热裂形成的影响因素

在热裂形成的温度范围内凡能影响合金的线收缩、收缩阻力和合金强度、塑性的因素，都将对热裂倾向产生影响。归纳起来，主要与合金性质、铸型阻力、铸造工艺和铸件结构等四方面因素有关。

（一）合金性质的影响

热裂的形成温度在实际（非平衡）线收缩开始温度至固相线温度之间，即在有效结晶温度区间内。在该温度区间内，合金强度越低，线收缩率越大，则愈易形成热裂。在有效结晶温度区间内，线收缩率ε可用式（11 19）表示：

图11-33　晶体间液膜被拉断形成热裂

式中　t′K——实际（非平衡）线收缩开始温度；

t′S——实际（非平衡）固相线温度；t′K-t′S——有效结晶温度区间；

α——在（t′K-t′S）区间内的平均线收缩系数。

图11-34　热裂倾向与有效结晶温度区间的关系

acb—平衡条件下线收缩开始温度线；afe—铸造条件下线收缩开始温度线；adb—平衡条件下固相线；age—铸造条件下固相线；1—平衡条件下热裂倾向曲线；2—铸造条件下热裂倾向曲线

可以看出：合金的有效结晶温度区间大，平均线收缩系数大，则线收缩率大。这表明在其他条件相同时，铸件的内应力大，所以热裂倾向大。图11-34为有限固溶体的共晶类型状态图与热裂倾向之间关系的示意图，说明有效结晶温度区间越小，成分越接近共晶，热裂倾向小。“有效结晶温度区间”大的合金，其结晶温度范围一般也大。为实用方便，也可用合金的结晶温度范围数据近似地判别热裂倾向的大小。

Fe—C合金的钢铁铸件热裂倾向和化学成分等因素的关系如下：

（1）凡是减小合金线收缩系数α的因素都可降低热裂倾向。灰铁、球铁件在有效结晶温度区间内，其线收缩系数可取为负值，所以极少出现热裂缺陷。而碳钢和白口铸铁件，由于α为正值，故易出现热裂；

（2）凡扩大有效结晶温度区间的元素都增加热裂倾向。从图11-31中可见，w C=0.2%时，正处在碳钢包晶点“J”附近，具有最小的结晶温度范围。实验证实，具有最高的抗热裂性和最低的热裂倾向。进一步降低或提高含碳量都扩大结晶温度范围，抗裂力急剧减低，热裂倾向增大。图11-31的下半部分是抗裂力和碳的质量分数之间的关系曲线。抗裂力是热裂试样产生热裂时之最大拉力。当w C＞0.5%以后，随碳量的增加，降低了线收缩开始温度，因而缩小有效温度区间，使热裂倾向有所降低。

（3）高温慢浇，增加热裂倾向。图11-35表明，浇温1600℃时比1550℃时浇注的铸钢试样抗裂力明显降低。同理，慢浇注，即用很小的浇注速度浇注，必然增加铸件内部纵向温度梯度，增大内应力和热裂倾向。

图11-35　浇注温度对铸钢抗裂力的影响

1—w C=0.19%；2—w C=0.11%；3—w C=0.44%

（4）提高合金的高温强度可减少热裂。有关碳的影响已在图11-31中表明。硅、锰、磷、硫和碳钢热裂试样抗裂力的关系如图11-36所示，所有试样浇注温度均高于液相线50℃。

图11-36　硅、锰、磷、硫含量对碳钢抗热裂力的影响

（a）硫；（b）锰；（c）硫和锰；（d）硅；（e）磷；（f）磷、硫和锰1—C 0.19%；2—C 0.13%；3—C 0.42%；4—C 0.17%；5—C 0.12%；6—C 0.44%；7—S 0.03%；8—S 0.05%；9—S 0.08%；10—S 0.10%；11—C 0.19%；12—C 0.44%；13—C 0.06%；14—C 0.21%；15—C 0.39%；16—C 0.09%；17—C 0.40%，Mn 0.96%，S 0.05%；18—C 0.39%，Mn 0.46%，S 0.025%；19—C 0.43%，Mn 0.89%，S 0.058%；20—C 0.09%，Mn 0.40%，S 0.025%；21—C 0.08%，Mn 0.95%，S 0.058%

硫：显著降低钢的抗裂力[见图11-36（a）]。当钢中含锰不足时，硫以FcS或Fe—FeS共晶形态存在。Fe—FeS共晶点温度只有935℃，扩大了有效结晶区间，因而增加了钢的热裂倾向。在灰铸铁中，硫量高，也起同样作用。因而，一般硫被认为是有害元素。

磷：降低钢的抗裂能力[见图11-36（e）、（f）]。钢中碳和硫的浓度越高，磷的有害作用越大。当w P小于0.07%时，有害作用比超过此值时要小得多。磷和硫都能降低钢液的表面张力，过多的磷能和铁形成低熔点的磷共晶分布在晶界周围，从而显著地降低了钢的抗裂能力。

锰：由于锰可以和硫形成高熔点的硫化锰，因而增加锰可以显著提高钢的抗裂性，但超过一定限度后，锰又使钢的抗裂力急剧下降[见图11-36（b）]，这是由于锰过量，使钢液脱氧彻底，导致硫化物溶解度增大。这些硫化物于凝固末期，以共晶形式析出于晶界，因而急剧地恶化了钢的抗裂性。当w S=0.03%时，w Mn在0.8%～1.0%的范围内，钢具有较高的抗裂力。硫和锰对碳钢抗裂力的综合影响见图11-36（c）。为降低热裂倾向，推荐用式（11-20）决定碳钢中最低的含锰量：

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式中 w[C]、w[S]——钢中碳和硫的质量分数。

硅：影响不很大。在硅量小于0.3%～0.4%时，增加硅可提高钢的抗裂性[见图11 36（d）]。

铝：作为脱氧剂，对于w C≈0.4%的碳钢的影响见图11-37。未脱氧的钢有较高的抗裂力，随着铝量增多，抗裂力降低。当w Al=0.045%时，抗裂力最低。这是由于脱氧使钢中FeO含量降低，导致硫化物溶解度大为增加。凝固后期，在晶界上以硫化物夹杂物形式析出。进一步提高铝量达w Al=0.1%时，形成Al2 S不溶于钢液，使抗裂力增长。w Al＞0.1%时，抗裂力开始多少有些下降，之后，随铝量增长，抗裂力又有所增长。

图11-37　脱氧剂铝对w　C=0.4%的碳钢抗热裂性的影响

1—浇温1550℃；2—浇温1600℃

出现这种规律的原因是：起初由于Al2 O3增多，使钢液脱氧，引起钢液中氧化物中氧的重新分配。铝量增加，钢液中不仅出现Al2 O3，而且Al2 S也增多。铝量再进一步增加时，铝不仅起脱氧剂的作用，而是作为一种合金元素，它能改善碳钢的抗裂性。

氧：在铁中是表面活性元素，降低钢液的表面张力，分布于晶界的氧化夹杂物（氧化铁、氧化锰、氧化硅等）削弱晶间联系，因而促成热裂。

氮：降低钢液表面张力，促进热裂。

氢：含氢高的钢，具有发达的柱状晶和粗晶，所以容易形成热裂。

（二）铸型阻力的影响

铸型和砂芯的溃散性好，铸件凝固收缩时受到的阻力小，形成热裂的可能性也小。特别要重视铸型和砂芯在铸件凝固即将结束的时刻——热裂形成的时刻，其溃散性如何。一般来说，湿砂型比干砂型的溃散性好。对砂芯而言，常用的各种芯砂的溃散性由好到差的顺序大致是：壳芯，湿砂芯，冷或热芯盒树脂砂芯，其他有机粘结剂砂芯，水玻璃砂芯，膨润土干砂芯，普通粘土干砂芯。图11-38为水玻璃砂、膨润土砂和粘土砂型（芯）的高温抗压强度的比较。粘土砂的抗压强度随温度升高而急剧地上升，超过1100℃后才下降。水玻璃砂超过500℃以后抗压强度显著降低。超过793℃，水玻璃熔融，又使强度有所提高，如图中虚线所示。如果砂型或砂芯因受铸件金属加热温度升高，当其抗压强度达到最高值的时刻，恰好与铸件到达热裂温度的时间相同，则铸件发生热裂的几率最大。采用粘土干砂芯制造薄壁铸件时，应特别注意改善芯砂的溃散性。

此外，舂砂过硬，铸件表面发生粘砂，都容易发生热裂。铸型和砂芯表面涂以涂料，对防止热裂也有一定作用。

金属型内浇注大型铸钢件容易形成热裂。浇注后铸件表面形成固体壳，因降温产生固态收缩而离开型壁，在铸件内部液态金属的压力作用下，固体外壳开裂形成热裂纹。当金属型内表面涂料上得不均匀时，造成冷却不均匀，慢冷的部分易产生裂纹。提高金属型的温度可减轻热裂倾向。

（三）铸造工艺的影响

1.浇冒口的位置

在铸件凝固收缩过程中有些热节处于拉应力的集中点，在这些热节点上安放冒口或开浇道将促成热裂。冒口大，使内浇道通过冒口能增强顺序凝固，使铸件内向冒口方向的温度梯度加大，内应力增大，在冒口根部常引起热裂。在这样的热节点上不适宜设置冒口，而应采用冷铁消除热节的影响，必要时，使用防热裂筋（割筋）。

2.浇注系统和冒口布局不合理

阻碍铸件收缩而引起热裂。例如，浇注系统结构不当，冒口、浇口杯或直浇道距砂箱带太近，合箱时留披缝太大，芯骨过分粗大和吃砂量太小等原因，均可造成铸件收缩受阻而导致热裂。

3.流经一个内浇道的金属液量过大

金属流经时间过长，使内浇道附近金属和铸型温度太高，此处就容易出现热裂。为防止内浇道附近局部过热，应限制每个内浇道的金属流入量，采用断面积小而数量多的内浇道，分散引入金属可减少热裂倾向。

4.浇注温度和浇注重量速度的影响

没有明显的规律性，应依具体情况来决定。对薄壁铸件，宜采用高温、快速浇注法，以达到同时凝固，减小内应力防止热裂；对厚壁铸件，宜采用低温、慢速浇注法，以减小铸件的体积收缩，加快冷却和凝固，使初晶细化，减轻偏析和铸件表面粘砂程度，有利于防止热裂。

（四）铸件结构的影响

图11-38　加热温度和芯（型）砂抗压强度的关系

1—水玻璃5%；2—耐火粘土14%；3—膨润土5%

铸件结构设计不合理，容易引起热裂。具体情况有：①薄厚悬殊；②薄厚过渡突然；③壁与壁相交处，如转角、十字交接、多壁相交处等形成较大热节点；④圆角过小；⑤内壁过厚；⑥由于结构原因，铸件收缩严重受阻，在热节处易于形成裂纹。