硬鋁合金半連續鑄造的裂紋缺陷分析

劉自由，張海鷹

(1.湖南城市學院，湖南 益陽 413000；2.東莞職業技術學院，廣東 東莞 523808)

7055硬鋁合金是高強度合金材料，它的結晶溫度范圍廣，固液區塑性低，裂紋形成的傾向性極大。在鑄錠的常規半連續鑄造過程中，鑄造工藝參數如澆注溫度、拉坯速度、冷卻條件等，與鑄錠的裂紋產生有極大的關系。研究溫度場、應力場分布規律，分析鑄錠裂紋產生的原理，可以清楚地闡明鑄錠內部裂紋的形成原因及找到有效的調節控制方法。

鑄造過程中溫度變化所形成的鑄錠裂紋是一種鑄造質量缺陷，裂紋的形成和發展與鑄造溫度的變化有關。分析裂紋產生的基礎就是分析鑄造過程中的溫度變化規律，分析裂紋成因的直接有效方法就是掌握鑄錠期間溫度場的變化規律。鑄錠的凝固是在高溫下的結晶器內進行的，無法直接觀察。在實際生產中，大、中型鑄錠凝固過程的溫度場幾乎不能測定，而且也不能通過實驗得出鑄錠的合理工藝方案后才進行工藝設計和正式生產。

1 半連續鑄造裂紋的分析

熱裂紋的形成機理主要有凝固收縮補償理論、液膜理論、強度理論和晶間搭橋理論等。強度理論以合金高溫力學性能為基礎，認為所有合金在固相線溫度之上的固液區內，都存在著一個延伸率極小、強度極低的“脆性溫度區間”，合金在這個區間冷卻時，若收縮而產生的應力超過了當時金屬的強度，或者應力引起的變形超過了金屬的塑性強度，就會導致熱裂紋的產生。

冷裂紋是在凝固后的冷卻過程中產生的裂紋。冷裂紋是鑄錠冷卻到低溫時，鑄錠內的鑄造拉應力超過了鑄錠本身強度和塑性強度極限而產生的。因此，降低鑄造強度、增加鑄造應力和塑性都將促使冷裂紋的發展。在生產過程中一般不存在純粹的冷裂紋，一般都是先產生熱裂紋，然后在冷卻過程中由熱裂紋發展成為冷裂紋。

在實際生產過程中，針對不同的工藝條件，對400×1100規格7055硬鋁合金，設置了以下幾種工藝，通過研究其溫度場、應力場的分布規律，并對鑄錠的裂紋傾向性進行分析：

相同鑄造速度（36mm/min），相同澆注溫度（700℃），相同結晶器界面換熱系數（1000w/m2·k)，不同二冷區換熱系數（二冷區具體分為空冷與水冷兩部分，共采用三種不同工藝，為便于以下的分析工作，我們將空冷與水冷的分界處在液穴處，即刮水板位置為距結晶器下沿200mm處（文中所采用的液穴深度為通過實驗測得的結果，為380mm）定義為工藝1；分界處在液穴往上100mm處，即刮水板位置為距結晶器下沿100mm處，定義為工藝2；分界處在液穴往下100mm處，即刮水板位置為距結晶器下沿300mm處，定義為工藝3。

（1）溫度場實驗結果。在工藝3情況下，不論是表面節點還是心部均冷卻很快，溫度下降的比較快。在工藝2下由于進入空冷區時間很早，溫度較其他兩種工況提前出現回升，其主要原因可能是進入空冷區以后，由于內部熱量不能及時的被傳遞出去，導致表面溫度出現回升，另一個原因是由于潛熱的釋放，也可以使表面溫度出現回升。

圖1 不同刮水板位置情況下液穴變化規律

從圖1可以看出，工藝1和工藝3情況下，液穴深度和糊狀區深度相差不是太大，工藝2情況下液穴和糊狀區較大，主要是由于工藝2下，二冷區范圍較小，導致溫度降低較慢，所以液穴深度較大，糊狀區域的深度與凝固層內溫度梯度的平均值成反比，上述工況符合所述的規律，同時，我們也可以通過有關有限元模型軟件進行數值模擬，得出的結論基本反映了鑄造裂紋分析過程的正確性。

2 應力場實驗結果分析

在工藝1和工藝2情況下，不論鑄坯角部，還是窄面中心和寬面中心，均容易產生較大的拉應力，相應的產生的壓應力也越大，主要是提高冷卻能力時，鑄錠的收縮加快，突然的驟冷會使鑄錠的表層產生較大的壓應力，因此，冷卻能力越強，鑄錠的表層壓應力越大。而在工藝3下心部產生較大的拉應力。當加大冷卻能力時，心部拉伸應力也相應增大。二冷區的冷卻能力對鑄錠的心部拉伸應力影響較大。

在工藝3下，不論寬邊方向，還是窄邊方向，在液穴底部均產生較大的拉應力。隨著水冷區范圍的擴大，拉應力也越大，二冷區的冷卻能力對鑄錠的心部拉伸應力影響較大。液穴底部縱向應力往往與鑄錠的橫向裂紋有關，因此減小二冷區的冷卻強度和區域冷卻作用范圍，都將使鑄錠的縱向應力減小，從而降低了鑄錠產生橫向裂紋的傾向性。

根據裂紋判據的概括與分析，引用張家泉，林家騮等研究的合金熱裂的凝固力學判據，對鑄錠的各種裂紋產生的傾向性進行分析。工藝1和工藝2，等效熱應力超過材料拉伸強度的位置接近鑄坯表面，該情況下有可能產生表面裂紋，而工藝3時，鑄坯有可能產生環狀裂紋，而且隨著二冷區水冷作用范圍的增大，產生裂紋的位置將往鑄錠中心移動，環狀裂紋則最終會演變成中心裂紋。因此，為了避免環狀裂紋以及中心裂紋的產生，應該減小二冷區的作用范圍。工藝2（即在實際鑄造產生液穴基礎上，往液面方向移動上100mm，在此位置來分開水冷與空冷的作用范圍,即放置刮水板處）能夠滿足工藝要求。

在鑄坯角部和窄面中心，還有寬面中心，工藝1和工藝3，表面溫度降至500℃以下時，等效熱應力幾乎均超過材料的強度值，因此鑄坯在這個過程中將可能產生表面裂紋，而工藝2產生表面裂紋的可能性較小。隨著二冷區水冷作用范圍增大，出現表面裂紋的可能性也增大，同時出現裂紋的區域也變大。當鑄錠從結晶器拉出后，由于二次冷卻的關系，鑄錠溫度繼續降低，鑄錠表層應力從拉應力變為壓應力，所產生的表面裂紋將被緊密壓合。所以，這種裂紋只有在對宏觀組織試片留心觀察時才能發現。從圖中我們還可以看出，由于潛熱的釋放，對等效應力產生的影響，在鑄坯角部和寬面中心，由于潛熱的釋放，等效應力出現回升現象，使溫度梯度增大，導致等效應力出現短暫的增大現象，這對裂紋的產生也有一定的影響。綜合以上分析可以看出，適當的減小二冷區的作用范圍將有利于消除鑄錠的表面裂紋。

3 結論

通過對3種工藝研究半連續鑄造過程中的溫度場、應力場分布規律，并對各種裂紋的傾向性進行分析，可以得出以下幾條結論，對于生產過程中避免鑄造裂紋缺陷具有重要實際意義：

（1）區域冷卻裝置刮水板往上移動，即減小二冷區的作用范圍，以此來降低冷卻強度，可以有效地消除鑄錠環狀裂紋和表面裂紋缺陷，這對于制定無裂紋缺陷的鑄造工藝具有一定的作用。

（2）鋁液在結晶器內凝固時由于相變釋放出大量潛熱，致使鑄錠表面溫度出現回升，使鑄錠表面出現褶痕，這與工業生產中的情況相符，因此從一定程度上說明了模型的正確性。

（3）區域冷卻裝置刮水板越往下，冷卻能力越大和二冷區水冷范圍越大，液穴越淺，糊狀區域越深，二冷區的換熱能力對糊狀區域的深度影響較大。

（4）在鑄造過程中，鑄坯外層受壓應力、內部受拉應力作用，最大的心部拉伸應力均出現寬邊方向距心部35mm左右，窄邊方向15mm左右，由此可能形成環狀的內裂紋。而刮水板越往下，冷卻能力越強和二冷區水冷作用的范圍越大，鑄坯的表層壓應力越大，心部的拉伸應力也相應越大。

（5）結晶器內部的凝固殼外表面由于收縮受阻，使表層材料產生拉伸應力和拉伸變形，從而使鑄錠產生表面裂紋，適當的減小二冷區域冷卻的作用范圍將有利于消除鑄錠的表面裂紋。

[1]林家騮,朱世根等.鑄鋼件凝固過程三維溫度場熱應力場的數值模擬與縮孔(縮松)的熱裂的判定[J].鑄造,1993,41(10).

[2]曾渝，尹志民，潘青林，等.超高強鋁合金的研究現狀及發展趨勢[J].中南工業大學學報,2002,33(6):592-596.