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树脂砂铸钢件热裂缺陷的预防及控制措施

2025-09-15 09:27
热裂是使用树脂砂(尤其是呋喃树脂砂)生产薄壁、形状复杂的铸钢件时普遍存在的缺陷。该问题的产生是合金成分、铸造工艺、造型材料、铸件结构等多种因素共同作用的结果。为了有效避免或减少热裂的产生,需要采取有针对性、多维度的预防措施。以下是核心解决方案的详细分析:
1. 合金成分优化:从源头上解决热裂风险
合金的化学成分直接决定钢水的高温力学性能和凝固特性,是控制热裂纹的关键因素。关键措施包括:
  • 严格控制硫含量和硫化物形态:保持铸件中硫含量低于0.03%并防止Ⅱ型硫化物的形成。在铸钢件中,硫化物以三种形态存在:Ⅰ型(球状,无害)、Ⅱ型(沿晶界呈不连续分布,易诱发裂纹)和Ⅲ型(条状,低风险)。调整锰硫比(Mn/S)有助于形成球形的Ⅰ型硫化物,最大限度地减少Ⅱ型硫化物的生成。

  • 限制硫和磷的协同效应:对于碳钢铸件,确保硫+磷≤0.07%磷会显著降低钢的高温塑性,而磷与硫的结合则会增大热裂风险,因此需要同时控制这两种元素。

  • 控制残留铝含量:使用铝进行脱氧时,请保持残余铝(Al_residual)≤0.1%过多的残留铝会导致Al₂S₃或AlN的形成,使钢中出现岩石状断裂,大大降低铸件的抗热裂性能。

  • 细化晶粒以增强抗裂性: 添加稀土+钙硅复合孕育剂被添加到钢水中。这不仅起到脱氧、脱硫的作用,而且还通过异质形核细化晶粒。对NiCrMoV钢的试验表明,经过稀土+钙硅处理的钢水表现出抗裂性能提高两倍以上与未经处理的钢相比,细化晶粒可分散收缩应力并减少晶间开裂。

2. 铸造工艺改进:降低凝固过程中的应力集中
铸造参数直接影响钢水的充型和凝固速度。在保证充型良好的前提下,优化参数对于降低收缩应力至关重要:
  • 降低浇注温度:在保证铸件完全充型的前提下,尽量降低钢水浇注温度。对于含碳量为0.19%的碳钢,在1550°C时的抗热裂性能接近双倍的浇注温度过高,会延长凝固时间,增加铸件在高温脆性区的停留时间,增大铸件与铸型间的温差,使收缩应力增大。

  • 提高薄壁铸件的浇注速度:对于薄壁铸件(例如,125kg重、壁厚15mm的铸钢件),需要较高的浇注速度,以避免凝固过程中温度梯度过大而产生裂纹。试验表明,当浇注时间控制在14秒时,没有出现热裂纹,而当延长至40秒时,会出现明显的裂纹。

  • 安装防裂筋:在易开裂区域(例如壁厚过渡处、转角处)添加防裂筋。这些筋可以转移和分散应力,是防止热裂的直接有效方法。

  • 及时开模:铸件凝固后及时打开砂型,解除铸件的约束,减少收缩受限产生的内应力,降低热裂风险。

3. 成型材料优化:增强模具的高温缓冲性能
树脂砂的高温性能(如缓冲、膨胀、渗硫等)对热裂影响较大。改进措施应侧重于材料选择和改性:
  • 提高树脂的高温性能:减少树脂用量或修改呋喃树脂以保持热塑性在高温下,尽量减少焦化(焦化会使模具变硬变脆,没有缓冲作用)。这确保模具为铸造收缩提供足够的空间。

  • 增强模具缓冲:在呋喃树脂砂中添加木粉或泡沫珠等添加剂,或在铸件收缩最受限制的区域放置塑料垫块,以提高模具在高温下的压缩性。使用空心砂芯减少砂芯(铸型)厚度,减少铸型对铸件的约束。例如,某阀门铸件的热裂纹问题,通过减少芯砂厚度和改进芯框连接,就完全消除了。

  • 避免硫渗透引起的微裂纹: 使用磷酸固化剂避免使用磺酸类固化剂。磺酸类固化剂容易导致硫渗透到铸件表面,形成微裂纹(裂纹萌生点),而磷酸类固化剂可以有效防止硫渗透。此外,在模具表面使用防硫涂层,可以阻止硫渗入铸件。

  • 选择低膨胀成型材料:用低膨胀材料代替石英砂(高温下体积膨胀率高,易对铸件产生压应力),例如铬铁矿砂减少模具膨胀对铸件的约束。

  • 适当采取冷却措施:在易产生裂纹的部位设置激冷器或其他激冷方式,调整铸件的凝固顺序,避免局部区域凝固缓慢而产生集中应力。

4. 铸件结构优化:降低设计中的应力风险
铸件结构由设计师确定,但可以与设计部门协商调整细节,以降低铸造工艺难度:
  • 扩大圆角:避免尖角(易引起应力集中,是热裂的高危区域)。将直角或小圆角改为R≥3mm的圆角。

  • 优化壁厚过渡:避免壁厚突变(例如,从厚壁到薄壁的阶梯状过渡)。采用渐进式过渡结构,以减少因厚度差异引起的凝固速度不均匀,并降低应力集中。


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