熔模鑄鋼件裂紋改善措施研究與應(yīng)用

■柳建國(guó)，徐偉東

熔模鑄鋼件裂紋改善措施研究與應(yīng)用

■柳建國(guó)，徐偉東

從裂紋的成因與類型入手，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中鑄件的改進(jìn)案例，通過(guò)鑄件結(jié)構(gòu)的局部調(diào)整、鑄造工藝優(yōu)化、后工序操作工藝改善等方面，探討了預(yù)防和改善裂紋缺陷的具體技術(shù)方案與效果，從而大幅降低在生產(chǎn)過(guò)程中鑄件裂紋缺陷的產(chǎn)生，在提高精鑄件的可靠性和使用壽命等具有一定的參考意義。

一、概述

隨著汽車工業(yè)的進(jìn)步，整車朝著安全、高速、低耗、低成本及良好的舒適性等方向發(fā)展，這將促進(jìn)汽車零部件輕量化向更深、更廣方向發(fā)展。近年來(lái)東風(fēng)精鑄積極推進(jìn)精鑄件輕量化的設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化及多個(gè)零件集成后使鑄件變得更薄、更輕，同時(shí)也提高了零部件的功能集成。但隨之而來(lái)的是鑄件結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，容易產(chǎn)生變形、裂紋等缺陷，這些成了生產(chǎn)過(guò)程中鑄造、校正等工序遇到較多的難題。

二、裂紋的形成原因及分類

精鑄件裂紋的種類根據(jù)其產(chǎn)生的原因不同，大致可分為以下幾種：按裂紋產(chǎn)生的溫度范圍，裂紋可分為熱裂紋、冷裂紋；按裂紋產(chǎn)生的位置，可分為內(nèi)部裂紋和表面裂紋；按裂紋尺寸大小，可分為宏觀裂紋和微觀裂紋；按裂紋產(chǎn)生的次序，可分為初生裂紋、二次裂紋。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的分類統(tǒng)計(jì)，我們經(jīng)常遇到的裂紋種類主要有以下幾種：熱裂紋、淬火裂紋和機(jī)械外力作用下產(chǎn)生的裂紋（見(jiàn)圖1）。

鑄件由于表面及內(nèi)部缺陷、尺寸及形狀偏差、鑄件化學(xué)成分及溫度等原因，引起鑄造應(yīng)力集中，當(dāng)鑄造應(yīng)力超過(guò)金屬的強(qiáng)度極限時(shí)，在鑄件表面或內(nèi)部產(chǎn)生不規(guī)則的曲線狀的縫隙，從而形成裂紋，鑄件裂紋是一種不完全斷裂的金屬缺陷。裂紋的存在不僅破壞了鑄件的連續(xù)性，而且裂紋尖端大多尖銳，容易引起應(yīng)力集中，促使鑄件在應(yīng)力的作用下斷裂。

由于熔模鑄造生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)過(guò)程各環(huán)節(jié)工藝相對(duì)較復(fù)雜，精鑄件裂紋形成的原因往往是多樣的，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不合理、鑄造工藝設(shè)計(jì)不恰當(dāng)、鑄件化學(xué)成分、精鑄型殼退讓性及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作工藝不當(dāng)?shù)纫蛩鼐锌赡軐?dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

三、預(yù)防裂紋的措施

針對(duì)生產(chǎn)中無(wú)損檢測(cè)統(tǒng)計(jì)裂紋比例較高的鑄件，結(jié)合裂紋產(chǎn)生的不同原因，通過(guò)對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鑄造工藝、化學(xué)成分及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作工藝等方面的調(diào)整與改善，來(lái)預(yù)防裂紋缺陷的產(chǎn)生，達(dá)到減少或消除裂紋缺陷的目的。

1. 鑄件結(jié)構(gòu)局部?jī)?yōu)化

圖1

在鑄件設(shè)計(jì)階段，除了根據(jù)產(chǎn)品自身的特殊特性和使用性能要求來(lái)設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)充分考慮熔模鑄造工藝對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的要求，對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，使鑄件壁厚盡量保持均勻一致，對(duì)于鑄件結(jié)構(gòu)限制必須存在的壁厚差較大的，要盡可能保持厚薄結(jié)構(gòu)平穩(wěn)過(guò)渡，減小鑄件熱節(jié)和鑄造應(yīng)力。必要時(shí)對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部特殊處理，如在鑄件的孔邊緣增加工藝翻邊或工藝補(bǔ)貼，拐角部位增加工藝筋等措施，以避免產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

（1）厚薄壁相交處，結(jié)構(gòu)平穩(wěn)過(guò)渡 鑄件結(jié)構(gòu)上的不均勻，導(dǎo)致各部位壁厚相差較大，薄壁處冷卻較快，強(qiáng)度增加較快，阻礙厚壁處收縮，結(jié)果在強(qiáng)度較低的厚壁處或厚薄相交處出現(xiàn)熱裂紋。

圖2為商用車板簧支架，鑄件鎖緊孔周邊4根加強(qiáng)連接筋交接部位裂紋改進(jìn)案例。改進(jìn)前結(jié)構(gòu)產(chǎn)品孔周邊壁厚較厚，與4根連接筋壁厚差異較大（見(jiàn)圖2a）。經(jīng)磁粉檢測(cè)統(tǒng)計(jì)，鑄件此4處交接部位裂紋比例高達(dá)20%以上。后期通過(guò)對(duì)產(chǎn)品加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)微調(diào)優(yōu)化，將4根筋設(shè)計(jì)成到孔周邊由遠(yuǎn)及近截面逐漸變大的錐形結(jié)構(gòu)，并將筋根部與大孔壁連接部位平穩(wěn)過(guò)渡，消除臺(tái)階（見(jiàn)圖2b），改進(jìn)后鑄件此部位裂紋消除。

（2）采用殼體結(jié)構(gòu)，消除鑄件熱節(jié) 模組澆注后在自然冷卻條件下，型殼內(nèi)各點(diǎn)的熔融狀態(tài)的鋼液凝固時(shí)間是不相同的，結(jié)構(gòu)交叉連接較厚的局部區(qū)域冷卻速度較慢，最后凝固形成鑄件的熱節(jié)，這就會(huì)使鑄件凝固后在該區(qū)域產(chǎn)生熱應(yīng)力集中，導(dǎo)致鑄件此部位裂紋的產(chǎn)生。因此對(duì)于鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量減小或避免產(chǎn)生鑄造熱節(jié)，以減少或消除鑄件局部熱量集中產(chǎn)生的鑄造應(yīng)力。

圖3為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中遇到的因裂紋報(bào)廢率較高的兩種鑄件的改進(jìn)案例，就是典型的通過(guò)鑄件結(jié)構(gòu)調(diào)整，由原來(lái)的筋板連接結(jié)構(gòu)調(diào)整為殼體結(jié)構(gòu)，消除原有熱節(jié)，減小鑄造應(yīng)力，從而達(dá)到消除裂紋的目的。

（3）拐角優(yōu)化設(shè)計(jì)，消除加強(qiáng)筋根部縮裂 對(duì)于存在加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的一類零件，加強(qiáng)筋根部與連接面處形成的拐角部位，通常是容易產(chǎn)生鑄造應(yīng)力集中的位置，也是實(shí)際生產(chǎn)中遇到的產(chǎn)生裂紋最多的部位。因此，拐角部位的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于減少應(yīng)力集中、消除裂紋有著非常重要的作用。

圖2

圖3

圖4

如圖4所示，商用車橫梁支架類鑄件加強(qiáng)筋根部與平面相接的拐角部位為直角連接，拐角部位的裂紋缺陷廢品率在15%以上。通過(guò)將拐角優(yōu)化為大圓角平滑過(guò)渡，鑄造應(yīng)力大大減小，裂紋缺陷消除。

（4）增加工藝翻邊補(bǔ)貼、工藝筋避免應(yīng)力集中 生產(chǎn)實(shí)踐證明，在不影響零件使用性能的情況下，通過(guò)對(duì)容易產(chǎn)生裂紋的孔周邊、筋板拐角部位增加工藝翻邊補(bǔ)貼、工藝筋等方法（見(jiàn)圖5），同樣能夠有效地消除鑄造裂紋缺陷。

2. 鑄造工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

除了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)影響外，精鑄件生產(chǎn)過(guò)程中鑄造工藝合理與否也是導(dǎo)致鑄造缺陷產(chǎn)生的重要原因之一。因此，為了有效地減少或消除鑄造缺陷及其不利的影響，解決鑄造工藝的問(wèn)題同樣至關(guān)重要。在鑄件凝固階段后期，當(dāng)鑄件線收縮受阻時(shí)就會(huì)產(chǎn)生鑄造應(yīng)力，如果應(yīng)力超過(guò)了鑄件凝固時(shí)的高溫強(qiáng)度，就會(huì)在此部位產(chǎn)生熱烈紋。因此，為防止鑄件產(chǎn)生裂紋缺陷，鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)遵循順序凝固理論，從而盡量避免鑄件凝固收縮受阻。

（1）澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì) 澆注系統(tǒng)對(duì)裂紋的影響不可忽視。一般澆冒口附近溫度較高，冷卻緩慢，容易產(chǎn)生裂紋。因此，設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)，確定正確的澆注工藝，減少澆冒口對(duì)鑄件收縮的阻礙能夠防止鑄件產(chǎn)生熱裂缺陷。鑄件內(nèi)澆道根部易出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，在靠近內(nèi)澆道邊緣處容易產(chǎn)生裂紋，因此內(nèi)澆口設(shè)計(jì)時(shí)要考慮鑄件各部分溫度分布均勻和阻力最小的原則，實(shí)現(xiàn)鋼液充型平穩(wěn)，有效地降低鋼液流速，轉(zhuǎn)移鑄件的過(guò)熱區(qū)，避免鑄件在內(nèi)澆道附近產(chǎn)生裂紋缺陷。

對(duì)于薄壁鑄件采用扁寬形狀內(nèi)澆道設(shè)計(jì)。澆口厚度一般為鑄件壁厚的一半，為了不降低澆注速度，避免局部過(guò)熱，同時(shí)保證模組的焊接強(qiáng)度，內(nèi)澆道寬度一般比正常值大1～2倍。扁寬內(nèi)澆道有利于分散金屬液的引入，避免因局部過(guò)熱而產(chǎn)生熱裂紋。圖6a為改進(jìn)前的方案，該鑄件在內(nèi)澆口附近出現(xiàn)熱裂紋。圖6b將內(nèi)澆道厚度減薄一半，寬度增寬一倍，熱裂基本消除。

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免框形結(jié)構(gòu)。對(duì)于存在兩個(gè)熱節(jié)的精鑄件一般情況下往往設(shè)計(jì)兩個(gè)內(nèi)澆道，于是使得鑄件-內(nèi)澆道-直澆道成為一個(gè)框形結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)最容易出現(xiàn)收縮受阻，很容易在澆口附近產(chǎn)生熱裂，因此應(yīng)盡量避免框形結(jié)構(gòu)。圖7為板簧下托板鑄件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。圖7a為改進(jìn)前方案，為了鑄件上下兩處熱節(jié)的補(bǔ)縮，分別設(shè)置了兩個(gè)內(nèi)澆道。內(nèi)澆口附近過(guò)熱而成為“弱點(diǎn)”，其收縮受鑄件本身以及中間部位型殼的阻礙，“弱點(diǎn)”部位存在熱裂。圖7b更改為一個(gè)加長(zhǎng)腰圓形內(nèi)澆道，鑄件翻轉(zhuǎn)180°焊接。滿足上下補(bǔ)縮的同時(shí)也緩解了原來(lái)的凝固收縮受阻，熱裂消除。

圖5

圖6

圖7

（2）鑄件材質(zhì)改善 選擇熱裂敏感性小的合金，嚴(yán)格控制有害元素S含量。不同鑄造合金，對(duì)熱烈的敏感性也不同。凡是凝固過(guò)程中收縮系數(shù)較小，凝固時(shí)形成的固相強(qiáng)度較高的合金，其熱裂敏感性較小。

硫是鋼中的有害元素。圖8為不同澆注溫度硫含量對(duì)鋼高溫強(qiáng)度的影響。鋼在凝固時(shí)，由于硫的存在，在晶界處出現(xiàn)FeS和Fe的低熔點(diǎn)共晶，從而使鋼的高溫強(qiáng)度降低。因此含硫量高的鋼，其熱裂敏感性大。附表為含硫量與鑄件熱裂產(chǎn)生的關(guān)系。由表可知，含硫量高時(shí)鑄件中形成熱裂多。因此用稀土合金對(duì)鋼液進(jìn)行純凈化處理，降低鋼中的含硫量是防止熔模鑄鋼件產(chǎn)生熱裂的有效措施之一。

（3）低溫鋼液紅殼澆注 有些鋼種在結(jié)晶溫度附近的強(qiáng)度極限值很低，澆注溫度越高，凝固時(shí)結(jié)殼的強(qiáng)度越低。降低澆注溫度有利于防止熱裂紋的產(chǎn)生。但是降低澆注溫度，尤其是薄壁鑄件，很容易產(chǎn)生冷隔、澆不足等缺陷，因此在降低澆注溫度的同時(shí)必須相應(yīng)提高型殼溫度。型殼溫度提高到600℃以上還可以避開(kāi)硅砂的相變膨脹，并有利于內(nèi)層型殼的軟化，從而減緩型殼對(duì)鑄件收縮的阻礙。因此，低溫鋼液紅殼澆注是防止熱裂產(chǎn)生的有效措施。

3. 后工序操作工藝改善

由于鑄鋼件的鑄態(tài)組織較脆，遭受外力沖擊時(shí)容易造成脆斷。在鑄件清砂落件階段，不合適的操作過(guò)程都有可能使鑄件在機(jī)械外力作用下產(chǎn)生裂紋。因此，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的鑄件采取合適的清理操作方式對(duì)預(yù)防鑄件產(chǎn)生裂紋也同樣至關(guān)重要。

對(duì)不同鑄件指定錘擊落件的部位，特殊鑄件在澆口棒上增加焊接錘擊方臺(tái)，薄壁件無(wú)法實(shí)現(xiàn)錘擊落件的采用氣割、切割落件，復(fù)雜薄壁件取消滾筒拋丸而采用掛拋等方式（見(jiàn)圖9），均能有效地減少機(jī)械外力作用產(chǎn)生的裂紋。

四、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)鑄件生產(chǎn)實(shí)際情況，結(jié)合裂紋產(chǎn)生原因的不同，通過(guò)對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，鑄造工藝優(yōu)化，以及化學(xué)成分和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作工藝等方面的調(diào)整與改善，來(lái)預(yù)防裂紋缺陷的產(chǎn)生，達(dá)到減少或消除裂紋缺陷的目的，不僅降低企業(yè)廢品損失，也提高了鑄件安全性、可靠性。由此可見(jiàn)，上述裂紋的改善措施在精鑄行業(yè)中具有一定的參考意義。

圖8　含S量對(duì)鋼在結(jié)晶溫度附近的強(qiáng)度影響

含S量與鑄鋼件熱裂的關(guān)系

圖9

［1］ 許云祥，等.熔模鑄鋼件熱裂的產(chǎn)生和防止［J］，特種鑄造及有色合金，1998，（1）：22-25.

［2］ 陳國(guó)楨，等.鑄件缺陷和對(duì)策手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［3］ 王文清，等.鑄造工藝學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

柳建國(guó)，中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)精密鑄造分會(huì)，東風(fēng)精密鑄造有限公司，高級(jí)工程師，主要從事鑄造技術(shù)及節(jié)能減排研究工作。徐偉東，東風(fēng)精密鑄造有限公司。