高鎂鋁合金扁鑄錠鑄造收尾區(qū)裂紋產生原因分析及應對措施

吳圓麗 林瀟麗 顏文煅

【摘要】在鑄造鎂含量大于4%高鎂鋁合金扁錠時，鑄錠尾部澆口出現裂紋，裂紋深度200-300mm，造成鑄錠切廢量增加50-100mm，影響成品率。通過延長扁錠停鑄后的自然冷卻時間，有效的減少了尾部裂紋的產生。

【關鍵詞】高鎂鋁合金;鑄錠;尾部裂紋;自然冷卻

5系鋁鎂合金具有密度低、抗拉強度高，延伸率高，疲勞強度高，耐蝕性好，溶接性及成形性好等優(yōu)點，因此在航天、交通，船舶等領域得到廣泛應用，如交通運輸油罐車的油罐、船板等。高鎂鋁合金因鎂含量提高對其鑄造性能、抗腐蝕性能都有所改善，尤其是抗拉強度更能達到較高水平，因而在未來將會成為極有競爭力的材料[1、3]。在實際生產中，高鎂鋁合金扁錠在鑄造過程中鑄錠尾部出現裂紋，裂紋深度200-300mm，超出合理的鋸廢量，降低了成品率，提高了生產成本。本文就預防鑄錠尾部澆口出現裂紋進行分析和探討。

1鑄錠尾部澆口裂紋

高鎂鋁合金（合金的主要化學成分見表1）經如下生產工藝流程制作成扁錠：熔煉（鋁液達到730-750℃，進行配料，精煉及扒渣）→倒爐（保溫爐溫度730-750℃，精煉，扒渣，靜置30-40分鐘），→在線除氣→深床過濾→鑄造（鋁液溫度690-720℃）→鑄錠冷卻（扁錠規(guī)格600×1950×7100mm）→鋸切（頭300mm、尾150mm）→入庫。

經此工藝生產的扁錠在鋸切工序發(fā)現，鑄錠收尾端澆口部位存在裂紋。裂紋主要有垂直于鑄造方向和平行于鑄造方向兩類，集中在尾部200mm處，垂直于鑄造方向的裂紋長度為20-200mm不等，平行于鑄造方向的深度200-300mm不等（如圖1、圖2所示），造成鑄錠切廢量增加50-100mm，影響成品率。

2鑄錠尾部澆口裂紋產生原因分析

從裂紋產生的部位和分布深度分析，裂紋的分布深度只在距鑄錠表面200-300mm，并非垂直于鑄造方向的通裂，且僅在鑄錠尾部出現，鎂含量在4%-5%的高鎂鋁合金的有效結晶溫度范圍約30，熱裂傾向不大，但是由于鎂含量大于2%，在鑄錠的過程中也容易產生裂紋;從裂紋的形貌上分析，裂紋呈直線擴展而且比較規(guī)則，表面光潔不存在氧化色（如圖3所示），可以判斷裂紋屬于冷裂紋[4]，是在鑄造結束后產生的。結合生產工藝，鋁液在溫度690-720℃之間鑄造，鑄造結束后，澆口處的鋁液仍然保持著液態(tài)，并未凝固。為了提高冷卻速度，停鑄10分鐘后即對澆口進行冷卻。冷卻10分鐘的扁錠僅在接近結晶器150mm處形成金屬殼（如圖4所示），并未完全凝固。此時對澆口區(qū)供給冷卻水，冷卻過快，局部凝固速度不均，產生鑄造熱應力和機械應力，從而導致裂紋產生。

3防止鑄錠尾部澆口裂紋產生措施

由于扁錠只在鑄造后期出現因為鑄造熱應力和機械應力導致的裂紋，所以要消除裂紋，其根源在于減少鑄造熱應力和機械應力。延長停鑄后的自然冷卻時間，降低扁錠斷面溫度梯度可以有效減少冷裂紋的產生。對比不同自然冷卻時長結晶器中鋁液狀態(tài)可知：鑄造結束10分鐘時（如圖4所示），表層已經凝固，但里層仍然處于半凝固狀態(tài);鑄造結束15分鐘時（如圖5所示），鑄造液穴縮小，但仍然處于半凝固狀態(tài);鑄造結束20分鐘時（如圖6所示），鑄造澆口已經完全凝固。此時降低鑄錠，對澆口給水進行冷卻，冷卻水流量按鑄造時的水流量。冷卻后在澆口部位未發(fā)現裂紋，在鋸床按正常工藝鋸切量鋸切，未發(fā)現裂紋。

綜上，在停鑄后令扁錠自然冷卻20分鐘，使扁錠有充足的時間進行自然冷卻，在此過程中鑄錠液穴內液態(tài)鋁液的溫度仍然保持在液相線溫度以上，對已經結晶的鋁殼可以進行均勻化退火，可以有效消除高鎂鋁熔體結晶過程中可能產生的鈉脆，提高結晶部位的塑性和強度;在自然冷卻的過程中還可以對其進行回火，減少凝固過程的殘余應力，減低由于冷卻造成收縮形成的裂紋源;同時未結晶液態(tài)鋁熔體具有流動性，可以及時補充結晶過程中產生的晶粒間隙、縮孔和疏松，減少裂紋源的產生，從而有效防止了鑄錠尾部裂紋的產生。

4結論

在鑄造高鎂鋁合金扁錠過程中，導致鑄錠尾部出現裂紋的原因主要是鑄錠停鑄后自然冷卻時間太短，導致鑄造應力不能及時消除造成裂紋;次要原因是高鎂鋁合金本身受合金成分影響在急冷條件下易產生裂紋。故而采取延長自然冷卻時間（延長到20分鐘），利用液穴中的液態(tài)鋁熔體自然冷卻過程中提供的熱量對已結晶的鋁殼進行均勻化退化和回火，提高鑄錠的塑性，減少鑄造應力，較少裂紋源;利用液態(tài)鋁熔體的流動性，減少尾部結晶過程中產生的縮孔和疏松，再度減少裂紋源，從而達到有效防止裂紋產生的目的。

參考文獻：

[1]梁魯清.大規(guī)格高鎂鋁合金扁錠熔鑄關鍵技術與實踐[J].《鋁加工》，2017，（5）：45-49.

[2]管仁國，婁花芬，黃暉等.鋁合金材料發(fā)展現狀、趨勢及展望[J].《中國工程科學》，2020，，22（5）：68-74.

[3]王莉.Al-Mg 合金的組織及力學性能[J].《輕合金加工技術》，2005，，33（11）：46-53.

[4]孝云禎，馬宏聲編著.有色金屬熔煉與鑄錠[M].沈陽：東北大學出版社，1994：148-152.

作者簡介：吳圓麗，女，1974，碩士研究生，福州。