝見圖4-21。
解決裂紋的措施
（1）材料成分：通過與采購商的溝通采用推薦的牌號，減小了材料抗熱裂性能不足的因素。
（2）澆注系統(tǒng)：內(nèi)澆道采用扁薄形式，分散引入，實現(xiàn)弱順序凝固，保證了鑄件合理的凝固順序。
（3）熔煉工藝、操作要求保證成分均勻，強化精煉、變質(zhì)、除渣工藝處理，控制使用爐底鋁液。減輕鋁液含氣、夾渣對應力的不良影響。
（4）模具溫度在生產(chǎn)條件下控制在300℃以上，減小鑄件的收縮應力，削減激冷效應的不良影響。
（5）對鋁液溫度，控制熔化溫度上限，減少鋁液高溫下的吸氣量；在滿足成型的條件下，盡可能地降低澆注溫度，要求在（710±5）℃，甚至更低。
（6）涂料的選擇粒度稍粗，保溫性、透氣性要較好。涂料的噴涂應滿足鑄件凝固順序的要求。
（7）保證鑄件完全凝固，脫模不變形的條件下，盡可能地縮短鑄件留模時間，提前抽芯、開模。
圖4-21 油底殼結(jié)構(gòu)及其工藝簡圖
案例28 精鑄件熱裂問題解決
生產(chǎn)條件及存在的問題 材質(zhì)為ZG35CrMnSi和ZG27CrMnSiNi的軍品鑄鋼件是以硅酸乙酯作為黏結(jié)劑，硅砂作為耐火材料來制備型殼的。但在生產(chǎn)中，零件的熱裂問題很嚴重，成品率經(jīng)常不到30%，特別是這兩種合金的熱裂傾向尤為嚴重。后來加入30%的鉬以及采用堿性爐熔煉，這些雖然能在一定程度上改善熱裂的傾向，但效果不穩(wěn)定。采用上店土作為耐火材料，鑄件的熱裂傾向有了明顯的改善。因此，鑄件的熱裂與型殼的耐火材料、制備工藝及型殼結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。
解決措施
（1）熱裂是晶間破裂在高溫下形成的，其特征是端口參差不齊。由于空氣進入，熱裂端口經(jīng)常被一層灰暗色或黑色氧化物所覆蓋。內(nèi)裂也往往伴有縮松和氧化夾渣存在，也就是說熱裂是在枝晶構(gòu)架間還有少量金屬液時產(chǎn)生的。
（2）減緩型殼的冷卻速度是解決熱裂問題的重要方法，內(nèi)熱裂往往產(chǎn)生在鑄件的縮孔縮松之處，而且同時伴有氧化夾渣，因此內(nèi)熱裂的產(chǎn)生除了冶金質(zhì)量的因素外，在很大程度上是由于補縮不足引起的，鑄件在凝固過程中，由于隨著溫度的降低，液態(tài)金屬越來越不能起填充由于收縮產(chǎn)生的裂紋，所以就形成了縮孔和縮松，內(nèi)熱裂往往和縮孔縮松同時產(chǎn)生。
（3）對于外熱裂的形成，很多情況下也是由于補縮不足引起的，這是由于外熱裂形成后，金屬液不能及時補縮，隨著完全結(jié)晶面的內(nèi)向推移，就留下了敞露的外裂紋，因此，型殼對鑄件的冷卻速度慢和采取型殼的保溫措施是可以減少鑄件熱裂傾向的，但型殼的溫度必須和有效地澆冒系統(tǒng)相匹配，否則效果不大。因為補縮主要是依靠澆冒系統(tǒng)，型殼的保溫只能使?jié)裁跋到y(tǒng)的補縮效果更好一些，但不是決定因素。
（4）用石英砂型可填砂造型后，高溫烘烤至900℃，澆注合金冷卻速度慢，保溫性能好。但熱裂傾向仍很嚴重，要起到很好的補縮作用，除了開設(shè)良好的澆冒系統(tǒng)外，提高合金的流動性，降低合金的澆注溫度都是有效的。因為降低澆注溫度合金的結(jié)晶區(qū)間小，逐漸在凝固過程中失熱快、凝固快，保證澆注后立刻形成凝固層，則鑄件熱裂有改善的傾向。
（5）鑄件凝固過程中熱場分布的均勻性同樣對熱裂有重要影響，熱場均勻性取決于鑄件結(jié)構(gòu)及澆冒系統(tǒng)，另一個取決于型殼本身結(jié)構(gòu)，對于那些結(jié)構(gòu)復雜、壁厚相差懸殊、帶有拐角深凹、盲孔等鑄件，它本身就帶來了在凝固過程中熱場不均勻性，而制備型殼是大量的涂料再堆積在此處，就更加惡化了這一熱場的不均勻性，從而使鑄件的熱裂傾向加大。
（6）由于上店土的高溫強度較石英砂要高得多，所以型殼的厚度要薄得多。而且，厚度相對均勻，溫度范圍可寬，可在100～900℃內(nèi)任選，就進一步改善了鑄件的熱裂傾向。
（7）型殼結(jié)構(gòu)及型殼的線膨脹率對熱裂的影響使鑄件在收縮時不至于應力過于集中，這樣有利于改善鑄件的熱裂傾向。
（8）對合金的化學成分及鋼的熔煉方法及澆注溫度也應加以控制。硫、磷度加大熱裂傾向，而錳能消除硫的副作用。但錳含量不能過高。硅含量在0.17%～0.3%時對抗熱裂有積極的作用。
（9）堿性爐熔煉時，合金的熱裂傾向小，其原因為失熱快，凝固快，含硫磷低。
（10）低溫澆注可使整個鑄件的溫度均勻，抗熱裂，也均勻保證澆注后立刻形成凝固層，不易形成熱裂強度。逐漸地滯熱作用減小都對減輕消除熱裂有積極影響。
影響熔模精鑄件熱裂的因素較多，如化學成分，鋼水中的氧化夾渣和凝固情況等，這些都是很重要的因素，但只注意這些因素并不能完全改善熱裂傾向，需從型殼的耐火材料、制備工藝及型殼結(jié)構(gòu)等給予足夠重視，才能進一步改善熱裂傾向。
案例29 彈簧托梁熱裂紋的改進措施
生產(chǎn)條件及存在的問題 傳統(tǒng)彈簧托梁的工藝方案，如圖4-22所示。造型方法為手工實樣、呋喃樹脂自硬砂造型（芯）。工藝設(shè)置6個冒口，澆注系統(tǒng)由直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道組成，且內(nèi)澆道設(shè)置在分型面上。在托梁芯上相對于內(nèi)澆道處安放規(guī)格為12mm× 100mm的冷鐵24個，上箱靠近內(nèi)澆道的型上設(shè)置規(guī)格為8mm×120mm×40mm的加強筋12個。采用3t堿性電弧爐氧化法熔煉，每爐熔煉鋼液4t，共澆注16個鑄件，出鋼溫度為1620℃，澆注溫度1550℃，澆注后1h打箱，干法落砂。
CCKZ63彈簧托梁的工藝方案及容易發(fā)生的缺陷位置，如圖4-23所示。其造型方法、熔煉工藝與傳統(tǒng)托梁相同，但澆注溫度為1580℃，澆注后1.5h打箱，干法落砂。另外，托梁的澆注系統(tǒng)和冒口數(shù)量與傳統(tǒng)的彈簧托梁不一致，而且還未設(shè)置加強筋和冷鐵，并在砂型上設(shè)置6個排氣道。
CCKZ63彈簧托梁的裂紋一般出現(xiàn)在冒口根部、托梁端頭底部以及內(nèi)澆口與鑄件的交接處附近（圖4-23中A、B處），其中A、B處為裂紋多發(fā)區(qū)且常斷裂并擴展，導致難以焊補。目測裂紋，長度一般為20～250mm，裂紋深淺不一，較淺的2～4mm，嚴重的直接貫穿梁身。
解決裂紋缺陷的措施
（1）增加內(nèi)澆道。為了使合金液在型腔內(nèi)流動平穩(wěn)，并快速充型，減輕內(nèi)澆口周圍型（芯）壁受合金液長時間沖刷而引起的局部過熱，應增加內(nèi)澆道的數(shù)量，同時在托梁端頭上部增加冒口來加強補縮效果，冒口規(guī)格為90mm×110mm，如圖4-24所示。
（2）增加冷鐵和設(shè)置加強筋。參考傳統(tǒng)彈簧托梁的工藝設(shè)計，在托梁芯上相對于澆道處安放冷鐵，冷鐵的尺寸為φ12mm×100mm，并在上箱靠近內(nèi)澆道的型上設(shè)置規(guī)格為8mm×120mm×40mm的加強筋12個，如圖4-25所示。
另外，在澆口處設(shè)置加強筋，由于加強筋比梁壁薄，冷卻速度快，當鋼液溫度達到液相線以下時，加強筋迅速凝固，很快具有相對較高的強度，可承受因鑄件凝固收縮而對內(nèi)澆道附近薄弱區(qū)產(chǎn)生的拉應力，從而消除熱裂紋的發(fā)生。
（3）改進型芯材料。在鑄件造芯時，使用高溫退讓性較好的水玻璃砂，造芯時在水玻璃砂中摻入鋸末、草袋等材料，進一步增強砂芯的高溫退讓性，以達到防止裂紋的效果。
另外，造型時在托梁易產(chǎn)生裂紋的位置處模樣表面敷一層厚度為30mm的鉻鐵礦砂。由于鉻鐵礦砂的熱導率比硅砂大幾倍，可使該處的凝固速度與相鄰斷面的凝固速度均衡，有利于防止該位置產(chǎn)生裂紋。
（4）降低澆注溫度。將托梁放在后期澆注，適當降低澆注溫度，減小金屬液的凝固速度。為防止?jié)沧⒑笃谝蜩F液澆注溫度過低而造成鑄件輪廓不清晰、澆不足等現(xiàn)象，將溫度定為1560℃左右。
采用以上措施后，經(jīng)實際生產(chǎn)驗證，裂紋的出現(xiàn)幾率由以前的45%降為5%～7%；彈簧托梁75%～85%的裂紋長度＜50mm，其余部分在100mm以內(nèi)，且寬度＜1mm，較容易焊補；另外，廢品率也由原來的15%降為5%以下，鑄件質(zhì)量得到顯著提高。
圖4-22 傳統(tǒng)彈簧托梁工藝
1、5.加強筋；2、4.內(nèi)澆道；3.冒口；6.冷鐵；7.砂芯；8.直澆道；9.一次橫澆道；10.二次橫澆道；11.三次橫澆道
圖4-23 CCKZ63彈簧托梁工藝
圖4-24 改進后的澆注系統(tǒng)
1.內(nèi)澆道；2.直澆道；3.橫澆道；4.冒口；5.排氣道；6.加強筋
圖4-25 冷鐵位置
案例30 鐵芯渦輪鑄件裂紋防止
生產(chǎn)條件及存在的問題 渦輪鑄件形狀如圖4-26，其中外緣為ZA27合金，鐵芯為35號鋼，外形尺寸為φ170mm×58mm。采用金屬型鑄造，環(huán)形冒口補縮，澆注前金屬型和鐵芯合理預熱。ZA27合金在生產(chǎn)中用100kW中頻感應電爐熔煉，石墨坩堝作為爐襯。為了最大限度地利用感應爐滿料熔化熱效率高的特點，加料方式為一次性加入Al—Cu中間合金，適量的ZA27切屑，全部Al和2/3的Zn熔化，熔清后低溫加入Mg，過熱到800～850℃時再加入1/3的Zn，靜置至550～600℃時鐘罩壓入脫水ZnCl2進行浮渣處理，澆注溫度為520～550℃。鑄件完全凝固后開箱，采用噴霧冷卻，使鑄件快速通過275℃相變線。
解決措施
（1）金屬型和鐵芯都要充分加熱保溫，合理預熱，特別是鐵芯的合理預熱，根據(jù)我們生產(chǎn)試驗表明，以200～250℃為宜，保溫時間應視保溫爐裝料量而定，控制在0.5～1h。鐵芯從保溫爐中取出后用鋼絲刷清理干凈表面灰分及氧化皮，爾后立即澆注。
（2）嚴格控制合金液的成分。
（3）控制合適的澆注溫度和澆注速度，澆注溫度一般為520～550℃。低溫快澆，澆注過程中保證不斷流，澆包不應固定于某一特定位置，以免局部過熱，而應隨鑄型環(huán)形移動澆注。
（4）合理噴霧冷卻工藝。
采用這些措施后，所生產(chǎn)的ZA27鐵芯蝸輪鑄件的裂紋現(xiàn)象已完全消除。
圖4-26 渦輪鑄件結(jié)構(gòu)圖
案例31 板坯表面縱裂的控制措施
生產(chǎn)條件及存在的問題 某煉鋼廠擁有300t混鐵爐一座，20t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐三座（實際單爐出鋼量30t）。中厚板是臨鋼的主導產(chǎn)品，板坯連鑄的設(shè)備、工藝等跟不上發(fā)展的要求，表面縱裂時有發(fā)生，給企業(yè)帶來了不利的影響。
解決措施 臨鋼板坯表面縱裂的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果。其裂紋源是由于結(jié)晶器彎月面初生坯殼厚度的不均勻，導致在結(jié)晶器內(nèi)坯殼較薄處產(chǎn)生應力集中，這種裂紋源在二冷區(qū)擴展，另有硫的嚴重偏析，加重了裂紋的形成和擴展。為有效防止板坯表面縱裂，提出如下控制措施。
（1）保證中間包液面和結(jié)晶器液面的正常波動。中間包和結(jié)晶器液面波動的最重要因素是中包高度，必須保證中間包有一個較深的熔池，這樣即使換鋼包、換水口也不會導致結(jié)晶器液面有大的波動，而且還可促進夾雜上浮，減少渣子卷入鋼液。對于板坯來說，10t中間包太小，應將10t中間包擴容至15～20t，以增加中包高度，減少結(jié)晶器液面波動。
（2）多爐連續(xù)澆鋼最好是一個拉速不變的澆注過程。但由于換鋼包、換水口、水口堵塞、漏鋼或煉鋼和澆鋼在時間上不匹配，不得不在短時間內(nèi)降低拉速甚至停澆，正常后又不得不提高拉速。這樣看來，對于拉速，波動肯定有，但我們應有一個嚴格的要求，保證拉速在短時間內(nèi)不至上升太快，最好在大于5min時間內(nèi)把澆注速度由0.3m/min提高到1.25m/min，以保證澆注速度的相對穩(wěn)定性。降速階段可適當控制，最好減少停澆次數(shù)。
（3）嚴格控制鋼液的澆注溫度，確保在1525～1545℃范圍內(nèi)，關(guān)鍵是：a.防止轉(zhuǎn)爐出高溫鋼液；b.加強轉(zhuǎn)爐—連鑄間保溫和溫降控制工作。
（4）加強維修，采用專用保護渣。對于結(jié)晶器錐度變化：a.加強檢修、維護工作，宜將現(xiàn)有的2周1次8h檢修改為1周1次，并保證至少8h檢修時間；b.增加結(jié)晶器銅板鋼性；c.增加液壓在線可調(diào)裝置。保護渣應采購高質(zhì)量板坯專用保護渣。
（5）嚴格控制硫含量，修改工藝操作參數(shù)。對于Q235鋼硫最好控制在0.030%以下。在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，在降低硫的同時增加錳含量，以增大Mn/S，但并不一定要增加成本?？梢詮慕档统鲣摐囟群蜏p少下渣量以提高錳的回收率方面著手，另外，轉(zhuǎn)爐出鋼過程中錳按中上限配，保證使Mn/S至少≥20，使高熔點的MnS能代替低熔點FeS，以減少對晶界的脆化。
案例32 渣罐裂紋的消除
生產(chǎn)條件及存在的問題 這里講的渣罐結(jié)構(gòu)與普通渣罐有很大差別，如圖4-27所示。鑄件材質(zhì)為ZG230-450，重20t。罐體外表面肋板較多，罐體壁厚80mm，罐底壁厚100mm，兩主肋厚80mm，其余6道肋厚為40mm，結(jié)構(gòu)上形成多處熱節(jié)，在鑄件收縮過程中受到砂型的阻礙，而在強度最低處即熱節(jié)處產(chǎn)生裂紋。原工藝方案如圖4-28所示。
原砂采用硅砂，粒度0.106～0.212mm（40/70目），含水量4.8%。原工藝方案全部采用水玻璃自硬砂，中一、中二砂型采用外組芯方案，型芯全部上窯烘干。型芯刷醇基鋯石粉涂料，采用兩爐合澆，澆注溫度：5t爐1590℃，3t爐1600℃，保溫4h。由于自硬砂型退讓性差，收縮過程中在40mm肋板與罐體熱節(jié)處產(chǎn)生熱裂紋。嚴重的裂紋寬5～7mm，穿透整個罐體，且在轉(zhuǎn)角及耳軸孔處粘砂嚴重，難于清理。
解決措施
（1）形成渣罐內(nèi)表面的1號芯退讓性差，影響收縮是形成裂紋的主要原因之一，因此，考慮降低1號芯的強度。由于1號芯在操作過程中大口朝下，適當降低型砂強度不會給生產(chǎn)操作帶來困難。
（2）在40mm肋板與罐體連接處設(shè)置防裂加強肋，肋板結(jié)構(gòu)交錯排列，防裂拉肋較熱節(jié)有相對高的強度，可以有效地防止裂紋的產(chǎn)生。
（3）轉(zhuǎn)角尺處采用鉻鐵礦砂，以消除粘砂，并有一定的激冷作用，有利于消除熱節(jié)的影響。
（4）澆注后2h嵌箱，即在下箱分型面處放置80mm厚的墊鐵，將上型及中一、中二箱墊起80mm，防止收縮過程中應力進一步增大。
（5）兩爐合澆，5t爐澆注溫度1570℃，3t爐澆注溫度1580℃，防止粘砂。
（6）其余工藝方案不變，澆冒口也不做改動。
圖4-27 渣罐結(jié)構(gòu)圖
圖4-28 原渣罐鑄造工藝簡圖
案例33 采用熱割冒口工藝消除傳動齒輪鑄件裂紋
生產(chǎn)條件及存在的問題 傳動齒輪需要承受較大的載荷，固對其品質(zhì)要求非常高。鑄件及工藝簡圖見圖4-29。鑄件毛坯質(zhì)量為800kg，材質(zhì)為美國鑄鋼件技術(shù)標準4340鋼（相當于國內(nèi)40CrNi2Mo），是一種低合金超高強度鋼。開始生產(chǎn)4件，都出現(xiàn)嚴重的裂紋缺陷，導致鑄件報廢。
圖4-29 傳動齒輪鑄件工藝簡圖
解決裂紋的措施 此傳動齒輪與一般齒輪相比不僅有較大較厚輪轂，而且還帶有1個小軸頭，因此，工藝設(shè)計時需要用較大冒口。冒口與鑄件連接后，此處壁厚增加，使其在凝固冷卻過程中與齒輪輻板、輪緣部分的冷卻速度不一致，彼此間相互制約產(chǎn)生應力。這種應力在鑄件冷至常溫落砂后仍然存在。在進行常溫氣割M1號冒口時，由于割口處溫度較高，與周圍溫差較大，此時輪轂產(chǎn)生一定的熱應力，加上輪轂本身又存在較大的殘余應力，當兩種應力的方向正好相同時，應力便會疊加，使輪轂處的鑄造應力得到進一步加強，如果應力超過合金的強度極限，則產(chǎn)生裂紋。
通過以上對產(chǎn)生裂紋原因的分析，顯然要消除裂紋缺陷，就應盡量減少鑄件在冷卻過程乃至氣割冒口時所產(chǎn)生的應力，最終采取對傳動齒輪鑄件先進行退火去應力后，利用余溫再熱切割冒口及補貼來減少應力產(chǎn)生，消除了熱裂紋缺陷。
案例34 柴油機中間體鑄件裂紋的防止措施
生產(chǎn)條件及存在的問題 船用柴油機中間體鑄件的外形如圖4-30所示，材質(zhì)為S18F，表面裂紋的部位見圖4-30中圓點所示之處，為長短10～20mm不等的裂紋，外觀形狀不規(guī)則，表面呈氧化色（近似黑色）。用10倍放大鏡觀察發(fā)現(xiàn)，距表面l～4mm處均有大小不一的圓形孔洞。
解決措施
（1）精料入爐，一級廢鋼占裝入量的80%以上，嚴格控制高磷、硫廢鋼的使用。保證成品中磷、硫不得超過0.02%。
（2）加入一定量的鉬，提高鋼的高溫強度，按0.15%～0.30%加入合金元素Mo。
（3）強化冶煉過程中，對進行鋼液去氣沸騰操作，在薄渣下保持不少于10min的靜沸騰，盡量降低渣層對上浮氣泡的阻力，是保證最大限度地去氫、去氮的有效措施。
（4）加強脫氧操作。脫氧加鋁為1kg/t，終脫氧加鋁量為0.8kg/t，出鋼時再用復合脫氧劑Ca-Si為2kg/t脫氧。
（5）延長鋼液在包中的鎮(zhèn)靜時間（控制在10～15min），確保鋼中的夾雜物充分上浮，最大限度地降低鋼中夾雜物含量。
（6）注意清除鋼包和鑄型中的浮渣。
按改進工藝冶煉了10爐，澆注中間體16臺份，不僅化學成分合格，力學性能達到要求，而且非加工面光滑，打磨和焊補處極少，成品磁粉探傷僅1～2次即可交貨，用戶十分滿意。
圖4-30 中間體鑄件示意圖（圖中黑點表示產(chǎn)生表面裂紋處）
案例35 汽車鋁輪熱裂紋缺陷的防止
生產(chǎn)條件及存在的問題 整鑄鋁輪常采用重力鑄造，其優(yōu)點是冷卻速度高，晶粒細小，鋁合金車輪力學性能高，設(shè)備投資小，其缺點是鑄件成品率不高，產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定，比如，出現(xiàn)熱裂紋缺陷。裂紋主要集中在輪輞和輻板的交接處，見圖4-31中1處。
解決措施 從產(chǎn)生的位置來看，輪輞和輻板交接處是一個熱點，使輪輞外模過熱，而且往往由于輪輞和輻板壁厚相差太大，使熱節(jié)點集中在輪輞與輻板交接處，如果輻板比輪輞先凝固，則輻板向中心收縮。在熱節(jié)得不到補縮的條件下，該處常常形成熱裂，附近區(qū)域產(chǎn)生縮坑。防止措施如下。
（1）鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計。整鑄鋁合金車輪要得到合格鑄件，必須加以順序凝固控制，即輪輞首先凝固，輻板在壓力作用下補縮輪輞熱節(jié)點，然后輻板凝固，輪轂部分補縮輻板，輪轂最后凝固，輪轂部分通過直澆道來補縮。這是整鑄輪圈鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮的原則。
由于輪輞壁厚設(shè)計尺寸為6.0mm，單面加工余量為1.5mm，而輻板厚度為5.0mm，這樣輻板與輪輞之間壁厚相差太大，引起熱節(jié)，鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，因此，輪輞加工余量減小0.5mm，輻板厚度加到6.0mm左右，使輪輞與輻板厚度相差較小，輪輞與輻板交接處不會產(chǎn)生縮裂、縮坑，有利于鑄件合格率提高。
（2）鑄型設(shè)計。采用重力鑄造，在固定底型座通入φ12mm鍍鋅冷水管，通過降溫實現(xiàn)順序凝固，延長鑄型使用壽命，在輪輞熱節(jié)點上加10個冒口，每個冒口沿輪周長長度為40mm，冒口厚度為25mm，高度為70mm，以冒口補縮解決局部熱節(jié)點補縮問題，可以防止熱裂產(chǎn)生。
（3）工藝因素。鑄型涂料在輪輞中使用導熱系數(shù)較大的石墨粉和ZnO，涂層厚度為0.10mm左右，在輻板處稍微厚一點兒，涂層厚度達0.15mm，改進順序凝固條件，可防止熱裂產(chǎn)生。
（4）合金因素。合金液精煉和適當降低合金液澆注溫度，是減少熱裂的有效措施。減少合金中氧化皮和含氣量、提高合金流動性、降低澆注溫度，可減少合金液充型后總收縮量。澆注溫度控制在（710±15）℃比較適當。
一般用鈉鹽變質(zhì)，由于合金液固相點下降，結(jié)晶區(qū)增加，加上合金表面張力增加，合金流動性有所下降。在實際生產(chǎn)中，用適量稀土金屬變質(zhì)，合金流動性有所提高。在ZL101中加入質(zhì)量分數(shù)為0.13%的混合稀土時，合金流動性明顯增加，液相線下降10～ 15℃。
圖4-31 輪輞和輻板的交接處產(chǎn)生裂紋
案例36 實型鑄造分層缺陷預防
生產(chǎn)條件及存在的問題 實型鑄造法生產(chǎn)的鑄鐵件，尤其是較高大件的上部很容易出現(xiàn)坍層缺陷，嚴重影響鑄件的質(zhì)量，甚至使鑄件報廢。對于分層缺陷，有的資料亦將其歸為冷隔狀皺皮類缺陷。分層與冷隔狀皺皮存在以下共同點：鑄件兩部分間存在大量黑色夾雜物；從鑄件外表看，分層與冷隔狀皺皮均為長帶狀分布，且范圍都較大。
預防措施
（1）分析影響分層缺陷形成的因素，并找出其主次，著重消除主要因素的影響。如有些鑄件的分層缺陷在其他工藝不變的條件下，只要改變澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)即可避免。
（2）在保證模樣有足夠強度和剛度的前提下，盡可能選用低密度的泡沫塑料，以減少因模樣材料汽化不完全而留下的殘渣量。
（3）使用先進的熔化設(shè)備，提高金屬液的澆注溫度，大型鑄鐵件必須配備高熔化率的沖天爐：用若干座沖天爐同時熔化；用沖天爐—電爐雙聯(lián)熔化；全部用大規(guī)格電爐熔化。普通灰鑄鐵的澆注溫度以不低于1380℃為宜。
（4）合理設(shè)置澆注系統(tǒng)。為避免在高度方向產(chǎn)生兩股以上的金屬液流，應盡可能避免使用階梯式澆注系統(tǒng)。如因鑄件高度較大而必須使用時，必須保證底層內(nèi)澆道的截面積大于直澆道截面積，以防止直澆道中有多余的金屬液積存，使直澆道中金屬液面的上升速度大于型腔中金屬液面的上升速度，導致金屬液從上下內(nèi)澆道同時進入型腔；同時避免將上層內(nèi)澆道設(shè)置在鑄件頂部，以便一旦出現(xiàn)金屬液從上下內(nèi)澆道同時進入型腔時，兩股金屬液流間的夾渣有足夠的時間浮到鑄件上表面。
（5）選擇最合適的涂料配方，并用機器攪拌涂料，涂敷以往復刷涂為宜。
案例37 封口墻板鑄件裂紋的防止
生產(chǎn)條件及存在的問題 封口墻板鑄件見圖4-32。鑄件重量為1000kg，牌號為HT200，鑄件外輪廓尺寸為2140mm×750mm×700mm，平均壁厚15mm。封口墻板采用黏土砂干型鑄造，石墨水基涂料。砂芯有樹脂砂芯、干型砂芯。
在造型中，鑄件外輪廓由木模造型，內(nèi)腔由12個砂芯組芯而成。由于鑄件結(jié)構(gòu)復雜、壁薄、砂芯多，在澆注、冷卻過程中，受鑄型、砂芯、芯骨等阻礙，鑄件易形成應力集中而產(chǎn)生裂紋（如圖4-33所示A、B兩方框處的四個角）。封口墻板采取頂注開放式澆注系統(tǒng)，鑄件全部放在下型。由于鑄件長度方向的兩端有砂芯（干型砂芯），其造型工藝采用如圖4-33所示的澆注系統(tǒng)形式：一端澆注，內(nèi)澆道由鑄件兩側(cè)分散引入。
其各截面尺寸為：直澆道φ65mm；橫澆道（梯形）60mm×50mm×64mm；內(nèi)澆道（扁平）40mm×36mm×6mm（18個，兩側(cè)各9個）。鑄型上型開設(shè)10～12個φ12mm的出氣冒口。
使用三種材料砂芯：樹脂砂芯、桐油砂芯和干型砂芯。由于樹脂砂強度高、潰散性好，但成本高，我們將2號、3號、12號芯用樹脂砂制造，其余的使用干型砂制芯。樹脂砂選擇呋喃樹脂為黏結(jié)劑（樹脂加入量為原砂的2.5%～3%）；硫酸乙酯溶液為固化劑；原砂用鑄造水洗砂（粒度分組代號30）。樹脂砂芯采取自硬冷芯盒法人工制芯。樹脂砂芯、干型砂芯均用石墨水基涂料涂刷表面并烘干。
封口墻板的12個砂芯中，1號、2號芯固定最難，1號芯的底部放在3號芯上，砂芯側(cè)面與12號芯接觸面預露出兩處芯骨，合箱時用特制的一端帶有螺栓的鋼鉤鎖住預露的芯骨，把鋼鉤外端（帶有螺栓）固定在砂箱的外壁上，再用未烘干的干型砂把芯骨和12號芯的預留缺口補平。2號芯的芯骨（芯頭處）預先澆出帶圓環(huán)的拉桿。2號芯是懸吊著的，靠一側(cè)面的兩處芯頭固定在烘干的鑄型上，并用帶鉤螺栓緊固在砂箱外壁上。砂箱兩側(cè)外壁相應位置上分別留出160mm×160mm的窗口。砂芯間放高度15mm的工字芯撐，以保證內(nèi)壁厚。
封口墻板的澆注封口墻板的澆注時間為30s，快速充型，以縮小鑄件內(nèi)部溫差，減小應力。
解決措施 由于鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復雜，外壁窗口多、砂芯多、1號、2號芯重量大和芯骨粗大等原因，鑄件在冷卻、收縮過程中產(chǎn)生的阻力大，易形成應力集中，使鑄件產(chǎn)生裂紋（熱裂、冷裂或同時存在）。
生產(chǎn)中，我們采取有效措施，防止裂紋的產(chǎn)生。
（1）降低鑄件材質(zhì)牌號。征得設(shè)計人員的同意，在確保產(chǎn)品使用性能的基礎(chǔ)上，將封口墻板鑄件牌號改為HT150。
（2）包內(nèi)孕育處理。對澆注封口墻板鐵液進行加銅孕育處理，以提高鑄件強度。沖天爐出鐵溫度控制在1450℃以上。
（3）更換1號芯材料。由于干型砂芯的退讓性、潰散性差，收縮阻力大，產(chǎn)生的應力大，我們將1號芯由干型砂改為樹脂砂芯。但1號芯體積大，全部使用樹脂砂，則成本過高。在制作1號芯時，我們用樹脂砂充填40～50mm厚的外殼，內(nèi)部用焦炭或廢砂塊充填，以減少樹脂砂用量，并使樹脂砂芯內(nèi)部形成通氣網(wǎng)絡。在澆注期間，給1號芯點火。
（4）延長鑄件保溫時間。封口墻板鑄件澆注完畢，在鑄型內(nèi)保溫24h后開箱。鑄件清理后進行去應力退火，以降低鑄件內(nèi)應力。
圖4-32 鑄件結(jié)構(gòu)簡圖
圖4-33 鑄件工藝簡圖
案例38 復合輥的熱裂缺陷防止措施
生產(chǎn)條件及存在的問題 Cr4復合鑄鋼支撐輥是通過合理設(shè)計外層及芯部化學成分、改進冶煉和鑄造、澆注工藝、采用差溫淬火及多次回火工藝技術(shù)生產(chǎn)的新型產(chǎn)品，軋輥硬層內(nèi)典型的組織結(jié)構(gòu)是以回火屈氏體為主，加少量馬氏體組成。該產(chǎn)品具有耐磨性好、抗剝落能力強、綜合使用性能優(yōu)良等特點，可廣泛適用于熱帶連軋機、冷帶連軋機、平整軋機、中厚板軋機及爐卷軋機等四輥或六輥板帶鋼軋機。Cr4復合輥毛坯生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了熱裂和表面結(jié)疤缺陷。
解決措施
（1）合金成分、熔煉工藝。
①調(diào)整鋼水的化學成分。在保證支撐輥使用性能的前提條件下，降低碳含量，減少外層碳化物含量；提高硅含量，改善鋼液脫氧，防止鋼液二次氧化，避免鑄件產(chǎn)生氣孔；適當提高鉬含量，能提高鋼水的熱強度，增強抵抗裂紋的性能。嚴格控制有害元素磷、硫含量，硫控制在0.025%以下，磷控制在0.04%以下。
②加強鋼水的脫氧。對外層鋼水進行爐外精煉，芯部鋼水用電弧爐冶煉，加強還原期的工藝控制，降低爐后加鋁量，使用綜合脫氧劑，加強脫氧去氣，減少氣體的析出量。因為綜合脫氧劑可以有效減少氧化夾雜量，其脫氧產(chǎn)物尺寸要比單獨用脫氧劑的大得多，易于從鋼液中將它們排除。氧化夾雜物往往存在于一次結(jié)晶晶粒晶界上，削弱了晶粒之間的連接，促使熱裂形成。
③增加稀土變質(zhì)處理。一次結(jié)晶時，使晶粒細化是防止鑄件熱裂的有效措施。因為細晶粒為等軸晶晶粒，枝晶晶叉不發(fā)達，搭成晶粒骨架后對晶粒間液相滲流流動阻力小，提高了液相的過濾補縮能力，即提高了治愈熱裂的能力。
其次是晶粒細，晶?？偙砻娣e增大，當凝固末期液相量一定時就使晶粒間液膜變薄，液膜中的固相橋增多，顯著增強了液膜的抗斷力。如加入0.2%稀土，稀土除了細化晶粒，降低鑄鋼件熱裂傾向性外，還有很強的脫氧、脫硫、凈化鋼液的作用。
④調(diào)整鋼水溫度和成型速度。為了減少內(nèi)部成型鋼水對外層鋼水的熱沖擊，一方面鋼水澆注溫度控制不宜過高，特別是內(nèi)部鋼水澆注溫度更要嚴格控制；另一方面，控制內(nèi)芯形成的速度，尤其是初期澆注速度不宜過快，防止熱裂產(chǎn)生。
（2）鑄型方面。對鑄鋼復合支撐輥冷型涂料，增加膨潤土含量，以增加涂料的退讓性；增加涂層厚度，減緩激冷；改進噴涂工藝，提高涂層的均勻性、密度以及附著強度。
采用電加熱冒口工藝，附以保溫冒口覆蓋劑，延長冒口凝固時間，提高冒口對軋輥的有效補縮率。
案例39 軌道板鑄造裂紋的消除措施
生產(chǎn)條件及存在的問題 軌道板，材質(zhì)HT200，每件重5.8t，其工作過程中將承受載荷，因此，要求鑄件不能存在裂紋缺陷。一段時間，由于受原材料供應、生產(chǎn)條件等因素影響，連續(xù)出現(xiàn)多塊軌道板鑄造裂紋缺陷，造成重大損失，也給生產(chǎn)的組織和安排帶來一定難度。軌道板裂紋發(fā)生部位主要在鑄件上表面四邊緣尖角處，與四邊線基本呈垂直狀，裂紋寬度不一，嚴重的在5～10mm，輕微的1～2mm，裂紋形狀比較規(guī)則，從解剖裂紋的斷口觀察，宏觀組織粗大，斷口有金屬光澤，稍有氧化色，外表基本走向呈直線狀。這說明裂紋是在較低溫度下形成的，屬冷裂缺陷。
解決措施
（1）提高金屬強度。
①碳當量的控制。從軌道板化學成分分析可看出，當碳當量偏高時，鑄件裂紋傾向明顯。根據(jù)資料介紹，只要碳當量不超過30%，其力學性能可以達到HT200牌號要求，通過提高廢鋼配比，可減少鐵料帶入的碳量，有利于消除粗大石墨，達到減弱甚至消除生鐵遺傳性，提高力學性能的目的。生產(chǎn)中廢鋼加入量由原來的10%～15%增至25%～30%。
②錳含量的控制。對于厚壁鑄件，適當提高含錳量，一方面，可以增加組織中珠光體含量，強化基體；另一方面，還能消除硫所造成的熱裂危險。生產(chǎn)中控制含錳量0.8%～1.0%。
③對金屬液進行孕育變質(zhì)處理。生產(chǎn)中采用加入少量稀土硅鐵合金的方法。加入稀土，一方面，可增加鐵液中異質(zhì)晶核，細化晶粒，同時，稀土元素還可在基體中起合金化作用，強化基體；另一方面，又可改善石墨形態(tài)，使石墨從厚片狀改變?yōu)椴糠智驙睢⑷湎x狀、團絮或細片狀，減少了石墨對基體的切割作用，降低了裂紋傾向。生產(chǎn)中控制稀土加入量在0.8%左右。
（2）降低應力方面。
①降低鐵液夾雜物。一方面，加強熔煉操作，提高爐溫，保證高溫出鐵；同時控制澆注溫度，做到高溫出鐵，低溫澆注。通過靜置，使得夾雜物能較充分地漂浮上來便于除去，減少應力源；另一方面，提高舊料鐵的使用量，降低新生鐵的直接影響，舊料量為30%～40%。
②開箱時間調(diào)整為4h左右。
③打箱后立即覆干砂緩冷，覆砂層厚度不小于200mm，特別在軌道板四周，砂層必須均勻，造成緩慢均勻冷卻，防止收縮不均開裂，緩冷36～40h后出砂坑。
通過采用上述措施，控制了軌道板冷裂傾向，以后生產(chǎn)的軌道板沒有出現(xiàn)因冷裂而報廢現(xiàn)象。
案例40 厚壁離心鑄鋼管的裂紋缺陷消除
生產(chǎn)條件及存在的問題 厚壁離心鑄管的材質(zhì)為ZG200-400，長為256cm，外徑為53cm，內(nèi)徑為33cm，重量為2700kg。其生產(chǎn)是用壁厚為100mm的離心金屬型內(nèi)襯涂料鑄造，鑄型外部采用自然冷卻，涂層厚度一般為10mm。鑄管的主要鑄造缺陷是在內(nèi)、外表面產(chǎn)生的裂紋，這些裂紋縱橫交錯，相互連接，嚴重的裂紋可貫穿整個斷面，造成鑄管斷裂。
解決措施
（1）鋼液的澆注溫度。鋼液的澆注溫度越高，結(jié)晶凝固時放出的熱量也越多，凝固時間就越長，厚壁離心鑄管的凝固方式就越趨向于雙向凝固，在結(jié)晶凝固和固體冷卻收縮階段產(chǎn)生的鑄造應力就越大，產(chǎn)生裂紋缺陷就越嚴重。因此，對于厚壁離心鑄管鋼液的澆注溫度應盡量低些。
（2）鋼液的澆注速度。在鋼液澆注溫度一定時，澆注速度越快，鋼液從進入鑄型到完全凝固成鑄管的時間就越長，造成裂紋的傾向越大。因此，在不產(chǎn)生冷隔的前提下，厚壁鑄管的鋼水澆注速度越小越好。
（3）金屬鑄型的冷卻方式。在厚壁離心鑄管的鑄造過程中，金屬鑄型的溫度不斷升高，在鑄型與空氣自然對流和輻射散熱的條件下，鑄型表面溫度能夠達到600℃，對厚壁鑄管的結(jié)晶凝固極為不利，會增加裂紋傾向。對金屬鑄型表面施行強制冷卻措施，可以提高鑄型的散熱能力，提高鑄管的冷卻速度，縮短凝固時間，形成從外表面向內(nèi)表面的順序凝固，減少鑄造應力，從而控制和避免裂紋的產(chǎn)生。
（4）金屬鑄型的轉(zhuǎn)速。由于厚壁鑄管的凝固時間較長，從開始澆注到停機取出離心鑄管的總時間為30min。在外表層鋼液結(jié)晶凝固時就已經(jīng)產(chǎn)生了收縮，鑄管與鑄型間產(chǎn)生間隙，此時，如果鑄型轉(zhuǎn)速太高，內(nèi)部鋼液對已結(jié)晶凝固外表層的壓力會很大。而此時合金的強度及塑性都很低，容造成外表層開裂。因此，在鋼液全部澆入鑄型后，鑄型的轉(zhuǎn)速要適當降低。
（5）離心鑄管機的平穩(wěn)性。如果鑄管機的平穩(wěn)性不好，鑄型在旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生跳動，就會增大產(chǎn)生裂紋的傾向。因此，離心鑄管機的平穩(wěn)性要好。一旦發(fā)現(xiàn)鑄型旋轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，應及時檢修調(diào)整。
案例41 灰鑄鐵件開裂與化學成分的關(guān)系及防止
生產(chǎn)條件及存在的問題 灰鑄鐵件的開裂可能在鑄造生產(chǎn)的工序中出現(xiàn)，也可能在機加工或使用中出現(xiàn)。既可能是鑄件結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計、造型材料、冷卻規(guī)范或使用、操作不當?shù)纫蛩卦斐?，也可能是化學成分選擇不當所致?？傊T件的開裂是施加的應力超過灰鑄鐵的強度所致，這種應力既可能是殘余應力，也可能是外加應力或兩者的結(jié)合。
解決措施 白口脆，比灰口易開裂，所以鑄件斷面邊角處有白口會顯著增加鑄件開裂的傾向。硫是強烈的“白口”元素，但其影響可通過維持適量的錳來抵消。錳可按下式計算wMn%=1.7×wS%+0.3。未被抵消的硫可能導致鑄件邊角，乃至整個斷面出現(xiàn)白口。
鉻小于0.2%是允許的，大于0.2%就會促進白口形成，薄壁件尤甚?？赏ㄟ^爐前化學分析和爐前三角試塊測試，謹慎控制此元素。不銹鋼廢料、鋇、鈰、鉍等元素也有類似作用，亦應謹慎使用。
某種元素，即使微量，也會降低灰鑄鐵強度，增加鑄件開裂傾向。這些元素通常來自劣質(zhì)或受“污染”的廢鋼、廢鐵。
鉛含量超過0.0004%～0.0005%，特別是鐵液從潮濕的爐料、爐襯、出鐵槽、澆包或鑄型中吸收了氫氣以后，鑄鐵會產(chǎn)生魏氏組織石墨和“尖頭石墨”，這種畸形石墨嚴重降低鑄鐵強度，強度大約下降一半，致使鑄件開裂。故含鉛材料，如易切削鋼、帶有含鉛油漆的廢鋼、廢鐵以及含鉛的有色金屬零件都應剔除。
硼、銻、鉛可能來自爐料中的搪瓷廢鋼。這些元素會使鑄鐵變脆，增加薄壁鑄件開裂傾向。爐料批重所含搪瓷廢鋼不應超過5%。
為了保證得到更多的珠光體，某些灰鑄鐵中常加入高達0.1%的錫，超過0.1%的錫，鑄鐵強度下降，脆性、開裂增加。
案例42 機床灰鑄鐵件冷裂的防止
生產(chǎn)條件及存在的問題 灰鑄鐵件產(chǎn)生冷裂的原因是由鑄件在冷卻到彈性階段時收縮受阻，在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應力，當某處的內(nèi)應力超過該處的強度極限時即在該處產(chǎn)生冷裂。對于機床灰鑄鐵件而言，這種因鑄造應力大于強度極限而產(chǎn)生的冷裂有可能在一些結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計及操作失誤中產(chǎn)生。
解決措施
（1）合理設(shè)計，修改鑄件結(jié)構(gòu)。在鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應盡量避免各部分壁厚差別過大，以免造成各部分冷差別過大而產(chǎn)生內(nèi)應力。同時，鑄件結(jié)構(gòu)不應過度阻礙鑄件冷卻時的收縮。設(shè)計人員應積極與工藝人員配合，在工藝設(shè)計中，若發(fā)現(xiàn)鑄件結(jié)構(gòu)易導致冷裂，應要求設(shè)計人員根據(jù)所確定的鑄造工藝方案修改設(shè)計。
（2）合理設(shè)計鑄造工藝方案。
①澆注系統(tǒng)應盡量保證鑄件各部分冷卻速度均勻，并且不要阻礙鑄件收縮。
②防止在薄弱部位產(chǎn)生拉應力。封閉型框架結(jié)構(gòu)鑄件由于在收縮時所產(chǎn)生應力無處釋放而極易形成應力框，在鑄件的薄弱部位產(chǎn)生冷裂。
③對于大型薄壁鑄件，適當加大砂芯芯頭以使剛性較大的芯鐵梁全部位于芯頭中，這樣可有效地減小芯鐵梁對鑄件收縮的阻礙作用，并可防止芯鐵梁在高溫鑄件的烘烤下產(chǎn)生過大的膨脹。
④在某些易裂部位適當增設(shè)工藝凸臺或工藝拉筋。
⑤選用吃砂量足夠的砂箱。
（3）采用合適的型、芯砂。以黏土砂造型為主，提高黏土砂的退讓性對防止灰鑄鐵件的冷裂非常關(guān)鍵。在長期的生產(chǎn)實踐中經(jīng)過多次試驗，在易裂件的制芯中采用專用芯砂。
（4）熔煉。
①嚴格控制鐵液中的含磷量和含硫量。
②在合金中加入少量的鉻（＜0.5%）可以提高灰口鑄鐵的抗拉強度和抗彎強度。
（5）操作。
①造型和制芯：對于易裂件，砂型和型芯的緊實度不宜太高；制芯應用特種芯砂，砂芯中要多放爐渣以提高其退讓性，芯鐵的持砂量要足夠大并要盡量置于芯頭中。
②合箱：在薄壁鑄件合箱時，一定要保證鑄件壁厚均勻，以防造成熱應力及局部結(jié)構(gòu)薄弱。另外，分型面盡量平整以防造成披縫裂紋延伸到鑄件本體。
③控制打箱時間：打箱過早，鑄件內(nèi)外溫差較大，易導致熱應力，若生產(chǎn)條件允許，應盡量晚打箱。
④在鑄件的打箱、吊運、鏟磨過程中嚴禁硬性機械碰撞。
⑤在鏟除披縫、澆注系統(tǒng)時，應注意用力方向。
案例43 加稀土合金預防大口徑灰鑄鐵閥體裂紋
生產(chǎn)條件及存在的問題 某生產(chǎn)低壓閥門的專業(yè)廠，年產(chǎn)閥門2000t，其鑄件材質(zhì)是HT200。在鑄造過程中，大口徑閥門加強筋部位，時常出現(xiàn)裂紋。有的裂紋為1～2mm，有的為4～8mm，最深的達l6mm。使用放大鏡觀察裂紋痕跡，可見其裂口是穿過晶粒，且是連續(xù)直線狀，沒有分叉，屬于冷裂。由于此裂紋的出現(xiàn)，影響了閥門的質(zhì)量，成為廢品，造成了不應有的損失。
解決措施 采用加入微量稀土合金的方法，可以提高灰鑄鐵的強度，當稀土合金的加入量在0.2%時，灰鑄鐵的強度大約提高10%。采用此方法有效地預防了大口徑閥門灰鑄鐵件加強筋部位的裂紋問題。
案例44 離心復合鑄造球墨鑄鐵軋輥輥身裂紋缺陷的應對措施
生產(chǎn)條件及存在的問題 采用臥式離心機生產(chǎn)的復合球墨鑄鐵軋輥，外層采用貝氏體球墨鑄鐵，芯部采用低NiCrMo合金球墨鑄鐵，其輥身常出現(xiàn)軸向、徑向或不定向的裂紋。從形成機理分析，這些裂紋有的是冷裂，斷面有金屬光澤；有的是熱裂，斷面嚴重氧化，無金屬光澤。
解決措施
（1）合理選定冷型轉(zhuǎn)動速度。必須謹慎地選定轉(zhuǎn)動速度，在不引起離心外層開裂的情況下盡可能提高鑄型轉(zhuǎn)速。速度的選擇對于凝固收縮較大和紅熱強度較低的球墨鑄鐵來說尤為重要。不合適的轉(zhuǎn)動速度將造成鑄件的偏析、內(nèi)部裂紋及殘余應力。
通常根據(jù)下列公式計算出冷型的轉(zhuǎn)速：
式中 n——冷型轉(zhuǎn)速（r/min）；
G——重力倍數(shù)；
R——冷型內(nèi)半徑（cm）。
這樣確定冷型轉(zhuǎn)速n，即轉(zhuǎn)變?yōu)榇_定重力倍數(shù)G。重力倍數(shù)G是保證軋輥離心層質(zhì)量的重要參數(shù)，它是減少外層偏析、裂紋、氣眼等缺陷而獲得致密鑄件的關(guān)鍵。對于合金球墨鑄鐵材質(zhì)，應取較高的重力倍數(shù)以獲得細化并致密的組織，提高硬度及強韌性，故G≥70。
同時，過大的重力倍數(shù)，會使外層未結(jié)晶的鐵水對剛結(jié)晶的薄殼產(chǎn)生很大的壓力，使外層容易發(fā)生開裂，故G≤120，通常取80～100，我們?nèi)=90。
（2）冶煉高質(zhì)量離心層鐵水，有效地脫硫、脫磷以及去氣除渣。
此外，我們還注意到：開箱時輥身表面溫度應≤80℃，且要嚴防受沖擊與震動，開箱清理后盡快轉(zhuǎn)入熱處理程序等措施對消除輥身裂紋也有一定作用。
案例45 離心鑄鐵管承口斷裂的防止
生產(chǎn)條件及存在的問題 短流槽涂料金屬型離心鑄造鑄鐵管生產(chǎn)中，常見的廢品有：①由于鐵水流動性差而澆不足，管子不能完整地成型；②由于承口砂芯質(zhì)量差或放置砂芯失誤而造成鑄管報廢；③由于液壓機械鉗張力過大，在拔管時將鑄管撐裂或拔斷等。出現(xiàn)上述廢品的原因較為直觀和簡單，易于判斷、調(diào)整和解決。除此之外，還有一種非常值得重視的情況是鑄管撐口斷裂。離心鑄鐵管產(chǎn)生這種現(xiàn)象一般并不多見，但生產(chǎn)中都會碰到。通常，它是在生產(chǎn)進行中突然發(fā)生的，一時難以及時判斷產(chǎn)生原因及采取防止措施，造成鑄管連續(xù)斷裂，成批報廢，危害較大。
解決措施
（1）配料時，要注意滿足離心鑄鐵管工藝要求。在進行配料計算時，要明確離心鑄鐵管對鐵水化學成分的要求。鐵水成分既要符合國家標準規(guī)定，又要滿足離心鑄鐵管工藝要求?？紤]到離心鑄鐵管采用短流槽澆注工藝及鋼質(zhì)管型，要求鐵水有較好的流動性和較高強度及抗裂力，因此，應采用接近共晶點的亞共晶鑄鐵，硫含量要嚴格控制在規(guī)定范圍內(nèi)并盡可能低些，錳含量必須大于一定的錳硫比，磷取規(guī)定的上限。
按鑄鐵化學成分要求并考慮各元素在沖天爐熔煉中的實際變化情況，進行金屬爐料的配比計算。盡量不要單獨使用新生鐵，以避免鑄鐵的遺傳性影響；回爐鐵配入量不宜過大，以減小鑄鐵的脆性。
（2）加強沖天爐熔煉過程的爐況控制。為離心鑄鐵管提供合格的鐵水是防止鑄管撐口斷裂的主要措施。所謂合格鐵水，即要求鐵水有合適的化學成分、較高的鐵水溫度和較少的氧化夾雜。要滿足這些要求，就必須加強熔煉過程的爐況控制。
在沖天爐熔煉過程中，爐況是不斷變化的。例如，經(jīng)過一段熔煉，底焦高度因燃燒而降低，風量就顯得過大，元素（硅、錳）燒損加重，鐵水溫度降低，氧化夾雜增多，這就需要及時調(diào)整工藝參數(shù)，如減小風量，追加接力焦，以提高鐵水質(zhì)量，避免鑄鐵管撐口斷裂。
沖天爐熔煉過程中，出現(xiàn)的爐料搭棚、落生等故障及修爐質(zhì)量差而造成熔煉過程中爐壁脫落等，均會嚴重惡化爐況，使一批鐵水質(zhì)量變得很差，并造成成批鑄鐵管撐口斷裂。為此，必須嚴格執(zhí)行沖天爐熔煉工藝制度，嚴防故障發(fā)生。
（3）提高澆注溫度。由于離心鑄鐵管采用短流槽澆注工藝，澆注的鐵水要從管型的一端流到另一端，流動距離長，熱損失大，且鑄鐵管又是薄壁鑄件，這都要求所澆注的鐵水有較高的溫度。較高的鐵水溫度，不僅能提高其流動性，使鑄鐵管的凝固速度減慢且均勻，阻止鑄鐵管的雙向結(jié)晶，而且有利于非金屬夾雜物的排除，從而大大減輕熱裂傾向。所以說提高鐵水澆注溫度是防止鑄鐵管撐口斷裂的又一重要措施。
（4）強化鐵水的擋渣和除渣。如果鐵水溫度足夠高時，在離心力的作用下，隨鐵水而澆入管型的熔渣和非金屬夾雜物的絕大部分或全部能夠浮在鑄鐵管的內(nèi)表面，但當鐵水溫度偏低，則會有部分熔渣和非金屬夾雜物浮不上來而停留在管壁中，又由于撐口砂芯起著某種擋渣作用，而使渣和非金屬夾雜物沉積在撐口與管身交接處，形成渣孔，割裂了基體，降低了鑄鐵管該處的強度，造成鑄鐵管撐口斷裂。因此，在熔煉和澆注時，必須認真做好擋渣和除渣工作。
案例46 缸體裂紋缺陷的消除
生產(chǎn)條件及存在的問題 8170柴油機缸體呈8缸直列，外廓尺寸為1861mm×740mm× 500mm，缸徑170mm，缸距225mm，體積小，設(shè)計緊湊，主要壁厚8mm，毛坯重920kg；要求材質(zhì)為HT250，基體組織為珠光體，硬度HBS180～240。造型、制芯采用堿性酚醛樹脂自硬砂，由于缸孔多、結(jié)構(gòu)相對復雜，在毛坯驗證生產(chǎn)初期，出現(xiàn)了高頻度的下缸孔裂紋缺陷。
解決措施
（1）鑄件結(jié)構(gòu)的合理改進。該處結(jié)構(gòu)由凸輪軸孔與汽缸孔合圍而成，經(jīng)過對凸輪軸與周圍間隙的分析論證，對出現(xiàn)裂紋部位的壁厚結(jié)構(gòu)進行了合理優(yōu)化改進，即由缸孔外壁所呈的直線結(jié)構(gòu)，改為以缸孔圓心為圓心，以［缸孔半徑R+7mm（原最小壁厚）+4mm］為半徑的弧狀結(jié)構(gòu)，且外壁與缸孔的角度由15°改為10°，這樣不僅使最小壁厚增加致11mm，讓該部位的壁厚結(jié)構(gòu)趨于均勻合理，以降低冷卻凝固過程中溫度的差異。
同時，用樣板嚴格控制對芯組裝工藝，特別是下缸孔部位不允許存在任何錯邊與披縫，必須修齊抹平。
（2）改進熔煉工藝。
①化學成分與合金化工藝改進。碳、硅是灰鑄鐵中直接影響鑄造性能、金相組織和力學性能的兩大基本元素。碳、硅量提高促使石墨片變粗、數(shù)量增多、強度和硬度下降；碳、硅量降低可減少石墨數(shù)量、細化石墨、增加初生奧氏體枝晶數(shù)量，亦可提高鐵液接受孕育的能力，提高材料的物理性能。但碳、硅降低會導致鑄造性能變差，鑄件斷面敏感性增大，鑄件的內(nèi)應力增加。
另外，用于合金化處理的原鐵液應有較高的碳當量，且碳量較高硅量較低，這樣在添加合金與孕育處理后才能獲得最好的強度和斷面均勻性，防止硅增加鐵素體、粗化珠光體、中和合金元素作用的有害傾向。同時，針對基體組織中鐵素體含量較高，本體硬度偏低現(xiàn)象，我們對原銅—鉻合金工藝進行了銅—鉻—錫合金化工藝試驗改進，以圖實現(xiàn)穩(wěn)定珠光體，提高材質(zhì)性能的目的。
②爐前孕育工藝改進。通過對硅鋇與硅鐵孕育劑的試驗比較，硅鋇比硅鐵有更強的增加共晶團數(shù)和改善斷面均勻性的能力，且抗衰退能力強，孕育效果可維持20min以上。故將原工藝0.2%硅鋇孕育劑，終硅量不足由75硅鐵補充的爐前孕育改進為：0.3%～0.5%硅鋇孕育劑進行孕育處理。
加入方法由鐵锨改為漏斗，在出鐵液時，隨流均勻加入，孕育時間占出鐵時間的50%以上，以減少孕育劑燒損與氧化，充分提高孕育效果。
③隨流孕育工藝的開發(fā)應用隨流孕育是在鐵液澆注過程中實施的一種瞬時孕育方法，該工藝使孕育劑能均勻進入鐵液流，有效避免孕育衰退，改善石墨形態(tài)，細化組織，提高材質(zhì)性能。通過對硅鋇、硅鋯、硅鐵三種孕育劑，0.1～0.5mm和0.2～0.7mm兩種規(guī)格的不同孕育量試驗，確定采用硅鋯孕育劑，粒度0.2～0.7mm，孕育量0.08%～0.1%，孕育時間為整個澆注時間。
通過以上改進之后，石墨形態(tài)A形，片長4級，共晶團數(shù)6～7級，鑄件本體珠光體穩(wěn)定在98%以上，硬度HBS190～210。
（3）澆注系統(tǒng)的工藝完善。為了盡量減少鑄件各部分的溫差，對原底注與中注相結(jié)合的階梯式澆注工藝作了進一步完善，中注內(nèi)澆道由原來的從曲軸瓦口中心進入改為從瓦口側(cè)面進入；為了保證承受爆發(fā)力的裂紋所在部位及整個汽缸孔基體組織的均勻致密，提高鑄件的材質(zhì)性能，在生產(chǎn)過程中，采用了平做、斜澆、斜冷工藝，并且初澆溫度由1400～1420℃調(diào)整至1390～1400℃。
案例47 鑄鋼車輪及齒輪裂紋產(chǎn)生的防止措施
生產(chǎn)條件及存在的問題 近年來，起重機廠采用冷圈工藝鑄造的車輪、齒輪件有時在鑄造過程中出現(xiàn)裂紋缺陷，尤其是在氣溫低的冬季，裂紋缺陷較為嚴重，給生產(chǎn)造成嚴重的經(jīng)濟損失。
通過實際觀察，裂紋斷口表面呈金屬色，基本看不到氧化色；裂紋線較為齊整，光滑連續(xù)；裂紋在輻板孔附近較寬，在輪緣處較窄；有的穿透輻板，成開裂性裂紋。根據(jù)裂紋形貌的實際觀察分析，可以確定屬于冷裂。
解決措施
（1）改進鑄件結(jié)構(gòu)。
①通過數(shù)值模擬和生產(chǎn)實踐驗證，適當增加輻板厚度，加大輪轂與輻板連接處圓角，擴大補縮通道的擴張角，有利于補縮，減小或消除輻板處中心縮松。此時，雖增加了材料消耗和鑄件重量，但是解決了裂紋缺陷，必改模具，實施容易，故工廠愿意執(zhí)行此方案。
②制作新模具時，可將現(xiàn)在的等厚直輻板改為不等厚的直輻板，有利于擴大補縮通道的擴張角，改善補縮效果。
③在輻板上設(shè)置加強筋，以增加輻板的強度。
（2）改善緩冷條件。將現(xiàn)有緩冷坑改小，一個坑一個蓋，蓋得嚴實，使鑄件得到充分緩慢冷卻，以減小應力。
（3）嚴格工藝操作規(guī)程。
①保證澆注時冷圈預熱溫度在50～80℃之間，冬季氣溫低時，應控制在上限。
②適時打箱，并立即將鑄件放入緩冷坑中，蓋好緩冷坑蓋子，防止在低溫空氣中暴露時間太長，以減小應力。
③做到鋼水脫氧良好，扒渣干凈，錳、鉬控制在中下限，磷、硫控制在允許值以下，保證鋼水質(zhì)量。
案例48 中空軸裂紋的消除方法
生產(chǎn)條件及存在的問題 中空軸是球磨機上的主要運動部件，材質(zhì)采用ZG35鋼，交貨狀態(tài)為完全退火。軸粗加工后在軸頸部經(jīng)常出現(xiàn)裂紋（圖4-34），在顯微鏡下觀察，裂紋沿晶界分布呈曲折狀，并伴有較大的撕裂性空洞，裂紋兩側(cè)脫碳（退火態(tài)），其內(nèi)充滿氧化物。從裂口的形狀和顏色特征分析，裂口是在高溫下產(chǎn)生的，此裂紋系熱裂紋。
中空軸的原生產(chǎn)工藝如圖4-35所示。圖4-35A處（軸頸部）極易產(chǎn)生裂紋。
解決措施 修改后的工藝圖見圖4-36。
（1）澆注系統(tǒng)取消了原工藝的階梯形內(nèi)澆道，改用如圖示切線耐火磚內(nèi)澆道，設(shè)置在冒口下部的外補襯處，促使鑄件更有效地順序凝固，消除了下部內(nèi)澆道處的熱影響區(qū)域。
（2）保留原工藝的內(nèi)外補襯系統(tǒng)，在圖4-36E處（即三個保溫冒口的下部）增加了三個外補襯，消除了原工藝垂直補縮距離和下部水平補縮距離不足的缺點。
（3）在鑄件清理時，要去除冒口下部的內(nèi)、外三個補襯，這樣既不增加鑄件重量，又不增加用戶的加工工時，從而滿足了用戶的要求。
經(jīng)質(zhì)檢部門跟蹤檢驗，采用改進后的工藝方法生產(chǎn)的中空軸在加工后沒有一件出現(xiàn)裂紋缺陷。
圖4-34 中空軸示意圖
圖4-35 原工藝示意圖
圖4-36 改進后的工藝示意圖
案例49 改進澆注系統(tǒng)消除擺桿的裂紋缺陷
生產(chǎn)條件及存在的問題 擺桿鑄件材質(zhì)為ZG310-570，外形尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，壁薄而均勻，沒有大的熱節(jié)點，所以可以采用同時凝固的工藝方案。從圖4-37可以看出，內(nèi)澆道在鑄件的端面上，內(nèi)澆道的橫截面積較小，鑄件充型時間較長，A處易產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，鑄件裂紋多產(chǎn)生在A處的端面上。
解決措施 改進后的工藝方案如圖4-38所示，內(nèi)澆道雖仍在鑄件的端面上，但是結(jié)構(gòu)不一樣了，是轉(zhuǎn)折形澆道，易斷口的橫截面積增大了。鋼液流入時，經(jīng)過轉(zhuǎn)折點緩沖后平穩(wěn)地流入型腔中。鑄件的過熱區(qū)在澆道的轉(zhuǎn)折點上。改進后的直澆道為正五邊形，邊長30mm，比原方案多組焊1列蠟模，每列6件，共組焊30件。
圖4-37 改進前的澆注系統(tǒng)和組樹示意圖
圖4-38 改進后的澆注系統(tǒng)和組樹示意圖
案例50 壓鑄鎂合金方向盤裂紋的防止
生產(chǎn)條件及存在的問題 壓力鑄造是目前應用最廣的鎂合金成型方法，鎂合金方向盤骨架裂紋缺陷經(jīng)常出現(xiàn)在圓環(huán)凹槽底部、輻條與圓環(huán)相接的部位、內(nèi)澆口附近及過渡部位的尖角部位，其中尤以環(huán)槽底部和過渡部位尖角部位出現(xiàn)頻率較高。
A11鎂合金方向盤壓鑄件由鎂合金AM50A壓鑄成型，采用力勁DCC400M冷室臥式壓鑄機生產(chǎn)。合金的澆注溫度為（680±5）℃，模具溫度為（180±10）℃。
解決措施
（1）合金原材料的影響。生產(chǎn)方向盤骨架的合金鋁含量要嚴格控制。錳主要與鐵形成Mn-Fe化合物，從鎂液中沉淀出去，減少了鐵對合金塑性的影響；錳對細化晶粒也有利，有助于提高鑄件的強度和塑性，減小熱裂傾向。但錳含量過高會引起錳偏析，反而降低合金塑性，需控制一定的錳鐵比，在錳含量未超出下限而鐵含量也沒超出最大值時，推薦鐵錳比不超過0.015。
（2）鑄件結(jié)構(gòu)的影響。鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理對鑄件能否形成熱裂有直接影響，鑄件壁厚不均時較厚部位最后凝固，收縮應力易集中于此處而出現(xiàn)裂紋。鑄件設(shè)計應盡量避免十字筋及過于厚大的壁厚以免形成熱節(jié)；過渡部位設(shè)計鑄造圓角以避免應力集中形成裂紋，但過大的圓角則形成熱節(jié)，鑄件冷卻緩慢而晶粒粗大，強度和塑性降低難以抵抗收縮應力而形成裂紋。
（3）壓鑄模的影響。壓鑄模具的澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)對裂紋的影響起著關(guān)鍵性作用。當合金液不能在澆注系統(tǒng)中平穩(wěn)加速時，合金液的能量損失較多，充型時呈紊流狀態(tài)，不利于型腔內(nèi)氣體的排出，鑄件易因含非金屬夾雜而強度降低，從而形成裂紋；而排溢系統(tǒng)除了排出型腔內(nèi)氣體外，還起平衡模溫作用，避免鑄件因各部位冷卻不均勻產(chǎn)生熱應力而形成裂紋。
（4）模具溫度。每一個壓鑄循環(huán)中鑄件向模具傳遞的熱量和模具因吸熱而升高的溫度是確定的，因此，當初始模具溫度較高時，在壓鑄循環(huán)中模具溫度也更高，鑄件因緩慢冷卻而減小壁厚不均造成的收縮熱應力；另一方面，較高模溫使鑄件冷卻速度降低，鑄件晶粒粗大，強度、塑性下降導致熱裂形成，因此，壓鑄模具溫度對鑄件形成熱裂的影響是綜合的，模具溫度需控制在一定的范同內(nèi)。A11方向盤骨架批量生產(chǎn)證明，模具工作溫度控制在200～230℃最合理。
（5）合金液溫度。當合金液溫度較高時，增加了鑄件凝固時的收縮量，同時，液體金屬因具有更大的過熱度而使模具升溫更高，降低了鑄件與模具的溫度梯度，鑄件冷卻速度降低，晶粒粗大導致強度和塑性較差，因此，鑄件容易形成裂紋。鎂合金方向盤骨架壓鑄時的合金液溫度控制在670～690℃，能穩(wěn)定獲得符合要求的壓鑄產(chǎn)品，鎂液溫度偏上限時模具溫度則需偏下限，反之亦然。
（6）壓射比壓。壓射比壓對形成裂紋的影響是綜合的，一方面高比壓使鑄件的組織更致密，鑄件強度高而具有更好的抗裂能力；另一方面比壓過高則易導致鑄件殘留應力過大，結(jié)晶過程中晶體骨架收縮受阻而產(chǎn)生裂紋。鎂合金方向盤骨架比壓通常在80～120MPa之間即可滿足要求，同時，對澆注系統(tǒng)阻力損失系數(shù)小時采用較高的比壓和較低的增壓速度進行匹配，反之，則采用低壓高速進行匹配。
（7）留模時間。鑄件的留模時間對鑄件裂紋形成的影響是雙向的，留模時間太長，鑄件因收縮受阻而易形成冷裂；時間太短，鑄件尚不具備強度就取出則易形成熱裂。留模時間通常按鑄件壁厚3s/mm設(shè)定。鎂合金方向盤骨架基本壁厚為4mm。實踐證明：在批量穩(wěn)定生產(chǎn)過程中留模時間控制在11～15s時，鑄件裂紋缺陷出現(xiàn)幾率極小。
案例51 壓鑄件轉(zhuǎn)向器殼體裂紋的消除
生產(chǎn)條件及存在的問題 轉(zhuǎn)向器殼體由A1Sil2Cu合金壓鑄而成。鑄件形狀復雜，壁厚較厚，鑄件內(nèi)部易產(chǎn)生縮松和縮孔。該零件屬于安全件（D零件），是桑塔納轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的主要組成部分。該產(chǎn)品每件都要經(jīng)過X射線探傷（內(nèi)部質(zhì)量）和熒光探傷（表面裂紋）的檢測，檢測合格方能出廠。
某廠生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向器殼體鑄件在進行熒光探傷時出現(xiàn)大量裂紋，幾副模具生產(chǎn)的鑄件裂紋出現(xiàn)在相同的部位。裂紋較深、長短不一，用手工打磨的方法不能徹底清除。最嚴重時一天有50%的產(chǎn)品因裂紋缺陷被判為廢品，導致無法及時供貨。
解決措施
（1）在模具上將鑄件出現(xiàn)裂紋的部位增大鑄造圓角。
（2）設(shè)計了一套水冷系統(tǒng)，安裝在裂紋環(huán)繞的大型芯內(nèi)，加強該部位的散熱，改善溫度場的分布。
（3）嚴格控制原材料熔化工序、降低澆注溫度、緩和機床抽芯和開模動作。
采取上述措施后，裂紋大幅度減少。經(jīng)兩個月的連續(xù)生產(chǎn)，裂紋基本消除，質(zhì)量穩(wěn)定，取得較好的效果。
案例52 提高澆注溫度消除裂紋缺陷
生產(chǎn)條件及存在的問題 采用德國FAT公司樹脂砂生產(chǎn)線，為某筑路機械廠生產(chǎn)旋風筒。該件的結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝如圖4-39所示，中間空腔部分用一整體芯構(gòu)成。主要壁厚為8mm，澆注溫度為1360～1380℃，澆注系統(tǒng)從薄壁處引入，采用此工藝連續(xù)生產(chǎn)若干件，均發(fā)現(xiàn)一條自上而下的貫穿性裂紋。
圖4-39 旋風筒結(jié)構(gòu)及鑄造工藝圖
解決措施 裂紋是由液態(tài)金屬凝固收縮時受到砂芯阻礙產(chǎn)生的，如采用中空芯、薄殼芯或改變型砂配比等措施，可以解決此問題，但受生產(chǎn)條件制約無法實施，所以只好另辟蹊徑，將澆注溫度由1360～1380℃提高至1480～1500℃，利用高溫鐵液加厚砂芯燒酥層，增加退讓性，結(jié)果生產(chǎn)數(shù)百件均無裂紋發(fā)生。這種方法簡單易行，是解決收縮性裂紋的好方法。
案例53 熔模鑄造方形薄壁件裂紋的防止
生產(chǎn)條件及存在的問題某水玻璃熔模精鑄廠，生產(chǎn)的齒輪箱零件因鑄件裂紋造成的廢品，占廢品總量的70%。該產(chǎn)品是方形見圖4-40，相互對稱且產(chǎn)生裂紋的部位很薄（僅有2.0mm）。
圖4-40 鑄件結(jié)構(gòu)簡圖
解決措施
（1）澆注系統(tǒng)的設(shè)置。由于在裂紋的部位放澆口，難以保證蠟模組焊時的強度，且此件是重量小的熔模件，一組多件，澆口放在其他部位不利于熔模鑄造小件的砂輪片切割和打磨，故澆口只有選擇在圖4-40所示的A處為佳。
（2）型殼和金屬的特性。該零件制殼時采用的是石英砂材料，在熔模鑄造中，石英砂是退讓性最好的一種，且該產(chǎn)品的材質(zhì)為ZG310-570，該材料形成裂紋的傾向較小。故型殼和金屬的特性產(chǎn)生裂紋的原因可以排除。
（3）澆注時殼溫和澆溫的控制。熔模鑄造中，型殼和鋼液收縮的不同步，確實是產(chǎn)生熱裂的一個重要原因，但是在生產(chǎn)該產(chǎn)品時，型殼是從焙燒爐中邊出邊澆，過程時間僅3～4s之短，澆溫控制在1520℃（溫度再低會有冷隔），但在此條件下進行生產(chǎn)，裂紋的數(shù)量并未減少。
（4）鑄件清砂時即使是輕輕地敲開型殼，同樣能看到細長的裂紋。這說明裂紋并非是外力作用所致。
（5）鑄件結(jié)構(gòu)的分析。該鑄件的B、C處的交角為直角，壁厚為2.0mm，同時凝固時產(chǎn)生的收縮應力非常大，易產(chǎn)生裂紋，因裝配原因，客戶不同意增加圓角，故在圖示部位增加了厚為1.6mm的斜筋如圖4-40中B、C處所示。根據(jù)以上分析進行了工藝試驗，第一批澆注后裂紋只占總數(shù)的10%左右。
原澆注溫度設(shè)置較低，增加防裂筋后澆注溫度經(jīng)試驗提高到1560℃，裂紋數(shù)量并未提高，這樣大大減少了原來的冷隔現(xiàn)象，且厚度僅為1.6mm的筋，采用熔模鑄造既可以從模具中帶出，又很容易在精整時去除。
（6）澆注后由于型殼外表與空氣直接接觸，散熱較快造成型殼與鋼水收縮不同步，且使鑄件凝固過快，產(chǎn)生較大的收縮應力，增加裂紋的傾向。于是采取澆注后立即用蓋箱保溫的措施，延緩凝固速度，減少模殼對收縮的阻礙，經(jīng)試驗對減輕裂紋非常有益。
案例54 熔模鑄鋼件熱裂的防止
生產(chǎn)條件及存在的問題 熱裂是熔模鑄鋼件常見的缺陷之一。隨著熔模鑄造的發(fā)展，復雜件、薄壁件越來越多，型殼的強度也得到了很大提高，熔模鑄鋼件中熱裂缺陷的比例也隨之上升。
解決措施 熱裂的產(chǎn)生部位是在鑄件的“弱點”上，此“弱點”可以是鑄件結(jié)構(gòu)不合理引起的，例如鑄件壁的連接結(jié)構(gòu)不合理，內(nèi)圓角半徑過小等。也可以是鑄造工藝不合理引起的，例如澆注系統(tǒng)設(shè)計不合理，導致局部過熱而形成“弱點”。
（1）選擇熱裂敏感小的鑄造合金，嚴格控制有害元素硫的含量。不同鑄造合金，對熱裂的敏感性也不同。凡是凝固過程中收縮系數(shù)較小，凝固時形成的固相的強度較高的合金，其熱裂敏感性較小。因此，凡有利于提高固相線附近結(jié)殼高溫強度和降低結(jié)殼收縮率的因素都有利于減緩熱裂的產(chǎn)生。
（2）低溫鋼水紅殼澆注。中碳鋼在結(jié)晶溫度附近的強度極限值很低，為0.5～2.0MPa。提高澆注溫度將降低凝固時結(jié)殼的強度。對于ZG35，當澆注溫度由1580℃降低到1530℃，其在熱裂危險期的結(jié)殼強度將提高31%，因而有利于防止熱裂產(chǎn)生。但是降低澆注溫度，特別是對于薄壁鑄件，很容易產(chǎn)生冷隔、澆不足等缺陷，因此，必須提高澆注時型殼的溫度。一般對于水玻璃型殼希望澆注時型殼溫度大于600℃，即要求紅殼澆注。
（3）薄壁鑄件采用扁寬澆口。隨著熔模鑄造的發(fā)展，熔模鑄造薄壁鑄鋼件的品種、數(shù)量呈增長趨勢。由于熔模鑄鋼件澆注系統(tǒng)設(shè)計長期以來采用以補縮為主的原則，薄壁鑄鋼件的內(nèi)澆口厚度習慣上不小于薄壁件的壁厚，加上澆注溫度較高，導致鑄件澆注系統(tǒng)引入處局部過熱而成為“弱點”。這些局部過熱的“弱點”凝固收縮時，其四周的鑄件薄壁本體已經(jīng)凝固，因此過熱的“弱點”的收縮受到鑄件薄壁本體的牽制，收縮受阻，因而往往在鑄件的內(nèi)澆口附近出現(xiàn)熱裂。避免這類熱裂的方法就是將內(nèi)澆口改為扁寬內(nèi)澆口。內(nèi)澆口厚度一般可取鑄件壁厚的1/2。為了不降低澆注速度，避免局部過熱，增強模組的裝配強度，內(nèi)澆口寬度比正常值增大1～2倍。扁寬內(nèi)澆口有利于緩和澆注系。
（4）澆注金屬應盡量均勻充填型腔，避免因澆注金屬沖擊型腔固定點后分流而形成“熱點”。澆注金屬進入型腔的流向、速度受內(nèi)澆口的設(shè)置位置、大小、形狀的限制。不合理地設(shè)計內(nèi)澆口的設(shè)置點、大小、形狀可以導致澆注金屬沖擊型殼某個部位，然后分流，使受沖擊部位局部過熱而成為“熱點”，此“熱點”也即是容易產(chǎn)生熱裂的“弱點”。
（5）澆注系統(tǒng)設(shè)計應盡量避免框形結(jié)構(gòu)。熔模鑄造技術(shù)人員對具有兩個熱節(jié)的精鑄件或長精鑄件往往設(shè)計兩個內(nèi)澆口，于是使得鑄件—內(nèi)澆口—直澆道成為一個框形結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，這類結(jié)構(gòu)最容易出現(xiàn)收縮受阻，而很容易在內(nèi)澆口附近產(chǎn)生熱裂，也容易產(chǎn)生變形，因此應盡量避免框形結(jié)構(gòu)。
（6）設(shè)置防裂工藝肋。如果用戶允許鑄件結(jié)構(gòu)改進，可以在易產(chǎn)生熱裂的部位設(shè)置防裂工藝肋。防裂工藝肋不僅可以提高鑄件熱裂部位的強度，更主要是可起散熱片作用，改善散熱條件，也可使?jié)沧⒔饘俸侠矸至?，從而減緩“熱點”集中程度，緩解熱裂的產(chǎn)生。因此防裂工藝肋不宜厚，一般為相應部位壁厚的1/3左右，但為保證澆足，厚度應大于2mm。
（7）熱裂的轉(zhuǎn)移——自割澆口的應用。設(shè)計澆注系統(tǒng)時，可以采用控制澆注系統(tǒng)各組元凝固速度的方法，讓熱裂轉(zhuǎn)移到內(nèi)澆口或工藝肋上。這類澆注系統(tǒng)稱為自割澆口。自割澆口還能減少澆口切割工作量，特別是對于大型精鑄鑄鋼件能大大減輕鑄件清理、切割工作量，很有推廣價值。
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