特徵
冷裂外形呈連續直線狀或圓滑曲線狀,常常穿過晶粒,斷口有金屬光澤或呈輕微的氧化色。形狀複雜的大型鑄件容易產生冷裂。有些冷裂紋在打箱清理後即能發現,有些在水爆清砂後發現,有些則是因鑄件內部有很大的殘餘應力,在清理和搬運時受到震擊形成的。
圖一,是齒輪毛坯的冷裂紋。齒輪的輪緣和輪幅比輪轂薄,冷卻較快,比輪轂先收縮,並對輪轂施加壓力,輪轂產生塑性變形。當輪轂開始收縮時,受到先已冷卻的輪緣的阻礙,輪幅中產生拉應力,形成冷裂。
原因
冷裂是鑄件中應力超出合金的強度極限而產生的。冷裂往往出現在鑄件受拉伸的部位,特別是有應力集中的部位和有鑄造缺陷的部位。影響冷裂的因素與影響鑄造應力的因素基本是一致的。
合金的成分和熔煉質量對冷裂有重要影響。例如,鋼中的碳、鉻和錳等元素,雖能提高鋼的強度,卻降低鋼的導熱性能。因而這些元素較高時,增大鋼的冷裂傾向。磷增加鋼的冷脆性,磷的質量分數大於0.1%時,其衝擊韌性急劇下降,冷裂傾向明顯增大。鋼液脫氧不足時,氧化夾雜物聚集在晶界上,降低鋼的衝擊韌性和強度,促使冷裂的形成。鑄件中非金屬夾雜物增多時,冷裂的傾向性也增大。
鑄件的組織和塑性對冷裂也有很大影響。如低碳鎳鉻耐酸不鏽鋼和高錳鋼都是奧氏體鋼,且都容易產生很大的熱應力,但是鎳鉻耐酸鋼不易產生冷裂,而高錳鋼卻極易產生冷裂。這是因為低碳奧氏體鋼具有低的屈服極限和高塑性,鑄造應力
往往很快就超過屈服極限,使鑄件發生塑性變形?;高錳鋼碳量偏高,鑄件冷卻時,在奧氏體晶界上析出脆性碳化物,嚴重降低了塑性,易形成冷裂。
鑄鋼件的冷裂經焊補後,鑄件可以使用。有些合金焊接性差(如灰鑄鐵),鑄件出現裂紋則要報廢。
防制措施
鑄件產生冷裂和變形的原因是冷卻過程中鑄件各部分冷卻速度不一致。因此,前面所述防止鑄件產生鑄造應力的方法都可用於防止鑄件產生變形和冷裂。此外,從工藝上防止變形還可以採取以下措施:(1)提高鑄型剛度,加大壓鐵重量可以減小鑄件的撓曲變形量。
(2)控制鑄件打箱時間。過早打箱,鑄件溫度高,在空氣中冷卻會加大內外溫差,以致引起變形和開裂。適當延長打箱時間,可避免開裂和減小變形,但對於某些結構複雜的鑄件,因鑄型或型芯潰散性差,會引起冷裂。對易變形的重要鑄件,可採用早打箱,並立即放入爐內保溫緩冷的工藝。
(3)採取反變形措施。在模樣上做出與鑄件殘餘變形量相等,方向相反的預變形量,按該模樣生產鑄件,鑄件經冷卻變形後,尺寸和形狀剛好符合要求。
例如圖二所示的皮帶輪,常產生如圖二所示的殘餘變形,在機械加工時,A處加工量不足,而B處加工後輪緣過薄。採用圖三所示的反變形(即假曲率),即可消除上述缺陷。(4)設定防變形筋。防變形筋能承受一部分應力,可防止變形。待鑄件熱處理後再將防變形筋去除。鑄件是以防變形筋保證A、B、C三點之間的尺寸(虛線所示為防變形筋)。條件許可時,可用澆注系統兼起防變形筋的作用,以節約金屬。
(5)改變鑄件的結構,採用彎形輪幅代替直輪幅,減小阻力,防止變形。