鋁及鋁合金鑄造裂紋產(chǎn)生的原因及防范措施

　　鑄造裂紋是危害較大的一種缺陷，它破壞了金屬組織的連續(xù)性，在隨后的擠壓或壓延加工過程中無法壓合，所以鑄錠檢驗(yàn)時(shí)把有裂紋的鑄錠視為絕對(duì)廢品。鑄造裂紋的存在嚴(yán)重影響鋁加工企業(yè)的生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益，因此有必要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)地分析及研究，以便在生產(chǎn)中采取有效措施減少裂紋缺陷的產(chǎn)生，提高鑄錠成品率。

　　1.鑄造裂紋的分類和機(jī)理分析

　　1.1　鑄造裂紋的分類

　　按其形成過程通常將鑄造裂紋分為熱裂紋與冷裂紋。熱裂紋是在有效結(jié)晶區(qū)間(自線收縮開始溫度起，至不平衡固相線溫度止的結(jié)晶溫度區(qū)間)形成的裂紋。以圓鑄錠為例，其宏觀表現(xiàn)形式為表面裂紋、中心裂紋、環(huán)狀裂紋、放射狀裂紋、澆口裂紋等[1,2]，如圖1~5所示。冷裂紋是指合金（詞條“合金”由行業(yè)大百科提供）低于合金固相線溫度時(shí)形成的裂紋[3]，多發(fā)生在200℃左右。側(cè)裂、底裂、劈裂多為冷裂紋。

　　變形鋁合金連續(xù)鑄錠中的冷裂紋和熱裂紋的特征示于表1。

　　表1 變形鋁合金冷裂紋和熱裂紋的特征[4]

　　1.2　鑄造裂紋的形成機(jī)理

　　冷裂常出現(xiàn)在鑄件受拉伸的部位，那些壁厚差別大、形狀復(fù)雜的鑄件，尤其是大而薄的鑄件易發(fā)生冷裂紋。凡是能增加鑄造應(yīng)力、降低鑄造強(qiáng)度和塑性（詞條“塑性”由行業(yè)大百科提供）的因素都將促使冷裂紋的發(fā)展。

　　熱裂紋是一種普通又很難完全消除的鑄造缺陷，除Al-Si合金外，幾乎在所有的工業(yè)變形鋁合金中都能發(fā)現(xiàn)。關(guān)于熱裂紋的形成機(jī)理主要有強(qiáng)度理論、液膜理論和裂紋形成理論3種。其中，強(qiáng)度理論比較通用，該理論從對(duì)合金高溫力學(xué)性能的研究結(jié)果出發(fā)，認(rèn)為所有合金在固相線溫度之上的固液區(qū)內(nèi)都存在著一個(gè)強(qiáng)度極低、延伸率極小的“脆性溫度區(qū)間”，合金在這個(gè)區(qū)間冷卻時(shí)，當(dāng)收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力如果超過了此時(shí)金屬的強(qiáng)度，或者由應(yīng)力而引起的變形超過了金屬的塑性，就會(huì)導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生。

　　在生產(chǎn)過程中一般不存在純粹的熱裂紋或冷裂紋，大部分都先產(chǎn)生熱裂紋，然后在冷卻過程中由熱裂紋發(fā)展成為冷裂紋。

　　2　鑄造裂紋產(chǎn)生的本質(zhì)原因

　　在凝固末期，鑄件絕大部分已凝固成固態(tài)，但其強(qiáng)度和塑性較低，當(dāng)鑄件的收縮受到鑄型、型芯和澆注系統(tǒng)等的機(jī)械阻礙時(shí)，將在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生鑄造應(yīng)力，若鑄造應(yīng)力的大小超過了鑄件在該溫度下的強(qiáng)度極限，即產(chǎn)生熱裂紋。而冷裂紋是在鑄件凝固后冷卻到彈性狀態(tài)時(shí)，因局部鑄造應(yīng)力大于合金極限強(qiáng)度而引起的開裂。總結(jié)可知，產(chǎn)生鑄造裂紋的本質(zhì)原因是由于組織內(nèi)應(yīng)力與外部機(jī)械應(yīng)力太大，超過材料塑性變形能力，引起金屬組織不連續(xù)而開裂。

　　3.防止鑄造裂紋產(chǎn)生的措施

　　鑄造裂紋的影響因素歸納起來主要與熔體質(zhì)量、鑄造設(shè)備、鑄造工藝條件和晶粒組織有關(guān)。因此可從這四個(gè)方面入手，采取對(duì)應(yīng)措施來防止鑄造裂紋的產(chǎn)生。

　　3.1 保證熔體的質(zhì)量

　　3.1.1 減少熔體中雜質(zhì)的含量

　　段玉波等[5]對(duì)7050合金鑄造工藝進(jìn)行了研究，提出對(duì)化學(xué)成分的優(yōu)化，可以提高合金的成型性，減少鑄錠開裂。

　　雜質(zhì)含量高時(shí)，合金組織中晶格畸變量增大，內(nèi)應(yīng)力增大，抵抗塑性變形能力大大下降，導(dǎo)致合金易于開裂。對(duì)于鋁及鋁合金，F(xiàn)e、Si是其主要雜質(zhì)元素。它們主要以FeAl3和游離硅存在。當(dāng)硅大于鐵，形成β-FeSiAl5(或Fe2Si2Al9)相，而鐵大于硅時(shí)，形成α-Fe2SiAl8(或Fe3SiAl12)相[6]。當(dāng)鐵和硅的比例不當(dāng)時(shí)，會(huì)引起鑄件產(chǎn)生裂紋。

　　此外，其它雜質(zhì)元素也需相應(yīng)控制。當(dāng)合金中存在鈉時(shí)，在凝固過程中，鈉吸附在枝晶表面或晶界，熱加工（詞條“熱加工”由行業(yè)大百科提供）時(shí)，晶體上的鈉形成液態(tài)吸附層，產(chǎn)生脆性開裂，即“鈉脆”。堿金屬鈉(除高硅合金外)一般應(yīng)控制在5×10-4%以下，甚至更低，達(dá)2×10-4%以下。像K、Sn等低熔點(diǎn)（詞條“熔點(diǎn)”由行業(yè)大百科提供）雜質(zhì)元素少量存在也會(huì)使合金性能變脆，易于開裂。這主要是由于低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素在凝固時(shí)后結(jié)晶，往往包在晶界周圍，導(dǎo)致凝固收縮時(shí)受拉應(yīng)力而沿晶開裂。所以需對(duì)鋁液中的雜質(zhì)含量進(jìn)行合理調(diào)配，控制其含量。

　　3.1.2　減少熔體的含氣量和夾雜物含量

　　鋁及鋁合金熔煉、保溫時(shí)，空氣和爐氣中的N2、O2、H2O、CO2、H2、CO和CmHn等要與熔體在界面相互作用，產(chǎn)生化合、分解、溶解和擴(kuò)散等過程，最終使熔體產(chǎn)生氧化和吸氣。其氧化生成物有A12O3、SiO2、MnO和MgO等，其中Al2O3是主要的氧化夾雜物[7]。其中，對(duì)于非金屬夾雜要求其數(shù)量少而小，其單個(gè)顆粒應(yīng)少于10μm;而對(duì)于特殊要求的航空、航天材料、雙零箔等制品的非金屬夾雜的單個(gè)顆粒應(yīng)小于5μm。

　　由于熔體吸收的氣體中H2占85%以上[8]，且氫在熔體中的溶解度隨溫度的降低而減小，因而在熔體結(jié)晶凝固時(shí)有大量氣體析出，未及時(shí)逸出的便在鑄錠中形成氣孔。夾雜物和氣孔都可削弱晶粒間的聯(lián)結(jié)，造成應(yīng)力集中，使鑄錠的塑性和強(qiáng)度下降，從而導(dǎo)致鑄造裂紋。一般來說，普通制品要求的產(chǎn)品氫含量控制在0.15~0.2mL/(100g Al)以下，而對(duì)于特殊要求的航空、航天材料、雙零箔等氫含量應(yīng)控制在0.1 mL/(100g Al)以下。

　　3.2　調(diào)整鑄造設(shè)備狀況

　　3.2.1　結(jié)晶器

　　以熱頂鑄造結(jié)晶器為例(圖6)，其結(jié)晶器是由隔熱的熱頂部分和未隔熱的冷卻部分組成的，通常是由2A50合金鍛造毛坯或紫銅加工而成。而結(jié)晶器的材質(zhì)、高度、水套中間水孔、內(nèi)腔斷面形狀、二次冷卻水孔位置和均勻性，及其安裝的平整性，對(duì)鑄造裂紋都有影響。

　　圖6 熱頂鑄造結(jié)晶器安裝圖

　　銅質(zhì)結(jié)晶器由于傳熱速度快，導(dǎo)致過冷度增大，對(duì)于合金結(jié)晶范圍較寬的大規(guī)格鑄錠易產(chǎn)生裂紋。在半連續(xù)鑄錠生產(chǎn)中，大多采用矮(短)結(jié)晶器。但采用矮(短)結(jié)晶器時(shí)，鑄錠的溫度梯度大，其收縮應(yīng)力大，故易產(chǎn)生心部裂紋。結(jié)晶器高度一般為80~200mm。常見的結(jié)晶器高度與鑄錠直徑的關(guān)系如表2所示。而水套中間水孔的截面由于對(duì)鑄錠的結(jié)晶凝固有影響，故對(duì)裂紋的產(chǎn)生有影響。結(jié)晶器的內(nèi)腔斷面形狀不合理，二次冷卻水孔位置不適當(dāng)及均勻性不好，在凝固時(shí)會(huì)產(chǎn)生不均勻收縮，而導(dǎo)致鑄錠裂紋。另外，結(jié)晶器安裝不平整，在鑄造時(shí)會(huì)對(duì)鑄錠剛凝固的外殼部分產(chǎn)生彎矩（詞條“彎矩”由行業(yè)大百科提供）作用，將導(dǎo)致鑄錠表面裂紋。

　　表2 常見的鑄錠直徑和結(jié)晶器高度的關(guān)系

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