鑄件熱裂
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-18
鑄件熱裂的實例教程
根據上述分析可見，影響鑄件形成熱裂的因素是多方面的。因此，當考慮防止熱裂的措施時，不能從單方面的影響因素著手解決，需結合具體情況進行綜合分析，從而采取相應辦法方可。
1、鑄件結構
鑄件結構設計不合理，往往是熱裂產生的原因之一。所以，在設計鑄件時應注意以下幾點：
a、兩截而相交處不要設計成直角拐彎，須設有圓角。圓角的形狀、大小視鑄件的交接情況確定。圖7舉例說明同一用途的兩種鑄鋼件結構。圖7（a）所示結構由于兩截面交接成一直角拐彎，形成了熱節，造成收縮應力易于此處集中和熱裂的形成。若改為圖7 (b)所示圓弧形結構后，熱裂即被消除。
b、盡量減小并分散熱節點，避免采用十字交叉的截面，在條件允許的情況下，應將交叉的截面錯開。圖8、9、10是各種連接形式的合理與不合理結構的對比實例。
c、必須在鋼件上采用不等厚度的截面時，應使鑄件各部分收縮時彼此不發生阻礙。例如手輪、齒輪等輪類鑄件除在轉角處做出圓角外，必要時可將輪輻做成彎曲狀見圖11。
2、鑄造工藝設計
a.液體金屬經過內澆口進入型腔后，靠近內澆口的鑄件冷卻較慢，形成鑄件上的薄弱區，因而較易產生熱裂。有時，鑄件收縮可能受到澆口阻礙而產生熱裂。尤其是為了使金屬液均勻澆入，應用復雜而且相連的澆口時，危險就更大。
如何比較合理地設置內澆口，可參照圖12、13、14所示的改進方式進行設置。
b、在壁厚不均勻的截面交接處，常常產生熱裂，為消防這類缺陷，經用戶同意可以在這些部位設置工藝筋(見圖15)。防裂工藝筋不僅可以提高鑄件熱裂部位的強度，更主要是能起散熱作用，從而減緩“熱點”集中程度，緩解熱裂的產生。
展開 根據上述分析可見，影響鑄件形成熱裂的因素是多方面的。因此，當考慮防止熱裂的措施時，不能從單方面的影響因素著手解決，需結合具體情況進行綜合分析，從而采取相應辦法方可。
1、鑄件結構
鑄件結構設計不合理，往往是熱裂產生的原因之一。所以，在設計鑄件時應注意以下幾點：
a、兩截而相交處不要設計成直角拐彎，須設有圓角。圓角的形狀、大小視鑄件的交接情況確定。圖7舉例說明同一用途的兩種鑄鋼件結構。圖7（a）所示結構由于兩截面交接成一直角拐彎，形成了熱節，造成收縮應力易于此處集中和熱裂的形成。若改為圖7 (b)所示圓弧形結構后，熱裂即被消除。
b、盡量減小并分散熱節點，避免采用十字交叉的截面，在條件允許的情況下，應將交叉的截面錯開。圖8、9、10是各種連接形式的合理與不合理結構的對比實例。
c、必須在鋼件上采用不等厚度的截面時，應使鑄件各部分收縮時彼此不發生阻礙。例如手輪、齒輪等輪類鑄件除在轉角處做出圓角外，必要時可將輪輻做成彎曲狀見圖11。
2、鑄造工藝設計
a.液體金屬經過內澆口進入型腔后，靠近內澆口的鑄件冷卻較慢，形成鑄件上的薄弱區，因而較易產生熱裂。有時，鑄件收縮可能受到澆口阻礙而產生熱裂。尤其是為了使金屬液均勻澆入，應用復雜而且相連的澆口時，危險就更大。
如何比較合理地設置內澆口，可參照圖12、13、14所示的改進方式進行設置。
b、在壁厚不均勻的截面交接處，常常產生熱裂，為消防這類缺陷，經用戶同意可以在這些部位設置工藝筋(見圖15)。防裂工藝筋不僅可以提高鑄件熱裂部位的強度，更主要是能起散熱作用，從而減緩“熱點”集中程度，緩解熱裂的產生。
展開 用樹脂砂生產薄壁、形狀復雜的鑄鋼件時，最容易產生的一種缺陷是熱裂?！ ? 造成熱裂的主要原因如下：
1、使用樹脂砂流動性好，易緊實;樹脂加入量少，砂粒上包覆的粘結劑膜薄，這樣砂粒受熱膨脹，砂芯、砂型的熱膨脹率會比水玻璃砂芯(型)高?！ ? 2、樹脂砂受熱后，在還原性氣氛下樹脂炭化結焦而形成堅硬的焦炭骨架，能提高砂芯熱強度(如1000℃時樹脂砂的抗壓強度是水玻璃砂的5"10倍)，嚴重阻礙砂芯(型)退讓。呋喃樹脂中糠醇的含量越高(氮含量越低)，鑄件的熱裂傾向越大，因為糠醇提高了樹脂的熱分解溫度，降低了樹脂的熱分解速度，從而降低了砂型或砂芯的潰散性，使砂型或砂芯更加阻礙鑄件收縮，造成鑄件熱裂傾向加重。由于鑄鋼凝固時液一固兩相區的區間較寬，因此呋喃樹脂砂鑄鋼時更易產生熱裂缺陷，尤其是框架結構件?！ ? 3、用呋喃樹脂砂時，采用對甲苯磺酸作催化劑會增硫，從而加大熱裂傾向性。高溫金屬凝固時產生的收縮受到砂芯(型)較大的阻力，使鑄件產生應力和變形，而合金表面增硫，又降低了抗熱裂的能力。當應力或變形超過合金在該溫度下的強度極限或變形能力時，就會形成熱裂。
為使樹脂砂，尤其呋喃樹脂砂避免或減少熱裂，可采取以下幾個方面的措施：
1、合金方面
(1)控制鑄件的含硫量，宜在0.03%以下，并且避免鑄件中出現Ⅱ型硫化物。(鑄鋼件中的硫化物呈三種形態，即Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，其中Ⅱ型的硫化物沿晶界分布，呈斷續狀，容易引起鑄件熱裂。)通過調整錳硫比來改變硫的分布型態。
(2)對于碳鋼件，應使S+P≤0.07%，因為硫與磷的疊加作用，使熱裂傾向性增加。
展開 用樹脂砂生產薄壁、形狀復雜的鑄鋼件時，最容易產生的一種缺陷是熱裂。
造成熱裂的主要原因如下：
1、使用樹脂砂流動性好，易緊實;樹脂加入量少，砂粒上包覆的粘結劑膜薄，這樣砂粒受熱膨脹，砂芯、砂型的熱膨脹率會比水玻璃砂芯(型)高?！ ? 2、樹脂砂受熱后，在還原性氣氛下樹脂炭化結焦而形成堅硬的焦炭骨架，能提高砂芯熱強度(如1000℃時樹脂砂的抗壓強度是水玻璃砂的5"10倍)，嚴重阻礙砂芯(型)退讓。呋喃樹脂中糠醇的含量越高(氮含量越低)，鑄件的熱裂傾向越大，因為糠醇提高了樹脂的熱分解溫度，降低了樹脂的熱分解速度，從而降低了砂型或砂芯的潰散性，使砂型或砂芯更加阻礙鑄件收縮，造成鑄件熱裂傾向加重。由于鑄鋼凝固時液一固兩相區的區間較寬，因此呋喃樹脂砂鑄鋼時更易產生熱裂缺陷，尤其是框架結構件?！ ? 3、用呋喃樹脂砂時，采用對甲苯磺酸作催化劑會增硫，從而加大熱裂傾向性。高溫金屬凝固時產生的收縮受到砂芯(型)較大的阻力，使鑄件產生應力和變形，而合金表面增硫，又降低了抗熱裂的能力。當應力或變形超過合金在該溫度下的強度極限或變形能力時，就會形成熱裂。
為使樹脂砂，尤其呋喃樹脂砂避免或減少熱裂，可采取以下幾個方面的措施：
1、合金方面
(1)控制鑄件的含硫量，宜在0.03%以下，并且避免鑄件中出現Ⅱ型硫化物。(鑄鋼件中的硫化物呈三種形態，即Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，其中Ⅱ型的硫化物沿晶界分布，呈斷續狀，容易引起鑄件熱裂。)通過調整錳硫比來改變硫的分布型態。
(2)對于碳鋼件，應使S+P≤0.07%，因為硫與磷的疊加作用，使熱裂傾向性增加。
展開 案例說明 ：利用 FLOW-3D 進行制程評估以及確認鑄件熱裂問題的產生
案例一、四圓柱棒鋼模
FLOW-3D 案例一設定
1. 非牛頓流體
2. 紊流模型（RNG k-epsilon model）
3. 隱式熱傳解（Implicit）
4. 從充型執行至固化結束
5. 充型時間約 35 秒
解決無法填滿模穴的方法 – 離心鑄造
旋轉速度設定：200 RPM
以 FLOW-3D 進行仿真
FLOW-3D 物理模型選擇：非慣性參考座標軸模型（Non-inertial reference model）
將旋轉角速度的影響施加于澆鑄過程中。
二、六圓柱棒澆鑄（熱裂問題評估）
問題描述：鑄件在固化過程中發生斷裂
固化過程中發生鑄件斷裂的問題檢討：
鑄造過程中造成的應力集中以及鑄件變形原因可能來自于：
固化過程中，模具限制了鑄件的收縮，而造成該區域斷裂
鑄件固化過程中鑄件各區域的溫度差異過大，造成熱應力集中斷裂
固液相轉換時發生嚴重的體積收縮，鑄件各個區域的收縮量不同造成鑄件斷裂
熱應力發生的原因：
鑄件中各個區域因為收縮量不同造成溫度差異
由于溫度的平衡影響，在這些區域開始造成應力集中
如果固化過程中應力超過鑄件材料固化時的拉伸應力，就會發生永久性的變形甚至是斷裂
FLOW-3D 案例二設定： 零速度場（僅做固化分析）、熱傳采用顯式解計算（Explicit）
結果顯示：（固化過程中之固化率分布，紅色代表固化率 = 100% 的區域）
結果：溫度差異最大的區域顯示
結論：
FLOW-3D 能夠精確的預測重力鑄造件充型的效果以及熱裂問題的預測。
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呋喃樹脂中糠醇的含量越高(氮含量越低)，鑄件的熱裂傾向越大，因為糠醇提高了樹脂的熱分解溫度，降低了樹脂的熱分解速度，從而降低了砂型或砂芯的潰散性，使砂型或砂芯更加阻礙鑄件收縮，造成鑄件熱裂傾向加重。由于鑄鋼凝固時液一固兩相區的區間較寬，因此呋喃樹脂砂鑄鋼時更易產生熱裂缺陷，尤其是框架結構件?！ ? 3、用呋喃樹脂砂時，采用對甲苯磺酸作催化劑會增硫，從而加大熱裂傾向性。
從合金性考慮，適宜采用定向凝固原則的鑄件，如果熱裂、變形成為主要生產矛盾時，也可采用同時凝固原則。
同時凝固的缺點：在鑄件中心區域容易形成縮松，鑄件致密性相對較差。
三、均衡凝固
鑄鐵鐵液在冷卻時要產生體積收縮，凝固過程中析出石墨又會產生膨脹，膨脹可以抵消一部分收縮。
以上是針對容易產生熱裂的碳鋼鑄件采取的措施，不銹鋼鑄件可參照進行，但澆注溫度需適當提高30-60℃左右。
呋喃樹脂中糠醇的含量越高(氮含量越低)，鑄件的熱裂傾向越大，因為糠醇提高了樹脂的熱分解溫度，降低了樹脂的熱分解速度，從而降低了砂型或砂芯的潰散性，使砂型或砂芯更加阻礙鑄件收縮，造成鑄件熱裂傾向加重。由于鑄鋼凝固時液一固兩相區的區間較寬，因此呋喃樹脂砂鑄鋼時更易產生熱裂缺陷，尤其是框架結構件。
3、用呋喃樹脂砂時，采用對甲苯磺酸作催化劑會增硫，從而加大熱裂傾向性。
這樣有利于鑄件在熱裂危險期的結殼強度提高。
c、當遇到壁厚不均勻的鑄件，鋼水的澆注溫度取1540℃ .型殼的溫度在400-500℃左右，但必須嚴格執行先快后慢的澆注方法。鑄件澆注后待鋼液凝固后，應將壁厚部分的型殼先清除，讓這部分先冷卻，以達到鑄件收縮均勻之目的。
涂料烘干開裂除了添加劑的強度和抗裂性不佳而不能克服烘干收縮力外，還有其他幾個因素值得注意：
① 骨料粉過細或不良成份過量(如鋁礬土生料等)
② 水浸潤后的骨料粉烘干時收縮率過大(如膨潤土)
③ 干燥溫度不穩定(如正面太陽曬，反而陰涼)
④ 涂料厚薄懸殊(如轉角處堆積很厚，而兩側直面很薄，有似于鑄件熱節縮裂)
⑤ 泡沫熟化不充分，烘干過程發生
（ 2）原砂－非石英質原砂
硅砂缺點：熱膨脹系數比較大，而且在573℃時會因相變而產生突然膨脹-----鑄件若裂；熱擴散率比較低；容易與鐵的氧化物起作用等。這些都會對鑄型與金屬的界面反應起不良影響。在生產高合金鋼鑄件或大型鑄鋼件時，使用硅砂配制的型砂，鑄件容易發生粘砂缺陷，使鑄件的清砂十分困難。
非石英質原砂是指礦物組成中不含或只含少量游離Si02的原砂。
鑄件熱裂位置預測
l 工藝參數及方案優化分析
NOVACAST 全面的仿真模擬系統，可進行鑄造工藝及模具結構的優化，包括：
澆鑄系統、排氣孔和溢流槽的位置及個數優化；
冒口的位置及大小優化；
冷鐵的布局優化；
模具冷卻及加熱管道布局方案優化；
鑄造工藝參數的優化，包括澆注溫度、壓力、活塞、速度等
鑄件熱裂位置預測
工藝參數及方案優化分析
NOVACAST 全面的仿真模擬系統，可進行鑄造工藝及模具結構的優化，包括：
● 澆鑄系統、排氣孔和溢流槽的位置及個數優化；
● 冒口的位置及大小優化；
● 冷鐵的布局優化；
● 模具冷卻及加熱管道布局方案優化；
● 鑄造工藝參數的優化，包括澆注溫度、壓力、活塞、速度等
澆冒系統設計方案優化
此外，半固態壓鑄成形還能有效減少鑄件的熱裂傾向。熱裂產生的根源是合金在凝固過程產生的內應力，半固態壓鑄成形技術，消除了枝晶搭接產生的內應力，同時減小合金收縮量，從而減小熱裂的發生傾向。
優質的半固態壓鑄成形件，由于內部沒有氣孔，鑄件可進行高溫熱處理，從而可進一步提升產能，且鑄件具有良好的可焊性。
