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铝合金铸造裂纹产生的原因及防范措施

时间: 2019-01-14 13:10:08来源: 江阴市嘉达机电制造有限公司

铝合金铸造裂纹产生的原因及防范措施铸造裂纹是危害较大的一种缺陷,它破坏了金属组织的连续性,在随后的挤压或压延加工过程中无法压合,所以铸锭检验时把有裂纹的铸锭视为绝对废品。铸造裂纹的存在严重影响铝加工企...

铝合金铸造裂纹产生的原因及防范措施

铸造裂纹是危害较大的一种缺陷,它破坏了金属组织的连续性,在随后的挤压或压延加工过程中无法压合,所以铸锭检验时把有裂纹的铸锭视为绝对废品。铸造裂纹的存在严重影响铝加工企业的生产效率与经济效益,因此有必要对其进行系统地分析及研究,以便在生产中采取有效措施减少裂纹缺陷的产生,提高铸锭成品率。

  1.铸造裂纹的分类和机理分析

  1.1 铸造裂纹的分类

  按其形成过程通常将铸造裂纹分为热裂纹与冷裂纹。热裂纹是在有效结晶区间(自线收缩开始温度起,至不平衡固相线温度止的结晶温度区间)形成的裂纹。以圆铸锭为例,其宏观表现形式为表面裂纹、中心裂纹、环状裂纹、放射状裂纹、浇口裂纹等[1,2],如图1~5所示。冷裂纹是指合金低于合金固相线温度时形成的裂纹[3],多发生在200℃左右。侧裂、底裂、劈裂多为冷裂纹。

 1.2 铸造裂纹的形成机理

  冷裂常出现在铸件受拉伸的部位,那些壁厚差别大、形状复杂的铸件,尤其是大而薄的铸件易发生冷裂纹。凡是能增加铸造应力、降低铸造强度和塑性的因素都将促使冷裂纹的发展。

  热裂纹是一种普通又很难完全消除的铸造缺陷,除Al-Si合金外,几乎在所有的工业变形铝合金中都能发现。关于热裂纹的形成机理主要有强度理论、液膜理论和裂纹形成理论3种。其中,强度理论比较通用,该理论从对合金高温力学性能的研究结果出发,认为所有合金在固相线温度之上的固液区内都存在着一个强度极低、延伸率极小的“脆性温度区间”,合金在这个区间冷却时,当收缩而产生的应力如果超过了此时金属的强度,或者由应力而引起的变形超过了金属的塑性,就会导致热裂纹的产生。

  在生产过程中一般不存在纯粹的热裂纹或冷裂纹,大部分都先产生热裂纹,然后在冷却过程中由热裂纹发展成为冷裂纹。

  2 铸造裂纹产生的本质原因

  在凝固末期,铸件绝大部分已凝固成固态,但其强度和塑性较低,当铸件的收缩受到铸型、型芯和浇注系统等的机械阻碍时,将在铸件内部产生铸造应力,若铸造应力的大小超过了铸件在该温度下的强度极限,即产生热裂纹。而冷裂纹是在铸件凝固后冷却到弹性状态时,因局部铸造应力大于合金极限强度而引起的开裂。总结可知,产生铸造裂纹的本质原因是由于组织内应力与外部机械应力太大,超过材料塑性变形能力,引起金属组织不连续而开裂。

  3.防止铸造裂纹产生的措施

  铸造裂纹的影响因素归纳起来主要与熔体质量、铸造设备、铸造工艺条件和晶粒组织有关。因此可从这四个方面入手,采取对应措施来防止铸造裂纹的产生。

  3.1 保证熔体的质量

  3.1.1 减少熔体中杂质的含量

  段玉波等[5]对7050合金铸造工艺进行了研究,提出对化学成分的优化,可以提高合金的成型性,减少铸锭开裂。

  杂质含量高时,合金组织中晶格畸变量增大,内应力增大,抵抗塑性变形能力大大下降,导致合金易于开裂。对于铝及铝合金,Fe、Si是其主要杂质元素。它们主要以FeAl3和游离硅存在。当硅大于铁,形成β-FeSiAl5(或Fe2Si2Al9)相,而铁大于硅时,形成α-Fe2SiAl8(或Fe3SiAl12)相[6]。当铁和硅的比例不当时,会引起铸件产生裂纹。

  此外,其它杂质元素也需相应控制。当合金中存在钠时,在凝固过程中,钠吸附在枝晶表面或晶界,热加工时,晶体上的钠形成液态吸附层,产生脆性开裂,即“钠脆”。碱金属钠(除高硅合金外)一般应控制在5×10-4%以下,甚至更低,达2×10-4%以下。像K、Sn等低熔点杂质元素少量存在也会使合金性能变脆,易于开裂。这主要是由于低熔点杂质元素在凝固时后结晶,往往包在晶界周围,导致凝固收缩时受拉应力而沿晶开裂。所以需对铝液中的杂质含量进行合理调配,控制其含量。

  3.1.2 减少熔体的含气量和夹杂物含量

  铝及铝合金熔炼、保温时,空气和炉气中的N2、O2、H2O、CO2、H2、CO和CmHn等要与熔体在界面相互作用,产生化合、分解、溶解和扩散等过程,最终使熔体产生氧化和吸气。其氧化生成物有A12O3、SiO2、MnO和MgO等,其中Al2O3是主要的氧化夹杂物[7]。其中,对于非金属夹杂要求其数量少而小,其单个颗粒应少于10μm;而对于特殊要求的航空、航天材料、双零箔等制品的非金属夹杂的单个颗粒应小于5μm。

  由于熔体吸收的气体中H2占85%以上[8],且氢在熔体中的溶解度随温度的降低而减小,因而在熔体结晶凝固时有大量气体析出,未及时逸出的便在铸锭中形成气孔。夹杂物和气孔都可削弱晶粒间的联结,造成应力集中,使铸锭的塑性和强度下降,从而导致铸造裂纹。一般来说,普通制品要求的产品氢含量控制在0.15~0.2mL/(100g Al)以下,而对于特殊要求的航空、航天材料、双零箔等氢含量应控制在0.1 mL/(100g Al)以下。

  3.2 调整铸造设备状况

  3.2.1 结晶器

  以热顶铸造结晶器为例(图6),其结晶器是由隔热的热顶部分和未隔热的冷却部分组成的,通常是由2A50合金锻造毛坯或紫铜加工而成。而结晶器的材质、高度、水套中间水孔、内腔断面形状、二次冷却水孔位置和均匀性,及其安装的平整性,对铸造裂纹都有影响。

铜质结晶器由于传热速度快,导致过冷度增大,对于合金结晶范围较宽的大规格铸锭易产生裂纹。在半连续铸锭生产中,大多采用矮(短)结晶器。但采用矮(短)结晶器时,铸锭的温度梯度大,其收缩应力大,故易产生心部裂纹。结晶器高度一般为80~200mm。常见的结晶器高度与铸锭直径的关系如表2所示。而水套中间水孔的截面由于对铸锭的结晶凝固有影响,故对裂纹的产生有影响。结晶器的内腔断面形状不合理,二次冷却水孔位置不适当及均匀性不好,在凝固时会产生不均匀收缩,而导致铸锭裂纹。另外,结晶器安装不平整,在铸造时会对铸锭刚凝固的外壳部分产生弯矩作用,将导致铸锭表面裂纹。