鋁合金空心錠內(nèi)孔拉裂漏鋁原因及防止措施

杜新宇

(南陽(yáng)理工學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000)

鋁合金空心錠熱頂鑄造俗稱(chēng)埋芯子鑄造，是由DC鑄造發(fā)展而來(lái)的多模高效鑄造技術(shù)。由于結(jié)晶器高度小，冷卻速度快，鑄錠致密度提高，沿鑄錠截面的化學(xué)成分更為均勻；同水平供流提高了金屬內(nèi)部的純潔度，更好地改善了空心鑄錠的表面質(zhì)量。據(jù)分析，空心錠內(nèi)孔偏析層深度減小到0.4 mm，外表面偏析層深度減小到0.7 mm，鑄錠表面無(wú)明顯成層，不經(jīng)車(chē)皮、鏜孔等機(jī)械加工就可以滿足熱擠壓無(wú)縫管對(duì)鑄錠毛坯的技術(shù)要求。

在一些鋁加工企業(yè)，熱頂鑄造空心錠時(shí)會(huì)發(fā)生內(nèi)孔漏鋁事故，漏鋁嚴(yán)重時(shí)甚至引起十分危險(xiǎn)的鋁液爆炸事故。多數(shù)人認(rèn)為漏鋁是員工鑄造水平差、操作失誤造成的；個(gè)別企業(yè)懷疑熱頂鑄造空心錠冷卻強(qiáng)度和鑄造速度的提高使鑄錠表面與心部溫差加大，鑄錠裂紋傾向性提高而引起內(nèi)孔漏鋁。為避免漏鋁，必須找到真正原因。

1 空心錠內(nèi)孔拉裂漏鋁的原因

為查明原因，對(duì)空心錠漏鋁部位進(jìn)行縱向切片檢查，觀察其內(nèi)孔表面組織。一般情況下，鑄錠內(nèi)孔先出現(xiàn)拉痕、拉裂甚至拉口，然后出現(xiàn)漏鋁，在鑄錠長(zhǎng)度方向上漏鋁部位無(wú)規(guī)律。但是也發(fā)現(xiàn)有的鑄錠內(nèi)孔切片表面沒(méi)有拉痕、拉裂缺陷卻產(chǎn)生突發(fā)性漏鋁的現(xiàn)象。多家企業(yè)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，空心錠澆鑄下降至800 mm～1 500 mm時(shí)出現(xiàn)突發(fā)性拉裂、漏鋁，造成返水，漏出鋁液充填了鑄錠內(nèi)孔而變?yōu)閷?shí)心廢品。

1.1 內(nèi)孔出現(xiàn)拉痕、拉裂是造成漏鋁的主要原因

液穴的形狀和深度影響空心錠的成形和應(yīng)力。有研究證明，空心錠液穴的底部位于壁厚中間與內(nèi)表面之間，鑄錠外徑與孔徑之比越大，液穴底部越接近內(nèi)表面[1]，也就是說(shuō)空心錠內(nèi)表面凝殼要薄于外表面凝殼。

熱頂鑄造空心錠的結(jié)晶器及芯子工作帶較短，連續(xù)鑄造時(shí)，在接近鑄錠內(nèi)表面的凝固前沿，冷卻水引發(fā)鑄錠內(nèi)壁部位提前凝固，鑄錠中心結(jié)晶時(shí)收縮受到外層阻礙產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大時(shí)，會(huì)使組織產(chǎn)生放射狀裂紋，未結(jié)晶的中心熔體會(huì)填充裂紋間隙而形成細(xì)小的枝晶，此時(shí)塑性較差，如果冷卻水量過(guò)大，鑄錠內(nèi)孔更接近芯棒，使鑄錠內(nèi)孔與芯棒接觸面積加大。芯子錐度較小時(shí)，芯子妨礙鑄錠熱收縮，鑄錠內(nèi)孔壁在芯子下部工作帶的摩擦作用下，會(huì)將內(nèi)孔較薄的凝殼拉裂而漏鋁[2]。

在結(jié)晶器錐度α與芯棒錐度β相等的情況下(如圖1所示)，芯棒與鑄錠的接觸區(qū)高度應(yīng)該比結(jié)晶器與鑄錠的接觸區(qū)高度大得多，這也是空心錠往往產(chǎn)生內(nèi)孔漏鋁的原因。

圖1 空心鑄錠熱頂鑄造機(jī)構(gòu)Fig.1 Hot-top casting mechanism for hollow ingot

1.2 內(nèi)孔沒(méi)有拉痕、拉裂而突發(fā)性漏鋁的主要原因

鑄錠內(nèi)孔沒(méi)有拉痕拉裂而出現(xiàn)突發(fā)性漏鋁很可能與其他物理原因產(chǎn)生的外力有關(guān)。通過(guò)對(duì)數(shù)家企業(yè)考察，發(fā)現(xiàn)這種情況多出現(xiàn)在鑄井溢流排水的企業(yè)，而強(qiáng)制排水的企業(yè)很少出現(xiàn)，由此可見(jiàn)漏鋁是鑄管內(nèi)的氣體壓力造成的。鑄管內(nèi)的氣體由空氣和噴水受熱后產(chǎn)生的水蒸氣混合組成，管內(nèi)氣壓本身就大于大氣壓。

熱頂鑄造鋁合金鑄管內(nèi)水冷強(qiáng)度低，所以鑄錠內(nèi)孔凝殼簿比較脆弱。如果鑄井采用溢流排水，隨著鑄錠的不斷下降，鑄管內(nèi)的氣體被鑄井的存水不斷壓縮，管內(nèi)氣壓逐步升高，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，沖破內(nèi)孔脆弱的凝殼而發(fā)生突發(fā)性漏鋁。

2 影響內(nèi)孔拉裂、漏鋁的因素

2.1 鑄造工裝的影響

空心錠熱頂鑄造需要一個(gè)形成鑄錠內(nèi)孔的芯棒，芯棒內(nèi)腔通入冷卻水，入水管和芯棒上部封套隔熱保溫材料[3]。鑄造過(guò)程中隨著內(nèi)孔壁的凝固形成，溫度下降，收縮率增大，需要芯棒的幾何形狀與鑄錠凝固過(guò)程中內(nèi)孔壁的收縮相適應(yīng)。芯棒錐度β如果過(guò)小(如圖1所示)，鑄造過(guò)程中很容易出現(xiàn)“抱芯子”情況，導(dǎo)致鑄錠內(nèi)孔拉裂、拉口。

2.2 鑄造(凝固)參數(shù)的影響

決定液穴形狀和深度的鑄造溫度、鑄造速度和冷卻速度等鑄造參數(shù)對(duì)空心錠的應(yīng)力和成形有很大影響。

2.2.1 冷卻強(qiáng)度

空心錠比實(shí)心錠多了一個(gè)芯子水，使鑄錠內(nèi)外表面同時(shí)冷卻，因此更要注重冷卻強(qiáng)度和均勻性。應(yīng)控制芯子的冷卻強(qiáng)度相對(duì)小一些，否則會(huì)因?yàn)閮?nèi)孔冷卻強(qiáng)度過(guò)大，鑄錠內(nèi)孔壁提前凝固，造成鑄錠內(nèi)壁收縮量過(guò)大而抱芯子，鑄錠內(nèi)壁凝殼拉裂[4]。但芯子水冷卻強(qiáng)度也不能太小，否則可能會(huì)燒壞芯子，還可能造成鋁合金粘接在芯子表面而撕裂內(nèi)壁凝殼[5]。

2.2.2 冷卻均勻性

冷卻均勻是鑄錠結(jié)晶溫度場(chǎng)均勻分布、各部位收縮一致的先決條件，空心錠冷卻均勻的要求大大地高于同樣規(guī)格的實(shí)心錠的。冷卻不均時(shí)，各部分收縮速度和收縮量不一致，弱冷部位將出現(xiàn)局部溫度較高、曲率半徑很小的液穴區(qū)段，液穴局部壁薄，抵抗拉應(yīng)力的能力變差，熱應(yīng)力增大而引起裂紋傾向性提高[6]。實(shí)踐證明，空心鑄錠裂紋、開(kāi)裂多分布在內(nèi)孔表面水冷強(qiáng)度較弱的地方。

2.2.3 鑄造溫度

空心錠多為合金化程度高、結(jié)晶溫度區(qū)間大、鑄造性能差的硬鋁和超硬鋁合金，為保證鑄造過(guò)程中熔體的良好流動(dòng)和補(bǔ)縮性能，減少氣孔、疏松、冷隔和裂紋缺陷的產(chǎn)生，有利于排除氣體和夾雜物，宜采用相對(duì)較高的鑄造溫度[5]。但在冷卻條件一定的前提下，鑄造溫度提高，液穴加深，空心鑄錠的鋁液注入處更容易形成尖形液穴，液穴壁變薄，鑄錠二次水冷使收縮應(yīng)力增大，產(chǎn)生熱裂紋的概率增大[6]。

2.2.4 鑄造速度

鑄造速度直接影響鑄錠的結(jié)晶速度、液穴深度和過(guò)渡帶的寬度。鑄造速度越快，液穴越深，空心錠壁厚中心的熔體凝固收縮時(shí)受周邊已凝固金屬阻礙，在鑄錠內(nèi)層形成的拉應(yīng)力就越大，鑄錠產(chǎn)生壁厚中心裂紋的傾向就會(huì)越大，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)當(dāng)時(shí)溫度下金屬的強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)致鑄錠壁厚中心產(chǎn)生裂紋。但鑄造速度過(guò)低，鑄錠表面易形成冷隔，增大了橫向裂紋的傾向，嚴(yán)重時(shí)引起冷裂。

2.2.5 合金成分

鑄錠凝固過(guò)程中的收縮量也與合金成分相關(guān)，尤其是高合金化鋁合金，結(jié)晶溫度范圍寬，固-液區(qū)塑性低，加之合金中的強(qiáng)化相種類(lèi)較多，因此合金熔體流動(dòng)性差，降低合金的鑄造性能，易產(chǎn)生裂紋缺陷[5-6]。

3 防止內(nèi)孔拉裂漏鋁的措施

3.1 改進(jìn)鑄造工裝

鑄造速度、冷卻水溫度等鑄造參數(shù)會(huì)引起沿鑄錠高度方向上凝固條件的改變。芯棒的幾何形狀采用錐形，錐度大小和鑄錠高度方向凝固率有關(guān)，實(shí)際生產(chǎn)中難以準(zhǔn)確確定鑄錠內(nèi)孔收縮與鑄錠高度方向凝固率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以錐度不能太小，否則容易被下降且不斷收縮的鑄錠內(nèi)孔摩擦粘附，造成內(nèi)孔壁撕裂而漏鋁。對(duì)于塑性差、裂紋敏感性強(qiáng)的合金，也可以將芯棒加成雙錐度，上部2°～6°、下部4°～10°，其目的是保證鑄錠上部?jī)?nèi)孔表面的凝固部分與芯棒接觸面最大，隨著收縮進(jìn)一步增強(qiáng)而消除鑄錠與芯棒的粘附與摩擦[1]。

正確地選擇結(jié)晶器、芯棒高度。鑄錠規(guī)格大，要適當(dāng)增加芯棒高度。為保證空心錠內(nèi)表面質(zhì)量和均勻的壁厚，芯棒表面粗糙度Ra應(yīng)不低于0.8 μm，安裝前用細(xì)砂紙除銹，避免碰傷和劃痕；設(shè)計(jì)及安裝時(shí)要保證芯棒、芯子支架、熱頂熱帽及結(jié)晶底座的同心度，并確保芯棒安裝穩(wěn)定可靠[5-6]。

另外，芯子石墨部分及保溫套之間配合要緊密，不能存在細(xì)小縫隙，否則極易夾鋁而導(dǎo)致先期凝固引起的拉裂。保證結(jié)晶器與熱帽之間過(guò)渡圓滑并留有配合縫隙，避免二者之間存在直角。

3.2 調(diào)整冷卻強(qiáng)度

一般情況下，冷卻水壓是反映鑄造冷卻水用量的標(biāo)志，芯子水壓應(yīng)在0.02 MPa左右，不要調(diào)得太高，調(diào)試時(shí)以冷卻水稍微有打手的感覺(jué)即可；通常也通過(guò)適當(dāng)降低芯子給水水位等工藝措施來(lái)降低鑄錠內(nèi)表面脫模前的線收縮值，從而降低產(chǎn)生熱裂紋的傾向[2]。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，制定水壓與水溫對(duì)應(yīng)表，水溫較低時(shí)采用下限水壓，水溫較高時(shí)采用上限水壓。鑄造過(guò)程中，要觀察鑄錠凝固收縮線，控制其在離內(nèi)孔壁1/3壁厚處[4]。

3.3 保證冷卻均勻

設(shè)計(jì)出水孔角度、出水孔尺寸和間距均勻分布的鑄錠成形工具是保證冷卻均勻的關(guān)鍵，一般情況下，芯子噴水角設(shè)計(jì)為小于30°，結(jié)晶器噴水角設(shè)計(jì)為20°～25°之間，保證內(nèi)表面冷卻帶比外表面冷卻帶提高20 mm～50 mm[4]；充分考慮結(jié)晶器的位置與冷卻水的匹配；避免芯桿安裝偏斜，鑄造前認(rèn)真檢查和清理芯子的冷卻水道，保證水流通暢[6]。

3.4 選擇合適的鑄造溫度

為了保證熔體沿鑄錠截面的流動(dòng)性，減少氣孔、疏松和夾渣缺陷增加過(guò)冷帶寬度，改善鑄錠的組織性能，熔體的溫度應(yīng)該比鑄造同樣直徑的實(shí)心錠的高5 ℃～10 ℃[1,6]。

3.5 確定最佳鑄造速度

由于熱頂鑄造的有效結(jié)晶區(qū)較窄，結(jié)晶速度快，可以通過(guò)提高鑄造速度來(lái)適應(yīng)熱頂鑄造比較窄的有效結(jié)晶區(qū)。但由于高合金化鋁合金的鑄造性差、裂紋傾向大，故不能選用過(guò)高的鑄造速度[6]。實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)結(jié)晶器二次冷卻水的噴水角度和水溫，通過(guò)試驗(yàn)確定鑄造速度的最佳參數(shù)。

3.6 控制合金成分

在滿足使用性能的前提下，盡量提高合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，降低裂紋敏感性。如Al-Zn-Mg-Cu系合金中Fe，Si屬雜質(zhì)元素，對(duì)合金的熱脆性有明顯的影響[6]，增加合金的熱裂傾向[1]。隨著Si、Fe含量的增加，在晶界和枝晶界生成的低熔點(diǎn)共晶體增多，當(dāng)w(Si)>w(Fe)時(shí)，可生成硬而脆的金屬間化合物如AlFeSi相和其他多元相，可降低合金的強(qiáng)度、韌性和伸長(zhǎng)率。合金的成分必須嚴(yán)格加以控制，生產(chǎn)中通?？刂苭(Si)≤0.2%、w(Fe)≤0.45%，并使w(Fe)-w(Si)>0.05%[1,3]。為防止拉裂，其他合金元素的調(diào)整應(yīng)以提高合金塑性和抗拉強(qiáng)度為要。

3.7 提高熔體質(zhì)量與操作水平

為了獲得優(yōu)質(zhì)的高合金化空心鑄錠，還必須注意熔體質(zhì)量與操作工藝。保證熔體的清潔度，防止熔體過(guò)熱和爐內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，徹底除氣除渣，進(jìn)行必要的變質(zhì)處理等。對(duì)硬鋁、超硬鋁合金，鑄造開(kāi)頭要采用鋪底工藝，放流均勻，控制液面平穩(wěn)，及時(shí)清理浮渣，防止產(chǎn)生冷隔、夾渣等引起的鑄錠裂紋和開(kāi)裂[5-6]。

3.8 降低鑄管內(nèi)氣壓

鑄錠內(nèi)孔沒(méi)有拉痕、拉裂而突發(fā)性漏鋁的現(xiàn)象主要是鑄管內(nèi)氣體被井水壓縮造成的，因此一切降低鑄管內(nèi)氣體壓力的措施，均可消除內(nèi)孔出現(xiàn)突發(fā)性漏鋁的現(xiàn)象。將鑄井內(nèi)溢流排水改為強(qiáng)制排水，使鑄井內(nèi)存水越少越好，這樣對(duì)鑄管內(nèi)的氣體形成不了較大的壓力；對(duì)空心錠熱頂鑄造工具進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)安裝排氣裝置(如圖2所示)，消除因氣體被壓縮而產(chǎn)生的外力。排氣裝置對(duì)鑄井溢流排水、強(qiáng)制排水均可適用。經(jīng)多家企業(yè)試驗(yàn)，這種排氣裝置可有效解決規(guī)律性突發(fā)性漏鋁的問(wèn)題。需要注意的是，排氣裝置排出的氣體包含水蒸氣和水，具有一定的溫度，所以出口連接的管道必須耐溫(最好采用紫銅管)，避免燙壞。而且排氣管出口應(yīng)遠(yuǎn)離鑄錠液面，或?qū)⒊隹诎卜旁阼T井的上方無(wú)水處，使管道暢通，避免堵塞。

圖2 加裝排氣裝置的結(jié)晶器Fig.2 Mold with an exhaust device

4 結(jié) 論

1)熱頂鑄造空心錠內(nèi)孔冷卻強(qiáng)度過(guò)大、芯子錐度偏小時(shí)，鑄錠內(nèi)孔壁與芯子下部工作帶摩擦嚴(yán)重，會(huì)將內(nèi)孔較薄的凝殼拉裂造成漏鋁。芯子錐度不合理是造成內(nèi)孔漏鋁的重要原因之一，因此要確保芯棒、芯子支架、熱頂熱帽及結(jié)晶底座的同心度，芯棒表面要光滑，與熱帽連接處避免直角。合理控制鑄造溫度、鑄造速度、冷卻強(qiáng)度與均勻性、合金成分等可防止因內(nèi)孔凝殼拉裂造成的漏鋁。

2)鑄井溢流排水時(shí)，鑄管內(nèi)氣體被鑄井的存水不斷壓縮，管內(nèi)氣壓逐步升高，氣壓會(huì)沖破內(nèi)孔凝殼而突發(fā)性漏鋁。對(duì)空心錠熱頂鑄造工具進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)安裝排氣裝置，消除因氣體被壓縮而產(chǎn)生的外力，是解決無(wú)論溢流或強(qiáng)制排水冷卻時(shí)突發(fā)性漏鋁的有效措施。