擇要：本文先容了鋁及鋁合金鑄錠常見的鑄造裂紋情勢及機理，闡發了鑄造裂紋產生的緣故原由，提出了相應的防備步伐。
鑄造裂紋是危害較大的一種缺陷，它粉碎了金屬構造的一連性，在隨后的擠壓或壓延加工歷程中無法壓合，以是鑄錠查驗時把有裂紋的鑄錠視為絕對廢品。鑄造裂紋的存在嚴峻影響鋁加工企業的生產服從與經濟效益，因此有須要對其舉行體系地闡發及研究，以便在生產中接納有用步伐淘汰裂紋缺陷的產生，進步鑄錠成品率。
1.鑄造裂紋的分類和機理闡發
1.1 鑄造裂紋的分類
按其形成歷程通常將鑄造裂紋分為熱裂紋與冷裂紋。熱裂紋是在有用結晶區間(自線緊縮開始溫度起，至不均衡固相線溫度止的結晶溫度區間)形成的裂紋。以圓鑄錠為例，其宏觀體現情勢為外貌裂紋、中央裂紋、環狀裂紋、放射狀裂紋、澆口裂紋等[1,2]，如圖1~5所示。冷裂紋是指合金低于合金固相線溫度時形成的裂紋[3]，多產生在200℃左右。側裂、底裂、劈裂多為冷裂紋。
變形鋁合金一連鑄錠中的冷裂紋和熱裂紋的特性示于表1。
表1 變形鋁合金冷裂紋和熱裂紋的特性[4]
1.2 鑄造裂紋的形成機理
冷裂常出如今鑄件受拉伸的部位，那些壁厚差異大、形狀龐大的鑄件，尤其是大而薄的鑄件易產生冷裂紋。通常能增長鑄造應力、低落鑄造強度和塑性的因素都將促使冷裂紋的生長。
熱裂紋是一種平凡又很難完全消除的鑄造缺陷，除Al-Si合金外，險些在全部的產業變形鋁合金中都能發明。關于熱裂紋的形成機理重要有強度理論、液膜理論和裂紋形成理論3種。此中，強度理論比力通用，該理論從對合金高溫力學性能的研究結果出發，以為全部合金在固相線溫度之上的固液區內都存在著一個強度極低、延伸率極小的“脆性溫度區間”，合金在這個區間冷卻時，當緊縮而產生的應力要是凌駕了此時金屬的強度，大概由應力而引起的變形凌駕了金屬的塑性，就會導致熱裂紋的產生。
在生產歷程中一樣通常不存在純粹的熱裂紋或冷裂紋，大部門都先產生熱裂紋，然后在冷卻歷程中由熱裂紋生長成為冷裂紋。
2 鑄造裂紋產生的素質緣故原由
在凝集末期，鑄件絕大部門已凝集成固態，但其強度和塑性較低，當鑄件的緊縮受到鑄型、型芯和澆注體系等的機器攔阻時，將在鑄件內部產生鑄造應力，若鑄造應力的巨細凌駕了鑄件在該溫度下的強度極限，即產生熱裂紋。而冷裂紋是在鑄件凝集后冷卻到彈性狀態時，因局部鑄造應力大于合金極限強度而引起的開裂?？偨Y可知，產生鑄造裂紋的素質緣故原由是由于構造內應力與外部機器應力太大，凌駕質料塑性變形本領，引起金屬構造紛歧連而開裂。
3.防備鑄造裂紋產生的步伐
鑄造裂紋的影響因素歸納起來重要與熔體質量、鑄造設置裝備部署、鑄造工藝條件和晶粒構造有關。因此可從這四個方面入手，接納對應步伐來防備鑄造裂紋的產生。
3.1 包管熔體的質量
3.1.1 淘汰熔體中雜質的含量
7050合金鑄造工藝舉行了研究，提出對化學身分的優化，可以進步合金的成型性，淘汰鑄錠開裂。
雜質含量高時，合金構造中晶格畸變量增大，內應力增大，抵擋塑性變形本領大大降落，導致合金易于開裂。對付鋁及鋁合金，Fe、Si是其重要雜質元素。它們重要以FeAl3和游離硅存在。當硅大于鐵，形成β-FeSiAl5（或Fe2Si2Al9）相，而鐵大于硅時，形成α-Fe2SiAl8（或Fe3SiAl12）相[6]。當鐵和硅的比例不其時，會引起鑄件產生裂紋。
別的，別的雜質元素也需相應控制。當合金中存在鈉時，在凝集歷程中，鈉吸附在枝晶外貌或晶界，熱加工時，晶體上的鈉形成液態吸附層，產生脆性開裂，即“鈉脆”。堿金屬鈉（除高硅合金外）一樣通常應控制在510-4%以下，乃至更低，達210-4%以下。像K、Sn等低熔點雜質元素少量存在也會使合金性能變脆，易于開裂。這重要是由于低熔點雜質元素在凝集時后結晶，每每包在晶界四周，導致凝集緊縮時受拉應力而沿晶開裂。以是需對鋁液中的雜質含量舉行公道調配，控制其含量。
3.1.2 淘汰熔體的含宇量和混合物含量
鋁及鋁合金熔煉、保溫時，氛圍和爐氣中的N2、O2、H2O、CO2、H2、CO和CmHn等要與熔體在界面相互作用，產生化合、剖析、溶解和擴散等歷程，終極使熔體產生氧化和吸氣。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，對付非金屬混合要求其數目少而小，其單個顆粒應少于10μm；而對付特別要求的航空、航天質料、雙零箔等成品的非金屬混合的單個顆粒應小于5μm。
由于熔體吸取的氣體中H2占85%以上[8]，且氫在熔體中的溶解度隨溫度的低落而減小，因而在熔體結晶凝集時有大量氣體析出，未實時逸出的便在鑄錠中形成氣孔?；旌衔锖湍揽锥伎蓽p弱晶粒間的團結，造成應力會合，使鑄錠的塑性和強度降落，從而導致鑄造裂紋。一樣通常來說，平凡成品要求的產物氫含量控制在0.15~0.2mL/（100g Al）以下，而對付特別要求的航空、航天質料、雙零箔等氫含量應控制在0.1 mL/（100g Al）以下。
3.2 調解鑄造設置裝備部署狀態
3.2.1 結晶器
以熱頂鑄造結晶器為例（圖6），其結晶器是由隔熱的熱頂部門和未隔熱的冷卻部門構成的，通常是由2A50合金鑄造毛坯或紫銅加工而成。而結晶器的材質、高度、水套中心水孔、內腔斷面形狀、二次冷卻水孔位置和勻稱性，及其安置的平整性，對鑄造裂紋都有影響。
圖6 熱頂鑄造結晶器安置圖
銅質結晶器由于傳熱速率快，導致過冷度增大，對付合金結晶范疇較寬的大規格鑄錠易產生裂紋。在半一連鑄錠生產中，大多接納矮（短）結晶器。但接納矮（短）結晶器時，鑄錠的溫度梯度大，其緊縮應力大，故易產生心部裂紋。結晶器高度一樣通常為80~200mm。常見的結晶器高度與鑄錠直徑的干系如表2所示。而水套中心水孔的截面由于對鑄錠的結晶凝集有影響，故對裂紋的產生有影響。結晶器的內腔斷面形狀不公道，二次冷卻水孔位置不得當及勻稱性欠好，在凝集時會產生不勻稱緊縮，而導致鑄錠裂紋。別的，結晶器安置不屈整，在鑄造時會對鑄錠剛凝集的外殼部門產生彎矩作用，將導致鑄錠外貌裂紋。
表2 常見的鑄錠直徑和結晶器高度的干系
3.2.2 鑄造機
鑄造機運行安穩性較好，在鑄造時底座的傾斜、擺蕩愈小，對鑄錠的彎矩就愈小，鑄錠不易產生裂紋。故鑄造機運行安穩可靠，可減小鑄錠裂紋。
3.3 公道選擇鑄造工藝條件
在鑄錠結晶凝集時，由于受到摩擦阻力和緊縮應力的作用，故有形成鑄錠裂紋的偏向。這重要與鑄錠規格、冷卻強度、鑄造速率和鑄造溫度等鑄造條件有關。
3.3.1 鑄錠規格
在一樣通常條件下，鑄錠愈厚或直徑愈大，鑄錠中央愈易產陌生松，鋁及鋁合金的鑄態性能愈差，產生裂紋的偏向性愈大。對付扁錠，裂紋偏向性還隨寬厚比增大而加強?，F在，海內大多數工場在半一連鑄造時接納的鑄錠長度是6~7m。
3.3.2 冷卻強度（冷卻速率）
冷卻強度也稱為冷卻速率。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，鑄錠次外貌的溫度梯度較大。而憑據鑄錠結晶凝集緊縮應力可用數學式表達：σ＝E?a（t1-t2）[9]可知，緊縮應力σ與溫度差（t1-t2）是成正比的，故在鑄錠內部會產生較大的緊縮應力。而鑄錠內部是羽毛狀晶，其橫向晶界漫衍較多，晶界處又每每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。別的，冷卻強度的勻稱性非常重要，若二次冷卻不勻稱或水溫變革較大，會產生不勻稱的緊縮應力，易產生鑄錠裂紋。
一連鑄造時，決定鋁鑄錠冷卻速率的根本因素有：(1)冷卻水的流量(水壓)、流速和溫度；(2)結晶器的布局(高度、錐度、噴水孔角度、內套壁的厚度和材質)；(3)鑄造速率。對付指定合金，結晶器的布局和鑄造速率及水溫通常是牢固的，因此，控制冷卻水的流量和流速是調治鑄錠冷卻速率的根本本領，一樣通常是通過轉變水壓來控制和調治的。
對付扁錠，要求其水壓通常比圓鑄錠和空心鑄錠的大。在鑄錠規格雷同的環境下，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。而對付統一合金，鑄錠規格愈大，則水壓愈小，以低落偏向性。但是，對付軟合金和裂紋偏向性較小的合金，也可隨規格增大而增洪流壓，以包管得到精良的鑄態性能。
3.3.3 鑄造速率
鑄造速率對裂紋缺陷的產生影響最大，一連鑄造時，單元時間鑄錠成型的長度稱為鑄造速率[10]。文獻[11]指出，鑄錠液穴深度與鑄造速率成正比。一樣通常隨鑄造速率增大，熔體液穴降落，鑄錠打仗二次水冷時溫度偏高，導致溫度梯度增大，大大增大了構造應力，使鑄錠形成冷裂紋的偏向性低落，而使形成熱裂紋的偏向增長。由于加速鑄造速率使鑄錠中已凝集部門的溫度升高，而合金在溫度升高時塑性明顯增長。要是把鑄造速率增大到使鑄錠凝集層的拉伸變形產生在具有充足塑性的溫度區間(＞200～300℃)，則鑄錠就不會產生冷裂紋。同時，隨鑄造速率加速，鑄錠各層冷卻速率差異更大，導致拉伸變形量增大，因而使鑄錠形成熱裂紋的偏向增大。
(1)扁鑄錠：對付沒有冷裂紋偏向的軟合金，隨鑄錠寬厚比增大，應低落鑄造速率。對付冷裂紋偏向較大的硬合金，隨鑄錠寬厚比增大，應進步鑄造速率。在鑄錠厚度和寬厚比肯定的條件下，熱裂紋偏向較大的合金，應低落鑄造速率。
(2)圓鑄錠：對付小直徑圓鑄錠，由于熱裂紋偏向性和過渡帶絕對尺寸都不大，在包管鑄錠具有精良外貌質量的條件下，可以選擇較高的鑄造速率。反之，對付大截面圓鑄錠應該接納較低的鑄造速率。統一種合金，鑄錠直徑越大，鑄造速率越低。鑄錠直徑雷同時，鑄造速率按軟合金→6xxx系合金→高鎂合金→高身分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，使形核率降落，晶粒變得粗大，使鋁及鋁合金結晶凝集時期的強度低落，塑性變差。單元外貌上的液膜數目、厚度增大，且增大了鑄錠的液穴深度及溫度梯度，鑄造的緊縮應力也增大，從而易產生鑄錠裂紋。
在現實生產中，鑄造溫度多選擇比合金液相線溫度高50~110℃。對付扁鑄錠，應選擇較低的鑄造溫度。對付圓鑄錠，鑄錠裂紋偏向性和鑄造溫度的干系不太敏感[12]。為了加強鑄錠結晶時析氣補縮的本領，創造次序結晶的條件，以進步鑄錠致密度，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 防備熔體過熱和靜置時間過長
為低落合金的裂紋、粗晶和羽毛晶偏向，包管合金組元的充實溶解，淘汰鋁合金熔體的吸氣和氧化，全部鋁合金都有劃定的熔煉溫度范疇。合金在熔煉鑄造歷程中局部或全部熔體的溫度凌駕規程容許的最高熔煉溫度的征象，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，裂紋的形成偏向變大。緣故原由闡發如下：熔體過熱時異質晶核淘汰，形核率低落，易產生晶粒粗大征象，使鑄錠中羽毛狀晶明顯增多，晶粒外貌積減小，單元外貌上的液膜數目和厚度增大，從而使鑄錠熱裂偏向增大。而在熔化后的熔體靜置時間過長，由于熔體中存在大量的布局升沉（或相升沉）和能量升沉[13]，熔體的局部產生形核及長大，以致厥后變得粗大，同樣增大了單元外貌上的液膜數目和其厚度，因而使鑄錠的抗裂性降落。因此，爐料從裝熔煉爐開始到出爐完畢，總時間不凌駕16小時為宜，金屬導入靜置爐后到鑄造開始的總時間不該凌駕8小時。
圖7 熔體過熱溫度與晶粒度、裂紋偏向性之間的干系（Al-4%Cu合金）
3.4 細化晶粒構造
細化晶粒構造是進步合金塑性的最直接要領。細化晶粒能進步脆性溫度區間的相對延伸率，低落線緊縮開始溫度，并減小有用結晶區間的線緊縮值，從而低落合金的熱裂紋偏向。晶粒微小、構造勻稱的質料，其抵擋應力變形的本領明顯加強，故向熔體中添加外來結晶焦點是細化晶粒構造，進步構造強度，克制裂紋的有用步伐。產業上一樣通常接納向鋁合金熔體中參加細化劑的要領舉行晶粒細化處置處罰，而常用的晶粒細化劑有Al-Ti、Al-Ti-B、Al-B中心合金等文獻[14]評釋，Al-B中心合金對Al-Si合金的細化結果乃至比Al-Ti和Al-Ti-B中心合金更好。
4.竣事語
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，乃至會影響到終極的鋁成品格量。故對鑄錠外貌、內部裂紋都需嚴加控制，只有淘汰或完全制止鑄造裂紋，才氣生產出高質量的鋁成品。在生產實踐中，通過以上步伐的實行，可以明顯進步鑄錠的成品率，包管鋁成品的質量。