（哈爾濱鐵路局哈爾濱車(chē)輛監(jiān)造項(xiàng)目部，黑龍江 牡丹江 157013）

1 低合金鑄件裂紋的種類(lèi)

低合金鑄件裂紋的種類(lèi)[1]，按裂紋產(chǎn)生的溫度范圍，裂紋可分為熱裂紋、冷裂紋、溫裂紋；根據(jù)裂紋存在的位置，可分為內(nèi)裂紋、外裂紋；根據(jù)裂紋尺寸的大小，可分為宏觀裂紋（肉眼可見(jiàn)裂紋）、微觀裂紋（探傷裂紋）；根據(jù)裂紋產(chǎn)生的次序，可分為初生裂紋、二次裂紋。

本文重點(diǎn)對(duì)熱裂紋進(jìn)行探究，其分類(lèi)及特征見(jiàn)表1.

表1 熱裂分類(lèi)及特征

2 產(chǎn)生熱裂的原因

從根源上講，低合金鋼產(chǎn)生熱裂的原因主要有兩方面：即高溫應(yīng)力與液膜變形。

所謂的高溫應(yīng)力是指鋼在高溫條件下由于收縮變形受到阻礙而形成的力，當(dāng)應(yīng)力集中到一定程度，超過(guò)金屬在該溫度下的強(qiáng)度或塑性極限時(shí)，便生成裂紋。例如在1 420 ℃～1 520 ℃范圍內(nèi)鋼的強(qiáng)度只有1 kg/mm2左右，斷面收縮率只有1%左右[2]，由阻礙造成的應(yīng)力很容易超過(guò)這一極限。阻礙的來(lái)源很多，主要有：鑄型潰散性差或潰散時(shí)刻與鑄件凝固即將結(jié)束的時(shí)刻相吻合、澆注系統(tǒng)位置不當(dāng)（如離砂箱帶過(guò)近等）、鑄件結(jié)構(gòu)不良及由于砂型導(dǎo)熱不均勻而導(dǎo)致的鑄件各部位凝固速度不一致等等。

液膜變形指鋼液在結(jié)晶過(guò)程中的一種現(xiàn)象。低合金鋼在凝固結(jié)晶過(guò)程中，晶粒與晶粒之間會(huì)產(chǎn)生液膜。隨著凝固結(jié)晶的進(jìn)行，液膜發(fā)生變形，當(dāng)變形量與變形速度超過(guò)一定極限時(shí)，便產(chǎn)生裂紋。低合金鋼在半液態(tài)時(shí)，金屬變形均勻，應(yīng)力集中不大，不易產(chǎn)生熱裂，而在高溫固態(tài)時(shí)，由于金屬塑性良好，也不容易產(chǎn)生熱裂。只有在凝固范圍內(nèi)，處于結(jié)晶膜（薄膜）階段，變形應(yīng)力集中于薄膜，因而容易產(chǎn)生熱裂。

在以上兩種原因的基礎(chǔ)上，可推測(cè)出熱裂產(chǎn)生的溫度范圍應(yīng)在凝固過(guò)程中或略低于固相線(xiàn)的溫度（約為1 200 ℃～1 450 ℃）.低合金鋼典型熱裂見(jiàn)圖1.

圖1 低合金鋼典型熱裂

3 影響低合金鑄件熱裂的因素

3.1 鋼的化學(xué)成分

低合金鋼的化學(xué)成分和結(jié)晶特點(diǎn)，對(duì)熱裂有明顯的影響。即合金結(jié)晶溫度范圍的變窄，決定了合金凝固收縮的大小。結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固收縮愈小，鑄件內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力也就愈小，合金形成熱裂的傾向愈小，反之亦然。其中S、P 是形成熱裂的典型有害元素。S 與Fe 形成Fe-S 共晶，其熔點(diǎn)為985 ℃，而P 與Fe 形成Fe-P 共晶，其熔點(diǎn)為1 050 ℃[2]。這些共晶物都是低熔點(diǎn)的，使固相線(xiàn)下移很多，擴(kuò)大了結(jié)晶溫度范圍，降低了低合金鋼的高溫強(qiáng)度和塑性，即產(chǎn)生熱脆性，從而增加了熱裂傾向。

錳能限制硫的有害作用，與硫形成硫化錳，其熔點(diǎn)較高，一般在1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，增加錳量能提高鋼的抗熱裂能力。硅也具有同錳一樣的作用，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在0.1%～0.6%范圍內(nèi)。

3.2 鋼液中的夾渣與偏析

由于夾渣和偏析易造成應(yīng)力集中，因而增加了熱裂的傾向。偏析引起的鑄鋼件熱裂見(jiàn)圖2 所示.

澆注溫度過(guò)高引起枝晶偏析，在晶軸間及晶界處富集夾雜物，降低枝晶方向強(qiáng)度，裂紋沿枝晶晶界發(fā)生。

圖2 偏析引起的鑄鋼件熱裂

3.3 低合金鋼的線(xiàn)收縮

線(xiàn)收縮越大，尤其是珠光體前收縮越大，熱裂傾向越大。通常情況下，低合金鋼受阻收縮率為1.5%～1.7%，自由收縮率為1.6%～2.2%，而作為薄壁箱體鑄件的鐵路貨車(chē)配件（以搖枕、側(cè)架為例）一般采用2.0%.

3.4 低合金鋼的物理性能

導(dǎo)熱性好，表面張力大，高溫機(jī)械性能好，能減少熱裂傾向。尤其在鋼液中加入少量的釩、鈦、鉻、鈣、鈰及硼等元素后，可提高表面張力，減少熱裂傾向。

3.5 鑄件結(jié)構(gòu)

鑄件結(jié)構(gòu)是否合理，對(duì)鑄件形成熱裂的影響也很大，在鑄件的設(shè)計(jì)上，要盡量避免各斷面壁厚相差懸殊或小于鑄件最小鑄出壁厚、圓角太小或尖棱尖角、壁或肋十字交接等不利因素，減少熱節(jié)點(diǎn)，防止應(yīng)力集中。圖3 和圖4 分別為某企業(yè)為獨(dú)聯(lián)體國(guó)家生產(chǎn)制造的18-100 型搖枕、側(cè)架，由于鑄件結(jié)構(gòu)問(wèn)題（熱節(jié)多、壁厚變化大），熱裂問(wèn)題始終未能徹底解決（裂紋位置如圖中圓圈位置）。

圖3 18-100 型搖枕

圖4 18-100 型側(cè)架

3.6 鋼水澆注溫度

澆注溫度對(duì)低合金鋼鑄件產(chǎn)生熱裂有很大的影響，澆注溫度如高于固相線(xiàn)太多，則固液間范圍增大，鑄件各斷面之間溫度梯度也增大，易于產(chǎn)生熱裂；而澆注溫度太低，則在凝固過(guò)程中，對(duì)于壁厚相差懸殊的鑄件，鋼液不易順序的進(jìn)行補(bǔ)縮，金屬組織不致密，因而也易于產(chǎn)生熱裂。一般情況下，薄壁鑄件要求高溫快澆，使凝固速度緩慢均勻，而厚壁鑄件澆注溫度過(guò)高會(huì)增加縮孔容積，減緩冷卻速度，使初晶粗化，形成偏析和粘砂，從而促進(jìn)熱裂的形成。因此，在條件許可的情況下，以低溫慢澆為宜。

3.7 鑄件澆注系統(tǒng)

一般澆冒口附近溫度較高，屬于熱影響區(qū)，冷卻緩慢，易產(chǎn)生熱裂，因此設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)，確定正確的澆注工藝，減少澆冒口對(duì)鑄件收縮的阻礙也能防止鑄件產(chǎn)生熱裂。

3.8 砂型、砂芯的退讓性

砂型緊實(shí)度太大，或芯骨吃砂量太小，會(huì)造成退讓性不良，阻礙鑄件收縮，增加熱裂傾向。

3.9 鑄件冷卻速度

鑄件在型中冷卻速度過(guò)快，或由于打箱時(shí)間過(guò)早導(dǎo)致鑄件在型外冷卻速度過(guò)快，都會(huì)造成較大的內(nèi)應(yīng)力，從而增加熱裂傾向。

3.10 澆冒口切割及熱處理

由于鑄件在澆冒口切割過(guò)程中或熱處理過(guò)程中受熱速度或冷卻速度過(guò)快，各部位溫度不均勻，容易造成較大的內(nèi)應(yīng)力，而導(dǎo)致熱裂傾向。

總之，促使鑄件產(chǎn)生熱裂的因素很多，并且相互影響。在分析鑄件形成熱裂的原因時(shí)，必須綜合考慮合金牌號(hào)、鑄件結(jié)構(gòu)和鑄造工藝等各方面因素，進(jìn)行具體分析，根據(jù)熱裂產(chǎn)生的原因，采取相應(yīng)的措施。

4 熱裂的檢驗(yàn)方法

一般暴露于鑄件外表面的宏觀裂紋，可用肉眼直接觀察檢驗(yàn)。

磁粉探傷法（MT）和熒光探傷法可用來(lái)探測(cè)鑄件表面或近表面熱裂，不能用于檢查內(nèi)部缺陷，可檢出的熱裂埋藏深度與材料、探傷方法等有關(guān)，一般為1 mm～2 mm，且檢測(cè)靈敏度高，能檢出數(shù)微米寬或數(shù)十微米深的缺陷，探傷結(jié)果直觀，能顯示熱裂的位置、大小、形狀和嚴(yán)重程度等，使用于鐵磁性材料。

超聲波探傷（UT）能夠探測(cè)鑄件內(nèi)部熱裂，但對(duì)探測(cè)部位的鑄件表面粗糙度要求較高。探測(cè)范圍大，探傷靈敏度高，可以探測(cè)數(shù)百至數(shù)千毫米處的缺陷，且很方便地對(duì)缺陷進(jìn)行定位，但探傷結(jié)果不直觀，一般只有專(zhuān)業(yè)探傷人員才能對(duì)探傷圖形進(jìn)行判讀，探傷結(jié)果易受人為因素的影響。

滲透探傷能夠檢測(cè)表面開(kāi)口熱裂，而對(duì)近表面埋藏缺陷或閉合型的表面缺陷無(wú)法檢查，檢測(cè)靈敏度較磁粉檢測(cè)方法低，檢測(cè)結(jié)果易受工件表面粗糙度及人為因素的影響，且檢測(cè)程序多，效率低，檢測(cè)材料易燃、有毒，所以通常情況下較少使用該檢測(cè)方法。但由于其操作簡(jiǎn)便，缺陷顯示直觀，在不具備磁粉探傷條件的特殊情況時(shí)，或用于鑒別磁粉探傷發(fā)現(xiàn)的缺陷是否為表面開(kāi)口缺陷時(shí)，也采用該檢測(cè)方法。

射線(xiàn)（X 或γ 射線(xiàn)）探傷法的靈敏度不如超聲波法，但可射片記錄，而且對(duì)裂紋的定性定量都較準(zhǔn)確，因此某些鐵路貨車(chē)配件，尤其是作為走形部位的大部件（搖枕、側(cè)架）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確要求進(jìn)行定期射線(xiàn)檢測(cè)，一般檢測(cè)周期為一個(gè)季度。

酸洗法是用各種酸類(lèi)的水溶液涂于測(cè)試部位表面，或用1：1 鹽酸（HCl）水溶液，在70 ℃～75 ℃熱蝕一定時(shí)間，均可發(fā)現(xiàn)肉眼不易觀察清楚的熱裂。根據(jù)熱裂的大小，還可在酸洗后進(jìn)行低倍觀察或顯微觀察。

5 熱裂的危害與防止

熱裂對(duì)鑄件的危害極大，嚴(yán)重降低鑄件的強(qiáng)度和使用壽命。在運(yùn)行使用過(guò)程中，常因受力而使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)而造成嚴(yán)重事故。因此，應(yīng)對(duì)熱裂進(jìn)行嚴(yán)格檢查，認(rèn)真處理。

防止熱裂的一般工藝措施是加強(qiáng)型、芯質(zhì)量控制，減少掉砂缺陷的產(chǎn)生，進(jìn)而減少焊修量，達(dá)到減少熱裂的目的；加強(qiáng)冶煉控制等。但從根本上防止熱裂的措施是根據(jù)其產(chǎn)生的原因而采取有針對(duì)性的措施。

6 結(jié)語(yǔ)

熱裂問(wèn)題不容忽視，必須從生產(chǎn)制造的全過(guò)程采取有效措施進(jìn)行控制，并采取必要手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)熱裂和對(duì)其進(jìn)行修復(fù)處理，必要時(shí)進(jìn)行報(bào)廢處理，確保產(chǎn)品質(zhì)量合格。