高鎂鋁合金扁鑄錠鑄造收尾區(qū)裂紋產(chǎn)生原因分析及應(yīng)對措施

吳圓麗 林瀟麗 顏文煅

【摘要】在鑄造鎂含量大于4%高鎂鋁合金扁錠時，鑄錠尾部澆口出現(xiàn)裂紋，裂紋深度200-300mm，造成鑄錠切廢量增加50-100mm，影響成品率。通過延長扁錠停鑄后的自然冷卻時間，有效的減少了尾部裂紋的產(chǎn)生。

【關(guān)鍵詞】高鎂鋁合金;鑄錠;尾部裂紋;自然冷卻

5系鋁鎂合金具有密度低、抗拉強度高，延伸率高，疲勞強度高，耐蝕性好，溶接性及成形性好等優(yōu)點，因此在航天、交通，船舶等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如交通運輸油罐車的油罐、船板等。高鎂鋁合金因鎂含量提高對其鑄造性能、抗腐蝕性能都有所改善，尤其是抗拉強度更能達(dá)到較高水平，因而在未來將會成為極有競爭力的材料[1、3]。在實際生產(chǎn)中，高鎂鋁合金扁錠在鑄造過程中鑄錠尾部出現(xiàn)裂紋，裂紋深度200-300mm，超出合理的鋸廢量，降低了成品率，提高了生產(chǎn)成本。本文就預(yù)防鑄錠尾部澆口出現(xiàn)裂紋進行分析和探討。

1鑄錠尾部澆口裂紋

高鎂鋁合金（合金的主要化學(xué)成分見表1）經(jīng)如下生產(chǎn)工藝流程制作成扁錠：熔煉（鋁液達(dá)到730-750℃，進行配料，精煉及扒渣）→倒?fàn)t（保溫爐溫度730-750℃，精煉，扒渣，靜置30-40分鐘），→在線除氣→深床過濾→鑄造（鋁液溫度690-720℃）→鑄錠冷卻（扁錠規(guī)格600×1950×7100mm）→鋸切（頭300mm、尾150mm）→入庫。

經(jīng)此工藝生產(chǎn)的扁錠在鋸切工序發(fā)現(xiàn)，鑄錠收尾端澆口部位存在裂紋。裂紋主要有垂直于鑄造方向和平行于鑄造方向兩類，集中在尾部200mm處，垂直于鑄造方向的裂紋長度為20-200mm不等，平行于鑄造方向的深度200-300mm不等（如圖1、圖2所示），造成鑄錠切廢量增加50-100mm，影響成品率。

2鑄錠尾部澆口裂紋產(chǎn)生原因分析

從裂紋產(chǎn)生的部位和分布深度分析，裂紋的分布深度只在距鑄錠表面200-300mm，并非垂直于鑄造方向的通裂，且僅在鑄錠尾部出現(xiàn)，鎂含量在4%-5%的高鎂鋁合金的有效結(jié)晶溫度范圍約30，熱裂傾向不大，但是由于鎂含量大于2%，在鑄錠的過程中也容易產(chǎn)生裂紋;從裂紋的形貌上分析，裂紋呈直線擴展而且比較規(guī)則，表面光潔不存在氧化色（如圖3所示），可以判斷裂紋屬于冷裂紋[4]，是在鑄造結(jié)束后產(chǎn)生的。結(jié)合生產(chǎn)工藝，鋁液在溫度690-720℃之間鑄造，鑄造結(jié)束后，澆口處的鋁液仍然保持著液態(tài)，并未凝固。為了提高冷卻速度，停鑄10分鐘后即對澆口進行冷卻。冷卻10分鐘的扁錠僅在接近結(jié)晶器150mm處形成金屬殼（如圖4所示），并未完全凝固。此時對澆口區(qū)供給冷卻水，冷卻過快，局部凝固速度不均，產(chǎn)生鑄造熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

3防止鑄錠尾部澆口裂紋產(chǎn)生措施

由于扁錠只在鑄造后期出現(xiàn)因為鑄造熱應(yīng)力和機械應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋，所以要消除裂紋，其根源在于減少鑄造熱應(yīng)力和機械應(yīng)力。延長停鑄后的自然冷卻時間，降低扁錠斷面溫度梯度可以有效減少冷裂紋的產(chǎn)生。對比不同自然冷卻時長結(jié)晶器中鋁液狀態(tài)可知：鑄造結(jié)束10分鐘時（如圖4所示），表層已經(jīng)凝固，但里層仍然處于半凝固狀態(tài);鑄造結(jié)束15分鐘時（如圖5所示），鑄造液穴縮小，但仍然處于半凝固狀態(tài);鑄造結(jié)束20分鐘時（如圖6所示），鑄造澆口已經(jīng)完全凝固。此時降低鑄錠，對澆口給水進行冷卻，冷卻水流量按鑄造時的水流量。冷卻后在澆口部位未發(fā)現(xiàn)裂紋，在鋸床按正常工藝鋸切量鋸切，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

綜上，在停鑄后令扁錠自然冷卻20分鐘，使扁錠有充足的時間進行自然冷卻，在此過程中鑄錠液穴內(nèi)液態(tài)鋁液的溫度仍然保持在液相線溫度以上，對已經(jīng)結(jié)晶的鋁殼可以進行均勻化退火，可以有效消除高鎂鋁熔體結(jié)晶過程中可能產(chǎn)生的鈉脆，提高結(jié)晶部位的塑性和強度;在自然冷卻的過程中還可以對其進行回火，減少凝固過程的殘余應(yīng)力，減低由于冷卻造成收縮形成的裂紋源;同時未結(jié)晶液態(tài)鋁熔體具有流動性，可以及時補充結(jié)晶過程中產(chǎn)生的晶粒間隙、縮孔和疏松，減少裂紋源的產(chǎn)生，從而有效防止了鑄錠尾部裂紋的產(chǎn)生。

4結(jié)論

在鑄造高鎂鋁合金扁錠過程中，導(dǎo)致鑄錠尾部出現(xiàn)裂紋的原因主要是鑄錠停鑄后自然冷卻時間太短，導(dǎo)致鑄造應(yīng)力不能及時消除造成裂紋;次要原因是高鎂鋁合金本身受合金成分影響在急冷條件下易產(chǎn)生裂紋。故而采取延長自然冷卻時間（延長到20分鐘），利用液穴中的液態(tài)鋁熔體自然冷卻過程中提供的熱量對已結(jié)晶的鋁殼進行均勻化退化和回火，提高鑄錠的塑性，減少鑄造應(yīng)力，較少裂紋源;利用液態(tài)鋁熔體的流動性，減少尾部結(jié)晶過程中產(chǎn)生的縮孔和疏松，再度減少裂紋源，從而達(dá)到有效防止裂紋產(chǎn)生的目的。

參考文獻：

[1]梁魯清.大規(guī)格高鎂鋁合金扁錠熔鑄關(guān)鍵技術(shù)與實踐[J].《鋁加工》，2017，（5）：45-49.

[2]管仁國，婁花芬，黃暉等.鋁合金材料發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及展望[J].《中國工程科學(xué)》，2020，，22（5）：68-74.

[3]王莉.Al-Mg 合金的組織及力學(xué)性能[J].《輕合金加工技術(shù)》，2005，，33（11）：46-53.

[4]孝云禎，馬宏聲編著.有色金屬熔煉與鑄錠[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，1994：148-152.

作者簡介：吳圓麗，女，1974，碩士研究生，福州。