鑄造裂紋是危害較大的一種缺陷，它破壞了金屬組織的連續(xù)性，在隨后的擠壓或壓延加工過程中無法壓合，所以鋁合金鑄棒檢驗時把有裂紋的鋁合金鑄棒視為絕對廢品。鑄造裂紋的存在嚴重影響鋁加工企業(yè)的生產(chǎn)效率與經(jīng)濟效益，因此有必要對其進行系統(tǒng)地分析及研究，以便在生產(chǎn)中采取有效措施減少裂紋缺陷的產(chǎn)生，提高鋁合金鑄棒成品率。
1.鑄造裂紋的分類和機理分析
1.1 鑄造裂紋的分類
按其形成過程通常將鑄造裂紋分為熱裂紋與冷裂紋。熱裂紋是在有效結晶區(qū)間(自線收縮開始溫度起，至不平衡固相線溫度止的結晶溫度區(qū)間)形成的裂紋。以圓鋁合金鑄棒為例，其宏觀表現(xiàn)形式為表面裂紋、中心裂紋、環(huán)狀裂紋、放射狀裂紋、澆口裂紋等[1,2]，如圖1~5所示。冷裂紋是指合金低于合金固相線溫度時形成的裂紋[3]，多發(fā)生在200℃左右。側(cè)裂、底裂、劈裂多為冷裂紋。
變形鋁合金連續(xù)鑄棒中的冷裂紋和熱裂紋的特征示于表1。
表1 變形鋁合金冷裂紋和熱裂紋的特征[4]
冷裂常出現(xiàn)在鑄件受拉伸的部位，那些壁厚差別大、形狀復雜的鑄件，尤其是大而薄的鑄件易發(fā)生冷裂紋。凡是能增加鑄造應力、降低鑄造強度和塑性的因素都將促使冷裂紋的發(fā)展。
熱裂紋是一種普通又很難完全消除的鑄造缺陷，除Al-Si合金外，幾乎在所有的工業(yè)變形鋁合金中都能發(fā)現(xiàn)。關于熱裂紋的形成機理主要有強度理論、液膜理論和裂紋形成理論3種。其中，強度理論比較通用，該理論從對合金高溫力學性能的研究結果出發(fā)，認為所有合金在固相線溫度之上的固液區(qū)內(nèi)都存在著一個強度極低、延伸率極小的“脆性溫度區(qū)間”，合金在這個區(qū)間冷卻時，當收縮而產(chǎn)生的應力如果超過了此時金屬的強度，或者由應力而引起的變形超過了金屬的塑性，就會導致熱裂紋的產(chǎn)生。
在生產(chǎn)過程中一般不存在純粹的熱裂紋或冷裂紋，大部分都先產(chǎn)生熱裂紋，然后在冷卻過程中由熱裂紋發(fā)展成為冷裂紋。
2 鑄造裂紋產(chǎn)生的本質(zhì)原因
在凝固末期，鑄件絕大部分已凝固成固態(tài)，但其強度和塑性較低，當鑄件的收縮受到鑄型、型芯和澆注系統(tǒng)等的機械阻礙時，將在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生鑄造應力，若鑄造應力的大小超過了鑄件在該溫度下的強度極限，即產(chǎn)生熱裂紋。而冷裂紋是在鑄件凝固后冷卻到彈性狀態(tài)時，因局部鑄造應力大于合金極限強度而引起的開裂?？偨Y可知，產(chǎn)生鑄造裂紋的本質(zhì)原因是由于組織內(nèi)應力與外部機械應力太大，超過材料塑性變形能力，引起金屬組織不連續(xù)而開裂。
3.防止鑄造裂紋產(chǎn)生的措施
鑄造裂紋的影響因素歸納起來主要與熔體質(zhì)量、鑄造設備、鑄造工藝條件和晶粒組織有關。因此可從這四個方面入手，采取對應措施來防止鑄造裂紋的產(chǎn)生。
3.1 保證熔體的質(zhì)量
3.1.1 減少熔體中雜質(zhì)的含量
段玉波等[5]對7050合金鑄造工藝進行了研究，提出對化學成分的優(yōu)化，可以提高合金的成型性，減少鋁合金鑄棒開裂。
雜質(zhì)含量高時，合金組織中晶格畸變量增大，內(nèi)應力增大，抵抗塑性變形能力大大下降，導致合金易于開裂。對于鋁及鋁合金，F(xiàn)e、Si是其主要雜質(zhì)元素。它們主要以FeAl3和游離硅存在。當硅大于鐵，形成β-FeSiAl5（或Fe2Si2Al9）相，而鐵大于硅時，形成α-Fe2SiAl8（或Fe3SiAl12）相[6]。當鐵和硅的比例不當時，會引起鑄件產(chǎn)生裂紋。
此外，其它雜質(zhì)元素也需相應控制。當合金中存在鈉時，在凝固過程中，鈉吸附在枝晶表面或晶界，熱加工時，晶體上的鈉形成液態(tài)吸附層，產(chǎn)生脆性開裂，即“鈉脆”。堿金屬鈉（除高硅合金外）一般應控制在5×10-4%以下，甚至更低，達2×10-4%以下。像K、Sn等低熔點雜質(zhì)元素少量存在也會使合金性能變脆，易于開裂。這主要是由于低熔點雜質(zhì)元素在凝固時后結晶，往往包在晶界周圍，導致凝固收縮時受拉應力而沿晶開裂。所以需對鋁液中的雜質(zhì)含量進行合理調(diào)配，控制其含量。
3.1.2 減少熔體的含氣量和夾雜物含量
鋁及鋁合金熔煉、保溫時，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作用，產(chǎn)生化合、分解、溶解和擴散等過程，最終使熔體產(chǎn)生氧化和吸氣。其氧化生成物有A12O3、SiO2、MnO和MgO等，其中Al2O3是主要的氧化夾雜物[7]。其中，對于非金屬夾雜要求其數(shù)量少而小，其單個顆粒應少于10μm；而對于特殊要求的航空、航天材料、雙零箔等制品的非金屬夾雜的單個顆粒應小于5μm。
由于熔體吸收的氣體中H2占85%以上[8]，且氫在熔體中的溶解度隨溫度的降低而減小，因而在熔體結晶凝固時有大量氣體析出，未及時逸出的便在鋁合金鑄棒中形成氣孔。夾雜物和氣孔都可削弱晶粒間的聯(lián)結，造成應力集中，使鋁合金鑄棒的塑性和強度下降，從而導致鑄造裂紋。一般來說，普通制品要求的產(chǎn)品氫含量控制在0.15~0.2mL/（100g Al）以下，而對于特殊要求的航空、航天材料、雙零箔等氫含量應控制在0.1 mL/（100g Al）以下。
3.2 調(diào)整鑄造設備狀況
3.2.1 結晶器
以熱頂鑄造結晶器為例（圖6），其結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、二次冷卻水孔位置和均勻性，及其安裝的平整性，對鑄造裂紋都有影響。
圖6 熱頂鑄造結晶器安裝圖
銅質(zhì)結晶器由于傳熱速度快，導致過冷度增大，對于合金結晶范圍較寬的大規(guī)格鋁合金鑄棒易產(chǎn)生裂紋。在半連續(xù)鋁合金鑄棒生產(chǎn)中，大多采用矮（短）結晶器。但采用矮（短）結晶器時，鋁合金鑄棒的溫度梯度大，其收縮應力大，故易產(chǎn)生心部裂紋。結晶器高度一般為80~200mm。常見的結晶器高度與鋁合金鑄棒直徑的關系如表2所示。而水套中間水孔的截面由于對鋁合金鑄棒的結晶凝固有影響，故對裂紋的產(chǎn)生有影響。結晶器的內(nèi)腔斷面形狀不合理，二次冷卻水孔位置不適當及均勻性不好，在凝固時會產(chǎn)生不均勻收縮，而導致鋁合金鑄棒裂紋。另外，結晶器安裝不平整，在鑄造時會對鋁合金鑄棒剛凝固的外殼部分產(chǎn)生彎矩作用，將導致鋁合金鑄棒表面裂紋。
表2 常見的鋁合金鑄棒直徑和結晶器高度的關系
鑄造機運行平穩(wěn)性較好，在鑄造時底座的傾斜、晃動愈小，對鋁合金鑄棒的彎矩就愈小，鋁合金鑄棒不易產(chǎn)生裂紋。故鑄造機運行平穩(wěn)可靠，可減小鋁合金鑄棒裂紋。
3.3 合理選擇鑄造工藝條件
在鋁合金鑄棒結晶凝固時，由于受到摩擦阻力和收縮應力的作用，故有形成鋁合金鑄棒裂紋的傾向。這主要與鋁合金鑄棒規(guī)格、冷卻強度、鑄造速度和鑄造溫度等鑄造條件有關。
3.3.1 鋁合金鑄棒規(guī)格
在一般條件下，鋁合金鑄棒愈厚或直徑愈大，鋁合金鑄棒中心愈易產(chǎn)生疏松，鋁及鋁合金的鑄態(tài)性能愈差，產(chǎn)生裂紋的傾向性愈大。對于扁棒，裂紋傾向性還隨寬厚比增大而增強。目前，國內(nèi)大多數(shù)工廠在半連續(xù)鑄造時采用的鋁合金鑄棒長度是6~7m。
3.3.2 冷卻強度（冷卻速度）
冷卻強度也稱為冷卻速度。當冷卻強度增大時，鋁合金鑄棒的液穴深度減小，但液穴在邊部卻變陡，鋁合金鑄棒次表面的溫度梯度較大。而根據(jù)鋁合金鑄棒結晶凝固收縮應力可用數(shù)學式表達：σ＝E?a（t1-t2）[9]可知，收縮應力σ與溫度差（t1-t2）是成正比的，故在鋁合金鑄棒內(nèi)部會產(chǎn)生較大的收縮應力。而鋁合金鑄棒內(nèi)部是羽毛狀晶，其橫向晶界分布較多，晶界處又常常聚集雜質(zhì)和偏析化合物而形成脆性區(qū)，其強度較低，易導致鋁合金鑄棒裂紋。此外，冷卻強度的均勻性十分重要，若二次冷卻不均勻或水溫變化較大，會產(chǎn)生不均勻的收縮應力，易產(chǎn)生鋁合金鑄棒裂紋。
連續(xù)鑄造時，決定鋁鋁合金鑄棒冷卻速度的基本因素有：(1)冷卻水的流量(水壓)、流速和溫度；(2)結晶器的結構(高度、錐度、噴水孔角度、內(nèi)套壁的厚度和材質(zhì))；(3)鑄造速度。對于指定合金，結晶器的結構和鑄造速度及水溫通常是固定的，因此，控制冷卻水的流量和流速是調(diào)節(jié)鋁合金鑄棒冷卻速度的基本手段，一般是通過改變水壓來控制和調(diào)節(jié)的。
對于扁棒，要求其水壓通常比圓鋁合金鑄棒和空心鋁合金鑄棒的大。在鋁合金鑄棒規(guī)格相同的情況下，冷卻水壓按1xxx系合金→3xxx系合金和6xxx系合金→2xxx系合金→高合金5xxx系合金→高合金7xxx系合金的次序遞減。但扁鋁合金鑄棒小面水壓以硬鋁型合金最大，以消除側(cè)面冷裂紋；以Al-Zn-Mg-Cu系最小，以消除熱裂紋。而對于同一合金，鋁合金鑄棒規(guī)格愈大，則水壓愈小，以降低傾向性。但是，對于軟合金和裂紋傾向性較小的合金，也可隨規(guī)格增大而增大水壓，以保證獲得良好的鑄態(tài)性能。
3.3.3 鑄造速度
鑄造速度對裂紋缺陷的產(chǎn)生影響最大，連續(xù)鑄造時，單位時間鋁合金鑄棒成型的長度稱為鑄造速度[10]。文獻[11]指出，鋁合金鑄棒液穴深度與鑄造速度成正比。一般隨鑄造速度增大，熔體液穴下降，鋁合金鑄棒接觸二次水冷時溫度偏高，導致溫度梯度增大，大大增大了組織應力，使鋁合金鑄棒形成冷裂紋的傾向性降低，而使形成熱裂紋的傾向增加。因為加快鑄造速度使鋁合金鑄棒中已凝固部分的溫度升高，而合金在溫度升高時塑性顯著增加。如果把鑄造速度增大到使鋁合金鑄棒凝固層的拉伸變形發(fā)生在具有足夠塑性的溫度區(qū)間(＞200～300℃)，則鋁合金鑄棒就不會發(fā)生冷裂紋。同時，隨鑄造速度加快，鋁合金鑄棒各層冷卻速度差別更大，導致拉伸變形量增大，因而使鋁合金鑄棒形成熱裂紋的傾向增大。
(1)扁鋁合金鑄棒：對于沒有冷裂紋傾向的軟合金，隨鋁合金鑄棒寬厚比增大，應降低鑄造速度。對于冷裂紋傾向較大的硬合金，隨鋁合金鑄棒寬厚比增大，應提高鑄造速度。在鋁合金鑄棒厚度和寬厚比一定的條件下，熱裂紋傾向較大的合金，應降低鑄造速度。
(2)圓鋁合金鑄棒：對于小直徑圓鋁合金鑄棒，由于熱裂紋傾向性和過渡帶絕對尺寸都不大，在保證鋁合金鑄棒具有良好表面質(zhì)量的條件下，可以選擇較高的鑄造速度。反之，對于大截面圓鋁合金鑄棒應該采用較低的鑄造速度。同一種合金，鋁合金鑄棒直徑越大，鑄造速度越低。鋁合金鑄棒直徑相同時，鑄造速度按軟合金→6xxx系合金→高鎂合金→高成分2xxx系合金→高合金7xxx系合金的次序遞減。
3.3.4 鑄造溫度
鑄造溫度越高，會減小熔體的過冷度，使形核率下降，晶粒變得粗大，使鋁及鋁合金結晶凝固期間的強度降低，塑性變差。單位表面上的液膜數(shù)量、厚度增大，且增大了鋁合金鑄棒的液穴深度及溫度梯度，鑄造的收縮應力也增大，從而易產(chǎn)生鋁合金鑄棒裂紋。
在實際生產(chǎn)中，鑄造溫度多選擇比合金液相線溫度高50~110℃。對于扁鋁合金鑄棒，應選擇較低的鑄造溫度。對于圓鋁合金鑄棒，鋁合金鑄棒裂紋傾向性和鑄造溫度的關系不太敏感[12]。為了加強鋁合金鑄棒結晶時析氣補縮的能力，創(chuàng)造順序結晶的條件，以提高鋁合金鑄棒致密度，故鑄造溫度多偏高選取。
常用鋁合金的鑄造溫度如表3所示。
表3常用鋁合金的鑄造溫度
3.3.5 防止熔體過熱和靜置時間過長
為降低合金的裂紋、粗晶和羽毛晶傾向，保證合金組元的充分溶解，減少鋁合金熔體的吸氣和氧化，所有鋁合金都有規(guī)定的熔煉溫度范圍。合金在熔煉鑄造過程中局部或全部熔體的溫度超過規(guī)程允許的最高熔煉溫度的現(xiàn)象，則稱為熔體過熱。
以Al-4%Cu合金為例，如圖7，熔體過熱溫度越高，晶粒度變大，裂紋的形成傾向變大。原因分析如下：熔體過熱時異質(zhì)晶核減少，形核率降低，易產(chǎn)生晶粒粗大現(xiàn)象，使鋁合金鑄棒中羽毛狀晶明顯增多，晶粒表面積減小，單位表面上的液膜數(shù)量和厚度增大，從而使鋁合金鑄棒熱裂傾向增大。而在熔化后的熔體靜置時間過長，由于熔體中存在大量的結構起伏（或相起伏）和能量起伏[13]，熔體的局部產(chǎn)生形核及長大，以致后來變得粗大，同樣增大了單位表面上的液膜數(shù)量和其厚度，因而使鋁合金鑄棒的抗裂性下降。因此，爐料從裝熔煉爐開始到出爐完畢，總時間不超過16小時為宜，金屬導入靜置爐后到鑄造開始的總時間不應超過8小時。
圖7 熔體過熱溫度與晶粒度、裂紋傾向性之間的關系（Al-4%Cu合金）
細化晶粒組織是提高合金塑性的最直接方法。細化晶粒能提高脆性溫度區(qū)間的相對延伸率，降低線收縮開始溫度，并減小有效結晶區(qū)間的線收縮值，從而降低合金的熱裂紋傾向。晶粒細小、組織均勻的材料，其抵抗應力變形的能力明顯增強，故向熔體中添加外來結晶核心是細化晶粒組織，提高組織強度，抑制裂紋的有效措施。工業(yè)上一般采用向鋁合金熔體中加入細化劑的方法進行晶粒細化處理，而常用的晶粒細化劑有Al-Ti、Al-Ti-B、Al-B中間合金等文獻[14]表明，Al-B中間合金對Al-Si合金的細化效果甚至比Al-Ti和Al-Ti-B中間合金更好。
4.結束語
本文介紹了鋁合金棒常見的鑄造裂紋形式及機理，分析了鑄造裂紋產(chǎn)生的原因，提出了相應的防止措施。在鋁及鋁合金加工中，鋁合金鑄棒的質(zhì)量對后續(xù)各道工藝的加工質(zhì)量的影響較大，甚至會影響到最終的鋁制品質(zhì)量。故對鋁合金鑄棒表面、內(nèi)部裂紋都需嚴加控制，只有減少或完全避免鑄造裂紋，才能生產(chǎn)出高質(zhì)量的鋁制品。在生產(chǎn)實踐中，通過以上措施的實施，可以顯著提高鋁合金鑄棒的成品率，保證鋁制品的質(zhì)量。
