新闻中心:热烈祝贺美墅嘉别墅建材有限公司官方网站成功开通
新闻中心
NEWS
当前位置:网站首页 > 新闻中心

铝及铝合金铸造裂纹产生的缘故原由及防备步伐

择要:本文先容了铝及铝合金铸锭常见的铸造裂纹情势及机理,阐发了铸造裂纹产生的缘故原由,提出了相应的防备步伐。
 
 
  铸造裂纹是危害较大的一种缺陷,它粉碎了金属构造的一连性,在随后的挤压或压延加工历程中无法压合,以是铸锭查验时把有裂纹的铸锭视为绝对废品。铸造裂纹的存在严峻影响铝加工企业的生产服从与经济效益,因此有须要对其举行体系地阐发及研究,以便在生产中接纳有用步伐淘汰裂纹缺陷的产生,进步铸锭成品率。
 
 
  1.铸造裂纹的分类和机理阐发
 
 
  1.1 铸造裂纹的分类
 
 
  按其形成历程通常将铸造裂纹分为热裂纹与冷裂纹。热裂纹是在有用结晶区间(自线紧缩开始温度起,至不均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,其宏观体现情势为外貌裂纹、中央裂纹、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],多产生在200℃左右。侧裂、底裂、劈裂多为冷裂纹。
 
 
  变形铝合金一连铸锭中的冷裂纹和热裂纹的特性示于表1。
 
表1 变形铝合金冷裂纹和热裂纹的特性[4]
 
 
 
 
  1.2 铸造裂纹的形成机理
  冷裂常出如今铸件受拉伸的部位,那些壁厚差异大、形状庞大的铸件,尤其是大而薄的铸件易产生冷裂纹。通常能增长铸造应力、低落铸造强度和塑性的因素都将促使冷裂纹的生长。
 
 
  热裂纹是一种平凡又很难完全消除的铸造缺陷,除Al-Si合金外,险些在全部的产业变形铝合金中都能发明。关于热裂纹的形成机理重要有强度理论、液膜理论和裂纹形成理论3种。此中,强度理论比力通用,该理论从对合金高温力学性能的研究结果出发,以为全部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,当紧缩而产生的应力要是凌驾了此时金属的强度,大概由应力而引起的变形凌驾了金属的塑性,就会导致热裂纹的产生。
 
 
  在生产历程中一样通常不存在纯粹的热裂纹或冷裂纹,大部门都先产生热裂纹,然后在冷却历程中由热裂纹生长成为冷裂纹。
 
 
  2 铸造裂纹产生的素质缘故原由
 
 
  在凝集末期,铸件绝大部门已凝集成固态,但其强度和塑性较低,当铸件的紧缩受到铸型、型芯和浇注体系等的机器拦阻时,将在铸件内部产生铸造应力,若铸造应力的巨细凌驾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集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,产生铸造裂纹的素质缘故原由是由于构造内应力与外部机器应力太大,凌驾质料塑性变形本领,引起金属构造纷歧连而开裂。
 
 
  3.防备铸造裂纹产生的步伐
 
 
  铸造裂纹的影响因素归纳起来重要与熔体质量、铸造设置装备部署、铸造工艺条件和晶粒构造有关。因此可从这四个方面入手,接纳对应步伐来防备铸造裂纹的产生。
 
 
  3.1 包管熔体的质量
 
 
  3.1.1 淘汰熔体中杂质的含量
 
 
  7050合金铸造工艺举行了研究,提出对化学身分的优化,可以进步合金的成型性,淘汰铸锭开裂。
 
 
  杂质含量高时,合金构造中晶格畸变量增大,内应力增大,抵挡塑性变形本领大大降落,导致合金易于开裂。对付铝及铝合金,Fe、Si是其重要杂质元素。它们重要以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]。当铁和硅的比例不其时,会引起铸件产生裂纹。
 
 
  别的,别的杂质元素也需相应控制。当合金中存在钠时,在凝集历程中,钠吸附在枝晶外貌或晶界,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)一样通常应控制在510-4%以下,乃至更低,达210-4%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。这重要是由于低熔点杂质元素在凝集时后结晶,每每包在晶界四周,导致凝集紧缩时受拉应力而沿晶开裂。以是需对铝液中的杂质含量举行公道调配,控制其含量。
 
 
  3.1.2 淘汰熔体的含宇量和混合物含量
 
 
  铝及铝合金熔炼、保温时,氛围和炉气中的N2、O2、H2O、CO2、H2、CO和CmHn等要与熔体在界面相互作用,产生化合、剖析、溶解和扩散等历程,终极使熔体产生氧化和吸气。其氧化天生物有A12O3、SiO2、MnO和MgO等,此中Al2O3是重要的氧化混合物[7]。此中,对付非金属混合要求其数目少而小,其单个颗粒应少于10μm;而对付特别要求的航空、航天质料、双零箔等成品的非金属混合的单个颗粒应小于5μm。
 
 
  由于熔体吸取的气体中H2占85%以上[8],且氢在熔体中的溶解度随温度的低落而减小,因而在熔体结晶凝集时有大量气体析出,未实时逸出的便在铸锭中形成气孔。混合物和睦孔都可减弱晶粒间的团结,造成应力会合,使铸锭的塑性和强度降落,从而导致铸造裂纹。一样通常来说,平凡成品要求的产物氢含量控制在0.15~0.2mL/(100g Al)以下,而对付特别要求的航空、航天质料、双零箔等氢含量应控制在0.1 mL/(100g Al)以下。
 
 
  3.2 调解铸造设置装备部署状态
 
 
  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门和未隔热的冷却部门构成的,通常是由2A50合金铸造毛坯或紫铜加工而成。而结晶器的材质、高度、水套中心水孔、内腔断面形状、二次冷却水孔位置和匀称性,及其安置的平整性,对铸造裂纹都有影响。
 
图6 热顶铸造结晶器安置图
 
 
  铜质结晶器由于传热速率快,导致过冷度增大,对付合金结晶范畴较宽的大规格铸锭易产生裂纹。在半一连铸锭生产中,大多接纳矮(短)结晶器。但接纳矮(短)结晶器时,铸锭的温度梯度大,其紧缩应力大,故易产生心部裂纹。结晶器高度一样通常为80~200mm。常见的结晶器高度与铸锭直径的干系如表2所示。而水套中心水孔的截面由于对铸锭的结晶凝集有影响,故对裂纹的产生有影响。结晶器的内腔断面形状不公道,二次冷却水孔位置不得当及匀称性欠好,在凝集时会产生不匀称紧缩,而导致铸锭裂纹。别的,结晶器安置不屈整,在铸造时会对铸锭刚凝集的外壳部门产生弯矩作用,将导致铸锭外貌裂纹。
 
 
表2 常见的铸锭直径和结晶器高度的干系
 
  3.2.2 铸造机
  铸造机运行安稳性较好,在铸造时底座的倾斜、摆荡愈小,对铸锭的弯矩就愈小,铸锭不易产生裂纹。故铸造机运行安稳可靠,可减小铸锭裂纹。
 
 
  3.3 公道选择铸造工艺条件
 
 
  在铸锭结晶凝集时,由于受到摩擦阻力和紧缩应力的作用,故有形成铸锭裂纹的偏向。这重要与铸锭规格、冷却强度、铸造速率和铸造温度等铸造条件有关。
 
 
  3.3.1 铸锭规格
 
 
  在一样通常条件下,铸锭愈厚或直径愈大,铸锭中央愈易产陌生松,铝及铝合金的铸态性能愈差,产生裂纹的偏向性愈大。对付扁锭,裂纹偏向性还随宽厚比增大而加强。现在,海内大多数工场在半一连铸造时接纳的铸锭长度是6~7m。
 
 
  3.3.2 冷却强度(冷却速率)
 
 
  冷却强度也称为冷却速率。当冷却强度增大时,铸锭的液穴深度减小,但液穴在边部却变陡,铸锭次外貌的温度梯度较大。而凭据铸锭结晶凝集紧缩应力可用数学式表达:σ=E?a(t1-t2)[9]可知,紧缩应力σ与温度差(t1-t2)是成正比的,故在铸锭内部会产生较大的紧缩应力。而铸锭内部是羽毛状晶,其横向晶界漫衍较多,晶界处又每每聚集杂质和偏析化合物而形成脆性区,其强度较低,易导致铸锭裂纹。别的,冷却强度的匀称性非常重要,若二次冷却不匀称或水温变革较大,会产生不匀称的紧缩应力,易产生铸锭裂纹。
 
 
  一连铸造时,决定铝铸锭冷却速率的根本因素有:(1)冷却水的流量(水压)、流速和温度;(2)结晶器的布局(高度、锥度、喷水孔角度、内套壁的厚度和材质);(3)铸造速率。对付指定合金,结晶器的布局和铸造速率及水温通常是牢固的,因此,控制冷却水的流量和流速是调治铸锭冷却速率的根本本领,一样通常是通过转变水压来控制和调治的。
 
 
  对付扁锭,要求其水压通常比圆铸锭和空心铸锭的大。在铸锭规格雷同的环境下,冷却水压按1xxx系合金→3xxx系合金和6xxx系合金→2xxx系合金→高合金5xxx系合金→高合金7xxx系合金的次序递减。但扁铸锭小面水压以硬铝型合金最大,以消除侧面冷裂纹;以Al-Zn-Mg-Cu系最小,以消除热裂纹。而对付统一合金,铸锭规格愈大,则水压愈小,以低落偏向性。但是,对付软合金和裂纹偏向性较小的合金,也可随规格增大而增洪流压,以包管得到精良的铸态性能。
 
 
  3.3.3 铸造速率
 
 
  铸造速率对裂纹缺陷的产生影响最大,一连铸造时,单元时间铸锭成型的长度称为铸造速率[10]。文献[11]指出,铸锭液穴深度与铸造速率成正比。一样通常随铸造速率增大,熔体液穴降落,铸锭打仗二次水冷时温度偏高,导致温度梯度增大,大大增大了构造应力,使铸锭形成冷裂纹的偏向性低落,而使形成热裂纹的偏向增长。由于加速铸造速率使铸锭中已凝集部门的温度升高,而合金在温度升高时塑性明显增长。要是把铸造速率增大到使铸锭凝集层的拉伸变形产生在具有充足塑性的温度区间(>200~300℃),则铸锭就不会产生冷裂纹。同时,随铸造速率加速,铸锭各层冷却速率差异更大,导致拉伸变形量增大,因而使铸锭形成热裂纹的偏向增大。
 
 
  (1)扁铸锭:对付没有冷裂纹偏向的软合金,随铸锭宽厚比增大,应低落铸造速率。对付冷裂纹偏向较大的硬合金,随铸锭宽厚比增大,应进步铸造速率。在铸锭厚度和宽厚比肯定的条件下,热裂纹偏向较大的合金,应低落铸造速率。
 
 
  (2)圆铸锭:对付小直径圆铸锭,由于热裂纹偏向性和过渡带绝对尺寸都不大,在包管铸锭具有精良外貌质量的条件下,可以选择较高的铸造速率。反之,对付大截面圆铸锭应该接纳较低的铸造速率。统一种合金,铸锭直径越大,铸造速率越低。铸锭直径雷同时,铸造速率按软合金→6xxx系合金→高镁合金→高身分2xxx系合金→高合金7xxx系合金的次序递减。
 
 
  3.3.4 铸造温度
 
 
  铸造温度越高,会减小熔体的过冷度,使形核率降落,晶粒变得粗大,使铝及铝合金结晶凝集时期的强度低落,塑性变差。单元外貌上的液膜数目、厚度增大,且增大了铸锭的液穴深度及温度梯度,铸造的紧缩应力也增大,从而易产生铸锭裂纹。
 
 
  在现实生产中,铸造温度多选择比合金液相线温度高50~110℃。对付扁铸锭,应选择较低的铸造温度。对付圆铸锭,铸锭裂纹偏向性和铸造温度的干系不太敏感[12]。为了加强铸锭结晶时析气补缩的本领,创造次序结晶的条件,以进步铸锭致密度,故铸造温度多偏高选取。
 
 
  常用铝合金的铸造温度如表3所示。
 
 
表3常用铝合金的铸造温度
 
 
  3.3.5 防备熔体过热和静置时间过长
 
 
  为低落合金的裂纹、粗晶和羽毛晶偏向,包管合金组元的充实溶解,淘汰铝合金熔体的吸气和氧化,全部铝合金都有划定的熔炼温度范畴。合金在熔炼铸造历程中局部或全部熔体的温度凌驾规程容许的最高熔炼温度的征象,则称为熔体过热。
 
 
  以Al-4%Cu合金为例,如图7,熔体过热温度越高,晶粒度变大,裂纹的形成偏向变大。缘故原由阐发如下:熔体过热时异质晶核淘汰,形核率低落,易产生晶粒粗大征象,使铸锭中羽毛状晶明显增多,晶粒外貌积减小,单元外貌上的液膜数目和厚度增大,从而使铸锭热裂偏向增大。而在熔化后的熔体静置时间过长,由于熔体中存在大量的布局升沉(或相升沉)和能量升沉[13],熔体的局部产生形核及长大,以致厥后变得粗大,同样增大了单元外貌上的液膜数目和其厚度,因而使铸锭的抗裂性降落。因此,炉料从装熔炼炉开始到出炉完毕,总时间不凌驾16小时为宜,金属导入静置炉后到铸造开始的总时间不该凌驾8小时。
 
 
图7 熔体过热温度与晶粒度、裂纹偏向性之间的干系(Al-4%Cu合金)
 
  3.4 细化晶粒构造
  细化晶粒构造是进步合金塑性的最直接要领。细化晶粒能进步脆性温度区间的相对延伸率,低落线紧缩开始温度,并减小有用结晶区间的线紧缩值,从而低落合金的热裂纹偏向。晶粒微小、构造匀称的质料,其抵挡应力变形的本领明显加强,故向熔体中添加外来结晶焦点是细化晶粒构造,进步构造强度,克制裂纹的有用步伐。产业上一样通常接纳向铝合金熔体中参加细化剂的要领举行晶粒细化处置处罚,而常用的晶粒细化剂有Al-Ti、Al-Ti-B、Al-B中心合金等文献[14]评释,Al-B中心合金对Al-Si合金的细化结果乃至比Al-Ti和Al-Ti-B中心合金更好。
 
 
  4.竣事语
 
 
  在铝及铝合金加工中,铸锭的质量对后续各道工艺的加工质量的影响较大,乃至会影响到终极的铝成品格量。故对铸锭外貌、内部裂纹都需严加控制,只有淘汰或完全制止铸造裂纹,才气生产出高质量的铝成品。在生产实践中,通过以上步伐的实行,可以明显进步铸锭的成品率,包管铝成品的质量。
 
本文章出自:www.gdmsk.cn
 
分享到:
点击次数:  更新时间:2015-01-30 09:10:14