鋁合金扁鑄錠裂紋的影響因素分析
2007年07月23日 0:0 11018次瀏覽 來源： 中國有色網 分類： 鋁資訊
王 極
（重慶長江電工（集團）有限公司，重慶401336）
摘要：從鋁及鋁合金的熔體質量、鑄造條件和鑄造設備三個方面，分析了對鋁及鋁合金扁錠裂紋影響的諸要素，并提出避免裂紋的措施。
關鍵詞：鋁合金；扁鑄錠；裂紋
在鋁及鋁合金板帶材加工中，采用半連續(xù)鑄造法生產的扁鑄錠（以下簡稱鑄錠）的質量對后續(xù)各道的加工的質量影響較大，甚至影響最終板帶材的質量。
鑄錠缺陷種類較多，其中鑄錠裂紋是危害較大的一種缺陷。銑面無法消除鑄錠表面的裂紋，在熱軋前的加熱時便產生氧化。雖然熱軋溫度高于鋁及鋁合金的再結晶溫度，但還是低于其熔點，且受熱軋乳液的影響，裂紋無法焊合，熱軋時產生開裂、裂邊、分層和起皮等缺陷。而鑄錠內部裂紋，同樣受熱軋溫度的限制和熱軋乳液的影響，裂紋也無法消除，使鑄造塑性降低，最終使冷軋產品產生裂紋、裂邊、分層和起皮等缺陷。兩者都會嚴重影響最終產品的質量。
我廠多年來采用半連續(xù)鑄造生產規(guī)格為340mm×（820～1120）mm的鑄錠。本文針對生產中經常出現的鑄錠裂紋，分析其影響因素，有利于采取措施避免和消除鑄錠裂紋。
1 鑄錠裂紋的影響因素
鑄錠裂紋的影響因素歸納起來主要與熔體質量、鑄造條件和鑄造設備三方面有關。
1.1 熔體質量
熔體質量包括化學成分、熔體的過熱溫度和靜置時間、晶粒細化效果以及熔體的含氣量和夾雜物含量等。
1.1.1 化學成分
鋁及鋁合金熔體的化學成分應準確控制，其均勻性要好。目的在于縮小有效結晶溫度區(qū)間，從而提高熔體的補縮能力，減小收縮應力和降低脆性。對于鑄錠裂紋較敏感的主要雜質元素是Fe和Si，文獻[1]認為，不僅要限制雜質元素Fe和Si的含量，而且還要控制Fe、Si之間的相互關系。對于純鋁系，當w（Fe）<w（Si）時，生成熔點為574.5℃的三元共晶α（Al）＋Si＋β（FeSiAl5）分布于晶界，游離Si和針狀的β（FeSiAl5）相脆性較大，削弱了基體的塑性，從而易產生裂紋；當w（Fe）>w（Si）時，在629℃產生包晶轉變：FeAl3十L＝α（Al）＋α（Fe3SiAl12），脆性較小，同時提高了脆性區(qū)的下限溫度，其有效結晶溫度區(qū)間縮小，結晶凝固收縮應力減小，因而裂紋傾向減小。對于Al-Mn系中常用的3A21鋁合金，當w（Fe）<w（Si），且w（Si）>0.2％時，因形成分布于晶界的熔點為575℃的三元共晶α（Al）＋（FeMn）3Si2Al15十Si而易產生裂紋；當w（Fe）＞w（Si）時，形成（FeMn）3SiAl12化合物，降低裂紋傾向；但當w（Fe＋Mn）≥1.7％時，將形成先于α（Al）析出的粗大脆性初晶相（FeMn）Al6，從而流動性降低，補縮性和塑性變差，增大裂紋傾向。而少溶或不溶于鋁及鋁合金的Na、Zn、Sn、Bi和Pb等雜質元素，由于能形成低熔點的共晶（或單相），擴大了有效結晶溫度區(qū)間。因凡是能夠擴大有效結晶溫度區(qū)間的雜質都能夠促使熱裂紋形成[2]，故為了防止鑄錠熱裂產生裂紋，對這些雜質必須嚴格控制其含量。
1.1.2 熔體的過熱溫度和靜置時間
在熔煉時，熔體過熱不僅使吸氣和氧化燒損增加，而且使鑄錠的熱裂傾向增大。因熔體過熱時異質晶核減少，形核率降低，易產生晶粒粗大現象，使鑄錠中羽毛狀晶增多，晶粒表面積減小，單位表面上的液膜數量和其厚度增大，從而使鑄錠熱裂傾向增大。而在熔化后的熔體靜置時間過長，由于熔體中存在結構起伏（或相起伏）和能量起伏[3]，熔體的局部產生形核及長大，以致后來變得粗大，同樣增大了單位表面上的液膜數量和其厚度，因而使鑄錠的抗裂性下降。
1.1.3 晶粒細化效果
對鋁及鋁合金熔體進行細化處理，可減少和消除鑄錠熱裂傾向。其原因在于經細化處理后的鑄錠晶粒被顯著細化，其強度、塑性提高，凝固脆性降低，因而鑄錠熱裂傾向減小。目前，鋁及鋁合金熔體的細化劑有：Ti-B晶粒細化劑、Al-Ti和Al-Ti-B中間合金及研制中的Al-Ti-B-RE和Al-Ti-C中間合金[4]。其中，Al-Ti中間合金細化現已很少采用，而Ti-B晶粒細化劑以其使用方便、用量少、質量較穩(wěn)定、便于運輸、貯存和性能較好，在生產中廣泛使用。關于Ti和B細化鋁晶粒的作用概括起來有兩種理論：（1）包晶理論；（2）TiB2粒子理論。
圖1是Al-Ti合金相圖中富Al的一角?？梢钥闯?，只有當w（Ti）達到0.15％之后，在665℃時才發(fā)生包晶轉變：
L（液相）十TiAl3 ＝α（Al）
圖1 Al-Ti合金相圖
當發(fā)生包晶轉變時，由于α（Al）相與TiAl3對應晶面能共格對應，α（Al）相就依附于TiAl3基底形核，使形核率增大；當無TiAl3時，α（Al）相的生長受到熔體中Ti的抑制。兩者作用的結果使晶粒得到細化。但在實際生產中，由于是半連續(xù)鑄造，冷卻速度會增大，因而發(fā)生以上平衡包晶轉變較為困難。據文獻[5]報道，冷卻速度增加，包晶溫度移向高溫，包晶點也向高Ti含量方向移動。故在加入w（Ti）＝0.01％～0.05％時，其包晶轉變難以進行。但有B存在時，Al-Ti系產生包晶反應時Ti的臨界含量只需0.01％[6]。TiB2化合物與α（Al）相密排面的點陣錯配δ值為0.048[7]，其共格對應較好，且TiB2幾乎不溶于熔體，有利于產生異質形核并長大。因此，在Ti-B晶粒細化劑中，起異質形核作用的是TiB2。當合金液中存在固溶的Ti時，TiB2將成為TiAl3的形核核心，而TiAl3則進一步作為α-Al的形核核心[8]。促使TiAl3晶胚產生包晶轉變形核成為α（Al）相生長的基底，最終使晶粒細化。大量事實證明，穩(wěn)定存在的TiB2是重要的細化相。TiB2是否在鋁及鋁合金熔體中均勻存在，將對細化效果和衰減有著直接影響。但穩(wěn)定的TiB2在熔體中幾乎是不溶的，很容易聚集而沉淀[9-11]。因而造成熔體的細化衰減，晶粒長大并隨時間延長變得更加粗大，致使鑄錠晶粒細化效果下降，鑄錠熱裂傾向增大。所以，在使用含Ti、B元素的中間合金或晶粒細化劑時，控制和防止TiB2的聚集、沉淀，提高鑄錠晶粒細化效果，是增強鑄錠抗裂性的關鍵。
1.1.4 熔體的含氣量和夾雜物含量
鋁及鋁合金熔煉、保溫時，空氣和爐氣中的N2、O2、H2O、CO2、H2、CO和CmHn等要與熔體在界面相互作用，產生化合、分解、溶解和擴散等過程，最終使熔體產生氧化和吸氣。其氧化生成物有A12O3、SiO2、MnO和MgO等，其中Al2O3是主要的氧化夾雜物。
由于熔體吸收的氣體中H2占85％以上[12]，且氫在熔體中的溶解度隨溫度的降低而減小，因而在熔體結晶凝固時有大量氣體析出，未及時逸出的便在鑄錠中形成氣孔。夾雜物和氣孔都可削弱晶粒間的聯結，造成應力集中，使鑄錠的塑性和強度下降，從而導致鑄錠裂紋。
1.2 鑄造條件
在鑄錠結晶凝固時，由于受到摩擦阻力和收縮應力的作用，故有形成鑄錠裂紋的傾向。這主要與供流、潤滑、鑄造溫度、冷卻強度和鑄造速度等鑄造條件有關。
1.2.1 供流
對于單個鑄錠的供流，應使液穴的中部較深，且呈軸對稱形狀；而對于多個鑄錠的供流，其液穴深度應基本保持一致。如果供流不均勻，則可能出現液穴偏心、不對稱及多個鑄錠間液穴深度偏差較大，從而易產生鑄錠“拉漏”。該“拉漏”可導致鑄錠增厚，增大了鑄錠和結晶器內壁表面間的摩擦阻力。而鑄錠的結晶凝固外殼處于脆性區(qū)，較薄弱并受拉應力，當有足夠大的摩擦阻力作用時，便形成了鑄錠表面裂紋。因此供流總的原則是要求熔體分配均勻。
1.2.2 潤滑
在鑄造時，鑄錠和結晶器內表面之間存在摩擦。結晶器一次冷卻凝固所形成的外殼又處于脆性區(qū)，其強度低、塑性較差、且受拉應力。如所受的摩擦阻力超過其強度，且無法補縮就形成表面裂紋，故對鑄走與結晶器內壁的接觸表面進行潤滑很有必要。
1.2.3 鑄造溫度
鑄造溫度越高，會減小熔體的過冷度，使形核率下降，晶粒變得粗大，使鋁及鋁合金結晶凝固期間的強度降低，塑性變差。單位表面上的液膜數量、厚度增大，且增大了鑄錠的液穴深度及溫度梯度，鑄造的收縮應力也增大，從而易產生鑄錠裂紋。鑄錠結晶凝固收縮應力可用數學式表達：σ＝E·a（t1-t2），式中：σ一收縮應力，E一彈性模量，a一線收縮系鼓，（t1-t2）一溫度差。因此，在確保鑄錠表面平整的情況下，應采用較低的鑄造溫度。
1.2.4 冷卻強度
當冷卻強度增大時，鑄錠的液穴深度減小，但液穴在邊部卻變陡，鑄錠次表面的溫度梯度較大。而收縮應力σ是與溫度差（t1-t2）是成正比的，故在鑄錠內部會產生較大的收縮應力。而鑄錠內部是羽毛狀晶，其橫向晶界分布較多，晶界處又常常聚集雜質和偏析化合物而形成脆性區(qū)，其強度較低，易導致鑄錠裂紋。冷卻強度愈大，裂紋傾向也就愈大。此外，冷卻強度的均勻性十分重要，若二次冷卻不均勻或水溫變化較大，會產生不均勻的收縮應力，易產生鑄錠裂紋。
1.2.5 鑄造速度
文獻[13]指出，鑄錠液穴深度與鑄造速度成正比。當鑄造速度增大，鑄錠液穴深度及溫度梯度增大，將在液穴中心的底部出現無法補縮的液穴區(qū)段，并產生較大的收縮應力，鑄錠熱裂傾向增大。因此，應選擇適當較低的鑄造速度。
1.3 鑄造設備
鑄造設備對鑄錠裂紋有較大的影響。這方面的影響因素主要包括結晶器和鑄造機。
1.3.1 結晶器
結晶器的高度、水套中間水孔、內腔斷面形狀、二次冷卻水孔位置和均勻性，及其安裝的平正性，對鑄錠裂紋都有影響。在半連續(xù)鑄錠生產中，大多采用矮（短）結晶器。但采用矮（短）結晶器時，鑄錠的溫度梯度大，其收縮應力大，故易產生心部裂紋。而水套中間水孔的截面由于對鑄錠的結晶凝固有影響，故對裂紋的產生有影響。結晶器的內腔斷面形狀不合理，二次冷卻水孔位置不適當及均勻性不好，在凝固時會產生不均勻收縮，而導致鑄錠裂紋。
另外，結晶器安裝不平整，在鑄造時會對鑄錠剛凝固的外殼部分產生彎矩作用，將導致鑄錠表面裂紋。
1.3.2 鑄造機
鑄造機運行平穩(wěn)性較好，在鑄造時底座的傾斜、晃動愈小，對鑄錠的彎矩就愈小，鑄錠不易產生裂紋。故鑄造機運行平穩(wěn)可靠，可減小鑄錠裂紋。
2 建議
由于鑄錠裂紋主要與熔體質量、鑄造條件及鑄造設備三方面因素有關，因此可通過提高熔體質量，選擇較佳的鑄造條件，以及提高鑄造設備性能和可靠性來預防鑄錠裂紋。其中，提高熔體質量是最主要的措施。而最為關鍵的是首先應當控制熔體成分和雜質；其次是晶粒細化。然而，在實際生產中還需考慮鑄錠的其他一些質量問題，綜合采取相應的技術措施，并使操作者做到精心操作，嚴格執(zhí)行工藝制度，才能從根本上預防和消除鑄錠裂紋。
3 結束語
在鋁及鋁合金板帶材生產中，對鑄錠表面、內部裂紋都要嚴格加以控制，減少或完全避免鑄錠裂紋，才能生產出高質量的板帶材。實踐證明，嚴格控制鑄錠裂紋的影響因素后，鑄錠裂紋可明顯下降，成品率得到提高，取得了較好的效果。
責任編輯：CNMN
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