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        鋁合金鑄造裂紋產生的原因及防范措施

        時間: 2019-01-14 13:10:08來源: 江陰市嘉達機電制造有限公司

        鋁合金鑄造裂紋產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,所以鑄錠檢驗時把有裂紋的鑄錠視為******廢品。鑄造裂紋的存在嚴重影響鋁加工企...

        鋁合金鑄造裂紋產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,所以鑄錠檢驗時把有裂紋的鑄錠視為******廢品。鑄造裂紋的存在嚴重影響鋁加工企業的生產效率與經濟效益,因此有必要對其進行系統地分析及研究,以便在生產中采取有效措施減少裂紋缺陷的產生,提高鑄錠成品率。

          1.鑄造裂紋的分類和機理分析

          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。熱裂紋是在有效結晶區間(自線收縮開始溫度起,至不平衡固相線溫度止的結晶溫度區間)形成的裂紋。以圓鑄錠為例,其宏觀表現形式為表面裂紋、中心裂紋、環狀裂紋、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形成的裂紋[3],多發生在200℃左右。側裂、底裂、劈裂多為冷裂紋。

         1.2 鑄造裂紋的形成機理

          冷裂常出現在鑄件受拉伸的部位,那些壁厚差別大、形狀復雜的鑄件,尤其是大而薄的鑄件易發生冷裂紋。凡是能增加鑄造應力、降低鑄造強度和塑性的因素都將促使冷裂紋的發展。

          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,幾乎在所有的工業變形鋁合金中都能發現。關于熱裂紋的形成機理主要有強度理論、液膜理論和裂紋形成理論3種。其中,強度理論比較通用,該理論從對合金高溫力學性能的研究結果出發,認為所有合金在固相線溫度之上的固液區內都存在著一個強度極低、延伸率極小的“脆性溫度區間”,合金在這個區間冷卻時,當收縮而產生的應力如果超過了此時金屬的強度,或者由應力而引起的變形超過了金屬的塑性,就會導致熱裂紋的產生。

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

          2 鑄造裂紋產生的本質原因

          在凝固末期,鑄件絕大部分已凝固成固態,但其強度和塑性較低,當鑄件的收縮受到鑄型、型芯和澆注系統等的機械阻礙時,將在鑄件內部產生鑄造應力,若鑄造應力的大小超過了鑄件在該溫度下的強度極限,即產生熱裂紋。而冷裂紋是在鑄件凝固后冷卻到彈性狀態時,因局部鑄造應力大于合金極限強度而引起的開裂??偨Y可知,產生鑄造裂紋的本質原因是由于組織內應力與外部機械應力太大,超過材料塑性變形能力,引起金屬組織不連續而開裂。

          3.防止鑄造裂紋產生的措施

          鑄造裂紋的影響因素歸納起來主要與熔體質量、鑄造設備、鑄造工藝條件和晶粒組織有關。因此可從這四個方面入手,采取對應措施來防止鑄造裂紋的產生。

          3.1 保證熔體的質量

          3.1.1 減少熔體中雜質的含量

          段玉波等[5]對7050合金鑄造工藝進行了研究,提出對化學成分的優化,可以提高合金的成型性,減少鑄錠開裂。

          雜質含量高時,合金組織中晶格畸變量增大,內應力增大,抵抗塑性變形能力大大下降,導致合金易于開裂。對于鋁及鋁合金,Fe、Si是其主要雜質元素。它們主要以FeAl3和游離硅存在。當硅大于鐵,形成β-FeSiAl5(或Fe2Si2Al9)相,而鐵大于硅時,形成α-Fe2SiAl8(或Fe3SiAl12)相[6]。當鐵和硅的比例不當時,會引起鑄件產生裂紋。

          此外,其它雜質元素也需相應控制。當合金中存在鈉時,在凝固過程中,鈉吸附在枝晶表面或晶界,熱加工時,晶體上的鈉形成液態吸附層,產生脆性開裂,即“鈉脆”。堿金屬鈉(除高硅合金外)一般應控制在5×10-4%以下,甚至更低,達2×10-4%以下。像K、Sn等低熔點雜質元素少量存在也會使合金性能變脆,易于開裂。這主要是由于低熔點雜質元素在凝固時后結晶,往往包在晶界周圍,導致凝固收縮時受拉應力而沿晶開裂。所以需對鋁液中的雜質含量進行合理調配,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,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,產生化合、分解、溶解和擴散等過程,朂終使熔體產生氧化和吸氣。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,對于非金屬夾雜要求其數量少而小,其單個顆粒應少于10μm;而對于特殊要求的航空、航天材料、雙零箔等制品的非金屬夾雜的單個顆粒應小于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,因而在熔體結晶凝固時有大量氣體析出,未及時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結,造成應力集中,使鑄錠的塑性和強度下降,從而導致鑄造裂紋。一般來說,普通制品要求的產品氫含量控制在0.15~0.2mL/(100g Al)以下,而對于特殊要求的航空、航天材料、雙零箔等氫含量應控制在0.1 mL/(100g Al)以下。

          3.2 調整鑄造設備狀況

          3.2.1 結晶器

          以熱頂鑄造結晶器為例(圖6),其結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。而結晶器的材質、高度、水套中間水孔、內腔斷面形狀、二次冷卻水孔位置和均勻性,及其安裝的平整性,對鑄造裂紋都有影響。

        銅質結晶器由于傳熱速度快,導致過冷度增大,對于合金結晶范圍較寬的大規格鑄錠易產生裂紋。在半連續鑄錠生產中,大多采用矮(短)結晶器。但采用矮(短)結晶器時,鑄錠的溫度梯度大,其收縮應力大,故易產生心部裂紋。結晶器高度一般為80~200mm。常見的結晶器高度與鑄錠直徑的關系如表2所示。而水套中間水孔的截面由于對鑄錠的結晶凝固有影響,故對裂紋的產生有影響。結晶器的內腔斷面形狀不合理,二次冷卻水孔位置不適當及均勻性不好,在凝固時會產生不均勻收縮,而導致鑄錠裂紋。另外,結晶器安裝不平整,在鑄造時會對鑄錠剛凝固的外殼部分產生彎矩作用,將導致鑄錠表面裂紋。

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