7075铝合金扁锭裂纹产生原因的分析与预防.docx
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7075铝合金扁锭裂纹产生原因的分析与预防
7075铝合金扁锭裂纹产生原因的分析与预防
吕烨，宋润滨，刘顺平
（哈尔滨理工大学，黑龙江，哈尔滨，150080）
摘要：
本文介绍了7075铝合金扁锭裂纹的类型和性质，并从化学成分及其杂质含量、熔体质量、铸造条件、铸造设备等方面提出了防止裂纹的措施。
关键词：
7075铝合金；扁锭；裂纹
PreventionandcauseaboutCracksof7075AluminumAlloyFlatIngot
LvYe,SongRun-bin,LiuShun-ping
（HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150080,China）
Abstract:
Thehabitsandpropertyofcracksof7075aluminumalloyslabshavebeenintroducedinthethesis,themeasurementofpresentingcrackshasbeenpointedoutbychemistryelementsandimpuritycontent,qualityofmeltingmetal,castingcondition,castingequipmentandsoon.
Keyword:
7075aluminumalloy;flatingot;crack
1引言
7075属于Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金，该合金以比重小、强度高、热加工性能良好，具有很高的室温强度及良好的高温和超低温性能等特点，被广泛应用于航空航天、交通运输等领域。
7075超高强铝合金由于高强度高韧性的要求，合金元素含量高，结晶范围宽，合金的规格越大，扁锭随宽厚比的加大，其裂纹倾向越大。
因此如何控制铝合金铸造扁锭裂纹是一个十分重要的研究内容。
2裂纹的主要类型
7075超硬铝合金在生产和随后冷却过程中，在扁锭的表面，底部，侧面都容易产生裂纹。
2.1表面裂纹
图2-1扁锭表面裂纹a和侧面
裂纹b
表面裂纹[1]是在铸造过程中产生的，是合金结晶凝固末期（固-液区）形成的热裂纹。
扁锭表面裂纹如图2-1-a所示。
生产实际中，铸锭宽度方向的表面温度分布是不均匀的。
其主要原因是液流供给方式、供水不均等因素使铸锭宽面上各点温度不均，或因操作不当引起的夹渣等缺陷，造成铸锭表面层各点收缩量和收缩速率不一致，彼此制约，在见水温度较高的部位形成更大的附加拉应力，导致裂纹的产生。
这种裂纹在铸造过程中或铸造结束后可能会导致冷裂，使铸锭完全开裂，有时伴有很大响声，可能会损坏铸造工具甚至伤人。
防止措施：
降低结晶器内的金属液面高度，改善铸锭沿宽度方向温度分布的均匀性；保证大面两侧水冷均匀；均匀分配液流可有效防止表面裂纹的产生。
2.2底部裂纹
底部裂纹是从铸锭底部开始的冷裂纹，有时会延伸至整个铸锭，甚至使铸锭开裂。
底部裂纹是在铸造开头时产生的，发生裂纹时往往可听到响声。
裂纹多产生于底部夹渣或结晶裂纹处。
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，使得在铸锭底部和表面产生很大的拉应力。
此时铸锭凝固层还不太厚，表面层沿横向继续收缩使得铸锭底部两端向上产生翘曲，结果，铸锭底表面受拉力导致产生更大的附加拉应力。
在底部拉应力的作用下，铸锭的拉伸变形超出铝合金的许用强度，便产生底部裂纹。
7075铝合金扁锭底部裂纹如图2-2所示。
采用低液位铸造7075合金时，因设备自动操作，因此无法实现和普通模铸那样采用纯铝铺底工艺，因此底部裂纹倾向更大。
因此在防止底部裂纹方面采取了以下措施：
（1）合理控制铸造开头金属注入成型工具时间。
在开始铸造前，保证在40s～80s内将金属液注入结晶器；
（2）液体金属注入结晶器时的液位上升速度自动控制，保证均匀稳定，降低底部金属在结晶和凝固后的冷却过程中所产生的应力并使之分布均匀；
（3）铸造开头时采用脉冲水冷却，释放底部应力；
（4）在引锭座结构的设计上，既要考虑减少铸锭收缩时的障碍，又要加大底部抵抗横向拉应力的能力，在一定程度上起到铺底的作用。
2.3侧面裂纹
侧面裂纹是金属凝固后的冷却过程中产生的冷裂纹，裂纹发生时结晶器液面有较大振动，严重时会使液体金属飞溅，并伴有强烈的声响，多发生于铸锭冷却放置期间。
裂纹起始处常伴有夹渣、分层、拉裂、或结晶微裂纹。
侧面裂纹见图2-1-b.
连续铸造时，扁锭侧面受三面冷却，而宽面中心部位受两面冷却，侧面沿铸锭轴向的温度梯度和冷却速度大大超过宽面中心部位沿铸锭轴向的温度梯度和冷却速度，因而使铸锭侧面产生沿高度方向作用的拉应力。
在铸造液面波动时，可能引起夹杂物落入铸锭侧面，或在铸锭侧面形成轻微冷隔，该缺陷处容易引起应力集中，并在该处表面形成很浅的原始裂纹。
随着铸造的进行，铸锭内部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，便形成了侧面裂纹。
防止侧面裂纹的方法是保证铸造时液面平稳。
实践证明，7075合金扁锭由于其合金化程度高，结晶温度范围宽，铸态组织塑性低等原因，具有很高的热裂和冷裂倾向。
生产上可以采取各种技术措施加以预防和避免。
3防止裂纹的措施
3.1控制合金化学成分
实践证明，7075铝合金的化学成分和主要杂质对扁锭的裂纹都有很重要的影响[2]，该铝合金的化学成分如表3-1所示。
表3-17075合金的化学成分（%）
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Ni
Zn
Ti
Al
国标
≤0.40
≤0.50
1.2～2.0
≤0.30
2.1～2.9
0.18～0.28
—
5.1～6.1
≤0.20
余量
控制
≤0.25
≤0.45
1.3～1.8
≤0.25
2.3～2.8
0.19～0.25
—
5.2～6.0
≤0.10
余量
（1）Mg、Zn元素的控制
Mg含量对Al-Zn-Mg-Cu扁锭裂纹倾向的影响如图3-1所示。
在实际生产中将Mg控制在标准范围的上限即2.3～2.8%，Zn对裂纹倾向的影响在实际生产中表现不明显。
图3-1Mg含量对Al-Zn-Mg-Cu扁锭裂纹倾向的影响
（2）Cu元素的控制
7075合金中Cu的含量明显增加扁锭的热脆性，尤其当Cu含量超过1.5%时，影响更大，因此实际生产中把Cu控制在标准范围的中下限。
（3）Mn元素的控制
从图3-2可以看出，Mn含量越高，7075合金热脆性越大。
因此，杂质Mn控制得越低，裂纹倾向越小。
图3-27075合金热脆性与Mn含量的关系
（4）杂质Fe、Si元素的控制
从图3-3可见，杂质Fe、Si对合金的热脆性有比较明显的影响。
Si含量增加，合金的热脆性急剧提高，而Fe含量增加，合金的热脆性明显下降。
图3-3Fe、Si含量对Al-Zn-Mg-Cu热脆性的影响
通过控制成分（包括杂质成分）及其相互关系，缩小脆性区温度范围，提高脆性区的塑性，增强合金的补缩和焊合能力，提高抵抗晶间裂纹的能力。
3.2熔体质量
熔体质量包括熔体净化处理、熔体是否过热、熔体在炉中的停留时间、晶粒细化剂是否失效等。
实践证明，熔体质量对铸锭裂纹的影响不可忽视。
（1）加强熔体净化处理
若浇注前熔体净化不彻底，在铸锭拉应力区形成气孔、夹渣等易引起应力集中的缺陷，会使铸锭产生裂纹。
因此浇注前必须对熔体进行除气除渣处理。
本次研制除采用炉内净化措施外，还增加了炉外ALPUR除气、陶瓷片过滤除渣等炉外净化措施。
（2）避免熔体过热
熔炼温度过高作为晶核的非自发质点容易消失，使铸锭裂纹倾向增大。
（3）减少熔体在炉中停留时间
熔体在炉中的停留时间过长，合金中非自发晶核减少，结晶组织变粗，晶间裂纹在铸锭组织粗大时容易产生。
（4）防止细化剂失效
多年生产实践证明，向合金中在线播种Al-Ti-B丝细化晶粒，这种微量的变质剂可以细化组织，对抑制裂纹有明显的作用。
晶粒细化剂的加入时机一般以在铸造前半小时最为适当，可有效防止细化剂失效。
3.3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。
这主要与液面高度、铸造温度、冷却强度和铸造速度[3]等铸造条件有关。
（1）液面高度
铸造液面高度同温度、水冷强度、速度并称为铸造的四大工艺参数。
液面低，有效结晶区短，冷却速度快，溶质元素来不及扩散，活性质点多，晶体细小，而且铸锭疏松倾向小，表面逆偏析程度小，凝壳无二次重熔现象，铸锭表面无严重的偏析瘤。
但液面过低时不平衡结晶趋势增大，共晶成分改变，共晶温度降低，因此扩大了合金的脆性区温度区间，使合金的热裂纹倾向增大，同时由于液面低，有效结晶区窄，容易产生漏铝，严重时使铸造无法进行。
反之，液面高金属在结晶器中的停留时间长，铸锭表层被二次加热的温度高，铸锭热裂纹倾向增大，同时铸锭偏析程度大。
采用低液位铸造方式，液面高度控制在60mm～80mm。
（2）铸造温度
铸造温度通常是指液体金属从保温炉通过转注工具注入结晶器过程中具有良好流动性所需要的温度。
铸造温度的恰当控制是减少组织应力、防止裂纹的一项重要措施，必须按合金品种及铸锭规格合理确定铸造温度，否则将造成铸造过程中温度梯度过大，内应力增加，导致开裂。
铸造温度控制在710℃～730℃，冬季控制在中上限，夏季控制在中下限。
（3）冷却强度
冷却强度也称为冷却速度。
铸锭冷却程度不均匀是产生裂纹的重要因素之一。
冷却不均匀时，在水冷弱的部分将出现曲率半径很小的液穴区段，该区段局部温度较高，收缩与其他部位不一致，最后收缩时受拉应力较大，引起应力集中，产生裂纹、拉裂等缺陷。
因此必须保证水冷均匀、强度适中，以确保铸造性能。
实践证明，低液位铸造的冷却水强度控制在60m3/h～75m3/h。
（4）铸造速度
连续铸造时，单位时间铸锭成形的长度称为铸造速度。
文献[4]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。
低液位铸造时，铸造速度控制在60mm/min～75mm/min范围。
3.4铸造设备
铸造设备对铸锭裂纹有较大的影响，主要包括结晶器和铸造机。
（1）结晶器
结晶器由于传热速度快，导致过冷度增大，对大规格、结晶范围较宽的合金易产生裂纹，生产中应合理选择结晶器。
包括结晶器的高度、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，可有效防止铸锭裂纹。
结晶器也应经常检查，及时清理，防止铸锭表面裂纹。
（2）铸造机
铸造机运行平稳性好，在铸造时底座的倾斜、晃动愈小，可减小铸锭裂纹。
4建议
由于7075铝合金扁锭裂纹的产生主要与化学成分及其杂质含量、熔体质量、铸造条件及铸造设备四方面因素有关，因此可通过选择合适的化学成分及其杂质含量，提高熔体质量，确定较佳的铸造条件，以及提高铸造设备性能和可靠性来预防扁锭裂纹。
其中，选择合适的化学成分及其杂质含量是最主要的措施。
然而，在实际生产中还需考虑扁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，提高扁锭的成材率，产生巨大的经济效益。
参考文献：
[1].解效民，张晓波等.铸造合金棒裂纹分析与控制[J].铸造设备研究，2004，5：
38
[2].吕新宇，吴欣凤等.7075合金扁锭裂纹的工艺研究[J].铝加工，2002，25
（2）：
21~23
[3].孙继陶.铝合金扁锭铸造缺陷的产生及预防措施[J].轻合金加工技术，2007，35（6）：
17~22
[4].马宏声.金属及合金的熔炼与铸锭（下册）[M].沈阳：
东北工学院，1987，3
本文得到黑龙江教育厅重大科技项目名称：
变形铝合金全自动半连铸设备国产化研究；编号:
10541Z005资助。
第一作者：
吕烨，女，（1957-），黑龙江省哈尔滨市人，副教授
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