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)應力，當在此內(nèi)應力作用下產(chǎn)生的變形率大于當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合金的主要化學成分為Zn、Mg、Cu，屬Al-Zn-Mg-Cu系合金，其化學成分見表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)生的應力增大，當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，便成了應力集中的薄弱環(huán)節(jié)，當應力大到超過當時溫度下金屬強度或塑性極限時，導致鑄錠裂紋產(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。空心錠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)也相應變寬，在鑄錠受到二次水冷時，收縮應力增大，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?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)層形成拉應力，當這種拉應力大到超過當時溫度下鑄錠伸長率極限時便形成中心裂紋。

當鑄造速度低時，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，化學工業(yè)出版社，2006：186～187