关于对铸坯的冷却及裂纹缺陷分析基础知识

分析铸造热裂缺陷形成的原因及改进对策铸造热裂缺陷是铸造过程中常见的一种缺陷形态，会对铸件的性能和质量造成重大影响。

为了解决这一问题，需要深入分析其成因，并制定改进对策。

本文将从铸造热裂缺陷的原因以及改进措施两个方面展开讨论，旨在为铸造工艺提升提供思路和指导。

一、铸造热裂缺陷的形成原因铸造热裂缺陷通常在铸件冷却过程中产生，以下是其形成的主要原因：1. 温度梯度引起的应力集中铸件冷却过程中，由于各部分温度变化不一致，会导致内部产生温度梯度，从而引起局部局部应力集中。

当材料的强度无法承受这种应力时，就会发生热裂缺陷。

2. 晶粒的收缩行为铸件在凝固过程中，晶粒会出现收缩。

若凝固过程中晶粒收缩不一致，就会引起内部应力的不平衡，从而产生热裂。

3. 液态膨胀引起的应力铸造过程中，液态金属体积较大，当其冷却凝固时，体积会缩小，引起内部应力。

若应力超过材料的承载能力，就会发生热裂缺陷。

二、改进对策为了解决铸造热裂缺陷问题，可以采取以下改进对策：1. 优化铸造工艺参数通过调整铸造温度、冷却速度以及铸件尺寸等参数，使得整个铸造过程中的温度分布更加均匀，减小温度梯度和晶粒收缩不一致性，从而减轻应力集中的程度，降低热裂的风险。

2. 控制液态膨胀行为合理控制铸造合金的成分，通过合金设计等方法来调整材料的液态膨胀行为。

降低材料在冷却凝固过程中产生的应力，减少热裂的概率。

3. 采用合适的铸型材料选择合适的铸型材料也是防止铸造热裂缺陷的关键。

材料的导热性能和热传导能力会影响铸件冷却的速度，因此在选择铸型材料时要充分考虑其导热性和热传导性能。

4. 进行合理的余热处理通过对已铸造完成的铸件进行合理的余热处理，使其内部温度均衡分布，减少应力集中和热裂的风险。

此外，适当的余热处理还能改善铸件的织构和力学性能。

5. 严格控制冷却速度合理控制冷却速度是防止铸造热裂缺陷的重要措施之一。

通过对冷却介质的选择以及冷却方式的优化，可以实现对冷却速度的有效控制，降低热裂的风险。

在所有的铸造缺陷中，对产品质量影响最大的是铸造裂纹，按照其特征可将其分为热裂纹和冷裂纹，它们是不允许存在的缺陷。

(1)热裂纹热裂纹是铸件在凝固末期或凝固结束后不久，铸件尚处于强度和塑性都很低的高温阶段，形成温度在1250~1450°C,因铸件固态收缩受阻而引起的裂纹。

热裂纹的主要特征有：•在晶界萌生并沿晶界扩展，形状粗细不均匀、曲折不规则；∙通常呈龟裂的网状；•裂纹的表面呈氧化色，无金属光泽，铸钢件裂纹表面呈近似黑色；•裂纹末端圆钝，两侧有明显的氧化和脱碳，有时有明显的疏松、夹杂、孔洞等缺陷。

按照热裂纹在铸件中的形成位置，又可将其分为外裂纹和内裂纹。

•在铸件表面可以看到的热裂纹为外裂纹，外裂纹常产生在铸件的拐角或局部凝固缓慢、容易产生应力集中的位置，其特征是：表面宽，心部窄，呈撕裂状，有时断口会贯穿整个铸件断面。

•内裂纹一般发生在铸件内部最后凝固的部位，其特征是：形状不规则，裂纹面常伴有树枝晶。

通常情况下，内裂纹不会延伸到铸件表面，内裂纹的一个典型例子是冒口切除后根部所显露的裂纹。

热裂纹的形成原因可归纳为：1.浇铸冷却过程中收缩应力过大;2.铸件在铸型中收缩受阻；3.铸件冷却不均匀；4.铸件结构设计不合理，存在几何尺寸突变；5.有害杂质在晶界富集；6.铸件表面与涂料之间产生了相互作用。

(2)冷裂纹冷裂纹是铸件凝固结束后继续冷却到室温的过程中，因铸件局部受到的拉应力大于铸件本体的破断强度而引起的开裂。

冷裂纹的主要特征有：L总是发生在承受拉应力的部位，特别是铸件形状、尺寸发生变化的应力集中部位；2.裂纹宽度均匀、细长，呈直线或折线状，穿晶扩展；3.裂纹面比较洁净、平整、细腻，有金属光泽或呈轻度氧化色；4.裂纹末端尖锐，裂纹两侧基本无氧化和脱碳，显微组织与基体的基本相同。

冷裂纹产生的原因，可归纳为：1.铸件结构系统设计不合理，铸件壁厚不均匀会导致铸造应力，有时会产生冷裂纹，刚性结构的铸件，由于其结构的阻碍，温度降低导致的收缩应力容易使铸件产生冷裂纹，薄壁大芯、壁薄均匀的铸件非常容易产生冷裂纹；2.浇冒口系统设计不合理，对于壁厚不均匀的铸件，如果内浇口设置在铸件的厚壁部分时，将使铸件厚壁部分的冷却速度更加缓慢，导致或加剧铸件各部分冷却速度的差别，增大了铸造热应力，容易使铸件产生冷裂纹，浇冒口位置设计不当时，也会直接阻碍铸件收缩，使铸件容易产生冷裂纹；3.型砂或型芯的强度太高，高温退让性差，或舂砂过紧，使铸件收缩受到阻碍，产生很大的拉应力，导致铸件产生冷裂纹；4.钢的化学成分不合格，有害元素磷含量过高，使钢的冷脆性增加，容易产生冷裂纹5.铸件开箱过早，落砂温度过高，或者在清砂时受到碰撞、挤压等都会引起铸件的开裂。

灰铸铁件损伤、冷裂、温裂、变形、金相不合格、过硬六大缺陷的防止方法灰铸铁件由于落砂清理、热处理时造成的主要缺陷及其原因分析与防止方法（1）损伤特征及发现方法:损坏了铸件的完整性用外观检查可以发现原因分析:1.在开箱、搬运或清理时不注意2.打浇、冒口的方向不对或冒口颈过大，造成带肉缺陷防止方法:1.认真按照工艺规程和要求操作2.正确掌握打浇、冒口的方向（2）冷裂特征及发现方法:1.薄壳零件落砂时被振裂，并违反操作规程2.采用水爆清砂时，热应力较大，当应力超过铸件某部分的抗拉强度时，应生冷裂防止方法:1.对易裂的薄壳零件，清理时应挑出，另行清理，并认真执行合理的操作规程2.根据铸件结构和性能特点，选用合理的清理方式和清理工其3.严格执行水爆工艺4.在运输和清理过程中，尽量减轻碰撞（3）温裂特征及发现方法:开裂处金属表皮氧化用外观检查，透光法，磁力探伤，打压试验，煤油渗透等方法发现原因分析:由于气割、焊接或热处理不当，温度应力大所引起防止方法:正确制订并认真执行合理的焊接、热处理规范和操作规程（4）变形特征及发现方法:长的或扁平类铸件在靠近壁厚的一方凹入成弯曲形用外观检查，划线等方法发现原因分析:在铸件冷却过程中，产生的铸造应力超过该材质的屈服极限时，则产生塑性变形和挠曲为减少和消除铸件的残留应力，可采用人工时效(即退火热处理)，若热处理规范不正确，仍会产生变形和挠曲防止方法:1.改变热处理规范，使其合理，并认真执行2.延长开箱时间或把刚落砂的铸件送入保温炉中保温，并随炉缓慢冷却（5）金相不合格特征及发现方法:铸件断面的粗视组织和显微组织不符合标准或技术条件用断面观察，金相检验可以发现原因分析:1.开箱时间不当2.热处理规范不正确防止方法:1.按技术要求，合理控制铸件的开箱时间2.改变热处理规范，使其合理，并认真执行（6）过硬特征及发现方法:在铸件边缘和薄璧处出现白口铁组织断面观察，硬度试验，机械加工可以发现原因分析:开箱时间过早防止方法:适当延长开箱时间或在退火炉中缓慢降温。

分析铸造热裂缺陷形成的机理及改进措施铸造热裂缺陷是铸造过程中常见的一种缺陷，它对铸件的质量和性能产生严重的影响。

了解和分析铸造热裂缺陷形成的机理，并采取适当的改进措施，对于提高铸件的质量和性能具有重要意义。

一、铸造热裂缺陷的机理分析铸造热裂缺陷的形成主要与铸造过程中的温度变化和应力积累有关。

具体的机理可以从以下几个方面进行分析：1. 温度梯度引起的热应力在铸造过程中，液态金属流注入型腔中后，由于型腔的温度梯度不均匀，会导致金属在冷却过程中产生温度梯度，从而引起不均匀的热收缩和热应力的积累。

当应力达到材料的承载极限时，就会发生裂纹的形成。

2. 金属的热固性和热收缩不匹配不同金属具有不同的热膨胀系数和热收缩系数，当金属与型腔或其他部件接触时，由于温度变化而引起的热收缩不匹配，也会导致热应力的产生。

3. 相变引起的应力集中在铸造过程中，液态金属在冷却过程中会发生相变，如固态化、固相转变等。

这些相变对金属的体积变化和应力产生有着重要影响。

当相变速率较快时，容易引起应力集中，从而形成裂纹。

二、改进措施为了减少铸造热裂缺陷的发生，可以采取以下改进措施：1. 控制铸造温度和温度梯度合理控制铸造过程中的温度和温度梯度对于减少热应力的产生具有重要作用。

可以通过调整浇注温度、冷却速度等参数来控制温度梯度的变化，减少热应力的积累。

2. 选择合适的金属材料选择具有匹配热膨胀系数和热收缩系数的金属材料，可以减少热收缩不匹配引起的应力积累。

同时，还应选择具有较好耐热性能的材料，以降低温度梯度引起的热应力。

3. 优化铸造工艺合理设计铸造工艺，采用预热、降温等措施，可以有效降低热应力的产生。

此外，还应注意避免温度梯度过大的情况，避免铸件过厚或形状复杂等导致热应力增加的问题。

4. 消除应力集中点铸造热裂缺陷的形成与应力集中有关，因此，要尽量消除或减少应力集中点。

对于已经存在的应力集中点，可以采取修补、改进设计等方式进行处理，以减少裂纹的产生。

连铸坯在凝固过程中形成裂纹的原因随着市场竞争的日趋激烈，产品的质量已经成为占有市场的主要砝码，连铸坯作为炼钢厂的终端产品，其质量直接影响着轧材单位的产量和轧材质量，据统计炼钢厂连铸坯质量缺陷中约７０％为连铸坯裂纹，连铸坯裂纹成为影响连铸坯产量和质量的重要缺陷之一，下面将对铸坯在凝固过程中裂纹的形成做简要分析：一、铸坯凝固过程的形成铸坯在连铸机内的凝固可看成是一个液相穴很长的钢锭，而凝固是沿液相穴的固液界面在液固相温度区间把液体转变为固体把潜热释放出来的过程。

在固液界面间刚凝固的晶体强度和塑性都非常小，当作用于凝固壳的热应力、鼓肚力、矫直力、摩擦力、机械力等外力超过所允许的外力值时，在固液界面就产生裂纹，这就形成了铸坯内部裂纹。

而已凝固的坯壳在二冷区接受强制冷却，由于铸坯线收缩，温度的不均匀性，坯壳鼓肚、导向段对弧形不准，固相变引起质点如（ＡｌＮ）在晶界的沉淀等，容易使外壳受到外力和热负荷间歇式的突变，从而产生裂纹就是表面裂纹。

二、连铸坯裂纹形态和影响因素连铸坯裂纹形态分为表面裂纹和内部裂纹，表面裂纹有纵向、横向角部裂纹、表面横裂和纵裂、网状裂纹和凹陷等，内部裂纹有中间、中心和矫直裂纹等。

连铸坯裂纹的影响因素：连铸坯表面裂纹主要决定于钢水在结晶器的凝固过程，它是受结晶器传热、振动、润滑、钢水流动和液面稳定性所制约的，铸坯内部裂纹主要决定于二冷区凝固冷却过程和铸坯支撑系统（导向段）的对弧准确性。

铸坯凝固过程坯壳形成裂纹，从工艺设备和钢凝固特性来考虑影响裂纹形成的因素可分为：１、连铸机设备状态方面有：１）结晶器冷却不均匀２）结晶器角部形状不当。

３）结晶器锥度不合适。

４）结晶器振动不良。

５）二冷水分布不均匀（如喷淋管变形、喷咀堵塞等）。

６）支承辊对弧不准和变形。

２、工艺参数控制方面有：１）化学成份控制不良（如Ｃ、Ｍｎ／Ｓ）。

２）钢水过热度高。

３）结晶器液面波动太大。

４）保护渣性能不良。

５）水口扩径。

６）二次冷却水分配不良，铸坯表面温度回升过大。

关于对铸坯的冷却及裂纹缺陷分析在铜液温度和铸造速度一定时，冷却强度对铸坯组织起决定性作用。

一般情况下，冷却速度小，有利于粗等轴晶和柱状晶的生长，当冷却速度较大时，则有利于细等轴晶和细柱状晶的生长。

冷却强度以锭坯拉出时表面呈暗红色不开裂为好。

一次水压过高会导致结晶区往炉口方向移动，易于拉裂；水压过低则容易拉漏。

二次冷却的作用是促进轴向凝固，使液穴浅而平，以获得致密的铸锭组织，二次冷却强度越大，液穴越浅平，越有利于轴向凝固，铸锭组织越致密。

1.浇铸温度紫铜熔点l 085℃。

紫铜生产多采用40—80℃的过热度或取液相点1．05—1．1倍作为浇铸温度。

紫铜水平连铸的铸造温度应选择1 135—1 170℃之间，铸造开始时将温度升高到上限有利于铜液粘结在引锭头上不会拉漏。

当引锭头离开结晶器后打开二次冷却水。

立即加料降温，将浇铸温度控制在1140℃为宜，并保持连续铸造过程温度稳定。

2.浇铸速度金属铜凝固时间其断面存在3个区域：固相区、凝固区、液相区，许多缺陷都是在凝固区内形成，所以凝固区的宽度对管坯的质量影响很大，由于不同的拉铸速度会改变铸锭断面的温度梯度大小，这是浇铸速度作为水平连铸的一个重要工艺制度的主要原因。

由于不同拉速，其产生的液穴也不相同，管坯的液穴深度与铸造速度成正比，随着铸造速度的增加，液穴深度加大，当液穴深度过大时，管坯内部处于液态。

外表面管坯已进入一次冷却区域，大的冷却强度使管坯处于强烈的线收缩状态。

根据铸造强度理论，紫铜在线收缩开始温度到平衡固相点之间的有效结晶温度范围内，强度与塑性最低，在铸造应力作用下产裂纹。

这就解释了在高铸造速度下容易产生管坯裂纹。

3.冷却强度冷却强度指管坯周围的介质(冷却水)在单位时间内导出的热量(传热速度)。

冷却强度越大，管坯断面的温度梯度越大，管坯的凝固速度越快，水平连铸管坯的冷却强度主要取决于冷却水的用量与水压。

由于管坯在结晶器内的一次冷却导出总热量的15—20％，其余热量由二次冷却导出，一次冷却作用使管坯成型并有足够厚度的凝壳能抵抗铜液的静压力、铸锭与结晶器间的摩擦力和凝固的收缩力，使铸造管坯不会变形与开裂。