7001合金空心鑄錠裂紋產(chǎn)生的原因及防止措施

劉金霞

(中國鋁業(yè)西北鋁加工分公司，甘肅 隴西748111)

近幾年在生產(chǎn)中，7001合金ф270/106規(guī)格空心鑄錠裂紋現(xiàn)象非常嚴重。成品率很低，如何減少該鑄錠的裂紋，提高鑄錠成品率是我們急需解決的問題。

1 裂紋的形態(tài)及產(chǎn)生原因

7001合金ф270/106規(guī)格空心鑄錠，在鑄造生產(chǎn)過程中，裂紋現(xiàn)象非常嚴重。裂紋形態(tài)有：內(nèi)壁徑向裂紋、中心放射狀裂紋、橫斷裂紋、通心裂紋等。

7001合金空心鑄錠的裂紋從裂紋的屬性來講，極少數(shù)屬熱裂紋，絕大部分屬冷裂紋。裂紋產(chǎn)生的原因，主要是在鑄造過程中，隨著金屬結(jié)晶和鑄錠冷卻過程的進行，金屬溫度的變化，發(fā)生相變化和體積變化， 且鑄錠內(nèi)金屬溫度變化的不均勻性,以及合金結(jié)晶溫度的不一致性帶來相變化和體積變化的不均勻性，從而在鑄錠內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)在此內(nèi)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的變形率大于當(dāng)時鑄錠的延伸率或塑性極限時，鑄錠則沿受力的垂直方向裂開。

引起7001合金空心鑄錠裂紋的因素是多方面的，也較復(fù)雜，主要與合金的性質(zhì)，包括主要成分和雜質(zhì)的控制、鑄造工藝及操作人員的操作水平，鑄造工具的選擇有直接的關(guān)系。

2 影響裂紋的主要因素

2.1 合金成分及雜質(zhì)的影響

7001合金的主要化學(xué)成分為Zn、Mg、Cu，屬Al-Zn-Mg-Cu系合金，其化學(xué)成分見表1。

7001合金，合金化程度高Zn+Mg+Cu在11～14%之間，結(jié)晶溫度范圍寬，高低溫塑性差，冷裂、熱裂傾向極大，鑄錠成型困難。

表1 7001合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))%

Zn、Mg是主要強化元素，它們共同存在會形成η(MgZn2)和T(Al2Mg2Zn3)相。η相和T相有很強的時效強化效果，Zn和Mg含量的提高可使強度、硬度大大提高，但會使塑性、抗應(yīng)力腐蝕性能和斷裂韌性降低。該合金隨著Zn:Mg比值增大，合金的塑性越差，鑄造產(chǎn)生裂紋的傾向性增加。

雜質(zhì)Fe、Si可降低合金的強度、伸長率，并對韌性有不良影響，必須嚴格加以控制。Fe、Si在室溫下溶解度很低，主要以硬而脆的FeAl3和游離Si的形式存在。Fe和Si同時存在于Al中，F(xiàn)e、 Si控制不當(dāng)時，這些硬而脆的金屬間化合物會降低合金的伸長率，引起鑄錠裂紋。

2.2 鑄造工具的影響

鑄造7001合金時，有效結(jié)晶區(qū)高度要合理，不宜過高，防止鑄錠被二次加熱，遇二次水冷時形成表面裂紋。選擇合適的芯子錐度，芯子錐度不能太小，減少芯子被抱住的幾率；正確安裝芯子，避免芯桿偏斜，減少鑄錠壁厚不均度，保證水冷均勻；適當(dāng)增加芯子高度；減少芯子的冷卻強度；保證芯子供水均勻，使鑄錠內(nèi)壁冷卻均勻。

2.3 鑄造過程操作的影響

① 鑄造開頭的操作

鑄造開頭的正確與否是能不能順利鑄出完整鑄錠的關(guān)鍵，在硬鋁合金和超硬鋁合金的鑄造中尤為重要。硬鋁合金和超硬鋁合金在鑄造開頭時，為防止底部裂紋，必須用純鋁鋪底，鋪底鋁在基本金屬的沖擊下，使處于凝固和半凝固的純鋁起一層硬殼，混入液體中，這時如打渣不當(dāng)或打渣不干凈，就造成了液體中存有一定量的夾雜物和氧化鋁殼，隨著基本金屬在結(jié)晶器中凝固及鑄錠的下降，造成了渣子夾在鑄錠的底部，當(dāng)鑄錠以一定的鑄速拉出結(jié)晶器時，受到二次水的急劇冷卻，鑄錠在結(jié)晶過程中產(chǎn)生的應(yīng)力增大，當(dāng)鑄錠鑄到一定的長度后，鑄錠夾渣處及底部或因開頭不良造成的冷隔處，便成了應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)應(yīng)力大到超過當(dāng)時溫度下金屬強度或塑性極限時，導(dǎo)致鑄錠裂紋產(chǎn)生，引起鑄錠開裂。

② 鑄造過程中液面的控制

鑄造過程液面高低的控制也是防止鑄錠裂紋的重要一環(huán)。7001合金鑄造性能差，在鑄造過程中，液面控制一定要平穩(wěn)，水平面易高不易低，如液面控制不穩(wěn)，波動大，鑄錠表面形成冷隔；增大鑄錠內(nèi)外層的溫度梯度，造成鑄錠的收縮應(yīng)力增大，裂紋傾向提高。

③ 鑄造過程中的打渣

鑄造過程中要及時打渣，對于鋁液流動過程中卷入的渣子要及時打出，否則會造成在夾渣部位形成應(yīng)力集中點，引起鑄錠裂紋。

2.4 鑄造工藝的影響

7001合金ф270/106規(guī)格鑄造工藝制度見表2。

表2 鑄造工藝參數(shù)

① 冷卻強度的影響

在半連續(xù)鑄造中，結(jié)晶器中水的均勻分布十分重要?？招腻V由于多了一個芯子水，在鑄造時更要注重水的分布。局部供水不足將導(dǎo)致冷卻強度的差別，造成各部份收縮大小不一和收縮不同步，熱應(yīng)力增大而引起裂紋傾向的提高。

② 鑄造溫度的影響

7001合金由于合金化程度高，結(jié)晶溫度區(qū)間大，鑄造性能差。提高鑄造溫度一定程度上可改善金屬的流動性，減小冷隔的產(chǎn)生。但該合金在鑄溫較高時，因液區(qū)增大，使液穴變深，組織中產(chǎn)生柱狀晶的傾向增大。由于固液區(qū)增大，脆性區(qū)也相應(yīng)變寬，在鑄錠受到二次水冷時，收縮應(yīng)力增大，裂紋機會也增大。降低鑄造溫度時，過渡帶的寬度變大，熔體的粘度增加，金屬的流動性差，排氣和補縮變壞，使鑄錠的氣孔、疏松、夾渣、氧化膜廢品增加。

采用適當(dāng)?shù)蔫T造溫度，可降低合金凝固時的溫度梯度，使過冷帶變寬，在組織中能形成大量的新晶體，抑制柱狀晶的繼續(xù)生長，改善鑄錠的組織結(jié)構(gòu)，提高合金最終的各項性能，

③ 鑄造速度的影響

鑄造速度的快慢直接影響到鑄錠的結(jié)晶速度、液穴深度和過渡帶的寬度，因此它是決定鑄錠質(zhì)量的重要因素。當(dāng)鑄速較快時，液穴加深，如果液穴的底部延伸到結(jié)晶器之外，則形成中心裂紋的傾向性大。位于結(jié)晶器之外的液穴底部，由于周邊金屬業(yè)已冷凝，迫使中心收縮困難，因而在鑄錠內(nèi)層形成拉應(yīng)力，當(dāng)這種拉應(yīng)力大到超過當(dāng)時溫度下鑄錠伸長率極限時便形成中心裂紋。

當(dāng)鑄造速度低時，熔體的粘度增大，鑄錠表面易形成冷隔，同時鑄錠軸向溫度梯度增大，增大了橫向裂紋的傾向，并可能成為冷裂紋的起因。由于7001合金鑄造性能差，裂紋傾向大，故不能選用過高的鑄造速度。但該合金由于比熱容小，結(jié)晶速度快，如鑄速低則鑄錠表面易形成冷隔，造成由冷隔引起橫裂而導(dǎo)致整個鑄錠開裂。

3 防止產(chǎn)生裂紋的措施

① 合理控制合金成分，Zn 、Mg、Cu含量要按中間值控制，同時控制Fe<0.25%，F(xiàn)e>Si0.05%。

② 鑄造前要將結(jié)晶器、芯子清洗干凈打磨光滑，不得有拉痕。檢查出水孔出水是否均勻，不得有堵塞現(xiàn)象，結(jié)晶器下緣與水套結(jié)合要嚴密，保證出水不打旋，保證冷卻均勻，減少鑄造應(yīng)力。正確安裝芯子，避免芯桿偏斜，減少鑄錠壁厚不均度。

③ 鑄造時對鋁液溫度、冷卻水壓力、鑄造速度等參數(shù)要嚴格按工藝制度執(zhí)行，鑄造速度、溫度偏上限執(zhí)行。

④ 鋪底后放流要均勻平穩(wěn)，防止液面上升太快，鑄造過程中液面要平穩(wěn)，不得有高忽低的現(xiàn)象，防止形成冷隔、夾渣等缺陷造成應(yīng)力集中點，減少裂紋的產(chǎn)生。

⑤ 鑄造時控制液面平穩(wěn)，減少因液面不平穩(wěn)造成的成層缺陷引起鑄錠裂紋。

4 結(jié)論

① 為滿足產(chǎn)品的性能要求，主要成分Zn、Mg、Cu按中間值控制。Cr按下限控制。雜質(zhì)：Fe<0.25%、Fe>Si0.05%；

② 該合金鑄造應(yīng)力大，鑄錠塑性差，鑄造開頭打渣要徹底，放流要適時，過程液面控制要平穩(wěn)，液面水平相對要高，上下波動小，謹防開頭及過程中出現(xiàn)冷隔；

③ 該合金對冷卻強度敏感性大，水冷一定要均勻，冷卻強度要合理；

④ 嚴格執(zhí)行工藝制度。鑄造速度、溫度偏中上限執(zhí)行。

[1]王猛，盧志森等，輕合金加工手冊，冶金工業(yè)出版社 102～103

[2]謝水生，劉靜安等，鋁加工生產(chǎn)技術(shù)500問，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2006：186～187