推广 热搜: 电解铝  工艺  铝合金  阳极氧化  技术  铝土矿  热处理  铝材加工  铝及铝合金  氧化 
 
南海灵通铝锭价格

铝合金铸锭8大缺陷原因分析及解决方案分享

   日期:2016-03-14     来源:网络    浏览:10426    评论:0    
 一、铸锭中的化学成分偏析

铸锭中化学成分分布不均的现象叫偏析。在变形铝合金中,偏析主要有晶内偏析和逆偏析。
1.1 晶内偏析
显微组织中晶粒内化学成分不均的现象称晶内偏析。
晶内偏析的显微组织特征是,浸蚀后的晶内呈水波纹状的类似树木年轮状组织。晶粒内显微硬度不同,晶界附近显微硬度高,晶粒中心显微硬度低。
晶内偏析的存在,使晶粒内部的化学成分和铸锭的组织极不均匀,使铸锭的性能严重恶化,主要是:
1)固溶体晶内偏析造成的化学成分不均匀性和出现的不平衡过剩相,使合金抵抗电化学腐蚀的稳定性降低。
2)非平衡共晶或低熔组成物的出现使合金开始熔化温度降低,使铸锭在随后的热变形或淬火的加热过程中容易产生局部过烧。
3)晶内偏析不仅造成非平衡相出现和使第二相数量增加,而且,这些低熔相在晶枝周围组成硬而脆的枝晶网络,使铸锭的塑性和加工性能急剧降低。
4)由晶内偏析造成的化学成分不均匀性遗传到半制品中,导致退火后在加工材中形成粗大晶粒。
晶内偏析是不平衡结晶造成的。因此在铝合金连续铸造的实际生产中,晶内偏析是不可避免的。消除晶内偏析的有效方法是对铸锭进行长时间的均匀化处理。在连续铸造时,减轻晶内偏析的方法是:第一,提高冷却速度,采用变质处理以细化晶粒和晶内结构,缩小晶内偏析的范围。第二,采用完全相反的方法,降低冷却速度,进行类似锭模铸造的深液穴铸造,以降低铁、锰等元素的过饱和程度从而减轻偏析程度。第三,选择一些能适当地改变合金结晶性质的添加剂。例如在3A21合金中加入适量铁,使固浴体中锰的浓度降低,从而减少锰在晶粒内部分布的不均一性。实际生产中,在有杂质铁存在时,添加钛对减轻3A21合金固溶体晶粒中的偏析有好处,因为钛偏析和锰偏析的方向正好相反,树枝状晶的中心含钛高,从而减少了铸态晶粒中心和边缘部分的固熔体浓度之差。
1.2 逆偏析
铸锭边部的溶质浓度高于铸锭中心溶质浓度的现象称逆偏析。逆偏析的组织特征不易从显微组织辨别,只能从化学成分分析上确认。
铝合金铸锭中的逆偏析是使铸锭及其压力加工制品在力学性能和物理性能方面产生很大差异的重要原因。逆偏析程度严重的区域其化学成分甚至超出标准的规定范围,使力学性能超标而报废。
逆偏析是铝合金连续铸锭凝固过程中的一种拌生现象,无法完全避免,也不能用高温均匀化使之消除。但根据逆偏析的形成规律及影响因素,可以把元素的偏析控制在允许的范围内。其办法是:
1)提高铸锭的冷却强度。
2)选择适当的铸造速度,使过渡带对敞露液面的倾斜角度不致过大,一般以不超过60°为宜。
3)适当提高铸造温度。
4)采用合适的铸造漏斗,均匀导流,并使它流向铸锭的边缘。

常见的铝合金扁锭

二、铸锭中的气体和非金属夹杂物

2.1 非金属夹杂(夹渣)
混入铸锭中的熔渣或落人铸锭内的其他非金属杂质称非金属夹杂。其断口特征为黑色条状或片状,显微组织特征多为黑色线状、块状、絮状的紊乱组织,与基体色差明显。非金属夹杂是铝加工制品产生分层和许多表面缺陷的重要原因。在热处理和加热过程中,非金属夹杂的存在可促进二次疏松和气泡的形成。在力学性能方面,非金属夹杂是应力集中的场所,使合金的强度极限和伸长率降低。特别是横向伸长率及动态力学性能(冲击韧度、疲劳强度和断裂韧度)降低更为严重。另外,非金属夹杂物还会降低合金的抗应力腐蚀性能。
非金属夹杂(夹渣)通常在检查铸锭横向低倍试片时可以发现(见图2—11—1)。YS67—1993规定,对于全部合金制品,铸锭试片上不得多于两点夹渣,且单个面积小于0.5 mm2,否则就要判废。非金属夹杂(夹渣)是铝合金铸锭中出现频率最高的一种废品。据统计,按质量计算,因夹渣而报废的铸锭占废品总量的10%~25%。

夹渣通常都是在铸造过程中随液体金属一起掉入铸锭中的炉渣、炉衬碎块和块度较大的氧化物所造成的。防止夹渣的办法是;
1)仔细精炼,保证静置时间,并在流盘或漏斗中采用玻璃布过滤;
2)尽可能缩短转注距离,建立良好的转注条件,封闭流槽、流盘、漏斗中的所有敞露落差,防止金属液面波动,在可能的条件下最好采用同水平铸造;
3)彻底烘烤转注工具,适当提高铸造温度,铸造过程中精心打渣,铸造结束后仔细清理炉子、流盘和其他工具;
4)使用清洁的炉料。
2.2氧化膜
按照YS/T417.1—1999的定义,氧化膜是铸锭中存在的主要由氧化铝形成的非金属夹杂物和未排除的气体(主要为氢气)。因此,氧化膜是铸锭中一种特有的属于非金属夹杂物类型的缺陷(见图2—11—2),但是它又与夹渣不同,在对铸锭的低倍试片和断口组织进行检查时一般不能发现它,只有采用特制的工艺试样(将铸锭试样镦粗)才能发现。在铸锭工艺试样断口上发现的氧化膜大致可分为三种类型:一类是呈浅黄色、褐色或暗褐色的片状氧化膜;一类是表面形态与片状氧化膜相似但呈白亮色的“亮片”;另一类是带有银白色光泽的呈圆形或椭圆形的“小亮点”。关于氧化膜的本质目前还没有统一的认识。但许多研究者认为:铸锭中三种类型的氧化膜都是熔体被水分、氢和氧所污染而造成的。其中,片状氧化膜是由固态非金属夹杂物或具有氧化表面的气泡疏松所形成的分层,亮片是由未被压合的疏松和气泡所形成的分层,小亮点是由过饱和固溶体中析出的二次氢气泡。

2.3疏松、缩孔
当熔体结晶时,由于基体树枝晶间液体金属补充不足或由于存在未排除的气体(主要为氢气),结晶后在枝晶内形成的微孔称疏松。由补缩不足形成的微孔称为收缩疏松;由气体形成的疏松称气体疏松。疏松的宏观组织特征为黑色针孔,断口组织特征为组织粗糙,不致密,疏松严重时断口上有白色小亮点。显微组织特征为有棱角形的黑洞,疏松愈严重,黑洞数量愈多,尺寸也愈大。
疏松使铸锭密度减小,致密性降低,特别是降低高强铝合金的冲击韧度和横向伸长率。此外,有疏松的铸锭在热轧和锻造时会引起裂纹,其半成品在球化退火时将出现气泡。因此,疏松作为铸锭的一个重要组织缺陷,必须设法防止。对于铸锭中已产生的疏松要进行严格控制,当超出标准允许的程度时,铸锭就要判废。铝合金铸锭中疏松的程度一般可以通过测定试样的密度并与该合金的理论密度进行对比来确定。但在生产中,为方便起见,通常都是根据四级标准图片(该标准是按低倍试片单位面积上疏松孔洞的大小和数目来制定的,见YS67—1993)对照评级并确定成废的。对一般用途的铝合金铸锭,直径大于290 mm的,允许3级疏松(见图2—11—3),直径小于290 mm的,允许2级疏松;但重要制品用的铸锭,则不允许有疏松存在。

铝合金连续铸锭中的疏松总是分布在过渡带较宽的等轴晶区,且总是为气体所填充。在通常条件下,扁铸锭的最大疏松区发生在宽面表皮层30 mm以内的部位。铸锭的最大疏松区发生在铸锭中心,且随结晶器高度增加而向边部发展。供流条件对疏松的分布具有很大影响,并可能破坏上述规律而在局部地区造成最大疏松。
根据疏松的形成过程和影响因素可知,防止铸锭产生疏松的办法是:
1)降低熔体中气体的含量。主要应该做到如下几点:
(1)炉子大、中修后烘炉要彻底;
(2)精炼剂、铸造工具等预热烘烤要彻底;
(3)精炼要彻底;
(4)防止熔体在炉中停留时间过长。
2)缩小铸锭中过渡带的尺寸。主要的措施是:
铝合金连续铸锭中的疏松总是分布在过渡带较宽的等轴晶区,且总是为气体所填充。在通常条件下,扁铸锭的最大疏松区发生在宽面表皮层30 mm以内的部位。铸锭的最大疏松区发生在铸锭中心,且随结晶器高度增加而向边部发展。供流条件对疏松的分布具有很大影响,并可能破坏上述规律而在局部地区造成最大疏松。
根据疏松的形成过程和影响因素可知,防止铸锭产生疏松的办法是:
1)降低熔体中气体的含量。主要应该做到如下几点:
(1)炉子大、中修后烘炉要彻底;
(2)精炼剂、铸造工具等预热烘烤要彻底;
(3)精炼要彻底;
(4)防止熔体在炉中停留时间过长。
2)缩小铸锭中过渡带的尺寸。主要的措施是:

2.5 白点
白点指铝合金铸锭的断口组织中一种没有光线选择性的呈灰白色的点状薄膜(见图2—11—5)。白点通常分布在铸锭底部、浇口部及横断面的边部。关于白点的本质和形成机理现在还不清楚。初步研究表明,白点具有下列特性:
1)在含镁高的铝合金中容易出现;
2)呈碱性;
3)呈脆性。当白点严重时,它能显著降低铸锭的塑性;
4)通常分布在铸锭底部、浇口部及边部:
5)白点的产生主要取决于熔体被气体饱和的程度及铸锭的冷却条件。熔体含气量愈高,
铸锭冷却强度愈小,则形成白点的倾向性愈大。
防止白点的办法,一是降低熔体中的气体含量,二是提高铸锭的结晶速度。

三、铝铸锭中的裂纹

铝合金扁铸锭中常见的裂纹形式有四种,即:侧面裂纹、底部裂纹、浇口部裂纹、表面裂纹(见图2—11—6)。铝合金圆铸锭中常见的裂纹形式有:中心裂纹、表面裂纹、环状裂纹和横向裂纹(见图2—11—7)。铝合金空心圆铸锭中常见的裂纹有内孔放射状裂纹、环状裂纹和横向裂纹三种(见图2—11—8)。此外,在铝合金铸锭中,还有一种称为晶层分裂的裂纹形式也时有所见。

图2—11一6铝合金扁铸锭裂纹形式示意图
(a)侧面裂纹;(b)底部裂纹;(c)浇口裂纹;(d)表面裂纹

图2—11—7铝合金圆铸锭裂纹形式示意图
(a)中心裂纹;(b)表面裂纹;(c)环状裂纹;(d)横向裂纹

图2—11—8铝合金空心圆铸锭裂纹形式示意图
(a)内孔放射状裂纹;(b)环状裂纹;(c)横向裂纹
铸锭中氧化膜的分布是不均匀的,也没有严格的规律性,但根据大量的工业生产统计,大致具有下面一些倾向:
1)合金不同,铸锭中出现的氧化膜类型也不同。通常,片状氧化膜多见于2A12、7A04、2A11、5A06、2A14等合金中,亮片多见于6A02、2A50、2B50、2A14、2A02等合金中,小亮点多见于2A70、2A80等合金中。
2)铸锭被氧化膜污染的倾向性随熔体转注距离加长、铸锭规格减小、气温升高和大气绝对湿度增大而增大。
3)铸锭被氧化膜污染的倾向性往往在首、尾铸次和铸锭的头、尾部比较大。
4)铸锭中氧化膜的显现程度随单向变形比的增大而提高。
防止和减少铝合金铸锭中产生氧化膜的办法是:首先,在从原材料的贮存、准备到熔炼铸造的每一个工艺环节内,从预防、保护、精炼三个方面入手,层层把关,采取相应措施,联合治理,保证金属的纯洁度。其次,防止和减少氧化膜的工作不能仅仅只放在除去熔体中的固态非金属夹杂物方面,还应该同时放在大大降低熔体中的氢含量上。在上述措施中,最关键的应该做到下面四点:
1)采用最有效的除渣、除气的联合精炼方法;
2)采用完善的导炉和转注工艺,实行同水平铸造;
3)实行高温铸造;
4)防止二次污染。
3.1扁铸锭侧面裂纹
1)扁铸锭侧面裂纹的特点
(1)属于冷裂纹;
(2)通常发生于硬合金(如7A04、2A12等)中;
(3)直接水冷半连续铸造时,多发生在铸锭长度达l.5~2 m以后;
(4)裂纹起始处常拌随夹渣、成层、拉裂、或结晶微裂纹;
(5)裂纹平面与水平面夹角取决于铸造速度和铸锭宽厚比。铸造速度愈小,铸锭愈宽,则夹角愈小。
连续铸造时,扁铸锭小面受三面冷却,而大面中心部位受两面冷却,小面沿铸锭轴向的温度梯度和冷却速度大大超过大面中心部位沿铸锭轴向的温度梯度和冷却速度,因而使铸锭小面产生沿高度方向作用的拉应力。在刚开始的时候,可能是因冷隔或非金属夹杂物起了应力集中的作用,使之在小面区便形成了很浅的原始裂纹。随着铸锭的逐渐冷却,金属对切口的敏感性大大提高,铸锭内的残余应力在原始裂纹处,发生局部集中,当超过金属强度所允许的程度时,便引起了侧面裂纹的突然发展。
2)防止侧面裂纹的办法
(1)降低铸锭小面区的拉应力
①使用小面开切口的结晶器,使铸造时小面区的金属提前冷却,这时与小面区处于同一水平面的铸锭宽面中心区的金属仅在结晶器壁附近形成一层硬壳,不会对小面区的收缩造成大的阻力,因而降低了小面区的拉应力。同时,小面区提前冷却的结果,使抵抗拉应力的金属质量增加。②在结晶器小面开切口的情况下,适当增大小面水压,以加强切口的效果。③适当提高铸造速度,使铸锭内最大拉应力点向宽面中心移动,这时,处于铸锭宽面中心地区的金属温度较高,塑性较好,所产生的应力很容易被金属的变形所消除。同时,抵抗拉应力的金属量增多,故铸锭侧裂倾向性下降。④选择合适的铸锭截面。小面区的拉应力在铸锭厚度一定时随宽厚比增大而增大,在宽厚比一定时随厚度增大而增大。所以,对冷裂纹倾向大的合金,应选择较小的铸锭宽厚比。
(2)特别注意防止小面成层、小面拉裂和小面夹渣。
(3)严格按内部标准控制好化学成分,提高合金抵抗热裂纹和冷裂纹的能力。
3.2局铸锭底部裂纹
1)扁铸锭底部裂纹具有下列特点:
(1)在软合金和硬合金铸锭底部均有可能产生;
(2)软合金的底部裂纹属于热裂纹。裂纹扩展长度多在100 mm以下,并可在底部沿宽度方向的任何部位发生;
(3)硬合金的底部裂纹属于冷裂纹,多产生于底部夹渣或结晶裂纹处,特别是铸锭宽面中心线附近,且常以突然爆发的形式将整块铸锭撕裂。
铸造开始时,铸锭底部与底座接触而冷却,形成一层凝壳。当开动铸造机,铸锭脱模见水时,铸锭表面受到急冷,产生很大的冷却速度,但此时铸锭正常液穴没有形成,表面层的收缩受到内层已凝固金属的阻碍,使得在铸锭底面和表面产生很大的拉应力。此时铸锭凝固层还不算太厚,铸锭沿宽向的收缩使得铸锭底部两端向上产生翘曲,结果,铸锭底表面受拉导致产生更大的附加拉应力。在底部拉应力的作用下,铸锭的拉伸变形如果超出了金属所允许的程度,便会形成底部裂纹。对于软合金,由于对缺口敏感性小,当铸造进入正常状态时,裂纹即会终止发展。对于硬合金,随着铸锭不断冷却进入低温,对缺口敏感性不断增大,铸造开始时形成的起始裂纹就会成为应力集中源而导致铸锭突然沿底部裂开。
2)防止底部裂纹的办法是:
(1)降低铸锭底部的拉应力。
①对于硬合金大型扁锭,采用纯铝铺底。在铺底时应该做到:(a)要保证铺底铝的纯度,其原铝锭品位最好不要低于Al99.50;(b)控制铺底用铝中铁大于硅;(c)铺底铝液温度控制在710~750℃之间;(d)要保证用量,通常铺底铝端头厚度不得小于20 mm;(e)适时放人基本金属,防止铺底铝和基本金属不能很好的焊合,通常以铺底铝四周凝固20 mm时放入金属液为宜;①放人基本金属前,应将铺底铝表面硬壳和底渣彻底打净。
②铸造硬合金大型扁锭时,采用具有光滑凹形上表面的底座。
③采取相应的工艺操作方法:(a)开始供流不要太快,结晶器内金属水平不要太高。为此,对于铺底的合金,在放人基本金属前通常采用先降底座的办法。对于软合金,则采用开头时多次开停车的办法。这样既可避免开始时液面上升太高,又可避免悬挂。(b)铸造开始时,在铸锭正常液穴形成前,可适当降低冷却水压和铸造速度(在设备条件许可的前提下)。(c)保证铸锭四周冷却均匀和供流均匀。
(2)特别注意防止铸锭底部夹渣和漏斗底结物掉人。
(3)严格按内部标准控制好化学成分,提高合金抵抗热裂纹和冷裂纹的能力。
3.3 扁铸锭浇口部裂纹
1)扁铸锭浇口部裂纹具有下列特点:
(1)在软合金和硬合金铸锭浇口部均有可能产生;
(2)软合金的浇口部裂纹属于热裂纹,裂纹扩展长度多在50 mm以内;
(3)硬合金的浇口部裂纹属于冷裂纹,可以在铸造过程中或者收尾时或者铸造结束后产生,在任何时候开裂都带有很大危险性;
(4)浇口部裂纹主要产生于金属液流注入的地方,并多因浇口部夹渣或结晶裂纹而引起。
铸造收尾时,当停止供流后,正常的铸造过程受到破坏,液穴逐渐消失,铸锭头部金属的收缩受到四周和下层金属的阻碍,使之在铸锭顶部沿宽度方向形成很大的拉应力。如果浇口部的金属在较高的温度下就形成了微小的收缩裂纹,那么在铸锭继续冷却时,它将引起应力集中,而促使整个铸锭迸裂。在生产中,浇口部裂纹多因浇口部夹渣、漏斗底结物掉入、表面裂纹、水冷不均、收尾操作不当等因素而诱发。对于软合金,由于塑性好,对缺口敏感性差,所产生的拉应力因塑性变形而松弛,故裂纹很难扩展。
2)防止浇口部裂纹的办法是:
(1)对于低温塑性较差的2A12和7A04型合金的大型扁锭采用浇口部自身回火处理,操作时的注意事项见本篇第9.1.3节。
(2)对于浇口部不回火的合金铸锭,停车不能过早,要让浇口部凉透后再停水。
(3)在停止供流前,适当降低小面水压和铸造速度(在设备条件许可的前提下)。
(4)保证水冷均匀,消灭铸锭表面“白道”。
(5)特别注意防止浇口部夹渣、漏斗底结物掉入和产生表面热裂纹。
(6)严格按内部标准控制好化学成分,提高合金抵抗热裂纹和冷裂纹的能力。
3.4扁铸锭表面裂纹
1)扁铸锭表面裂纹具有下列特点:
(1)属于热裂纹;
(2)在铸锭宽面沿轴向裂开,长度不等,宽度多在0.5 mm之内,深度通常不大于20 mm;
(3)主要分布在水冷较弱或液流注入的地方或铸锭厚度上收缩最大的部位,裂纹处多拌随“白道”;
(4)在软合金和硬合金铸锭上均可发生,尤其是具有较大热脆性的合金。
实际生产中,铸锭宽度方向的表面温度分布是不均匀的。造成这种温度分布不均的主要原因:
①采用小面带切口的结晶器大大提高了铸锭宽度方向上两端和中间部分的温度差;
②与液流供给方式和结晶器横截面形状相联系的铸锭宽面上各点沿厚度方向的收缩值不同,造成铸锭与结晶器壁之间的缝隙值不同,大大提高了铸锭表面的出口温度及温度不均性;
③冷却系统供水不均造成了表面温度的局部不均。由于上述因素的联合作用,当铸锭从结晶器拉出时,铸锭表面层受急冷作用而收缩,但因为各点的温度不同,见水位置也不在同一水平线上,因而冷却速度不一样,其收缩量和收缩速率也不一样,彼此产生制约作用,于是便在见水温度较高的部位形成了更大的附加拉应力,导致裂纹的产生。裂纹一经产生,便又成为应力集中的场所,便之向长度和深度方向发展。但裂纹发展的深度是有限的,因为扁铸锭中心部分受压应力作用,能自动抑制裂纹的扩展。
2)防止表面裂纹的办法是:
(1)提高铸锭沿宽度方向温度分布的均匀性,降低铸锭在结晶器出口处的温度。①适当降低小面水压、铸造速度和铸造温度;②适当减小结晶槽内表面锥度,适当降低结晶器内的金属液面;③保证大面两侧水冷均匀(结晶器放平,两侧挡水板水缝一致,水孔不要堵塞);④均匀分配液流,防止漏斗歪斜。
特别注意防止表面夹渣和拉裂。
(3)严格按内部标准控制好化学成分,提高合金抵抗热裂纹和冷裂纹的能力。
3.5圆铸锭中心裂纹
1)圆铸锭中心裂纹具有下列特点
(1)在所有工业变形铝合金铸锭中均可产生,是圆铸锭最常见的一种裂纹形式;
(2)在软合金铸锭中表现为热裂纹,在硬合金铸锭中通常表现为中心热裂纹、外围冷裂纹的混合型裂纹;
(3)裂纹沿铸锭直径平面发展、多数在铸锭中心面相当于直径1/3~1/2的范围内,但有时也可发展成沿整个直径破裂的通心裂纹;
(4)裂纹可在铸锭全长中心部位出现,从铸锭底部直到浇口部。
圆铸锭中心裂纹产生的基本原因是铸锭内外层温差大,铸锭内层冷却速度大于外层冷却速度,内层的收缩受到早已冷凝的外层的阻碍,使铸锭中心层沿直径平面形成拉应力的缘故。这种应力从结晶瞬间到铸锭完全冷却过程中不断增强,当超过金属允许的变形值时,便产生了裂纹。铸锭开头结尾时,由于正常的铸造条件遭到破坏,冷却条件极不均一,由此而产生的附加热应力也是导致中心裂纹的重要因素。在生产条件下,这种裂纹多因液穴太深,开头收尾操作不当而引起。
2)中心裂纹的防止方法是:
(1)提高铸锭抗裂纹的能力。①严格按内标控制化学成分和杂质含量;②防止熔体过热或在炉内停留时间过长,并对熔体进行变质处理。
(2)提高铸锭底部塑性,防止底部裂纹。①正确铺底;②在设备允许的前提下,开始铸造时,将速度降至正常值的3/5,待铸出的铸锭长度约为直径的2~4倍时再将铸造速度逐渐提高到正常值;③防止底部夹渣。
(3)提高铸锭浇口部塑性,防止浇口裂纹。①进行浇口部自身回火处理;②防止浇口部夹渣。
(4)调整液穴,降低铸锭内外层温差。①降低铸造速度;②防止使用过小的漏斗,均布液流;③提高结晶器高度或结晶器中金属水平。
3.6圆铸锭表面裂纹
1)圆铸锭表面裂纹具有下列特点:
(1)属于热裂纹;
(2)裂纹方向平行于铸锭轴线,在铸锭横截面上裂纹沿径向呈放射状分布,所以,这种裂纹又叫径向裂纹或外圆放射状裂纹;
(3)在铸锭底部和浇口部通常没有,主要分布在铸锭中部,且多被紧密压合;
(4)在软合金和硬合金铸锭中均可产生;
(5)主要分布在水冷较弱的地方。 ’
圆铸锭中表面裂纹的产生类似淬火裂纹,它是在铸锭液穴底部高于直接水冷带的情况下,当铸锭从结晶器中拉出来的瞬间,铸锭表面受到急剧冷却,其收缩受到已经凝固的中心层的阻碍,使外层产生拉伸应力而形成的。此后,在铸锭向下运动的继续冷却过程中,由于外层温度已较低,内层冷却速度逐渐变得大于外层冷却速度,因而应力性质发生变化,外层受压,内层受拉,此时,裂纹即被紧密压合。
2)表面裂纹的防止方法是:
基本方法是调整液穴深度,使铸锭见水时的收缩不受阻碍。同时。又尽可能降低铸锭的出口温度,使铸锭沿周边的冷却均匀。措施是:
(1)适当提高铸造速度;
(2)适当降低结晶器高度或结晶器内金属水平;
(3)使用锥度较小的结晶器;
(4)水冷均匀;
(5)液流分配均匀。
3.7 圆铸锭环状裂纹
1)圆铸锭环状裂纹具有下列特点:
(1)属于热裂纹;
(2)通常在离铸锭边缘20~40 mm处呈环状或半环状分布;
(3)常在具有柱状晶组织的铸锭中发现。
圆铸锭环状裂纹是在铸锭外层和铸锭中间部分的冷却速度差别很大时于过渡带转折处形成的。此时,铸锭凝壳既薄又陡;而液穴平坦,这种条件很容易促使柱状晶的生长,并沿晶界处沉积低熔点组成物和非金属夹杂,因而使晶界联系大大减弱;同时,当铸锭进一步冷却时,中间层以超过表面层的冷却速度进行,结果在液穴转折处形成径向拉应力,并在晶界削弱的地方,导致裂纹的产生。如果此时铸锭表面均匀冷却,则液穴转折处沿铸锭同心圆周分布,产生的裂纹在铸锭横断面呈真正的环形;如果铸锭表面冷却不均,或者铸锭紧贴结晶器壁一面,或者漏斗供流不均,则液穴转折处就不呈同心圆。因此径向应力在某一部分减小,而在另一部分加大,此时形成的裂纹只是在圆周的一部分出现。这是生产中出现的最普遍的情况。环形裂纹在浇口部也可出现,并随液穴转折处的变化从铸锭边缘向中心自下而上延伸很长。
2)环状裂纹的防止方法是:
(1)改变液穴的转折面。①降低结晶器有效高度和铸造速度;②合理选择漏斗,正确安放,保证供流均匀;③正确安装结晶器,保证水冷均匀;④停止供流后不要立即停车,待结晶器内金属水平位于水冷带上面60~70 mm时再停。
(2)细化晶粒,提高合金抗热裂纹的能力。①按内标控制化学成分和杂质含量;②防止熔体过热和熔体停留时间过长;③适当降低铸造温度;④降低配料时新铝用量,对熔体进行变质处理。
3.8 圆铸锭横向裂纹
1)圆铸锭横向裂纹具有下列特点:
(1)属于冷裂纹;
(2)主要产生于高强铝合金的大直径圆铸锭中;
(3)一般表现为内部裂纹,但偶然也扩展到铸锭外侧;
(4)在铸锭中周期性出现。
横向裂纹是由于大直径圆铸锭的铸造速度低,轴向温度梯度大,在铸锭中沿高度方向产生拉应力作用的结果。如果铸锭在结晶末期就产生了结晶裂纹,或者有成层、夹渣等诱发因素存在,则更易产生。有人指出,这类裂纹比其他类型的裂纹具有较大的偶然性,认为它们主要是在一定的铸造速度区间,即结晶面与水平面的倾斜角接近30°时产生的。
2)横向裂纹的防止方法是:
(1)适当提高铸造速度;
(2)保证供流均匀,冷却均匀;
(3)防止铸锭表面成层、夹渣;
(4)合理控制化学成分和杂质含量,提高铸锭低温塑性。
3.9 空心圆铸锭内孔放射状裂纹
内孔放射状裂纹多分布在内孔表面冷却较弱的地方,而在内表面光亮处很少见。这种裂纹类似圆铸锭表面裂纹,属于热裂纹。它是在铸锭内表面急剧冷却而收缩时,由于受到芯子的阻碍,在铸锭内孔表面层形成切向拉应力而引起的。
内孔放射状裂纹的防止方法是:
1)选用锥度合适的芯子,以与铸锭的热收缩值相适应。
2)采取工艺措施降低铸锭内表面脱模前的线收缩值。即:①适当降低芯子水冷强度;②适当降低芯子始水水位。
3)防止不均匀收缩。①正确装配芯子,避免偏斜;②保证芯子水冷却均匀。
3.10空心圆铸锭环状裂纹
环状裂纹也是一种热裂纹,多沿液穴底部分布。当采用单点供流时,环状裂纹发生在金属注入点;当采用双点供流时,环状裂纹发生在两个注入点之问。它是在芯子给水水位高于结晶器给水水位的情况下,液穴底部接近铸锭厚度中心,当厚度中心层的金属以较大的冷却速度收缩时,因受到已经冷凝的铸锭内外表面层的阻碍,使之在铸锭壁厚中心造成很大径向拉应力而产生的。
环状裂纹的防止方法是:
1)提高铸锭外表面冷却水位或降低内表面冷却水位;
2)均布液流;
3)适当降低铸造速度和铸造温度。
3.11 空心圆铸锭横向裂纹
空心圆铸锭中的横向裂纹同圆铸锭中的横向裂纹一样,也多产生于高强铝合金的大直径而壁薄的铸锭中。它也是在铸造速度较慢的情况下,铸锭内轴向温度梯度加大,因而沿轴向产生拉应力所致。
横向裂纹的防止方法是:
1)提高铸造速度,降低芯子水压;
2)正确安装芯子,保证铸锭壁厚均匀;
3)防止内外表面成层;
4)合理控制成分提高铸锭低温塑性。
空心圆铸锭除了上述三种类型的裂纹形式外,对于某些合金的大规格空心锭,在不铺底或不回火的情况下,由于铸造开头、结尾时所产生的附加应力的作用,也会使空心铸锭产生象圆铸锭一样的底部和浇口部通一裂纹,甚至裂成数瓣。
3.12晶层分裂
在铸锭边部断口上沿柱状晶轴产生的层状开裂称晶层分裂(见图2—11—9)。

1)晶层分裂的特点是:
(1)是铸锭断口的一种分层现象,分层面与晶界吻
合,在其低倍试片上,经仔细研磨和腐蚀后,也能沿晶界发现裂纹;
(2)裂口多为母液所填充;
(3)常常在柱状晶区发现。
晶层分裂是晶界联系大大减弱的结果,它主要是在熔体中含气量较大,铸造温度较高而铸锭的冷却强度又较小时,在铸锭结晶末期形成的。
2)晶层分裂的防止重点是消除柱状晶产生的条件,此外,应做到:
(1)适当提高铸锭的冷却强度,降低结晶器有效高度,并清除结晶器内水垢;
(2)防止熔体过热和在炉内停留时间过长;
(3)彻底精炼,降低熔体中气体含量;
(4)铸造收尾时不要停车过早。

四、铸锭的晶粒度和组织缺陷

4.1 铸锭的晶粒度
铸锭晶粒度指铸态晶粒的大小。对于变形铝合金而言,是指基相铝固溶体晶粒的大小。影响铝合金铸锭晶粒度的因素很多,主要是:
1)活性杂质的含量
在实际的连续铸造条件下,铸锭中晶核的形成总是产生于活性杂质,而不是来源于自发形核。因此,熔体中活性杂质含量愈多,则铸锭结晶时的晶核数量也愈多,铸锭晶粒度愈细小。但是,不同的活性杂质,形核所要求的过冷度(即杂质的活性)是不同的。其中,TiAl3所需的生核过冷度小到接近于零,是目前为止所发现的铝合金中最为有效的活性质点。它不仅可以减少柱状晶组织的出现和细化等轴晶粒,同时也能影响柱状晶的横向尺寸。因此,铝合金中钛含量的多少是决定铸锭晶粒度变化的基本因素。一般而言,凡是采用含钛量极低的原铝锭配制合金时,其铸锭易于形成柱状晶或粗大等轴晶的组织。在工业生产中,为了得到稳定而细小的晶粒,除了少数几个有特殊要求的合金外,都毫无例外地采用各种变质剂人工加入0.02%~0.1%的钛。应该指出,合金中加钛过量也是无益的,这样会促使生成粗大的金属化合物,不仅影响制品最终性能,而且会因聚集沉积而降低细化效果。
2)合金成分
由成分(浓度)过冷的条件可知(见本篇第5.3.3节),在G/R一定的条件下,各种合金形成浓度过冷的倾向是不一样的。在铝合金中,那些能显著降低合金的液相线温度(即m值大)在合金中固溶量很小(即K≤1)的元素,在晶体生长时富集在相界面上,它们既能阻碍已有晶体的生长,又能形成较大的浓度过冷促进生核,还能使晶体的分枝形成细的缩颈,易于产生晶体增殖,因而能使铸锭晶粒显著细化。显然,合金元素的细化作用与过冷参数m(1-K)C0/K有关,在浓度C0一定的前提下,m(1-K)/K值愈大,则合金产生浓度过冷的倾向愈大,细化晶粒的作用愈明显。在铝合金中,铜、镁、硅、锌、锰、铁、镍等元素都是程度不同的浓度过冷元素,因此,对于纯铝而言,它们都具有程度不同的晶粒细化作用,且随浓度提高,细化作用也增强。在工业生产中,可以看到下列现象存在:①、高纯铝、工业纯铝锭,形成柱状晶的倾向性比较大;②、与纯铝相比,合金锭的晶粒度比较小;③、合金锭的晶粒度,随成分浓度的增大而减小。在生产Al一Mg系合金和Al—Cu—Mg—Si系合金(如6A02、2A50、2A14)的铸锭时,晶粒度分别随镁含量和铜含量的增大而细化。但是,应该指出,在实际生产条件下,由于合金中钛杂质的突出作用,总的来讲,合金中主要组元对铸锭晶粒度的影响还是不明显的。
3)熔体过热温度
对于所有变形铝合金,当其他条件相同时;熔体过热温度愈高,则铸锭形成柱状晶和粗大等轴晶的倾向愈大。
熔体过热温度对晶粒度的影响可从两方面说明:①过热温度愈高,杂质的去活作用愈强,熔体中可作为非自发晶核的数目愈少;②熔体过热温度愈高,结晶前沿液体中的温度梯度愈陡,使形成浓度过冷的倾向缩小,并使过冷带变窄,杂质质点在过冷带停留时间变短,因而依靠原子扩散作用使杂质质点形成该合金晶核的可能性变小,故铸锭结晶时形成柱状晶和粗大等轴晶的倾向增大。
4)导流方式
向液穴导入熔体的方式直接影响结晶前沿各区域的温度分布,铸锭的晶粒大小和形状与这种温度分布相适应。显然,直接向结晶前沿处供给过热金属,便可以在该处得到柱状晶组织。比如,将过热熔体以集中液流导入铸锭中部,便会促使铸锭中心得到柱状晶组织,液流偏斜亦导致主要柱状晶区偏移。液流的这种影响,①过热液流减小了结晶前沿处的过冷,使可以作为非自发晶核的有效质点数减小;②新的热的液流的不断补充,使结晶前沿既不能建立浓度梯度,又使温度梯度变得很陡,因而不能产生浓度过冷,过冷带也变得很窄,即在结晶前沿前方的液体中很难生核,故导致柱状晶甚至羽毛晶的生成。在实际生产中,导流方式主要借助分配漏斗控制,因此漏斗的类型、大小、安放位置、偏斜程度、沉入深度、流眼的孔数、大小和分布、堵塞情况等都将影响到铸锭的结晶组织,应引起足够重视。
5)熔体相对结晶面运动
铸锭结晶期问,采用搅拌或振动等方法加强液穴内熔体相对于结晶面的运动,将有利于获得细小的等轴晶。这是因为:一方面,这种运动增强了熔体和冷凝壳之间的热交换强度,使液穴中熔体温度降低,结晶前沿液体中温度梯度变得平缓,过冷带变宽,因而,使成核质点的数目增加。另一方面,这种运动促使结晶面的晶体脱落、熔断和破碎,增加了固有晶核数目,从而获得细小的等轴晶。
6)冷却速度
冷却速度对铸锭晶粒度的影响是通过改变铸锭结晶前沿的过冷度大小和过冷带宽度来实现的。通常冷却速度愈大,结晶前沿的过冷度也愈大,因而有效活性杂质质点的数目愈多,使之有减小柱状结晶的趋势。但是,铸锭能否得到细等轴晶,决定的因素还在于过冷带的宽度。冷却速度愈大,铸锭断面温度梯度亦愈大,故过冷带变窄。如果这时过冷带虽然变窄,但对形成晶核是足够的话,则铸锭得到更为细小的等轴晶。如果过冷带变窄的程度不能使之生核,则将促进柱状晶组织的形成。在实际生产中,冷却速度主要取决于结晶器有效高度、铸锭横断面尺寸和冷却水压的大小。因此,这些因素也通过改变冷却速度影响着铸锭的晶粒度和结晶组织。
7)铸造速度
提高铸造速度使铸锭边缘等轴晶带缩小,而使锭心等轴晶带扩大,柱状晶带的宽度则取决于等轴晶带尺寸的变化大小。这是因为随着铸造速度的提高,一方面使铸锭径向温度梯度变陡,纵向温度梯度变缓;而另一方面,铸锭的结晶速度增大,特别是铸锭中心区的结晶速度增大更为明显。这两个因素的联合作用,使得铸锭中心部位的过冷带变宽,浓度过冷倾向增大,故利于锭心等轴晶带的发展。反之,铸锭边缘等轴晶带变得窄小。但是存在着另一种极端情况,即当铸造速度十分慢时,由于液穴变浅,铸锭径向温度梯度变缓,过冷带扩大。
同时由于补充的新液流少,致使整个液穴处于过冷状态,加之敞露液面结晶体的下沉,在这种情况下,整个铸锭将全部为细小等轴晶所占据。
在其他条件相同的情况下,通常,铸锭的晶粒愈粗大,则力学性能愈低、塑性愈差、压力加工性能愈坏。所以,在实际生产中,为了保证制品性能和加工性能的稳定,对铸锭的晶粒度必须进行控制。变形铝合金铸锭的晶粒度在检查时都是根据五级标准图片对照评级并确定成废的。对重要用途的铸锭,要求晶粒度较细,一般允许1级;YS/67--1993对用于建筑型材生产的铸锭,要求晶粒度不得大于2级;对其他用途的铸锭,晶粒度可以大一些,一般允许3级。
4.2羽毛状晶、粗大晶粒
由于熔体过热等原因在铸锭宏观组织中形成的类似羽毛状的金属组织,称羽毛状晶,其低倍组织见图2—5—13,显微组织见图2-11-10。羽毛状晶尺寸较大,在铸锭截面上分布有时分散,有时连成一片。断口组织呈片状。显微组织为粗大孪晶组织,是柱状晶变种。枝晶一边为直线孪晶晶轴,另一边为锯齿状晶界。铸锭变形后宏观组织仍保持羽毛状,显微组织由亚晶晶粒组成。

羽毛状晶是在结晶前沿液体中的温度梯度十分陡峭,过冷带极为窄小的情况下生成的。当熔体的过热温度很高,铸锭的冷却速度极快,向结晶面直接供给热的金属流以及熔体中的有效活性质点极少时很容易产生。
羽毛状晶的力学性能不低于等轴晶,但这种晶粒组织存在着很强的方向性,纵向和横向的力学性能差异较大,羽毛晶的双晶面是弱面,在轧制和锻造时工艺塑性不好,容易沿弱面裂纹。所以,为了保证材料的加工稳定性,并提高制品的最终性能,对铸锭中羽毛晶要进行控制。通常,羽毛状晶按低倍试片上所占的总面积,按铸锭用途和直径的大小,分别控制在(30×30)mm~(110×110)mm之间。YS67--1993要求建筑型材生产用铸锭组织中的羽毛状晶的总面积不得大于铸锭横截面总面积的30%。
消除羽毛状晶的办法是降低结晶前沿熔体中的温度梯度,扩大过冷带和两相区的宽度,增大浓度过冷,破碎结晶骨架,提高合金中活性质点的数量。具体措施是:
1)采用高效变质剂,对熔体进行变质处理。在采用陶瓷管过滤的条件下,最好在过滤后对熔体以接种形式进行变质处理;
2)严格控制熔体的熔炼温度和铸造温度及熔体在熔炼炉和静置炉的总停留时间:
3)适当提高结晶器有效高度,降低冷却水压,在热顶铸造和矮结晶器铸造的时候,更应适当调整G/R的比值,使之尽可能小一些;
4)合理设计和安装漏斗,使之供流均匀,避免热流切向导入结晶面;
5)配料时应控制新旧料比,适当降低原铝锭比例,在使用旧料时,应考虑废料的遗传性影响,适当补加有效钛的含量。
粗大晶粒指在宏观组织上出现的均匀或不均匀的超出晶粒度标准的大晶粒(见图2—11—11)。粗大晶粒不破坏金属的连续性,只使金属某些性能指标降低或使性能不均匀。产生粗大晶粒的原因和防止措施与羽毛状晶基本相同,只是程度不一而已。
4.3光亮晶粒
在宏观组织中存在的色泽光亮的树枝状组织称光亮晶粒(见图2一ll—12)。显微组织特征为粗大枝晶网状组织,枝晶尺寸比正常组织大拾l0以上。

图2—11—12铝合金铸锭中的光亮晶粒

光亮晶粒是在漏斗底部(立式铸造时)或导流板(卧式铸造时)流口下边铸锭侧形成的一种先期凝结物,它是一种贫乏的铝固溶体。连续铸造时,光亮晶粒是由于铸锭液穴内的过冷带扩展到上述区域,使已经形成的树枝状晶挂在漏斗或导流板(喇叭碗)的不平整表面上,在过冷度极小的情况下,于液穴中长时间长大而生成的。光亮晶粒在生长过程中,生长速度十分缓慢,且因光亮晶粒周围的金属液流不断更新,使该处的液相成分在结晶过程中没有大的变化,在光亮晶粒和液相间始终保持着开始结晶时的浓度差,因而就使得光亮晶粒成为贫乏的铝固溶体。在上述区域形成的光亮晶粒,由于某种原因(比如立式铸造时铸造机运转不平稳,底结物自重增加或偶然的振动等,在横向铸造时,光亮晶粒沿下缘生长到与结晶前沿相接触时),就会落入或凝入铸锭内而形成一种独特的组织缺陷。
从光亮晶粒的上述形成过程,可知它有如下特征:
1)在以α固溶体树枝晶作为一次晶的所有铝合金铸锭中,均有可能产生;
2)在光亮晶粒内,降低合金熔点的元素如铜、镁、锌的含量低于该合金的平均成分;
3)光亮晶粒在过冷度极小的情况下生长,结晶热的放散极其缓慢,故光亮晶粒的晶内结构粗大;
4)由于光亮晶粒中合金元素贫乏,光亮晶粒区域的硬度,屈服强度和抗拉强度均降低。另外,由于晶内结构粗大,且与基体金属之间的边界结合不完善,故伸长率也有所降低;
5)在立式铸造时,光亮晶粒沿铸锭横截面的分布与漏斗位置及大小相适应,而沿铸锭纵向的分布没有规律,存在着偶然性。在横向铸造时,光晶沿铸锭下部(激冷侧)呈间断周期分布。
显然,光亮晶粒作为铝合金铸锭的一种组织缺陷,它破坏了铸锭组织的均一性,使制品性能受到影响,故应根据制品用途进行控制。YS/67--1993对光亮晶粒的要求是,在所检查的每个铸锭试片内,允许不多于2点,每点平均直径不太于3 mm。
消除光亮晶粒的根本方法是消灭产生光亮晶粒的温度条件和光亮晶粒的依附条件,即使液穴内过冷带不扩展到金属分配器处,也尽量使金属分配器表面圆滑平整。为此,在立式铸造时,应该:
1)适当提高铸造温度和铸造速度;
2)充分预热漏斗;
3)漏斗不要太大且不要放置过深;
4)漏斗孔距漏斗底不要过高;
5)漏斗表面涂料并保持光滑平整;
6)防止结晶器内金属水平波动和液流分配不均。
在横向铸造时,应该:
1)适当提高铸造温度和铸造速度;
2)采用导热良好、下方供流的导流板(如石墨质导流板);
3)中间罐金属液贮藏腔坡度糊制成约45°角,保证金属顺利流动,防止在导流板流口下侧造成死区;
4)铸造前对中间缶和导流板进行充分预热
5)减少结晶器下方二次冷却水量。
4.4 白斑
在宏观组织中存在的白色块状物称白斑(见图2—11—13)。白斑与金属组织有明显的色差,但没有破坏金属的连续性。显微组织特征为基体金属,没有合金那样多的化合物,显微硬度很低。白斑出现在铸锭底部。



采用纯铝铺底的合金铸锭,在开始铸造时,由于铺底铝液中的纯铝悬浮晶体被合金液冲动而进入合金熔体并凝固于铸锭中,或者凝结于漏斗底部一段时间后散落在铸锭中,形成白斑。白斑对产品的影响与光亮晶粒相同。当白斑呈分散状时,按夹渣标准处理,其他状态一律报废相连毛料。
白斑的防止方法是适当提高铺底铝的温度,打净底结及浮渣,放合金熔体的时间不要太迟,充分预热漏斗,并保证漏斗表面光洁。
4.5 粗大金属化合物
变形铝合金铸锭中的粗大金属化合物(见图2—11—14)是指铸造时在液穴内或漏斗底部以初晶形式出现的高熔点金属化合物质点。在液穴中自由长大的金属化合物多以单个质点的形式散布在整个铸锭截面,只有在结晶前沿倾斜度很大时才集中在铸锭中心部位而造成偏析。在漏斗底部生成的金属化合物聚集物(底结物)则间断地没有规律地散落在结晶面上,在铸锭中形成局部偏析。这些粗大金属化合物的低倍组织特征为分散或聚集的针状或块状凸起,边界清晰,有金属光泽,对光有选择性;断口组织特征为针状或块状晶体,有闪亮金光泽;显微组织特征为有特定形状的粗大化合物,既硬又脆,对不同化学浸蚀剂有不同着色。金属加工变形后沿变形方向被破碎成小块。

图2—11—14铝合金铸锭中的金属化合物
(a)低倍组织中的金属化合物;(b)2A70合金高倍组织中的金属化合物;(c)断口组织中的金属化合物

成分接近共晶点的过共晶合金和成分接近包晶点的合金,在连续铸造时,当液穴内的温度低于该合金的液相线温度时就会生成完整形状的金属化合物一次晶。但此时,由于金属化合物的数量很少,不可能形成连续的结晶前沿,在这种情况下,结晶前沿只有在进一步进行共晶结晶或包晶结晶时才能形成,而结晶前沿的温度相当于比共晶点或包晶点稍低一点的温度。由于熔体和硬壳间强烈的热交换,使得在液穴整个体积或大部分体积中温度接近于二元共晶点或二元包晶点的温度,即低于该合金的液相线温度,这样就不可避免地促使了金属化合物的形成。显然,连续铸造时,在铸锭中生成金属化合物必须具备两个条件:①成分条件,即该合金的成分一定位于共晶点或包晶点附近;②温度条件,即液穴内的熔体温度必须低于该合金液相线温度。在铝合金连续铸造的不平衡结晶条件下,出现金属间化合物一次晶的浓度界限比平衡图中的要低得多。因此,当采用连续铸造法生产含有难熔组元铁、镍、钒、钛、锰、铬、锑、铬、硼、硅的变形铝合金铸锭时,往往出现金属间化合物。这也是采用连续铸造比起采用锭模铸造来说,不仅没有细化金属化合物一次晶,反而使产生金属化合物一次晶的倾向更大,质点更粗的原因。
连续铸造时,铸锭中粗大金属化合物的形成和分布具有如下特点:
1)粗大金属化合物只出现在含难熔组元较多的合金如2A70、2A80、2A90、3A21、5A06、5A12、5B06、7A04等合金中。
2)液穴中自由长大的金属化合物一次晶的大小主要取决于它本身的结晶速度和成长时间。漏斗底结物的生长条件与光亮晶粒底结物相似。
3)金属化合物的长大速度与其本性及液穴中熔体的过冷度有关。提高铸造温度使液穴中熔体温度升高,过冷度减小,一方面提高了出现金属间化合物一次晶难熔组元的浓度,另一方面降低了结晶速度,有利于一次晶的细化。
4)金属化合物的成长时间即在液穴中以悬浮状态存在的时间,从铸锭边部向中心不断增加,并与铸锭的凝固时间成正比。所以,金属化合物的尺寸相应地从铸锭边部向中心不断增大,并随铸锭截面增大而增大。
5)只有在铸锭基体部分存在分散的金属化合物时,才会在铸锭断口检查中,发现金属化合物的偏析聚集物。并且分散质点越多,在铸锭的某些地方产生局部偏析的或然率越大。
6)对于直径相同的铸锭,在使用矮结晶器铸造时,出现金属化合物的倾向性增大。
粗大金属化合物是破坏铸锭组织均一性的一种重要的组织缺陷。通常金属化合物硬度高、性质脆,特别是当它们在铸锭中形成偏析聚集物时,将不仅急剧降低铸锭的力学性能,而且变形时在制品中造成分层缺陷,是降低半制品横向性能的主要原因。因此,为了保证制品性能的稳定,在生产中,对铝合金铸锭中的粗大金属化合物必须进行控制。
防止金属化合物产生的最根本的措施是严格控制合金中难熔组元和杂质的含量。其次,应该从工艺上采取措施,尽可能提高液穴中熔体的温度,消除漏斗底结物的生成条件。主要是:
1)适当提高铸造温度和熔炼温度;
2)充分预热漏斗,并使漏斗表面光滑;
3)适当提高结晶器中金属水平或采用高结晶器;
4)对于生成金属化合物倾向很大的合金,在采用上述工艺措施收效不大的情况下,可以考虑缩小铸锭截面尺寸;
5)寻求金属化合物即一次晶细化剂。

五、铸锭的力学性能

5.1 铸锭铸态力学性能的影响因素和分布特征
影响铸锭铸态力学性能的因素主要有:晶粒度、晶内结构、铸锭致密度、组织不均一的程度、化学成分及区域偏析的程度。通常,在化学成分一定的条件下,铸锭晶粒愈小、晶内结构愈细、致密度愈高、组织不均一的程度愈小、区域偏析程度愈轻,则铸锭的综合力学性能愈高。其中,对工业纯铝和软合金而言,起决定作用的是晶粒大小;对高成分硬合金而言,起决定作用的是晶内结构的细薄程度和致密度。
力学性能沿铸锭截面的分布情况随铸造条件的不同而不同。水冷半连续铸造时,一般的规律示于图2—11—15。在铸锭边缘,力学性能较低是结晶器壁导热速度较低的缘故。在结晶器出口处,铸锭冷却强度急剧增大,使结晶速度提高,结果力学性能提高。在铸锭中心区域性能急剧降低,这是冷却速度降低以及过渡带尺寸扩大的结果。
铸造速度较低时,性能沿截面的分布比较均匀。提高铸造速度,使性能的上述分布规律更加明显。在提高铸造速度的同时使用高结晶器要比使用矮结晶器更易得到比较均匀的性能,但铸锭的平均力学性能却有所降低。
5.2 铸锭力学性能设计
每种合金都有自己的临界性能,在临界性能范围内,铸锭品质愈高,则综合力学性能愈好,压力加工时为使产品达到要求的力学性能所需的变形量愈小;而变形率愈高,则铸锭的遗传性影响愈小。这种关系可用图2—11—16表示。


在确定铸锭应该具有怎样的力学性能时,应该综合考虑在获得和利用具有这种性能的铸锭时所表现的利弊:
1)铸锭的力学性能决定了铸锭在热加工时的性质。铸锭的塑性愈高,允许的热加工速度愈快,废品愈少,成品率愈高。
2)铸锭力学性能对半制品性能的影响随铸锭变形程度降低而增大。铸锭中以粗大致密质点形式析出的化合物以及疏松和非金属夹杂物对半制品力学性能的遗传性影响更为突出。
3)铸锭的屈服强度愈大,则加工愈困难、要求的加工功率愈大、铸锭的加热温度愈高,并增加某些附加的费用。
4)获得具有极大力学性能的铸锭,导致必须限制铸造速度和机器的生产率。
根据上面的规律或事实,可以认为:获得具有最高和最均匀的力学性能的铸锭应该是建立连续铸造工艺的总的原则之一。但在每一种具体情况下,应该正确地估计获得具有最高力学性能铸锭的必要性,以及从提高机器的生产率或者其他要求出发,是否可以适当降低铸锭的力学性能。

六、铸锭的表面缺陷

6.1 拉痕和拉裂
拉痕和拉裂是铸锭相对于结晶器(或芯子)滑动时,铸锭凝壳与结晶器壁(或芯子壁)之间的摩擦以及二者之间的粘着所引起的,当摩擦力和粘着力大于凝壳当时的强度极限时就产生了裂口。
影响拉痕和拉裂产生的主要因素是:
1)合金性质。在其他条件相同时,含镁量较高的铝合金比其他合金具有更大的形成拉裂的倾向性。因为这种合金铸锭表面的氧化膜强度低,易粘着,具有很大的拉锭阻力(见图2—11—17)。

2)工艺参数。在其他条件相同时,拉锭阻力随结晶器内液面的升高、铸造速度和铸造温度的提高、铸锭直径的增大、冷却水压的降低而提高,因而形成拉痕和拉裂的倾向性增大。

此外,结晶器(芯子)抛光不好,安装不正确,水垢太厚,液流分配不均,流股冲刷凝壳,润滑不良等因素均会提高铸锭形成拉痕和拉裂的倾向。
防止拉痕和拉裂的措施是:
1)适当降低铸造速度和铸造温度;
2)适当提高冷却水压,保证沿铸锭周边冷却均匀;
3)降低结晶器内液面高度;。
4)正确安装结晶器、芯子和分配漏斗,防止液流偏斜,冲刷结晶面;
5)保持结晶槽工作表面光洁度,均匀适时地进行润滑;
6)定期清理结晶器和芯子内的水垢;
7)不要用被熔体退过火的(现场叫烧了)结晶器和芯子;
8)铸造机起动时,由静摩擦突然过渡到动摩擦时,其拉锭阻力极大,形成拉裂的倾向性也极大。为此,金属液面不要上升太快。铸空心锭时,开始芯子水压不要过大,水平亦应控制低一些为好。
6.2 偏析浮出物
偏析浮出物是从铸锭内部渗流出来并在铸锭表面呈瘤状或小球状凝结的易熔析出物,又叫发汗带,俗称偏析瘤。偏析浮出物中通常都富集有大量易熔组成物。因此,形成易熔共晶体的铜、镁、锌、硅的含量在浮出物中急剧升高,而锰、铬等元素的含量在浮出物中较少。偏析浮出物是在铸锭表面温度低于线收缩开始温度,在铸锭因收缩刚离开结晶器壁而表面层还处于固液态的时候,或者在铸锭与结晶器壁问形成了空隙,铸锭外层产生二次加热使表层温度达到枝晶间易熔组成物的熔点并使其熔化的时候,枝晶间的易熔组成物在液穴中熔体静压力的作用下,或者由于被加热的固溶体晶粒体积增大和易熔物重熔时体积增大而产生的附加力的作用下,沿结晶骨架的孔道,在氧化膜破裂的地方渗出并在表面凝结而形成的。
影响偏析浮出物形成的因素有:
1)合金成分。合金处于固液态时,结晶骨架内液相的相对数量愈多,则偏析浮出物形成的倾向愈大。没有有效结晶区间的纯铝和合金没有形成偏析浮出物的倾向。
2)冷却条件。当铸锭表面层连续地冷却时,铸锭表面层在结晶器内没有二次加热和重熔现象,则可以得到实际上没有或很少有偏析瘤的铸锭。在实际生产条件下,强化对铸锭和结晶器的冷却、缩短结晶器的有效高度、减小结晶器的锥度即缩小铸锭中结晶器壁之间的缝隙、缩小铸锭的横截面尺寸,能降低形成偏析瘤的倾向。而普遍和局部缺水将提高形成偏析瘤的倾向。
3)铸锭表面氧化膜的强度和完整程度。采取各种工艺措施,如:提高结晶器内表面光洁度、均匀润滑;适当降低铸造速度和铸造温度、均布液流、以减小铸锭和结晶器壁之间的摩擦,防止和减少表面氧化膜破裂的机会,可以降低形成偏析浮出物的倾向。
偏析浮出物是一种有害的铸锭表面缺陷。在铸造过程中,填充在铸锭和结晶器之间的偏析浮出物对结晶器壁产生附加压力,使拉锭阻力增大。采用带有偏析浮出物的铸锭直接进行压力加工,将导致半制品形成分层缺陷,使最终制品性能降低。因此,对铸锭进行加工之前,通常都要车(铣、镗)掉表面这些缺陷。在生产中,应想办法尽可能消除或减少铸锭表面的偏析浮出物。其措施是:
1)提高冷却水压,保证铸锭周边冷却均匀;
2)降低结晶器的有效高度和缩小锥度;
3)适当降低铸造速度;
4)适当降低铸造温度;
5)保持结晶器内表面光洁度,均匀润滑;
6)正确安装漏斗,合理分配液流,防止液流偏斜冲刷凝壳,造成凝壳局部熔化。
6.3 冷隔(成层)
冷隔又叫成层,它是位于铸锭边部敞露液面处的熔体提前凝固的结果。冷隔的形成过程的示意图如图2-11-18所示。连续铸造时,在某些情况下(比如铸造速度过低、铸造温度过低、冷却强度过大、金属水平不稳、漏斗偏斜或漏斗眼堵塞等),液穴内的金属不能均匀地到达铸锭四周,在金属流得少的地方,温度很快降低,逐渐形成硬壳,它们阻止液体流到这个区域。只有在结晶器中部液体金属的水平高度在硬壳之上并提高到足以克服表面张力和破坏氧化膜表面时,金属液才又流向结晶器壁,但此时已不能与硬壳很好焊合。这种情况周而复始,便在铸锭表面形成了一道道的冷隔。


冷隔常常是铸锭裂纹的起因,并增大了铸锭铣面和车皮的几何废品,降低了成品率。为了尽量减少或消除冷隔,其措施是:
1)对于裂纹倾向性较小的合金铸锭,适当提高铸造速度;
2)当提高铸速受到裂纹限制的时候,采用带锥度的结晶器或使用热帽,适当降低水压和适当提高铸造温度以降低铸锭周边层在敞露液面处的冷却强度,并提高液态金属的流动性。
3)采用液面自动控制漏斗,并做到正确安装,大小适宜,以合理分配液流,防止金属水平波动。
6.4 铸锭弯曲
铸锭产生弯曲的原因主要有三:①铸造机的故障(比如导轨不直或导轨与轴瓦间隙过大等),致使底座平台在下降过程中产生位移。②铸造工具如结晶器、底座、盖板等安装不对中或在铸造过程中位置产生错动。③由于铸锭悬挂而引起。
铸锭弯曲程度通常要求小于3 mm/m,对于扁铸锭大面弯曲则要求小于2 mm/m。
YS67--1993对铸锭弯曲度的要求是不大于5 mm/m。防止铸锭弯曲的办法,①经常检查和调整铸造机,使之在运行过程中平稳不晃动;②正确组装结晶器、底座和盖板,既保证水平度,又保证垂直度,还要保证对中,调整后要紧固,防止铸造过程中产生移动;③选用表面光洁、锥度合适、平直的结晶器,并注意开头操作,防止铸锭悬挂。
6.5 空心锭内孔偏心
引起空心锭内孔偏心的原因有:芯子安装不正,结晶器偏斜,铸造机下降不平稳,铸锭弯曲,搪孔不正确,铸造工具不符合要求,由于芯子水冷不均而造成的铸锭内表面偏析浮出物局部加重。
空心锭偏心的结果将导致铸锭壁厚不均,使车削和搪孔量增大,甚至报废。通常,铸锭偏心度要求不大于l mm,锭坯偏心度要求小于0.75 mm。防止空心锭偏心的基本措施是从铸造机和铸造工具入手,消除上述产生偏心的原因。
6.6 铸锭尺寸不符
铸锭尺寸不符就是指铸锭或锭坯的实际几何尺寸与要求的尺寸不相符合。造成铸锭尺寸不符的主要原因有:
1)流口堵的过早或过晚;
2)行程指示器失灵;
3)铸造井积渣过多,铸锭长度达不到要求;
4)计划尺寸下达错误;
5)炉料量不足;
6)机械电气设备事故;
7)铸锭由于表面夹渣、偏析瘤、冷隔、疏松和裂纹等原因引起车皮(镗孔)量增加,导致锭坯尺寸超出公差;
8)因停电或其他原因引起的铸造中途停车。
6.7竹节
因铸造设备运转问题或结晶器内表面锥度过大,在铸锭表面形成的类似竹节的缺陷称竹节。一般通过车皮或铣面可以去处。

七、电磁锭特有的表面缺陷

7.1 纵向波浪
纵向波浪就是铸锭横断面尺寸的波动,又称横向皱褶(见图2—11—19)。它是在液面波动或铸造速度、冷却强度、见水位置及铸锭对垂直轴线的偏斜等发生变化的条件下,链锭表面固液区分界线位置发生改变,使电磁压力与液体静压力失去平衡,导致铸锭纵向上直径忽大忽小而形成的。纵向波浪的形成过程可以说明如下:在正常铸造条件下,铸锭边部液一固区分界线通常控制在感应圈中位面附近,此时建立了合金液柱静压力与电磁力的平衡关系(即ρgh=KI2),铸出的铸锭保持平直。假定在某一时刻,上述参数之一发生变化,例如当液面降低△h,则液柱静压力相应降低ρg△h,于是,电磁推力与静压力的关系失去平衡,电磁推力相对增大,则液柱变细。冷凝后变细的铸锭的见水位置下移,因而铸锭固液区分界线相应下移,液柱相应提高,静压力增大,而在固液界面处的电磁推力又小于中位面处的电磁推力,故铸锭又逐渐变粗。如此反复,便形成了连续的纵向波浪。所以,消除电磁铸锭纵向波浪的基本措施是合理选择电磁屏蔽的锥角,建立电磁力与合金液柱静压力的平衡关系。在电磁铸造装置确定的前提下,选择合适的液面高度(一般控制在35~50 mm为宜)和铸造速度,并保证各电气参数和工艺参数在铸造过程中保持相对稳定。此外,铸造机运行平稳也是保证获得优良表面铸锭的必要条件。

7.2 纵向皱褶
纵向皱褶(见图2—11—20)产生于液柱侧面并在冷却时保留在铸锭上。它是在铸造温度偏低、铸造速度较慢、液态金属供给不匀、沿铸锭周边冷却不均的条件下产生的。主要分布在热金属不进入的地方或者水冷较强烈的地方。提高铸锭冷却强度,使产生纵向皱褶的倾向性增大。产生纵向皱褶的机理是:在电磁铸造时,由于液穴中电磁搅拌的作用,结晶前沿处固液两相间的热交换过程十分强烈,液相的蓄热量急剧降低,因而给液穴体积内晶体的生成创造了良好的条件。在铸造温度偏低,或者铸造速度较慢时,上述情况得到加强。液穴中形成的这些微小的悬浮晶在运动的金属流的作用下,被带到液柱周边区域。在铸锭四周冷却不均或供流不均的条件下,在热金属不进入的地方或者水冷强烈的地方,液区周边的氧化膜上就会附聚更多更厚的微晶体,在这些晶体浓度比较大的部位,金属的流动性大为降低,于是在液区周边层形成了不同深度的垂直方向的沟槽。伴随着液区周边层熔体密度的这种不均匀的变化,熔体的导电率和表面张力也相应产生不均匀的变化,于是,在磁场的作用下,液区周边层区域产生了不同的表面变形条件,导致了与电磁推力方向一致的纵向皱褶的形成,这些皱褶在凝固时被完整的保留在铸锭表面。
由上可知,液穴中熔体的循环是促进悬浮晶形成和将悬浮晶带至液区周边层的主要原因,因而控制和减弱熔体的循环强度是消除纵向皱褶的主要办法。为此可选择较高的电流频率和适当的屏蔽参数,还可降低屏蔽相对于感应器的位置。在电磁铸造的装置及电气和几何参数确定的条件下,消除纵向皱褶的方法是:提高铸造温度、提高金属分布的均匀性和冷却的均匀程度。
7.3 其他表面缺陷
电磁铸锭表面的小疵和小麻眼是一类很难消除的表面缺陷,它们是在液穴内氧化夹杂物上生成的悬浮晶体被带到表面的结果。消除这类缺陷的手段首先是对液体金属进行充分的预先精炼,正确地向液穴中导入熔体。此外,应选择合适的铸造制度,即适当提高铸造温度,建立均匀的冷却条件等。
除了上面的表面缺陷外,电磁铸造时还往往产生铸锭横截面尺寸超差的现象。引起尺寸超差的主要原因有:工具设计不合理,供电电流过大或过小,液面过高或过低。

八、热顶铸造特有的表面缺陷

8.1 搭接式表面(周期性偏析)
搭接式表面是在热顶铸造时,铸锭的表面形成发生在热顶和结晶器的交界处,所以,其过程很不容易控制。搭接式表面的形成机理可用图2—11—21的模型大致说明如下:由结晶器壁生长出弯液面,它与热顶下面保持接触(图2—11—21(a))。随着铸锭下降,弯液面上部的空间扩大,接着到达热顶突台的边缘,弯液面上端与热顶突台边缘保持桥式结合(图2—11—21(b))。铸锭进一步下降,上部空间逐渐增大,热传导减小,因而桥式结合部温度上升,接着便破裂,熔体流人,回复到开始阶段(图2—11—21(c))。上述过程周而复始,于是便形成了类似成层(即冷隔)的搭接式表面。在(b)阶段,由于内侧部分的凝固速度慢,溶质元素在此浓聚,而固体中的溶质元素降低,因而在铸锭表面层出现了合金元素的周期性偏析(图2-11-21(d))。显然,搭接式表面和偏析区的深度与热顶贮槽内侧的突出距离成比例。

8.2 汗珠式表面
汗珠式表面也是热顶铸造的特有缺陷之一。它是铸造过程中,由于在结晶器和热顶接触的边角部位形成负压空间,熔体中的气体在铸锭表皮下凝聚长大而造成的气泡表面。
为了减少和防止热顶铸造特有的缺陷,获得光滑而稳定的表面品质,世界各国对热顶铸造的装置和工艺进行了大量改进,其中,比较有成效的办法有:
1)由试验确定最佳的铸造速度,使从结晶器壁导出的热量最小,即使MAL接近于零(参见本篇第7章图2—7—4)。
2)由试验确定铝液静压力、结晶器高度和铸造速度三个参数间的最佳配合值,使热顶和结晶器接合处金属液的弯月面保持不变。
3)在结晶器顶面和内表面上部周围开挖油沟,利用铸锭下降时在结晶器和热顶接触处的边角部位所造成的负压,实现自动供给润滑油。
4)采用石墨作结晶器内表面衬套,并在石墨衬套的上部和结晶器之间开一空气隙,一方面降低一次冷却强度,另一方面利用石墨的自润滑性。
5)在热顶和结晶器之间,插入石墨或金属薄环,以降低该处的一次冷却强度。
6)在热顶和结晶器之间插入分流板或者采用具有上小下大喇叭形供料口的热顶或者其他办法,以改变和控制进入结晶器的液流。
7)从热顶和结晶器之间导入压力与该位置熔体静压力相平衡的空气或惰性气体,使熔体在该处不与结晶器接触。
 
打赏
 
更多>同类技术
0相关评论

推荐图文
推荐技术
点击排行

网站首页  |  铝材QQ群大全  |  大沥著名铝企  |  铝锭手机短信  |  关于我们  |  联系方式  |  使用协议  |  版权隐私  |  网站地图  |  排名推广  |  广告服务  |  积分换礼  |  RSS订阅  |  违规举报  |  湘ICP备16001844号  |