鋁合金扁鑄錠裂紋的影響因素分析
2007年07月23日 0:0 6834次瀏覽 來源： 中國有色網(wǎng) 分類： 鋁資訊
王 極
（重慶長江電工（集團(tuán)）有限公司，重慶401336）
摘要：從鋁及鋁合金的熔體質(zhì)量、鑄造條件和鑄造設(shè)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(guān)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(chǎn)的扁鑄錠（以下簡稱鑄錠）的質(zhì)量對后續(xù)各道的加工的質(zhì)量影響較大，甚至影響最終板帶材的質(zhì)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(shí)便產(chǎn)生氧化。雖然熱軋溫度高于鋁及鋁合金的再結(jié)晶溫度，但還是低于其熔點(diǎn)，且受熱軋乳液的影響，裂紋無法焊合，熱軋時(shí)產(chǎn)生開裂、裂邊、分層和起皮等缺陷。而鑄錠內(nèi)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(chǎn)品產(chǎn)生裂紋、裂邊、分層和起皮等缺陷。兩者都會嚴(yán)重影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。
我廠多年來采用半連續(xù)鑄造生產(chǎn)規(guī)格為340mm×（820～1120）mm的鑄錠。本文針對生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)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(zhì)量、鑄造條件和鑄造設(shè)備三方面有關(guān)。
1.1 熔體質(zhì)量
熔體質(zhì)量包括化學(xué)成分、熔體的過熱溫度和靜置時(shí)間、晶粒細(xì)化效果以及熔體的含氣量和夾雜物含量等。
1.1.1 化學(xué)成分
鋁及鋁合金熔體的化學(xué)成分應(yīng)準(zhǔn)確控制，其均勻性要好。目的在于縮小有效結(jié)晶溫度區(qū)間，從而提高熔體的補(bǔ)縮能力，減小收縮應(yīng)力和降低脆性。對于鑄錠裂紋較敏感的主要雜質(zhì)元素是Fe和Si，文獻(xiàn)[1]認(rèn)為，不僅要限制雜質(zhì)元素Fe和Si的含量，而且還要控制Fe、Si之間的相互關(guān)系。對于純鋁系，當(dāng)w（Fe）<w（Si）時(shí)，生成熔點(diǎn)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(chǎn)生裂紋；當(dāng)w（Fe）>w（Si）時(shí)，在629℃產(chǎn)生包晶轉(zhuǎn)變：FeAl3十L＝α（Al）＋α（Fe3SiAl12），脆性較小，同時(shí)提高了脆性區(qū)的下限溫度，其有效結(jié)晶溫度區(qū)間縮小，結(jié)晶凝固收縮應(yīng)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(dāng)w（Fe）<w（Si），且w（Si）>0.2％時(shí)，因形成分布于晶界的熔點(diǎn)為575℃的三元共晶α（Al）＋（FeMn）3Si2Al15十Si而易產(chǎn)生裂紋；當(dāng)w（Fe）＞w（Si）時(shí)，形成（FeMn）3SiAl12化合物，降低裂紋傾向；但當(dāng)w（Fe＋Mn）≥1.7％時(shí)，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(bǔ)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(zhì)元素，由于能形成低熔點(diǎn)的共晶（或單相），擴(kuò)大了有效結(jié)晶溫度區(qū)間。因凡是能夠擴(kuò)大有效結(jié)晶溫度區(qū)間的雜質(zhì)都能夠促使熱裂紋形成[2]，故為了防止鑄錠熱裂產(chǎn)生裂紋，對這些雜質(zhì)必須嚴(yán)格控制其含量。
1.1.2 熔體的過熱溫度和靜置時(shí)間
在熔煉時(shí)，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(shí)異質(zhì)晶核減少，形核率降低，易產(chǎn)生晶粒粗大現(xiàn)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(shù)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(shí)間過長，由于熔體中存在結(jié)構(gòu)起伏（或相起伏）和能量起伏[3]，熔體的局部產(chǎn)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(shù)量和其厚度，因而使鑄錠的抗裂性下降。
1.1.3 晶粒細(xì)化效果
對鋁及鋁合金熔體進(jìn)行細(xì)化處理，可減少和消除鑄錠熱裂傾向。其原因在于經(jīng)細(xì)化處理后的鑄錠晶粒被顯著細(xì)化，其強(qiáng)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(xì)化劑有：Ti-B晶粒細(xì)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(xì)化現(xiàn)已很少采用，而Ti-B晶粒細(xì)化劑以其使用方便、用量少、質(zhì)量較穩(wěn)定、便于運(yùn)輸、貯存和性能較好，在生產(chǎn)中廣泛使用。關(guān)于Ti和B細(xì)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?？梢钥闯觯挥挟?dāng)w（Ti）達(dá)到0.15％之后，在665℃時(shí)才發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變：
L（液相）十TiAl3 ＝α（Al）
圖1 Al-Ti合金相圖
當(dāng)發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變時(shí)，由于α（Al）相與TiAl3對應(yīng)晶面能共格對應(yīng)，α（Al）相就依附于TiAl3基底形核，使形核率增大；當(dāng)無TiAl3時(shí)，α（Al）相的生長受到熔體中Ti的抑制。兩者作用的結(jié)果使晶粒得到細(xì)化。但在實(shí)際生產(chǎn)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(zhuǎn)變較為困難。據(jù)文獻(xiàn)[5]報(bào)道，冷卻速度增加，包晶溫度移向高溫，包晶點(diǎn)也向高Ti含量方向移動。故在加入w（Ti）＝0.01％～0.05％時(shí)，其包晶轉(zhuǎn)變難以進(jìn)行。但有B存在時(shí)，Al-Ti系產(chǎn)生包晶反應(yīng)時(shí)Ti的臨界含量只需0.01％[6]。TiB2化合物與α（Al）相密排面的點(diǎn)陣錯配δ值為0.048[7]，其共格對應(yīng)較好，且TiB2幾乎不溶于熔體，有利于產(chǎn)生異質(zhì)形核并長大。因此，在Ti-B晶粒細(xì)化劑中，起異質(zhì)形核作用的是TiB2。當(dāng)合金液中存在固溶的Ti時(shí)，TiB2將成為TiAl3的形核核心，而TiAl3則進(jìn)一步作為α-Al的形核核心[8]。促使TiAl3晶胚產(chǎn)生包晶轉(zhuǎn)變形核成為α（Al）相生長的基底，最終使晶粒細(xì)化。大量事實(shí)證明，穩(wěn)定存在的TiB2是重要的細(xì)化相。TiB2是否在鋁及鋁合金熔體中均勻存在，將對細(xì)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(xì)化衰減，晶粒長大并隨時(shí)間延長變得更加粗大，致使鑄錠晶粒細(xì)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(xì)化劑時(shí)，控制和防止TiB2的聚集、沉淀，提高鑄錠晶粒細(xì)化效果，是增強(qiáng)鑄錠抗裂性的關(guān)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(shí)，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(chǎn)生化合、分解、溶解和擴(kuò)散等過程，最終使熔體產(chǎn)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(jié)晶凝固時(shí)有大量氣體析出，未及時(shí)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(lián)結(jié)，造成應(yīng)力集中，使鑄錠的塑性和強(qiáng)度下降，從而導(dǎo)致鑄錠裂紋。
1.2 鑄造條件
在鑄錠結(jié)晶凝固時(shí)，由于受到摩擦阻力和收縮應(yīng)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(qiáng)度和鑄造速度等鑄造條件有關(guān)。
1.2.1 供流
對于單個鑄錠的供流，應(yīng)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(yīng)基本保持一致。如果供流不均勻，則可能出現(xiàn)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(chǎn)生鑄錠“拉漏”。該“拉漏”可導(dǎo)致鑄錠增厚，增大了鑄錠和結(jié)晶器內(nèi)壁表面間的摩擦阻力。而鑄錠的結(jié)晶凝固外殼處于脆性區(qū)，較薄弱并受拉應(yīng)力，當(dāng)有足夠大的摩擦阻力作用時(shí)，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(shí)，鑄錠和結(jié)晶器內(nèi)表面之間存在摩擦。結(jié)晶器一次冷卻凝固所形成的外殼又處于脆性區(qū)，其強(qiáng)度低、塑性較差、且受拉應(yīng)力。如所受的摩擦阻力超過其強(qiáng)度，且無法補(bǔ)縮就形成表面裂紋，故對鑄走與結(jié)晶器內(nèi)壁的接觸表面進(jìn)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(jié)晶凝固期間的強(qiáng)度降低，塑性變差。單位表面上的液膜數(shù)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(yīng)力也增大，從而易產(chǎn)生鑄錠裂紋。鑄錠結(jié)晶凝固收縮應(yīng)力可用數(shù)學(xué)式表達(dá)：σ＝E·a（t1-t2），式中：σ一收縮應(yīng)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(yīng)采用較低的鑄造溫度。
1.2.4 冷卻強(qiáng)度
當(dāng)冷卻強(qiáng)度增大時(shí)，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(yīng)力σ是與溫度差（t1-t2）是成正比的，故在鑄錠內(nèi)部會產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力。而鑄錠內(nèi)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(zhì)和偏析化合物而形成脆性區(qū)，其強(qiáng)度較低，易導(dǎo)致鑄錠裂紋。冷卻強(qiáng)度愈大，裂紋傾向也就愈大。此外，冷卻強(qiáng)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(chǎn)生不均勻的收縮應(yīng)力，易產(chǎn)生鑄錠裂紋。
1.2.5 鑄造速度
文獻(xiàn)[13]指出，鑄錠液穴深度與鑄造速度成正比。當(dāng)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(xiàn)無法補(bǔ)縮的液穴區(qū)段，并產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，鑄錠熱裂傾向增大。因此，應(yīng)選擇適當(dāng)較低的鑄造速度。
1.3 鑄造設(shè)備
鑄造設(shè)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(jié)晶器和鑄造機(jī)。
1.3.1 結(jié)晶器
結(jié)晶器的高度、水套中間水孔、內(nèi)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(chǎn)中，大多采用矮（短）結(jié)晶器。但采用矮（短）結(jié)晶器時(shí)，鑄錠的溫度梯度大，其收縮應(yīng)力大，故易產(chǎn)生心部裂紋。而水套中間水孔的截面由于對鑄錠的結(jié)晶凝固有影響，故對裂紋的產(chǎn)生有影響。結(jié)晶器的內(nèi)腔斷面形狀不合理，二次冷卻水孔位置不適當(dāng)及均勻性不好，在凝固時(shí)會產(chǎn)生不均勻收縮，而導(dǎo)致鑄錠裂紋。
另外，結(jié)晶器安裝不平整，在鑄造時(shí)會對鑄錠剛凝固的外殼部分產(chǎn)生彎矩作用，將導(dǎo)致鑄錠表面裂紋。
1.3.2 鑄造機(jī)
鑄造機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性較好，在鑄造時(shí)底座的傾斜、晃動愈小，對鑄錠的彎矩就愈小，鑄錠不易產(chǎn)生裂紋。故鑄造機(jī)運(yùn)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(zhì)量、鑄造條件及鑄造設(shè)備三方面因素有關(guān)，因此可通過提高熔體質(zhì)量，選擇較佳的鑄造條件，以及提高鑄造設(shè)備性能和可靠性來預(yù)防鑄錠裂紋。其中，提高熔體質(zhì)量是最主要的措施。而最為關(guān)鍵的是首先應(yīng)當(dāng)控制熔體成分和雜質(zhì)；其次是晶粒細(xì)化。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中還需考慮鑄錠的其他一些質(zhì)量問題，綜合采取相應(yīng)的技術(shù)措施，并使操作者做到精心操作，嚴(yán)格執(zhí)行工藝制度，才能從根本上預(yù)防和消除鑄錠裂紋。
3 結(jié)束語
在鋁及鋁合金板帶材生產(chǎn)中，對鑄錠表面、內(nèi)部裂紋都要嚴(yán)格加以控制，減少或完全避免鑄錠裂紋，才能生產(chǎn)出高質(zhì)量的板帶材。實(shí)踐證明，嚴(yán)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(zé)任編輯：LY
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