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铝合金扁铸锭裂纹的影响因素分析

   日期:2010-09-29     来源:大沥铝材网    作者:admin    浏览:1770    评论:0    
核心提示:王 极 (重庆长江电工(集团)有限公司,重庆401336)   摘要:从铝及铝合金的熔体质量、铸造条件和铸造设备三个方面,分析了对铝及铝合金扁锭裂纹影响的诸要素,并提出避免裂纹的措施。

 在铝及铝合金板带材加工中,采用半连续铸造法生产的扁铸锭(以下简称铸锭)的质量对后续各道的加工的质量影响较大,甚至影响最终板带材的质量。

  铸锭缺陷种类较多,其中铸锭裂纹是危害较大的一种缺陷。铣面无法消除铸锭表面的裂纹,在热轧前的加热时便产生氧化。虽然热轧温度高于铝及铝合金的再结晶温度,但还是低于其熔点,且受热轧乳液的影响,裂纹无法焊合,热轧时产生开裂、裂边、分层和起皮等缺陷。而铸锭内部裂纹,同样受热轧温度的限制和热轧乳液的影响,裂纹也无法消除,使铸造塑性降低,最终使冷轧产品产生裂纹、裂边、分层和起皮等缺陷。两者都会严重影响最终产品的质量。

  我厂多年来采用半连续铸造生产规格为340mm×(820~1120)mm的铸锭。本文针对生产中经常出现的铸锭裂纹,分析其影响因素,有利于采取措施避免和消除铸锭裂纹。

  1 铸锭裂纹的影响因素

  铸锭裂纹的影响因素归纳起来主要与熔体质量、铸造条件和铸造设备三方面有关。

  1.1 熔体质量

  熔体质量包括化学成分、熔体的过热温度和静置时间、晶粒细化效果以及熔体的含气量和夹杂物含量等。

  1.1.1 化学成分

  铝及铝合金熔体的化学成分应准确控制,其均匀性要好。目的在于缩小有效结晶温度区间,从而提高熔体的补缩能力,减小收缩应力和降低脆性。对于铸锭裂纹较敏感的主要杂质元素是Fe和Si,文献[1]认为,不仅要限制杂质元素Fe和Si的含量,而且还要控制Fe、Si之间的相互关系。对于纯铝系,当w(Fe)w(Si)时,在629℃产生包晶转变:FeAl3十L=α(Al)+α(Fe3SiAl12),脆性较小,同时提高了脆性区的下限温度,其有效结晶温度区间缩小,结晶凝固收缩应力减小,因而裂纹倾向减小。对于Al-Mn系中常用的3A21铝合金,当w(Fe)0.2%时,因形成分布于晶界的熔点为575℃的三元共晶α(Al)+(FeMn)3Si2Al15十Si而易产生裂纹;当w(Fe)>w(Si)时,形成(FeMn)3SiAl12化合物,降低裂纹倾向;但当w(Fe+Mn)≥1.7%时,将形成先于α(Al)析出的粗大脆性初晶相(FeMn)Al6,从而流动性降低,补缩性和塑性变差,增大裂纹倾向。而少溶或不溶于铝及铝合金的Na、Zn、Sn、Bi和Pb等杂质元素,由于能形成低熔点的共晶(或单相),扩大了有效结晶温度区间。因凡是能够扩大有效结晶温度区间的杂质都能够促使热裂纹形成[2],故为了防止铸锭热裂产生裂纹,对这些杂质必须严格控制其含量。

  1.1.2 熔体的过热温度和静置时间

  在熔炼时,熔体过热不仅使吸气和氧化烧损增加,而且使铸锭的热裂倾向增大。因熔体过热时异质晶核减少,形核率降低,易产生晶粒粗大现象,使铸锭中羽毛状晶增多,晶粒表面积减小,单位表面上的液膜数量和其厚度增大,从而使铸锭热裂倾向增大。而在熔化后的熔体静置时间过长,由于熔体中存在结构起伏(或相起伏)和能量起伏[3],熔体的局部产生形核及长大,以致后来变得粗大,同样增大了单位表面上的液膜数量和其厚度,因而使铸锭的抗裂性下降。

  1.1.3 晶粒细化效果

  对铝及铝合金熔体进行细化处理,可减少和消除铸锭热裂倾向。其原因在于经细化处理后的铸锭晶粒被显著细化,其强度、塑性提高,凝固脆性降低,因而铸锭热裂倾向减小。目前,铝及铝合金熔体的细化剂有:Ti-B晶粒细化剂、Al-Ti和Al-Ti-B中间合金及研制中的Al-Ti-B-RE和Al-Ti-C中间合金[4]。其中,Al-Ti中间合金细化现已很少采用,而Ti-B晶粒细化剂以其使用方便、用量少、质量较稳定、便于运输、贮存和性能较好,在生产中广泛使用。关于Ti和B细化铝晶粒的作用概括起来有两种理论:(1)包晶理论;(2)TiB2粒子理论。

  图1是Al-Ti合金相图中富Al的一角。可以看出,只有当w(Ti)达到0.15%之后,在665℃时才发生包晶转变:

L(液相)十TiAl3 =α(Al)
 

Al-Ti合金相图

图1 Al-Ti合金相图
 

本文来自: 大沥铝材商务网(http://www.dalilvcai.com) 详细出处参考:http://teach.dalilvcai.com/show-htm-itemid-313.html

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  当发生包晶转变时,由于α(Al)相与TiAl3对应晶面能共格对应,α(Al)相就依附于TiAl3基底形核,使形核率增大;当无TiAl3时,α(Al)相的生长受到熔体中Ti的抑制。两者作用的结果使晶粒得到细化。但在实际生产中,由于是半连续铸造,冷却速度会增大,因而发生以上平衡包晶转变较为困难。据文献[5]报道,冷却速度增加,包晶温度移向高温,包晶点也向高Ti含量方向移动。故在加入w(Ti)=0.01%~0.05%时,其包晶转变难以进行。但有B存在时,Al-Ti系产生包晶反应时Ti的临界含量只需0.01%[6]。TiB2化合物与α(Al)相密排面的点阵错配δ值为0.048[7],其共格对应较好,且TiB2几乎不溶于熔体,有利于产生异质形核并长大。因此,在Ti-B晶粒细化剂中,起异质形核作用的是TiB2。当合金液中存在固溶的Ti时,TiB2将成为TiAl3的形核核心,而TiAl3则进一步作为α-Al的形核核心[8]。促使TiAl3晶胚产生包晶转变形核成为α(Al)相生长的基底,最终使晶粒细化。大量事实证明,稳定存在的TiB2是重要的细化相。TiB2是否在铝及铝合金熔体中均匀存在,将对细化效果和衰减有着直接影响。但稳定的TiB2在熔体中几乎是不溶的,很容易聚集而沉淀[9-11]。因而造成熔体的细化衰减,晶粒长大并随时间延长变得更加粗大,致使铸锭晶粒细化效果下降,铸锭热裂倾向增大。所以,在使用含Ti、B元素的中间合金或晶粒细化剂时,控制和防止TiB2的聚集、沉淀,提高铸锭晶粒细化效果,是增强铸锭抗裂性的关键。
1.1.4 熔体的含气量和夹杂物含量

  铝及铝合金熔炼、保温时,空气和炉气中的N2、O2、H2O、CO2、H2、CO和CmHn等要与熔体在界面相互作用,产生化合、分解、溶解和扩散等过程,最终使熔体产生氧化和吸气。其氧化生成物有A12O3、SiO2、MnO和MgO等,其中Al2O3是主要的氧化夹杂物。

  由于熔体吸收的气体中H2占85%以上[12],且氢在熔体中的溶解度随温度的降低而减小,因而在熔体结晶凝固时有大量气体析出,未及时逸出的便在铸锭中形成气孔。夹杂物和气孔都可削弱晶粒间的联结,造成应力集中,使铸锭的塑性和强度下降,从而导致铸锭裂纹。

  1.2 铸造条件

  在铸锭结晶凝固时,由于受到摩擦阻力和收缩应力的作用,故有形成铸锭裂纹的倾向。这主要与供流、润滑、铸造温度、冷却强度和铸造速度等铸造条件有关。

  1.2.1 供流

  对于单个铸锭的供流,应使液穴的中部较深,且呈轴对称形状;而对于多个铸锭的供流,其液穴深度应基本保持一致。如果供流不均匀,则可能出现液穴偏心、不对称及多个铸锭间液穴深度偏差较大,从而易产生铸锭“拉漏”。该“拉漏”可导致铸锭增厚,增大了铸锭和结晶器内壁表面间的摩擦阻力。而铸锭的结晶凝固外壳处于脆性区,较薄弱并受拉应力,当有足够大的摩擦阻力作用时,便形成了铸锭表面裂纹。因此供流总的原则是要求熔体分配均匀。

  1.2.2 润滑

  在铸造时,铸锭和结晶器内表面之间存在摩擦。结晶器一次冷却凝固所形成的外壳又处于脆性区,其强度低、塑性较差、且受拉应力。如所受的摩擦阻力超过其强度,且无法补缩就形成表面裂纹,故对铸走与结晶器内壁的接触表面进行润滑很有必要。

  1.2.3 铸造温度

  铸造温度越高,会减小熔体的过冷度,使形核率下降,晶粒变得粗大,使铝及铝合金结晶凝固期间的强度降低,塑性变差。单位表面上的液膜数量、厚度增大,且增大了铸锭的液穴深度及温度梯度,铸造的收缩应力也增大,从而易产生铸锭裂纹。铸锭结晶凝固收缩应力可用数学式表达:σ=E·a(t1-t2),式中:σ一收缩应力,E一弹性模量,a一线收缩系鼓,(t1-t2)一温度差。因此,在确保铸锭表面平整的情况下,应采用较低的铸造温度。

  1.2.4  冷却强度

  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,铸锭次表面的温度梯度较大。而收缩应力σ是与温度差(t1-t2)是成正比的,故在铸锭内部会产生较大的收缩应力。而铸锭内部是羽毛状晶,其横向晶界分布较多,晶界处又常常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。冷却强度愈大,裂纹倾向也就愈大。此外,冷却强度的均匀性十分重要,若二次冷却不均匀或水温变化较大,会产生不均匀的收缩应力,易产生铸锭裂纹。

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1.2.5 铸造速度

  文献[13]指出,铸锭液穴深度与铸造速度成正比。当铸造速度增大,铸锭液穴深度及温度梯度增大,将在液穴中心的底部出现无法补缩的液穴区段,并产生较大的收缩应力,铸锭热裂倾向增大。因此,应选择适当较低的铸造速度。

  1.3 铸造设备

  铸造设备对铸锭裂纹有较大的影响。这方面的影响因素主要包括结晶器和铸造机。

  1.3.1 结晶器

  结晶器的高度、水套中间水孔、内腔断面形状、二次冷却水孔位置和均匀性,及其安装的平正性,对铸锭裂纹都有影响。在半连续铸锭生产中,大多采用矮(短)结晶器。但采用矮(短)结晶器时,铸锭的温度梯度大,其收缩应力大,故易产生心部裂纹。而水套中间水孔的截面由于对铸锭的结晶凝固有影响,故对裂纹的产生有影响。结晶器的内腔断面形状不合理,二次冷却水孔位置不适当及均匀性不好,在凝固时会产生不均匀收缩,而导致铸锭裂纹。

  另外,结晶器安装不平整,在铸造时会对铸锭刚凝固的外壳部分产生弯矩作用,将导致铸锭表面裂纹。

  1.3.2 铸造机

  铸造机运行平稳性较好,在铸造时底座的倾斜、晃动愈小,对铸锭的弯矩就愈小,铸锭不易产生裂纹。故铸造机运行平稳可靠,可减小铸锭裂纹。

  2 建议

  由于铸锭裂纹主要与熔体质量、铸造条件及铸造设备三方面因素有关,因此可通过提高熔体质量,选择较佳的铸造条件,以及提高铸造设备性能和可靠性来预防铸锭裂纹。其中,提高熔体质量是最主要的措施。而最为关键的是首先应当控制熔体成分和杂质;其次是晶粒细化。然而,在实际生产中还需考虑铸锭的其他一些质量问题,综合采取相应的技术措施,并使操作者做到精心操作,严格执行工艺制度,才能从根本上预防和消除铸锭裂纹。

  3  结束语

  在铝及铝合金板带材生产中,对铸锭表面、内部裂纹都要严格加以控制,减少或完全避免铸锭裂纹,才能生产出高质量的板带材。实践证明,严格控制铸锭裂纹的影响因素后,铸锭裂纹可明显下降,成品率得到提高,取得了较好的效果。

 

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