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擇要：本文先容了鋁及鋁合金鑄錠常見的鑄造裂紋情勢及機(jī)理，闡發(fā)了鑄造裂紋產(chǎn)生的緣故原由，提出了相應(yīng)的防備步伐。

　　鑄造裂紋是危害較大的一種缺陷，它粉碎了金屬構(gòu)造的一連性，在隨后的擠壓或壓延加工歷程中無法壓合，以是鑄錠查驗(yàn)時(shí)把有裂紋的鑄錠視為絕對廢品。鑄造裂紋的存在嚴(yán)峻影響鋁加工企業(yè)的生產(chǎn)服從與經(jīng)濟(jì)效益，因此有須要對其舉行體系地闡發(fā)及研究，以便在生產(chǎn)中接納有用步伐淘汰裂紋缺陷的產(chǎn)生，進(jìn)步鑄錠成品率。

　　1.鑄造裂紋的分類和機(jī)理闡發(fā)

　　1.1　鑄造裂紋的分類

　　按其形成歷程通常將鑄造裂紋分為熱裂紋與冷裂紋。熱裂紋是在有用結(jié)晶區(qū)間(自線緊縮開始溫度起，至不均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，其宏觀體現(xiàn)情勢為外貌裂紋、中央裂紋、環(huán)狀裂紋、放射狀裂紋、澆口裂紋等[1,2]，如圖1~5所示。冷裂紋是指合金低于合金固相線溫度時(shí)形成的裂紋[3]，多產(chǎn)生在200℃左右。側(cè)裂、底裂、劈裂多為冷裂紋。

　　變形鋁合金一連鑄錠中的冷裂紋和熱裂紋的特性示于表1。

表1 變形鋁合金冷裂紋和熱裂紋的特性[4]

　　1.2　鑄造裂紋的形成機(jī)理

　　冷裂常出如今鑄件受拉伸的部位，那些壁厚差異大、形狀龐大的鑄件，尤其是大而薄的鑄件易產(chǎn)生冷裂紋。通常能增長鑄造應(yīng)力、低落鑄造強(qiáng)度和塑性的因素都將促使冷裂紋的生長。

　　熱裂紋是一種平凡又很難完全消除的鑄造缺陷，除Al-Si合金外，險(xiǎn)些在全部的產(chǎn)業(yè)變形鋁合金中都能發(fā)明。關(guān)于熱裂紋的形成機(jī)理重要有強(qiáng)度理論、液膜理論和裂紋形成理論3種。此中，強(qiáng)度理論比力通用，該理論從對合金高溫力學(xué)性能的研究結(jié)果出發(fā)，以為全部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)緊縮而產(chǎn)生的應(yīng)力要是凌駕了此時(shí)金屬的強(qiáng)度，大概由應(yīng)力而引起的變形凌駕了金屬的塑性，就會(huì)導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生。

　　在生產(chǎn)歷程中一樣通常不存在純粹的熱裂紋或冷裂紋，大部門都先產(chǎn)生熱裂紋，然后在冷卻歷程中由熱裂紋生長成為冷裂紋。

　　2　鑄造裂紋產(chǎn)生的素質(zhì)緣故原由

　　在凝集末期，鑄件絕大部門已凝集成固態(tài)，但其強(qiáng)度和塑性較低，當(dāng)鑄件的緊縮受到鑄型、型芯和澆注體系等的機(jī)器攔阻時(shí)，將在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生鑄造應(yīng)力，若鑄造應(yīng)力的巨細(xì)凌駕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集后冷卻到彈性狀態(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?？偨Y(jié)可知，產(chǎn)生鑄造裂紋的素質(zhì)緣故原由是由于構(gòu)造內(nèi)應(yīng)力與外部機(jī)器應(yīng)力太大，凌駕質(zhì)料塑性變形本領(lǐng)，引起金屬構(gòu)造紛歧連而開裂。

　　3.防備鑄造裂紋產(chǎn)生的步伐

　　鑄造裂紋的影響因素歸納起來重要與熔體質(zhì)量、鑄造設(shè)置裝備部署、鑄造工藝條件和晶粒構(gòu)造有關(guān)。因此可從這四個(gè)方面入手，接納對應(yīng)步伐來防備鑄造裂紋的產(chǎn)生。

　　3.1 包管熔體的質(zhì)量

　　3.1.1 淘汰熔體中雜質(zhì)的含量

　　7050合金鑄造工藝舉行了研究，提出對化學(xué)身分的優(yōu)化，可以進(jìn)步合金的成型性，淘汰鑄錠開裂。

　　雜質(zhì)含量高時(shí)，合金構(gòu)造中晶格畸變量增大，內(nèi)應(yīng)力增大，抵擋塑性變形本領(lǐng)大大降落，導(dǎo)致合金易于開裂。對付鋁及鋁合金，F(xiàn)e、Si是其重要雜質(zhì)元素。它們重要以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)鐵和硅的比例不其時(shí)，會(huì)引起鑄件產(chǎn)生裂紋。

　　別的，別的雜質(zhì)元素也需相應(yīng)控制。當(dāng)合金中存在鈉時(shí)，在凝集歷程中，鈉吸附在枝晶外貌或晶界，熱加工時(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）一樣通常應(yīng)控制在510-4%以下，乃至更低，達(dá)210-4%以下。像K、Sn等低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素少量存在也會(huì)使合金性能變脆，易于開裂。這重要是由于低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素在凝集時(shí)后結(jié)晶，每每包在晶界四周，導(dǎo)致凝集緊縮時(shí)受拉應(yīng)力而沿晶開裂。以是需對鋁液中的雜質(zhì)含量舉行公道調(diào)配，控制其含量。

　　3.1.2　淘汰熔體的含宇量和混合物含量

　　鋁及鋁合金熔煉、保溫時(shí)，氛圍和爐氣中的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、剖析、溶解和擴(kuò)散等歷程，終極使熔體產(chǎn)生氧化和吸氣。其氧化天生物有A12O3、SiO2、MnO和MgO等，此中Al2O3是重要的氧化混合物[7]。此中，對付非金屬混合要求其數(shù)目少而小，其單個(gè)顆粒應(yīng)少于10μm；而對付特別要求的航空、航天質(zhì)料、雙零箔等成品的非金屬混合的單個(gè)顆粒應(yīng)小于5μm。

　　由于熔體吸取的氣體中H2占85%以上[8]，且氫在熔體中的溶解度隨溫度的低落而減小，因而在熔體結(jié)晶凝集時(shí)有大量氣體析出，未實(shí)時(shí)逸出的便在鑄錠中形成氣孔。混合物和睦孔都可減弱晶粒間的團(tuán)結(jié)，造成應(yīng)力會(huì)合，使鑄錠的塑性和強(qiáng)度降落，從而導(dǎo)致鑄造裂紋。一樣通常來說，平凡成品要求的產(chǎn)物氫含量控制在0.15~0.2mL/（100g Al）以下，而對付特別要求的航空、航天質(zhì)料、雙零箔等氫含量應(yīng)控制在0.1 mL/（100g Al）以下。

　　3.2　調(diào)解鑄造設(shè)置裝備部署狀態(tài)

　　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門和未隔熱的冷卻部門構(gòu)成的，通常是由2A50合金鑄造毛坯或紫銅加工而成。而結(jié)晶器的材質(zhì)、高度、水套中心水孔、內(nèi)腔斷面形狀、二次冷卻水孔位置和勻稱性，及其安置的平整性，對鑄造裂紋都有影響。

圖6 熱頂鑄造結(jié)晶器安置圖

　　銅質(zhì)結(jié)晶器由于傳熱速率快，導(dǎo)致過冷度增大，對付合金結(jié)晶范疇較寬的大規(guī)格鑄錠易產(chǎn)生裂紋。在半一連鑄錠生產(chǎn)中，大多接納矮（短）結(jié)晶器。但接納矮（短）結(jié)晶器時(shí)，鑄錠的溫度梯度大，其緊縮應(yīng)力大，故易產(chǎn)生心部裂紋。結(jié)晶器高度一樣通常為80~200mm。常見的結(jié)晶器高度與鑄錠直徑的干系如表2所示。而水套中心水孔的截面由于對鑄錠的結(jié)晶凝集有影響，故對裂紋的產(chǎn)生有影響。結(jié)晶器的內(nèi)腔斷面形狀不公道，二次冷卻水孔位置不得當(dāng)及勻稱性欠好，在凝集時(shí)會(huì)產(chǎn)生不勻稱緊縮，而導(dǎo)致鑄錠裂紋。別的，結(jié)晶器安置不屈整，在鑄造時(shí)會(huì)對鑄錠剛凝集的外殼部門產(chǎn)生彎矩作用，將導(dǎo)致鑄錠外貌裂紋。

表2 常見的鑄錠直徑和結(jié)晶器高度的干系

　　3.2.2　鑄造機(jī)

　　鑄造機(jī)運(yùn)行安穩(wěn)性較好，在鑄造時(shí)底座的傾斜、擺蕩愈小，對鑄錠的彎矩就愈小，鑄錠不易產(chǎn)生裂紋。故鑄造機(jī)運(yùn)行安穩(wěn)可靠，可減小鑄錠裂紋。

　　3.3 公道選擇鑄造工藝條件

　　在鑄錠結(jié)晶凝集時(shí)，由于受到摩擦阻力和緊縮應(yīng)力的作用，故有形成鑄錠裂紋的偏向。這重要與鑄錠規(guī)格、冷卻強(qiáng)度、鑄造速率和鑄造溫度等鑄造條件有關(guān)。

　　3.3.1　鑄錠規(guī)格

　　在一樣通常條件下，鑄錠愈厚或直徑愈大，鑄錠中央愈易產(chǎn)陌生松，鋁及鋁合金的鑄態(tài)性能愈差，產(chǎn)生裂紋的偏向性愈大。對付扁錠，裂紋偏向性還隨寬厚比增大而加強(qiáng)?，F(xiàn)在，海內(nèi)大多數(shù)工場在半一連鑄造時(shí)接納的鑄錠長度是6~7m。

　　3.3.2　冷卻強(qiáng)度（冷卻速率）

　　冷卻強(qiáng)度也稱為冷卻速率。當(dāng)冷卻強(qiáng)度增大時(shí)，鑄錠的液穴深度減小，但液穴在邊部卻變陡，鑄錠次外貌的溫度梯度較大。而憑據(jù)鑄錠結(jié)晶凝集緊縮應(yīng)力可用數(shù)學(xué)式表達(dá)：σ＝E?a（t1-t2）[9]可知，緊縮應(yīng)力σ與溫度差（t1-t2）是成正比的，故在鑄錠內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的緊縮應(yīng)力。而鑄錠內(nèi)部是羽毛狀晶，其橫向晶界漫衍較多，晶界處又每每聚集雜質(zhì)和偏析化合物而形成脆性區(qū)，其強(qiáng)度較低，易導(dǎo)致鑄錠裂紋。別的，冷卻強(qiáng)度的勻稱性非常重要，若二次冷卻不勻稱或水溫變革較大，會(huì)產(chǎn)生不勻稱的緊縮應(yīng)力，易產(chǎn)生鑄錠裂紋。

　　一連鑄造時(shí)，決定鋁鑄錠冷卻速率的根本因素有：(1)冷卻水的流量(水壓)、流速和溫度；(2)結(jié)晶器的布局(高度、錐度、噴水孔角度、內(nèi)套壁的厚度和材質(zhì))；(3)鑄造速率。對付指定合金，結(jié)晶器的布局和鑄造速率及水溫通常是牢固的，因此，控制冷卻水的流量和流速是調(diào)治鑄錠冷卻速率的根本本領(lǐng)，一樣通常是通過轉(zhuǎn)變水壓來控制和調(diào)治的。

　　對付扁錠，要求其水壓通常比圓鑄錠和空心鑄錠的大。在鑄錠規(guī)格雷同的環(huán)境下，冷卻水壓按1xxx系合金→3xxx系合金和6xxx系合金→2xxx系合金→高合金5xxx系合金→高合金7xxx系合金的次序遞減。但扁鑄錠小面水壓以硬鋁型合金最大，以消除側(cè)面冷裂紋；以Al-Zn-Mg-Cu系最小，以消除熱裂紋。而對付統(tǒng)一合金，鑄錠規(guī)格愈大，則水壓愈小，以低落偏向性。但是，對付軟合金和裂紋偏向性較小的合金，也可隨規(guī)格增大而增洪流壓，以包管得到精良的鑄態(tài)性能。

　　3.3.3　鑄造速率

　　鑄造速率對裂紋缺陷的產(chǎn)生影響最大，一連鑄造時(shí)，單元時(shí)間鑄錠成型的長度稱為鑄造速率[10]。文獻(xiàn)[11]指出，鑄錠液穴深度與鑄造速率成正比。一樣通常隨鑄造速率增大，熔體液穴降落，鑄錠打仗二次水冷時(shí)溫度偏高，導(dǎo)致溫度梯度增大，大大增大了構(gòu)造應(yīng)力，使鑄錠形成冷裂紋的偏向性低落，而使形成熱裂紋的偏向增長。由于加速鑄造速率使鑄錠中已凝集部門的溫度升高，而合金在溫度升高時(shí)塑性明顯增長。要是把鑄造速率增大到使鑄錠凝集層的拉伸變形產(chǎn)生在具有充足塑性的溫度區(qū)間(＞200～300℃)，則鑄錠就不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。同時(shí)，隨鑄造速率加速，鑄錠各層冷卻速率差異更大，導(dǎo)致拉伸變形量增大，因而使鑄錠形成熱裂紋的偏向增大。

　　(1)扁鑄錠：對付沒有冷裂紋偏向的軟合金，隨鑄錠寬厚比增大，應(yīng)低落鑄造速率。對付冷裂紋偏向較大的硬合金，隨鑄錠寬厚比增大，應(yīng)進(jìn)步鑄造速率。在鑄錠厚度和寬厚比肯定的條件下，熱裂紋偏向較大的合金，應(yīng)低落鑄造速率。

　　(2)圓鑄錠：對付小直徑圓鑄錠，由于熱裂紋偏向性和過渡帶絕對尺寸都不大，在包管鑄錠具有精良外貌質(zhì)量的條件下，可以選擇較高的鑄造速率。反之，對付大截面圓鑄錠應(yīng)該接納較低的鑄造速率。統(tǒng)一種合金，鑄錠直徑越大，鑄造速率越低。鑄錠直徑雷同時(shí)，鑄造速率按軟合金→6xxx系合金→高鎂合金→高身分2xxx系合金→高合金7xxx系合金的次序遞減。

　　3.3.4 鑄造溫度

　　鑄造溫度越高，會(huì)減小熔體的過冷度，使形核率降落，晶粒變得粗大，使鋁及鋁合金結(jié)晶凝集時(shí)期的強(qiáng)度低落，塑性變差。單元外貌上的液膜數(shù)目、厚度增大，且增大了鑄錠的液穴深度及溫度梯度，鑄造的緊縮應(yīng)力也增大，從而易產(chǎn)生鑄錠裂紋。

　　在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，鑄造溫度多選擇比合金液相線溫度高50~110℃。對付扁鑄錠，應(yīng)選擇較低的鑄造溫度。對付圓鑄錠，鑄錠裂紋偏向性和鑄造溫度的干系不太敏感[12]。為了加強(qiáng)鑄錠結(jié)晶時(shí)析氣補(bǔ)縮的本領(lǐng)，創(chuàng)造次序結(jié)晶的條件，以進(jìn)步鑄錠致密度，故鑄造溫度多偏高選取。

　　常用鋁合金的鑄造溫度如表3所示。

表3常用鋁合金的鑄造溫度

　　3.3.5　防備熔體過熱和靜置時(shí)間過長

　　為低落合金的裂紋、粗晶和羽毛晶偏向，包管合金組元的充實(shí)溶解，淘汰鋁合金熔體的吸氣和氧化，全部鋁合金都有劃定的熔煉溫度范疇。合金在熔煉鑄造歷程中局部或全部熔體的溫度凌駕規(guī)程容許的最高熔煉溫度的征象，則稱為熔體過熱。

　　以Al-4%Cu合金為例，如圖7，熔體過熱溫度越高，晶粒度變大，裂紋的形成偏向變大。緣故原由闡發(fā)如下：熔體過熱時(shí)異質(zhì)晶核淘汰，形核率低落，易產(chǎn)生晶粒粗大征象，使鑄錠中羽毛狀晶明顯增多，晶粒外貌積減小，單元外貌上的液膜數(shù)目和厚度增大，從而使鑄錠熱裂偏向增大。而在熔化后的熔體靜置時(shí)間過長，由于熔體中存在大量的布局升沉（或相升沉）和能量升沉[13]，熔體的局部產(chǎn)生形核及長大，以致厥后變得粗大，同樣增大了單元外貌上的液膜數(shù)目和其厚度，因而使鑄錠的抗裂性降落。因此，爐料從裝熔煉爐開始到出爐完畢，總時(shí)間不凌駕16小時(shí)為宜，金屬導(dǎo)入靜置爐后到鑄造開始的總時(shí)間不該凌駕8小時(shí)。

圖7 熔體過熱溫度與晶粒度、裂紋偏向性之間的干系（Al-4%Cu合金）

　　3.4　細(xì)化晶粒構(gòu)造

　　細(xì)化晶粒構(gòu)造是進(jìn)步合金塑性的最直接要領(lǐng)。細(xì)化晶粒能進(jìn)步脆性溫度區(qū)間的相對延伸率，低落線緊縮開始溫度，并減小有用結(jié)晶區(qū)間的線緊縮值，從而低落合金的熱裂紋偏向。晶粒微小、構(gòu)造勻稱的質(zhì)料，其抵擋應(yīng)力變形的本領(lǐng)明顯加強(qiáng)，故向熔體中添加外來結(jié)晶焦點(diǎn)是細(xì)化晶粒構(gòu)造，進(jìn)步構(gòu)造強(qiáng)度，克制裂紋的有用步伐。產(chǎn)業(yè)上一樣通常接納向鋁合金熔體中參加細(xì)化劑的要領(lǐng)舉行晶粒細(xì)化處置處罰，而常用的晶粒細(xì)化劑有Al-Ti、Al-Ti-B、Al-B中心合金等文獻(xiàn)[14]評釋，Al-B中心合金對Al-Si合金的細(xì)化結(jié)果乃至比Al-Ti和Al-Ti-B中心合金更好。

　　4.竣事語

　　在鋁及鋁合金加工中，鑄錠的質(zhì)量對后續(xù)各道工藝的加工質(zhì)量的影響較大，乃至?xí)绊懙浇K極的鋁成品格量。故對鑄錠外貌、內(nèi)部裂紋都需嚴(yán)加控制，只有淘汰或完全制止鑄造裂紋，才氣生產(chǎn)出高質(zhì)量的鋁成品。在生產(chǎn)實(shí)踐中，通過以上步伐的實(shí)行，可以明顯進(jìn)步鑄錠的成品率，包管鋁成品的質(zhì)量。

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鋁及鋁合金鑄造裂紋產(chǎn)生的緣故原由及防備步伐