鑄造金屬凝固原理第熱裂課件

1、第17章 鑄件的熱裂裂紋在應(yīng)力和致脆因子的共同作用下，使材料的原子結(jié)合遭到破壞，在形成新界面的時(shí)候產(chǎn)生的縫隙。對(duì)材料的影響生產(chǎn)事故社會(huì)災(zāi)難裂紋的種類（包括鑄造裂紋和焊接裂紋）按位置：表面裂紋、內(nèi)部裂紋按走向：縱向和橫向按尺寸：宏觀和微觀按溫度范圍：熱裂紋和冷裂紋按形成機(jī)理：熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂、應(yīng)力腐蝕裂紋。17.1 概述熱裂的特征外觀形狀曲折而不規(guī)則，末端呈圓形。裂口的表面呈氧化色，裂口寬度0.050.5mm。當(dāng)鑄鋼件冷卻緩慢時(shí)，裂口的邊緣尚有脫碳現(xiàn)象 沿晶斷裂分內(nèi)裂和外裂產(chǎn)生的部位拐角處、最后凝固的部位，有時(shí)出現(xiàn)在縮孔的下部。危害 沿晶斷裂內(nèi)裂17.2 熱裂形成的溫度范圍及形

2、成機(jī)理熱裂形成的溫度范圍 兩種觀點(diǎn)有效結(jié)晶溫度區(qū)間，其上限是指形成晶體骨架，線收縮開始溫度，其下限為凝固結(jié)束的固相線溫度。 凝固溫度范圍內(nèi)近于固相線溫度金屬凝固以后即稍低于固相線溫度形成晶體骨架，線收縮開始溫度研究結(jié)果鋁-硅、鋁-銅以及鋁-鎂兩元合金的熱裂傾向性與化學(xué)成分之間的關(guān)系研究：最大熱裂性與最大有效結(jié)晶區(qū)間相一致 。x射線照像含碳0.031.0的碳素鋼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。熱裂前所顯示的溫度x射線底片上出現(xiàn)裂紋時(shí)的溫度用平衡圖上的固相線溫度來說明熱裂產(chǎn)生的溫度范圍，往往會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論。從合金的近平衡凝固過程和微觀偏析形成理論得知，當(dāng)合金在近平衡條件下凝固時(shí)，低熔點(diǎn)的溶質(zhì)或低熔點(diǎn)化合物將被排

3、斥在晶界，形成晶界偏析，使實(shí)際固相線溫度明顯下移，有效結(jié)晶溫度區(qū)間顯著增大。因此，實(shí)際固相線溫度往往低于平衡固相線溫度。從近平衡凝固的觀點(diǎn)來看，在實(shí)驗(yàn)過程中即使發(fā)現(xiàn)裂紋產(chǎn)生在平衡固相線溫度以下，也不應(yīng)得出熱裂出生于固相線以下的結(jié)論。合金收縮系數(shù)與溫度的關(guān)系 通過合金在凝固期間收縮值的變化也可以說明，熱裂是在固相線附近T2T4溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生的。出現(xiàn)裂縫時(shí)，如附近的液態(tài)金屬有良好的流動(dòng)性，裂口可能被液體充填而愈合，裂縫內(nèi)往往濃聚著低熔點(diǎn)偏析物可說明這一點(diǎn)。熱裂形成機(jī)理 強(qiáng)度理論 脆性溫度區(qū)間：固相線附近脆性溫度區(qū)間強(qiáng)度和塑性小，脆性區(qū)愈大，金屬處于低塑性區(qū)時(shí)間愈長，熱裂愈易形成。 有效結(jié)晶溫度區(qū)間

4、和脆性溫度區(qū)間是一致的。合金在溫度低于固相線時(shí)，合金強(qiáng)度因溫度升高而緩慢下降，高于固相線溫度時(shí)強(qiáng)度急劇下降，而在凝固溫度范圍內(nèi)，強(qiáng)度轉(zhuǎn)為緩慢下降。因此可以認(rèn)為 合金在實(shí)際固相線溫度以上形成熱裂的可能性最大。合金在固相線附近時(shí)延伸率極低，基本上呈現(xiàn)脆性。鑄件凝固時(shí)如能自由收縮，不受外部和內(nèi)部阻力，即使合金在凝固期呈現(xiàn)較低的強(qiáng)度和塑性，也不致形成熱裂。凝固收縮時(shí)往往受到鑄型、型芯、鑄件結(jié)構(gòu)本身以及澆注系統(tǒng)等各種阻力，致使鑄件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。如果應(yīng)力超過金屬在該溫度下的強(qiáng)度，即產(chǎn)生熱裂。液膜理論 合金的熱裂傾向性與合金結(jié)晶末期晶體周圍的液體性質(zhì)及其分布有關(guān)。鑄件冷卻到固相線附近時(shí)，晶體周圍還有少量未凝

5、固的液體，構(gòu)成液膜。溫度越接近固相線，液體數(shù)量越少，鑄件全部凝固時(shí)液膜即消失。如果鑄件收縮受到某種阻礙，變形主要集中在液膜上，晶體周圍的液膜被拉長。當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，液膜開裂，形成晶間裂紋。熱裂紋的形成是由于鑄件在凝固末期晶間存在液膜和鑄件在凝固過程中受拉應(yīng)力共同作用的結(jié)果。液膜是產(chǎn)生熱裂紋的根本原因，而鑄件收縮受阻是產(chǎn)生熱裂紋的必要條件。凝固過程的四個(gè)階段 脆性溫度區(qū)：上限為枝晶開始交織長合的溫度，其下限為液膜完全消失的實(shí)際固相線溫度。晶間液體的形態(tài)：晶間液體鋪展液膜時(shí)，熱裂傾向顯著增大；若晶間液體呈球狀而不易鋪展時(shí)，合金熱裂傾向明顯減輕。裂紋的形核和發(fā)展 ：裂紋的形核容易發(fā)生在固相晶粒相交的

6、液相匯集部位。由于受到凝固過程溶質(zhì)再分配而引起的晶界偏折（包括晶界夾雜物）的影響，液相匯集部位的雙邊角 也會(huì)因潤濕性不同而在0o180o 之間變化液膜的表面張力和液膜厚度的影響把液膜拉斷之力與液體的表面張力，固體同液體的接觸面積成正比，而與液膜的厚度成反比。根據(jù)上式可以看出晶間液膜的表面張力和其厚度對(duì)鑄件抗裂性的影響。液膜的表面張力與合金的化學(xué)成分和鑄件冷卻條件有關(guān)。液膜厚薄決定于晶粒大小，晶粒愈細(xì)，由于晶粒表面積的增加就降低了單位表面上的液膜數(shù)量和其厚度，故增加了鑄件的抗裂性。因此，可以推定，凡是能夠降低晶體和液膜之間表面張力的表面活性元素，都能夠促使合金抗裂性下降。 鑄造合金性質(zhì)的影響化學(xué)

7、成分和凝固溫度區(qū)間及脆性溫度區(qū)間化學(xué)成分有效凝固溫度區(qū)間脆性溫度區(qū)間絕對(duì)收縮量熱裂。 17.3 影響熱裂形成的因素凡是能夠擴(kuò)大有效凝固溫度區(qū)間的雜質(zhì)，都能夠促使熱裂的形成。 如鋼中的S元素。凝固溫度范圍合金的收縮量和相變凡是能夠減小合金在有效凝固溫度區(qū)間絕對(duì)收縮量的元素或相變，都能降低形成熱裂之傾向；灰口鑄鐵、球墨鑄鐵在凝固溫度范圍內(nèi)的石墨化；冷硬鑄鐵件生產(chǎn)中向鑄鐵中加入0.30.4磷，此時(shí)形成的磷共晶，發(fā)生體積膨脹，從而減少了總的收縮量。凝固溫度范圍的強(qiáng)度和表面活性元素的影響提高合金在凝固溫度范圍內(nèi)的強(qiáng)度可以減少熱裂傾向。 硫和磷擴(kuò)大有效凝固溫度區(qū)間，在鋼中屬于表面活性元素，能吸附在晶粒表面

8、，減低相間界面張力，并對(duì)晶粒生長及非金屬夾雜物的形狀和分布產(chǎn)生不良影響；硅含量在0.10.6范圍內(nèi)可以提高鋼的抗裂力；錳在鋼中可以限制硫的有害作用，形成硫化錳，熔點(diǎn)較高，錳在1以下，增加錳量能增加鋼的抗裂力。氧在鐵能大大降低鐵的表面張力。因此，隨著氧化鐵夾雜物的增加，鋼的抗裂力也隨之下降。氧化物的影響氮和氫的影響 化學(xué)成分與晶間層形態(tài)熱裂紋的產(chǎn)生與晶間層性質(zhì)密切相關(guān)。晶界上存在易熔第三相且鋪展為液膜時(shí)，熱裂傾向顯著增大；若呈球狀，熱裂傾向性則顯著減小。例如，在鑄鋼中，當(dāng)錳硫比達(dá)到一定值時(shí)，硫化物呈球狀，熱裂傾向明顯減輕。其它元素可改善夾雜物的形態(tài)鑄型（型芯）性質(zhì)的影響鑄型（型芯）對(duì)收縮的阻力越

9、大，鑄件內(nèi)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力愈大，鑄件愈易開裂。鑄件表面粘砂將影響鑄件相對(duì)于鑄型表面移動(dòng)，因而會(huì)影響鑄件收縮并促使熱裂形成。 金屬型溫度澆注條件的影響澆冒口系統(tǒng)靠近澆冒口部位易形成熱裂。 澆注時(shí)金屬引入鑄型的方法澆冒口的布置 澆注工藝提高澆注溫度可減輕薄壁鑄件的熱裂傾向。厚大鑄件，澆注溫度過高，會(huì)使鑄件晶粒粗大，晶間結(jié)合力降低，形成偏析、形成粘砂；同時(shí)，澆注溫度高會(huì)增加鋼水中的氣體含量，增加熱裂的傾向性。澆注速度是通過改變鑄件的溫度分布影響熱裂的。 鑄件結(jié)構(gòu)的影響鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 鑄件厚度 鑄件壁十字交接 17.4 防止鑄件產(chǎn)生熱裂形成的途徑合金成分、熔煉工藝的精煉方面適當(dāng)調(diào)整合金的化學(xué)成分或選擇抗裂

10、性較好的的合金。對(duì)碳鋼及合金鋼進(jìn)行微合金化和變質(zhì)處理；加入稀土元素、或其他元素可以達(dá)到此目的，加入量一般均在0.3以下?？梢詥为?dú)加入一種元素，也可以幾種元素同時(shí)加入，常用的元素有釩、鈦、鈮、鋯、鈰、鈣、硼等。這種方法可以使鑄鋼晶粒細(xì)化、減少非金屬夾雜、改變夾雜物的形狀和分布狀態(tài)，從而改變了鋼的一次結(jié)晶過程，提高了鑄鋼件的抗裂性能和力學(xué)性能。改進(jìn)鑄鋼的脫氧工藝；提高脫氧效果，減少氧化夾雜物并改變其分布狀態(tài)可以減少鑄鋼熱裂傾向。采用綜合脫氧劑要比單獨(dú)采用硅、錳、鋁進(jìn)行脫氧的效果要好得多。這是因?yàn)槊撗醍a(chǎn)物的尺寸要比單獨(dú)用硅和錳脫氧時(shí)大得多，因而有利于鋼液將脫氧產(chǎn)物排除。綜合脫氧劑中因有鈣，減少了鋼的

11、二次脫氧，同時(shí)使鋼鑄件變得更加致密，例如用一般方法脫氧時(shí)（加錳鐵、硅鐵、鋁）鋼的密度為7.78 ，用錳硅鋁鈣綜合脫氧時(shí)，密度可達(dá)7.9 。對(duì)鋼液進(jìn)行真空處理可使鋼中氣體含量顯著下降，從而減少非金屬夾雜物，提高鑄鋼的抗裂性能。此外，用合成渣處理鋼水可以達(dá)到脫硫、脫氧和去除夾雜物的目的。用石灰和鋁礬土的合成渣（主要成分CaO5355；Al2O34345）以及利用電爐冶煉的白渣作合成渣處理鋼水，可使鋼中0.0350.045含硫量降到0.0060.012，同時(shí)可以減少鋼中含氧量，從而提高了鋼的塑性和抗裂性能。控制鑄鋼的結(jié)晶過程，使初晶組織細(xì)化，減少熱裂傾向。 用超聲波振動(dòng)可使碳鋼、高鉻鋼和高烙鎳鋼鑄件

12、結(jié)晶細(xì)化，晶粒尺寸可減小36倍。使金屬在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下凝固也可以使晶粒細(xì)化。采用懸浮澆注法，即在鋼水澆注的同時(shí)通過澆口或其他通道加入細(xì)顆粒金屬粉末使初晶組織細(xì)化。例如35碳鋼鑄件加入2粒度為0.1 的鐵粉；高錳鋼鑄件澆注時(shí)加入2的錳鐵粉；澆注鉻鉬模具鑄件時(shí)加入粒度0.1 的鉬粉，均有細(xì)化晶粒提高力學(xué)性能，減少熱裂缺陷的作用。造型工藝方面增加鑄型（型芯）的退讓性粘土砂時(shí)加入一些細(xì)木屑，或采用有機(jī)化合物做粘結(jié)劑的型砂；采用薄殼泥芯或中空泥芯，或在粗大的泥芯中間放置焦碳，爐渣等；減少泥芯骨和箱檔的阻力。采用涂料，使鑄型和泥芯表面光滑，防止粘砂以減少鑄件收縮阻力；采用金屬型鑄造時(shí)將金屬型預(yù)熱。改進(jìn)金屬液引入鑄型的方法采用冷鐵加速局部冷卻溫度設(shè)置防裂筋澆注條件方面減小澆冒口系統(tǒng)對(duì)鑄件收縮的機(jī)械阻礙； 減少鑄件各部分溫差；用冷鐵消除熱節(jié)的有害作用；控制澆注溫度和速度