鋁及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絕對廢品。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（詞條“合金”由行業大百科提供）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。

　　變形鋁合金連續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（詞條“塑性”由行業大百科提供）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。總結可知，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（詞條“熱加工”由行業大百科提供）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（詞條“熔點”由行業大百科提供）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，最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。

　　圖6 熱頂鑄造結晶器安裝圖

　　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（詞條“彎矩”由行業大百科提供）作用，將導致鑄錠表面裂紋。

　　表2 常見的鑄錠直徑和結晶器高度的關系

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