| 钢的牌号 | Mn13 | 1Cr13 | T10 | ZG55 | ZG35 | 30CrNiMo | 工业纯铁 | ZG20 | 1Cr18Ni9Ti |
| 高温强度/MPa | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.7 | 1.2 | 1.2 | 1.4 | 2.1 | 2.5 |
| 固时会发生δ→γ的相变而产生大的线收缩，因此该合金仍然具有较大的热裂敏感性而较容易产生热裂。% q6 g, }- D7 H. }/ I P- P, ^ 硫是钢中有害元素。图1所示为不同浇注温度时硫对钢高温强度的影响。钢在凝固时，由于硫的存在，在晶界处出现FeS和Fe的低熔点共晶，而使钢在高温时的强度降低。因此含硫高的钢，其热裂敏感性大。 |
图1 含硫量对钢在结晶温度附近的强度影响［1］ Fig.1 Strength of steel nearby crystallization temperature with S content 表2所示为含硫量与铸件热裂产生的关系。由表可知，含硫量高时铸件中形成热裂多。因此用稀土对钢冶炼时进行纯化处理，降低钢中含硫量是防止熔模铸钢件产生热裂的有效措施之一。 |
| 铸钢件热裂 | 含S量/% | |
| 碱性电炉钢 | 酸性平炉钢 | |
| 没 有 | 0.002～0.008 | 0.024 |
| 不 多 | 0.015～0.020 | 0.024 |
| 多 | 0.020～0.028 | 0.033 |
2.2 低温钢水红壳浇注 中碳钢在结晶温度附近的强度极限值很低，大约为0.5～2.0 MPa。图2所示为中碳钢结壳的强度极限与 |
图2 中碳钢结壳强度与其平均温度的关系［1］ Fig.2 Strength of forming shell for medium-carbon steel with average temperature 其平均温度的关系。提高浇注温度将降低凝固时结壳的强度。对于ZG35，当浇注温度由1 580 ℃降低到1 530 ℃,其在热裂危险期的结壳强度将提高31%，因而有利于防止热裂产生。但是降低浇注温度，特别是对于薄壁铸件，很容易产生冷隔、浇不足等缺陷，因此必须提高浇注时型壳的温度。一般对于水玻璃型壳希望浇注时型壳温度大于600 ℃，即要求红壳浇注。提高型壳温度到600 ℃以上还可以避开石英砂(粉)在573 ℃的β→α的相变膨胀(0.82%),并有利于内层型壳出现1 100 ℃以上的软化，从而减缓了型壳对铸件“弱点”的收缩阻碍。因此低温钢水红壳浇注是熔模铸件防止热裂产生的有效措施。 2.3 薄壁铸件采用扁宽浇口 随着熔模铸造的发展，熔模铸造薄壁铸钢件的品种、数量呈增长趋势。由于熔模铸钢件浇注系统设计长期以来采用以补缩为主的原则，薄壁铸钢件的内浇口厚度习惯上不小于薄壁件的壁厚，加上浇注温度较高，导致铸件浇注系统引入处局部过热而成为“弱点”。这些局部过热的“弱点”凝固收缩时，其四周的铸件薄壁本体已经凝固，因此过热的“弱点”的收缩受到铸件薄壁本体的牵制，收缩受阻，因而往往在铸件的内浇口附近出现热裂。避免这类热裂的方法就是将内浇口改为扁宽内浇口。内浇口厚度一般可取铸件壁厚的1/2。为了不降低浇注速度，避免局部过热，增强模组的装配强度，内浇口宽度比正常值增大1～2倍。扁宽内浇口有利于缓和浇注系统引入部位过热而防止热裂产生。图3所示为板手铸件的浇注系统设计方案。图3a为改进前的方案，该铸件在内浇口附近出现热裂。图3b将内浇口厚度减薄一半，宽度增宽一倍，热裂基本消除。3 h7 O( `, a8 V$ w" k6 { |
图3 板手精铸件浇注系统方案示意图% j# {( T, @# G* f7 n' B6 _ Fig.3 Scheme of the gating system for the investment casting of spanner 2.4 浇注金属应尽量均匀充填型腔，避免因浇注金属冲击型腔固定点后分流而形成“热点” 浇注金属进入型腔的流向、速度受内浇口的设置位置、大小、形状的限制。不合理地设计内浇口的设置点、大小、形状可以导致浇注金属冲击型壳某个部位，然后分流，使受冲击部位局部过热而成为“热点”，此“热点”也即是容易产生热裂的“弱点”。( `3 a% W& O2 C- E8 x, r; }% S! y$ b 图4所示拐臂精铸件由某厂携压型来我厂进行生产，原浇注系统设计如图所示有两个内浇口A和B,浇注金属液从B内浇口进入型腔后冲击型腔K处然后分流，使K处过热，导致铸件相应该处成为“弱点”而产生热裂。我们去掉了B内浇口，并适当增大内浇口A的长度后，此热裂随即消除。 |
图4 拐臂精铸件原内浇口方案及液流示意简图 Fig.4 Scheme of the former gate and liquid-flow forthe investment casting of corner-arm |
图5 铸件-内浇口-直浇道系统框形结构示意图 Fig.5 Scheme of frame structure forthe casting-gate-sprue system 2.6 设置防裂工艺肋 如果用户允许铸件结构改进，可以在易产生热裂的部位设置防裂工艺肋。防裂工艺肋不仅可以提高铸件热裂部位的强度，更主要是可起散热片作用，改善散热条件，也可使浇注金属合理分流，从而减缓“热点”集中程度，缓解热裂的产生。因此防裂工艺肋不宜厚，一般为相应部位壁厚的1/3左右，但为保证浇足，厚度应大于2 mm。图6所示为防裂工艺肋设置举例。如果用户不同意改变铸件结构，可以在铸件退火消除应力后去除工艺肋。 |
图6 防裂工艺肋设置举例# K( W% ], i% o4 g# {3 Z% i, v% c Fig.6 Exemple of technical rib for preventing hot tear 2.7 热裂的转移——自割浇口的应用 设计浇注系统时可以采用控制浇注系统各组元凝固速度的方法，让热裂转移到内浇口或工艺肋上。图7所示为热裂往内浇口上转移的设计实例。这类浇注系统称为自割浇口。自割浇口还能减少浇口切割工作量，特别是对于大型精铸铸钢件能大大减轻铸件清理、切割工作量，很有推广价值。 |
图7 自割浇口的设计结构示意图 k! j* X+ a7 V: c- A6 Q2 T Fig.7 Scheme of structure for the self-cut-gate 图7所示为自割浇口的设计结构示意。图中内浇口处设置了过热套4。过热套采用导热性差的耐火材料混合成水玻璃砂经硬化制成。制作蜡模时将过热套嵌在压型中，使过热套与蜡模成为一个整体，经制壳、脱蜡、焙烧后，过热套成为型壳的一部分。过热套的传热系数与型壳的传热系数之比应小于0.8。浇注后由于过热套导热性差、散热慢，而使内浇口的该部位成为“弱点”形成热裂而断裂。断裂后框形结构破坏，应力消失，起到热裂转移的目的。同时由于浇口自行断裂从而减少铸件清理、切割工作量。- E, n, U- C. }1 m 自割浇口的设计主要是计算Δ,l。其中Δ为过热套的厚度，要求 Δ≥Mg (1) 式中 Mg——内浇口的热模数，mm过热套的长度l可用下列公式计算［3］ (2) 式中 l——过热套长，mm, I* I. A p* t C L——内浇口长,mm1 g! _, g% k: s1 o A,K——钢在固相线附近的热裂敏感性系数，对于碳钢，分别取21.65 MPa和6.9 MPa σ0——型壳阻力系数，对于水玻璃型壳取0.05 MPa0 N/ N: x8 J: r' [ h——横浇道高，mm+ m9 F+ k$ G) H1 w a m——横浇道长,mm: ^$ {) X9 k [$ N' Z/ A s——横浇道截面积,mm2/ [0 Q) {) Y1 F- z; P 当将上述值代入后，得 (3) 3 结 论 (1) 热裂是由于在凝固过程中铸件的“弱点”(局部过热部位)收缩受阻，在应力达到其凝固结壳的高温极限强度时产生。 (2) 选择热裂敏感性小的铸造合金；采用低温钢水红壳浇注；薄壁铸件设计扁宽内浇口；避免浇注金属液冲击型腔固定部位而成为“热点”；尽量不采用框形结构浇注系统；设置防裂工艺肋等工艺措施，能有效防止熔模铸钢件的热裂产生。 (3) 自割浇口不仅可以转移热裂产生部位而避免铸件内形成热裂，而且可以大大减轻铸件清理、切割的工作量。 参 考 文 献1 Гуляев Б Б． Литейные Процессы． Ленинград：МАШГИЗ， 1960． 2 Рыжиков А А． Теоретические Основы Литейного Производства． Свердловск：МАШГИЗ， 1961． 3 Дружевский М А． Расчет Самопроизвольного Отделения Литниковой Системы． ЛИТ， 1993(7)：13～14 (编辑： 张振斌) |
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