鋁及鋁合金鑄造裂紋產生的原因及防范措施

　　3.2.2　鑄造機

　　鑄造機運行平穩性較好，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。故鑄造機運行平穩可靠，可減小鑄錠裂紋。

　　3.3 合理選擇鑄造工藝條件

　　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。這主要與鑄錠規格、冷卻強度、鑄造速度和鑄造溫度等鑄造條件有關。

　　3.3.1　鑄錠規格

　　在一般條件下，鑄錠愈厚或直徑愈大，鑄錠中心愈易產生疏松，鋁及鋁合金的鑄態性能愈差，產生裂紋的傾向性愈大。對于扁錠，裂紋傾向性還隨寬厚比增大而增強。目前，國內大多數工廠在半連續鑄造時采用的鑄錠長度是6~7m。

　　3.3.2　冷卻強度(冷卻速度)

　　冷卻強度也稱為冷卻速度。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。而根據鑄錠結晶凝固收縮應力可用數學式表達：σ=E?a(t1-t2)[9]可知，收縮應力σ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，其強度較低，易導致鑄錠裂紋。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。

　　連續鑄造時，決定鋁鑄錠冷卻速度的基本因素有：(1)冷卻水的流量(水壓)、流速和溫度;(2)結晶器的結構(高度、錐度、噴水孔角度、內套壁的厚度和材質);(3)鑄造速度。對于指定合金，結晶器的結構和鑄造速度及水溫通常是固定（詞條“固定”由行業大百科提供）的，因此，控制冷卻水的流量和流速是調節鑄錠冷卻速度的基本手段，一般是通過改變水壓來控制和調節的。

　　對于扁錠，要求其水壓通常比圓鑄錠和空心鑄錠的大。在鑄錠規格相同的情況下，冷卻水壓按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系合金的次序遞減。但扁鑄錠小面水壓以硬鋁型合金最大，以消除側面冷裂紋;以Al-Zn-Mg-Cu系最小，以消除熱裂紋。而對于同一合金，鑄錠規格愈大，則水壓愈小，以降低傾向性。但是，對于軟合金和裂紋傾向性較小的合金，也可隨規格增大而增大水壓，以保證獲得良好的鑄態性能。

　　3.3.3　鑄造速度

　　鑄造速度對裂紋缺陷的產生影響最大，連續鑄造時，單位時間鑄錠成型的長度稱為鑄造速度[10]。文獻[11]指出，鑄錠液穴深度與鑄造速度成正比。一般隨鑄造速度增大，熔體液穴下降，鑄錠接觸二次水冷時溫度偏高，導致溫度梯度增大，大大增大了組織應力，使鑄錠形成冷裂紋的傾向性降低，而使形成熱裂紋的傾向增加。因為加快鑄造速度使鑄錠中已凝固部分的溫度升高，而合金在溫度升高時塑性顯著增加。如果把鑄造速度增大到使鑄錠凝固層的拉伸變形發生在具有足夠塑性的溫度區間(>200～300℃)，則鑄錠就不會發生冷裂紋。同時，隨鑄造速度加快，鑄錠各層冷卻速度差別更大，導致拉伸變形量增大，因而使鑄錠形成熱裂紋的傾向增大。

　　(1)扁鑄錠：對于沒有冷裂紋傾向的軟合金，隨鑄錠寬厚比增大，應降低鑄造速度。對于冷裂紋傾向較大的硬合金，隨鑄錠寬厚比增大，應提高鑄造速度。在鑄錠厚度和寬厚比一定的條件下，熱裂紋傾向較大的合金，應降低鑄造速度。

　　(2)圓鑄錠：對于小直徑圓鑄錠，由于熱裂紋傾向性和過渡帶絕對尺寸都不大，在保證鑄錠具有良好表面質量的條件下，可以選擇較高的鑄造速度。反之，對于大截面圓鑄錠應該采用較低的鑄造速度。同一種合金，鑄錠直徑越大，鑄造速度越低。鑄錠直徑相同時，鑄造速度按軟合金→6xxx系合金→高鎂合金→高成分2xxx系合金→高合金7xxx系合金的次序遞減。

　　3.3.4 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。

　　在實際生產中，鑄造溫度多選擇比合金液相線溫度高50~110℃。對于扁鑄錠，應選擇較低的鑄造溫度。對于圓鑄錠，鑄錠裂紋傾向性和鑄造溫度的關系不太敏感[12]。為了加強鑄錠結晶時析氣補縮的能力，創造順序結晶的條件，以提高鑄錠致密度，故鑄造溫度多偏高選取。

　　常用鋁合金的鑄造溫度如表3所示。

　　表3常用鋁合金的鑄造溫度

　　3.3.5　防止熔體過熱和靜置時間過長

　　為降低合金的裂紋、粗晶和羽毛晶傾向，保證合金組元的充分溶解，減少鋁合金熔體的吸氣和氧化，所有鋁合金都有規定的熔煉溫度范圍。合金在熔煉鑄造過程中局部或全部熔體的溫度超過規程允許的最高熔煉溫度的現象，則稱為熔體過熱。

　　以Al-4%Cu合金為例，如圖7，熔體過熱溫度越高，晶粒度變大，裂紋的形成傾向變大。原因分析如下：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，使鑄錠中羽毛狀晶明顯增多，晶粒表面積減小，單位表面上的液膜數量和厚度增大，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，由于熔體中存在大量的結構起伏(或相起伏)和能量起伏[13]，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。因此，爐料（詞條“爐料”由行業大百科提供）從裝熔煉爐開始到出爐完畢，總時間不超過16小時為宜，金屬導入靜置爐后到鑄造開始的總時間不應超過8小時。

　　圖7 熔體過熱溫度與晶粒度、裂紋傾向性之間的關系(Al-4%Cu合金)

　　3.4　細化晶粒組織

　　細化晶粒組織是提高合金塑性的最直接方法。細化晶粒能提高脆性溫度區間的相對延伸率，降低線收縮開始溫度，并減小有效結晶區間的線收縮值，從而降低合金的熱裂紋傾向。晶粒細小、組織均勻的材料，其抵抗應力變形的能力明顯增強，故向熔體中添加外來結晶核心是細化晶粒組織，提高組織強度，抑制裂紋的有效措施。工業上一般采用向鋁合金熔體中加入細化劑的方法進行晶粒細化處理，而常用的晶粒細化劑有Al-Ti、Al-Ti-B、Al-B中間合金等文獻[14]表明，Al-B中間合金對Al-Si合金的細化效果甚至比Al-Ti和Al-Ti-B中間合金更好。

　　4.結束語

　　在鋁及鋁合金加工中，鑄錠的質量對后續各道工藝的加工質量的影響較大，甚至會影響到最終的鋁制品質量。故對鑄錠表面、內部裂紋都需嚴加控制，只有減少或完全避免鑄造裂紋，才能生產出高質量的鋁制品。在生產實踐中，通過以上措施的實施，可以顯著提高鑄錠的成品率，保證鋁制品的質量。

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