1.鑄造裂紋的分類和機(jī)理剖析

1.1　鑄造裂紋的分類

按其構(gòu)成進(jìn)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(jié)晶區(qū)間(自線縮短開端溫度起，至不平衡固相線溫度止的結(jié)晶溫度區(qū)間)構(gòu)成的裂紋。以圓鑄錠為例，其宏觀表現(xiàn)形式為外表裂紋、中心裂紋、環(huán)狀裂紋、放射狀裂紋、澆口裂紋等。冷裂紋是指合金低于合金固相線溫度時(shí)構(gòu)成的裂紋，多發(fā)生在200℃左右。側(cè)裂、底裂、劈裂多為冷裂紋。

1.2　鑄造裂紋的構(gòu)成機(jī)理

冷裂常出現(xiàn)在鑄件受拉伸的部位，那些壁厚不同大、形狀雜亂的鑄件，尤其是大而薄的鑄件易發(fā)生冷裂紋。凡是能添加鑄造應(yīng)力、下降鑄造強(qiáng)度和塑性的要素都將促進(jìn)冷裂紋的開展。

熱裂紋是一種一般又很難完全消除的鑄造缺點(diǎn)，除Al-Si合金外，簡(jiǎn)直在一切的工業(yè)變形鋁合金中都能發(fā)現(xiàn)。關(guān)于熱裂紋的構(gòu)成機(jī)理首要有強(qiáng)度理論、液膜理論和裂紋構(gòu)成理論3種。其間，強(qiáng)度理論比較通用，該理論從對(duì)合金高溫力學(xué)性能的研討結(jié)果出發(fā)，以為一切合金在固相線溫度之上的固液區(qū)內(nèi)都存在著一個(gè)強(qiáng)度極低、延伸率極小的“脆性溫度區(qū)間”，合金在這個(gè)區(qū)間冷卻時(shí)，當(dāng)縮短而發(fā)生的應(yīng)力假如超越了此刻金屬的強(qiáng)度，或者由應(yīng)力而引起的變形超越了金屬的塑性，會(huì)導(dǎo)致熱裂紋的發(fā)生。

在生產(chǎn)進(jìn)程中一般不存在樸實(shí)的熱裂紋或冷裂紋，大部分都先發(fā)生熱裂紋，然后在冷卻進(jìn)程中由熱裂紋開展成為冷裂紋。

2　鑄造裂紋發(fā)生的實(shí)質(zhì)原因

在凝結(jié)末期，鑄件絕大部分已凝結(jié)成固態(tài)，但其強(qiáng)度和塑性較低，當(dāng)鑄件的縮短受到鑄型、型芯和澆注體系等的機(jī)械阻止時(shí)，將在鑄件內(nèi)部發(fā)生鑄造應(yīng)力，若鑄造應(yīng)力的大小超越了鑄件在該溫度下的強(qiáng)度極限，即發(fā)生熱裂紋。而冷裂紋是在鑄件凝結(jié)后冷卻到彈性狀態(tài)時(shí)，因部分鑄造應(yīng)力大于合金極限強(qiáng)度而引起的開裂?？偨Y(jié)可知，發(fā)生鑄造裂紋的實(shí)質(zhì)原因是因?yàn)榘才艃?nèi)應(yīng)力與外部機(jī)械應(yīng)力太大，超越材料塑性變形才能，引起金屬安排不接連而開裂。

3.避免鑄造裂紋發(fā)生的辦法

鑄造裂紋的影響要素歸納起來首要與熔體質(zhì)量、鑄造設(shè)備、鑄造工藝條件和晶粒安排有關(guān)。因此可從這四個(gè)方面入手，采取對(duì)應(yīng)辦法來避免鑄造裂紋的發(fā)生。

3.1確保熔體的質(zhì)量

3.1.1減少熔體中雜質(zhì)的含量

段玉波等對(duì)7050合金鑄造工藝進(jìn)行了研討，提出對(duì)化學(xué)成分的優(yōu)化，能夠提高合金的成型性，減少鑄錠開裂。

雜質(zhì)含量高時(shí)，合金安排中晶格畸變量增大，內(nèi)應(yīng)力增大，抵抗塑性變形才能大大下降，導(dǎo)致合金易于開裂。關(guān)于鋁及鋁合金，F(xiàn)e、Si是其首要雜質(zhì)元素。它們首要以FeAl3和游離硅存在。當(dāng)硅大于鐵，構(gòu)成β-FeSiAl5(或Fe2Si2Al9)相，而鐵大于硅時(shí)，構(gòu)成α-Fe2SiAl8(或Fe3SiAl12)相[6]。當(dāng)鐵和硅的比例不其時(shí)，會(huì)引起鑄件發(fā)生裂紋。

此外，其它雜質(zhì)元素也需相應(yīng)操控。當(dāng)合金中存在鈉時(shí)，在凝結(jié)進(jìn)程中，鈉吸附在枝晶外表或晶界，熱加工時(shí)，晶體上的鈉構(gòu)成液態(tài)吸附層，發(fā)生脆性開裂，即“鈉脆”。堿金屬鈉(除高硅合金外)一般應(yīng)操控在5×10-4%以下，乃至更低，達(dá)2×10-4%以下。像K、Sn等低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素少量存在也會(huì)使合金性能變脆，易于開裂。這首要是因?yàn)榈腿埸c(diǎn)雜質(zhì)元素在凝結(jié)時(shí)后結(jié)晶，往往包在晶界周圍，導(dǎo)致凝結(jié)縮短時(shí)受拉應(yīng)力而沿晶開裂。所以需對(duì)鋁液中的雜質(zhì)含量進(jìn)行合理調(diào)配，操控其含量。

3.1.2　減少熔體的含氣量和攙雜物含量

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效果，發(fā)生化合、分化、溶解和擴(kuò)散等進(jìn)程，朂終使熔體發(fā)生氧化和吸氣。其氧化生成物有A12O3、SiO2、MnO和MgO等，其間Al2O3是首要的氧化攙雜物。其間，關(guān)于非金屬攙雜要求其數(shù)量少而小，其單個(gè)顆粒應(yīng)少于10μm;而關(guān)于特殊要求的航空、航天材料、雙零箔等制品的非金屬攙雜的單個(gè)顆粒應(yīng)小于5μm。

因?yàn)槿垠w吸收的氣體中H2占85%以上，且氫在熔體中的溶解度隨溫度的下降而減小，因而在熔體結(jié)晶凝結(jié)時(shí)有很多氣體析出，未及時(shí)逸出的便在鑄錠中構(gòu)成氣孔。攙雜物和氣孔都可削弱晶粒間的聯(lián)合，造成應(yīng)力集中，使鑄錠的塑性和強(qiáng)度下降，然后導(dǎo)致鑄造裂紋。一般來說，一般制品要求的產(chǎn)品氫含量操控在0.15~0.2mL/(100gAl)以下，而關(guān)于特殊要求的航空、航天材料、雙零箔等氫含量應(yīng)操控在0.1mL/(100gAl)以下。

3.2　調(diào)整鑄造設(shè)備情況

3.2.1　結(jié)晶器

以熱頂鑄造結(jié)晶器為例，其結(jié)晶器是由隔熱的熱頂部分和未隔熱的冷卻部分組成的，通常是由2A50合金鍛造毛坯或紫銅加工而成。而結(jié)晶器的材質(zhì)、高度、水套中間水孔、內(nèi)腔斷面形狀、二次冷卻水孔方位和均勻性，及其安裝的平整性，對(duì)鑄造裂紋都有影響。

銅質(zhì)結(jié)晶器因?yàn)閭鳠崴俣瓤?，?dǎo)致過冷度增大，關(guān)于合金結(jié)晶規(guī)模較寬的大標(biāo)準(zhǔn)鑄錠易發(fā)生裂紋。在半接連鑄錠生產(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，其縮短應(yīng)力大，故易發(fā)生心部裂紋。結(jié)晶器高度一般為80~200mm。常見的結(jié)晶器高度與鑄錠直徑的關(guān)系。而水套中間水孔的截面因?yàn)閷?duì)鑄錠的結(jié)晶凝結(jié)有影響，故對(duì)裂紋的發(fā)生有影響。結(jié)晶器的內(nèi)腔斷面形狀不合理，二次冷卻水孔方位不適當(dāng)及均勻性欠好，在凝結(jié)時(shí)會(huì)發(fā)生不均勻縮短，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(huì)對(duì)鑄錠剛凝結(jié)的外殼部分發(fā)生彎矩效果，將導(dǎo)致鑄錠外表裂紋。