热裂纹的产生本质是铸件凝固过程中产生的收缩应力，超过材料在高温阶段的承载能力，其形成与材质、结构、工艺、熔炼等多因素直接相关。

• 有害元素的 “脆化效应”：硫（S）是诱发热裂纹的关键元素，其与铁（Fe）形成熔点仅约 985℃的 FeS-Fe 低熔点共晶体。该共晶体在铸钢凝固后期呈液态，沿晶界形成连续网状分布，如同在晶粒间形成 “脆弱夹层”，大幅降低晶界结合力，导致铸件在收缩时极易沿晶界开裂，即 “热脆性” 现象。磷（P）则会显著降低铸钢在高温区间的塑性，使材料在承受收缩应力时难以通过塑性变形释放应力，进一步加剧裂纹倾向，通常要求铸钢中 P 含量严格控制。

• 凝固特性的 “应力集中效应”：铸钢属于典型的 “糊状凝固” 材料，液 - 固两相区宽度较大（通常可达 100-200℃）。在凝固过程中，两相区内既有液态金属的流动，又有固态晶粒的生长，收缩变形难以均匀协调。尤其在铸件厚薄交界处，厚壁区域凝固慢、收缩滞后，薄壁区域凝固快、收缩先完成，两者间形成明显的收缩差，导致应力集中于过渡区域，成为热裂纹的高发部位。

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• 几何突变引发应力集中：铸件存在壁厚突变（如从 20mm 骤增至 80mm）、直角拐角（未设置圆角）时，这些部位会形成 “热节”—— 即散热慢、温度高的区域。热节处凝固时间长，与周围薄壁区域的收缩不同步，产生的局部应力可达材料高温抗拉强度的 1.5-2 倍，极易成为裂纹源。例如，某机床床身铸件因直角拐角未设圆角，批量生产中拐角处热裂纹发生率高达 30%。

• 封闭 / 半封闭结构阻碍收缩：若铸件存在封闭型腔（如箱体类零件的盲孔结构）或狭长通道，凝固时内部金属的收缩会受到外部已凝固金属的 “约束”，无法自由变形，收缩应力持续累积，最终突破材料承载极限形成裂纹。

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• 型砂退让性差：收缩的 “物理阻碍”：型砂（尤其是树脂砂）的退让性直接影响铸件收缩能否顺利完成。呋喃树脂砂在 1000℃高温下的抗压强度可达 5-10MPa，是水玻璃砂的 5-10 倍，高温强度过高导致型砂在铸件收缩时难以发生塑性变形或溃散，如同给铸件套上 “刚性外壳”，强制限制其收缩，使内部应力急剧升高。此外，型砂粘结剂用量过多、砂型紧实度不均，也会进一步降低退让性。

• 浇注系统设计不当：温度与流动的失衡：内浇口位置不合理（如直接正对铸件厚壁热节）会导致高温钢液持续冲刷热节区域，使该部位温度过高、凝固时间延长，与周围区域的温差扩大，收缩应力加剧；浇注速度不均（如前期过快、后期过慢）则会造成铸件局部 “补缩不足”，形成缩孔或疏松，同时伴随局部过热，为热裂纹埋下隐患。某重工企业的大型齿轮铸件，因内浇口正对轮辐热节，曾出现批量轮辐开裂问题。

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• 钢液含氧量过高：晶界的 “弱化剂”：若熔炼过程中钢液含氧量过高，氧会与钢中的碳、硅等元素形成氧化物夹杂物（如 SiO₂、Al₂O₃）。这些夹杂物多分布于晶界，不仅破坏晶界的连续性，还会降低晶界的高温强度，使铸件在收缩时易沿晶界产生裂纹。

• 脱氧不充分：夹杂物的 “无序分布”：单独使用铝脱氧时，虽能降低钢液含氧量，但易形成粗大的 Al₂O₃夹杂物，且夹杂物分布不均，局部区域夹杂物密集，成为应力集中的薄弱点。而复合脱氧工艺可通过多种脱氧元素的协同作用，细化夹杂物尺寸、改善分布状态，减少对晶界的破坏。

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防治热裂纹需遵循 “源头控制、过程优化、精准适配” 原则，从结构、材质、工艺、浇注四个维度协同发力，降低应力集中、提升材料抗裂能力。

• 避免壁厚突变，采用圆弧过渡：铸件壁厚应遵循 “渐变原则”，相邻壁厚的比值控制在 1:2 以内；直角拐角必须设置圆角，圆角半径建议为壁厚的 1/3-1/2（如壁厚 30mm 的铸件，圆角半径取 10-15mm）。圆弧过渡可使热节分散，减少温度梯度，降低局部应力，某阀门铸件通过将直角拐角改为 R15 圆角，裂纹发生率从 25% 降至 3% 以下。

• 增设防裂工艺筋与冷铁：在热节集中区域（如法兰根部、肋板交接处）增设 “防裂工艺筋”，筋的厚度取铸件壁厚的 1/2-2/3，高度为壁厚的 1.5-2 倍，可通过工艺筋的塑性变形释放部分收缩应力；同时在热节处放置冷铁（如铸铁冷铁、铜冷铁），加速热节区域冷却，缩小液 - 固两相区宽度，减少收缩差。

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• 严格控制有害元素，添加晶粒细化剂：根据铸钢牌号要求，将硫含量控制在≤0.03%，磷含量控制在≤0.04%；同时添加稀土元素（如铈 Ce、镧 La）或微合金元素（如钒 V、钛 Ti），稀土元素可与硫形成高熔点（＞1500℃）的稀土硫化物，避免低熔点共晶体沿晶界分布，钒、钛则能细化铸钢晶粒，增加晶界数量，提升材料高温塑性与抗裂能力。某铸钢企业在 ZG230-450 中添加 0.05% Ce，热裂纹发生率降低 40%。

• 采用复合脱氧工艺，提升钢液纯净度：针对不同类型铸钢，选择适配的复合脱氧方案：

• 碳钢（如 ZG200-400）：采用 “锰硅预脱氧 + 铝终脱氧”，先加入锰铁、硅铁去除钢液中大部分氧，再加入铝（加入量 0.02-0.05%）进行终脱氧，减少 Al₂O₃夹杂物生成；

• 不锈钢（如 304 不锈钢铸件）：采用 “硅钙扩散脱氧 + 块状硅钙沉淀脱氧”，硅钙合金通过扩散作用去除炉渣中的氧，再加入块状硅钙细化夹杂物，使夹杂物尺寸控制在 5μm 以下，避免晶界弱化。

  
  

• 提升型砂退让性，减少收缩阻碍：

• 树脂砂工艺：减少树脂加入量（从 1.2% 降至 0.8-1.0%），或在型砂中加入 2-3% 的稻壳粉、木粉等退让剂，降低型砂高温强度；

• 水玻璃砂工艺：将水玻璃密度调整至 1.32g/cm³（原密度通常 1.35-1.40g/cm³），同时减少水玻璃加入量，提升型砂溃散性；

• 砂型结构：对于大型铸件，采用 “分段砂型” 设计，在砂型拼接处预留 1-2mm 的退让间隙，为铸件收缩提供空间。

• 应用悬浮浇注法，改善凝固组织：浇注过程中，向钢液中加入细颗粒金属粉（如锰铁粉、钼粉，粒度 80-120 目，加入量 0.5-1.0%），金属粉在钢液中均匀分布，成为异质形核核心，细化初晶组织，缩小液 - 固两相区宽度，同时增强铸件高温塑性，提升抗裂能力。某大型轧辊铸件采用悬浮浇注法后，热裂纹发生率从 18% 降至 5%。

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• 薄壁铸件（壁厚＜20mm）：采用 “高温浇注 + 红壳浇注”，浇注温度控制在 1540℃（比厚壁铸件高 20-30℃），确保钢液充型完整；型壳温度控制在＞650℃，减缓铸件冷却速度，避免因冷却过快导致收缩应力骤升。

• 厚壁铸件（壁厚＞50mm）：采用 “低温浇注 + 冷壳工艺”，浇注温度控制在 1530℃，减少铸件局部过热；浇注后优先清除厚壁区域的型壳（如采用机械振动脱壳），加速厚壁区域冷却，使铸件整体冷却速度均匀，减少收缩差。

1. 对新开发铸件，先通过铸造模拟软件（如 ProCAST、AnyCasting）预测热节位置与应力分布，提前优化结构与工艺；

2. 批量生产前，进行小批量试生产，对出现的裂纹缺陷进行金相分析（观察裂纹形态、夹杂物分布），反向验证并调整方案；

3. 定期监测熔炼过程中的钢液成分（如 S、P 含量、氧含量）与型砂性能（如退让性、高温强度），确保工艺参数稳定。