防止曲柄齿轮铸件裂纹的措施

第四章　裂纹、冷隔类缺陷

GB/T 5611—1998中，裂纹、冷隔类缺陷包括冷裂、热裂、缩裂（收缩裂纹）、热处理裂纹、网状裂纹（龟裂）、白点（发裂）、冷隔、浇注断流和重皮等9类。

第一节　裂纹、冷隔类缺陷的产生机理和防治理论

这里只对裂纹、冷隔类缺陷中几种难以防治的缺陷进行重点介绍。

一、断裂缺陷

铸件断裂缺陷指铸件因受机械作用或搬运不慎而造成的缺陷。

造成这种缺陷的原因可能在以下方面。

1. 铸件和模样设计

（1）截面不规则，如骤厚骤薄或骤然凸起。这类铸件在落砂和清理工段搬运时要倍加小心。铸件中的薄弱截面，在正火与退火之前，就有形成热应力的趋势。截面不规则处，也最容易产生补缩不良。

（2）内圆角太小。因为尖角部位在热处理前最容易形成冷却应力。

（3）未设置加强筋和拉筋。在铸件设计较差易于产生断裂的薄弱部位，未设置加强筋和拉筋，常会造成铸件断裂。

2. 模样

在浇口和冒口上未设置合理的缩颈时，就会对铸件本身产生过大的应力。因此，工艺设计上的任何差错，对于造成铸件缺陷影响很大。

3. 砂箱及其准备

（1）箱带距冒口或直浇道过近，会阻碍铸件的正常收缩，这样就会产生内应力。如果这一内应力没有造成热裂，那么内应力就很可能尚未消失。这样，若搬运不慎（包括落砂），就会导致铸件冷裂或断裂。

（2）箱带伸进铸件空腔过深，会阻碍型砂正常溃散，同样会在铸件中造成类似上述的应力。

4. 浇冒口系统

（1）内圆角倒角不够。在浇注系统中若内圆角倒角不够，则在敲掉浇冒时，会使内浇口或冒口断在铸件一侧。

（2）防裂筋和拉筋置放不当。若防裂筋和拉筋做得过大，则在将其除去时，难免把铸件打裂；若做得过小，又难以防止在铸件中产生应力。

（3）浇注系统设计不良，会导致铸件产生应力。通常的错误是忽视同时凝固的一般原则，结果在薄截面处产生应力或变形。

5. 型砂

虽然铸件的这类缺陷是因搬运不慎而造成的，但是还有许多因素会使铸件产生应力异常，从而使铸件变得十分脆弱。

（1）型砂的高温强度或干强度过高，造成溃散性不良。型砂的溃散性不良会在铸件中形成冷却应力，这样，铸件就会产生断缺或开裂。造成型砂温度强度和干强度过高的原因，是型砂中含有过量的沥青、水分、细砂、黏土或黏结剂。

（2）型砂中含有烧结点低的物质（熔剂）。这会使砂型变得异常坚硬，从而阻碍其正常的溃散。

（3）型砂的高温强度高，而退让性又低，这儿会增加铸件中的冷却应力。要是型砂具有足够的高温退让性，那么，即使高温强度高一点儿，一般也是允许的。例如，砂型紧实度过高，则砂型的高温强度会远比其高温退让性增加得快。这一因素减少了型壁的位移，对那些设计欠佳的铸件，则可能会在铸件中造成预应力。

6. 制芯

（1）芯砂的高温强度或干强度过高，造成砂芯溃散性差。这可能是由于芯砂中含有过量的沥青、水分、细砂、黏土或黏结剂所致。

（2）砂芯的高温退让性差而溃散性又不好，这会进一步使问题复杂化。更换黏结剂品种，会改变铸件产生裂纹的倾向。

（3）芯棒、芯骨等距芯表面过近。这将妨碍局部砂芯的溃散，并且在铸件冷却过程中产生局部应力。

（4）砂芯加固过度，会妨碍砂芯的正常溃散，并且在铸件中造成冷却应力。

7. 造型

（1）砂型舂实过度，会妨碍砂型的正常溃散，或者在砂型高温退让性没有得到相应提高的情况下，造成高温强度不适宜地增高。

（2）铁棒、骨架和砂钩距型面过近，将造成如同制芯（3）所阐述的结果。

（3）冒口或直浇道距箱带过近，其后果见砂箱及其准备（1）。

（4）修型时刷水或（用海绵球）蘸水过多，会在砂型的局部区域造成高温强度或干强度过高，如型砂（1）所述。

（5）冷铁使用不当或激冷过度，局部（受激冷）区域冷却过快，容易在铸件中造成内应力。

8. 金属成分

金属成分是产生铸件断缺或开裂缺陷的一个因素，因为金属中产生内应力倾向的大小与其成分有关。某些金属对截面尺寸或冷却速度极为敏感，对于结构设计不良的铸件，采用这类金属是很容易造成铸件断缺的。

（1）铸件成分差误。如前所述，这可能是铸件产生这类缺陷的原因之一。然而，因判断不准，不恰当地改变铸件成分，将进一步增加在金属中造成应力的倾向。成分的差误会降低合金的强度，这样，即使是正常的应力也会使铸件产生断裂。

（2）金属收缩率过高。可能是熔化操作不正确，如炉内气氛不当所致。

9. 熔化

（1）碳化物稳定剂加入量过多，促使金属收缩率增高（特别对灰铸铁），尤其在截面不均匀处会造成很大的内应力，应力大的很容易断裂。

（2）收缩率太高的金属会引起许多铸造缺陷。

10. 浇注

浇注温度过低影响砂型和砂芯的正常溃散，这可能是熔化操作不当或熔融金属在浇注时温度下降所致。

11. 其他

由于断裂问题仅与铸件受力不当或搬运不慎有关，那么管理不良、操作疏忽或操作人员缺乏责任心，就是造成此类缺陷的主要原因。

（1）落砂过早或过猛。落砂过猛可能是因设备有问题或者是铸件在落砂格栅上停留时间太长所致。

（2）搬运和操作不慎。包括：铸件在搬运时跌落、将铸件向装运箱内扔摔，把厚实的铸件抛在轻薄的铸件上或在校正和去除毛刺时粗心大意。

（3）在清理滚筒中铸件装填不当。在滚筒和其他类似的机械清理设备中，有可能因铸件相互碰撞而造成铸件断裂。

（4）用抛丸滚筒清理铸件或把厚实铸件和轻薄铸件在同一滚筒内清理，厚实铸件就会铁锤似的砸在轻薄铸件上，这些轻薄铸件即使不被砸断也会产生裂纹。

（6）不正确地堆置或叠放铸件，会在复杂的或薄弱的铸件中造成过高的应力，铸件在垫板上捆扎过紧，会使薄壁或复杂的铸件发生断裂。

若熔模铸件发生断裂问题，防止的措施如下。

①严格控制脱氧剂（铝）的加入量，通常不得超过钢液重量的0.1%，且脱氧时应尽可能使铝在钢液中均匀分布。

②用洁净的炉料，提高炉衬质量，以防止硫、硼及其他有害杂质混入钢液。钢液中含硼量一般不得超过0.005%。

③严格熔炼工艺，防止钢液严重过热。

二、热裂缺陷

在实际生产中，两种相类似的缺陷往往难以分辨，热裂和缩裂属于这种情况。热裂是在金属处于凝固或半凝固的状态下发生的，因此，断口的颜色是区分热裂和缩裂的重要线索。由于金属此时具有足够的热量，因此出现那种有代表性的氧化色。不过，缩裂的断口有时也会显示出这种色彩。

有些时候，热裂和缩裂极其相似，人们只能在所采取的措施取得成效之后，才能确定该缺陷属于哪一种，若还有疑问，则反复考虑产生这两种缺陷的各种可能性，以免再次搞错；有些时候，这两种裂纹又如上所述的那样，有明显的差别。

热裂缺陷产生的因素可能有以下几个方面。

1. 铸件和模样设计

（1）内圆角大小不当，是铸件产生热裂纹最普遍的原因，因为铸件在冷却时尖角处会产生很大的应力。在内圆角小的部位，即使补缩良好不出现缩裂，也会产生热裂。要消除缩裂，一般采取的解决措施就是加大内圆角。

（2）截面骤然改变，导致冷却速度快慢不一。铸件截面骤然改变，即使补缩良好也能造成应力，使铸件在凝固后出现裂口或裂纹。对铸件截面而言，内浇口截面太大或数量太少，会形成热节而导致热裂。在这种情况下，热节所起的作用就像截面骤然改变一样，因此就有必要分散设置较小的内浇口。

（3）具有T型连接的槽型或工字形截面的铸件，在连接处的砂型会阻碍金属液的正常凝固。因而在冷却过程中，型壁阻碍铸件正常收缩，从而产生很高的内应力，这种铸铁结构很常见，通常在内圆角处置放冷铁，或采用特殊的造型方法，例如，将U型或槽型截面两壁之间的砂型或砂芯挖空或减薄。

2. 模样

（1）内圆角大小不当。如果只在箱型截面内侧做出圆弧，而其外侧交角是尖角，这样更容易产生热裂。解决的办法是把铸件模样的外壁改为斜行或把拐角修圆。

（2）防裂筋与拉筋的位置不正确。若因防裂筋或拉筋过小、过大或位置不当，都会产生热裂。防裂筋过大，会像冷铁那样引起内应力；防裂筋过小，通常会把凹陷处的砂型撕裂，这是由于防裂筋的强度不够，承受不了应变产生的力量。拉筋应大致等于铸件的壁厚，并做出内圆角，以防止产生热裂。

3. 砂型及其准备

（1）箱带距冒口和直浇道过近。铸件是一部分，由于不能正常或自由地膨胀或收缩，就会在铸件中形成很高的内应力，不论受拉应力或受压应力，均能产生热裂。因此，箱带或其他物体，在冷却时阻碍了冒口或直浇道的正常移动，就会出现严重的热裂问题。如果直浇道和冒口妨碍铸件收缩，就会使铸件的不同截面受到扭转。

（2）箱带深入吊砂以致该处的型砂不能溃散，典型的热裂问题就随之发生。这些箱带顶住紧靠箱带处的铸件，在这种情况下，应采用砂钩或固砂木片来固定吊砂，这样就不会阻挠正常的收缩。

4. 浇冒口系统

（1）直浇道或冒口距箱带过近，在冷却时会妨碍铸件的正常膨胀或收缩。如果箱带的位置不能移动，则可适当移动直浇道和冒口，以消除这种常见的缺陷。

（2）内浇口、冒口和横浇道设置不当，使铸件不能正常收缩。有许多情况会使浇注系统妨碍铸件正常收缩，并在铸件内部产生应力。显然，这必将在铸件原来应力就已很高的拐角部位和截面变化处出现热裂。

5. 砂型

（1）由于砂型的高温温度或干强度过高而导致的溃散性不良。对铸件结构或金属成分容易产生内应力的铸件，如果砂型阻碍其收缩变形，将会使铸件更容易产生热裂缺陷。然而，对砂型进行大的改变，必须谨慎行事，以免发生铸件补缩方面或尺寸增大等缺陷。这就是消除缩裂与消除热裂的根本区别所在。砂型紧实度低一些或许能减轻热裂，但很可能会加重缩裂，出现此消彼长的问题。因此，在消除热裂缺陷时，很重要的一点就是要搞明白要怎么才能防止产生缩裂。

砂型的高温强度过高，高温退让性和干强度过低，是人们最关心的性能，这些性能与型砂的成分及型砂紧实度有关。砂型的这些性能，一般受黏结剂的品种、加入量以及水分含量所制约。水分过多，高温强度和干强度则往往偏高。砂型中如加入沥青，则由于沥青的增多会导致砂型溃散性降低。细砂、石英粉，甚至黏土，如加入量过多，都会使高温强度和干强度过高。正确选择黏结剂，是一种最简便的消除缺陷的措施，例如，可将水分控制在合适的范围内。

（2）砂型中有熔点低的物质，熔点低的物质烧结成硅酸盐物质后，容易引起铸件产生热裂，并对控制型壁位移、预防缩裂无益。硅酸钠（水玻璃）和造渣材料，都容易形成这种熔点低、对黑色金属铸件有害的熔融物。有色金属因浇注温度低，通常不能产生这种硅酸盐物质，除非这种熔融物质含量非常大。

（3）砂型的高温强度大，而退让性又差。如果铸件的结构容易导致产生热裂，则当该铸件冷却时，砂型必须具有一定的退让能力。与其降低砂型的紧实度，还不如减少水分、黏结剂。也有例外的情况，例如铸钢件离心铸造时，反而希望能提高型砂的高温强度和膨胀性能。

用酚醛树脂和水玻璃作黏结剂的薄壳砂芯具有良好的退让性。用黏土和水玻璃的干态实芯退让性较差。在砂芯中加入细木屑，采用有机化合物作黏结剂，或在粗大的砂芯中放置焦炭、炉渣等，均可提高砂芯的退让性。

6. 制芯

（1）芯砂的高温强度或干强度过高而导致砂芯的溃散性不良。溃散性不良对砂芯的影响同对砂型的影响大致相同。黏结剂不同，其溃散性也不同，例如，尿素树脂砂芯就比酚醛树脂砂芯更容易溃散。

（2）砂芯的溃散性和高温退让性都差。砂芯所用的黏结剂可能在高温时不具有退让性，某些油类黏结剂的退让性较差，但是可改变烘烤周期来加以调整。

烘烤过度的砂芯，其残余高温强度可能比未烘透的砂芯还高。事实上，砂芯在被烤干之前，其高温强度随烘烤时间和烘烤温度的增长而提高。所以，如果砂型中未烘透的砂芯在浇注后继续受到烘烤，砂芯的高温强度和刚性都会提高，因而，未烘透的砂芯也会引起热裂缺陷。

（3）芯棒、芯骨等距砂芯表面过近。

（4）砂芯加固过度。由于在砂芯中放置铁丝、芯棒和芯骨，妨碍其正常溃散，因而常产生来自砂芯的机械阻力问题。加固物过多或放置不当，会阻碍铸件的正常收缩。对于大砂芯，解决这类问题的办法是在砂芯中填塞焦炭。壳芯就因为是空心的而容易溃散，但是如果操作不当（壳芯的某些截面成了实心的），铸件则照样会产生热裂缺陷。

在金属型中，型芯的溃散性问题显得格外重要，因为铸型是刚性的，铸件的收缩全靠型芯来承受。这时，若不及时将型芯抽出，就会使铸件产生裂缝。

7. 造型

（1）砂型舂实过硬。由于热裂和砂型的高温强度和干强度有关，砂型的干强度随其硬度增加而提高，而且在水分高时砂型的干强度提高得尤其迅速。因此，水分高的型砂舂得过硬更容易产生缺陷。在许多情况下，将砂型舂得松一点儿，既可以抑制热裂而又可不引起缩裂。例如，砂型硬度在HB85～90，可以保证不发生型壁位移，当硬度高达HB90～98时，就有产生热裂的危险。

（2）铁棍、骨架、砂钩等距型面过近。铁棍、砂钩和固砂木片常是获得优良砂型必不可少的。但它们放置的位置必须正确，以使铸件能正常地收缩。

（3）冒口和直浇道距箱带过近。

（4）刷水或蘸水过多。由于砂型中水分过高是产生热裂的主要原因，所以喷、刷涂料（水基）过多也会产生同样的问题。

（5）没有安放能防止热裂的冷铁。

8. 金属成分

某些金属产生热裂的倾向较另一些金属要大得多，含有收缩率特高的金属，对铸件产生热裂的影响比铸型或铸件结构这两个因素要大得多。铸造合金的化学成分和结晶特点，对热裂有明显的影响。结晶温度范围愈小，凝固收缩量愈小，铸件内产生的应力愈小，合金形成热裂的倾向就愈小，反之则大。

凡是能扩大结晶温度范围的杂质，都能促使热裂倾向增大。硫在钢中能形成低熔点共晶，熔点985℃，使固相线下移很多，扩大了结晶温度范围，使钢易产生热裂。磷也有与硫相同的作用。故在熔化铸钢时，要严格控制硫、磷的含量，可以减小钢的热裂倾向。在钢中加入0.1%～0.6%的硅能提高钢的抗裂性。对碳钢及合金钢进行微合金化或变质处理，可提高铸钢件的抗裂能力。如加入0.3%以下的稀土元素；在20钢中加入微量矾；在35钢中加入2%粒度为0.1mm的铁粉；高锰钢件浇注时加入2%锰铁粉，都可提高其抗热裂性能。

9. 熔化和浇注

加料疏忽造成金属成分差错。成分对某些合金非常重要，所以熔化时必须保证正确的成分。加料、称料不慎或炉气控制不当，是影响成分不准的主要因素。黑色金属进行包内孕育或变质处理，有可能因碳化物析出过多而产生热裂的危险。

浇注工艺是指浇注温度和浇注速度。铸件浇注温度太低，使砂型（砂芯）达不到正常的溃散速度。浇注温度应有一定的范围，尤其对那些热裂倾向大的金属。浇注温度太低，则不能将型砂或砂芯中的黏结剂烧掉，以使其适度溃散。另一方面，若浇注温度太高，则会在截面不均匀的铸件中构成较大的温度梯度。薄壁件要高温快浇，这样既可保证流动性，还可延缓凝固速度，延长高温对铸型的作用时间，从而增加铸型的退让性，有利于防止热裂；厚壁件要低温慢浇，以免因缩孔等原因促使铸件产生内热裂。

10. 其他

温度梯度引起的内应力。铸件浇注后的处置方式，对冷却应力或温度梯度的形成有重大影响，最明显的情况是落砂过早或在内圆角和截面交接处等部位的冷却过快。猛烈地或过早地挪动舂得不实的砂型，如放置在铸型输送器上的砂型，都可能造成热裂缺陷。

对于熔模铸造来说，影响熔模铸件热裂的因素很多，其中以合金特性、铸件结构和熔模铸造工艺的影响尤为显著。

合金形成热裂的温度范围亦称为有效凝固温度范围。这温度范围越大，则形成热裂的倾向性也就越大。凡扩大有效凝固温度范围、削弱合金高温强度与伸长率的元素都会促进热裂，如钢中含硫、磷量增加，均促进热裂。

铸件壁厚差大，连接处又为尖角则易在交接处产生热裂。

就熔模铸造工艺因素方面如何防止铸件热裂有以下几点。

（1）正确设计浇注系统。浇注系统，特别是内浇道位置对铸件凝固时的温度分布影响很大。通常熔模铸钢件内浇道设置在铸件厚实的热节处，这对热节处补缩固然有利，但加大了铸件厚实处与薄处的温差，增大了铸件热应力，使热裂倾向增大。另外，对于形状复杂、壁厚不均匀的铸件，因有较多孤立的热节，为保证补缩，往往需设置多个内浇道，浇注系统较复杂，造成铸件线收缩受阻，增加铸件产生热裂的倾向。

为减少热裂倾向，在设置浇注系统时，既要考虑到铸件厚大部位的补缩，又要考虑件厚薄部分的热平衡，以减小热应力；应考虑到整个铸件线收缩的方向和收缩应力分布，减少铸件收缩应力；在金属液充填、补缩前提下，浇注系统形状力求简单，内浇道数量不宜过多，要特别注意内浇道间的铸件过热和浇注系统对铸件的线收缩阻碍。总之，要避免铸件最后凝固或热节处因线收缩受阻而产生拉应力；应将最后凝固部位分散，或将收缩应力分散作用于各部位，或将两者交错开，以减小铸件热裂倾向。

（2）正确控制铸件冷却速度。铸件冷却速度对热裂影响很复杂，对厚壁件和易产生热裂的铸件，提高冷却速度可以减小热裂倾向。但对个别强烈收缩受阻的壁厚均匀的薄壁件，冷却速度过高，收缩应力往往使铸件在内浇道附近产生热裂。

（3）正确选择型壳。工厂经验表明，热膨胀系数小的耐火材料，如铝矾土、上店土（一种高岭石类熟料）所制型壳浇注后，型壳甚至会收缩，使用这类型壳有利于减少铸件热裂。对防止铸件热裂而言，耐火材料高温下热膨胀性能比其高温强度、热导率影响还大。关键在于当铸件处于热裂温度范围时，型壳这时膨胀应小，如此时不膨胀，甚至收缩就能减少和防止热裂。

三、冷裂缺陷

冷裂缺陷是指铸件凝固后在较低温度下形成的裂纹，裂口常穿过晶粒延伸到整个断面。防止的措施有以下几种。

1. 铸件结构设计要合理，减小冷裂倾向性

铸件壁厚应均匀，厚、薄过渡之处应缓和。齿轮类刚性结构轮形铸钢件，要限制壁厚差异，不能过分悬殊，以减小铸造热应力。设计铸件结构时，要使铸件具有更好的局部变形能力，以能有效地松弛铸造应力，减小铸件冷裂倾向性。

2. 采用正确的铸造工艺措施

（1）使铸件实现同时凝固，不仅有利于防止热裂，亦有助于防止冷裂。因为采取外冷铁、内冷铁、石墨块（用于铸铁件）等措施激冷铸件厚实部分或热节凹角，金属液从铸件薄处分散引入等方法实现铸件同时凝固，不仅减小了铸件凝固时期金属中温度差而有利于防止热裂，而且亦减小了铸件冷却时厚实和细薄处之间的温度梯度，减小热应力而有助于防止冷裂。

（2）正确确定铸件在砂型中的停留时间，然后打箱将铸件从砂型中清理出来。这段时间实际就是铸件在砂型中的保温时间。砂型是一种良好的“缓冷容器”，能使铸件厚实和细薄处的温度均匀化，减小它们之间的温度差，降低热应力。

从防止由于残余热拉应力而产生冷裂的角度说，上述停留时间或保温时间的意义是：当铸件厚实部分温度高于塑弹性转变临界温度时，温度均匀化，可降低临时热应力；减小厚实和细薄部分的不均一塑性变形，即减小厚实部分的塑性压缩量和细薄部分的塑性伸长量，从而可以减小常温下的厚实部分发生的弹性拉伸量，即减小其残余热拉应力，减小常温下的细薄部分发生的弹性压缩量，即减小其残余热压应力。因此，可以减小发生冷裂的危险性。

当铸件厚实部分达到反向产生残余热拉应力并逐渐增大的时刻，这时的保温、均温作用可以减小残余热拉应力的增大速度，也就是减小其弹性拉伸速度，避免由于拉伸速度过快而出现脆断，导致冷裂。但此时的保温，对于减小残余热应力是没有作用的。残余热应力的大小，取决于厚实部分在塑弹性转变临界温度以上的不均一塑性变形的严重程度。厚实部分的塑性压缩越大，则常温下的弹性拉伸的补偿量亦越大，导致其残余热拉应力亦越大。

根据以上所述，确定铸件在砂型中的停留时间或保温时间的依据是，决定于铸件厚实部分打箱落砂时的温度，即铸件的落砂温度。落砂温度越低，则铸件在砂型中所需要的停留时间就越长。所以确定落砂温度有着重要意义：如果它定得过高，铸件在砂型中的停留时间虽短，但落砂后的铸件在空气中冷却，加大厚实和细薄处两者的温度差，增大残余热应力，铸件易冷裂；如果它定得过低，铸件虽不易冷裂，但降低了铸件生产率，因为它不必要地延长了铸件在砂型内的停留时间。

原则上，铸件（厚实部分）落砂温度应等于合金材料的塑弹性转变临界温度（实为一个温度范围，应是其下限温度）。如果落砂温度高于塑弹性转变临界温度，则定得过高，铸件易冷裂，但是对于形状简单，冷裂倾向性不大的小型铸件，因为它的固态线收缩绝对值不大，其落砂温度可以高于塑弹性转变临界温度。甚至，只要落砂后的处于红热状态的铸件，不会由于落砂时的撞击而变形，这类小型铸件凝固完毕后就可以落砂。对于形状复杂，合金材料导热性差，易冷裂的中、大型铸件其落砂温度应低于塑弹性转变临界温度；越易冷裂的铸件，其落砂温度应越低。中、大型铸件的落砂温度是影响铸件是否会冷裂的重要铸造工艺参数。

铸件在砂型中的冷却速度，决定了铸件冷却到落砂温度所需要的时间，即铸件在砂型中的停留时间。铸件在砂型中的冷却，是一种复杂的不稳态导热的传热问题，有待计算机开发，解决铸件在砂型中的停留时间的计算问题。生产中一般根据经验或半径验图表，解决这问题。也可以用实测方法，既解决落砂温度又同时确定其停留时间。

为了既防止由于残余热拉应力而产生冷裂，又可以缩短铸件在砂型中的停留时间，有时可以在铸件凝固以后，将厚实处型砂扒开使之在空气中冷却，甚至浇水加速它的冷却，以加速铸件温度均匀化，又可缩短停留时间，这实际上是一种强制冷却法。专门的大型铸钢件或灰铸铁件的强制冷却法是：造型时，在铸件厚实处型壁中预埋管道，铸件浇注后至冷却到落砂温度这段时间内，就在预埋管道中通入压缩空气或水等流体冷却剂。冷却剂吸收砂型大量热量而流走，铸件厚实部分就被加速冷却而使铸件厚实处和细薄处加速温度均匀化。这样既可以缩短铸件在铸型中的停留时间，又可以防止冷裂。

对于非常容易产生冷裂的铸件，也可以在铸件浇注、凝固后，立刻打箱落砂，将红热的铸件装入专用的缓冷炉中，使之缓慢冷却；如果还有后续的热处理工序，也可以装入热处理炉中升温进行后续工序。这实际上是一种强制加热法，达到铸件温度均匀化，防止冷裂和取消铸件在砂型中停留时间的目的。缺点是恶化了铸件打箱落砂操作的劳动条件。

（3）增加砂型、砂芯退让性，铸件凝固后及早卸压箱铁，松开砂箱紧固装置等，是防止由于收缩应力而使铸件产生冷裂的关键措施。中、大型壁厚均匀的箱形灰铸铁件，往往总是“薄壁大芯”铸件，特别容易产生这种冷裂。

3. 去应力退火

去应力又称低温退火。这种退火只是消除铸件的残余应力，合金材料无组织变化。它是将铸件缓慢加热到保温温度并保持一定时间，达到以塑性变形为主的状态。通过塑性变形或蠕变变形，使残余应力松弛而消除或显著减小了铸件残余应力。然后慢冷地通过塑弹性转变临界温度范围，以免产生新的热处理残余应力。去除或显著减小铸件残余应力后，就可以避免外加负荷产生的拉应力同残余拉应力相叠加，而产生的冷裂和灰铸铁件的微量自变形。

去应力退火主要用于灰铸铁件，亦称为人工时效处理。保温温度一般为450～550℃。温度过低，消除残余应力效果不佳；温度过高，铸铁组织变化，硬度下降。故保温温度在不降低铸铁硬度前提下，应有足够高的温度，获得好的去应力效果。壁厚25～50mm的灰铸铁件，保温时间为3～4h；加热时升温速度为80～120℃/h，结构复杂的铸件取下限；保温后，可随炉冷却到150～200℃，就可以出炉。

一般来说，铸造应力与铸件结构、浇注系统和合金成分等有密切关系，凡增大铸造应力的因素都能促使冷裂。防止熔模铸造冷裂的措施如下。

（1）改进铸件结构，使壁厚均匀，必要时可增设加强筋。

（2）合理设置浇注系统，避免铸件线收缩受阻，减少铸造应力。

（3）控制钢水中碳、铬、锰、磷等含量。碳、铬、锰等会降低钢的导热性和塑性，因此，这些元素含量高，冷裂倾向就增大。磷使钢具有冷脆性。

（4）钢液要充分脱氧，否则，在晶粒边界上聚集较多的FeO、MnO等氧化夹杂物使钢变脆。

（5）对特殊合金成分件要改变其冷却速度，以防止冷裂。

（6）在铸件清理、矫正时，要避免剧烈撞击。

四、裂纹、冷隔类缺陷的防治措施总结

各种主要的裂纹、冷隔类缺陷的名称、定义和特征、鉴别方法、成因及防治补救措施总结如表4-1、表4-2、表4-3、表4-4、表4-5。

表4-1　白点缺陷的特征、鉴别方法、成因及防治措施

表4-2　冷隔缺陷的特征、鉴别方法、成因及防治措施

表4-3　冷裂缺陷的特征、鉴别方法、成因及防治措施

续

表4-4　热处理裂纹缺陷的特征、鉴别方法、成因及防治措施

表4-5　热裂缺陷的特征、鉴别方法、成因及防治措施

续

第二节　裂纹、冷隔类缺陷的防治实例

案例1　低压铸造铝合金轮毂裂纹的改进措施

生产条件及存在问题　低压铸造已成为铝合金轮毂生产的主要工艺方法，国内的铝合金轮毂制造企业多数采用此工艺生产。低压铸造可实现高度机械化、自动化，既提高生产率（10～15型/h），又可减少众多的不利于生产工艺的人为因素，提高成品率，且可大大地减轻工人的劳动强度。然而低压铸造件的质量受到诸如工艺方案、工艺参数、模具结构及人工操作等因素影响以及它们之间的相互影响，任何一个环节设计不合理或操作不当都有可能导致低压铸造件产生缺陷。其中，铝合金轮毂裂纹的产生是影响企业生产成本、生产效率的重要因素，且轮毂裂纹是汽车安全性的重大隐患。

缺陷形成原因　低压铸造铝合金轮毂裂纹主要产生在应力集中的部位，或轮毂顶出时因受力不均，或升液管处液体凝固造成的开裂。裂纹一般分为冷裂和热裂两种。冷裂纹是指合金在低于其固相线温度时形成的裂纹。通俗地说，冷裂是铸件冷却到低温时，作用在铸件上的铸造应力超过铸件本身强度或塑性所允许的程度而产生的。冷裂多在铸件表面上出现，裂口表面有轻微的氧化；而热裂通常认为是在合金凝固过程中产生的，由于型壁的传热作用，铸件总是从表面开始凝固的。当铸件表面出现大量的枝晶并搭接成完整的骨架时，铸件就会出现固态收缩（常以线收缩表示）。此时枝晶之间还存在一层尚未凝固的液体金属薄膜（液膜），如果铸件的收缩不受任何阻碍，那么枝晶层不受力的作用，可以自由收缩，也就不会出现应力。当枝晶层的收缩受到阻碍时，不能自由收缩或受到拉力的作用，就会出现拉应力，这时枝晶间的液膜将受到拉伸的作用而变形。当拉应力超过液膜的强度极限时，枝晶间就会被拉开。但是被拉裂部分的周围还存在一些液体金属，如果液膜被拉开的速度很慢，且周围有足够的液体并及时流入拉裂处，那么拉裂处将得到填补和“愈合”，铸件不会出现热裂纹。如果拉裂处不能重新“愈合”，铸件就会出现热裂纹。热裂断口处表面被强烈氧化，呈现无金属光泽的暗色或黑色。

对于同一种合金，轮毂是否产生裂纹，往往取决于轮毂结构、工艺参数和模具温度等因素。

（1）轮毂结构设计不当对轮毂裂纹的影响。

①内圆角大小不当，是轮毂产生热裂纹最普遍的原因，因为轮毂在冷却时尖角处会产生很大的应力。在内圆角小的部位，即使补缩良好不出现缩裂，也会产生热裂。

②轮毂截面骤然改变，会导致冷却速度快慢不一，即使补缩良好也会产生较大应力，使轮毂凝固后出现裂口或裂纹。

（2）工艺参数不合理对轮毂裂纹的影响。在低压铸造中，由于保压时间过长或升液管过长造成升液管内液体出现凝固，在轮毂铸件顶出时承受一定的拉力，从而造成轮毂产生冷裂。因此，设计合理的保压时间和升液系统，对减少轮毂在顶出时造成的开裂有十分重要的意义。

（3）模具温度对轮毂裂纹的影响。低压铸造的模具温度决定合金液的凝固方式，并直接影响铸件的内部和表面状况，是铸件产生尺寸偏差及变形等诸多缺陷的主要原因之一，同时对生产率也有很大的影响。模具温度随着铸件重量、压铸周期、压铸温度及模具冷却方式等的变化而改变。

改进措施

（1）合理设计升液系统。由于保压时间过长或升液管过长造成升液管内液体出现凝固，使轮毂铸件在顶出时承受一定的拉力，从而造成轮毂产生冷裂，因此设计合理的升液系统对减少裂纹倾向具有十分重要的意义。升液系统是指浇注时液态金属由坩埚进入型腔的通道，包括升液管、保温套和铸件浇注系统。这几部分的尺寸直接影响坩埚内液面到铸件内浇口之间的距离。这段距离越长，则浇注时液态金属通过这段距离时降温越快，极易造成升液管通道早期凝固。因此应注意：①缩短坩埚内液面到铸件内浇口之间的距离。这段距离涉及到设备、工艺、模具等几个方面，所以要综合考虑，应以减短这段距离为宜；②改进保温套。适当加大保温套直径，以便扩大保温层厚度或采用保温性能好的材料作为保温套，如硅酸铝纤维毡；③升液管直径适当加大。为防止升液管早期凝固，应适当加大升液管的直径。

（2）设计合理的轮毂结构应避免尖角结构和截面的骤然改变，宜采用圆角或厚度均匀的结构。

（3）在不出现铸造缺陷的情况下，适当提高模具温度。

案例2　电机端盖的热裂缺陷及防止措施

生产条件及存在问题　某铸造厂在生产225型号的电机端盖时，有一段时间，在端盖的中心凸台内孔A点处经常发现横向裂纹。根据现场观察，该裂纹弯曲不平，长30～40 mm，深4～5mm，内有氧化色，均出现在压边冒口的下部10～15mm处，很有规律，并造成铸件成批报废。电机端盖的铸造工艺见图4-1。熔炼设备为2t/h的热风冲天炉，出铁温度1420℃左右，层焦铁比为1∶10，铸件材质要求为HT200。

产生缺陷原因分析　从废品件的工艺上分析，由于受砂箱高度的限制，其压边冒口高度偏小，浇注过程当中它仅起到出气冒口的作用。铁水从内浇口进入型腔，完全充型后才上升到冒口里，这样冒口的铁水温度偏低，凝固过早。而铁水是通过冒口根部进入冒口，又因凸台内孔直径仅约100mm，造成A处散热不良，凝固最慢。在冒口和铸件其他部位冷却收缩的共同作用下，A处受到拉应力，造成该裂纹的形成。

解决措施

（1）在造型时，取消原来设置的压边冒口。为了防止出现气孔缺陷，型砂的水分要控制得低些，并且在造型时多扎些出气孔，以利排气。

（2）调整化学成分。为了降低铁水的含碳量，将原来炉料配比中的废钢由10%提高到20%，生铁减少10%；另外，炉后补加1%的65碳素锰铁和1%的75硅铁。炉后的化验结果为（质量分数，%）：C 3.45，Si 2.42，Mn 0.81；硅碳比为0.70。这样即调整为高硅碳比铸铁。众所周知，高硅碳比铸铁的内应力小，而且它的断面组织细小均匀，力学性能好。

（3）炉前孕育。原操作工艺未进行炉前孕育处理；现在冲天炉出铁水时，将占包内铁水质量0.4%的75硅铁，在出铁槽内随流冲入，并在包内搅拌均匀，进行孕育处理，然后浇注。

采取上述措施后，该铸件再未出现过裂纹缺陷。

图4-1　电机端盖铸造工艺简图

案例3　缸体裂纹对策

生产条件及存在问题　柴油机四、六缸体铸件，用于拖拉机、联合收割机、工程机械和汽车。材质HT250，采用高压造型线湿型生产，冲天炉一有芯工频感应电炉双联熔炼，中注式浇注（图4-2），浇注温度1380～1420℃，随流孕育。自产品投产以来，检视面及下缸筒裂纹不断发生，且缺陷常在加工后发现，造成较大损失。

缺陷分析及解决措施　冷裂通常呈直线型，为穿晶断裂，是铸件在凝固和以后的冷却过程中所产生的热应力、相变应力和机械阻碍应力的总和，即铸造内应力大于金属在弹性状态下的强度极限所产生的。若总应力低于金属的弹性极限，则以残余内应力存在于铸件内。当残余内应力较大，铸件受到落砂碰撞、热处理焊补、机械加工等过程产生的附加应力时，铸件易产生裂纹或使裂纹扩展。缸体铸件结构复杂，砂芯较多，壁厚悬殊不均。在凝固冷却过程中产生的内应力可达130MPa，加之生产过程中铸件受落砂、热处理、焊补、机械加工等多种因素引起的附加应力（可使应力重新分布），叠加应力可达156.9MPa，形成裂纹倾向大。

图4-2　缸体铸造工艺简图

（1）铸件结构影响。四、六缸体挺杆室检视面法兰壁厚为12mm，较薄，而长主搭子、方加强搭子厚大（26mm），法兰与搭子连接处因产品设计及芯盒分盒面不当形成尖角，产生应力集中而造成冷裂。当改变芯盒局部分盒面，增加挺杆室法兰厚度，增大法兰与搭子连接圆角后，挺杆室局部壁厚均匀性改善，消减了应力集中，增加了检视面发兰断面强度，冷裂纹消除，方塔子处的损伤裂纹明显减少。

（2）落砂状态影响。铸件在型内缓慢冷却无疑对铸件残余内应力减少有利。但是，因造型线设备等因素所限，尤其是大批量生产节拍在1箱/45s时，铸件在型内冷却（捅箱）时间在1.5h左右，2.5h左右出鳞板，温度高，尤其夏季高温天气时，造型型砂温度在60℃以上，铸件到落砂床时外部温度高达500℃，内部温度在600℃以上。缸筒壁厚大，处于红热（塑—弹性）状态，强度仅有130MPa左右。受铸件结构及铸造工艺影响，上型凹部（图4-2A部）及排气冒口加大了上型砂包紧力；而下型较平坦（图4-2B部），铸件出鳞板到落砂床时上型包覆型砂，冷却速度慢，铸件内应力小（约30%）；下型型砂基本落去，冷却速度快，铸件内应力增加迅速（可达75%）。落砂床上有部分砂子形成“砂垫”，再辅助“橡皮—钢板”垫，缓冲铸件下落；提高悬链（落砂床）运行速度。克服铸件相互碰撞后，检视面及下缸筒裂纹均得到明显控制。

（3）热处理、焊补条件影响。为消除铸造残余内应力，灰铸铁件常在500～600℃下退火处理，升温、冷却速度小于80～120℃/h，进出炉温度控制在100～200℃。缸体上型原无法喷涂料，为辅助清除缸体表面粘砂等内外表面异物，焊补铸件缺陷，消除铸件残余内应力，将铸件全部进炉处理。为防止焊硬，炉温在650～700℃。大批量生产时连续作业，炉温始终居高不下，局部温度达720℃，造成缸体过速升温、冷却，产生较大临时附加应力，且使珠光体分解，缸筒本体强度、硬度、弹性模量大幅度降低，引起裂纹产生或扩展。在增补缸体上型涂料工艺，增加DISA双臂机械手抛丸清理设备后，仅焊补铸件进炉处理，便于炉温控制，且焊补铸件可及时返回炉内，炉外焊补时间一般不超过10min，减少了二次应力倾向，裂纹减少。

（4）合金成分影响。缸体工艺要求本体强度≥200MPa，硬度HB180-250。但在实际生产中，常因化学成分偏差大，缸筒内腔冷却条件差等因素，缸体缸筒力学性能常偏低，抗拉强度仅175MPa，硬度仅HB156。珠光体含量低，片间距大，A型石墨数量少且粗大，缸体易于开裂。因此，应严格控制合金化学成分，以促进A型石墨、珠光体增加和细化、组织均匀化，提供低应力、高强度合金。

①CE、Si/C影响。通过大量典型下缸筒裂纹与非裂纹缸体化学成分、性能对比分析，当控制wCE=3.85%～4.02%，Si/C=0.62～0.75时，可获得高强度低应力合金，减小下缸筒裂纹倾向。

②磷影响。磷具有严重的结晶偏析倾向，易形成网状磷共晶，增加灰铸铁脆性。大量统计数据表明，为防止下缸筒裂纹产生，应使wP＜0.09%。

③铬、铜影响。铬、铜合金可降低奥氏体转变的临界温度，提高过冷奥氏体稳定性，从而使灰铸铁在缓冷条件下细化石墨，增加、细化珠光体，改善力学性能。控制铬、铜分别为0.20%～0.35%、0.25%～0.42%时，裂纹倾向较小。

上述措施的实施，消除了检视面铸造应力裂纹。

案例4　改变浇注系统解决阀体精铸件裂纹缺陷

超纯铁索体不锈钢是优秀的耐浓碱腐蚀材料。用真空感应熔炼代替电子束熔炼开发的这种合金铸件，价格只比18-8型不锈钢贵一倍，但耐浓碱腐蚀性能是18-8不锈钢的70～100倍，具有开发应用价值。在研制烧碱工业用Dg100截止阀体过程中，阀体件由于铸造裂纹缺陷造成大批废品达70%以上，其铸件结构尺寸如图4-3所示。原采用的浇注系统形式如图4-4所示，裂纹都出现在雨淋内浇口根部附近，数量达几条或十几条，外观曲折，小于0.8MPa水压测试就发生渗漏。

解决措施　避免在均匀壁厚区形成明的凝固不一致的现象，消除热应力。采用新的浇注系统如图4-5所示，改变了浇注位置，形成顺序凝固，铸件得到良好补缩。铸件薄壁区形成比较均匀一致的凝固，浇注系统设在加工面上，铸件清理方便，外观整齐。组合后的模组强度高，不易损坏。侧冒口与主冒口相连的横浇口，形成有效的排气作用。采用这种浇注系统后，完全消除了裂纹缺陷。

图4-3　Dg100截止阀体铸件图

图4-4　原采用的浇注系统形式

图4-5　改进后的浇注系统

案例5　防止曲柄齿轮铸件裂纹的措施

生产条件及存在问题　一台3t/h三相碱性电弧炉，采用氧化法工艺生产，平均出钢量每炉6t，熔化后期极限出钢量10t。一般采用8t底注式盛钢桶进行浇注，单注孔最大直径60mm，钢水温度主要靠结膜法测量。采用木质模样、通用砂箱、水玻璃砂面砂，易粘砂部位用水玻璃铬铁矿砂，背砂用黏土砂；造型工艺以手工造型为主，砂型在220～240℃下，经3～4h烘干。曲柄齿轮结构特点：①属大平面、高度低的类似圆盘铸件，其直径与高度比值在7.40～11.34之间；②曲柄齿轮区别于一般齿轮，由于曲轴（后压装）处强度需要，轮缘约1/6范围与厚大的轮载相连；③轮毂与轮辐壁厚悬殊，比例从2∶1到3.34∶1，轮缘与辐板交接处的热节较大，如1397mm轮缘热节124mm，而轮缘上部厚度只有89mm；1613mm轮缘热节140mm，轮缘厚113mm；④辐板的结构有直型和过渡型，减轻孔有大、有小。

曲柄齿轮在铸造过程中较容易出现裂纹倾向大的因素有：①结构中各处壁厚悬殊，轮毂特别厚大，使其在凝固过程中远迟于其他部分凝固；②轮毂部分收缩量较大，需设计较大冒口，冒口与铸件连接后，凝固模数进一步增值；③在浇注系统设计上，内浇道由轮毂底部浇注，钢水长时间经流毂部，使轮毂处过热更加严重。

解决措施

（1）铸造工艺方案对质量的影响。通过分析，选择曲柄齿轮铸件的浇注位置是以有凹面的端面朝上的工艺方案，如图4-6所示。虽然这种工艺造成了上箱的吊胎，轮缘处的补贴较大，但这种把轮缘处热节置于浇注位置下部的做法，优点在于：①能使铸件厚大处先行凝固，加上合适的补贴和冒口工艺以及较高的压力头作用，对热节进行更有效补缩，使铸件比较致密；②减少了轮缘处的热裂倾向；③轮缘端面加工余量较少；④模样结构完整、强度较好。

（2）冒口及补贴工艺设计的影响。曲柄齿轮的冒口及补贴设计是决定铸件质量的特别重要因素。由于曲柄齿轮材质和结构本身的特点，使得浇注温度较高，钢水的液态收缩和凝固收缩量大。线收缩率达2%，体收缩率ZG310～ZG570为5.2%～5.6%，低合金钢达5.3%～6.0%，而且受温度影响大。所以，容易出现缩孔、缩松、缩裂，造成返修甚至报废。为减少热裂倾向，有人曾经试将1613mm曲柄齿轮轮毂上300号保温冒口改小一号，采用280号保温冒口，结果铸件就产生了从未有过的严重缩孔、缩裂现象，致使铸件报废。而与此相对的例子是，由于生产实际的原因，也有将1613mm以上的曲柄齿轮拿到某大厂铸造，分析是生产工艺的原因。该厂对送去的工艺图中冒口规格一般是加大2个级别，而且数量增多，工艺出品率较本厂降低10%左右，产生的质量效果并不理想。比如外协的2235mm曲柄齿轮6个，经加工发现，其中有1个裂纹，造成报废；1个有较严重的钢包砂和非主要位置的裂纹。

可见，工艺上要尽可能设计出既满足铸件补缩需要又不增加裂纹倾向的冒口，即冒口既不能偏小，又不能太大。偏小引起的缩孔缺陷是显而易见的，而偏大的冒口会引起裂纹倾向增加。

（3）浇注系统的影响。从理论上说，对此类铸件的内浇道应开在铸件较薄的轮缘处并多处流入型腔，使铸件各部分温度的分布趋于一致。这对防止裂纹及砂型方面的缺陷是大有好处的。以往主要遵循保证轮缘处质量的原则，采用浇道由轮毂部底浇的传统工艺进行设计。但是，做一些浇口新工艺措施的尝试，并取得了较好的效果：①以往内浇道多排在冒口下的轮毂底部底浇，后来，采取避开冒口，开在较薄处轮毂的对称位置二处底浇的工艺，减轻了冒口下轮毂部分的过热程度，消除了浇口处裂纹现象；②曾将SPT2159mm曲柄齿轮浇口改成轮毂顶处一遭与轮缘处2道底浇。虽然由于当时没有采用“工艺缩颈”的关键工艺措施，轮毂处裂纹仍没有解决，但轮缘处也没有因此而出现质量问题，所以取得了浇口工艺可行的结论；③在生产2235mm曲柄齿轮时，采取由轮辐处3道对称（均匀）底注的浇注系统，所生产的6个铸件取得了全新的铸件质量，分析认为，与此工艺措施有密切关系。

（4）铸型和砂芯退让性的影响。由于采用保温冒口工艺措施，冒口在完成盛装钢水后，保温材料烧结，形成空隙，加上水玻璃砂工艺，使得铸型的退让性得到很大改善。减少了铸件收缩时的机械阻碍，对防止铸件产生热裂起到了较大作用。除此，还采取在黏土型砂中加2%～3%木屑，冒口周围环绕稻草绳的措施，亦有一定的防裂效果。

（5）钢水成分、浇注温度和浇注速度对裂纹的影响。在保证规定的性能、成分范围内，适当调整碳和其他易导致裂纹合金元素的化学成分至中下限。缩小凝固温度范围，以减少凝固期间的线收缩量；对钢水的脱氧、脱磷和脱硫要彻底，减少各种夹杂物，以提高铸钢的高温强度；在曲柄齿轮铸件特定的工艺和生产条件下强调采用适当低的浇注温度和大流量浇注速度，以其使铸件温度较为一致，不使浇口处和冒口处产生严重过热。

（6）浇注后松箱时间、保温时间的影响。由于曲柄齿轮铸件面积较大，当铸件凝固收缩时，上箱的凸出砂胎会阻碍其收缩。如果不及时松开锁箱螺丝，则增加了铸件横向收缩的阻碍，使产生裂纹的倾向性增加。对此，规定了各种曲柄齿轮的浇注后松箱时间，与保温时间一起，作为防裂工艺措施进行落实。

（7）冒口、浇口热割工艺的影响。气割冒口时，由于割口处温度高，与周围温差较大，铸件产生了一定的热应力，加上曲柄齿轮铸件本身存在较大的应力，所以气割冒口及补贴时容易产生裂纹，而防止切割裂纹的主要措施是采用预热切割工艺。根据有关技术资料，规范了对曲柄齿轮的热割工艺。由此消除了由于气割引起的裂纹现象。

图4-6　曲柄齿轮工艺方案简图

案例6　高锰钢铸件产生裂纹的因素探讨

生产条件及存在问题　高锰钢在抗磨材料中占有一定的比例，高锰钢铸件因裂纹缺陷造成的废品占废品的一半左右。高锰钢铸件的裂纹主要是热裂纹，高锰钢自由线收缩值（2.4%～3.0%）比碳素钢的线收缩值大得多，因此，高锰钢铸件易产生热裂。这是在铸造过程中，铸件产生热裂的主要因素。其次，高锰钢的导热系数低，为碳素钢的1/4～1/6，所以高锰钢铸件在加热及冷却过程中各部位的温差较大，造成相当大的热应力，这也是高锰钢铸件产生热裂的另一个重要原因。

实践证明：高锰钢铸件在使用过程中产生的裂纹，一方面，是由于铸件内部有铸造缺陷存在，在冲击载荷作用下，缩孔及缩松周边便萌出裂纹，经过疲劳扩展，发展成外部裂纹；另一方面，铸件热处理时的温度及入水时间不当在晶界上析出了碳化物或者钢中含磷量较高，晶界上出现的磷共晶削弱了晶界的强度及韧性。这些地方可以在高冲击载荷下萌生裂纹，同时，裂纹的疲劳扩展在这里加速进行。

解决措施

（1）铸件的结构设计。铸件的壁厚相差太大、壁厚过渡不当、铸件圆角过渡太小等均容易产生裂纹。因此，铸件设计应密切与铸造工艺相结合，尽量避免铸件设计不合理。例如，可以将十字断面改为T形断面等。

（2）铸造工艺形设计。在铸造工艺因素中最重要的是铸型的退让性，其次是砂箱设计不合理。例如，箱筋阻碍收缩可以产生裂纹，因此，箱筋距铸件及冒口要有一定的距离。浇注系统设计不当，分散导入的多条内浇道往往因阻碍铸件收缩，而在与浇道联结处开裂，应该特别指出，在铸件内浇道导入处，局部温度高而最后凝固，因为得不到足够的补缩，收缩使铸件开裂，所以一般在内浇道处要设置冒口补缩。

（3）高锰钢铸件的冒口及冷铁设置。高锰钢铸件的冒口设置以不用普通顶冒口为原则，因为用乙炔焰切割冒口时容易造成裂纹。所以最好采用侧冒口及易割冒口，冒口一般用锤打掉。铸件设置冒口对热节进行补缩，使铸件不产生缩孔及缩松，是防止内裂的有效措施，但冒口设置又产生了接触热节。其他工艺措施要与其配合得当，如合理地使用冷铁，就可做到既防止内裂又不会产生外裂。

（4）化学成分及熔炼工艺。在高锰钢中，碳和磷对裂纹的产生影响较大。含碳量越高，铸件越容易产生裂纹。原因是在铸态铸件晶界上析出的碳化物多，甚至形成网状，使铸件变脆。磷在高锰钢中易形成磷共晶，在晶界上偏析，使高锰钢变脆。因此，高锰钢中磷的含量一定要严格控制。

（5）热处理工艺。装炉时炉温与铸件温差是影响裂纹产生的一个重要因素。铸件入炉后要均温1.0～1.5h后再升温，以使铸件缓慢升温。低温阶段（650℃以下）的升温速度是产生裂纹的关键。一般较复杂的铸件，升温速度不应超过50℃，否则铸件易开裂。

案例7　高锰钢铸件裂纹产生的预防措施

生产条件及存在问题　高锰钢铸件在铸造生产过程中，裂纹废品常常占废品率的首位，一般在5O%以上。承受高冲击载荷的高锰钢铸件，往往因裂纹造成非正常失效，导致产品寿命降低。

解决措施　由于高锰钢铸件工艺性能差，在设计铸件时，应尽量使壁厚均匀，合理的过渡圆角，以减少热节。手工造型的车间要尽量采用型板造型，以保证分型面平整，尽量避免铸件在分型面上产生飞边，飞边会使铸件产生裂纹。

用石英砂造型时一定要刷镁砂粉或锆英涂料，防止铸件产生粘砂，粘砂增加铸件在凝固收缩过程中与铸型的摩擦力，从而使铸件内应力增大，裂纹倾向性增大。由于水玻璃石英砂退让性比石灰石砂差，选用石灰石砂作为高锰钢铸件造型较为理想。

高锰钢铸件浇注系统的设计应注意，首先浇道面积比一般铸钢件大20%左右，保证快速浇注，同时浇注系统要光滑拐角少，对较大铸件要用浇道砖以免浇注过程中金属液对浇道冲刷造成夹杂。其次，内浇道的长短要合适，太长会在铸件和浇道连接处出现缩孔，太短时，在用氧乙炔切割浇道时，由于切口离铸件太近，热应力使铸件产生裂纹。

高温开箱的铸件在空气中冷却时，由于高锰钢的导热性能差，温差较大，造成的应力相应也大，加之铸件这时强度低，很容易产生裂纹。具体的开箱温度要根据铸件大小、壁厚、复杂程度决定。若条件限制，铸件开箱温度高时，应立即将铸件放入保温炉内缓慢冷却或采取保温措施。高锰钢铸件不要采用水爆清砂工艺，特别是大型的高锰钢铸件，实践证明水爆清砂工艺不适合高锰钢铸件的清砂。

在选用含碳量时，要根据铸件的使用情况决定。对受大冲击载荷的铸件，含碳量应选低一些（0.9%～1.0%）。

低温快速浇注是防止高锰钢铸件产生裂纹的很好方法。浇注温度应根据铸件的大小、壁厚及复杂程度控制在1430～1460℃为好。钢液出炉后温度高时，应静置一段时间，这样既可以使钢液中的杂质上浮，也可调整浇注温度。浇注时先浇小件后浇大件。

案例8　摇枕热裂纹的消除

生产条件及存在问题　摇枕的材质为ZG230-450，其结构呈山字形，峰顶与峰谷高度差为275mm，尺寸为2815mm×700mm×500mm，内腔筋板复杂交错。摇枕的结构导致其在铸造过程中很容易出现裂纹、缩孔、缩松等缺陷，其结构如图4-7所示。在过去的生产中，摇枕在图4-7所示的A、B、C、D、E、F、G、H处很容易产生裂纹（图中这些位置的粗实线表示裂纹），产生裂纹的铸件占该产品总数的80%～90%，裂纹的长度为30～ 220mm，数量为2～4条/件。这些裂纹要经过剖净、多层焊补、打磨等多道工序处理，严重制约着该产品的生产。

解决措施　如图4-8所示，根据铸件收缩时砂芯的阻碍以及裂纹通常出现的位置，将规格为R51mm×80mm×12mm×55mm的冷铁分别放置在A、B、C、D立面处，并取消E、F、G、H处的冷铁。

图4-7　摇枕结构简图

图4-8　摇枕铸造工艺简图

案例9　柴油机机体铸造裂纹的防止

生产条件及存在问题　R175A柴油机机体结构见图4-9，材质为HT200，最大外形尺寸286mm×273mm×196mm，毛坯质量28kg，铸件主要壁厚仅为5mm，最大壁厚25mm，是典型的薄壁箱型结构。机体采用无冒口铸造工艺铸造，齿轮室朝下，底脚板中心对称分型，每型两件，流水线机器造型，手工制芯；铸件齿轮室坭芯采用黏土砂芯，曲轴室坭芯采用渣油砂芯；浇注系统采用3道扁梯形内浇口，于铸件分型面底脚板处进铁水。浇注温度＞1310℃，浇注时间15s。铸件在型内保温时间1～1.5h，人工落砂，抛丸清理，手工清铲，非时效处理。裂纹发生在冷却较快的齿盖面和冷却较慢的轴承座孔两个部位。齿盖面处裂纹宽度不一，有的在铸件清铲中发现，而有的在加工后才发现。裂纹形状比较平直、规则、穿透铸件壁厚。从解剖裂纹的断口可观察到轻微氧化色泽，说明裂纹形成温度较低，是典型的冷裂纹。裂纹方向垂直于齿盖面，数量l～2条，出现的频率在20%左右。

解决措施　冷裂纹主要从实现铸件均衡冷却上解决。热裂纹则主要从提高铁液质量（减少有害元素含量，减少铁液断面敏感性）及细化晶粒上解决。

（1）改进、优化铸件结构。改齿盖面搭子处圆角R5为R10，齿盖面宽度8mm为15mm，以减少急剧过渡而形成的应力集中；在齿轮室内壁加设4～6条加强筋，以提高铸件的刚性和强度；在轴承座孔里外厚壁与薄壁交界处增设3～5条加强筋，以提高厚壁处抵抗铸造拉应力的能力。

（2）采用高Si/C（0.65～0.75）铸件，在保证力学性能的前提下严格控制化学成分，特别是硫、磷及微量杂质元素的含量，并提高铁水出炉温度（1440～1500℃）和浇注温度（＞1340℃），采用稀土硅铁孕育，以净化铁液、增加过冷度和细化晶粒，改善铸铁的组织和性能，防止铸件产生硬、脆、裂倾向。

（3）将芯砂中的锯木屑增至2%～2.5%，以降低坭芯的高温强度，改善坭芯的退让性、溃散性及出砂性，在操作规程上，注意防止铸件毛刺及披缝，延长箱内保温时间2h以上。在落砂、清铲和运输过程中严禁猛烈撞击，切削加工时，吃刀量不宜过深，切削速度不宜过大。

图4-9　R175A柴油机机体毛坯简图

案例10　紫铜铸件裂纹缺陷的改进

生产条件及存在的问题　在紫铜铸件的生产过程中，几次出现了由于开裂和表面龟裂缺陷而批量报废的问题，无一件合格品，造成了较大的经济损失。生产用的原材料：100%高纯阴极铜。由于电解铜板吸附有大量氢气，纯铜原料要充分预热（600℃），熔化前在电阻炉内烘烤2h，烘烤温度600℃。熔化设备：0.5t中频感应电炉，每炉400kg，铂铑—铂热电偶测温。技术要求：铸件铜含量要求≥99.90%。

熔炼工艺：将预热烘烤后的紫铜装入中频感应电炉，要求装料紧实，不准有杂物混入炉内。由于铸件成分及导电性要求较高，采用不覆盖工艺熔炼。待炉料全部熔化后，过热至1180～1220℃，用Cu-P10脱氧，磷铜按磷占炉料铜0.021%加入，并用石墨棒将磷铜压入铜液内。升温至1260℃左右，加入混合的NaF+LiF熔剂，NaF按炉料总重的0.06%～0.08%加入，LiF按炉料总重的0.02%～0.03%加入。待熔清后，再加入干燥的稻草灰，将悬浮在液面上的熔剂去除干净，然后即可出炉浇注，浇注温度为1150～1200℃。

解决措施　根据分析，在确保原材料无质量问题的前提下，针对性地采取了以下措施。

（1）确保紫铜原材料的预热烘烤工艺。铜原料的预热要充分，应认真进行，包括温度和时间参数的稳定。此举目的就是为了基本稳定紫铜原材料烘烤后表面的CuO数量，以控制铜液的氧化程度。

（2）采用对紫铜导电性影响较小的Mg-Cu中间合金进行二次脱氧处理，加入量以铸件的开裂缺陷消除即可。同时，亦加强了紫铜件生产工艺各个环节的管理。结果表明，紫铜铸件的批量开裂问题得到解决，铸件质量满足产品技术要求。

案例11　铸造高锰钢辙叉产生裂纹的消除

生产条件及存在问题　铁道线路上的辙叉90%采用整铸高锰钢铸件，以其高强度、高耐磨的特点在国内外得到广泛应用。但是，铸造高锰钢辙叉因其铸造特点，铺设后有时产生裂纹给列车行车安全带来隐患，使工务部门更换辙叉的工作量增加，造成较大的经济损失。辙叉是细长形铸件，以型号为60-12的全加辙叉为例，长、宽、高分别为5927mm、440mm、179mm，壁厚22mm，铸件从一端浇注，轨面全部下冷铁，浇注温度为1480～1510℃，水韧处理温度为1020～1080℃，保温2h。

解决措施

（1）跟趾端600mm处轨面横裂纹。该种裂纹较多，从线路使用看，辙叉跟端、趾端分别用鱼尾板固定，跟趾端600mm处强度低时极易开裂。跟趾端600mm处是辙叉结构过渡处，由于结构复杂，在工艺设计时使用冷铁，以实现顺序凝固。经解剖，发现该处有φ20～φ30mm缩孔。

缩孔位置在浇注位置底部，要对缩孔进行补缩，工艺上采用顶部暗冒口。采用漂珠保温冒口，尺寸为φ140mm×180mm，从顶部补缩。为使补缩通道畅通，需加补贴，厚度为40mm。另外，为便于切割，采用易割冒口。易割片选用纸浆类，冒口颈φ70mm、厚20mm。

改进后的辙叉经实际使用，无裂纹产生。

（2）心宽50mm处至理论尖端水平裂纹。在轮缘槽部分应用镁橄榄石面砂，以减少发气量。镁橄榄石砂粒度为0.15～0.30mm，原砂水分≤0.4%。在心宽35mm处理论尖端处设置冒口。改进后的辙叉经解剖，内部无缺陷，经铺设在线路上未出现水平裂纹。

（3）轨头横裂纹。经金相观察，晶粒粗大。

①原因分析。轨头处较厚，且是浇口位置，因此过热时间长。高锰钢导热比碳钢低，仅为碳钢的1/3，因此，散热较差，钢液凝固缓慢，柱状晶粗大，很容易生成长条柱状晶，使钢的塑性、冲击韧度大幅下降，脆性增加。因此，晶粒粗大是该处断裂的主要原因。

②改进常规热处理方法不但不能使高锰钢组织细化，过热还会使晶粒进一步长大，因此解决该裂纹最好的办法是降低浇注温度。实际生产中，将浇注温度由1520℃降为1460～1470℃。另外，在钢中加0.10%～0.15%钛铁，以细化组织。铺设后轨头裂纹得到有效解决。

（4）耳板裂纹。高锰钢耳板细长，面积较大，出现缺陷的可能性增加。目前组装辙叉铸造心轨长度2000mm，缺陷可能性大大减少。现浇注位置是辙叉耳板朝上，倾斜浇注，因此，夹杂物易聚集在上方，使耳板处存在夹杂。耳板焊补多，但高锰钢在焊补时会出现碳化物析出，增加脆性。如以前导电销是焊上的，在线路上就多次出现裂纹。

加强冶炼、浇注：①采用吹氩气精炼，使钢中夹渣物上浮，以免带入型腔；②延长浇注前的镇静时间，使钢中夹渣物上浮；③对耳板焊补时，应分层、间断焊，每焊一层浇一次水；④耳板裂纹在补焊时应先钻止裂孔，再打坡口焊。改进后，耳板裂纹得到有效控制。

案例12　铸钢构架裂纹的改进措施

生产条件及存在问题　铸钢构架是铁道机车、客车及地下铁道电动客车走行部分的重要受力部件，是铁道机车车辆铸件生产当中难度最大的铸件之一。由于尺寸大，结构复杂，壁薄及厚度不均等因素，使构架的凝固收缩过程中受到热应力、机械阻力的作用，而使构架产生裂纹。有时一个构架上有多达几十处大小不等的裂纹存在，严重影响构架的产品质量。客车铸钢构架裂纹见图4-10，构架的裂纹均发生在构架凝固收缩时受拉伸应力较大的部位。

解决措施　由于铸造构架在凝固收缩过程中，受各种应力作用的结果，而成为裂纹极其敏感的铸钢件，在设计构架防裂整体方案时，除加强对铜水中的硫、磷含量夹杂物，脱氧去气程度以及型芯退让性、坭芯披缝、箱带、浇冒口阻力等加以控制外，以下几项因素对构架的裂纹影响极大。

（1）构架的结构。构架的结构对于裂纹的形成有明显的影响，无论是钢的结晶条件或构架收缩时达到的机械阻碍以及热应力都受到构架结构的影响。为了得到合理的构架铸造结构，在设计构架时进行了以下几点改进。

①合理选用构架壁厚是减少裂纹的有效措施。在实际生产中，对DK2构架的壁厚从8～18mm进行试验，发现在其他条件基本相同的情况下，构架的壁厚越薄裂纹越多，越厚裂纹越少。构架的壁厚采用16～20mm为合适，壁厚在14mm以下的构架铸造缺陷，裂纹均较严重。如壁厚或各梁上的局部凸台厚度大于20mm以上，则在壁厚的心部产生缩松形成微型内裂纹。

②构架壁厚力求均匀。尽量减少各梁间的凸台和凹槽，将梁上的各种吊座与构架分别铸造，尔后再焊接于构架上，使构架按同时冷却的原则进行凝固，以减少应力的产生。

（2）减少收缩阻力防止裂纹。三轴内燃机车铸钢构架侧梁砂型总长为5300mm，有三个导框，要求收缩量为95mm，实际收缩量59mm，构架收缩率仅为1.13%，可见，砂型阻力很大。对于这类收缩量比较大而容易产生裂纹的铸件，除采用一般的防裂措施外，必须采用顺向减少阻力的措施防止产生裂纹，在砂塑和坭芯的收缩关键部位，设退让性好的缓冲垫，减少砂型和坭芯的阻力，实践证明，用这种方法效果比较显著。

（3）内浇口的位置不应设在构架凝固收缩时应力大和集中的地方，如客车构架原浇注系统内浇口通过横梁和端梁弯进入型腔，构架在凝固收缩时，横梁、侧梁受拉伸，便在内浇口高温区产生热裂纹，后去掉横梁内浇口，使内浇口顺端梁外壁切线进入型腔，构架的裂纹大为减少。

（4）钢水温度对裂纹的影响。钢水温度的高低，对构架裂纹的多少是有直接关系的，在其他条件基本相同的情况下，钢水温度高裂纹明显增加。浇注温度低裂纹显著减少，浇注温度过低易产生浇不足使构件报废，一般控制在1520～1550℃，生产中采用低温快速浇注，构架表面光洁，裂纹少或无裂纹。

（5）构架内部铸造缺陷对裂纹的影响。铸造缺陷如缩孔、缩松、气孔、砂眼、冒口补缩不良等都成为裂纹源，且大部分是内裂纹，加工后透视才能发现。构架内部必须消除各种铸造缺陷，内部裂纹也就随之减少。

（6）消除冷裂的有效方法是选用含磷较低、收缩系数较小的金属材料，采用工艺措施满足同时凝固的原则，提高型芯退让性，防止打箱过早，采用水浴清砂，最大限度地降低铸造应力，是消除冷裂的有效措施。

图4-10　铸钢构架裂纹分布图

案例13　箱体类铸钢件裂纹缺陷的防止

生产条件及存在的问题　阀体、轴承箱体、法兰等铸钢件，材质为ZG25、ZG1Cr18Ni9、ZGCr5Mo等，壁厚在10～100mm之内。在实际生产中，由于箱体类铸件在铸造凝固收缩过程中，往往会受到砂芯的阻碍，而产生变形或裂纹。这些裂纹曲折而不规则，呈撕裂状，断口氧化无金属光泽，外宽内窄，属于热裂纹缺陷。多发生在薄厚壁交叉联结处、挠口或冒口根部的铸件外表面。

解决措施

（1）提高砂型（芯）的退让性。树脂砂砂型、芯在高温下传热相对比较差。采取措施提高砂芯的退让性，将是解决铸件热裂的重要途径。我们主要采取了以下措施。

①对安全阀阀体、阀盖等工艺定型产品，将其芯子做空，并做出专用模型胎具，使芯子的吃砂量在50mm左右，以避免砂型太厚有产生裂纹的倾向。

②对容易产生裂纹的部位，在距铸件50～80mm的地方放泡沫塑料，或在芯腔中充填木屑等松散料。退让带一般设在砂型收缩方向的两端。

（2）提高易裂部位的强度。增强易裂部位自身的强度，也是防止热裂的有效措施。在拉应力集中、凝固迟缓的箱体两壁交界处设置防裂拉筋。利用拉筋壁薄、凝固早、具有较大的抗拉强度的特点以提高该部位的抗拉能力，阻止铸件裂纹的发生。

（3）放置内外冷铁，消除热节效应。厚壁处的热节凝固最迟，有很大的热裂倾向，应采取措施，消除热节。薄厚壁交界处、两壁夹角小于90°的地方，放外冷铁。对一些特殊件，如汽轮机箱体，箱盖上的轴承座部位厚度与箱壁厚度相差5倍，在交界热节处放置外冷铁，同时分别在轴承座内、箱体底部的四周和拉筋内，设计放置内冷铁，预防裂纹的效果非常好，而且还取消箱体、箱盖外部的防裂拉筋，减少了加工量。其余的如泵盖、泵体、填料箱外壳、闸阀阀板内，都采用内冷铁，有效地预防了裂纹。

（4）降低浇冒口的热干扰。为了避免高温钢液对易裂部位的热干扰，浇注系统的设置，在首先考虑符合开设原则、满足充型的条件下，掌握尽量使钢液的引入位置避开易裂部位，并使内浇道附近的冷却速度同时或不慢于临近部位。对浇注系统采用多道分散底注式，并将内浇道设置在偏移箱体两壁交界处，便于钢液充注在薄壁部位。在铸件热节大需要补缩或为了排气排渣而设置冒口时，应将冒口设置在偏离热节的地方，造成动态顺序凝固补缩。在生产中还发现，当冒口与铸件本身共同形成热节时，为避免在冒口根部与铸件相连处产生裂纹，还需在此设置三角形拉筋。

（5）冶炼、浇注的控制。对合金中热裂敏感元素硫、磷含量控制在0.04%以下；合金钢的出钢温度控制在1650℃左右，普通碳钢则为1620℃左右，以防因冷隔而形成的裂纹（这种缺陷在大型法兰、阀体上经常发生）；浇注时采用全流快速浇注；2t以上的铸件用φ70mm漏包水口，2t以下铸件用φ50mm漏包水口；钢水充满后，应由专人负责立即挑除毛刺，以免直浇道、出气孔中的金属凝固时在已凝固的毛刺阻碍下将与之相连的铸件拉裂。

（6）清砂及热处理的合理控制。1t以下的铸件在浇注后的第二天打箱；1t以上的铸件在浇注后的第三天才能打箱。严禁在红热的普通碳钢铸件表面洒水激冷，以免因收缩不均匀产生过大的热应力而形成后期冷裂。对于局部的粘砂，应尽量避免用乙炔火焰长时间刺烧。

对ZG1Cr18Ni9铸件的热处理，必须加热到1000～1050℃保温一定时间后，入水进行固溶处理，以减少相变应力和脆性相的析出，并获得单一的奥氏体组织；对ZGCr5Mo铸件采用热切割冒口，热扫毛刺，入库前正火、回火的热处理工艺。

案例14　树脂砂床身热裂纹缺陷的防止

生产条件及存在的问题　床身铸件毛坯轮廓尺寸2418mm×950mm×1120mm，最大壁厚25mm，最小壁厚l5mm。最大断面尺寸80mm×60mm，质量为2460kg，呋喃树脂砂造型，10t工频感应电炉熔炼，该件材质为HT300。铸件清砂后，经常在斜导轨底部支撑肋与油盘搭接处发生热裂纹缺陷，裂纹断口处呈氧化色，撕裂状，宽度为1～2mm。

解决措施

（1）修改铸件结构。按铸件品质对零件结构的要求：铸件中肋的厚度因小于铸件的壁厚，一般肋厚为与肋连接铸件壁厚的0.8倍。将热裂处一道50mm厚支撑肋换成2道30mm厚支撑肋，保证斜导轨处铸件整体力学性能不变。这样一来，30mm厚支撑肋与15mm厚油盘壁壁厚相差较小，铸件壁厚过渡形式较为合理。一方面减小了铸造残余热应力，另一方面又减少了铁液对薄壁砂芯的烘烤热量，减小了铸件热节，相应地减少了铸件凝固时该处液体数量。

（2）增加变截面防裂筋。传统意义上的防裂筋垂直于铸件热裂方向设置，其厚度约为铸件裂纹处壁厚的1/3～1/4。由于拉筋相对壁厚较薄，冷却速度较快，它可以先于相对较厚的铸件实体凝固为固体，由它来承担热节部位凝固外壳中所产生的收缩拉应力，可以防止铸件开裂。但这种防裂筋只是将铸件的残余应力由原铸件热裂部位转移到其自身。铸件残余应力仍然存在，当防裂筋壁厚尺寸或去除时间设计不当时，铸件仍然会发生热裂缺陷。以该件为例，当防裂筋壁厚均为10mm时，在防裂筋与铸件连接处产生热裂纹。如何将铸件残余热应力彻底地消除，才是解决铸件热裂纹的关键。最后，将防裂筋中间部位局部壁厚改为6mm后，铸件落砂后，在防裂筋中部位开裂1～2mm，铸件完好无损。其原因在于变截面防裂筋开裂后，释放了铸件残余热应力。从理论上讲，该应力与热节处液膜开裂应力大小相等、方向相同。

采取上述措施后，共生产24件，铸件油盘拐角处没有发生热裂纹缺陷。

案例15　单辐板轮心裂纹对策

生产条件及存在问题　高速机车轮心结构采用单辐板形式，由轮缘、轮毂、辐板三部分组成。与以前生产的双辐板轮心相比，单辐板轮心在轮毂处热节更大，补缩距离更长。这无疑增加了铸造工艺的难度。为了保证力学强度，该轮心材料为ZG25Mn。试制铸造方案，轮芯铸件工艺如图4-11所示，两开箱，一箱一件，平做平浇轮缘放置12个φ120mm× 160mm的保温冒口加补贴，轮毂中心采用φ330mm的明冒口加补贴。内浇道由2号、3号预埋坭芯形成，采用底注式，要求对中心明冒口进行点冲。型、芯全部采用呋喃树脂自硬砂，型、芯水路面涂刷醇基锆英涂料两遍，并采用乙炔火焰表面烘烤。采用5t碱性电弧炉冶炼，在试制初期，轮芯经加工后检查，发现轮毂轴孔内有裂纹缺陷。

解决措施

（1）按照顺序凝固的原理，对工艺进行了如下优化，采用3个保温冒口分布在轮毂与辐板过渡区，从而改善了轮毂区的受热状态（图4-12）。三个保温冒口能充分补缩轮毂与辐板热节区，极大地改善轮毂轴孔内的冷却条件，降低了该处产生裂纹的倾向。

（2）改进铸型的退让性。控制呋喃树脂砂终强度，型砂小于5kg/cm2，芯砂小于6kg/cm2。提高砂芯的退让性，在轴孔砂芯中心部位填充砂团（图4-12），一方面提高了砂芯的透气性，另一方面提高了砂芯的退让性。

（3）冶炼工艺的控制。采用低碳高锰的配料方案，采用大流量、低温浇注工艺。由于低温钢液降低其对铸型的填充能力，所以必须采用大流量、低温浇注工艺。

图4-11　轮芯铸件工艺简图

图4-12　优化后的轮芯铸造工艺简图

案例16　大型铸钢件球艉开裂的防止措施

生产条件和存在的问题　球艉是一种大型铸钢件，材质为ZG270-500，单重46t，其结构复杂，壁厚悬殊，因此，技术要求高，热处理难度大。按传统工艺处理，易造成开裂报废。球艉上端壁厚为900mm，最小壁厚为30mm，由于壁厚差悬殊，易造成较大的铸造应力。铸造时为了消除缩孔、缩松，顶部大热节处需采取工艺措施。若在顶部设置一个大冒口，可以起到补缩作用，但也会带来严重的负面效应，造成非常大的工艺热节，使此部位冷却凝固过慢，顺序凝固强烈，上下温差大，产生巨大的热应力。

解决措施　减少铸造应力，可降低球艉在热处理过程中开裂的倾向，为提高热处理质量奠定较好的基础。

（1）控制浇注温度。浇注温度高，铸造应力相应就会增大；浇注温度过低，铸件壁薄处就会出现缺陷。ZG270-500钢浇注温度一般为1540～1560℃，我们按1540℃控制。

（2）造型。采用石灰石砂作为骨架砂，因其退让性好，可减少铸件收缩应力；在冒口与铸件之间采用冒口缩颈通道（经计算，冒口模数：冒口缩颈：铸件实用模数=1.2∶1.05∶1），可使顺序凝固变得缓和，上下温差合理，从而降低热应力。由于采取冒口缩颈通道，消除了流通效应，使夹杂物不直接进入铸件，而是停留在缩颈通道口变成冒口至缩颈通道至铸件的顺序补缩，起到了良好的效果。

为了保证铸件的强度，采用φ20mm熔融内冷铁，其体积为铸件总体积的10%。由于内冷铁具有强烈的激冷作用，使铸件的几何热节减少了30%，其实用模数=0.7×几何模数，相应的冒口可减少30%。为进一步增加激冷效果，采用激冷能力为硅砂4倍的铬铁矿砂，使几何热节又降低约15%，这样加上内冷铁的作用，其实用模数=0.6×几何模数，冒口相应为原工艺的0.6。

（3）控制打箱时间。打箱过早，铸件温度高，易增大铸造应力，因此打箱时间应严格控制。根据生产大型铸钢件的经验，控制打箱时间为140h。

（4）清砂时间的控制。打箱后，清砂时间不宜过长，否则铸件冷却至室温，铸造应力就会增大。清沙时间应≤6h。

（5）进炉时间的控制。清砂完成后，应立即进炉进行退火处理，这是防止铸件在退火加热过程中开裂的主要环节。

案例17　Cr12MoV钢轮型铸件裂纹的改进措施

生产条件及存在的问题　磨环和磨盘为德标G-X165CrMoV12高合金钢，现改用Cr12MoV钢作代换件，铸件结构见图4-13，两者化学成分相近。由于铸件尺寸厚大，且合金成分特殊，铸件收缩过程中产生加大的热应力和机械阻力，使铸件产生严重裂纹，在试生产中铸件的开裂率达80%以上。

解决措施　由于Cr12MoV钢铸造应力很大，冷裂倾向严重，通过分析，我们从以下几个方面加强防裂措施，收到了良好效果。

（1）为了减小冒口对铸件收缩阻碍和减小切割冒口对铸件本体的热影响，将磨环与磨盘工艺作了如下修改（图4-14）：磨环工艺中，将冒口改成环形冒口，以减小冒口对工件的收缩阻碍，磨盘工艺中，将顶冒口改成侧冒口，这样切割冒口时对铸件热影响小，能防止在切割冒口时铸件开裂。

（2）在坭芯中设置退让性好的缓冲垫（耐火棉层）以减小坭芯的阻力。

（3）在炼钢还原期充分脱氧，终脱氧要适当，浇注中防止各种夹杂物进入铸件。

图4-13　原工艺方案及裂纹产生部位

图4-14　改进后的工艺方案

案例18　高强度壳体铸铁件裂纹的对策

生产条件及存在的问题　高强度壳体铸铁件多为框架结构，由于强度高，壁厚相差大，凝固过程中易产生应力集中，生产中形成裂纹。在公司造型线生产的HT250壳体件中，其中有两个零件，由于结构的原因生产中随着材料的变化，裂纹废品时高时低，最高时废品达20%以上。裂纹出现在两个轴孔之间与大小方孔的圆角处，轴孔间裂纹最多，大小方孔圆角处裂纹交替出现。

解决措施

（1）铁液冶金质量对裂纹产生的影响。

①铁液碳量。生产控制要求wC=3.3%±0.1%，实际成分偏离工艺要求，主要在于生产过程中忽视了电炉保温对铁液成分的烧损与及时检测。尽管铁液中过高的硫、磷含量，也会对裂纹产生影响，但裂纹铸件检测的硫、磷成分符合要求。所以采取相应对策：适当提高铁液的碳当量，防止炉内烧损。

②合金元素。铬作为捉进白口倾向的元素，增大了铁液的收缩倾向，铸件出现裂纹几率增加，而钼细化晶粒，改善铸件的断面敏感性，减轻了裂纹倾向，但是钼价格过高，难以大批量使用。而铜作为稳定珠光体的元素，含量大于0.5%时，强度明显提高。经试验以0.5%～0.7%铜和小于0.20%铬进行合金化处理，同时加强二级孕育，不仅保证了强度，而且使裂纹减少。最后对策：控制铬含量在0.2%以内，以0.5%～0.7%铜进行合金化处理。

③组织。由于磷共晶数量不多，不易引起裂纹，但块状石墨的存在，在应力的作用下，很容易成为裂纹源。块状石墨为生铁遗传，冲天炉或电炉在1500℃以上过热可以消除块状石墨。同时选用优质生铁可以避免产生，此外，加强炉前孕育，控制白口宽度，细化组织，改善铸件的断面敏感性，也就减少了应力产生的条件，防止了裂纹的产生。其对策：①选用优质生铁，铁液过热1500℃以上；②加强炉前孕育，细化组织。

（2）浇注对裂纹的影响及对策。浇注温度：铸件的浇注温度直接影响液态收缩，浇注温度越高，液态收缩越大，总收缩就大。收缩率增大，无疑增加裂纹倾向。同时浇注温度高时，易形成铸件粘砂，阻碍铸件收缩，引起裂纹。此外，厚壁铸件高温浇注，增加缩孔容积，减缓冷却速度，使初晶粗化，形成偏析，造成裂纹。裂纹壳体件壁厚10～25mm，浇注温度由1370～1410℃降至1360～1390℃时，裂纹废品有了进一步降低。

浇注孕育：浇注时的随流孕育能明显改善铸件组织，但是孕育剂粒度，加入量及孕育时间都会对铸件裂纹产生一定的影响。过细的孕育剂易被铁液的热蒸汽吹走，造成实际孕育量下降，组织差。过大的孕育剂粒度，过早的孕育，部分孕育剂来不及熔化形成硬质点，造成裂纹。过大的孕育量，易形成糊状凝固，造成缩孔降低强度极限，在应力作用下造成裂纹，生产实践中也证明了上述分析。采取对策：浇注温度1360～1390℃，孕育剂粒度0.3～0.8mm；孕育量0.08%～0.10%。

（3）砂芯对裂纹的影响及对策。砂芯的退让性和表面质量是造成机械阻碍应力的主要因素。壳体铸件上两个轴孔之间的裂纹，不仅有凝固收缩产生的拉应力，还有分芯面过大间隙产生的阻碍应力。浇注后间隙进入铁液，铸件上形成具有白口组织的薄披缝，一旦白口延伸到铸件，就会造成裂纹。此外，自硬砂加入树脂，造成芯子退让性差，铸件裂纹倾向大。生产中自硬砂改为油砂，改善了退让性，裂纹废品减少。最后对策：砂芯采用油砂，减少分芯面间隙尺寸。

（4）铸件结构等因素对裂纹的影响及对策。铸件结构对裂纹的影响最大，设计工装确定之后，很难有大的改动，但增大裂纹处圆角半径，改变应力分布，可以减少裂纹倾向。造型开箱时，机械手夹持力极大，从铸件中部抱起取出，比夹持一个部位把铸件拉出能够减少应力的产生。采取对策：增大圆角半径，减少各工序产生应力。

案例19　熔模铸件裂纹的预防

生产条件及存在的问题　在熔模精密铸件生产中，客车车钩的锁提件、转向架走行部位的摇枕吊套件和夹板件等，由于裂纹而产生大量的废品，一直是生产技术上的难题。

解决裂纹的措施

（1）化学成分的控制。要严格控制钢水中的化学成分，磷、硫杂质含量要小于0.04%。在出钢前要加铝进行脱氧，必要时进行二次脱氧，但用铝量不得超过钢水量的0.10%。

（2）内浇口结构改进。将内浇口设计在远离产生裂纹的部位，使铸件在结构上形成凝固及收缩时间尽量一致，尽量减少对热节的影响。

（3）钢水和模壳浇注温度控制。为了减少裂纹倾向，应采用高温出炉、低温浇注的办法。在保证钢水充型能力的前提下，应尽量降低钢水的浇注温度。还要减少钢水和模壳之间的温度差。

（4）模壳打箱工艺。要求模壳浇注钢水后，铸件必须冷却30min以上才能吊运打箱，应避免浇注后马上进行吊运等操作，同事保证铸件自然冷却时间大于2h，方可振击模壳。

案例20　防止熔模铸钢件裂纹缺陷的工艺措施

生产条件及存在的问题　裂纹是熔模铸钢件常见的缺陷。随着熔模铸造的发展，复杂件、薄壁件、杆状件越来越多，这些熔模铸件容易出现裂纹缺陷。

解决措施　工艺设计上防止热裂要做到以下两点。

（1）因靠近内浇口处较易产生热裂，尤其是为了使金属液均匀浇入，用复杂而且相连的浇口时，危险就更大，故应合理地设置内浇口，如图4-15所示。

（2）因在壁厚不均匀的截面交接处易产生热裂，宜在许可情况下在这些部位设置工艺筋。防裂工艺筋不仅可以提高铸件热裂部位的强度，而且能起散热作用，减少热点集中程度。工艺筋不宜太厚，一般为相应部位壁厚的1/3左右，否则也会导致热裂。

图4-15　内浇口的改进

案例21　水轮机叶片裂纹缺陷的防止

生产条件及存在问题　某厂生产的各种规格（170MW、150MW、125MW）的水轮机组不锈钢叶片（以下简称叶片）多达几百台机组、上千件叶片、几万吨重，肩部经常出现裂纹缺陷。叶片的外形见图4-16所示，叶片材料有两种：ZG1Cr13Ni6Mo和ZG1Cr13Ni4Mo。

解决裂纹的措施

（1）可在钢中加入稀土元素（RE），净化钢水、改善夹杂物的分布和细化晶粒，从而提高材料的综合性能。

（2）增大叶片法兰与肩部连接处的铸造圆角R（R＞200mm），形成圆滑过渡，减少应力集中，同时，有利于夹杂物上浮，减轻了裂纹源，这是杜绝叶片裂纹的关键措施。

（3）叶片冒口浇注后保温，不得采用碳保温剂，而应选用无碳保温剂。

（4）叶片在铸态下，不可进行气割、气刨、补焊和局部加热烘烤，要求铸后及时热处理。

（5）叶片正火（淬火）鼓风冷却应在马氏体转变温度以上约300℃时停止鼓风，采取 进炉缓冷，减少温差，待叶片厚截面心部全部转变为马氏体后出炉，以避免应力过大而淬裂。

图4-16　叶片几何形状示意图

案例22　水轮发电机活塞铸件裂纹的消除

生产条件及存在问题　水轮发电机活塞的材质为ZG20MnSi，毛重1200kg，轴身及轴身与活塞交接处有多道裂纹，如图4-17所示。

消除裂纹的措施

（1）设置收缩肋，见图4-18，收缩肋的设置方向与收缩力方向一致，即和热裂纹方向相垂直。

（2）加大交接处圆角。由于在轴身与活塞交接处散热条件差，凝固速度慢，容易产生应力集中，故增大圆角R=60mm。

（3）水玻璃砂造型。水玻璃具有在800℃左右高温下重新熔融，形成液相的特点。在高温下很容易变形，从而使砂型具有良好的退让性，可以减少铸件收缩时受到的阻碍，减轻铸件产生热裂的倾向。

图4-17　活塞铸件简图　

图4-18　铸件工艺简图

案例23　改变浇注系统位置解决裂纹缺陷

生产条件及存在的问题　一种渣罐产品，毛重21t，材质ZG230/450。由于产品外表的筋板很多，为了方便造型，当时选择的浇注方向是开口端向上。浇注主要采用从下侧底返引入。考虑到产品较高，在钢水上升到渣罐端面处，设置了一层接力浇口。当钢水上升到接近该高度时，打开上层浇口，接力浇注。最初，上层浇口引入位置选择在大冒口下的补贴处，如图4-19的A所示。铸件浇注后没有发现异常，吊耳座位（图中标▽）MT、UT合格，但吊耳座位加工后采用斜探头UT检查，发现浅表面密集的线性缺陷，长度5～50mm，而连续生产的多件产品均有此问题。组织技术力量进行了数次工艺改进试验，包括吊耳座位冒口加高加大、增设外冷铁、外侧上部增设补贴等措施，但皮下的线性缺陷依然存在。

解决裂纹的措施　对整个渣灌端面结构进行分析，发现其壁厚相差非常悬殊，并由此推断该部位在凝固冷却过程的热应力较集中，而前期在吊耳座位设置补贴和加大冒口等措施反而加剧热应力影响。我们采取新的改进措施是，将上层浇口的引入位置避开大冒口下热量集中区，如图4-19的B所示，并取消补贴，使吊耳座处皮下裂纹现象迎刃而解。

图4-19　渣罐上层浇口示意图

案例24　提高浇注温度解决裂纹缺陷

生产条件及存在的问题　采用德国FAT公司树脂砂生产线，为某筑路机械厂生产旋风筒，该件的结构、尺寸、工艺见图4-20所示，中间空腔部分用一整体芯构成。主要壁厚为8mm，浇注温度为1360～1380℃，浇注系统从薄壁处引入，采用此工艺连续生产若干件，均发现一条自上而下的贯穿性裂纹。

解决裂纹的措施　分析认为，裂纹是由液态金属凝固收缩时受到砂芯阻碍产生的，如采用中空芯、薄壳芯或改变型砂配比等措施，可以解决此问题，但该厂受生产条件制约无法实施，所以只好另辟蹊径，将浇注温度由1360～1380℃提高至1480～1500℃。利用高温铁液，加厚砂芯烧酥层，增加退让性，结果生产数百件均无裂纹发生。这种方法简单易行，是解决收缩性裂纹的好方法。

案例25　添加锯末解决裂纹缺陷

生产条件及存在的问题　由于水玻璃砂的退让性差、高温残留强度高，加之阀门铸件壁薄、结构复杂、不利于铸件的自由收缩，使得该铸钢件在凝固收缩过程中因收缩阻力大而出现裂纹，同时也使得铸件内腔的清理十分困难。

解决裂纹的措施　在水玻璃芯砂中加入适量锯末，取得了良好的效果。具体做法是在水玻璃芯砂中按质量百分比加入3%～5%的锯末。混碾工艺是：先加干砂和6%～8%的水玻璃混8～10min，混碾均匀后再加入锯末混3～5min。

锯末芯砂的使用有着严格的要求，不能像普通水玻璃芯砂随意使用。首先砂芯的表面层中不能使用锯末芯砂，而必须用在砂芯的内层，外层仍是水玻璃芯砂。砂芯表面层使用锯末芯砂的危害在于：①锯末降低了表面层的耐火度和强度，容易造成冲砂、夹砂等铸件缺陷；②锯末增大了表面层的发气量，而这些气体更容易进入钢水中形成气孔缺陷。当然，砂芯无锯末的面砂层也不能太厚，否则，内层的锯末砂就不起作用。一般要求砂芯表面层厚度为20～60mm，最高不超过80mm。

图4-20　旋风筒结构及铸造工艺图

其次，使用锯末砂的砂芯芯骨的制作应特别注意，应使芯骨在砂芯的表面层中也要起到作用，这是因为锯末砂强度低，吊运时极易造成砂芯的开裂和折断。另外，使用锯末砂的砂芯更应注意烘烤、扎通气孔及开设通气道，否则由于发气量大，极易形成铸件气孔缺陷。最后，锯末砂芯一般只用于阀体等重要受压件，而对于阀盖、闸板、支架等铸件的砂芯一般不必使用锯末砂。

使用锯末砂后，铸件因收缩受阻而产生裂纹的现象基本上消除了，尤其是使用在止回阀阀体，球阀阀体等结构形式不易收缩的铸件更显著。砂芯溃散性极好，铸件清理工作量大大减少，降低了劳动强度，经济效益明显。

案例26　高镍铬铸铁轧辊辊身微裂纹综合防止方法

生产条件及存在的问题　高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊的生产方法有底漏复合法、全冲洗法和离心复合浇注法。用离心复合浇注法生产无限冷硬复合铸铁轧辊，既可以保证轧辊质量，又可以节约铁水和合金，所以离心复合浇注法在高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的生产中得到了广泛的应用。但是，由于在离心铸造过程中存在震动，同时铸型的冷却能力较大，容易使轧辊产生较大热应力，所以用离心铸造方法生产的无限冷硬铸铁轧辊容易出现裂纹，其中较难发现，危害较大的是微裂纹。因为在轧辊开箱后一般很难直接观察到微裂纹，往往是在轧辊经过热处理和部分机加工后才能发现微裂纹的。

微裂纹的防止措施

（1）定期对离心机进行调整，并检查冷型磨损情况（卧式离心冷型），对磨损过度的冷型和离心机托轮及时进行更换，以减小生产过程中产生的震动。

（2）计算调整冷型转速。离心铸件实际生产中通常是用一些经验公式计算冷型转速，再根据实际生产情况进行适当修正。常用的公式有：①康斯坦丁诺夫铸型转速计算公式；②凯门铸型转速计算公式；③重力系数铸型转速计算公式。这三个公式中重力系数铸型转速计算公式比较适合用于计算轧辊冷型的转速。

在使用计算转速生产时，如果成分偏析严重，有微裂纹产生时，可以适当提高冷型转速。

（3）精确调整轧辊化学成分，碳的质量分数应控制在3.0%～3.5%范围内，铬质量分数控制在1.6%～1.8%的范围内，钼质量分数控制在0.2%～0.6%的范围内。

（4）涂料应采用喷涂或滚涂，尽量不使用刷涂方法，因为刷涂时涂料均匀性差，易出现脱落；另外，在操作过程中要注意对涂料的充分搅拌，防止因涂料本身不均匀影响使用。

案例27　金属型铝合金铸件裂纹产生的对策

生产条件及存在的问题　油底壳是汽车发动机上最大的深型腔、薄壁、大平面铸件，一般要求能够承受0.15MPa的水压试验，铸件要求无缩孔、缩松、裂纹等铸造缺陷。某油底壳零件净质量为9.5kg，铸件浇注17kg，平均壁厚4mm，外形尺寸805mm×330mm× 225mm，铝合金金属型重力铸造，最典型的铸造缺陷是裂纹。该油底壳材料英国牌号是LM27/BS1490—1988，该类成分的合金倾向于糊状凝固，不容易补缩，容易形成缩松，金属型铸造裂纹缺陷不容易控制。油底壳产品结构及其工艺见图4-21。

解决裂纹的措施

（1）材料成分：通过与采购商的沟通采用推荐的牌号，减小了材料抗热裂性能不足的因素。

（2）浇注系统：内浇道采用扁薄形式，分散引入，实现弱顺序凝固，保证了铸件合理的凝固顺序。

（3）熔炼工艺、操作要求保证成分均匀，强化精炼、变质、除渣工艺处理，控制使用炉底铝液。减轻铝液含气、夹渣对应力的不良影响。

（4）模具温度在生产条件下控制在300℃以上，减小铸件的收缩应力，削减激冷效应的不良影响。

（5）对铝液温度，控制熔化温度上限，减少铝液高温下的吸气量；在满足成型的条件下，尽可能地降低浇注温度，要求在（710±5）℃，甚至更低。

（6）涂料的选择粒度稍粗，保温性、透气性要较好。涂料的喷涂应满足铸件凝固顺序的要求。

（7）保证铸件完全凝固，脱模不变形的条件下，尽可能地缩短铸件留模时间，提前抽芯、开模。

图4-21　油底壳结构及其工艺简图

案例28　精铸件热裂问题解决

生产条件及存在的问题　材质为ZG35CrMnSi和ZG27CrMnSiNi的军品铸钢件是以硅酸乙酯作为黏结剂，硅砂作为耐火材料来制备型壳的。但在生产中，零件的热裂问题很严重，成品率经常不到30%，特别是这两种合金的热裂倾向尤为严重。后来加入30%的钼以及采用碱性炉熔炼，这些虽然能在一定程度上改善热裂的倾向，但效果不稳定。采用上店土作为耐火材料，铸件的热裂倾向有了明显的改善。因此，铸件的热裂与型壳的耐火材料、制备工艺及型壳结构有着密切的关系。

解决措施

（1）热裂是晶间破裂在高温下形成的，其特征是端口参差不齐。由于空气进入，热裂端口经常被一层灰暗色或黑色氧化物所覆盖。内裂也往往伴有缩松和氧化夹渣存在，也就是说热裂是在枝晶构架间还有少量金属液时产生的。

（2）减缓型壳的冷却速度是解决热裂问题的重要方法，内热裂往往产生在铸件的缩孔缩松之处，而且同时伴有氧化夹渣，因此内热裂的产生除了冶金质量的因素外，在很大程度上是由于补缩不足引起的，铸件在凝固过程中，由于随着温度的降低，液态金属越来越不能起填充由于收缩产生的裂纹，所以就形成了缩孔和缩松，内热裂往往和缩孔缩松同时产生。

（3）对于外热裂的形成，很多情况下也是由于补缩不足引起的，这是由于外热裂形成后，金属液不能及时补缩，随着完全结晶面的内向推移，就留下了敞露的外裂纹，因此，型壳对铸件的冷却速度慢和采取型壳的保温措施是可以减少铸件热裂倾向的，但型壳的温度必须和有效地浇冒系统相匹配，否则效果不大。因为补缩主要是依靠浇冒系统，型壳的保温只能使浇冒系统的补缩效果更好一些，但不是决定因素。

（4）用石英砂型可填砂造型后，高温烘烤至900℃，浇注合金冷却速度慢，保温性能好。但热裂倾向仍很严重，要起到很好的补缩作用，除了开设良好的浇冒系统外，提高合金的流动性，降低合金的浇注温度都是有效的。因为降低浇注温度合金的结晶区间小，逐渐在凝固过程中失热快、凝固快，保证浇注后立刻形成凝固层，则铸件热裂有改善的倾向。

（5）铸件凝固过程中热场分布的均匀性同样对热裂有重要影响，热场均匀性取决于铸件结构及浇冒系统，另一个取决于型壳本身结构，对于那些结构复杂、壁厚相差悬殊、带有拐角深凹、盲孔等铸件，它本身就带来了在凝固过程中热场不均匀性，而制备型壳是大量的涂料再堆积在此处，就更加恶化了这一热场的不均匀性，从而使铸件的热裂倾向加大。

（6）由于上店土的高温强度较石英砂要高得多，所以型壳的厚度要薄得多。而且，厚度相对均匀，温度范围可宽，可在100～900℃内任选，就进一步改善了铸件的热裂倾向。

（7）型壳结构及型壳的线膨胀率对热裂的影响使铸件在收缩时不至于应力过于集中，这样有利于改善铸件的热裂倾向。

（8）对合金的化学成分及钢的熔炼方法及浇注温度也应加以控制。硫、磷度加大热裂倾向，而锰能消除硫的副作用。但锰含量不能过高。硅含量在0.17%～0.3%时对抗热裂有积极的作用。

（9）碱性炉熔炼时，合金的热裂倾向小，其原因为失热快，凝固快，含硫磷低。

（10）低温浇注可使整个铸件的温度均匀，抗热裂，也均匀保证浇注后立刻形成凝固层，不易形成热裂强度。逐渐地滞热作用减小都对减轻消除热裂有积极影响。

影响熔模精铸件热裂的因素较多，如化学成分，钢水中的氧化夹渣和凝固情况等，这些都是很重要的因素，但只注意这些因素并不能完全改善热裂倾向，需从型壳的耐火材料、制备工艺及型壳结构等给予足够重视，才能进一步改善热裂倾向。

案例29　弹簧托梁热裂纹的改进措施

生产条件及存在的问题　传统弹簧托梁的工艺方案，如图4-22所示。造型方法为手工实样、呋喃树脂自硬砂造型（芯）。工艺设置6个冒口，浇注系统由直浇道、横浇道和内浇道组成，且内浇道设置在分型面上。在托梁芯上相对于内浇道处安放规格为12mm× 100mm的冷铁24个，上箱靠近内浇道的型上设置规格为8mm×120mm×40mm的加强筋12个。采用3t碱性电弧炉氧化法熔炼，每炉熔炼钢液4t，共浇注16个铸件，出钢温度为1620℃，浇注温度1550℃，浇注后1h打箱，干法落砂。

CCKZ63弹簧托梁的工艺方案及容易发生的缺陷位置，如图4-23所示。其造型方法、熔炼工艺与传统托梁相同，但浇注温度为1580℃，浇注后1.5h打箱，干法落砂。另外，托梁的浇注系统和冒口数量与传统的弹簧托梁不一致，而且还未设置加强筋和冷铁，并在砂型上设置6个排气道。

CCKZ63弹簧托梁的裂纹一般出现在冒口根部、托梁端头底部以及内浇口与铸件的交接处附近（图4-23中A、B处），其中A、B处为裂纹多发区且常断裂并扩展，导致难以焊补。目测裂纹，长度一般为20～250mm，裂纹深浅不一，较浅的2～4mm，严重的直接贯穿梁身。

解决裂纹缺陷的措施

（1）增加内浇道。为了使合金液在型腔内流动平稳，并快速充型，减轻内浇口周围型（芯）壁受合金液长时间冲刷而引起的局部过热，应增加内浇道的数量，同时在托梁端头上部增加冒口来加强补缩效果，冒口规格为90mm×110mm，如图4-24所示。

（2）增加冷铁和设置加强筋。参考传统弹簧托梁的工艺设计，在托梁芯上相对于浇道处安放冷铁，冷铁的尺寸为φ12mm×100mm，并在上箱靠近内浇道的型上设置规格为8mm×120mm×40mm的加强筋12个，如图4-25所示。

另外，在浇口处设置加强筋，由于加强筋比梁壁薄，冷却速度快，当钢液温度达到液相线以下时，加强筋迅速凝固，很快具有相对较高的强度，可承受因铸件凝固收缩而对内浇道附近薄弱区产生的拉应力，从而消除热裂纹的发生。

（3）改进型芯材料。在铸件造芯时，使用高温退让性较好的水玻璃砂，造芯时在水玻璃砂中掺入锯末、草袋等材料，进一步增强砂芯的高温退让性，以达到防止裂纹的效果。

另外，造型时在托梁易产生裂纹的位置处模样表面敷一层厚度为30mm的铬铁矿砂。由于铬铁矿砂的热导率比硅砂大几倍，可使该处的凝固速度与相邻断面的凝固速度均衡，有利于防止该位置产生裂纹。

（4）降低浇注温度。将托梁放在后期浇注，适当降低浇注温度，减小金属液的凝固速度。为防止浇注后期因铁液浇注温度过低而造成铸件轮廓不清晰、浇不足等现象，将温度定为1560℃左右。

采用以上措施后，经实际生产验证，裂纹的出现几率由以前的45%降为5%～7%；弹簧托梁75%～85%的裂纹长度＜50mm，其余部分在100mm以内，且宽度＜1mm，较容易焊补；另外，废品率也由原来的15%降为5%以下，铸件质量得到显著提高。

图4-22　传统弹簧托梁工艺

1、5.加强筋；2、4.内浇道；3.冒口；6.冷铁；7.砂芯；8.直浇道；9.一次横浇道；10.二次横浇道；11.三次横浇道

图4-23　CCKZ63弹簧托梁工艺

图4-24　改进后的浇注系统

1.内浇道；2.直浇道；3.横浇道；4.冒口；5.排气道；6.加强筋

图4-25　冷铁位置

案例30　铁芯涡轮铸件裂纹防止

生产条件及存在的问题　涡轮铸件形状如图4-26，其中外缘为ZA27合金，铁芯为35号钢，外形尺寸为φ170mm×58mm。采用金属型铸造，环形冒口补缩，浇注前金属型和铁芯合理预热。ZA27合金在生产中用100kW中频感应电炉熔炼，石墨坩埚作为炉衬。为了最大限度地利用感应炉满料熔化热效率高的特点，加料方式为一次性加入Al—Cu中间合金，适量的ZA27切屑，全部Al和2/3的Zn熔化，熔清后低温加入Mg，过热到800～850℃时再加入1/3的Zn，静置至550～600℃时钟罩压入脱水ZnCl2进行浮渣处理，浇注温度为520～550℃。铸件完全凝固后开箱，采用喷雾冷却，使铸件快速通过275℃相变线。

解决措施

（1）金属型和铁芯都要充分加热保温，合理预热，特别是铁芯的合理预热，根据我们生产试验表明，以200～250℃为宜，保温时间应视保温炉装料量而定，控制在0.5～1h。铁芯从保温炉中取出后用钢丝刷清理干净表面灰分及氧化皮，尔后立即浇注。

（2）严格控制合金液的成分。

（3）控制合适的浇注温度和浇注速度，浇注温度一般为520～550℃。低温快浇，浇注过程中保证不断流，浇包不应固定于某一特定位置，以免局部过热，而应随铸型环形移动浇注。

（4）合理喷雾冷却工艺。

采用这些措施后，所生产的ZA27铁芯蜗轮铸件的裂纹现象已完全消除。

图4-26　涡轮铸件结构图

案例31　板坯表面纵裂的控制措施

生产条件及存在的问题　某炼钢厂拥有300t混铁炉一座，20t氧气顶吹转炉三座（实际单炉出钢量30t）。中厚板是临钢的主导产品，板坯连铸的设备、工艺等跟不上发展的要求，表面纵裂时有发生，给企业带来了不利的影响。

解决措施　临钢板坯表面纵裂的形成是多种因素综合作用的结果。其裂纹源是由于结晶器弯月面初生坯壳厚度的不均匀，导致在结晶器内坯壳较薄处产生应力集中，这种裂纹源在二冷区扩展，另有硫的严重偏析，加重了裂纹的形成和扩展。为有效防止板坯表面纵裂，提出如下控制措施。

（1）保证中间包液面和结晶器液面的正常波动。中间包和结晶器液面波动的最重要因素是中包高度，必须保证中间包有一个较深的熔池，这样即使换钢包、换水口也不会导致结晶器液面有大的波动，而且还可促进夹杂上浮，减少渣子卷入钢液。对于板坯来说，10t中间包太小，应将10t中间包扩容至15～20t，以增加中包高度，减少结晶器液面波动。

（2）多炉连续浇钢最好是一个拉速不变的浇注过程。但由于换钢包、换水口、水口堵塞、漏钢或炼钢和浇钢在时间上不匹配，不得不在短时间内降低拉速甚至停浇，正常后又不得不提高拉速。这样看来，对于拉速，波动肯定有，但我们应有一个严格的要求，保证拉速在短时间内不至上升太快，最好在大于5min时间内把浇注速度由0.3m/min提高到1.25m/min，以保证浇注速度的相对稳定性。降速阶段可适当控制，最好减少停浇次数。

（3）严格控制钢液的浇注温度，确保在1525～1545℃范围内，关键是：a.防止转炉出高温钢液；b.加强转炉—连铸间保温和温降控制工作。

（4）加强维修，采用专用保护渣。对于结晶器锥度变化：a.加强检修、维护工作，宜将现有的2周1次8h检修改为1周1次，并保证至少8h检修时间；b.增加结晶器铜板钢性；c.增加液压在线可调装置。保护渣应采购高质量板坯专用保护渣。

（5）严格控制硫含量，修改工艺操作参数。对于Q235钢硫最好控制在0.030%以下。在转炉炼钢过程中，在降低硫的同时增加锰含量，以增大Mn/S，但并不一定要增加成本。可以从降低出钢温度和减少下渣量以提高锰的回收率方面着手，另外，转炉出钢过程中锰按中上限配，保证使Mn/S至少≥20，使高熔点的MnS能代替低熔点FeS，以减少对晶界的脆化。

案例32　渣罐裂纹的消除

生产条件及存在的问题　这里讲的渣罐结构与普通渣罐有很大差别，如图4-27所示。铸件材质为ZG230-450，重20t。罐体外表面肋板较多，罐体壁厚80mm，罐底壁厚100mm，两主肋厚80mm，其余6道肋厚为40mm，结构上形成多处热节，在铸件收缩过程中受到砂型的阻碍，而在强度最低处即热节处产生裂纹。原工艺方案如图4-28所示。

原砂采用硅砂，粒度0.106～0.212mm（40/70目），含水量4.8%。原工艺方案全部采用水玻璃自硬砂，中一、中二砂型采用外组芯方案，型芯全部上窑烘干。型芯刷醇基锆石粉涂料，采用两炉合浇，浇注温度：5t炉1590℃，3t炉1600℃，保温4h。由于自硬砂型退让性差，收缩过程中在40mm肋板与罐体热节处产生热裂纹。严重的裂纹宽5～7mm，穿透整个罐体，且在转角及耳轴孔处粘砂严重，难于清理。

解决措施

（1）形成渣罐内表面的1号芯退让性差，影响收缩是形成裂纹的主要原因之一，因此，考虑降低1号芯的强度。由于1号芯在操作过程中大口朝下，适当降低型砂强度不会给生产操作带来困难。

（2）在40mm肋板与罐体连接处设置防裂加强肋，肋板结构交错排列，防裂拉肋较热节有相对高的强度，可以有效地防止裂纹的产生。

（3）转角尺处采用铬铁矿砂，以消除粘砂，并有一定的激冷作用，有利于消除热节的影响。

（4）浇注后2h嵌箱，即在下箱分型面处放置80mm厚的垫铁，将上型及中一、中二箱垫起80mm，防止收缩过程中应力进一步增大。

（5）两炉合浇，5t炉浇注温度1570℃，3t炉浇注温度1580℃，防止粘砂。

（6）其余工艺方案不变，浇冒口也不做改动。

图4-27　渣罐结构图

图4-28　原渣罐铸造工艺简图

案例33　采用热割冒口工艺消除传动齿轮铸件裂纹

生产条件及存在的问题　传动齿轮需要承受较大的载荷，固对其品质要求非常高。铸件及工艺简图见图4-29。铸件毛坯质量为800kg，材质为美国铸钢件技术标准4340钢（相当于国内40CrNi2Mo），是一种低合金超高强度钢。开始生产4件，都出现严重的裂纹缺陷，导致铸件报废。

图4-29　传动齿轮铸件工艺简图

解决裂纹的措施　此传动齿轮与一般齿轮相比不仅有较大较厚轮毂，而且还带有1个小轴头，因此，工艺设计时需要用较大冒口。冒口与铸件连接后，此处壁厚增加，使其在凝固冷却过程中与齿轮辐板、轮缘部分的冷却速度不一致，彼此间相互制约产生应力。这种应力在铸件冷至常温落砂后仍然存在。在进行常温气割M1号冒口时，由于割口处温度较高，与周围温差较大，此时轮毂产生一定的热应力，加上轮毂本身又存在较大的残余应力，当两种应力的方向正好相同时，应力便会叠加，使轮毂处的铸造应力得到进一步加强，如果应力超过合金的强度极限，则产生裂纹。

通过以上对产生裂纹原因的分析，显然要消除裂纹缺陷，就应尽量减少铸件在冷却过程乃至气割冒口时所产生的应力，最终采取对传动齿轮铸件先进行退火去应力后，利用余温再热切割冒口及补贴来减少应力产生，消除了热裂纹缺陷。

案例34　柴油机中间体铸件裂纹的防止措施

生产条件及存在的问题　船用柴油机中间体铸件的外形如图4-30所示，材质为S18F，表面裂纹的部位见图4-30中圆点所示之处，为长短10～20mm不等的裂纹，外观形状不规则，表面呈氧化色（近似黑色）。用10倍放大镜观察发现，距表面l～4mm处均有大小不一的圆形孔洞。

解决措施

（1）精料入炉，一级废钢占装入量的80%以上，严格控制高磷、硫废钢的使用。保证成品中磷、硫不得超过0.02%。

（2）加入一定量的钼，提高钢的高温强度，按0.15%～0.30%加入合金元素Mo。

（3）强化冶炼过程中，对进行钢液去气沸腾操作，在薄渣下保持不少于10min的静沸腾，尽量降低渣层对上浮气泡的阻力，是保证最大限度地去氢、去氮的有效措施。

（4）加强脱氧操作。脱氧加铝为1kg/t，终脱氧加铝量为0.8kg/t，出钢时再用复合脱氧剂Ca-Si为2kg/t脱氧。

（5）延长钢液在包中的镇静时间（控制在10～15min），确保钢中的夹杂物充分上浮，最大限度地降低钢中夹杂物含量。

（6）注意清除钢包和铸型中的浮渣。

按改进工艺冶炼了10炉，浇注中间体16台份，不仅化学成分合格，力学性能达到要求，而且非加工面光滑，打磨和焊补处极少，成品磁粉探伤仅1～2次即可交货，用户十分满意。

图4-30　中间体铸件示意图（图中黑点表示产生表面裂纹处）

案例35　汽车铝轮热裂纹缺陷的防止

生产条件及存在的问题　整铸铝轮常采用重力铸造，其优点是冷却速度高，晶粒细小，铝合金车轮力学性能高，设备投资小，其缺点是铸件成品率不高，产品质量不够稳定，比如，出现热裂纹缺陷。裂纹主要集中在轮辋和辐板的交接处，见图4-31中1处。

解决措施　从产生的位置来看，轮辋和辐板交接处是一个热点，使轮辋外模过热，而且往往由于轮辋和辐板壁厚相差太大，使热节点集中在轮辋与辐板交接处，如果辐板比轮辋先凝固，则辐板向中心收缩。在热节得不到补缩的条件下，该处常常形成热裂，附近区域产生缩坑。防止措施如下。

（1）铸件结构设计。整铸铝合金车轮要得到合格铸件，必须加以顺序凝固控制，即轮辋首先凝固，辐板在压力作用下补缩轮辋热节点，然后辐板凝固，轮毂部分补缩辐板，轮毂最后凝固，轮毂部分通过直浇道来补缩。这是整铸轮圈铸件结构设计必须考虑的原则。

由于轮辋壁厚设计尺寸为6.0mm，单面加工余量为1.5mm，而辐板厚度为5.0mm，这样辐板与轮辋之间壁厚相差太大，引起热节，铸件结构设计不合理，因此，轮辋加工余量减小0.5mm，辐板厚度加到6.0mm左右，使轮辋与辐板厚度相差较小，轮辋与辐板交接处不会产生缩裂、缩坑，有利于铸件合格率提高。

（2）铸型设计。采用重力铸造，在固定底型座通入φ12mm镀锌冷水管，通过降温实现顺序凝固，延长铸型使用寿命，在轮辋热节点上加10个冒口，每个冒口沿轮周长长度为40mm，冒口厚度为25mm，高度为70mm，以冒口补缩解决局部热节点补缩问题，可以防止热裂产生。

（3）工艺因素。铸型涂料在轮辋中使用导热系数较大的石墨粉和ZnO，涂层厚度为0.10mm左右，在辐板处稍微厚一点儿，涂层厚度达0.15mm，改进顺序凝固条件，可防止热裂产生。

（4）合金因素。合金液精炼和适当降低合金液浇注温度，是减少热裂的有效措施。减少合金中氧化皮和含气量、提高合金流动性、降低浇注温度，可减少合金液充型后总收缩量。浇注温度控制在（710±15）℃比较适当。

一般用钠盐变质，由于合金液固相点下降，结晶区增加，加上合金表面张力增加，合金流动性有所下降。在实际生产中，用适量稀土金属变质，合金流动性有所提高。在ZL101中加入质量分数为0.13%的混合稀土时，合金流动性明显增加，液相线下降10～ 15℃。

图4-31　轮辋和辐板的交接处产生裂纹

案例36　实型铸造分层缺陷预防

生产条件及存在的问题　实型铸造法生产的铸铁件，尤其是较高大件的上部很容易出现坍层缺陷，严重影响铸件的质量，甚至使铸件报废。对于分层缺陷，有的资料亦将其归为冷隔状皱皮类缺陷。分层与冷隔状皱皮存在以下共同点：铸件两部分间存在大量黑色夹杂物；从铸件外表看，分层与冷隔状皱皮均为长带状分布，且范围都较大。

预防措施

（1）分析影响分层缺陷形成的因素，并找出其主次，着重消除主要因素的影响。如有些铸件的分层缺陷在其他工艺不变的条件下，只要改变浇注系统的结构即可避免。

（2）在保证模样有足够强度和刚度的前提下，尽可能选用低密度的泡沫塑料，以减少因模样材料汽化不完全而留下的残渣量。

（3）使用先进的熔化设备，提高金属液的浇注温度，大型铸铁件必须配备高熔化率的冲天炉：用若干座冲天炉同时熔化；用冲天炉—电炉双联熔化；全部用大规格电炉熔化。普通灰铸铁的浇注温度以不低于1380℃为宜。

（4）合理设置浇注系统。为避免在高度方向产生两股以上的金属液流，应尽可能避免使用阶梯式浇注系统。如因铸件高度较大而必须使用时，必须保证底层内浇道的截面积大于直浇道截面积，以防止直浇道中有多余的金属液积存，使直浇道中金属液面的上升速度大于型腔中金属液面的上升速度，导致金属液从上下内浇道同时进入型腔；同时避免将上层内浇道设置在铸件顶部，以便一旦出现金属液从上下内浇道同时进入型腔时，两股金属液流间的夹渣有足够的时间浮到铸件上表面。

（5）选择最合适的涂料配方，并用机器搅拌涂料，涂敷以往复刷涂为宜。

案例37　封口墙板铸件裂纹的防止

生产条件及存在的问题　封口墙板铸件见图4-32。铸件重量为1000kg，牌号为HT200，铸件外轮廓尺寸为2140mm×750mm×700mm，平均壁厚15mm。封口墙板采用黏土砂干型铸造，石墨水基涂料。砂芯有树脂砂芯、干型砂芯。

在造型中，铸件外轮廓由木模造型，内腔由12个砂芯组芯而成。由于铸件结构复杂、壁薄、砂芯多，在浇注、冷却过程中，受铸型、砂芯、芯骨等阻碍，铸件易形成应力集中而产生裂纹（如图4-33所示A、B两方框处的四个角）。封口墙板采取顶注开放式浇注系统，铸件全部放在下型。由于铸件长度方向的两端有砂芯（干型砂芯），其造型工艺采用如图4-33所示的浇注系统形式：一端浇注，内浇道由铸件两侧分散引入。

其各截面尺寸为：直浇道φ65mm；横浇道（梯形）60mm×50mm×64mm；内浇道（扁平）40mm×36mm×6mm（18个，两侧各9个）。铸型上型开设10～12个φ12mm的出气冒口。

使用三种材料砂芯：树脂砂芯、桐油砂芯和干型砂芯。由于树脂砂强度高、溃散性好，但成本高，我们将2号、3号、12号芯用树脂砂制造，其余的使用干型砂制芯。树脂砂选择呋喃树脂为黏结剂（树脂加入量为原砂的2.5%～3%）；硫酸乙酯溶液为固化剂；原砂用铸造水洗砂（粒度分组代号30）。树脂砂芯采取自硬冷芯盒法人工制芯。树脂砂芯、干型砂芯均用石墨水基涂料涂刷表面并烘干。

封口墙板的12个砂芯中，1号、2号芯固定最难，1号芯的底部放在3号芯上，砂芯侧面与12号芯接触面预露出两处芯骨，合箱时用特制的一端带有螺栓的钢钩锁住预露的芯骨，把钢钩外端（带有螺栓）固定在砂箱的外壁上，再用未烘干的干型砂把芯骨和12号芯的预留缺口补平。2号芯的芯骨（芯头处）预先浇出带圆环的拉杆。2号芯是悬吊着的，靠一侧面的两处芯头固定在烘干的铸型上，并用带钩螺栓紧固在砂箱外壁上。砂箱两侧外壁相应位置上分别留出160mm×160mm的窗口。砂芯间放高度15mm的工字芯撑，以保证内壁厚。

封口墙板的浇注封口墙板的浇注时间为30s，快速充型，以缩小铸件内部温差，减小应力。

解决措施　由于铸件内腔结构复杂，外壁窗口多、砂芯多、1号、2号芯重量大和芯骨粗大等原因，铸件在冷却、收缩过程中产生的阻力大，易形成应力集中，使铸件产生裂纹（热裂、冷裂或同时存在）。

生产中，我们采取有效措施，防止裂纹的产生。

（1）降低铸件材质牌号。征得设计人员的同意，在确保产品使用性能的基础上，将封口墙板铸件牌号改为HT150。

（2）包内孕育处理。对浇注封口墙板铁液进行加铜孕育处理，以提高铸件强度。冲天炉出铁温度控制在1450℃以上。

（3）更换1号芯材料。由于干型砂芯的退让性、溃散性差，收缩阻力大，产生的应力大，我们将1号芯由干型砂改为树脂砂芯。但1号芯体积大，全部使用树脂砂，则成本过高。在制作1号芯时，我们用树脂砂充填40～50mm厚的外壳，内部用焦炭或废砂块充填，以减少树脂砂用量，并使树脂砂芯内部形成通气网络。在浇注期间，给1号芯点火。

（4）延长铸件保温时间。封口墙板铸件浇注完毕，在铸型内保温24h后开箱。铸件清理后进行去应力退火，以降低铸件内应力。

图4-32　铸件结构简图

图4-33　铸件工艺简图

案例38　复合辊的热裂缺陷防止措施

生产条件及存在的问题　Cr4复合铸钢支撑辊是通过合理设计外层及芯部化学成分、改进冶炼和铸造、浇注工艺、采用差温淬火及多次回火工艺技术生产的新型产品，轧辊硬层内典型的组织结构是以回火屈氏体为主，加少量马氏体组成。该产品具有耐磨性好、抗剥落能力强、综合使用性能优良等特点，可广泛适用于热带连轧机、冷带连轧机、平整轧机、中厚板轧机及炉卷轧机等四辊或六辊板带钢轧机。Cr4复合辊毛坯生产过程中出现了热裂和表面结疤缺陷。

解决措施

（1）合金成分、熔炼工艺。

①调整钢水的化学成分。在保证支撑辊使用性能的前提条件下，降低碳含量，减少外层碳化物含量；提高硅含量，改善钢液脱氧，防止钢液二次氧化，避免铸件产生气孔；适当提高钼含量，能提高钢水的热强度，增强抵抗裂纹的性能。严格控制有害元素磷、硫含量，硫控制在0.025%以下，磷控制在0.04%以下。

②加强钢水的脱氧。对外层钢水进行炉外精炼，芯部钢水用电弧炉冶炼，加强还原期的工艺控制，降低炉后加铝量，使用综合脱氧剂，加强脱氧去气，减少气体的析出量。因为综合脱氧剂可以有效减少氧化夹杂量，其脱氧产物尺寸要比单独用脱氧剂的大得多，易于从钢液中将它们排除。氧化夹杂物往往存在于一次结晶晶粒晶界上，削弱了晶粒之间的连接，促使热裂形成。

③增加稀土变质处理。一次结晶时，使晶粒细化是防止铸件热裂的有效措施。因为细晶粒为等轴晶晶粒，枝晶晶叉不发达，搭成晶粒骨架后对晶粒间液相渗流流动阻力小，提高了液相的过滤补缩能力，即提高了治愈热裂的能力。

其次是晶粒细，晶粒总表面积增大，当凝固末期液相量一定时就使晶粒间液膜变薄，液膜中的固相桥增多，显著增强了液膜的抗断力。如加入0.2%稀土，稀土除了细化晶粒，降低铸钢件热裂倾向性外，还有很强的脱氧、脱硫、净化钢液的作用。

④调整钢水温度和成型速度。为了减少内部成型钢水对外层钢水的热冲击，一方面钢水浇注温度控制不宜过高，特别是内部钢水浇注温度更要严格控制；另一方面，控制内芯形成的速度，尤其是初期浇注速度不宜过快，防止热裂产生。

（2）铸型方面。对铸钢复合支撑辊冷型涂料，增加膨润土含量，以增加涂料的退让性；增加涂层厚度，减缓激冷；改进喷涂工艺，提高涂层的均匀性、密度以及附着强度。

采用电加热冒口工艺，附以保温冒口覆盖剂，延长冒口凝固时间，提高冒口对轧辊的有效补缩率。

案例39　轨道板铸造裂纹的消除措施

生产条件及存在的问题　轨道板，材质HT200，每件重5.8t，其工作过程中将承受载荷，因此，要求铸件不能存在裂纹缺陷。一段时间，由于受原材料供应、生产条件等因素影响，连续出现多块轨道板铸造裂纹缺陷，造成重大损失，也给生产的组织和安排带来一定难度。轨道板裂纹发生部位主要在铸件上表面四边缘尖角处，与四边线基本呈垂直状，裂纹宽度不一，严重的在5～10mm，轻微的1～2mm，裂纹形状比较规则，从解剖裂纹的断口观察，宏观组织粗大，断口有金属光泽，稍有氧化色，外表基本走向呈直线状。这说明裂纹是在较低温度下形成的，属冷裂缺陷。

解决措施

（1）提高金属强度。

①碳当量的控制。从轨道板化学成分分析可看出，当碳当量偏高时，铸件裂纹倾向明显。根据资料介绍，只要碳当量不超过30%，其力学性能可以达到HT200牌号要求，通过提高废钢配比，可减少铁料带入的碳量，有利于消除粗大石墨，达到减弱甚至消除生铁遗传性，提高力学性能的目的。生产中废钢加入量由原来的10%～15%增至25%～30%。

②锰含量的控制。对于厚壁铸件，适当提高含锰量，一方面，可以增加组织中珠光体含量，强化基体；另一方面，还能消除硫所造成的热裂危险。生产中控制含锰量0.8%～1.0%。

③对金属液进行孕育变质处理。生产中采用加入少量稀土硅铁合金的方法。加入稀土，一方面，可增加铁液中异质晶核，细化晶粒，同时，稀土元素还可在基体中起合金化作用，强化基体；另一方面，又可改善石墨形态，使石墨从厚片状改变为部分球状、蠕虫状、团絮或细片状，减少了石墨对基体的切割作用，降低了裂纹倾向。生产中控制稀土加入量在0.8%左右。

（2）降低应力方面。

①降低铁液夹杂物。一方面，加强熔炼操作，提高炉温，保证高温出铁；同时控制浇注温度，做到高温出铁，低温浇注。通过静置，使得夹杂物能较充分地漂浮上来便于除去，减少应力源；另一方面，提高旧料铁的使用量，降低新生铁的直接影响，旧料量为30%～40%。

②开箱时间调整为4h左右。

③打箱后立即覆干砂缓冷，覆砂层厚度不小于200mm，特别在轨道板四周，砂层必须均匀，造成缓慢均匀冷却，防止收缩不均开裂，缓冷36～40h后出砂坑。

通过采用上述措施，控制了轨道板冷裂倾向，以后生产的轨道板没有出现因冷裂而报废现象。

案例40　厚壁离心铸钢管的裂纹缺陷消除

生产条件及存在的问题　厚壁离心铸管的材质为ZG200-400，长为256cm，外径为53cm，内径为33cm，重量为2700kg。其生产是用壁厚为100mm的离心金属型内衬涂料铸造，铸型外部采用自然冷却，涂层厚度一般为10mm。铸管的主要铸造缺陷是在内、外表面产生的裂纹，这些裂纹纵横交错，相互连接，严重的裂纹可贯穿整个断面，造成铸管断裂。

解决措施

（1）钢液的浇注温度。钢液的浇注温度越高，结晶凝固时放出的热量也越多，凝固时间就越长，厚壁离心铸管的凝固方式就越趋向于双向凝固，在结晶凝固和固体冷却收缩阶段产生的铸造应力就越大，产生裂纹缺陷就越严重。因此，对于厚壁离心铸管钢液的浇注温度应尽量低些。

（2）钢液的浇注速度。在钢液浇注温度一定时，浇注速度越快，钢液从进入铸型到完全凝固成铸管的时间就越长，造成裂纹的倾向越大。因此，在不产生冷隔的前提下，厚壁铸管的钢水浇注速度越小越好。

（3）金属铸型的冷却方式。在厚壁离心铸管的铸造过程中，金属铸型的温度不断升高，在铸型与空气自然对流和辐射散热的条件下，铸型表面温度能够达到600℃，对厚壁铸管的结晶凝固极为不利，会增加裂纹倾向。对金属铸型表面施行强制冷却措施，可以提高铸型的散热能力，提高铸管的冷却速度，缩短凝固时间，形成从外表面向内表面的顺序凝固，减少铸造应力，从而控制和避免裂纹的产生。

（4）金属铸型的转速。由于厚壁铸管的凝固时间较长，从开始浇注到停机取出离心铸管的总时间为30min。在外表层钢液结晶凝固时就已经产生了收缩，铸管与铸型间产生间隙，此时，如果铸型转速太高，内部钢液对已结晶凝固外表层的压力会很大。而此时合金的强度及塑性都很低，容造成外表层开裂。因此，在钢液全部浇入铸型后，铸型的转速要适当降低。

（5）离心铸管机的平稳性。如果铸管机的平稳性不好，铸型在旋转过程中会产生跳动，就会增大产生裂纹的倾向。因此，离心铸管机的平稳性要好。一旦发现铸型旋转不平稳，应及时检修调整。

案例41　灰铸铁件开裂与化学成分的关系及防止

生产条件及存在的问题　灰铸铁件的开裂可能在铸造生产的工序中出现，也可能在机加工或使用中出现。既可能是铸件结构、工艺设计、造型材料、冷却规范或使用、操作不当等因素造成，也可能是化学成分选择不当所致。总之，铸件的开裂是施加的应力超过灰铸铁的强度所致，这种应力既可能是残余应力，也可能是外加应力或两者的结合。

解决措施　白口脆，比灰口易开裂，所以铸件断面边角处有白口会显著增加铸件开裂的倾向。硫是强烈的“白口”元素，但其影响可通过维持适量的锰来抵消。锰可按下式计算wMn%=1.7×wS%+0.3。未被抵消的硫可能导致铸件边角，乃至整个断面出现白口。

铬小于0.2%是允许的，大于0.2%就会促进白口形成，薄壁件尤甚。可通过炉前化学分析和炉前三角试块测试，谨慎控制此元素。不锈钢废料、钡、铈、铋等元素也有类似作用，亦应谨慎使用。

某种元素，即使微量，也会降低灰铸铁强度，增加铸件开裂倾向。这些元素通常来自劣质或受“污染”的废钢、废铁。

铅含量超过0.0004%～0.0005%，特别是铁液从潮湿的炉料、炉衬、出铁槽、浇包或铸型中吸收了氢气以后，铸铁会产生魏氏组织石墨和“尖头石墨”，这种畸形石墨严重降低铸铁强度，强度大约下降一半，致使铸件开裂。故含铅材料，如易切削钢、带有含铅油漆的废钢、废铁以及含铅的有色金属零件都应剔除。

硼、锑、铅可能来自炉料中的搪瓷废钢。这些元素会使铸铁变脆，增加薄壁铸件开裂倾向。炉料批重所含搪瓷废钢不应超过5%。

为了保证得到更多的珠光体，某些灰铸铁中常加入高达0.1%的锡，超过0.1%的锡，铸铁强度下降，脆性、开裂增加。

案例42　机床灰铸铁件冷裂的防止

生产条件及存在的问题　灰铸铁件产生冷裂的原因是由铸件在冷却到弹性阶段时收缩受阻，在铸件内部产生较大的内应力，当某处的内应力超过该处的强度极限时即在该处产生冷裂。对于机床灰铸铁件而言，这种因铸造应力大于强度极限而产生的冷裂有可能在一些结构设计、工艺设计及操作失误中产生。

解决措施

（1）合理设计，修改铸件结构。在铸件结构设计中，应尽量避免各部分壁厚差别过大，以免造成各部分冷差别过大而产生内应力。同时，铸件结构不应过度阻碍铸件冷却时的收缩。设计人员应积极与工艺人员配合，在工艺设计中，若发现铸件结构易导致冷裂，应要求设计人员根据所确定的铸造工艺方案修改设计。

（2）合理设计铸造工艺方案。

①浇注系统应尽量保证铸件各部分冷却速度均匀，并且不要阻碍铸件收缩。

②防止在薄弱部位产生拉应力。封闭型框架结构铸件由于在收缩时所产生应力无处释放而极易形成应力框，在铸件的薄弱部位产生冷裂。

③对于大型薄壁铸件，适当加大砂芯芯头以使刚性较大的芯铁梁全部位于芯头中，这样可有效地减小芯铁梁对铸件收缩的阻碍作用，并可防止芯铁梁在高温铸件的烘烤下产生过大的膨胀。

④在某些易裂部位适当增设工艺凸台或工艺拉筋。

⑤选用吃砂量足够的砂箱。

（3）采用合适的型、芯砂。以黏土砂造型为主，提高黏土砂的退让性对防止灰铸铁件的冷裂非常关键。在长期的生产实践中经过多次试验，在易裂件的制芯中采用专用芯砂。

（4）熔炼。

①严格控制铁液中的含磷量和含硫量。

②在合金中加入少量的铬（＜0.5%）可以提高灰口铸铁的抗拉强度和抗弯强度。

（5）操作。

①造型和制芯：对于易裂件，砂型和型芯的紧实度不宜太高；制芯应用特种芯砂，砂芯中要多放炉渣以提高其退让性，芯铁的持砂量要足够大并要尽量置于芯头中。

②合箱：在薄壁铸件合箱时，一定要保证铸件壁厚均匀，以防造成热应力及局部结构薄弱。另外，分型面尽量平整以防造成披缝裂纹延伸到铸件本体。

③控制打箱时间：打箱过早，铸件内外温差较大，易导致热应力，若生产条件允许，应尽量晚打箱。

④在铸件的打箱、吊运、铲磨过程中严禁硬性机械碰撞。

⑤在铲除披缝、浇注系统时，应注意用力方向。

案例43　加稀土合金预防大口径灰铸铁阀体裂纹

生产条件及存在的问题　某生产低压阀门的专业厂，年产阀门2000t，其铸件材质是HT200。在铸造过程中，大口径阀门加强筋部位，时常出现裂纹。有的裂纹为1～2mm，有的为4～8mm，最深的达l6mm。使用放大镜观察裂纹痕迹，可见其裂口是穿过晶粒，且是连续直线状，没有分叉，属于冷裂。由于此裂纹的出现，影响了阀门的质量，成为废品，造成了不应有的损失。

解决措施　采用加入微量稀土合金的方法，可以提高灰铸铁的强度，当稀土合金的加入量在0.2%时，灰铸铁的强度大约提高10%。采用此方法有效地预防了大口径阀门灰铸铁件加强筋部位的裂纹问题。

案例44　离心复合铸造球墨铸铁轧辊辊身裂纹缺陷的应对措施

生产条件及存在的问题　采用卧式离心机生产的复合球墨铸铁轧辊，外层采用贝氏体球墨铸铁，芯部采用低NiCrMo合金球墨铸铁，其辊身常出现轴向、径向或不定向的裂纹。从形成机理分析，这些裂纹有的是冷裂，断面有金属光泽；有的是热裂，断面严重氧化，无金属光泽。

解决措施

（1）合理选定冷型转动速度。必须谨慎地选定转动速度，在不引起离心外层开裂的情况下尽可能提高铸型转速。速度的选择对于凝固收缩较大和红热强度较低的球墨铸铁来说尤为重要。不合适的转动速度将造成铸件的偏析、内部裂纹及残余应力。

通常根据下列公式计算出冷型的转速：

式中　n——冷型转速（r/min）；

　　　G——重力倍数；

　　　R——冷型内半径（cm）。

这样确定冷型转速n，即转变为确定重力倍数G。重力倍数G是保证轧辊离心层质量的重要参数，它是减少外层偏析、裂纹、气眼等缺陷而获得致密铸件的关键。对于合金球墨铸铁材质，应取较高的重力倍数以获得细化并致密的组织，提高硬度及强韧性，故G≥70。

同时，过大的重力倍数，会使外层未结晶的铁水对刚结晶的薄壳产生很大的压力，使外层容易发生开裂，故G≤120，通常取80～100，我们取G=90。

（2）冶炼高质量离心层铁水，有效地脱硫、脱磷以及去气除渣。

此外，我们还注意到：开箱时辊身表面温度应≤80℃，且要严防受冲击与震动，开箱清理后尽快转入热处理程序等措施对消除辊身裂纹也有一定作用。

案例45　离心铸铁管承口断裂的防止

生产条件及存在的问题　短流槽涂料金属型离心铸造铸铁管生产中，常见的废品有：①由于铁水流动性差而浇不足，管子不能完整地成型；②由于承口砂芯质量差或放置砂芯失误而造成铸管报废；③由于液压机械钳张力过大，在拔管时将铸管撑裂或拔断等。出现上述废品的原因较为直观和简单，易于判断、调整和解决。除此之外，还有一种非常值得重视的情况是铸管撑口断裂。离心铸铁管产生这种现象一般并不多见，但生产中都会碰到。通常，它是在生产进行中突然发生的，一时难以及时判断产生原因及采取防止措施，造成铸管连续断裂，成批报废，危害较大。

解决措施

（1）配料时，要注意满足离心铸铁管工艺要求。在进行配料计算时，要明确离心铸铁管对铁水化学成分的要求。铁水成分既要符合国家标准规定，又要满足离心铸铁管工艺要求。考虑到离心铸铁管采用短流槽浇注工艺及钢质管型，要求铁水有较好的流动性和较高强度及抗裂力，因此，应采用接近共晶点的亚共晶铸铁，硫含量要严格控制在规定范围内并尽可能低些，锰含量必须大于一定的锰硫比，磷取规定的上限。

按铸铁化学成分要求并考虑各元素在冲天炉熔炼中的实际变化情况，进行金属炉料的配比计算。尽量不要单独使用新生铁，以避免铸铁的遗传性影响；回炉铁配入量不宜过大，以减小铸铁的脆性。

（2）加强冲天炉熔炼过程的炉况控制。为离心铸铁管提供合格的铁水是防止铸管撑口断裂的主要措施。所谓合格铁水，即要求铁水有合适的化学成分、较高的铁水温度和较少的氧化夹杂。要满足这些要求，就必须加强熔炼过程的炉况控制。

在冲天炉熔炼过程中，炉况是不断变化的。例如，经过一段熔炼，底焦高度因燃烧而降低，风量就显得过大，元素（硅、锰）烧损加重，铁水温度降低，氧化夹杂增多，这就需要及时调整工艺参数，如减小风量，追加接力焦，以提高铁水质量，避免铸铁管撑口断裂。

冲天炉熔炼过程中，出现的炉料搭棚、落生等故障及修炉质量差而造成熔炼过程中炉壁脱落等，均会严重恶化炉况，使一批铁水质量变得很差，并造成成批铸铁管撑口断裂。为此，必须严格执行冲天炉熔炼工艺制度，严防故障发生。

（3）提高浇注温度。由于离心铸铁管采用短流槽浇注工艺，浇注的铁水要从管型的一端流到另一端，流动距离长，热损失大，且铸铁管又是薄壁铸件，这都要求所浇注的铁水有较高的温度。较高的铁水温度，不仅能提高其流动性，使铸铁管的凝固速度减慢且均匀，阻止铸铁管的双向结晶，而且有利于非金属夹杂物的排除，从而大大减轻热裂倾向。所以说提高铁水浇注温度是防止铸铁管撑口断裂的又一重要措施。

（4）强化铁水的挡渣和除渣。如果铁水温度足够高时，在离心力的作用下，随铁水而浇入管型的熔渣和非金属夹杂物的绝大部分或全部能够浮在铸铁管的内表面，但当铁水温度偏低，则会有部分熔渣和非金属夹杂物浮不上来而停留在管壁中，又由于撑口砂芯起着某种挡渣作用，而使渣和非金属夹杂物沉积在撑口与管身交接处，形成渣孔，割裂了基体，降低了铸铁管该处的强度，造成铸铁管撑口断裂。因此，在熔炼和浇注时，必须认真做好挡渣和除渣工作。

案例46　缸体裂纹缺陷的消除

生产条件及存在的问题　8170柴油机缸体呈8缸直列，外廓尺寸为1861mm×740mm× 500mm，缸径170mm，缸距225mm，体积小，设计紧凑，主要壁厚8mm，毛坯重920kg；要求材质为HT250，基体组织为珠光体，硬度HBS180～240。造型、制芯采用碱性酚醛树脂自硬砂，由于缸孔多、结构相对复杂，在毛坯验证生产初期，出现了高频度的下缸孔裂纹缺陷。

解决措施

（1）铸件结构的合理改进。该处结构由凸轮轴孔与汽缸孔合围而成，经过对凸轮轴与周围间隙的分析论证，对出现裂纹部位的壁厚结构进行了合理优化改进，即由缸孔外壁所呈的直线结构，改为以缸孔圆心为圆心，以［缸孔半径R+7mm（原最小壁厚）+4mm］为半径的弧状结构，且外壁与缸孔的角度由15°改为10°，这样不仅使最小壁厚增加致11mm，让该部位的壁厚结构趋于均匀合理，以降低冷却凝固过程中温度的差异。

同时，用样板严格控制对芯组装工艺，特别是下缸孔部位不允许存在任何错边与披缝，必须修齐抹平。

（2）改进熔炼工艺。

①化学成分与合金化工艺改进。碳、硅是灰铸铁中直接影响铸造性能、金相组织和力学性能的两大基本元素。碳、硅量提高促使石墨片变粗、数量增多、强度和硬度下降；碳、硅量降低可减少石墨数量、细化石墨、增加初生奥氏体枝晶数量，亦可提高铁液接受孕育的能力，提高材料的物理性能。但碳、硅降低会导致铸造性能变差，铸件断面敏感性增大，铸件的内应力增加。

另外，用于合金化处理的原铁液应有较高的碳当量，且碳量较高硅量较低，这样在添加合金与孕育处理后才能获得最好的强度和断面均匀性，防止硅增加铁素体、粗化珠光体、中和合金元素作用的有害倾向。同时，针对基体组织中铁素体含量较高，本体硬度偏低现象，我们对原铜—铬合金工艺进行了铜—铬—锡合金化工艺试验改进，以图实现稳定珠光体，提高材质性能的目的。

②炉前孕育工艺改进。通过对硅钡与硅铁孕育剂的试验比较，硅钡比硅铁有更强的增加共晶团数和改善断面均匀性的能力，且抗衰退能力强，孕育效果可维持20min以上。故将原工艺0.2%硅钡孕育剂，终硅量不足由75硅铁补充的炉前孕育改进为：0.3%～0.5%硅钡孕育剂进行孕育处理。

加入方法由铁锨改为漏斗，在出铁液时，随流均匀加入，孕育时间占出铁时间的50%以上，以减少孕育剂烧损与氧化，充分提高孕育效果。

③随流孕育工艺的开发应用随流孕育是在铁液浇注过程中实施的一种瞬时孕育方法，该工艺使孕育剂能均匀进入铁液流，有效避免孕育衰退，改善石墨形态，细化组织，提高材质性能。通过对硅钡、硅锆、硅铁三种孕育剂，0.1～0.5mm和0.2～0.7mm两种规格的不同孕育量试验，确定采用硅锆孕育剂，粒度0.2～0.7mm，孕育量0.08%～0.1%，孕育时间为整个浇注时间。

通过以上改进之后，石墨形态A形，片长4级，共晶团数6～7级，铸件本体珠光体稳定在98%以上，硬度HBS190～210。

（3）浇注系统的工艺完善。为了尽量减少铸件各部分的温差，对原底注与中注相结合的阶梯式浇注工艺作了进一步完善，中注内浇道由原来的从曲轴瓦口中心进入改为从瓦口侧面进入；为了保证承受爆发力的裂纹所在部位及整个汽缸孔基体组织的均匀致密，提高铸件的材质性能，在生产过程中，采用了平做、斜浇、斜冷工艺，并且初浇温度由1400～1420℃调整至1390～1400℃。

案例47　铸钢车轮及齿轮裂纹产生的防止措施

生产条件及存在的问题　近年来，起重机厂采用冷圈工艺铸造的车轮、齿轮件有时在铸造过程中出现裂纹缺陷，尤其是在气温低的冬季，裂纹缺陷较为严重，给生产造成严重的经济损失。

通过实际观察，裂纹断口表面呈金属色，基本看不到氧化色；裂纹线较为齐整，光滑连续；裂纹在辐板孔附近较宽，在轮缘处较窄；有的穿透辐板，成开裂性裂纹。根据裂纹形貌的实际观察分析，可以确定属于冷裂。

解决措施

（1）改进铸件结构。

①通过数值模拟和生产实践验证，适当增加辐板厚度，加大轮毂与辐板连接处圆角，扩大补缩通道的扩张角，有利于补缩，减小或消除辐板处中心缩松。此时，虽增加了材料消耗和铸件重量，但是解决了裂纹缺陷，必改模具，实施容易，故工厂愿意执行此方案。

②制作新模具时，可将现在的等厚直辐板改为不等厚的直辐板，有利于扩大补缩通道的扩张角，改善补缩效果。

③在辐板上设置加强筋，以增加辐板的强度。

（2）改善缓冷条件。将现有缓冷坑改小，一个坑一个盖，盖得严实，使铸件得到充分缓慢冷却，以减小应力。

（3）严格工艺操作规程。

①保证浇注时冷圈预热温度在50～80℃之间，冬季气温低时，应控制在上限。

②适时打箱，并立即将铸件放入缓冷坑中，盖好缓冷坑盖子，防止在低温空气中暴露时间太长，以减小应力。

③做到钢水脱氧良好，扒渣干净，锰、钼控制在中下限，磷、硫控制在允许值以下，保证钢水质量。

案例48　中空轴裂纹的消除方法

生产条件及存在的问题　中空轴是球磨机上的主要运动部件，材质采用ZG35钢，交货状态为完全退火。轴粗加工后在轴颈部经常出现裂纹（图4-34），在显微镜下观察，裂纹沿晶界分布呈曲折状，并伴有较大的撕裂性空洞，裂纹两侧脱碳（退火态），其内充满氧化物。从裂口的形状和颜色特征分析，裂口是在高温下产生的，此裂纹系热裂纹。

中空轴的原生产工艺如图4-35所示。图4-35A处（轴颈部）极易产生裂纹。

解决措施　修改后的工艺图见图4-36。

（1）浇注系统取消了原工艺的阶梯形内浇道，改用如图示切线耐火砖内浇道，设置在冒口下部的外补衬处，促使铸件更有效地顺序凝固，消除了下部内浇道处的热影响区域。

（2）保留原工艺的内外补衬系统，在图4-36E处（即三个保温冒口的下部）增加了三个外补衬，消除了原工艺垂直补缩距离和下部水平补缩距离不足的缺点。

（3）在铸件清理时，要去除冒口下部的内、外三个补衬，这样既不增加铸件重量，又不增加用户的加工工时，从而满足了用户的要求。

经质检部门跟踪检验，采用改进后的工艺方法生产的中空轴在加工后没有一件出现裂纹缺陷。

图4-34　中空轴示意图

图4-35　原工艺示意图

图4-36　改进后的工艺示意图

案例49　改进浇注系统消除摆杆的裂纹缺陷

生产条件及存在的问题　摆杆铸件材质为ZG310-570，外形尺寸小，结构简单，壁薄而均匀，没有大的热节点，所以可以采用同时凝固的工艺方案。从图4-37可以看出，内浇道在铸件的端面上，内浇道的横截面积较小，铸件充型时间较长，A处易产生过热现象，铸件裂纹多产生在A处的端面上。

解决措施　改进后的工艺方案如图4-38所示，内浇道虽仍在铸件的端面上，但是结构不一样了，是转折形浇道，易断口的横截面积增大了。钢液流入时，经过转折点缓冲后平稳地流入型腔中。铸件的过热区在浇道的转折点上。改进后的直浇道为正五边形，边长30mm，比原方案多组焊1列蜡模，每列6件，共组焊30件。

图4-37　改进前的浇注系统和组树示意图

图4-38　改进后的浇注系统和组树示意图

案例50　压铸镁合金方向盘裂纹的防止

生产条件及存在的问题　压力铸造是目前应用最广的镁合金成型方法，镁合金方向盘骨架裂纹缺陷经常出现在圆环凹槽底部、辐条与圆环相接的部位、内浇口附近及过渡部位的尖角部位，其中尤以环槽底部和过渡部位尖角部位出现频率较高。

A11镁合金方向盘压铸件由镁合金AM50A压铸成型，采用力劲DCC400M冷室卧式压铸机生产。合金的浇注温度为（680±5）℃，模具温度为（180±10）℃。

解决措施

（1）合金原材料的影响。生产方向盘骨架的合金铝含量要严格控制。锰主要与铁形成Mn-Fe化合物，从镁液中沉淀出去，减少了铁对合金塑性的影响；锰对细化晶粒也有利，有助于提高铸件的强度和塑性，减小热裂倾向。但锰含量过高会引起锰偏析，反而降低合金塑性，需控制一定的锰铁比，在锰含量未超出下限而铁含量也没超出最大值时，推荐铁锰比不超过0.015。

（2）铸件结构的影响。铸件结构设计是否合理对铸件能否形成热裂有直接影响，铸件壁厚不均时较厚部位最后凝固，收缩应力易集中于此处而出现裂纹。铸件设计应尽量避免十字筋及过于厚大的壁厚以免形成热节；过渡部位设计铸造圆角以避免应力集中形成裂纹，但过大的圆角则形成热节，铸件冷却缓慢而晶粒粗大，强度和塑性降低难以抵抗收缩应力而形成裂纹。

（3）压铸模的影响。压铸模具的浇注系统和排溢系统对裂纹的影响起着关键性作用。当合金液不能在浇注系统中平稳加速时，合金液的能量损失较多，充型时呈紊流状态，不利于型腔内气体的排出，铸件易因含非金属夹杂而强度降低，从而形成裂纹；而排溢系统除了排出型腔内气体外，还起平衡模温作用，避免铸件因各部位冷却不均匀产生热应力而形成裂纹。

（4）模具温度。每一个压铸循环中铸件向模具传递的热量和模具因吸热而升高的温度是确定的，因此，当初始模具温度较高时，在压铸循环中模具温度也更高，铸件因缓慢冷却而减小壁厚不均造成的收缩热应力；另一方面，较高模温使铸件冷却速度降低，铸件晶粒粗大，强度、塑性下降导致热裂形成，因此，压铸模具温度对铸件形成热裂的影响是综合的，模具温度需控制在一定的范同内。A11方向盘骨架批量生产证明，模具工作温度控制在200～230℃最合理。

（5）合金液温度。当合金液温度较高时，增加了铸件凝固时的收缩量，同时，液体金属因具有更大的过热度而使模具升温更高，降低了铸件与模具的温度梯度，铸件冷却速度降低，晶粒粗大导致强度和塑性较差，因此，铸件容易形成裂纹。镁合金方向盘骨架压铸时的合金液温度控制在670～690℃，能稳定获得符合要求的压铸产品，镁液温度偏上限时模具温度则需偏下限，反之亦然。

（6）压射比压。压射比压对形成裂纹的影响是综合的，一方面高比压使铸件的组织更致密，铸件强度高而具有更好的抗裂能力；另一方面比压过高则易导致铸件残留应力过大，结晶过程中晶体骨架收缩受阻而产生裂纹。镁合金方向盘骨架比压通常在80～120MPa之间即可满足要求，同时，对浇注系统阻力损失系数小时采用较高的比压和较低的增压速度进行匹配，反之，则采用低压高速进行匹配。

（7）留模时间。铸件的留模时间对铸件裂纹形成的影响是双向的，留模时间太长，铸件因收缩受阻而易形成冷裂；时间太短，铸件尚不具备强度就取出则易形成热裂。留模时间通常按铸件壁厚3s/mm设定。镁合金方向盘骨架基本壁厚为4mm。实践证明：在批量稳定生产过程中留模时间控制在11～15s时，铸件裂纹缺陷出现几率极小。

案例51　压铸件转向器壳体裂纹的消除

生产条件及存在的问题　转向器壳体由A1Sil2Cu合金压铸而成。铸件形状复杂，壁厚较厚，铸件内部易产生缩松和缩孔。该零件属于安全件（D零件），是桑塔纳轿车转向系统中的主要组成部分。该产品每件都要经过X射线探伤（内部质量）和荧光探伤（表面裂纹）的检测，检测合格方能出厂。

某厂生产的转向器壳体铸件在进行荧光探伤时出现大量裂纹，几副模具生产的铸件裂纹出现在相同的部位。裂纹较深、长短不一，用手工打磨的方法不能彻底清除。最严重时一天有50%的产品因裂纹缺陷被判为废品，导致无法及时供货。

解决措施

（1）在模具上将铸件出现裂纹的部位增大铸造圆角。

（2）设计了一套水冷系统，安装在裂纹环绕的大型芯内，加强该部位的散热，改善温度场的分布。

（3）严格控制原材料熔化工序、降低浇注温度、缓和机床抽芯和开模动作。

采取上述措施后，裂纹大幅度减少。经两个月的连续生产，裂纹基本消除，质量稳定，取得较好的效果。

案例52　提高浇注温度消除裂纹缺陷

生产条件及存在的问题　采用德国FAT公司树脂砂生产线，为某筑路机械厂生产旋风筒。该件的结构、尺寸、工艺如图4-39所示，中间空腔部分用一整体芯构成。主要壁厚为8mm，浇注温度为1360～1380℃，浇注系统从薄壁处引入，采用此工艺连续生产若干件，均发现一条自上而下的贯穿性裂纹。

图4-39　旋风筒结构及铸造工艺图

解决措施　裂纹是由液态金属凝固收缩时受到砂芯阻碍产生的，如采用中空芯、薄壳芯或改变型砂配比等措施，可以解决此问题，但受生产条件制约无法实施，所以只好另辟蹊径，将浇注温度由1360～1380℃提高至1480～1500℃，利用高温铁液加厚砂芯烧酥层，增加退让性，结果生产数百件均无裂纹发生。这种方法简单易行，是解决收缩性裂纹的好方法。

案例53　熔模铸造方形薄壁件裂纹的防止

生产条件及存在的问题某水玻璃熔模精铸厂，生产的齿轮箱零件因铸件裂纹造成的废品，占废品总量的70%。该产品是方形见图4-40，相互对称且产生裂纹的部位很薄（仅有2.0mm）。

图4-40　铸件结构简图

解决措施

（1）浇注系统的设置。由于在裂纹的部位放浇口，难以保证蜡模组焊时的强度，且此件是重量小的熔模件，一组多件，浇口放在其他部位不利于熔模铸造小件的砂轮片切割和打磨，故浇口只有选择在图4-40所示的A处为佳。

（2）型壳和金属的特性。该零件制壳时采用的是石英砂材料，在熔模铸造中，石英砂是退让性最好的一种，且该产品的材质为ZG310-570，该材料形成裂纹的倾向较小。故型壳和金属的特性产生裂纹的原因可以排除。

（3）浇注时壳温和浇温的控制。熔模铸造中，型壳和钢液收缩的不同步，确实是产生热裂的一个重要原因，但是在生产该产品时，型壳是从焙烧炉中边出边浇，过程时间仅3～4s之短，浇温控制在1520℃（温度再低会有冷隔），但在此条件下进行生产，裂纹的数量并未减少。

（4）铸件清砂时即使是轻轻地敲开型壳，同样能看到细长的裂纹。这说明裂纹并非是外力作用所致。

（5）铸件结构的分析。该铸件的B、C处的交角为直角，壁厚为2.0mm，同时凝固时产生的收缩应力非常大，易产生裂纹，因装配原因，客户不同意增加圆角，故在图示部位增加了厚为1.6mm的斜筋如图4-40中B、C处所示。根据以上分析进行了工艺试验，第一批浇注后裂纹只占总数的10%左右。

原浇注温度设置较低，增加防裂筋后浇注温度经试验提高到1560℃，裂纹数量并未提高，这样大大减少了原来的冷隔现象，且厚度仅为1.6mm的筋，采用熔模铸造既可以从模具中带出，又很容易在精整时去除。

（6）浇注后由于型壳外表与空气直接接触，散热较快造成型壳与钢水收缩不同步，且使铸件凝固过快，产生较大的收缩应力，增加裂纹的倾向。于是采取浇注后立即用盖箱保温的措施，延缓凝固速度，减少模壳对收缩的阻碍，经试验对减轻裂纹非常有益。

案例54　熔模铸钢件热裂的防止

生产条件及存在的问题　热裂是熔模铸钢件常见的缺陷之一。随着熔模铸造的发展，复杂件、薄壁件越来越多，型壳的强度也得到了很大提高，熔模铸钢件中热裂缺陷的比例也随之上升。

解决措施　热裂的产生部位是在铸件的“弱点”上，此“弱点”可以是铸件结构不合理引起的，例如铸件壁的连接结构不合理，内圆角半径过小等。也可以是铸造工艺不合理引起的，例如浇注系统设计不合理，导致局部过热而形成“弱点”。

（1）选择热裂敏感小的铸造合金，严格控制有害元素硫的含量。不同铸造合金，对热裂的敏感性也不同。凡是凝固过程中收缩系数较小，凝固时形成的固相的强度较高的合金，其热裂敏感性较小。因此，凡有利于提高固相线附近结壳高温强度和降低结壳收缩率的因素都有利于减缓热裂的产生。

（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，为0.5～2.0MPa。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1580℃降低到1530℃，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。

（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。

（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”。

（5）浇注系统设计应尽量避免框形结构。熔模铸造技术人员对具有两个热节的精铸件或长精铸件往往设计两个内浇口，于是使得铸件—内浇口—直浇道成为一个框形结构系统，这类结构最容易出现收缩受阻，而很容易在内浇口附近产生热裂，也容易产生变形，因此应尽量避免框形结构。

（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2mm。

（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。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。