一、鑄錠中的化學(xué)成分偏析
鑄錠中化學(xué)成分分布不均的現(xiàn)象叫偏析。在變形鋁合金中，偏析主要有晶內(nèi)偏析和逆偏析。
1．1 晶內(nèi)偏析
顯微組織中晶粒內(nèi)化學(xué)成分不均的現(xiàn)象稱晶內(nèi)偏析。
晶內(nèi)偏析的顯微組織特征是，浸蝕后的晶內(nèi)呈水波紋狀的類似樹(shù)木年輪狀組織。晶粒內(nèi)顯微硬度不同，晶界附近顯微硬度高，晶粒中心顯微硬度低。
晶內(nèi)偏析的存在，使晶粒內(nèi)部的化學(xué)成分和鑄錠的組織極不均勻，使鑄錠的性能嚴(yán)重惡化，主要是：
1)固溶體晶內(nèi)偏析造成的化學(xué)成分不均勻性和出現(xiàn)的不平衡過(guò)剩相，使合金抵抗電化學(xué)腐蝕的穩(wěn)定性降低。
2)非平衡共晶或低熔組成物的出現(xiàn)使合金開(kāi)始熔化溫度降低，使鑄錠在隨后的熱變形或淬火的加熱過(guò)程中容易產(chǎn)生局部過(guò)燒。
3)晶內(nèi)偏析不僅造成非平衡相出現(xiàn)和使第二相數(shù)量增加，而且，這些低熔相在晶枝周圍組成硬而脆的枝晶網(wǎng)絡(luò)，使鑄錠的塑性和加工性能急劇降低。
4)由晶內(nèi)偏析造成的化學(xué)成分不均勻性遺傳到半制品中，導(dǎo)致退火后在加工材中形成粗大晶粒。
晶內(nèi)偏析是不平衡結(jié)晶造成的。因此在鋁合金連續(xù)鑄造的實(shí)際生產(chǎn)中，晶內(nèi)偏析是不可避免的。消除晶內(nèi)偏析的有效方法是對(duì)鑄錠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的均勻化處理。在連續(xù)鑄造時(shí)，減輕晶內(nèi)偏析的方法是：第一，提高冷卻速度，采用變質(zhì)處理以細(xì)化晶粒和晶內(nèi)結(jié)構(gòu)，縮小晶內(nèi)偏析的范圍。第二，采用完全相反的方法，降低冷卻速度，進(jìn)行類似錠模鑄造的深液穴鑄造，以降低鐵、錳等元素的過(guò)飽和程度從而減輕偏析程度。第三，選擇一些能適當(dāng)?shù)馗淖兒辖鸾Y(jié)晶性質(zhì)的添加劑。例如在3A21合金中加入適量鐵，使固浴體中錳的濃度降低，從而減少錳在晶粒內(nèi)部分布的不均一性。實(shí)際生產(chǎn)中，在有雜質(zhì)鐵存在時(shí)，添加鈦對(duì)減輕3A21合金固溶體晶粒中的偏析有好處，因?yàn)殁伷龊湾i偏析的方向正好相反，樹(shù)枝狀晶的中心含鈦高，從而減少了鑄態(tài)晶粒中心和邊緣部分的固熔體濃度之差。
1．2 逆偏析
鑄錠邊部的溶質(zhì)濃度高于鑄錠中心溶質(zhì)濃度的現(xiàn)象稱逆偏析。逆偏析的組織特征不易從顯微組織辨別，只能從化學(xué)成分分析上確認(rèn)。
鋁合金鑄錠中的逆偏析是使鑄錠及其壓力加工制品在力學(xué)性能和物理性能方面產(chǎn)生很大差異的重要原因。逆偏析程度嚴(yán)重的區(qū)域其化學(xué)成分甚至超出標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定范圍，使力學(xué)性能超標(biāo)而報(bào)廢。
逆偏析是鋁合金連續(xù)鑄錠凝固過(guò)程中的一種拌生現(xiàn)象，無(wú)法完全避免，也不能用高溫均勻化使之消除。但根據(jù)逆偏析的形成規(guī)律及影響因素，可以把元素的偏析控制在允許的范圍內(nèi)。其辦法是：
1)提高鑄錠的冷卻強(qiáng)度。
2)選擇適當(dāng)?shù)蔫T造速度，使過(guò)渡帶對(duì)敞露液面的傾斜角度不致過(guò)大，一般以不超過(guò)60°為宜。
3)適當(dāng)提高鑄造溫度。
4)采用合適的鑄造漏斗，均勻?qū)Я鳎⑹顾飨蜩T錠的邊緣。
二、鑄錠中的氣體和非金屬夾雜物
2．1 非金屬夾雜(夾渣)
混入鑄錠中的熔渣或落人鑄錠內(nèi)的其他非金屬雜質(zhì)稱非金屬夾雜。其斷口特征為黑色條狀或片狀，顯微組織特征多為黑色線狀、塊狀、絮狀的紊亂組織，與基體色差明顯。非金屬夾雜是鋁加工制品產(chǎn)生分層和許多表面缺陷的重要原因。在熱處理和加熱過(guò)程中，非金屬夾雜的存在可促進(jìn)二次疏松和氣泡的形成。在力學(xué)性能方面，非金屬夾雜是應(yīng)力集中的場(chǎng)所，使合金的強(qiáng)度極限和伸長(zhǎng)率降低。特別是橫向伸長(zhǎng)率及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能(沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌度)降低更為嚴(yán)重。另外，非金屬夾雜物還會(huì)降低合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。
非金屬夾雜(夾渣)通常在檢查鑄錠橫向低倍試片時(shí)可以發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)圖2—11—1)。YS67—1993規(guī)定，對(duì)于全部合金制品，鑄錠試片上不得多于兩點(diǎn)夾渣，且單個(gè)面積小于0．5 mm2，否則就要判廢。非金屬夾雜(夾渣)是鋁合金鑄錠中出現(xiàn)頻率最高的一種廢品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，按質(zhì)量計(jì)算，因夾渣而報(bào)廢的鑄錠占廢品總量的10%～25%。
夾渣通常都是在鑄造過(guò)程中隨液體金屬一起掉入鑄錠中的爐渣、爐襯碎塊和塊度較大的氧化物所造成的。防止夾渣的辦法是；
1)仔細(xì)精煉，保證靜置時(shí)間，并在流盤(pán)或漏斗中采用玻璃布過(guò)濾；
2)盡可能縮短轉(zhuǎn)注距離，建立良好的轉(zhuǎn)注條件，封閉流槽、流盤(pán)、漏斗中的所有敞露落差，防止金屬液面波動(dòng)，在可能的條件下最好采用同水平鑄造；
3)徹底烘烤轉(zhuǎn)注工具，適當(dāng)提高鑄造溫度，鑄造過(guò)程中精心打渣，鑄造結(jié)束后仔細(xì)清理爐子、流盤(pán)和其他工具；
4)使用清潔的爐料。
2．2氧化膜
按照YS/T417.1—1999的定義，氧化膜是鑄錠中存在的主要由氧化鋁形成的非金屬夾雜物和未排除的氣體(主要為氫氣)。因此，氧化膜是鑄錠中一種特有的屬于非金屬夾雜物類型的缺陷(見(jiàn)圖2—11—2)，但是它又與夾渣不同，在對(duì)鑄錠的低倍試片和斷口組織進(jìn)行檢查時(shí)一般不能發(fā)現(xiàn)它，只有采用特制的工藝試樣(將鑄錠試樣鐓粗)才能發(fā)現(xiàn)。在鑄錠工藝試樣斷口上發(fā)現(xiàn)的氧化膜大致可分為三種類型：一類是呈淺黃色、褐色或暗褐色的片狀氧化膜；一類是表面形態(tài)與片狀氧化膜相似但呈白亮色的“亮片”；另一類是帶有銀白色光澤的呈圓形或橢圓形的“小亮點(diǎn)”。關(guān)于氧化膜的本質(zhì)目前還沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。但許多研究者認(rèn)為：鑄錠中三種類型的氧化膜都是熔體被水分、氫和氧所污染而造成的。其中，片狀氧化膜是由固態(tài)非金屬夾雜物或具有氧化表面的氣泡疏松所形成的分層，亮片是由未被壓合的疏松和氣泡所形成的分層，小亮點(diǎn)是由過(guò)飽和固溶體中析出的二次氫氣泡。
2．3疏松、縮孔
當(dāng)熔體結(jié)晶時(shí)，由于基體樹(shù)枝晶間液體金屬補(bǔ)充不足或由于存在未排除的氣體(主要為氫氣)，結(jié)晶后在枝晶內(nèi)形成的微孔稱疏松。由補(bǔ)縮不足形成的微孔稱為收縮疏松；由氣體形成的疏松稱氣體疏松。疏松的宏觀組織特征為黑色針孔，斷口組織特征為組織粗糙，不致密，疏松嚴(yán)重時(shí)斷口上有白色小亮點(diǎn)。顯微組織特征為有棱角形的黑洞，疏松愈嚴(yán)重，黑洞數(shù)量愈多，尺寸也愈大。
疏松使鑄錠密度減小，致密性降低，特別是降低高強(qiáng)鋁合金的沖擊韌度和橫向伸長(zhǎng)率。此外，有疏松的鑄錠在熱軋和鍛造時(shí)會(huì)引起裂紋，其半成品在球化退火時(shí)將出現(xiàn)氣泡。因此，疏松作為鑄錠的一個(gè)重要組織缺陷，必須設(shè)法防止。對(duì)于鑄錠中已產(chǎn)生的疏松要進(jìn)行嚴(yán)格控制，當(dāng)超出標(biāo)準(zhǔn)允許的程度時(shí)，鑄錠就要判廢。鋁合金鑄錠中疏松的程度一般可以通過(guò)測(cè)定試樣的密度并與該合金的理論密度進(jìn)行對(duì)比來(lái)確定。但在生產(chǎn)中，為方便起見(jiàn)，通常都是根據(jù)四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)圖片(該標(biāo)準(zhǔn)是按低倍試片單位面積上疏松孔洞的大小和數(shù)目來(lái)制定的，見(jiàn)YS67—1993)對(duì)照評(píng)級(jí)并確定成廢的。對(duì)一般用途的鋁合金鑄錠，直徑大于290 mm的，允許3級(jí)疏松(見(jiàn)圖2—11—3)，直徑小于290 mm的，允許2級(jí)疏松；但重要制品用的鑄錠，則不允許有疏松存在。
鋁合金連續(xù)鑄錠中的疏松總是分布在過(guò)渡帶較寬的等軸晶區(qū)，且總是為氣體所填充。在通常條件下，扁鑄錠的最大疏松區(qū)發(fā)生在寬面表皮層30 mm以內(nèi)的部位。鑄錠的最大疏松區(qū)發(fā)生在鑄錠中心，且隨結(jié)晶器高度增加而向邊部發(fā)展。供流條件對(duì)疏松的分布具有很大影響，并可能破壞上述規(guī)律而在局部地區(qū)造成最大疏松。
根據(jù)疏松的形成過(guò)程和影響因素可知，防止鑄錠產(chǎn)生疏松的辦法是：
1)降低熔體中氣體的含量。主要應(yīng)該做到如下幾點(diǎn)：
(1)爐子大、中修后烘爐要徹底；
(2)精煉劑、鑄造工具等預(yù)熱烘烤要徹底；
(3)精煉要徹底；
(4)防止熔體在爐中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
2)縮小鑄錠中過(guò)渡帶的尺寸。主要的措施是：
鋁合金連續(xù)鑄錠中的疏松總是分布在過(guò)渡帶較寬的等軸晶區(qū)，且總是為氣體所填充。在通常條件下，扁鑄錠的最大疏松區(qū)發(fā)生在寬面表皮層30 mm以內(nèi)的部位。鑄錠的最大疏松區(qū)發(fā)生在鑄錠中心，且隨結(jié)晶器高度增加而向邊部發(fā)展。供流條件對(duì)疏松的分布具有很大影響，并可能破壞上述規(guī)律而在局部地區(qū)造成最大疏松。
根據(jù)疏松的形成過(guò)程和影響因素可知，防止鑄錠產(chǎn)生疏松的辦法是：
1)降低熔體中氣體的含量。主要應(yīng)該做到如下幾點(diǎn)：
(1)爐子大、中修后烘爐要徹底；
(2)精煉劑、鑄造工具等預(yù)熱烘烤要徹底；
(3)精煉要徹底；
(4)防止熔體在爐中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
2)縮小鑄錠中過(guò)渡帶的尺寸。主要的措施是：
2．5 白點(diǎn)
白點(diǎn)指鋁合金鑄錠的斷口組織中一種沒(méi)有光線選擇性的呈灰白色的點(diǎn)狀薄膜(見(jiàn)圖2—11—5)。白點(diǎn)通常分布在鑄錠底部、澆口部及橫斷面的邊部。關(guān)于白點(diǎn)的本質(zhì)和形成機(jī)理現(xiàn)在還不清楚。初步研究表明，白點(diǎn)具有下列特性：
1)在含鎂高的鋁合金中容易出現(xiàn)；
2)呈堿性；
3)呈脆性。當(dāng)白點(diǎn)嚴(yán)重時(shí)，它能顯著降低鑄錠的塑性；
4)通常分布在鑄錠底部、澆口部及邊部：
5)白點(diǎn)的產(chǎn)生主要取決于熔體被氣體飽和的程度及鑄錠的冷卻條件。熔體含氣量愈高，
鑄錠冷卻強(qiáng)度愈小，則形成白點(diǎn)的傾向性愈大。
防止白點(diǎn)的辦法，一是降低熔體中的氣體含量，二是提高鑄錠的結(jié)晶速度。
三、鋁鑄錠中的裂紋
鋁合金扁鑄錠中常見(jiàn)的裂紋形式有四種，即：側(cè)面裂紋、底部裂紋、澆口部裂紋、表面裂紋(見(jiàn)圖2—11—6)。鋁合金圓鑄錠中常見(jiàn)的裂紋形式有：中心裂紋、表面裂紋、環(huán)狀裂紋和橫向裂紋(見(jiàn)圖2—11—7)。鋁合金空心圓鑄錠中常見(jiàn)的裂紋有內(nèi)孔放射狀裂紋、環(huán)狀裂紋和橫向裂紋三種(見(jiàn)圖2—11—8)。此外，在鋁合金鑄錠中，還有一種稱為晶層分裂的裂紋形式也時(shí)有所見(jiàn)。
圖2—11一6鋁合金扁鑄錠裂紋形式示意圖
(a)側(cè)面裂紋；(b)底部裂紋；(c)澆口裂紋；(d)表面裂紋
圖2—11—7鋁合金圓鑄錠裂紋形式示意圖
(a)中心裂紋；(b)表面裂紋；(c)環(huán)狀裂紋；(d)橫向裂紋
圖2—11—8鋁合金空心圓鑄錠裂紋形式示意圖
(a)內(nèi)孔放射狀裂紋；(b)環(huán)狀裂紋；(c)橫向裂紋
鑄錠中氧化膜的分布是不均勻的，也沒(méi)有嚴(yán)格的規(guī)律性，但根據(jù)大量的工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，大致具有下面一些傾向：
1)合金不同，鑄錠中出現(xiàn)的氧化膜類型也不同。通常，片狀氧化膜多見(jiàn)于2A12、7A04、2A11、5A06、2A14等合金中，亮片多見(jiàn)于6A02、2A50、2B50、2A14、2A02等合金中，小亮點(diǎn)多見(jiàn)于2A70、2A80等合金中。
2)鑄錠被氧化膜污染的傾向性隨熔體轉(zhuǎn)注距離加長(zhǎng)、鑄錠規(guī)格減小、氣溫升高和大氣絕對(duì)濕度增大而增大。
3)鑄錠被氧化膜污染的傾向性往往在首、尾鑄次和鑄錠的頭、尾部比較大。
4)鑄錠中氧化膜的顯現(xiàn)程度隨單向變形比的增大而提高。
防止和減少鋁合金鑄錠中產(chǎn)生氧化膜的辦法是：首先，在從原材料的貯存、準(zhǔn)備到熔煉鑄造的每一個(gè)工藝環(huán)節(jié)內(nèi)，從預(yù)防、保護(hù)、精煉三個(gè)方面入手，層層把關(guān)，采取相應(yīng)措施，聯(lián)合治理，保證金屬的純潔度。其次，防止和減少氧化膜的工作不能僅僅只放在除去熔體中的固態(tài)非金屬夾雜物方面，還應(yīng)該同時(shí)放在大大降低熔體中的氫含量上。在上述措施中，最關(guān)鍵的應(yīng)該做到下面四點(diǎn)：
1)采用最有效的除渣、除氣的聯(lián)合精煉方法；
2)采用完善的導(dǎo)爐和轉(zhuǎn)注工藝，實(shí)行同水平鑄造；
3)實(shí)行高溫鑄造；
4)防止二次污染。
3．1扁鑄錠側(cè)面裂紋
1)扁鑄錠側(cè)面裂紋的特點(diǎn)
(1)屬于冷裂紋；
(2)通常發(fā)生于硬合金(如7A04、2A12等)中；
(3)直接水冷半連續(xù)鑄造時(shí)，多發(fā)生在鑄錠長(zhǎng)度達(dá)l.5～2 m以后；
(4)裂紋起始處常拌隨夾渣、成層、拉裂、或結(jié)晶微裂紋；
(5)裂紋平面與水平面夾角取決于鑄造速度和鑄錠寬厚比。鑄造速度愈小，鑄錠愈寬，則夾角愈小。
連續(xù)鑄造時(shí)，扁鑄錠小面受三面冷卻，而大面中心部位受兩面冷卻，小面沿鑄錠軸向的溫度梯度和冷卻速度大大超過(guò)大面中心部位沿鑄錠軸向的溫度梯度和冷卻速度，因而使鑄錠小面產(chǎn)生沿高度方向作用的拉應(yīng)力。在剛開(kāi)始的時(shí)候，可能是因冷隔或非金屬夾雜物起了應(yīng)力集中的作用，使之在小面區(qū)便形成了很淺的原始裂紋。隨著鑄錠的逐漸冷卻，金屬對(duì)切口的敏感性大大提高，鑄錠內(nèi)的殘余應(yīng)力在原始裂紋處，發(fā)生局部集中，當(dāng)超過(guò)金屬?gòu)?qiáng)度所允許的程度時(shí)，便引起了側(cè)面裂紋的突然發(fā)展。
2)防止側(cè)面裂紋的辦法
(1)降低鑄錠小面區(qū)的拉應(yīng)力
①使用小面開(kāi)切口的結(jié)晶器，使鑄造時(shí)小面區(qū)的金屬提前冷卻，這時(shí)與小面區(qū)處于同一水平面的鑄錠寬面中心區(qū)的金屬僅在結(jié)晶器壁附近形成一層硬殼，不會(huì)對(duì)小面區(qū)的收縮造成大的阻力，因而降低了小面區(qū)的拉應(yīng)力。同時(shí)，小面區(qū)提前冷卻的結(jié)果，使抵抗拉應(yīng)力的金屬質(zhì)量增加。②在結(jié)晶器小面開(kāi)切口的情況下，適當(dāng)增大小面水壓，以加強(qiáng)切口的效果。③適當(dāng)提高鑄造速度，使鑄錠內(nèi)最大拉應(yīng)力點(diǎn)向?qū)捗嬷行囊苿?dòng)，這時(shí)，處于鑄錠寬面中心地區(qū)的金屬溫度較高，塑性較好，所產(chǎn)生的應(yīng)力很容易被金屬的變形所消除。同時(shí)，抵抗拉應(yīng)力的金屬量增多，故鑄錠側(cè)裂傾向性下降。④選擇合適的鑄錠截面。小面區(qū)的拉應(yīng)力在鑄錠厚度一定時(shí)隨寬厚比增大而增大，在寬厚比一定時(shí)隨厚度增大而增大。所以，對(duì)冷裂紋傾向大的合金，應(yīng)選擇較小的鑄錠寬厚比。
(2)特別注意防止小面成層、小面拉裂和小面夾渣。
(3)嚴(yán)格按內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)控制好化學(xué)成分，提高合金抵抗熱裂紋和冷裂紋的能力。
3．2局鑄錠底部裂紋
1)扁鑄錠底部裂紋具有下列特點(diǎn)：
(1)在軟合金和硬合金鑄錠底部均有可能產(chǎn)生；
(2)軟合金的底部裂紋屬于熱裂紋。裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度多在100 mm以下，并可在底部沿寬度方向的任何部位發(fā)生；
(3)硬合金的底部裂紋屬于冷裂紋，多產(chǎn)生于底部夾渣或結(jié)晶裂紋處，特別是鑄錠寬面中心線附近，且常以突然爆發(fā)的形式將整塊鑄錠撕裂。
鑄造開(kāi)始時(shí)，鑄錠底部與底座接觸而冷卻，形成一層凝殼。當(dāng)開(kāi)動(dòng)鑄造機(jī)，鑄錠脫模見(jiàn)水時(shí)，鑄錠表面受到急冷，產(chǎn)生很大的冷卻速度，但此時(shí)鑄錠正常液穴沒(méi)有形成，表面層的收縮受到內(nèi)層已凝固金屬的阻礙，使得在鑄錠底面和表面產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。此時(shí)鑄錠凝固層還不算太厚，鑄錠沿寬向的收縮使得鑄錠底部?jī)啥讼蛏袭a(chǎn)生翹曲，結(jié)果，鑄錠底表面受拉導(dǎo)致產(chǎn)生更大的附加拉應(yīng)力。在底部拉應(yīng)力的作用下，鑄錠的拉伸變形如果超出了金屬所允許的程度，便會(huì)形成底部裂紋。對(duì)于軟合金，由于對(duì)缺口敏感性小，當(dāng)鑄造進(jìn)入正常狀態(tài)時(shí)，裂紋即會(huì)終止發(fā)展。對(duì)于硬合金，隨著鑄錠不斷冷卻進(jìn)入低溫，對(duì)缺口敏感性不斷增大，鑄造開(kāi)始時(shí)形成的起始裂紋就會(huì)成為應(yīng)力集中源而導(dǎo)致鑄錠突然沿底部裂開(kāi)。
2)防止底部裂紋的辦法是：
(1)降低鑄錠底部的拉應(yīng)力。
①對(duì)于硬合金大型扁錠，采用純鋁鋪底。在鋪底時(shí)應(yīng)該做到：（a）要保證鋪底鋁的純度，其原鋁錠品位最好不要低于Al99.50；(b)控制鋪底用鋁中鐵大于硅；(c)鋪底鋁液溫度控制在710～750℃之間；(d)要保證用量，通常鋪底鋁端頭厚度不得小于20 mm；(e)適時(shí)放人基本金屬，防止鋪底鋁和基本金屬不能很好的焊合，通常以鋪底鋁四周凝固20 mm時(shí)放入金屬液為宜；①放人基本金屬前，應(yīng)將鋪底鋁表面硬殼和底渣徹底打凈。
②鑄造硬合金大型扁錠時(shí)，采用具有光滑凹形上表面的底座。
③采取相應(yīng)的工藝操作方法：(a)開(kāi)始供流不要太快，結(jié)晶器內(nèi)金屬水平不要太高。為此，對(duì)于鋪底的合金，在放人基本金屬前通常采用先降底座的辦法。對(duì)于軟合金，則采用開(kāi)頭時(shí)多次開(kāi)停車的辦法。這樣既可避免開(kāi)始時(shí)液面上升太高，又可避免懸掛。(b)鑄造開(kāi)始時(shí)，在鑄錠正常液穴形成前，可適當(dāng)降低冷卻水壓和鑄造速度(在設(shè)備條件許可的前提下)。(c)保證鑄錠四周冷卻均勻和供流均勻。
(2)特別注意防止鑄錠底部夾渣和漏斗底結(jié)物掉人。
(3)嚴(yán)格按內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)控制好化學(xué)成分，提高合金抵抗熱裂紋和冷裂紋的能力。
3．3 扁鑄錠澆口部裂紋
1)扁鑄錠澆口部裂紋具有下列特點(diǎn)：
(1)在軟合金和硬合金鑄錠澆口部均有可能產(chǎn)生；
(2)軟合金的澆口部裂紋屬于熱裂紋，裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度多在50 mm以內(nèi)；
(3)硬合金的澆口部裂紋屬于冷裂紋，可以在鑄造過(guò)程中或者收尾時(shí)或者鑄造結(jié)束后產(chǎn)生，在任何時(shí)候開(kāi)裂都帶有很大危險(xiǎn)性；
(4)澆口部裂紋主要產(chǎn)生于金屬液流注入的地方，并多因澆口部夾渣或結(jié)晶裂紋而引起。
鑄造收尾時(shí)，當(dāng)停止供流后，正常的鑄造過(guò)程受到破壞，液穴逐漸消失，鑄錠頭部金屬的收縮受到四周和下層金屬的阻礙，使之在鑄錠頂部沿寬度方向形成很大的拉應(yīng)力。如果澆口部的金屬在較高的溫度下就形成了微小的收縮裂紋，那么在鑄錠繼續(xù)冷卻時(shí)，它將引起應(yīng)力集中，而促使整個(gè)鑄錠迸裂。在生產(chǎn)中，澆口部裂紋多因澆口部夾渣、漏斗底結(jié)物掉入、表面裂紋、水冷不均、收尾操作不當(dāng)?shù)纫蛩囟T發(fā)。對(duì)于軟合金，由于塑性好，對(duì)缺口敏感性差，所產(chǎn)生的拉應(yīng)力因塑性變形而松弛，故裂紋很難擴(kuò)展。
2)防止?jié)部诓苛鸭y的辦法是：
(1)對(duì)于低溫塑性較差的2A12和7A04型合金的大型扁錠采用澆口部自身回火處理，操作時(shí)的注意事項(xiàng)見(jiàn)本篇第9．1．3節(jié)。
(2)對(duì)于澆口部不回火的合金鑄錠，停車不能過(guò)早，要讓澆口部涼透后再停水。
(3)在停止供流前，適當(dāng)降低小面水壓和鑄造速度(在設(shè)備條件許可的前提下)。
(4)保證水冷均勻，消滅鑄錠表面“白道”。
(5)特別注意防止?jié)部诓繆A渣、漏斗底結(jié)物掉入和產(chǎn)生表面熱裂紋。
(6)嚴(yán)格按內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)控制好化學(xué)成分，提高合金抵抗熱裂紋和冷裂紋的能力。
3．4扁鑄錠表面裂紋
1)扁鑄錠表面裂紋具有下列特點(diǎn)：
(1)屬于熱裂紋；
(2)在鑄錠寬面沿軸向裂開(kāi)，長(zhǎng)度不等，寬度多在0.5 mm之內(nèi)，深度通常不大于20 mm；
(3)主要分布在水冷較弱或液流注入的地方或鑄錠厚度上收縮最大的部位，裂紋處多拌隨“白道”；
(4)在軟合金和硬合金鑄錠上均可發(fā)生，尤其是具有較大熱脆性的合金。
實(shí)際生產(chǎn)中，鑄錠寬度方向的表面溫度分布是不均勻的。造成這種溫度分布不均的主要原因：
①采用小面帶切口的結(jié)晶器大大提高了鑄錠寬度方向上兩端和中間部分的溫度差；
②與液流供給方式和結(jié)晶器橫截面形狀相聯(lián)系的鑄錠寬面上各點(diǎn)沿厚度方向的收縮值不同，造成鑄錠與結(jié)晶器壁之間的縫隙值不同，大大提高了鑄錠表面的出口溫度及溫度不均性；
③冷卻系統(tǒng)供水不均造成了表面溫度的局部不均。由于上述因素的聯(lián)合作用，當(dāng)鑄錠從結(jié)晶器拉出時(shí)，鑄錠表面層受急冷作用而收縮，但因?yàn)楦鼽c(diǎn)的溫度不同，見(jiàn)水位置也不在同一水平線上，因而冷卻速度不一樣，其收縮量和收縮速率也不一樣，彼此產(chǎn)生制約作用，于是便在見(jiàn)水溫度較高的部位形成了更大的附加拉應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。裂紋一經(jīng)產(chǎn)生，便又成為應(yīng)力集中的場(chǎng)所，便之向長(zhǎng)度和深度方向發(fā)展。但裂紋發(fā)展的深度是有限的，因?yàn)楸忤T錠中心部分受壓應(yīng)力作用，能自動(dòng)抑制裂紋的擴(kuò)展。
2)防止表面裂紋的辦法是：
(1)提高鑄錠沿寬度方向溫度分布的均勻性，降低鑄錠在結(jié)晶器出口處的溫度。①適當(dāng)降低小面水壓、鑄造速度和鑄造溫度；②適當(dāng)減小結(jié)晶槽內(nèi)表面錐度，適當(dāng)降低結(jié)晶器內(nèi)的金屬液面；③保證大面兩側(cè)水冷均勻(結(jié)晶器放平，兩側(cè)擋水板水縫一致，水孔不要堵塞)；④均勻分配液流，防止漏斗歪斜。
特別注意防止表面夾渣和拉裂。
(3)嚴(yán)格按內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)控制好化學(xué)成分，提高合金抵抗熱裂紋和冷裂紋的能力。
3．5圓鑄錠中心裂紋
1)圓鑄錠中心裂紋具有下列特點(diǎn)
(1)在所有工業(yè)變形鋁合金鑄錠中均可產(chǎn)生，是圓鑄錠最常見(jiàn)的一種裂紋形式；
(2)在軟合金鑄錠中表現(xiàn)為熱裂紋，在硬合金鑄錠中通常表現(xiàn)為中心熱裂紋、外圍冷裂紋的混合型裂紋；
(3)裂紋沿鑄錠直徑平面發(fā)展、多數(shù)在鑄錠中心面相當(dāng)于直徑1/3～1/2的范圍內(nèi)，但有時(shí)也可發(fā)展成沿整個(gè)直徑破裂的通心裂紋；
(4)裂紋可在鑄錠全長(zhǎng)中心部位出現(xiàn)，從鑄錠底部直到澆口部。
圓鑄錠中心裂紋產(chǎn)生的基本原因是鑄錠內(nèi)外層溫差大，鑄錠內(nèi)層冷卻速度大于外層冷卻速度，內(nèi)層的收縮受到早已冷凝的外層的阻礙，使鑄錠中心層沿直徑平面形成拉應(yīng)力的緣故。這種應(yīng)力從結(jié)晶瞬間到鑄錠完全冷卻過(guò)程中不斷增強(qiáng)，當(dāng)超過(guò)金屬允許的變形值時(shí)，便產(chǎn)生了裂紋。鑄錠開(kāi)頭結(jié)尾時(shí)，由于正常的鑄造條件遭到破壞，冷卻條件極不均一，由此而產(chǎn)生的附加熱應(yīng)力也是導(dǎo)致中心裂紋的重要因素。在生產(chǎn)條件下，這種裂紋多因液穴太深，開(kāi)頭收尾操作不當(dāng)而引起。
2)中心裂紋的防止方法是：
(1)提高鑄錠抗裂紋的能力。①嚴(yán)格按內(nèi)標(biāo)控制化學(xué)成分和雜質(zhì)含量；②防止熔體過(guò)熱或在爐內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，并對(duì)熔體進(jìn)行變質(zhì)處理。
(2)提高鑄錠底部塑性，防止底部裂紋。①正確鋪底；②在設(shè)備允許的前提下，開(kāi)始鑄造時(shí)，將速度降至正常值的3/5，待鑄出的鑄錠長(zhǎng)度約為直徑的2～4倍時(shí)再將鑄造速度逐漸提高到正常值；③防止底部夾渣。
(3)提高鑄錠澆口部塑性，防止?jié)部诹鸭y。①進(jìn)行澆口部自身回火處理；②防止?jié)部诓繆A渣。
(4)調(diào)整液穴，降低鑄錠內(nèi)外層溫差。①降低鑄造速度；②防止使用過(guò)小的漏斗，均布液流；③提高結(jié)晶器高度或結(jié)晶器中金屬水平。
3．6圓鑄錠表面裂紋
1)圓鑄錠表面裂紋具有下列特點(diǎn)：
(1)屬于熱裂紋；
(2)裂紋方向平行于鑄錠軸線，在鑄錠橫截面上裂紋沿徑向呈放射狀分布，所以，這種裂紋又叫徑向裂紋或外圓放射狀裂紋；
(3)在鑄錠底部和澆口部通常沒(méi)有，主要分布在鑄錠中部，且多被緊密壓合；
(4)在軟合金和硬合金鑄錠中均可產(chǎn)生；
(5)主要分布在水冷較弱的地方。 ’
圓鑄錠中表面裂紋的產(chǎn)生類似淬火裂紋，它是在鑄錠液穴底部高于直接水冷帶的情況下，當(dāng)鑄錠從結(jié)晶器中拉出來(lái)的瞬間，鑄錠表面受到急劇冷卻，其收縮受到已經(jīng)凝固的中心層的阻礙，使外層產(chǎn)生拉伸應(yīng)力而形成的。此后，在鑄錠向下運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)冷卻過(guò)程中，由于外層溫度已較低，內(nèi)層冷卻速度逐漸變得大于外層冷卻速度，因而應(yīng)力性質(zhì)發(fā)生變化，外層受壓，內(nèi)層受拉，此時(shí)，裂紋即被緊密壓合。
2)表面裂紋的防止方法是：
基本方法是調(diào)整液穴深度，使鑄錠見(jiàn)水時(shí)的收縮不受阻礙。同時(shí)。又盡可能降低鑄錠的出口溫度，使鑄錠沿周邊的冷卻均勻。措施是：
(1)適當(dāng)提高鑄造速度；
(2)適當(dāng)降低結(jié)晶器高度或結(jié)晶器內(nèi)金屬水平；
(3)使用錐度較小的結(jié)晶器；
(4)水冷均勻；
(5)液流分配均勻。
3．7 圓鑄錠環(huán)狀裂紋
1)圓鑄錠環(huán)狀裂紋具有下列特點(diǎn)：
(1)屬于熱裂紋；
(2)通常在離鑄錠邊緣20～40 mm處呈環(huán)狀或半環(huán)狀分布；
(3)常在具有柱狀晶組織的鑄錠中發(fā)現(xiàn)。
圓鑄錠環(huán)狀裂紋是在鑄錠外層和鑄錠中間部分的冷卻速度差別很大時(shí)于過(guò)渡帶轉(zhuǎn)折處形成的。此時(shí)，鑄錠凝殼既薄又陡；而液穴平坦，這種條件很容易促使柱狀晶的生長(zhǎng)，并沿晶界處沉積低熔點(diǎn)組成物和非金屬夾雜，因而使晶界聯(lián)系大大減弱；同時(shí)，當(dāng)鑄錠進(jìn)一步冷卻時(shí)，中間層以超過(guò)表面層的冷卻速度進(jìn)行，結(jié)果在液穴轉(zhuǎn)折處形成徑向拉應(yīng)力，并在晶界削弱的地方，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。如果此時(shí)鑄錠表面均勻冷卻，則液穴轉(zhuǎn)折處沿鑄錠同心圓周分布，產(chǎn)生的裂紋在鑄錠橫斷面呈真正的環(huán)形；如果鑄錠表面冷卻不均，或者鑄錠緊貼結(jié)晶器壁一面，或者漏斗供流不均，則液穴轉(zhuǎn)折處就不呈同心圓。因此徑向應(yīng)力在某一部分減小，而在另一部分加大，此時(shí)形成的裂紋只是在圓周的一部分出現(xiàn)。這是生產(chǎn)中出現(xiàn)的最普遍的情況。環(huán)形裂紋在澆口部也可出現(xiàn)，并隨液穴轉(zhuǎn)折處的變化從鑄錠邊緣向中心自下而上延伸很長(zhǎng)。
2)環(huán)狀裂紋的防止方法是：
(1)改變液穴的轉(zhuǎn)折面。①降低結(jié)晶器有效高度和鑄造速度；②合理選擇漏斗，正確安放，保證供流均勻；③正確安裝結(jié)晶器，保證水冷均勻；④停止供流后不要立即停車，待結(jié)晶器內(nèi)金屬水平位于水冷帶上面60～70 mm時(shí)再停。
(2)細(xì)化晶粒，提高合金抗熱裂紋的能力。①按內(nèi)標(biāo)控制化學(xué)成分和雜質(zhì)含量；②防止熔體過(guò)熱和熔體停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；③適當(dāng)降低鑄造溫度；④降低配料時(shí)新鋁用量，對(duì)熔體進(jìn)行變質(zhì)處理。
3．8 圓鑄錠橫向裂紋
1)圓鑄錠橫向裂紋具有下列特點(diǎn)：
(1)屬于冷裂紋；
(2)主要產(chǎn)生于高強(qiáng)鋁合金的大直徑圓鑄錠中；
(3)一般表現(xiàn)為內(nèi)部裂紋，但偶然也擴(kuò)展到鑄錠外側(cè)；
(4)在鑄錠中周期性出現(xiàn)。
橫向裂紋是由于大直徑圓鑄錠的鑄造速度低，軸向溫度梯度大，在鑄錠中沿高度方向產(chǎn)生拉應(yīng)力作用的結(jié)果。如果鑄錠在結(jié)晶末期就產(chǎn)生了結(jié)晶裂紋，或者有成層、夾渣等誘發(fā)因素存在，則更易產(chǎn)生。有人指出，這類裂紋比其他類型的裂紋具有較大的偶然性，認(rèn)為它們主要是在一定的鑄造速度區(qū)間，即結(jié)晶面與水平面的傾斜角接近30°時(shí)產(chǎn)生的。
2)橫向裂紋的防止方法是：
(1)適當(dāng)提高鑄造速度；
(2)保證供流均勻，冷卻均勻；
(3)防止鑄錠表面成層、夾渣；
(4)合理控制化學(xué)成分和雜質(zhì)含量，提高鑄錠低溫塑性。
3．9 空心圓鑄錠內(nèi)孔放射狀裂紋
內(nèi)孔放射狀裂紋多分布在內(nèi)孔表面冷卻較弱的地方，而在內(nèi)表面光亮處很少見(jiàn)。這種裂紋類似圓鑄錠表面裂紋，屬于熱裂紋。它是在鑄錠內(nèi)表面急劇冷卻而收縮時(shí)，由于受到芯子的阻礙，在鑄錠內(nèi)孔表面層形成切向拉應(yīng)力而引起的。
內(nèi)孔放射狀裂紋的防止方法是：
1)選用錐度合適的芯子，以與鑄錠的熱收縮值相適應(yīng)。
2)采取工藝措施降低鑄錠內(nèi)表面脫模前的線收縮值。即：①適當(dāng)降低芯子水冷強(qiáng)度；②適當(dāng)降低芯子始水水位。
3)防止不均勻收縮。①正確裝配芯子，避免偏斜；②保證芯子水冷卻均勻。
3．10空心圓鑄錠環(huán)狀裂紋
環(huán)狀裂紋也是一種熱裂紋，多沿液穴底部分布。當(dāng)采用單點(diǎn)供流時(shí)，環(huán)狀裂紋發(fā)生在金屬注入點(diǎn)；當(dāng)采用雙點(diǎn)供流時(shí)，環(huán)狀裂紋發(fā)生在兩個(gè)注入點(diǎn)之問(wèn)。它是在芯子給水水位高于結(jié)晶器給水水位的情況下，液穴底部接近鑄錠厚度中心，當(dāng)厚度中心層的金屬以較大的冷卻速度收縮時(shí)，因受到已經(jīng)冷凝的鑄錠內(nèi)外表面層的阻礙，使之在鑄錠壁厚中心造成很大徑向拉應(yīng)力而產(chǎn)生的。
環(huán)狀裂紋的防止方法是：
1)提高鑄錠外表面冷卻水位或降低內(nèi)表面冷卻水位；
2)均布液流；
3)適當(dāng)降低鑄造速度和鑄造溫度。
3．11 空心圓鑄錠橫向裂紋
空心圓鑄錠中的橫向裂紋同圓鑄錠中的橫向裂紋一樣，也多產(chǎn)生于高強(qiáng)鋁合金的大直徑而壁薄的鑄錠中。它也是在鑄造速度較慢的情況下，鑄錠內(nèi)軸向溫度梯度加大，因而沿軸向產(chǎn)生拉應(yīng)力所致。
橫向裂紋的防止方法是：
1)提高鑄造速度，降低芯子水壓；
2)正確安裝芯子，保證鑄錠壁厚均勻；
3)防止內(nèi)外表面成層；
4)合理控制成分提高鑄錠低溫塑性。
空心圓鑄錠除了上述三種類型的裂紋形式外，對(duì)于某些合金的大規(guī)格空心錠，在不鋪底或不回火的情況下，由于鑄造開(kāi)頭、結(jié)尾時(shí)所產(chǎn)生的附加應(yīng)力的作用，也會(huì)使空心鑄錠產(chǎn)生象圓鑄錠一樣的底部和澆口部通一裂紋，甚至裂成數(shù)瓣。
3．12晶層分裂
在鑄錠邊部斷口上沿柱狀晶軸產(chǎn)生的層狀開(kāi)裂稱晶層分裂(見(jiàn)圖2—11—9)。
1)晶層分裂的特點(diǎn)是：
(1)是鑄錠斷口的一種分層現(xiàn)象，分層面與晶界吻
合，在其低倍試片上，經(jīng)仔細(xì)研磨和腐蝕后，也能沿晶界發(fā)現(xiàn)裂紋；
(2)裂口多為母液所填充；
(3)常常在柱狀晶區(qū)發(fā)現(xiàn)。
晶層分裂是晶界聯(lián)系大大減弱的結(jié)果，它主要是在熔體中含氣量較大，鑄造溫度較高而鑄錠的冷卻強(qiáng)度又較小時(shí)，在鑄錠結(jié)晶末期形成的。
2)晶層分裂的防止重點(diǎn)是消除柱狀晶產(chǎn)生的條件，此外，應(yīng)做到：
(1)適當(dāng)提高鑄錠的冷卻強(qiáng)度，降低結(jié)晶器有效高度，并清除結(jié)晶器內(nèi)水垢；
(2)防止熔體過(guò)熱和在爐內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；
(3)徹底精煉，降低熔體中氣體含量；
(4)鑄造收尾時(shí)不要停車過(guò)早。
四、鑄錠的晶粒度和組織缺陷
4．1 鑄錠的晶粒度
鑄錠晶粒度指鑄態(tài)晶粒的大小。對(duì)于變形鋁合金而言，是指基相鋁固溶體晶粒的大小。影響鋁合金鑄錠晶粒度的因素很多，主要是：
1)活性雜質(zhì)的含量
在實(shí)際的連續(xù)鑄造條件下，鑄錠中晶核的形成總是產(chǎn)生于活性雜質(zhì)，而不是來(lái)源于自發(fā)形核。因此，熔體中活性雜質(zhì)含量愈多，則鑄錠結(jié)晶時(shí)的晶核數(shù)量也愈多，鑄錠晶粒度愈細(xì)小。但是，不同的活性雜質(zhì)，形核所要求的過(guò)冷度(即雜質(zhì)的活性)是不同的。其中，TiAl3所需的生核過(guò)冷度小到接近于零，是目前為止所發(fā)現(xiàn)的鋁合金中最為有效的活性質(zhì)點(diǎn)。它不僅可以減少柱狀晶組織的出現(xiàn)和細(xì)化等軸晶粒，同時(shí)也能影響柱狀晶的橫向尺寸。因此，鋁合金中鈦含量的多少是決定鑄錠晶粒度變化的基本因素。一般而言，凡是采用含鈦量極低的原鋁錠配制合金時(shí)，其鑄錠易于形成柱狀晶或粗大等軸晶的組織。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了得到穩(wěn)定而細(xì)小的晶粒，除了少數(shù)幾個(gè)有特殊要求的合金外，都毫無(wú)例外地采用各種變質(zhì)劑人工加入0.02%～0.1%的鈦。應(yīng)該指出，合金中加鈦過(guò)量也是無(wú)益的，這樣會(huì)促使生成粗大的金屬化合物，不僅影響制品最終性能，而且會(huì)因聚集沉積而降低細(xì)化效果。
2)合金成分
由成分(濃度)過(guò)冷的條件可知(見(jiàn)本篇第5．3．3節(jié))，在G/R一定的條件下，各種合金形成濃度過(guò)冷的傾向是不一樣的。在鋁合金中，那些能顯著降低合金的液相線溫度(即m值大)在合金中固溶量很小(即K≤1)的元素，在晶體生長(zhǎng)時(shí)富集在相界面上，它們既能阻礙已有晶體的生長(zhǎng)，又能形成較大的濃度過(guò)冷促進(jìn)生核，還能使晶體的分枝形成細(xì)的縮頸，易于產(chǎn)生晶體增殖，因而能使鑄錠晶粒顯著細(xì)化。顯然，合金元素的細(xì)化作用與過(guò)冷參數(shù)m(1-K)C0/K有關(guān)，在濃度C0一定的前提下，m(1-K)/K值愈大，則合金產(chǎn)生濃度過(guò)冷的傾向愈大，細(xì)化晶粒的作用愈明顯。在鋁合金中，銅、鎂、硅、鋅、錳、鐵、鎳等元素都是程度不同的濃度過(guò)冷元素，因此，對(duì)于純鋁而言，它們都具有程度不同的晶粒細(xì)化作用，且隨濃度提高，細(xì)化作用也增強(qiáng)。在工業(yè)生產(chǎn)中，可以看到下列現(xiàn)象存在：①、高純鋁、工業(yè)純鋁錠，形成柱狀晶的傾向性比較大；②、與純鋁相比，合金錠的晶粒度比較??；③、合金錠的晶粒度，隨成分濃度的增大而減小。在生產(chǎn)Al一Mg系合金和Al—Cu—Mg—Si系合金(如6A02、2A50、2A14)的鑄錠時(shí)，晶粒度分別隨鎂含量和銅含量的增大而細(xì)化。但是，應(yīng)該指出，在實(shí)際生產(chǎn)條件下，由于合金中鈦雜質(zhì)的突出作用，總的來(lái)講，合金中主要組元對(duì)鑄錠晶粒度的影響還是不明顯的。
3)熔體過(guò)熱溫度
對(duì)于所有變形鋁合金，當(dāng)其他條件相同時(shí)；熔體過(guò)熱溫度愈高，則鑄錠形成柱狀晶和粗大等軸晶的傾向愈大。
熔體過(guò)熱溫度對(duì)晶粒度的影響可從兩方面說(shuō)明：①過(guò)熱溫度愈高，雜質(zhì)的去活作用愈強(qiáng)，熔體中可作為非自發(fā)晶核的數(shù)目愈少；②熔體過(guò)熱溫度愈高，結(jié)晶前沿液體中的溫度梯度愈陡，使形成濃度過(guò)冷的傾向縮小，并使過(guò)冷帶變窄，雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在過(guò)冷帶停留時(shí)間變短，因而依靠原子擴(kuò)散作用使雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)形成該合金晶核的可能性變小，故鑄錠結(jié)晶時(shí)形成柱狀晶和粗大等軸晶的傾向增大。
4)導(dǎo)流方式
向液穴導(dǎo)入熔體的方式直接影響結(jié)晶前沿各區(qū)域的溫度分布，鑄錠的晶粒大小和形狀與這種溫度分布相適應(yīng)。顯然，直接向結(jié)晶前沿處供給過(guò)熱金屬，便可以在該處得到柱狀晶組織。比如，將過(guò)熱熔體以集中液流導(dǎo)入鑄錠中部，便會(huì)促使鑄錠中心得到柱狀晶組織，液流偏斜亦導(dǎo)致主要柱狀晶區(qū)偏移。液流的這種影響，①過(guò)熱液流減小了結(jié)晶前沿處的過(guò)冷，使可以作為非自發(fā)晶核的有效質(zhì)點(diǎn)數(shù)減小；②新的熱的液流的不斷補(bǔ)充，使結(jié)晶前沿既不能建立濃度梯度，又使溫度梯度變得很陡，因而不能產(chǎn)生濃度過(guò)冷，過(guò)冷帶也變得很窄，即在結(jié)晶前沿前方的液體中很難生核，故導(dǎo)致柱狀晶甚至羽毛晶的生成。在實(shí)際生產(chǎn)中，導(dǎo)流方式主要借助分配漏斗控制，因此漏斗的類型、大小、安放位置、偏斜程度、沉入深度、流眼的孔數(shù)、大小和分布、堵塞情況等都將影響到鑄錠的結(jié)晶組織，應(yīng)引起足夠重視。
5)熔體相對(duì)結(jié)晶面運(yùn)動(dòng)
鑄錠結(jié)晶期問(wèn)，采用攪拌或振動(dòng)等方法加強(qiáng)液穴內(nèi)熔體相對(duì)于結(jié)晶面的運(yùn)動(dòng)，將有利于獲得細(xì)小的等軸晶。這是因?yàn)椋阂环矫?，這種運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)了熔體和冷凝殼之間的熱交換強(qiáng)度，使液穴中熔體溫度降低，結(jié)晶前沿液體中溫度梯度變得平緩，過(guò)冷帶變寬，因而，使成核質(zhì)點(diǎn)的數(shù)目增加。另一方面，這種運(yùn)動(dòng)促使結(jié)晶面的晶體脫落、熔斷和破碎，增加了固有晶核數(shù)目，從而獲得細(xì)小的等軸晶。
6)冷卻速度
冷卻速度對(duì)鑄錠晶粒度的影響是通過(guò)改變鑄錠結(jié)晶前沿的過(guò)冷度大小和過(guò)冷帶寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通常冷卻速度愈大，結(jié)晶前沿的過(guò)冷度也愈大，因而有效活性雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的數(shù)目愈多，使之有減小柱狀結(jié)晶的趨勢(shì)。但是，鑄錠能否得到細(xì)等軸晶，決定的因素還在于過(guò)冷帶的寬度。冷卻速度愈大，鑄錠斷面溫度梯度亦愈大，故過(guò)冷帶變窄。如果這時(shí)過(guò)冷帶雖然變窄，但對(duì)形成晶核是足夠的話，則鑄錠得到更為細(xì)小的等軸晶。如果過(guò)冷帶變窄的程度不能使之生核，則將促進(jìn)柱狀晶組織的形成。在實(shí)際生產(chǎn)中，冷卻速度主要取決于結(jié)晶器有效高度、鑄錠橫斷面尺寸和冷卻水壓的大小。因此，這些因素也通過(guò)改變冷卻速度影響著鑄錠的晶粒度和結(jié)晶組織。
7)鑄造速度
提高鑄造速度使鑄錠邊緣等軸晶帶縮小，而使錠心等軸晶帶擴(kuò)大，柱狀晶帶的寬度則取決于等軸晶帶尺寸的變化大小。這是因?yàn)殡S著鑄造速度的提高，一方面使鑄錠徑向溫度梯度變陡，縱向溫度梯度變緩；而另一方面，鑄錠的結(jié)晶速度增大，特別是鑄錠中心區(qū)的結(jié)晶速度增大更為明顯。這兩個(gè)因素的聯(lián)合作用，使得鑄錠中心部位的過(guò)冷帶變寬，濃度過(guò)冷傾向增大，故利于錠心等軸晶帶的發(fā)展。反之，鑄錠邊緣等軸晶帶變得窄小。但是存在著另一種極端情況，即當(dāng)鑄造速度十分慢時(shí)，由于液穴變淺，鑄錠徑向溫度梯度變緩，過(guò)冷帶擴(kuò)大。
同時(shí)由于補(bǔ)充的新液流少，致使整個(gè)液穴處于過(guò)冷狀態(tài)，加之敞露液面結(jié)晶體的下沉，在這種情況下，整個(gè)鑄錠將全部為細(xì)小等軸晶所占據(jù)。
在其他條件相同的情況下，通常，鑄錠的晶粒愈粗大，則力學(xué)性能愈低、塑性愈差、壓力加工性能愈壞。所以，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證制品性能和加工性能的穩(wěn)定，對(duì)鑄錠的晶粒度必須進(jìn)行控制。變形鋁合金鑄錠的晶粒度在檢查時(shí)都是根據(jù)五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)圖片對(duì)照評(píng)級(jí)并確定成廢的。對(duì)重要用途的鑄錠，要求晶粒度較細(xì)，一般允許1級(jí)；YS/67--1993對(duì)用于建筑型材生產(chǎn)的鑄錠，要求晶粒度不得大于2級(jí)；對(duì)其他用途的鑄錠，晶粒度可以大一些，一般允許3級(jí)。
4．2羽毛狀晶、粗大晶粒
由于熔體過(guò)熱等原因在鑄錠宏觀組織中形成的類似羽毛狀的金屬組織，稱羽毛狀晶，其低倍組織見(jiàn)圖2—5—13，顯微組織見(jiàn)圖2-11-10。羽毛狀晶尺寸較大，在鑄錠截面上分布有時(shí)分散，有時(shí)連成一片。斷口組織呈片狀。顯微組織為粗大孿晶組織，是柱狀晶變種。枝晶一邊為直線孿晶晶軸，另一邊為鋸齒狀晶界。鑄錠變形后宏觀組織仍保持羽毛狀，顯微組織由亞晶晶粒組成。
羽毛狀晶是在結(jié)晶前沿液體中的溫度梯度十分陡峭，過(guò)冷帶極為窄小的情況下生成的。當(dāng)熔體的過(guò)熱溫度很高，鑄錠的冷卻速度極快，向結(jié)晶面直接供給熱的金屬流以及熔體中的有效活性質(zhì)點(diǎn)極少時(shí)很容易產(chǎn)生。
羽毛狀晶的力學(xué)性能不低于等軸晶，但這種晶粒組織存在著很強(qiáng)的方向性，縱向和橫向的力學(xué)性能差異較大，羽毛晶的雙晶面是弱面，在軋制和鍛造時(shí)工藝塑性不好，容易沿弱面裂紋。所以，為了保證材料的加工穩(wěn)定性，并提高制品的最終性能，對(duì)鑄錠中羽毛晶要進(jìn)行控制。通常，羽毛狀晶按低倍試片上所占的總面積，按鑄錠用途和直徑的大小，分別控制在(30×30)mm～(110×110)mm之間。YS67--1993要求建筑型材生產(chǎn)用鑄錠組織中的羽毛狀晶的總面積不得大于鑄錠橫截面總面積的30%。
消除羽毛狀晶的辦法是降低結(jié)晶前沿熔體中的溫度梯度，擴(kuò)大過(guò)冷帶和兩相區(qū)的寬度，增大濃度過(guò)冷，破碎結(jié)晶骨架，提高合金中活性質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量。具體措施是：
1)采用高效變質(zhì)劑，對(duì)熔體進(jìn)行變質(zhì)處理。在采用陶瓷管過(guò)濾的條件下，最好在過(guò)濾后對(duì)熔體以接種形式進(jìn)行變質(zhì)處理；
2)嚴(yán)格控制熔體的熔煉溫度和鑄造溫度及熔體在熔煉爐和靜置爐的總停留時(shí)間：
3)適當(dāng)提高結(jié)晶器有效高度，降低冷卻水壓，在熱頂鑄造和矮結(jié)晶器鑄造的時(shí)候，更應(yīng)適當(dāng)調(diào)整G/R的比值，使之盡可能小一些；
4)合理設(shè)計(jì)和安裝漏斗，使之供流均勻，避免熱流切向?qū)虢Y(jié)晶面；
5)配料時(shí)應(yīng)控制新舊料比，適當(dāng)降低原鋁錠比例，在使用舊料時(shí)，應(yīng)考慮廢料的遺傳性影響，適當(dāng)補(bǔ)加有效鈦的含量。
粗大晶粒指在宏觀組織上出現(xiàn)的均勻或不均勻的超出晶粒度標(biāo)準(zhǔn)的大晶粒(見(jiàn)圖2—11—11)。粗大晶粒不破壞金屬的連續(xù)性，只使金屬某些性能指標(biāo)降低或使性能不均勻。產(chǎn)生粗大晶粒的原因和防止措施與羽毛狀晶基本相同，只是程度不一而已。
4．3光亮晶粒
在宏觀組織中存在的色澤光亮的樹(shù)枝狀組織稱光亮晶粒(見(jiàn)圖2一ll—12)。顯微組織特征為粗大枝晶網(wǎng)狀組織，枝晶尺寸比正常組織大拾l(fā)0以上。
圖2—11—12鋁合金鑄錠中的光亮晶粒
光亮晶粒是在漏斗底部(立式鑄造時(shí))或?qū)Я靼?臥式鑄造時(shí))流口下邊鑄錠側(cè)形成的一種先期凝結(jié)物，它是一種貧乏的鋁固溶體。連續(xù)鑄造時(shí)，光亮晶粒是由于鑄錠液穴內(nèi)的過(guò)冷帶擴(kuò)展到上述區(qū)域，使已經(jīng)形成的樹(shù)枝狀晶掛在漏斗或?qū)Я靼?喇叭碗)的不平整表面上，在過(guò)冷度極小的情況下，于液穴中長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)大而生成的。光亮晶粒在生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)速度十分緩慢，且因光亮晶粒周圍的金屬液流不斷更新，使該處的液相成分在結(jié)晶過(guò)程中沒(méi)有大的變化，在光亮晶粒和液相間始終保持著開(kāi)始結(jié)晶時(shí)的濃度差，因而就使得光亮晶粒成為貧乏的鋁固溶體。在上述區(qū)域形成的光亮晶粒，由于某種原因(比如立式鑄造時(shí)鑄造機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，底結(jié)物自重增加或偶然的振動(dòng)等，在橫向鑄造時(shí)，光亮晶粒沿下緣生長(zhǎng)到與結(jié)晶前沿相接觸時(shí))，就會(huì)落入或凝入鑄錠內(nèi)而形成一種獨(dú)特的組織缺陷。
從光亮晶粒的上述形成過(guò)程，可知它有如下特征：
1)在以α固溶體樹(shù)枝晶作為一次晶的所有鋁合金鑄錠中，均有可能產(chǎn)生；
2)在光亮晶粒內(nèi)，降低合金熔點(diǎn)的元素如銅、鎂、鋅的含量低于該合金的平均成分；
3)光亮晶粒在過(guò)冷度極小的情況下生長(zhǎng)，結(jié)晶熱的放散極其緩慢，故光亮晶粒的晶內(nèi)結(jié)構(gòu)粗大；
4)由于光亮晶粒中合金元素貧乏，光亮晶粒區(qū)域的硬度，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均降低。另外，由于晶內(nèi)結(jié)構(gòu)粗大，且與基體金屬之間的邊界結(jié)合不完善，故伸長(zhǎng)率也有所降低；
5)在立式鑄造時(shí)，光亮晶粒沿鑄錠橫截面的分布與漏斗位置及大小相適應(yīng)，而沿鑄錠縱向的分布沒(méi)有規(guī)律，存在著偶然性。在橫向鑄造時(shí)，光晶沿鑄錠下部(激冷側(cè))呈間斷周期分布。
顯然，光亮晶粒作為鋁合金鑄錠的一種組織缺陷，它破壞了鑄錠組織的均一性，使制品性能受到影響，故應(yīng)根據(jù)制品用途進(jìn)行控制。YS/67--1993對(duì)光亮晶粒的要求是，在所檢查的每個(gè)鑄錠試片內(nèi)，允許不多于2點(diǎn)，每點(diǎn)平均直徑不太于3 mm。
消除光亮晶粒的根本方法是消滅產(chǎn)生光亮晶粒的溫度條件和光亮晶粒的依附條件，即使液穴內(nèi)過(guò)冷帶不擴(kuò)展到金屬分配器處，也盡量使金屬分配器表面圓滑平整。為此，在立式鑄造時(shí)，應(yīng)該：
1)適當(dāng)提高鑄造溫度和鑄造速度；
2)充分預(yù)熱漏斗；
3)漏斗不要太大且不要放置過(guò)深；
4)漏斗孔距漏斗底不要過(guò)高；
5)漏斗表面涂料并保持光滑平整；
6)防止結(jié)晶器內(nèi)金屬水平波動(dòng)和液流分配不均。
在橫向鑄造時(shí)，應(yīng)該：
1)適當(dāng)提高鑄造溫度和鑄造速度；
2)采用導(dǎo)熱良好、下方供流的導(dǎo)流板(如石墨質(zhì)導(dǎo)流板)；
3)中間罐金屬液貯藏腔坡度糊制成約45°角，保證金屬順利流動(dòng)，防止在導(dǎo)流板流口下側(cè)造成死區(qū)；
4)鑄造前對(duì)中間缶和導(dǎo)流板進(jìn)行充分預(yù)熱
5)減少結(jié)晶器下方二次冷卻水量。
4．4 白斑
在宏觀組織中存在的白色塊狀物稱白斑(見(jiàn)圖2—11—13)。白斑與金屬組織有明顯的色差，但沒(méi)有破壞金屬的連續(xù)性。顯微組織特征為基體金屬，沒(méi)有合金那樣多的化合物，顯微硬度很低。白斑出現(xiàn)在鑄錠底部。
采用純鋁鋪底的合金鑄錠，在開(kāi)始鑄造時(shí)，由于鋪底鋁液中的純鋁懸浮晶體被合金液沖動(dòng)而進(jìn)入合金熔體并凝固于鑄錠中，或者凝結(jié)于漏斗底部一段時(shí)間后散落在鑄錠中，形成白斑。白斑對(duì)產(chǎn)品的影響與光亮晶粒相同。當(dāng)白斑呈分散狀時(shí)，按夾渣標(biāo)準(zhǔn)處理，其他狀態(tài)一律報(bào)廢相連毛料。
白斑的防止方法是適當(dāng)提高鋪底鋁的溫度，打凈底結(jié)及浮渣，放合金熔體的時(shí)間不要太遲，充分預(yù)熱漏斗，并保證漏斗表面光潔。
4．5 粗大金屬化合物
變形鋁合金鑄錠中的粗大金屬化合物(見(jiàn)圖2—11—14)是指鑄造時(shí)在液穴內(nèi)或漏斗底部以初晶形式出現(xiàn)的高熔點(diǎn)金屬化合物質(zhì)點(diǎn)。在液穴中自由長(zhǎng)大的金屬化合物多以單個(gè)質(zhì)點(diǎn)的形式散布在整個(gè)鑄錠截面，只有在結(jié)晶前沿傾斜度很大時(shí)才集中在鑄錠中心部位而造成偏析。在漏斗底部生成的金屬化合物聚集物(底結(jié)物)則間斷地沒(méi)有規(guī)律地散落在結(jié)晶面上，在鑄錠中形成局部偏析。這些粗大金屬化合物的低倍組織特征為分散或聚集的針狀或塊狀凸起，邊界清晰，有金屬光澤，對(duì)光有選擇性；斷口組織特征為針狀或塊狀晶體，有閃亮金光澤；顯微組織特征為有特定形狀的粗大化合物，既硬又脆，對(duì)不同化學(xué)浸蝕劑有不同著色。金屬加工變形后沿變形方向被破碎成小塊。
圖2—11—14鋁合金鑄錠中的金屬化合物
(a)低倍組織中的金屬化合物；(b)2A70合金高倍組織中的金屬化合物；(c)斷口組織中的金屬化合物
成分接近共晶點(diǎn)的過(guò)共晶合金和成分接近包晶點(diǎn)的合金，在連續(xù)鑄造時(shí)，當(dāng)液穴內(nèi)的溫度低于該合金的液相線溫度時(shí)就會(huì)生成完整形狀的金屬化合物一次晶。但此時(shí)，由于金屬化合物的數(shù)量很少，不可能形成連續(xù)的結(jié)晶前沿，在這種情況下，結(jié)晶前沿只有在進(jìn)一步進(jìn)行共晶結(jié)晶或包晶結(jié)晶時(shí)才能形成，而結(jié)晶前沿的溫度相當(dāng)于比共晶點(diǎn)或包晶點(diǎn)稍低一點(diǎn)的溫度。由于熔體和硬殼間強(qiáng)烈的熱交換，使得在液穴整個(gè)體積或大部分體積中溫度接近于二元共晶點(diǎn)或二元包晶點(diǎn)的溫度，即低于該合金的液相線溫度，這樣就不可避免地促使了金屬化合物的形成。顯然，連續(xù)鑄造時(shí)，在鑄錠中生成金屬化合物必須具備兩個(gè)條件：①成分條件，即該合金的成分一定位于共晶點(diǎn)或包晶點(diǎn)附近；②溫度條件，即液穴內(nèi)的熔體溫度必須低于該合金液相線溫度。在鋁合金連續(xù)鑄造的不平衡結(jié)晶條件下，出現(xiàn)金屬間化合物一次晶的濃度界限比平衡圖中的要低得多。因此，當(dāng)采用連續(xù)鑄造法生產(chǎn)含有難熔組元鐵、鎳、釩、鈦、錳、鉻、銻、鉻、硼、硅的變形鋁合金鑄錠時(shí)，往往出現(xiàn)金屬間化合物。這也是采用連續(xù)鑄造比起采用錠模鑄造來(lái)說(shuō)，不僅沒(méi)有細(xì)化金屬化合物一次晶，反而使產(chǎn)生金屬化合物一次晶的傾向更大，質(zhì)點(diǎn)更粗的原因。
連續(xù)鑄造時(shí)，鑄錠中粗大金屬化合物的形成和分布具有如下特點(diǎn)：
1)粗大金屬化合物只出現(xiàn)在含難熔組元較多的合金如2A70、2A80、2A90、3A21、5A06、5A12、5B06、7A04等合金中。
2)液穴中自由長(zhǎng)大的金屬化合物一次晶的大小主要取決于它本身的結(jié)晶速度和成長(zhǎng)時(shí)間。漏斗底結(jié)物的生長(zhǎng)條件與光亮晶粒底結(jié)物相似。
3)金屬化合物的長(zhǎng)大速度與其本性及液穴中熔體的過(guò)冷度有關(guān)。提高鑄造溫度使液穴中熔體溫度升高，過(guò)冷度減小，一方面提高了出現(xiàn)金屬間化合物一次晶難熔組元的濃度，另一方面降低了結(jié)晶速度，有利于一次晶的細(xì)化。
4)金屬化合物的成長(zhǎng)時(shí)間即在液穴中以懸浮狀態(tài)存在的時(shí)間，從鑄錠邊部向中心不斷增加，并與鑄錠的凝固時(shí)間成正比。所以，金屬化合物的尺寸相應(yīng)地從鑄錠邊部向中心不斷增大，并隨鑄錠截面增大而增大。
5)只有在鑄錠基體部分存在分散的金屬化合物時(shí)，才會(huì)在鑄錠斷口檢查中，發(fā)現(xiàn)金屬化合物的偏析聚集物。并且分散質(zhì)點(diǎn)越多，在鑄錠的某些地方產(chǎn)生局部偏析的或然率越大。
6)對(duì)于直徑相同的鑄錠，在使用矮結(jié)晶器鑄造時(shí)，出現(xiàn)金屬化合物的傾向性增大。
粗大金屬化合物是破壞鑄錠組織均一性的一種重要的組織缺陷。通常金屬化合物硬度高、性質(zhì)脆，特別是當(dāng)它們?cè)阼T錠中形成偏析聚集物時(shí)，將不僅急劇降低鑄錠的力學(xué)性能，而且變形時(shí)在制品中造成分層缺陷，是降低半制品橫向性能的主要原因。因此，為了保證制品性能的穩(wěn)定，在生產(chǎn)中，對(duì)鋁合金鑄錠中的粗大金屬化合物必須進(jìn)行控制。
防止金屬化合物產(chǎn)生的最根本的措施是嚴(yán)格控制合金中難熔組元和雜質(zhì)的含量。其次，應(yīng)該從工藝上采取措施，盡可能提高液穴中熔體的溫度，消除漏斗底結(jié)物的生成條件。主要是：
1)適當(dāng)提高鑄造溫度和熔煉溫度；
2)充分預(yù)熱漏斗，并使漏斗表面光滑；
3)適當(dāng)提高結(jié)晶器中金屬水平或采用高結(jié)晶器；
4)對(duì)于生成金屬化合物傾向很大的合金，在采用上述工藝措施收效不大的情況下，可以考慮縮小鑄錠截面尺寸；
5)尋求金屬化合物即一次晶細(xì)化劑。
五、鑄錠的力學(xué)性能
5．1 鑄錠鑄態(tài)力學(xué)性能的影響因素和分布特征
影響鑄錠鑄態(tài)力學(xué)性能的因素主要有：晶粒度、晶內(nèi)結(jié)構(gòu)、鑄錠致密度、組織不均一的程度、化學(xué)成分及區(qū)域偏析的程度。通常，在化學(xué)成分一定的條件下，鑄錠晶粒愈小、晶內(nèi)結(jié)構(gòu)愈細(xì)、致密度愈高、組織不均一的程度愈小、區(qū)域偏析程度愈輕，則鑄錠的綜合力學(xué)性能愈高。其中，對(duì)工業(yè)純鋁和軟合金而言，起決定作用的是晶粒大??；對(duì)高成分硬合金而言，起決定作用的是晶內(nèi)結(jié)構(gòu)的細(xì)薄程度和致密度。
力學(xué)性能沿鑄錠截面的分布情況隨鑄造條件的不同而不同。水冷半連續(xù)鑄造時(shí)，一般的規(guī)律示于圖2—11—15。在鑄錠邊緣，力學(xué)性能較低是結(jié)晶器壁導(dǎo)熱速度較低的緣故。在結(jié)晶器出口處，鑄錠冷卻強(qiáng)度急劇增大，使結(jié)晶速度提高，結(jié)果力學(xué)性能提高。在鑄錠中心區(qū)域性能急劇降低，這是冷卻速度降低以及過(guò)渡帶尺寸擴(kuò)大的結(jié)果。
鑄造速度較低時(shí)，性能沿截面的分布比較均勻。提高鑄造速度，使性能的上述分布規(guī)律更加明顯。在提高鑄造速度的同時(shí)使用高結(jié)晶器要比使用矮結(jié)晶器更易得到比較均勻的性能，但鑄錠的平均力學(xué)性能卻有所降低。
5．2 鑄錠力學(xué)性能設(shè)計(jì)
每種合金都有自己的臨界性能，在臨界性能范圍內(nèi)，鑄錠品質(zhì)愈高，則綜合力學(xué)性能愈好，壓力加工時(shí)為使產(chǎn)品達(dá)到要求的力學(xué)性能所需的變形量愈小；而變形率愈高，則鑄錠的遺傳性影響愈小。這種關(guān)系可用圖2—11—16表示。
在確定鑄錠應(yīng)該具有怎樣的力學(xué)性能時(shí)，應(yīng)該綜合考慮在獲得和利用具有這種性能的鑄錠時(shí)所表現(xiàn)的利弊：
1)鑄錠的力學(xué)性能決定了鑄錠在熱加工時(shí)的性質(zhì)。鑄錠的塑性愈高，允許的熱加工速度愈快，廢品愈少，成品率愈高。
2)鑄錠力學(xué)性能對(duì)半制品性能的影響隨鑄錠變形程度降低而增大。鑄錠中以粗大致密質(zhì)點(diǎn)形式析出的化合物以及疏松和非金屬夾雜物對(duì)半制品力學(xué)性能的遺傳性影響更為突出。
3)鑄錠的屈服強(qiáng)度愈大，則加工愈困難、要求的加工功率愈大、鑄錠的加熱溫度愈高，并增加某些附加的費(fèi)用。
4)獲得具有極大力學(xué)性能的鑄錠，導(dǎo)致必須限制鑄造速度和機(jī)器的生產(chǎn)率。
根據(jù)上面的規(guī)律或事實(shí)，可以認(rèn)為：獲得具有最高和最均勻的力學(xué)性能的鑄錠應(yīng)該是建立連續(xù)鑄造工藝的總的原則之一。但在每一種具體情況下，應(yīng)該正確地估計(jì)獲得具有最高力學(xué)性能鑄錠的必要性，以及從提高機(jī)器的生產(chǎn)率或者其他要求出發(fā)，是否可以適當(dāng)降低鑄錠的力學(xué)性能。
六、鑄錠的表面缺陷
6．1 拉痕和拉裂
拉痕和拉裂是鑄錠相對(duì)于結(jié)晶器(或芯子)滑動(dòng)時(shí)，鑄錠凝殼與結(jié)晶器壁(或芯子壁)之間的摩擦以及二者之間的粘著所引起的，當(dāng)摩擦力和粘著力大于凝殼當(dāng)時(shí)的強(qiáng)度極限時(shí)就產(chǎn)生了裂口。
影響拉痕和拉裂產(chǎn)生的主要因素是：
1)合金性質(zhì)。在其他條件相同時(shí)，含鎂量較高的鋁合金比其他合金具有更大的形成拉裂的傾向性。因?yàn)檫@種合金鑄錠表面的氧化膜強(qiáng)度低，易粘著，具有很大的拉錠阻力(見(jiàn)圖2—11—17)。
2)工藝參數(shù)。在其他條件相同時(shí)，拉錠阻力隨結(jié)晶器內(nèi)液面的升高、鑄造速度和鑄造溫度的提高、鑄錠直徑的增大、冷卻水壓的降低而提高，因而形成拉痕和拉裂的傾向性增大。
此外，結(jié)晶器(芯子)拋光不好，安裝不正確，水垢太厚，液流分配不均，流股沖刷凝殼，潤(rùn)滑不良等因素均會(huì)提高鑄錠形成拉痕和拉裂的傾向。
防止拉痕和拉裂的措施是：
1)適當(dāng)降低鑄造速度和鑄造溫度；
2)適當(dāng)提高冷卻水壓，保證沿鑄錠周邊冷卻均勻；
3)降低結(jié)晶器內(nèi)液面高度；。
4)正確安裝結(jié)晶器、芯子和分配漏斗，防止液流偏斜，沖刷結(jié)晶面；
5)保持結(jié)晶槽工作表面光潔度，均勻適時(shí)地進(jìn)行潤(rùn)滑；
6)定期清理結(jié)晶器和芯子內(nèi)的水垢；
7)不要用被熔體退過(guò)火的(現(xiàn)場(chǎng)叫燒了)結(jié)晶器和芯子；
8)鑄造機(jī)起動(dòng)時(shí)，由靜摩擦突然過(guò)渡到動(dòng)摩擦?xí)r，其拉錠阻力極大，形成拉裂的傾向性也極大。為此，金屬液面不要上升太快。鑄空心錠時(shí)，開(kāi)始芯子水壓不要過(guò)大，水平亦應(yīng)控制低一些為好。
6．2 偏析浮出物
偏析浮出物是從鑄錠內(nèi)部滲流出來(lái)并在鑄錠表面呈瘤狀或小球狀凝結(jié)的易熔析出物，又叫發(fā)汗帶，俗稱偏析瘤。偏析浮出物中通常都富集有大量易熔組成物。因此，形成易熔共晶體的銅、鎂、鋅、硅的含量在浮出物中急劇升高，而錳、鉻等元素的含量在浮出物中較少。偏析浮出物是在鑄錠表面溫度低于線收縮開(kāi)始溫度，在鑄錠因收縮剛離開(kāi)結(jié)晶器壁而表面層還處于固液態(tài)的時(shí)候，或者在鑄錠與結(jié)晶器壁問(wèn)形成了空隙，鑄錠外層產(chǎn)生二次加熱使表層溫度達(dá)到枝晶間易熔組成物的熔點(diǎn)并使其熔化的時(shí)候，枝晶間的易熔組成物在液穴中熔體靜壓力的作用下，或者由于被加熱的固溶體晶粒體積增大和易熔物重熔時(shí)體積增大而產(chǎn)生的附加力的作用下，沿結(jié)晶骨架的孔道，在氧化膜破裂的地方滲出并在表面凝結(jié)而形成的。
影響偏析浮出物形成的因素有：
1)合金成分。合金處于固液態(tài)時(shí)，結(jié)晶骨架內(nèi)液相的相對(duì)數(shù)量愈多，則偏析浮出物形成的傾向愈大。沒(méi)有有效結(jié)晶區(qū)間的純鋁和合金沒(méi)有形成偏析浮出物的傾向。
2)冷卻條件。當(dāng)鑄錠表面層連續(xù)地冷卻時(shí)，鑄錠表面層在結(jié)晶器內(nèi)沒(méi)有二次加熱和重熔現(xiàn)象，則可以得到實(shí)際上沒(méi)有或很少有偏析瘤的鑄錠。在實(shí)際生產(chǎn)條件下，強(qiáng)化對(duì)鑄錠和結(jié)晶器的冷卻、縮短結(jié)晶器的有效高度、減小結(jié)晶器的錐度即縮小鑄錠中結(jié)晶器壁之間的縫隙、縮小鑄錠的橫截面尺寸，能降低形成偏析瘤的傾向。而普遍和局部缺水將提高形成偏析瘤的傾向。
3)鑄錠表面氧化膜的強(qiáng)度和完整程度。采取各種工藝措施，如：提高結(jié)晶器內(nèi)表面光潔度、均勻潤(rùn)滑；適當(dāng)降低鑄造速度和鑄造溫度、均布液流、以減小鑄錠和結(jié)晶器壁之間的摩擦，防止和減少表面氧化膜破裂的機(jī)會(huì)，可以降低形成偏析浮出物的傾向。
偏析浮出物是一種有害的鑄錠表面缺陷。在鑄造過(guò)程中，填充在鑄錠和結(jié)晶器之間的偏析浮出物對(duì)結(jié)晶器壁產(chǎn)生附加壓力，使拉錠阻力增大。采用帶有偏析浮出物的鑄錠直接進(jìn)行壓力加工，將導(dǎo)致半制品形成分層缺陷，使最終制品性能降低。因此，對(duì)鑄錠進(jìn)行加工之前，通常都要車(銑、鏜)掉表面這些缺陷。在生產(chǎn)中，應(yīng)想辦法盡可能消除或減少鑄錠表面的偏析浮出物。其措施是：
1)提高冷卻水壓，保證鑄錠周邊冷卻均勻；
2)降低結(jié)晶器的有效高度和縮小錐度；
3)適當(dāng)降低鑄造速度；
4)適當(dāng)降低鑄造溫度；
5)保持結(jié)晶器內(nèi)表面光潔度，均勻潤(rùn)滑；
6)正確安裝漏斗，合理分配液流，防止液流偏斜沖刷凝殼，造成凝殼局部熔化。
6．3 冷隔(成層)
冷隔又叫成層，它是位于鑄錠邊部敞露液面處的熔體提前凝固的結(jié)果。冷隔的形成過(guò)程的示意圖如圖2-11-18所示。連續(xù)鑄造時(shí)，在某些情況下(比如鑄造速度過(guò)低、鑄造溫度過(guò)低、冷卻強(qiáng)度過(guò)大、金屬水平不穩(wěn)、漏斗偏斜或漏斗眼堵塞等)，液穴內(nèi)的金屬不能均勻地到達(dá)鑄錠四周，在金屬流得少的地方，溫度很快降低，逐漸形成硬殼，它們阻止液體流到這個(gè)區(qū)域。只有在結(jié)晶器中部液體金屬的水平高度在硬殼之上并提高到足以克服表面張力和破壞氧化膜表面時(shí)，金屬液才又流向結(jié)晶器壁，但此時(shí)已不能與硬殼很好焊合。這種情況周而復(fù)始，便在鑄錠表面形成了一道道的冷隔。
冷隔常常是鑄錠裂紋的起因，并增大了鑄錠銑面和車皮的幾何廢品，降低了成品率。為了盡量減少或消除冷隔，其措施是：
1)對(duì)于裂紋傾向性較小的合金鑄錠，適當(dāng)提高鑄造速度；
2)當(dāng)提高鑄速受到裂紋限制的時(shí)候，采用帶錐度的結(jié)晶器或使用熱帽，適當(dāng)降低水壓和適當(dāng)提高鑄造溫度以降低鑄錠周邊層在敞露液面處的冷卻強(qiáng)度，并提高液態(tài)金屬的流動(dòng)性。
3)采用液面自動(dòng)控制漏斗，并做到正確安裝，大小適宜，以合理分配液流，防止金屬水平波動(dòng)。
6．4 鑄錠彎曲
鑄錠產(chǎn)生彎曲的原因主要有三：①鑄造機(jī)的故障(比如導(dǎo)軌不直或?qū)к壟c軸瓦間隙過(guò)大等)，致使底座平臺(tái)在下降過(guò)程中產(chǎn)生位移。②鑄造工具如結(jié)晶器、底座、蓋板等安裝不對(duì)中或在鑄造過(guò)程中位置產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)。③由于鑄錠懸掛而引起。
鑄錠彎曲程度通常要求小于3 mm/m，對(duì)于扁鑄錠大面彎曲則要求小于2 mm/m。
YS67--1993對(duì)鑄錠彎曲度的要求是不大于5 mm/m。防止鑄錠彎曲的辦法，①經(jīng)常檢查和調(diào)整鑄造機(jī)，使之在運(yùn)行過(guò)程中平穩(wěn)不晃動(dòng)；②正確組裝結(jié)晶器、底座和蓋板，既保證水平度，又保證垂直度，還要保證對(duì)中，調(diào)整后要緊固，防止鑄造過(guò)程中產(chǎn)生移動(dòng)；③選用表面光潔、錐度合適、平直的結(jié)晶器，并注意開(kāi)頭操作，防止鑄錠懸掛。
6．5 空心錠內(nèi)孔偏心
引起空心錠內(nèi)孔偏心的原因有：芯子安裝不正，結(jié)晶器偏斜，鑄造機(jī)下降不平穩(wěn)，鑄錠彎曲，搪孔不正確，鑄造工具不符合要求，由于芯子水冷不均而造成的鑄錠內(nèi)表面偏析浮出物局部加重。
空心錠偏心的結(jié)果將導(dǎo)致鑄錠壁厚不均，使車削和搪孔量增大，甚至報(bào)廢。通常，鑄錠偏心度要求不大于l mm，錠坯偏心度要求小于0.75 mm。防止空心錠偏心的基本措施是從鑄造機(jī)和鑄造工具入手，消除上述產(chǎn)生偏心的原因。
6．6 鑄錠尺寸不符
鑄錠尺寸不符就是指鑄錠或錠坯的實(shí)際幾何尺寸與要求的尺寸不相符合。造成鑄錠尺寸不符的主要原因有：
1)流口堵的過(guò)早或過(guò)晚；
2)行程指示器失靈；
3)鑄造井積渣過(guò)多，鑄錠長(zhǎng)度達(dá)不到要求；
4)計(jì)劃尺寸下達(dá)錯(cuò)誤；
5)爐料量不足；
6)機(jī)械電氣設(shè)備事故；
7)鑄錠由于表面夾渣、偏析瘤、冷隔、疏松和裂紋等原因引起車皮(鏜孔)量增加，導(dǎo)致錠坯尺寸超出公差；
8)因停電或其他原因引起的鑄造中途停車。
6．7竹節(jié)
因鑄造設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)問(wèn)題或結(jié)晶器內(nèi)表面錐度過(guò)大，在鑄錠表面形成的類似竹節(jié)的缺陷稱竹節(jié)。一般通過(guò)車皮或銑面可以去處。
七、電磁錠特有的表面缺陷
7．1 縱向波浪
縱向波浪就是鑄錠橫斷面尺寸的波動(dòng)，又稱橫向皺褶(見(jiàn)圖2—11—19)。它是在液面波動(dòng)或鑄造速度、冷卻強(qiáng)度、見(jiàn)水位置及鑄錠對(duì)垂直軸線的偏斜等發(fā)生變化的條件下，鏈錠表面固液區(qū)分界線位置發(fā)生改變，使電磁壓力與液體靜壓力失去平衡，導(dǎo)致鑄錠縱向上直徑忽大忽小而形成的?？v向波浪的形成過(guò)程可以說(shuō)明如下：在正常鑄造條件下，鑄錠邊部液一固區(qū)分界線通?？刂圃诟袘?yīng)圈中位面附近，此時(shí)建立了合金液柱靜壓力與電磁力的平衡關(guān)系(即ρgh=KI2)，鑄出的鑄錠保持平直。假定在某一時(shí)刻，上述參數(shù)之一發(fā)生變化，例如當(dāng)液面降低△h，則液柱靜壓力相應(yīng)降低ρg△h，于是，電磁推力與靜壓力的關(guān)系失去平衡，電磁推力相對(duì)增大，則液柱變細(xì)。冷凝后變細(xì)的鑄錠的見(jiàn)水位置下移，因而鑄錠固液區(qū)分界線相應(yīng)下移，液柱相應(yīng)提高，靜壓力增大，而在固液界面處的電磁推力又小于中位面處的電磁推力，故鑄錠又逐漸變粗。如此反復(fù)，便形成了連續(xù)的縱向波浪。所以，消除電磁鑄錠縱向波浪的基本措施是合理選擇電磁屏蔽的錐角，建立電磁力與合金液柱靜壓力的平衡關(guān)系。在電磁鑄造裝置確定的前提下，選擇合適的液面高度(一般控制在35～50 mm為宜)和鑄造速度，并保證各電氣參數(shù)和工藝參數(shù)在鑄造過(guò)程中保持相對(duì)穩(wěn)定。此外，鑄造機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)也是保證獲得優(yōu)良表面鑄錠的必要條件。
7．2 縱向皺褶
縱向皺褶(見(jiàn)圖2—11—20)產(chǎn)生于液柱側(cè)面并在冷卻時(shí)保留在鑄錠上。它是在鑄造溫度偏低、鑄造速度較慢、液態(tài)金屬供給不勻、沿鑄錠周邊冷卻不均的條件下產(chǎn)生的。主要分布在熱金屬不進(jìn)入的地方或者水冷較強(qiáng)烈的地方。提高鑄錠冷卻強(qiáng)度，使產(chǎn)生縱向皺褶的傾向性增大。產(chǎn)生縱向皺褶的機(jī)理是：在電磁鑄造時(shí)，由于液穴中電磁攪拌的作用，結(jié)晶前沿處固液兩相間的熱交換過(guò)程十分強(qiáng)烈，液相的蓄熱量急劇降低，因而給液穴體積內(nèi)晶體的生成創(chuàng)造了良好的條件。在鑄造溫度偏低，或者鑄造速度較慢時(shí)，上述情況得到加強(qiáng)。液穴中形成的這些微小的懸浮晶在運(yùn)動(dòng)的金屬流的作用下，被帶到液柱周邊區(qū)域。在鑄錠四周冷卻不均或供流不均的條件下，在熱金屬不進(jìn)入的地方或者水冷強(qiáng)烈的地方，液區(qū)周邊的氧化膜上就會(huì)附聚更多更厚的微晶體，在這些晶體濃度比較大的部位，金屬的流動(dòng)性大為降低，于是在液區(qū)周邊層形成了不同深度的垂直方向的溝槽。伴隨著液區(qū)周邊層熔體密度的這種不均勻的變化，熔體的導(dǎo)電率和表面張力也相應(yīng)產(chǎn)生不均勻的變化，于是，在磁場(chǎng)的作用下，液區(qū)周邊層區(qū)域產(chǎn)生了不同的表面變形條件，導(dǎo)致了與電磁推力方向一致的縱向皺褶的形成，這些皺褶在凝固時(shí)被完整的保留在鑄錠表面。
由上可知，液穴中熔體的循環(huán)是促進(jìn)懸浮晶形成和將懸浮晶帶至液區(qū)周邊層的主要原因，因而控制和減弱熔體的循環(huán)強(qiáng)度是消除縱向皺褶的主要辦法。為此可選擇較高的電流頻率和適當(dāng)?shù)钠帘螀?shù)，還可降低屏蔽相對(duì)于感應(yīng)器的位置。在電磁鑄造的裝置及電氣和幾何參數(shù)確定的條件下，消除縱向皺褶的方法是：提高鑄造溫度、提高金屬分布的均勻性和冷卻的均勻程度。
7．3 其他表面缺陷
電磁鑄錠表面的小疵和小麻眼是一類很難消除的表面缺陷，它們是在液穴內(nèi)氧化夾雜物上生成的懸浮晶體被帶到表面的結(jié)果。消除這類缺陷的手段首先是對(duì)液體金屬進(jìn)行充分的預(yù)先精煉，正確地向液穴中導(dǎo)入熔體。此外，應(yīng)選擇合適的鑄造制度，即適當(dāng)提高鑄造溫度，建立均勻的冷卻條件等。
除了上面的表面缺陷外，電磁鑄造時(shí)還往往產(chǎn)生鑄錠橫截面尺寸超差的現(xiàn)象。引起尺寸超差的主要原因有：工具設(shè)計(jì)不合理，供電電流過(guò)大或過(guò)小，液面過(guò)高或過(guò)低。
八、熱頂鑄造特有的表面缺陷
8．1 搭接式表面(周期性偏析)
搭接式表面是在熱頂鑄造時(shí)，鑄錠的表面形成發(fā)生在熱頂和結(jié)晶器的交界處，所以，其過(guò)程很不容易控制。搭接式表面的形成機(jī)理可用圖2—11—21的模型大致說(shuō)明如下：由結(jié)晶器壁生長(zhǎng)出彎液面，它與熱頂下面保持接觸(圖2—11—21(a))。隨著鑄錠下降，彎液面上部的空間擴(kuò)大，接著到達(dá)熱頂突臺(tái)的邊緣，彎液面上端與熱頂突臺(tái)邊緣保持橋式結(jié)合(圖2—11—21(b))。鑄錠進(jìn)一步下降，上部空間逐漸增大，熱傳導(dǎo)減小，因而橋式結(jié)合部溫度上升，接著便破裂，熔體流人，回復(fù)到開(kāi)始階段(圖2—11—21(c))。上述過(guò)程周而復(fù)始，于是便形成了類似成層(即冷隔)的搭接式表面。在(b)階段，由于內(nèi)側(cè)部分的凝固速度慢，溶質(zhì)元素在此濃聚，而固體中的溶質(zhì)元素降低，因而在鑄錠表面層出現(xiàn)了合金元素的周期性偏析(圖2-11-21(d))。顯然，搭接式表面和偏析區(qū)的深度與熱頂貯槽內(nèi)側(cè)的突出距離成比例。
8．2 汗珠式表面
汗珠式表面也是熱頂鑄造的特有缺陷之一。它是鑄造過(guò)程中，由于在結(jié)晶器和熱頂接觸的邊角部位形成負(fù)壓空間，熔體中的氣體在鑄錠表皮下凝聚長(zhǎng)大而造成的氣泡表面。
為了減少和防止熱頂鑄造特有的缺陷，獲得光滑而穩(wěn)定的表面品質(zhì)，世界各國(guó)對(duì)熱頂鑄造的裝置和工藝進(jìn)行了大量改進(jìn)，其中，比較有成效的辦法有：
1)由試驗(yàn)確定最佳的鑄造速度，使從結(jié)晶器壁導(dǎo)出的熱量最小，即使MAL接近于零(參見(jiàn)本篇第7章圖2—7—4)。
2)由試驗(yàn)確定鋁液靜壓力、結(jié)晶器高度和鑄造速度三個(gè)參數(shù)間的最佳配合值，使熱頂和結(jié)晶器接合處金屬液的彎月面保持不變。
3)在結(jié)晶器頂面和內(nèi)表面上部周圍開(kāi)挖油溝，利用鑄錠下降時(shí)在結(jié)晶器和熱頂接觸處的邊角部位所造成的負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供給潤(rùn)滑油。
4)采用石墨作結(jié)晶器內(nèi)表面襯套，并在石墨襯套的上部和結(jié)晶器之間開(kāi)一空氣隙，一方面降低一次冷卻強(qiáng)度，另一方面利用石墨的自潤(rùn)滑性。
5)在熱頂和結(jié)晶器之間，插入石墨或金屬薄環(huán)，以降低該處的一次冷卻強(qiáng)度。
6)在熱頂和結(jié)晶器之間插入分流板或者采用具有上小下大喇叭形供料口的熱頂或者其他辦法，以改變和控制進(jìn)入結(jié)晶器的液流。
7)從熱頂和結(jié)晶器之間導(dǎo)入壓力與該位置熔體靜壓力相平衡的空氣或惰性氣體，使熔體在該處不與結(jié)晶器接觸。
鑄錠中化學(xué)成分分布不均的現(xiàn)象叫偏析。在變形鋁合金中，偏析主要有晶內(nèi)偏析和逆偏析。
1．1 晶內(nèi)偏析
顯微組織中晶粒內(nèi)化學(xué)成分不均的現(xiàn)象稱晶內(nèi)偏析。
晶內(nèi)偏析的顯微組織特征是，浸蝕后的晶內(nèi)呈水波紋狀的類似樹(shù)木年輪狀組織。晶粒內(nèi)顯微硬度不同，晶界附近顯微硬度高，晶粒中心顯微硬度低。
晶內(nèi)偏析的存在，使晶粒內(nèi)部的化學(xué)成分和鑄錠的組織極不均勻，使鑄錠的性能嚴(yán)重惡化，主要是：
1)固溶體晶內(nèi)偏析造成的化學(xué)成分不均勻性和出現(xiàn)的不平衡過(guò)剩相，使合金抵抗電化學(xué)腐蝕的穩(wěn)定性降低。
2)非平衡共晶或低熔組成物的出現(xiàn)使合金開(kāi)始熔化溫度降低，使鑄錠在隨后的熱變形或淬火的加熱過(guò)程中容易產(chǎn)生局部過(guò)燒。
3)晶內(nèi)偏析不僅造成非平衡相出現(xiàn)和使第二相數(shù)量增加，而且，這些低熔相在晶枝周圍組成硬而脆的枝晶網(wǎng)絡(luò)，使鑄錠的塑性和加工性能急劇降低。
4)由晶內(nèi)偏析造成的化學(xué)成分不均勻性遺傳到半制品中，導(dǎo)致退火后在加工材中形成粗大晶粒。
晶內(nèi)偏析是不平衡結(jié)晶造成的。因此在鋁合金連續(xù)鑄造的實(shí)際生產(chǎn)中，晶內(nèi)偏析是不可避免的。消除晶內(nèi)偏析的有效方法是對(duì)鑄錠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的均勻化處理。在連續(xù)鑄造時(shí)，減輕晶內(nèi)偏析的方法是：第一，提高冷卻速度，采用變質(zhì)處理以細(xì)化晶粒和晶內(nèi)結(jié)構(gòu)，縮小晶內(nèi)偏析的范圍。第二，采用完全相反的方法，降低冷卻速度，進(jìn)行類似錠模鑄造的深液穴鑄造，以降低鐵、錳等元素的過(guò)飽和程度從而減輕偏析程度。第三，選擇一些能適當(dāng)?shù)馗淖兒辖鸾Y(jié)晶性質(zhì)的添加劑。例如在3A21合金中加入適量鐵，使固浴體中錳的濃度降低，從而減少錳在晶粒內(nèi)部分布的不均一性。實(shí)際生產(chǎn)中，在有雜質(zhì)鐵存在時(shí)，添加鈦對(duì)減輕3A21合金固溶體晶粒中的偏析有好處，因?yàn)殁伷龊湾i偏析的方向正好相反，樹(shù)枝狀晶的中心含鈦高，從而減少了鑄態(tài)晶粒中心和邊緣部分的固熔體濃度之差。
1．2 逆偏析
鑄錠邊部的溶質(zhì)濃度高于鑄錠中心溶質(zhì)濃度的現(xiàn)象稱逆偏析。逆偏析的組織特征不易從顯微組織辨別，只能從化學(xué)成分分析上確認(rèn)。
鋁合金鑄錠中的逆偏析是使鑄錠及其壓力加工制品在力學(xué)性能和物理性能方面產(chǎn)生很大差異的重要原因。逆偏析程度嚴(yán)重的區(qū)域其化學(xué)成分甚至超出標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定范圍，使力學(xué)性能超標(biāo)而報(bào)廢。
逆偏析是鋁合金連續(xù)鑄錠凝固過(guò)程中的一種拌生現(xiàn)象，無(wú)法完全避免，也不能用高溫均勻化使之消除。但根據(jù)逆偏析的形成規(guī)律及影響因素，可以把元素的偏析控制在允許的范圍內(nèi)。其辦法是：
1)提高鑄錠的冷卻強(qiáng)度。
2)選擇適當(dāng)?shù)蔫T造速度，使過(guò)渡帶對(duì)敞露液面的傾斜角度不致過(guò)大，一般以不超過(guò)60°為宜。
3)適當(dāng)提高鑄造溫度。
4)采用合適的鑄造漏斗，均勻?qū)Я鳎⑹顾飨蜩T錠的邊緣。
二、鑄錠中的氣體和非金屬夾雜物
2．1 非金屬夾雜(夾渣)
混入鑄錠中的熔渣或落人鑄錠內(nèi)的其他非金屬雜質(zhì)稱非金屬夾雜。其斷口特征為黑色條狀或片狀，顯微組織特征多為黑色線狀、塊狀、絮狀的紊亂組織，與基體色差明顯。非金屬夾雜是鋁加工制品產(chǎn)生分層和許多表面缺陷的重要原因。在熱處理和加熱過(guò)程中，非金屬夾雜的存在可促進(jìn)二次疏松和氣泡的形成。在力學(xué)性能方面，非金屬夾雜是應(yīng)力集中的場(chǎng)所，使合金的強(qiáng)度極限和伸長(zhǎng)率降低。特別是橫向伸長(zhǎng)率及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能(沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌度)降低更為嚴(yán)重。另外，非金屬夾雜物還會(huì)降低合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。
非金屬夾雜(夾渣)通常在檢查鑄錠橫向低倍試片時(shí)可以發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)圖2—11—1)。YS67—1993規(guī)定，對(duì)于全部合金制品，鑄錠試片上不得多于兩點(diǎn)夾渣，且單個(gè)面積小于0．5 mm2，否則就要判廢。非金屬夾雜(夾渣)是鋁合金鑄錠中出現(xiàn)頻率最高的一種廢品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，按質(zhì)量計(jì)算，因夾渣而報(bào)廢的鑄錠占廢品總量的10%～25%。
夾渣通常都是在鑄造過(guò)程中隨液體金屬一起掉入鑄錠中的爐渣、爐襯碎塊和塊度較大的氧化物所造成的。防止夾渣的辦法是；
1)仔細(xì)精煉，保證靜置時(shí)間，并在流盤(pán)或漏斗中采用玻璃布過(guò)濾；
2)盡可能縮短轉(zhuǎn)注距離，建立良好的轉(zhuǎn)注條件，封閉流槽、流盤(pán)、漏斗中的所有敞露落差，防止金屬液面波動(dòng)，在可能的條件下最好采用同水平鑄造；
3)徹底烘烤轉(zhuǎn)注工具，適當(dāng)提高鑄造溫度，鑄造過(guò)程中精心打渣，鑄造結(jié)束后仔細(xì)清理爐子、流盤(pán)和其他工具；
4)使用清潔的爐料。
2．2氧化膜
按照YS/T417.1—1999的定義，氧化膜是鑄錠中存在的主要由氧化鋁形成的非金屬夾雜物和未排除的氣體(主要為氫氣)。因此，氧化膜是鑄錠中一種特有的屬于非金屬夾雜物類型的缺陷(見(jiàn)圖2—11—2)，但是它又與夾渣不同，在對(duì)鑄錠的低倍試片和斷口組織進(jìn)行檢查時(shí)一般不能發(fā)現(xiàn)它，只有采用特制的工藝試樣(將鑄錠試樣鐓粗)才能發(fā)現(xiàn)。在鑄錠工藝試樣斷口上發(fā)現(xiàn)的氧化膜大致可分為三種類型：一類是呈淺黃色、褐色或暗褐色的片狀氧化膜；一類是表面形態(tài)與片狀氧化膜相似但呈白亮色的“亮片”；另一類是帶有銀白色光澤的呈圓形或橢圓形的“小亮點(diǎn)”。關(guān)于氧化膜的本質(zhì)目前還沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。但許多研究者認(rèn)為：鑄錠中三種類型的氧化膜都是熔體被水分、氫和氧所污染而造成的。其中，片狀氧化膜是由固態(tài)非金屬夾雜物或具有氧化表面的氣泡疏松所形成的分層，亮片是由未被壓合的疏松和氣泡所形成的分層，小亮點(diǎn)是由過(guò)飽和固溶體中析出的二次氫氣泡。
2．3疏松、縮孔
當(dāng)熔體結(jié)晶時(shí)，由于基體樹(shù)枝晶間液體金屬補(bǔ)充不足或由于存在未排除的氣體(主要為氫氣)，結(jié)晶后在枝晶內(nèi)形成的微孔稱疏松。由補(bǔ)縮不足形成的微孔稱為收縮疏松；由氣體形成的疏松稱氣體疏松。疏松的宏觀組織特征為黑色針孔，斷口組織特征為組織粗糙，不致密，疏松嚴(yán)重時(shí)斷口上有白色小亮點(diǎn)。顯微組織特征為有棱角形的黑洞，疏松愈嚴(yán)重，黑洞數(shù)量愈多，尺寸也愈大。
疏松使鑄錠密度減小，致密性降低，特別是降低高強(qiáng)鋁合金的沖擊韌度和橫向伸長(zhǎng)率。此外，有疏松的鑄錠在熱軋和鍛造時(shí)會(huì)引起裂紋，其半成品在球化退火時(shí)將出現(xiàn)氣泡。因此，疏松作為鑄錠的一個(gè)重要組織缺陷，必須設(shè)法防止。對(duì)于鑄錠中已產(chǎn)生的疏松要進(jìn)行嚴(yán)格控制，當(dāng)超出標(biāo)準(zhǔn)允許的程度時(shí)，鑄錠就要判廢。鋁合金鑄錠中疏松的程度一般可以通過(guò)測(cè)定試樣的密度并與該合金的理論密度進(jìn)行對(duì)比來(lái)確定。但在生產(chǎn)中，為方便起見(jiàn)，通常都是根據(jù)四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)圖片(該標(biāo)準(zhǔn)是按低倍試片單位面積上疏松孔洞的大小和數(shù)目來(lái)制定的，見(jiàn)YS67—1993)對(duì)照評(píng)級(jí)并確定成廢的。對(duì)一般用途的鋁合金鑄錠，直徑大于290 mm的，允許3級(jí)疏松(見(jiàn)圖2—11—3)，直徑小于290 mm的，允許2級(jí)疏松；但重要制品用的鑄錠，則不允許有疏松存在。
鋁合金連續(xù)鑄錠中的疏松總是分布在過(guò)渡帶較寬的等軸晶區(qū)，且總是為氣體所填充。在通常條件下，扁鑄錠的最大疏松區(qū)發(fā)生在寬面表皮層30 mm以內(nèi)的部位。鑄錠的最大疏松區(qū)發(fā)生在鑄錠中心，且隨結(jié)晶器高度增加而向邊部發(fā)展。供流條件對(duì)疏松的分布具有很大影響，并可能破壞上述規(guī)律而在局部地區(qū)造成最大疏松。
根據(jù)疏松的形成過(guò)程和影響因素可知，防止鑄錠產(chǎn)生疏松的辦法是：
1)降低熔體中氣體的含量。主要應(yīng)該做到如下幾點(diǎn)：
(1)爐子大、中修后烘爐要徹底；
(2)精煉劑、鑄造工具等預(yù)熱烘烤要徹底；
(3)精煉要徹底；
(4)防止熔體在爐中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
2)縮小鑄錠中過(guò)渡帶的尺寸。主要的措施是：
鋁合金連續(xù)鑄錠中的疏松總是分布在過(guò)渡帶較寬的等軸晶區(qū)，且總是為氣體所填充。在通常條件下，扁鑄錠的最大疏松區(qū)發(fā)生在寬面表皮層30 mm以內(nèi)的部位。鑄錠的最大疏松區(qū)發(fā)生在鑄錠中心，且隨結(jié)晶器高度增加而向邊部發(fā)展。供流條件對(duì)疏松的分布具有很大影響，并可能破壞上述規(guī)律而在局部地區(qū)造成最大疏松。
根據(jù)疏松的形成過(guò)程和影響因素可知，防止鑄錠產(chǎn)生疏松的辦法是：
1)降低熔體中氣體的含量。主要應(yīng)該做到如下幾點(diǎn)：
(1)爐子大、中修后烘爐要徹底；
(2)精煉劑、鑄造工具等預(yù)熱烘烤要徹底；
(3)精煉要徹底；
(4)防止熔體在爐中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
2)縮小鑄錠中過(guò)渡帶的尺寸。主要的措施是：
2．5 白點(diǎn)
白點(diǎn)指鋁合金鑄錠的斷口組織中一種沒(méi)有光線選擇性的呈灰白色的點(diǎn)狀薄膜(見(jiàn)圖2—11—5)。白點(diǎn)通常分布在鑄錠底部、澆口部及橫斷面的邊部。關(guān)于白點(diǎn)的本質(zhì)和形成機(jī)理現(xiàn)在還不清楚。初步研究表明，白點(diǎn)具有下列特性：
1)在含鎂高的鋁合金中容易出現(xiàn)；
2)呈堿性；
3)呈脆性。當(dāng)白點(diǎn)嚴(yán)重時(shí)，它能顯著降低鑄錠的塑性；
4)通常分布在鑄錠底部、澆口部及邊部：
5)白點(diǎn)的產(chǎn)生主要取決于熔體被氣體飽和的程度及鑄錠的冷卻條件。熔體含氣量愈高，
鑄錠冷卻強(qiáng)度愈小，則形成白點(diǎn)的傾向性愈大。
防止白點(diǎn)的辦法，一是降低熔體中的氣體含量，二是提高鑄錠的結(jié)晶速度。
三、鋁鑄錠中的裂紋
鋁合金扁鑄錠中常見(jiàn)的裂紋形式有四種，即：側(cè)面裂紋、底部裂紋、澆口部裂紋、表面裂紋(見(jiàn)圖2—11—6)。鋁合金圓鑄錠中常見(jiàn)的裂紋形式有：中心裂紋、表面裂紋、環(huán)狀裂紋和橫向裂紋(見(jiàn)圖2—11—7)。鋁合金空心圓鑄錠中常見(jiàn)的裂紋有內(nèi)孔放射狀裂紋、環(huán)狀裂紋和橫向裂紋三種(見(jiàn)圖2—11—8)。此外，在鋁合金鑄錠中，還有一種稱為晶層分裂的裂紋形式也時(shí)有所見(jiàn)。
圖2—11一6鋁合金扁鑄錠裂紋形式示意圖
(a)側(cè)面裂紋；(b)底部裂紋；(c)澆口裂紋；(d)表面裂紋
圖2—11—7鋁合金圓鑄錠裂紋形式示意圖
(a)中心裂紋；(b)表面裂紋；(c)環(huán)狀裂紋；(d)橫向裂紋
圖2—11—8鋁合金空心圓鑄錠裂紋形式示意圖
(a)內(nèi)孔放射狀裂紋；(b)環(huán)狀裂紋；(c)橫向裂紋
鑄錠中氧化膜的分布是不均勻的，也沒(méi)有嚴(yán)格的規(guī)律性，但根據(jù)大量的工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，大致具有下面一些傾向：
1)合金不同，鑄錠中出現(xiàn)的氧化膜類型也不同。通常，片狀氧化膜多見(jiàn)于2A12、7A04、2A11、5A06、2A14等合金中，亮片多見(jiàn)于6A02、2A50、2B50、2A14、2A02等合金中，小亮點(diǎn)多見(jiàn)于2A70、2A80等合金中。
2)鑄錠被氧化膜污染的傾向性隨熔體轉(zhuǎn)注距離加長(zhǎng)、鑄錠規(guī)格減小、氣溫升高和大氣絕對(duì)濕度增大而增大。
3)鑄錠被氧化膜污染的傾向性往往在首、尾鑄次和鑄錠的頭、尾部比較大。
4)鑄錠中氧化膜的顯現(xiàn)程度隨單向變形比的增大而提高。
防止和減少鋁合金鑄錠中產(chǎn)生氧化膜的辦法是：首先，在從原材料的貯存、準(zhǔn)備到熔煉鑄造的每一個(gè)工藝環(huán)節(jié)內(nèi)，從預(yù)防、保護(hù)、精煉三個(gè)方面入手，層層把關(guān)，采取相應(yīng)措施，聯(lián)合治理，保證金屬的純潔度。其次，防止和減少氧化膜的工作不能僅僅只放在除去熔體中的固態(tài)非金屬夾雜物方面，還應(yīng)該同時(shí)放在大大降低熔體中的氫含量上。在上述措施中，最關(guān)鍵的應(yīng)該做到下面四點(diǎn)：
1)采用最有效的除渣、除氣的聯(lián)合精煉方法；
2)采用完善的導(dǎo)爐和轉(zhuǎn)注工藝，實(shí)行同水平鑄造；
3)實(shí)行高溫鑄造；
4)防止二次污染。
3．1扁鑄錠側(cè)面裂紋
1)扁鑄錠側(cè)面裂紋的特點(diǎn)
(1)屬于冷裂紋；
(2)通常發(fā)生于硬合金(如7A04、2A12等)中；
(3)直接水冷半連續(xù)鑄造時(shí)，多發(fā)生在鑄錠長(zhǎng)度達(dá)l.5～2 m以后；
(4)裂紋起始處常拌隨夾渣、成層、拉裂、或結(jié)晶微裂紋；
(5)裂紋平面與水平面夾角取決于鑄造速度和鑄錠寬厚比。鑄造速度愈小，鑄錠愈寬，則夾角愈小。
連續(xù)鑄造時(shí)，扁鑄錠小面受三面冷卻，而大面中心部位受兩面冷卻，小面沿鑄錠軸向的溫度梯度和冷卻速度大大超過(guò)大面中心部位沿鑄錠軸向的溫度梯度和冷卻速度，因而使鑄錠小面產(chǎn)生沿高度方向作用的拉應(yīng)力。在剛開(kāi)始的時(shí)候，可能是因冷隔或非金屬夾雜物起了應(yīng)力集中的作用，使之在小面區(qū)便形成了很淺的原始裂紋。隨著鑄錠的逐漸冷卻，金屬對(duì)切口的敏感性大大提高，鑄錠內(nèi)的殘余應(yīng)力在原始裂紋處，發(fā)生局部集中，當(dāng)超過(guò)金屬?gòu)?qiáng)度所允許的程度時(shí)，便引起了側(cè)面裂紋的突然發(fā)展。
2)防止側(cè)面裂紋的辦法
(1)降低鑄錠小面區(qū)的拉應(yīng)力
①使用小面開(kāi)切口的結(jié)晶器，使鑄造時(shí)小面區(qū)的金屬提前冷卻，這時(shí)與小面區(qū)處于同一水平面的鑄錠寬面中心區(qū)的金屬僅在結(jié)晶器壁附近形成一層硬殼，不會(huì)對(duì)小面區(qū)的收縮造成大的阻力，因而降低了小面區(qū)的拉應(yīng)力。同時(shí)，小面區(qū)提前冷卻的結(jié)果，使抵抗拉應(yīng)力的金屬質(zhì)量增加。②在結(jié)晶器小面開(kāi)切口的情況下，適當(dāng)增大小面水壓，以加強(qiáng)切口的效果。③適當(dāng)提高鑄造速度，使鑄錠內(nèi)最大拉應(yīng)力點(diǎn)向?qū)捗嬷行囊苿?dòng)，這時(shí)，處于鑄錠寬面中心地區(qū)的金屬溫度較高，塑性較好，所產(chǎn)生的應(yīng)力很容易被金屬的變形所消除。同時(shí)，抵抗拉應(yīng)力的金屬量增多，故鑄錠側(cè)裂傾向性下降。④選擇合適的鑄錠截面。小面區(qū)的拉應(yīng)力在鑄錠厚度一定時(shí)隨寬厚比增大而增大，在寬厚比一定時(shí)隨厚度增大而增大。所以，對(duì)冷裂紋傾向大的合金，應(yīng)選擇較小的鑄錠寬厚比。
(2)特別注意防止小面成層、小面拉裂和小面夾渣。
(3)嚴(yán)格按內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)控制好化學(xué)成分，提高合金抵抗熱裂紋和冷裂紋的能力。
3．2局鑄錠底部裂紋
1)扁鑄錠底部裂紋具有下列特點(diǎn)：
(1)在軟合金和硬合金鑄錠底部均有可能產(chǎn)生；
(2)軟合金的底部裂紋屬于熱裂紋。裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度多在100 mm以下，并可在底部沿寬度方向的任何部位發(fā)生；
(3)硬合金的底部裂紋屬于冷裂紋，多產(chǎn)生于底部夾渣或結(jié)晶裂紋處，特別是鑄錠寬面中心線附近，且常以突然爆發(fā)的形式將整塊鑄錠撕裂。
鑄造開(kāi)始時(shí)，鑄錠底部與底座接觸而冷卻，形成一層凝殼。當(dāng)開(kāi)動(dòng)鑄造機(jī)，鑄錠脫模見(jiàn)水時(shí)，鑄錠表面受到急冷，產(chǎn)生很大的冷卻速度，但此時(shí)鑄錠正常液穴沒(méi)有形成，表面層的收縮受到內(nèi)層已凝固金屬的阻礙，使得在鑄錠底面和表面產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。此時(shí)鑄錠凝固層還不算太厚，鑄錠沿寬向的收縮使得鑄錠底部?jī)啥讼蛏袭a(chǎn)生翹曲，結(jié)果，鑄錠底表面受拉導(dǎo)致產(chǎn)生更大的附加拉應(yīng)力。在底部拉應(yīng)力的作用下，鑄錠的拉伸變形如果超出了金屬所允許的程度，便會(huì)形成底部裂紋。對(duì)于軟合金，由于對(duì)缺口敏感性小，當(dāng)鑄造進(jìn)入正常狀態(tài)時(shí)，裂紋即會(huì)終止發(fā)展。對(duì)于硬合金，隨著鑄錠不斷冷卻進(jìn)入低溫，對(duì)缺口敏感性不斷增大，鑄造開(kāi)始時(shí)形成的起始裂紋就會(huì)成為應(yīng)力集中源而導(dǎo)致鑄錠突然沿底部裂開(kāi)。
2)防止底部裂紋的辦法是：
(1)降低鑄錠底部的拉應(yīng)力。
①對(duì)于硬合金大型扁錠，采用純鋁鋪底。在鋪底時(shí)應(yīng)該做到：（a）要保證鋪底鋁的純度，其原鋁錠品位最好不要低于Al99.50；(b)控制鋪底用鋁中鐵大于硅；(c)鋪底鋁液溫度控制在710～750℃之間；(d)要保證用量，通常鋪底鋁端頭厚度不得小于20 mm；(e)適時(shí)放人基本金屬，防止鋪底鋁和基本金屬不能很好的焊合，通常以鋪底鋁四周凝固20 mm時(shí)放入金屬液為宜；①放人基本金屬前，應(yīng)將鋪底鋁表面硬殼和底渣徹底打凈。
②鑄造硬合金大型扁錠時(shí)，采用具有光滑凹形上表面的底座。
③采取相應(yīng)的工藝操作方法：(a)開(kāi)始供流不要太快，結(jié)晶器內(nèi)金屬水平不要太高。為此，對(duì)于鋪底的合金，在放人基本金屬前通常采用先降底座的辦法。對(duì)于軟合金，則采用開(kāi)頭時(shí)多次開(kāi)停車的辦法。這樣既可避免開(kāi)始時(shí)液面上升太高，又可避免懸掛。(b)鑄造開(kāi)始時(shí)，在鑄錠正常液穴形成前，可適當(dāng)降低冷卻水壓和鑄造速度(在設(shè)備條件許可的前提下)。(c)保證鑄錠四周冷卻均勻和供流均勻。
(2)特別注意防止鑄錠底部夾渣和漏斗底結(jié)物掉人。
(3)嚴(yán)格按內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)控制好化學(xué)成分，提高合金抵抗熱裂紋和冷裂紋的能力。
3．3 扁鑄錠澆口部裂紋
1)扁鑄錠澆口部裂紋具有下列特點(diǎn)：
(1)在軟合金和硬合金鑄錠澆口部均有可能產(chǎn)生；
(2)軟合金的澆口部裂紋屬于熱裂紋，裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度多在50 mm以內(nèi)；
(3)硬合金的澆口部裂紋屬于冷裂紋，可以在鑄造過(guò)程中或者收尾時(shí)或者鑄造結(jié)束后產(chǎn)生，在任何時(shí)候開(kāi)裂都帶有很大危險(xiǎn)性；
(4)澆口部裂紋主要產(chǎn)生于金屬液流注入的地方，并多因澆口部夾渣或結(jié)晶裂紋而引起。
鑄造收尾時(shí)，當(dāng)停止供流后，正常的鑄造過(guò)程受到破壞，液穴逐漸消失，鑄錠頭部金屬的收縮受到四周和下層金屬的阻礙，使之在鑄錠頂部沿寬度方向形成很大的拉應(yīng)力。如果澆口部的金屬在較高的溫度下就形成了微小的收縮裂紋，那么在鑄錠繼續(xù)冷卻時(shí)，它將引起應(yīng)力集中，而促使整個(gè)鑄錠迸裂。在生產(chǎn)中，澆口部裂紋多因澆口部夾渣、漏斗底結(jié)物掉入、表面裂紋、水冷不均、收尾操作不當(dāng)?shù)纫蛩囟T發(fā)。對(duì)于軟合金，由于塑性好，對(duì)缺口敏感性差，所產(chǎn)生的拉應(yīng)力因塑性變形而松弛，故裂紋很難擴(kuò)展。
2)防止?jié)部诓苛鸭y的辦法是：
(1)對(duì)于低溫塑性較差的2A12和7A04型合金的大型扁錠采用澆口部自身回火處理，操作時(shí)的注意事項(xiàng)見(jiàn)本篇第9．1．3節(jié)。
(2)對(duì)于澆口部不回火的合金鑄錠，停車不能過(guò)早，要讓澆口部涼透后再停水。
(3)在停止供流前，適當(dāng)降低小面水壓和鑄造速度(在設(shè)備條件許可的前提下)。
(4)保證水冷均勻，消滅鑄錠表面“白道”。
(5)特別注意防止?jié)部诓繆A渣、漏斗底結(jié)物掉入和產(chǎn)生表面熱裂紋。
(6)嚴(yán)格按內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)控制好化學(xué)成分，提高合金抵抗熱裂紋和冷裂紋的能力。
3．4扁鑄錠表面裂紋
1)扁鑄錠表面裂紋具有下列特點(diǎn)：
(1)屬于熱裂紋；
(2)在鑄錠寬面沿軸向裂開(kāi)，長(zhǎng)度不等，寬度多在0.5 mm之內(nèi)，深度通常不大于20 mm；
(3)主要分布在水冷較弱或液流注入的地方或鑄錠厚度上收縮最大的部位，裂紋處多拌隨“白道”；
(4)在軟合金和硬合金鑄錠上均可發(fā)生，尤其是具有較大熱脆性的合金。
實(shí)際生產(chǎn)中，鑄錠寬度方向的表面溫度分布是不均勻的。造成這種溫度分布不均的主要原因：
①采用小面帶切口的結(jié)晶器大大提高了鑄錠寬度方向上兩端和中間部分的溫度差；
②與液流供給方式和結(jié)晶器橫截面形狀相聯(lián)系的鑄錠寬面上各點(diǎn)沿厚度方向的收縮值不同，造成鑄錠與結(jié)晶器壁之間的縫隙值不同，大大提高了鑄錠表面的出口溫度及溫度不均性；
③冷卻系統(tǒng)供水不均造成了表面溫度的局部不均。由于上述因素的聯(lián)合作用，當(dāng)鑄錠從結(jié)晶器拉出時(shí)，鑄錠表面層受急冷作用而收縮，但因?yàn)楦鼽c(diǎn)的溫度不同，見(jiàn)水位置也不在同一水平線上，因而冷卻速度不一樣，其收縮量和收縮速率也不一樣，彼此產(chǎn)生制約作用，于是便在見(jiàn)水溫度較高的部位形成了更大的附加拉應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。裂紋一經(jīng)產(chǎn)生，便又成為應(yīng)力集中的場(chǎng)所，便之向長(zhǎng)度和深度方向發(fā)展。但裂紋發(fā)展的深度是有限的，因?yàn)楸忤T錠中心部分受壓應(yīng)力作用，能自動(dòng)抑制裂紋的擴(kuò)展。
2)防止表面裂紋的辦法是：
(1)提高鑄錠沿寬度方向溫度分布的均勻性，降低鑄錠在結(jié)晶器出口處的溫度。①適當(dāng)降低小面水壓、鑄造速度和鑄造溫度；②適當(dāng)減小結(jié)晶槽內(nèi)表面錐度，適當(dāng)降低結(jié)晶器內(nèi)的金屬液面；③保證大面兩側(cè)水冷均勻(結(jié)晶器放平，兩側(cè)擋水板水縫一致，水孔不要堵塞)；④均勻分配液流，防止漏斗歪斜。
特別注意防止表面夾渣和拉裂。
(3)嚴(yán)格按內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)控制好化學(xué)成分，提高合金抵抗熱裂紋和冷裂紋的能力。
3．5圓鑄錠中心裂紋
1)圓鑄錠中心裂紋具有下列特點(diǎn)
(1)在所有工業(yè)變形鋁合金鑄錠中均可產(chǎn)生，是圓鑄錠最常見(jiàn)的一種裂紋形式；
(2)在軟合金鑄錠中表現(xiàn)為熱裂紋，在硬合金鑄錠中通常表現(xiàn)為中心熱裂紋、外圍冷裂紋的混合型裂紋；
(3)裂紋沿鑄錠直徑平面發(fā)展、多數(shù)在鑄錠中心面相當(dāng)于直徑1/3～1/2的范圍內(nèi)，但有時(shí)也可發(fā)展成沿整個(gè)直徑破裂的通心裂紋；
(4)裂紋可在鑄錠全長(zhǎng)中心部位出現(xiàn)，從鑄錠底部直到澆口部。
圓鑄錠中心裂紋產(chǎn)生的基本原因是鑄錠內(nèi)外層溫差大，鑄錠內(nèi)層冷卻速度大于外層冷卻速度，內(nèi)層的收縮受到早已冷凝的外層的阻礙，使鑄錠中心層沿直徑平面形成拉應(yīng)力的緣故。這種應(yīng)力從結(jié)晶瞬間到鑄錠完全冷卻過(guò)程中不斷增強(qiáng)，當(dāng)超過(guò)金屬允許的變形值時(shí)，便產(chǎn)生了裂紋。鑄錠開(kāi)頭結(jié)尾時(shí)，由于正常的鑄造條件遭到破壞，冷卻條件極不均一，由此而產(chǎn)生的附加熱應(yīng)力也是導(dǎo)致中心裂紋的重要因素。在生產(chǎn)條件下，這種裂紋多因液穴太深，開(kāi)頭收尾操作不當(dāng)而引起。
2)中心裂紋的防止方法是：
(1)提高鑄錠抗裂紋的能力。①嚴(yán)格按內(nèi)標(biāo)控制化學(xué)成分和雜質(zhì)含量；②防止熔體過(guò)熱或在爐內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，并對(duì)熔體進(jìn)行變質(zhì)處理。
(2)提高鑄錠底部塑性，防止底部裂紋。①正確鋪底；②在設(shè)備允許的前提下，開(kāi)始鑄造時(shí)，將速度降至正常值的3/5，待鑄出的鑄錠長(zhǎng)度約為直徑的2～4倍時(shí)再將鑄造速度逐漸提高到正常值；③防止底部夾渣。
(3)提高鑄錠澆口部塑性，防止?jié)部诹鸭y。①進(jìn)行澆口部自身回火處理；②防止?jié)部诓繆A渣。
(4)調(diào)整液穴，降低鑄錠內(nèi)外層溫差。①降低鑄造速度；②防止使用過(guò)小的漏斗，均布液流；③提高結(jié)晶器高度或結(jié)晶器中金屬水平。
3．6圓鑄錠表面裂紋
1)圓鑄錠表面裂紋具有下列特點(diǎn)：
(1)屬于熱裂紋；
(2)裂紋方向平行于鑄錠軸線，在鑄錠橫截面上裂紋沿徑向呈放射狀分布，所以，這種裂紋又叫徑向裂紋或外圓放射狀裂紋；
(3)在鑄錠底部和澆口部通常沒(méi)有，主要分布在鑄錠中部，且多被緊密壓合；
(4)在軟合金和硬合金鑄錠中均可產(chǎn)生；
(5)主要分布在水冷較弱的地方。 ’
圓鑄錠中表面裂紋的產(chǎn)生類似淬火裂紋，它是在鑄錠液穴底部高于直接水冷帶的情況下，當(dāng)鑄錠從結(jié)晶器中拉出來(lái)的瞬間，鑄錠表面受到急劇冷卻，其收縮受到已經(jīng)凝固的中心層的阻礙，使外層產(chǎn)生拉伸應(yīng)力而形成的。此后，在鑄錠向下運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)冷卻過(guò)程中，由于外層溫度已較低，內(nèi)層冷卻速度逐漸變得大于外層冷卻速度，因而應(yīng)力性質(zhì)發(fā)生變化，外層受壓，內(nèi)層受拉，此時(shí)，裂紋即被緊密壓合。
2)表面裂紋的防止方法是：
基本方法是調(diào)整液穴深度，使鑄錠見(jiàn)水時(shí)的收縮不受阻礙。同時(shí)。又盡可能降低鑄錠的出口溫度，使鑄錠沿周邊的冷卻均勻。措施是：
(1)適當(dāng)提高鑄造速度；
(2)適當(dāng)降低結(jié)晶器高度或結(jié)晶器內(nèi)金屬水平；
(3)使用錐度較小的結(jié)晶器；
(4)水冷均勻；
(5)液流分配均勻。
3．7 圓鑄錠環(huán)狀裂紋
1)圓鑄錠環(huán)狀裂紋具有下列特點(diǎn)：
(1)屬于熱裂紋；
(2)通常在離鑄錠邊緣20～40 mm處呈環(huán)狀或半環(huán)狀分布；
(3)常在具有柱狀晶組織的鑄錠中發(fā)現(xiàn)。
圓鑄錠環(huán)狀裂紋是在鑄錠外層和鑄錠中間部分的冷卻速度差別很大時(shí)于過(guò)渡帶轉(zhuǎn)折處形成的。此時(shí)，鑄錠凝殼既薄又陡；而液穴平坦，這種條件很容易促使柱狀晶的生長(zhǎng)，并沿晶界處沉積低熔點(diǎn)組成物和非金屬夾雜，因而使晶界聯(lián)系大大減弱；同時(shí)，當(dāng)鑄錠進(jìn)一步冷卻時(shí)，中間層以超過(guò)表面層的冷卻速度進(jìn)行，結(jié)果在液穴轉(zhuǎn)折處形成徑向拉應(yīng)力，并在晶界削弱的地方，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。如果此時(shí)鑄錠表面均勻冷卻，則液穴轉(zhuǎn)折處沿鑄錠同心圓周分布，產(chǎn)生的裂紋在鑄錠橫斷面呈真正的環(huán)形；如果鑄錠表面冷卻不均，或者鑄錠緊貼結(jié)晶器壁一面，或者漏斗供流不均，則液穴轉(zhuǎn)折處就不呈同心圓。因此徑向應(yīng)力在某一部分減小，而在另一部分加大，此時(shí)形成的裂紋只是在圓周的一部分出現(xiàn)。這是生產(chǎn)中出現(xiàn)的最普遍的情況。環(huán)形裂紋在澆口部也可出現(xiàn)，并隨液穴轉(zhuǎn)折處的變化從鑄錠邊緣向中心自下而上延伸很長(zhǎng)。
2)環(huán)狀裂紋的防止方法是：
(1)改變液穴的轉(zhuǎn)折面。①降低結(jié)晶器有效高度和鑄造速度；②合理選擇漏斗，正確安放，保證供流均勻；③正確安裝結(jié)晶器，保證水冷均勻；④停止供流后不要立即停車，待結(jié)晶器內(nèi)金屬水平位于水冷帶上面60～70 mm時(shí)再停。
(2)細(xì)化晶粒，提高合金抗熱裂紋的能力。①按內(nèi)標(biāo)控制化學(xué)成分和雜質(zhì)含量；②防止熔體過(guò)熱和熔體停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；③適當(dāng)降低鑄造溫度；④降低配料時(shí)新鋁用量，對(duì)熔體進(jìn)行變質(zhì)處理。
3．8 圓鑄錠橫向裂紋
1)圓鑄錠橫向裂紋具有下列特點(diǎn)：
(1)屬于冷裂紋；
(2)主要產(chǎn)生于高強(qiáng)鋁合金的大直徑圓鑄錠中；
(3)一般表現(xiàn)為內(nèi)部裂紋，但偶然也擴(kuò)展到鑄錠外側(cè)；
(4)在鑄錠中周期性出現(xiàn)。
橫向裂紋是由于大直徑圓鑄錠的鑄造速度低，軸向溫度梯度大，在鑄錠中沿高度方向產(chǎn)生拉應(yīng)力作用的結(jié)果。如果鑄錠在結(jié)晶末期就產(chǎn)生了結(jié)晶裂紋，或者有成層、夾渣等誘發(fā)因素存在，則更易產(chǎn)生。有人指出，這類裂紋比其他類型的裂紋具有較大的偶然性，認(rèn)為它們主要是在一定的鑄造速度區(qū)間，即結(jié)晶面與水平面的傾斜角接近30°時(shí)產(chǎn)生的。
2)橫向裂紋的防止方法是：
(1)適當(dāng)提高鑄造速度；
(2)保證供流均勻，冷卻均勻；
(3)防止鑄錠表面成層、夾渣；
(4)合理控制化學(xué)成分和雜質(zhì)含量，提高鑄錠低溫塑性。
3．9 空心圓鑄錠內(nèi)孔放射狀裂紋
內(nèi)孔放射狀裂紋多分布在內(nèi)孔表面冷卻較弱的地方，而在內(nèi)表面光亮處很少見(jiàn)。這種裂紋類似圓鑄錠表面裂紋，屬于熱裂紋。它是在鑄錠內(nèi)表面急劇冷卻而收縮時(shí)，由于受到芯子的阻礙，在鑄錠內(nèi)孔表面層形成切向拉應(yīng)力而引起的。
內(nèi)孔放射狀裂紋的防止方法是：
1)選用錐度合適的芯子，以與鑄錠的熱收縮值相適應(yīng)。
2)采取工藝措施降低鑄錠內(nèi)表面脫模前的線收縮值。即：①適當(dāng)降低芯子水冷強(qiáng)度；②適當(dāng)降低芯子始水水位。
3)防止不均勻收縮。①正確裝配芯子，避免偏斜；②保證芯子水冷卻均勻。
3．10空心圓鑄錠環(huán)狀裂紋
環(huán)狀裂紋也是一種熱裂紋，多沿液穴底部分布。當(dāng)采用單點(diǎn)供流時(shí)，環(huán)狀裂紋發(fā)生在金屬注入點(diǎn)；當(dāng)采用雙點(diǎn)供流時(shí)，環(huán)狀裂紋發(fā)生在兩個(gè)注入點(diǎn)之問(wèn)。它是在芯子給水水位高于結(jié)晶器給水水位的情況下，液穴底部接近鑄錠厚度中心，當(dāng)厚度中心層的金屬以較大的冷卻速度收縮時(shí)，因受到已經(jīng)冷凝的鑄錠內(nèi)外表面層的阻礙，使之在鑄錠壁厚中心造成很大徑向拉應(yīng)力而產(chǎn)生的。
環(huán)狀裂紋的防止方法是：
1)提高鑄錠外表面冷卻水位或降低內(nèi)表面冷卻水位；
2)均布液流；
3)適當(dāng)降低鑄造速度和鑄造溫度。
3．11 空心圓鑄錠橫向裂紋
空心圓鑄錠中的橫向裂紋同圓鑄錠中的橫向裂紋一樣，也多產(chǎn)生于高強(qiáng)鋁合金的大直徑而壁薄的鑄錠中。它也是在鑄造速度較慢的情況下，鑄錠內(nèi)軸向溫度梯度加大，因而沿軸向產(chǎn)生拉應(yīng)力所致。
橫向裂紋的防止方法是：
1)提高鑄造速度，降低芯子水壓；
2)正確安裝芯子，保證鑄錠壁厚均勻；
3)防止內(nèi)外表面成層；
4)合理控制成分提高鑄錠低溫塑性。
空心圓鑄錠除了上述三種類型的裂紋形式外，對(duì)于某些合金的大規(guī)格空心錠，在不鋪底或不回火的情況下，由于鑄造開(kāi)頭、結(jié)尾時(shí)所產(chǎn)生的附加應(yīng)力的作用，也會(huì)使空心鑄錠產(chǎn)生象圓鑄錠一樣的底部和澆口部通一裂紋，甚至裂成數(shù)瓣。
3．12晶層分裂
在鑄錠邊部斷口上沿柱狀晶軸產(chǎn)生的層狀開(kāi)裂稱晶層分裂(見(jiàn)圖2—11—9)。
1)晶層分裂的特點(diǎn)是：
(1)是鑄錠斷口的一種分層現(xiàn)象，分層面與晶界吻
合，在其低倍試片上，經(jīng)仔細(xì)研磨和腐蝕后，也能沿晶界發(fā)現(xiàn)裂紋；
(2)裂口多為母液所填充；
(3)常常在柱狀晶區(qū)發(fā)現(xiàn)。
晶層分裂是晶界聯(lián)系大大減弱的結(jié)果，它主要是在熔體中含氣量較大，鑄造溫度較高而鑄錠的冷卻強(qiáng)度又較小時(shí)，在鑄錠結(jié)晶末期形成的。
2)晶層分裂的防止重點(diǎn)是消除柱狀晶產(chǎn)生的條件，此外，應(yīng)做到：
(1)適當(dāng)提高鑄錠的冷卻強(qiáng)度，降低結(jié)晶器有效高度，并清除結(jié)晶器內(nèi)水垢；
(2)防止熔體過(guò)熱和在爐內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；
(3)徹底精煉，降低熔體中氣體含量；
(4)鑄造收尾時(shí)不要停車過(guò)早。
四、鑄錠的晶粒度和組織缺陷
4．1 鑄錠的晶粒度
鑄錠晶粒度指鑄態(tài)晶粒的大小。對(duì)于變形鋁合金而言，是指基相鋁固溶體晶粒的大小。影響鋁合金鑄錠晶粒度的因素很多，主要是：
1)活性雜質(zhì)的含量
在實(shí)際的連續(xù)鑄造條件下，鑄錠中晶核的形成總是產(chǎn)生于活性雜質(zhì)，而不是來(lái)源于自發(fā)形核。因此，熔體中活性雜質(zhì)含量愈多，則鑄錠結(jié)晶時(shí)的晶核數(shù)量也愈多，鑄錠晶粒度愈細(xì)小。但是，不同的活性雜質(zhì)，形核所要求的過(guò)冷度(即雜質(zhì)的活性)是不同的。其中，TiAl3所需的生核過(guò)冷度小到接近于零，是目前為止所發(fā)現(xiàn)的鋁合金中最為有效的活性質(zhì)點(diǎn)。它不僅可以減少柱狀晶組織的出現(xiàn)和細(xì)化等軸晶粒，同時(shí)也能影響柱狀晶的橫向尺寸。因此，鋁合金中鈦含量的多少是決定鑄錠晶粒度變化的基本因素。一般而言，凡是采用含鈦量極低的原鋁錠配制合金時(shí)，其鑄錠易于形成柱狀晶或粗大等軸晶的組織。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了得到穩(wěn)定而細(xì)小的晶粒，除了少數(shù)幾個(gè)有特殊要求的合金外，都毫無(wú)例外地采用各種變質(zhì)劑人工加入0.02%～0.1%的鈦。應(yīng)該指出，合金中加鈦過(guò)量也是無(wú)益的，這樣會(huì)促使生成粗大的金屬化合物，不僅影響制品最終性能，而且會(huì)因聚集沉積而降低細(xì)化效果。
2)合金成分
由成分(濃度)過(guò)冷的條件可知(見(jiàn)本篇第5．3．3節(jié))，在G/R一定的條件下，各種合金形成濃度過(guò)冷的傾向是不一樣的。在鋁合金中，那些能顯著降低合金的液相線溫度(即m值大)在合金中固溶量很小(即K≤1)的元素，在晶體生長(zhǎng)時(shí)富集在相界面上，它們既能阻礙已有晶體的生長(zhǎng)，又能形成較大的濃度過(guò)冷促進(jìn)生核，還能使晶體的分枝形成細(xì)的縮頸，易于產(chǎn)生晶體增殖，因而能使鑄錠晶粒顯著細(xì)化。顯然，合金元素的細(xì)化作用與過(guò)冷參數(shù)m(1-K)C0/K有關(guān)，在濃度C0一定的前提下，m(1-K)/K值愈大，則合金產(chǎn)生濃度過(guò)冷的傾向愈大，細(xì)化晶粒的作用愈明顯。在鋁合金中，銅、鎂、硅、鋅、錳、鐵、鎳等元素都是程度不同的濃度過(guò)冷元素，因此，對(duì)于純鋁而言，它們都具有程度不同的晶粒細(xì)化作用，且隨濃度提高，細(xì)化作用也增強(qiáng)。在工業(yè)生產(chǎn)中，可以看到下列現(xiàn)象存在：①、高純鋁、工業(yè)純鋁錠，形成柱狀晶的傾向性比較大；②、與純鋁相比，合金錠的晶粒度比較??；③、合金錠的晶粒度，隨成分濃度的增大而減小。在生產(chǎn)Al一Mg系合金和Al—Cu—Mg—Si系合金(如6A02、2A50、2A14)的鑄錠時(shí)，晶粒度分別隨鎂含量和銅含量的增大而細(xì)化。但是，應(yīng)該指出，在實(shí)際生產(chǎn)條件下，由于合金中鈦雜質(zhì)的突出作用，總的來(lái)講，合金中主要組元對(duì)鑄錠晶粒度的影響還是不明顯的。
3)熔體過(guò)熱溫度
對(duì)于所有變形鋁合金，當(dāng)其他條件相同時(shí)；熔體過(guò)熱溫度愈高，則鑄錠形成柱狀晶和粗大等軸晶的傾向愈大。
熔體過(guò)熱溫度對(duì)晶粒度的影響可從兩方面說(shuō)明：①過(guò)熱溫度愈高，雜質(zhì)的去活作用愈強(qiáng)，熔體中可作為非自發(fā)晶核的數(shù)目愈少；②熔體過(guò)熱溫度愈高，結(jié)晶前沿液體中的溫度梯度愈陡，使形成濃度過(guò)冷的傾向縮小，并使過(guò)冷帶變窄，雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在過(guò)冷帶停留時(shí)間變短，因而依靠原子擴(kuò)散作用使雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)形成該合金晶核的可能性變小，故鑄錠結(jié)晶時(shí)形成柱狀晶和粗大等軸晶的傾向增大。
4)導(dǎo)流方式
向液穴導(dǎo)入熔體的方式直接影響結(jié)晶前沿各區(qū)域的溫度分布，鑄錠的晶粒大小和形狀與這種溫度分布相適應(yīng)。顯然，直接向結(jié)晶前沿處供給過(guò)熱金屬，便可以在該處得到柱狀晶組織。比如，將過(guò)熱熔體以集中液流導(dǎo)入鑄錠中部，便會(huì)促使鑄錠中心得到柱狀晶組織，液流偏斜亦導(dǎo)致主要柱狀晶區(qū)偏移。液流的這種影響，①過(guò)熱液流減小了結(jié)晶前沿處的過(guò)冷，使可以作為非自發(fā)晶核的有效質(zhì)點(diǎn)數(shù)減小；②新的熱的液流的不斷補(bǔ)充，使結(jié)晶前沿既不能建立濃度梯度，又使溫度梯度變得很陡，因而不能產(chǎn)生濃度過(guò)冷，過(guò)冷帶也變得很窄，即在結(jié)晶前沿前方的液體中很難生核，故導(dǎo)致柱狀晶甚至羽毛晶的生成。在實(shí)際生產(chǎn)中，導(dǎo)流方式主要借助分配漏斗控制，因此漏斗的類型、大小、安放位置、偏斜程度、沉入深度、流眼的孔數(shù)、大小和分布、堵塞情況等都將影響到鑄錠的結(jié)晶組織，應(yīng)引起足夠重視。
5)熔體相對(duì)結(jié)晶面運(yùn)動(dòng)
鑄錠結(jié)晶期問(wèn)，采用攪拌或振動(dòng)等方法加強(qiáng)液穴內(nèi)熔體相對(duì)于結(jié)晶面的運(yùn)動(dòng)，將有利于獲得細(xì)小的等軸晶。這是因?yàn)椋阂环矫?，這種運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)了熔體和冷凝殼之間的熱交換強(qiáng)度，使液穴中熔體溫度降低，結(jié)晶前沿液體中溫度梯度變得平緩，過(guò)冷帶變寬，因而，使成核質(zhì)點(diǎn)的數(shù)目增加。另一方面，這種運(yùn)動(dòng)促使結(jié)晶面的晶體脫落、熔斷和破碎，增加了固有晶核數(shù)目，從而獲得細(xì)小的等軸晶。
6)冷卻速度
冷卻速度對(duì)鑄錠晶粒度的影響是通過(guò)改變鑄錠結(jié)晶前沿的過(guò)冷度大小和過(guò)冷帶寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通常冷卻速度愈大，結(jié)晶前沿的過(guò)冷度也愈大，因而有效活性雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的數(shù)目愈多，使之有減小柱狀結(jié)晶的趨勢(shì)。但是，鑄錠能否得到細(xì)等軸晶，決定的因素還在于過(guò)冷帶的寬度。冷卻速度愈大，鑄錠斷面溫度梯度亦愈大，故過(guò)冷帶變窄。如果這時(shí)過(guò)冷帶雖然變窄，但對(duì)形成晶核是足夠的話，則鑄錠得到更為細(xì)小的等軸晶。如果過(guò)冷帶變窄的程度不能使之生核，則將促進(jìn)柱狀晶組織的形成。在實(shí)際生產(chǎn)中，冷卻速度主要取決于結(jié)晶器有效高度、鑄錠橫斷面尺寸和冷卻水壓的大小。因此，這些因素也通過(guò)改變冷卻速度影響著鑄錠的晶粒度和結(jié)晶組織。
7)鑄造速度
提高鑄造速度使鑄錠邊緣等軸晶帶縮小，而使錠心等軸晶帶擴(kuò)大，柱狀晶帶的寬度則取決于等軸晶帶尺寸的變化大小。這是因?yàn)殡S著鑄造速度的提高，一方面使鑄錠徑向溫度梯度變陡，縱向溫度梯度變緩；而另一方面，鑄錠的結(jié)晶速度增大，特別是鑄錠中心區(qū)的結(jié)晶速度增大更為明顯。這兩個(gè)因素的聯(lián)合作用，使得鑄錠中心部位的過(guò)冷帶變寬，濃度過(guò)冷傾向增大，故利于錠心等軸晶帶的發(fā)展。反之，鑄錠邊緣等軸晶帶變得窄小。但是存在著另一種極端情況，即當(dāng)鑄造速度十分慢時(shí)，由于液穴變淺，鑄錠徑向溫度梯度變緩，過(guò)冷帶擴(kuò)大。
同時(shí)由于補(bǔ)充的新液流少，致使整個(gè)液穴處于過(guò)冷狀態(tài)，加之敞露液面結(jié)晶體的下沉，在這種情況下，整個(gè)鑄錠將全部為細(xì)小等軸晶所占據(jù)。
在其他條件相同的情況下，通常，鑄錠的晶粒愈粗大，則力學(xué)性能愈低、塑性愈差、壓力加工性能愈壞。所以，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證制品性能和加工性能的穩(wěn)定，對(duì)鑄錠的晶粒度必須進(jìn)行控制。變形鋁合金鑄錠的晶粒度在檢查時(shí)都是根據(jù)五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)圖片對(duì)照評(píng)級(jí)并確定成廢的。對(duì)重要用途的鑄錠，要求晶粒度較細(xì)，一般允許1級(jí)；YS/67--1993對(duì)用于建筑型材生產(chǎn)的鑄錠，要求晶粒度不得大于2級(jí)；對(duì)其他用途的鑄錠，晶粒度可以大一些，一般允許3級(jí)。
4．2羽毛狀晶、粗大晶粒
由于熔體過(guò)熱等原因在鑄錠宏觀組織中形成的類似羽毛狀的金屬組織，稱羽毛狀晶，其低倍組織見(jiàn)圖2—5—13，顯微組織見(jiàn)圖2-11-10。羽毛狀晶尺寸較大，在鑄錠截面上分布有時(shí)分散，有時(shí)連成一片。斷口組織呈片狀。顯微組織為粗大孿晶組織，是柱狀晶變種。枝晶一邊為直線孿晶晶軸，另一邊為鋸齒狀晶界。鑄錠變形后宏觀組織仍保持羽毛狀，顯微組織由亞晶晶粒組成。
羽毛狀晶是在結(jié)晶前沿液體中的溫度梯度十分陡峭，過(guò)冷帶極為窄小的情況下生成的。當(dāng)熔體的過(guò)熱溫度很高，鑄錠的冷卻速度極快，向結(jié)晶面直接供給熱的金屬流以及熔體中的有效活性質(zhì)點(diǎn)極少時(shí)很容易產(chǎn)生。
羽毛狀晶的力學(xué)性能不低于等軸晶，但這種晶粒組織存在著很強(qiáng)的方向性，縱向和橫向的力學(xué)性能差異較大，羽毛晶的雙晶面是弱面，在軋制和鍛造時(shí)工藝塑性不好，容易沿弱面裂紋。所以，為了保證材料的加工穩(wěn)定性，并提高制品的最終性能，對(duì)鑄錠中羽毛晶要進(jìn)行控制。通常，羽毛狀晶按低倍試片上所占的總面積，按鑄錠用途和直徑的大小，分別控制在(30×30)mm～(110×110)mm之間。YS67--1993要求建筑型材生產(chǎn)用鑄錠組織中的羽毛狀晶的總面積不得大于鑄錠橫截面總面積的30%。
消除羽毛狀晶的辦法是降低結(jié)晶前沿熔體中的溫度梯度，擴(kuò)大過(guò)冷帶和兩相區(qū)的寬度，增大濃度過(guò)冷，破碎結(jié)晶骨架，提高合金中活性質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量。具體措施是：
1)采用高效變質(zhì)劑，對(duì)熔體進(jìn)行變質(zhì)處理。在采用陶瓷管過(guò)濾的條件下，最好在過(guò)濾后對(duì)熔體以接種形式進(jìn)行變質(zhì)處理；
2)嚴(yán)格控制熔體的熔煉溫度和鑄造溫度及熔體在熔煉爐和靜置爐的總停留時(shí)間：
3)適當(dāng)提高結(jié)晶器有效高度，降低冷卻水壓，在熱頂鑄造和矮結(jié)晶器鑄造的時(shí)候，更應(yīng)適當(dāng)調(diào)整G/R的比值，使之盡可能小一些；
4)合理設(shè)計(jì)和安裝漏斗，使之供流均勻，避免熱流切向?qū)虢Y(jié)晶面；
5)配料時(shí)應(yīng)控制新舊料比，適當(dāng)降低原鋁錠比例，在使用舊料時(shí)，應(yīng)考慮廢料的遺傳性影響，適當(dāng)補(bǔ)加有效鈦的含量。
粗大晶粒指在宏觀組織上出現(xiàn)的均勻或不均勻的超出晶粒度標(biāo)準(zhǔn)的大晶粒(見(jiàn)圖2—11—11)。粗大晶粒不破壞金屬的連續(xù)性，只使金屬某些性能指標(biāo)降低或使性能不均勻。產(chǎn)生粗大晶粒的原因和防止措施與羽毛狀晶基本相同，只是程度不一而已。
4．3光亮晶粒
在宏觀組織中存在的色澤光亮的樹(shù)枝狀組織稱光亮晶粒(見(jiàn)圖2一ll—12)。顯微組織特征為粗大枝晶網(wǎng)狀組織，枝晶尺寸比正常組織大拾l(fā)0以上。
圖2—11—12鋁合金鑄錠中的光亮晶粒
光亮晶粒是在漏斗底部(立式鑄造時(shí))或?qū)Я靼?臥式鑄造時(shí))流口下邊鑄錠側(cè)形成的一種先期凝結(jié)物，它是一種貧乏的鋁固溶體。連續(xù)鑄造時(shí)，光亮晶粒是由于鑄錠液穴內(nèi)的過(guò)冷帶擴(kuò)展到上述區(qū)域，使已經(jīng)形成的樹(shù)枝狀晶掛在漏斗或?qū)Я靼?喇叭碗)的不平整表面上，在過(guò)冷度極小的情況下，于液穴中長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)大而生成的。光亮晶粒在生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)速度十分緩慢，且因光亮晶粒周圍的金屬液流不斷更新，使該處的液相成分在結(jié)晶過(guò)程中沒(méi)有大的變化，在光亮晶粒和液相間始終保持著開(kāi)始結(jié)晶時(shí)的濃度差，因而就使得光亮晶粒成為貧乏的鋁固溶體。在上述區(qū)域形成的光亮晶粒，由于某種原因(比如立式鑄造時(shí)鑄造機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，底結(jié)物自重增加或偶然的振動(dòng)等，在橫向鑄造時(shí)，光亮晶粒沿下緣生長(zhǎng)到與結(jié)晶前沿相接觸時(shí))，就會(huì)落入或凝入鑄錠內(nèi)而形成一種獨(dú)特的組織缺陷。
從光亮晶粒的上述形成過(guò)程，可知它有如下特征：
1)在以α固溶體樹(shù)枝晶作為一次晶的所有鋁合金鑄錠中，均有可能產(chǎn)生；
2)在光亮晶粒內(nèi)，降低合金熔點(diǎn)的元素如銅、鎂、鋅的含量低于該合金的平均成分；
3)光亮晶粒在過(guò)冷度極小的情況下生長(zhǎng)，結(jié)晶熱的放散極其緩慢，故光亮晶粒的晶內(nèi)結(jié)構(gòu)粗大；
4)由于光亮晶粒中合金元素貧乏，光亮晶粒區(qū)域的硬度，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均降低。另外，由于晶內(nèi)結(jié)構(gòu)粗大，且與基體金屬之間的邊界結(jié)合不完善，故伸長(zhǎng)率也有所降低；
5)在立式鑄造時(shí)，光亮晶粒沿鑄錠橫截面的分布與漏斗位置及大小相適應(yīng)，而沿鑄錠縱向的分布沒(méi)有規(guī)律，存在著偶然性。在橫向鑄造時(shí)，光晶沿鑄錠下部(激冷側(cè))呈間斷周期分布。
顯然，光亮晶粒作為鋁合金鑄錠的一種組織缺陷，它破壞了鑄錠組織的均一性，使制品性能受到影響，故應(yīng)根據(jù)制品用途進(jìn)行控制。YS/67--1993對(duì)光亮晶粒的要求是，在所檢查的每個(gè)鑄錠試片內(nèi)，允許不多于2點(diǎn)，每點(diǎn)平均直徑不太于3 mm。
消除光亮晶粒的根本方法是消滅產(chǎn)生光亮晶粒的溫度條件和光亮晶粒的依附條件，即使液穴內(nèi)過(guò)冷帶不擴(kuò)展到金屬分配器處，也盡量使金屬分配器表面圓滑平整。為此，在立式鑄造時(shí)，應(yīng)該：
1)適當(dāng)提高鑄造溫度和鑄造速度；
2)充分預(yù)熱漏斗；
3)漏斗不要太大且不要放置過(guò)深；
4)漏斗孔距漏斗底不要過(guò)高；
5)漏斗表面涂料并保持光滑平整；
6)防止結(jié)晶器內(nèi)金屬水平波動(dòng)和液流分配不均。
在橫向鑄造時(shí)，應(yīng)該：
1)適當(dāng)提高鑄造溫度和鑄造速度；
2)采用導(dǎo)熱良好、下方供流的導(dǎo)流板(如石墨質(zhì)導(dǎo)流板)；
3)中間罐金屬液貯藏腔坡度糊制成約45°角，保證金屬順利流動(dòng)，防止在導(dǎo)流板流口下側(cè)造成死區(qū)；
4)鑄造前對(duì)中間缶和導(dǎo)流板進(jìn)行充分預(yù)熱
5)減少結(jié)晶器下方二次冷卻水量。
4．4 白斑
在宏觀組織中存在的白色塊狀物稱白斑(見(jiàn)圖2—11—13)。白斑與金屬組織有明顯的色差，但沒(méi)有破壞金屬的連續(xù)性。顯微組織特征為基體金屬，沒(méi)有合金那樣多的化合物，顯微硬度很低。白斑出現(xiàn)在鑄錠底部。
采用純鋁鋪底的合金鑄錠，在開(kāi)始鑄造時(shí)，由于鋪底鋁液中的純鋁懸浮晶體被合金液沖動(dòng)而進(jìn)入合金熔體并凝固于鑄錠中，或者凝結(jié)于漏斗底部一段時(shí)間后散落在鑄錠中，形成白斑。白斑對(duì)產(chǎn)品的影響與光亮晶粒相同。當(dāng)白斑呈分散狀時(shí)，按夾渣標(biāo)準(zhǔn)處理，其他狀態(tài)一律報(bào)廢相連毛料。
白斑的防止方法是適當(dāng)提高鋪底鋁的溫度，打凈底結(jié)及浮渣，放合金熔體的時(shí)間不要太遲，充分預(yù)熱漏斗，并保證漏斗表面光潔。
4．5 粗大金屬化合物
變形鋁合金鑄錠中的粗大金屬化合物(見(jiàn)圖2—11—14)是指鑄造時(shí)在液穴內(nèi)或漏斗底部以初晶形式出現(xiàn)的高熔點(diǎn)金屬化合物質(zhì)點(diǎn)。在液穴中自由長(zhǎng)大的金屬化合物多以單個(gè)質(zhì)點(diǎn)的形式散布在整個(gè)鑄錠截面，只有在結(jié)晶前沿傾斜度很大時(shí)才集中在鑄錠中心部位而造成偏析。在漏斗底部生成的金屬化合物聚集物(底結(jié)物)則間斷地沒(méi)有規(guī)律地散落在結(jié)晶面上，在鑄錠中形成局部偏析。這些粗大金屬化合物的低倍組織特征為分散或聚集的針狀或塊狀凸起，邊界清晰，有金屬光澤，對(duì)光有選擇性；斷口組織特征為針狀或塊狀晶體，有閃亮金光澤；顯微組織特征為有特定形狀的粗大化合物，既硬又脆，對(duì)不同化學(xué)浸蝕劑有不同著色。金屬加工變形后沿變形方向被破碎成小塊。
圖2—11—14鋁合金鑄錠中的金屬化合物
(a)低倍組織中的金屬化合物；(b)2A70合金高倍組織中的金屬化合物；(c)斷口組織中的金屬化合物
成分接近共晶點(diǎn)的過(guò)共晶合金和成分接近包晶點(diǎn)的合金，在連續(xù)鑄造時(shí)，當(dāng)液穴內(nèi)的溫度低于該合金的液相線溫度時(shí)就會(huì)生成完整形狀的金屬化合物一次晶。但此時(shí)，由于金屬化合物的數(shù)量很少，不可能形成連續(xù)的結(jié)晶前沿，在這種情況下，結(jié)晶前沿只有在進(jìn)一步進(jìn)行共晶結(jié)晶或包晶結(jié)晶時(shí)才能形成，而結(jié)晶前沿的溫度相當(dāng)于比共晶點(diǎn)或包晶點(diǎn)稍低一點(diǎn)的溫度。由于熔體和硬殼間強(qiáng)烈的熱交換，使得在液穴整個(gè)體積或大部分體積中溫度接近于二元共晶點(diǎn)或二元包晶點(diǎn)的溫度，即低于該合金的液相線溫度，這樣就不可避免地促使了金屬化合物的形成。顯然，連續(xù)鑄造時(shí)，在鑄錠中生成金屬化合物必須具備兩個(gè)條件：①成分條件，即該合金的成分一定位于共晶點(diǎn)或包晶點(diǎn)附近；②溫度條件，即液穴內(nèi)的熔體溫度必須低于該合金液相線溫度。在鋁合金連續(xù)鑄造的不平衡結(jié)晶條件下，出現(xiàn)金屬間化合物一次晶的濃度界限比平衡圖中的要低得多。因此，當(dāng)采用連續(xù)鑄造法生產(chǎn)含有難熔組元鐵、鎳、釩、鈦、錳、鉻、銻、鉻、硼、硅的變形鋁合金鑄錠時(shí)，往往出現(xiàn)金屬間化合物。這也是采用連續(xù)鑄造比起采用錠模鑄造來(lái)說(shuō)，不僅沒(méi)有細(xì)化金屬化合物一次晶，反而使產(chǎn)生金屬化合物一次晶的傾向更大，質(zhì)點(diǎn)更粗的原因。
連續(xù)鑄造時(shí)，鑄錠中粗大金屬化合物的形成和分布具有如下特點(diǎn)：
1)粗大金屬化合物只出現(xiàn)在含難熔組元較多的合金如2A70、2A80、2A90、3A21、5A06、5A12、5B06、7A04等合金中。
2)液穴中自由長(zhǎng)大的金屬化合物一次晶的大小主要取決于它本身的結(jié)晶速度和成長(zhǎng)時(shí)間。漏斗底結(jié)物的生長(zhǎng)條件與光亮晶粒底結(jié)物相似。
3)金屬化合物的長(zhǎng)大速度與其本性及液穴中熔體的過(guò)冷度有關(guān)。提高鑄造溫度使液穴中熔體溫度升高，過(guò)冷度減小，一方面提高了出現(xiàn)金屬間化合物一次晶難熔組元的濃度，另一方面降低了結(jié)晶速度，有利于一次晶的細(xì)化。
4)金屬化合物的成長(zhǎng)時(shí)間即在液穴中以懸浮狀態(tài)存在的時(shí)間，從鑄錠邊部向中心不斷增加，并與鑄錠的凝固時(shí)間成正比。所以，金屬化合物的尺寸相應(yīng)地從鑄錠邊部向中心不斷增大，并隨鑄錠截面增大而增大。
5)只有在鑄錠基體部分存在分散的金屬化合物時(shí)，才會(huì)在鑄錠斷口檢查中，發(fā)現(xiàn)金屬化合物的偏析聚集物。并且分散質(zhì)點(diǎn)越多，在鑄錠的某些地方產(chǎn)生局部偏析的或然率越大。
6)對(duì)于直徑相同的鑄錠，在使用矮結(jié)晶器鑄造時(shí)，出現(xiàn)金屬化合物的傾向性增大。
粗大金屬化合物是破壞鑄錠組織均一性的一種重要的組織缺陷。通常金屬化合物硬度高、性質(zhì)脆，特別是當(dāng)它們?cè)阼T錠中形成偏析聚集物時(shí)，將不僅急劇降低鑄錠的力學(xué)性能，而且變形時(shí)在制品中造成分層缺陷，是降低半制品橫向性能的主要原因。因此，為了保證制品性能的穩(wěn)定，在生產(chǎn)中，對(duì)鋁合金鑄錠中的粗大金屬化合物必須進(jìn)行控制。
防止金屬化合物產(chǎn)生的最根本的措施是嚴(yán)格控制合金中難熔組元和雜質(zhì)的含量。其次，應(yīng)該從工藝上采取措施，盡可能提高液穴中熔體的溫度，消除漏斗底結(jié)物的生成條件。主要是：
1)適當(dāng)提高鑄造溫度和熔煉溫度；
2)充分預(yù)熱漏斗，并使漏斗表面光滑；
3)適當(dāng)提高結(jié)晶器中金屬水平或采用高結(jié)晶器；
4)對(duì)于生成金屬化合物傾向很大的合金，在采用上述工藝措施收效不大的情況下，可以考慮縮小鑄錠截面尺寸；
5)尋求金屬化合物即一次晶細(xì)化劑。
五、鑄錠的力學(xué)性能
5．1 鑄錠鑄態(tài)力學(xué)性能的影響因素和分布特征
影響鑄錠鑄態(tài)力學(xué)性能的因素主要有：晶粒度、晶內(nèi)結(jié)構(gòu)、鑄錠致密度、組織不均一的程度、化學(xué)成分及區(qū)域偏析的程度。通常，在化學(xué)成分一定的條件下，鑄錠晶粒愈小、晶內(nèi)結(jié)構(gòu)愈細(xì)、致密度愈高、組織不均一的程度愈小、區(qū)域偏析程度愈輕，則鑄錠的綜合力學(xué)性能愈高。其中，對(duì)工業(yè)純鋁和軟合金而言，起決定作用的是晶粒大??；對(duì)高成分硬合金而言，起決定作用的是晶內(nèi)結(jié)構(gòu)的細(xì)薄程度和致密度。
力學(xué)性能沿鑄錠截面的分布情況隨鑄造條件的不同而不同。水冷半連續(xù)鑄造時(shí)，一般的規(guī)律示于圖2—11—15。在鑄錠邊緣，力學(xué)性能較低是結(jié)晶器壁導(dǎo)熱速度較低的緣故。在結(jié)晶器出口處，鑄錠冷卻強(qiáng)度急劇增大，使結(jié)晶速度提高，結(jié)果力學(xué)性能提高。在鑄錠中心區(qū)域性能急劇降低，這是冷卻速度降低以及過(guò)渡帶尺寸擴(kuò)大的結(jié)果。
鑄造速度較低時(shí)，性能沿截面的分布比較均勻。提高鑄造速度，使性能的上述分布規(guī)律更加明顯。在提高鑄造速度的同時(shí)使用高結(jié)晶器要比使用矮結(jié)晶器更易得到比較均勻的性能，但鑄錠的平均力學(xué)性能卻有所降低。
5．2 鑄錠力學(xué)性能設(shè)計(jì)
每種合金都有自己的臨界性能，在臨界性能范圍內(nèi)，鑄錠品質(zhì)愈高，則綜合力學(xué)性能愈好，壓力加工時(shí)為使產(chǎn)品達(dá)到要求的力學(xué)性能所需的變形量愈小；而變形率愈高，則鑄錠的遺傳性影響愈小。這種關(guān)系可用圖2—11—16表示。
在確定鑄錠應(yīng)該具有怎樣的力學(xué)性能時(shí)，應(yīng)該綜合考慮在獲得和利用具有這種性能的鑄錠時(shí)所表現(xiàn)的利弊：
1)鑄錠的力學(xué)性能決定了鑄錠在熱加工時(shí)的性質(zhì)。鑄錠的塑性愈高，允許的熱加工速度愈快，廢品愈少，成品率愈高。
2)鑄錠力學(xué)性能對(duì)半制品性能的影響隨鑄錠變形程度降低而增大。鑄錠中以粗大致密質(zhì)點(diǎn)形式析出的化合物以及疏松和非金屬夾雜物對(duì)半制品力學(xué)性能的遺傳性影響更為突出。
3)鑄錠的屈服強(qiáng)度愈大，則加工愈困難、要求的加工功率愈大、鑄錠的加熱溫度愈高，并增加某些附加的費(fèi)用。
4)獲得具有極大力學(xué)性能的鑄錠，導(dǎo)致必須限制鑄造速度和機(jī)器的生產(chǎn)率。
根據(jù)上面的規(guī)律或事實(shí)，可以認(rèn)為：獲得具有最高和最均勻的力學(xué)性能的鑄錠應(yīng)該是建立連續(xù)鑄造工藝的總的原則之一。但在每一種具體情況下，應(yīng)該正確地估計(jì)獲得具有最高力學(xué)性能鑄錠的必要性，以及從提高機(jī)器的生產(chǎn)率或者其他要求出發(fā)，是否可以適當(dāng)降低鑄錠的力學(xué)性能。
六、鑄錠的表面缺陷
6．1 拉痕和拉裂
拉痕和拉裂是鑄錠相對(duì)于結(jié)晶器(或芯子)滑動(dòng)時(shí)，鑄錠凝殼與結(jié)晶器壁(或芯子壁)之間的摩擦以及二者之間的粘著所引起的，當(dāng)摩擦力和粘著力大于凝殼當(dāng)時(shí)的強(qiáng)度極限時(shí)就產(chǎn)生了裂口。
影響拉痕和拉裂產(chǎn)生的主要因素是：
1)合金性質(zhì)。在其他條件相同時(shí)，含鎂量較高的鋁合金比其他合金具有更大的形成拉裂的傾向性。因?yàn)檫@種合金鑄錠表面的氧化膜強(qiáng)度低，易粘著，具有很大的拉錠阻力(見(jiàn)圖2—11—17)。
2)工藝參數(shù)。在其他條件相同時(shí)，拉錠阻力隨結(jié)晶器內(nèi)液面的升高、鑄造速度和鑄造溫度的提高、鑄錠直徑的增大、冷卻水壓的降低而提高，因而形成拉痕和拉裂的傾向性增大。
此外，結(jié)晶器(芯子)拋光不好，安裝不正確，水垢太厚，液流分配不均，流股沖刷凝殼，潤(rùn)滑不良等因素均會(huì)提高鑄錠形成拉痕和拉裂的傾向。
防止拉痕和拉裂的措施是：
1)適當(dāng)降低鑄造速度和鑄造溫度；
2)適當(dāng)提高冷卻水壓，保證沿鑄錠周邊冷卻均勻；
3)降低結(jié)晶器內(nèi)液面高度；。
4)正確安裝結(jié)晶器、芯子和分配漏斗，防止液流偏斜，沖刷結(jié)晶面；
5)保持結(jié)晶槽工作表面光潔度，均勻適時(shí)地進(jìn)行潤(rùn)滑；
6)定期清理結(jié)晶器和芯子內(nèi)的水垢；
7)不要用被熔體退過(guò)火的(現(xiàn)場(chǎng)叫燒了)結(jié)晶器和芯子；
8)鑄造機(jī)起動(dòng)時(shí)，由靜摩擦突然過(guò)渡到動(dòng)摩擦?xí)r，其拉錠阻力極大，形成拉裂的傾向性也極大。為此，金屬液面不要上升太快。鑄空心錠時(shí)，開(kāi)始芯子水壓不要過(guò)大，水平亦應(yīng)控制低一些為好。
6．2 偏析浮出物
偏析浮出物是從鑄錠內(nèi)部滲流出來(lái)并在鑄錠表面呈瘤狀或小球狀凝結(jié)的易熔析出物，又叫發(fā)汗帶，俗稱偏析瘤。偏析浮出物中通常都富集有大量易熔組成物。因此，形成易熔共晶體的銅、鎂、鋅、硅的含量在浮出物中急劇升高，而錳、鉻等元素的含量在浮出物中較少。偏析浮出物是在鑄錠表面溫度低于線收縮開(kāi)始溫度，在鑄錠因收縮剛離開(kāi)結(jié)晶器壁而表面層還處于固液態(tài)的時(shí)候，或者在鑄錠與結(jié)晶器壁問(wèn)形成了空隙，鑄錠外層產(chǎn)生二次加熱使表層溫度達(dá)到枝晶間易熔組成物的熔點(diǎn)并使其熔化的時(shí)候，枝晶間的易熔組成物在液穴中熔體靜壓力的作用下，或者由于被加熱的固溶體晶粒體積增大和易熔物重熔時(shí)體積增大而產(chǎn)生的附加力的作用下，沿結(jié)晶骨架的孔道，在氧化膜破裂的地方滲出并在表面凝結(jié)而形成的。
影響偏析浮出物形成的因素有：
1)合金成分。合金處于固液態(tài)時(shí)，結(jié)晶骨架內(nèi)液相的相對(duì)數(shù)量愈多，則偏析浮出物形成的傾向愈大。沒(méi)有有效結(jié)晶區(qū)間的純鋁和合金沒(méi)有形成偏析浮出物的傾向。
2)冷卻條件。當(dāng)鑄錠表面層連續(xù)地冷卻時(shí)，鑄錠表面層在結(jié)晶器內(nèi)沒(méi)有二次加熱和重熔現(xiàn)象，則可以得到實(shí)際上沒(méi)有或很少有偏析瘤的鑄錠。在實(shí)際生產(chǎn)條件下，強(qiáng)化對(duì)鑄錠和結(jié)晶器的冷卻、縮短結(jié)晶器的有效高度、減小結(jié)晶器的錐度即縮小鑄錠中結(jié)晶器壁之間的縫隙、縮小鑄錠的橫截面尺寸，能降低形成偏析瘤的傾向。而普遍和局部缺水將提高形成偏析瘤的傾向。
3)鑄錠表面氧化膜的強(qiáng)度和完整程度。采取各種工藝措施，如：提高結(jié)晶器內(nèi)表面光潔度、均勻潤(rùn)滑；適當(dāng)降低鑄造速度和鑄造溫度、均布液流、以減小鑄錠和結(jié)晶器壁之間的摩擦，防止和減少表面氧化膜破裂的機(jī)會(huì)，可以降低形成偏析浮出物的傾向。
偏析浮出物是一種有害的鑄錠表面缺陷。在鑄造過(guò)程中，填充在鑄錠和結(jié)晶器之間的偏析浮出物對(duì)結(jié)晶器壁產(chǎn)生附加壓力，使拉錠阻力增大。采用帶有偏析浮出物的鑄錠直接進(jìn)行壓力加工，將導(dǎo)致半制品形成分層缺陷，使最終制品性能降低。因此，對(duì)鑄錠進(jìn)行加工之前，通常都要車(銑、鏜)掉表面這些缺陷。在生產(chǎn)中，應(yīng)想辦法盡可能消除或減少鑄錠表面的偏析浮出物。其措施是：
1)提高冷卻水壓，保證鑄錠周邊冷卻均勻；
2)降低結(jié)晶器的有效高度和縮小錐度；
3)適當(dāng)降低鑄造速度；
4)適當(dāng)降低鑄造溫度；
5)保持結(jié)晶器內(nèi)表面光潔度，均勻潤(rùn)滑；
6)正確安裝漏斗，合理分配液流，防止液流偏斜沖刷凝殼，造成凝殼局部熔化。
6．3 冷隔(成層)
冷隔又叫成層，它是位于鑄錠邊部敞露液面處的熔體提前凝固的結(jié)果。冷隔的形成過(guò)程的示意圖如圖2-11-18所示。連續(xù)鑄造時(shí)，在某些情況下(比如鑄造速度過(guò)低、鑄造溫度過(guò)低、冷卻強(qiáng)度過(guò)大、金屬水平不穩(wěn)、漏斗偏斜或漏斗眼堵塞等)，液穴內(nèi)的金屬不能均勻地到達(dá)鑄錠四周，在金屬流得少的地方，溫度很快降低，逐漸形成硬殼，它們阻止液體流到這個(gè)區(qū)域。只有在結(jié)晶器中部液體金屬的水平高度在硬殼之上并提高到足以克服表面張力和破壞氧化膜表面時(shí)，金屬液才又流向結(jié)晶器壁，但此時(shí)已不能與硬殼很好焊合。這種情況周而復(fù)始，便在鑄錠表面形成了一道道的冷隔。
冷隔常常是鑄錠裂紋的起因，并增大了鑄錠銑面和車皮的幾何廢品，降低了成品率。為了盡量減少或消除冷隔，其措施是：
1)對(duì)于裂紋傾向性較小的合金鑄錠，適當(dāng)提高鑄造速度；
2)當(dāng)提高鑄速受到裂紋限制的時(shí)候，采用帶錐度的結(jié)晶器或使用熱帽，適當(dāng)降低水壓和適當(dāng)提高鑄造溫度以降低鑄錠周邊層在敞露液面處的冷卻強(qiáng)度，并提高液態(tài)金屬的流動(dòng)性。
3)采用液面自動(dòng)控制漏斗，并做到正確安裝，大小適宜，以合理分配液流，防止金屬水平波動(dòng)。
6．4 鑄錠彎曲
鑄錠產(chǎn)生彎曲的原因主要有三：①鑄造機(jī)的故障(比如導(dǎo)軌不直或?qū)к壟c軸瓦間隙過(guò)大等)，致使底座平臺(tái)在下降過(guò)程中產(chǎn)生位移。②鑄造工具如結(jié)晶器、底座、蓋板等安裝不對(duì)中或在鑄造過(guò)程中位置產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)。③由于鑄錠懸掛而引起。
鑄錠彎曲程度通常要求小于3 mm/m，對(duì)于扁鑄錠大面彎曲則要求小于2 mm/m。
YS67--1993對(duì)鑄錠彎曲度的要求是不大于5 mm/m。防止鑄錠彎曲的辦法，①經(jīng)常檢查和調(diào)整鑄造機(jī)，使之在運(yùn)行過(guò)程中平穩(wěn)不晃動(dòng)；②正確組裝結(jié)晶器、底座和蓋板，既保證水平度，又保證垂直度，還要保證對(duì)中，調(diào)整后要緊固，防止鑄造過(guò)程中產(chǎn)生移動(dòng)；③選用表面光潔、錐度合適、平直的結(jié)晶器，并注意開(kāi)頭操作，防止鑄錠懸掛。
6．5 空心錠內(nèi)孔偏心
引起空心錠內(nèi)孔偏心的原因有：芯子安裝不正，結(jié)晶器偏斜，鑄造機(jī)下降不平穩(wěn)，鑄錠彎曲，搪孔不正確，鑄造工具不符合要求，由于芯子水冷不均而造成的鑄錠內(nèi)表面偏析浮出物局部加重。
空心錠偏心的結(jié)果將導(dǎo)致鑄錠壁厚不均，使車削和搪孔量增大，甚至報(bào)廢。通常，鑄錠偏心度要求不大于l mm，錠坯偏心度要求小于0.75 mm。防止空心錠偏心的基本措施是從鑄造機(jī)和鑄造工具入手，消除上述產(chǎn)生偏心的原因。
6．6 鑄錠尺寸不符
鑄錠尺寸不符就是指鑄錠或錠坯的實(shí)際幾何尺寸與要求的尺寸不相符合。造成鑄錠尺寸不符的主要原因有：
1)流口堵的過(guò)早或過(guò)晚；
2)行程指示器失靈；
3)鑄造井積渣過(guò)多，鑄錠長(zhǎng)度達(dá)不到要求；
4)計(jì)劃尺寸下達(dá)錯(cuò)誤；
5)爐料量不足；
6)機(jī)械電氣設(shè)備事故；
7)鑄錠由于表面夾渣、偏析瘤、冷隔、疏松和裂紋等原因引起車皮(鏜孔)量增加，導(dǎo)致錠坯尺寸超出公差；
8)因停電或其他原因引起的鑄造中途停車。
6．7竹節(jié)
因鑄造設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)問(wèn)題或結(jié)晶器內(nèi)表面錐度過(guò)大，在鑄錠表面形成的類似竹節(jié)的缺陷稱竹節(jié)。一般通過(guò)車皮或銑面可以去處。
七、電磁錠特有的表面缺陷
7．1 縱向波浪
縱向波浪就是鑄錠橫斷面尺寸的波動(dòng)，又稱橫向皺褶(見(jiàn)圖2—11—19)。它是在液面波動(dòng)或鑄造速度、冷卻強(qiáng)度、見(jiàn)水位置及鑄錠對(duì)垂直軸線的偏斜等發(fā)生變化的條件下，鏈錠表面固液區(qū)分界線位置發(fā)生改變，使電磁壓力與液體靜壓力失去平衡，導(dǎo)致鑄錠縱向上直徑忽大忽小而形成的?？v向波浪的形成過(guò)程可以說(shuō)明如下：在正常鑄造條件下，鑄錠邊部液一固區(qū)分界線通?？刂圃诟袘?yīng)圈中位面附近，此時(shí)建立了合金液柱靜壓力與電磁力的平衡關(guān)系(即ρgh=KI2)，鑄出的鑄錠保持平直。假定在某一時(shí)刻，上述參數(shù)之一發(fā)生變化，例如當(dāng)液面降低△h，則液柱靜壓力相應(yīng)降低ρg△h，于是，電磁推力與靜壓力的關(guān)系失去平衡，電磁推力相對(duì)增大，則液柱變細(xì)。冷凝后變細(xì)的鑄錠的見(jiàn)水位置下移，因而鑄錠固液區(qū)分界線相應(yīng)下移，液柱相應(yīng)提高，靜壓力增大，而在固液界面處的電磁推力又小于中位面處的電磁推力，故鑄錠又逐漸變粗。如此反復(fù)，便形成了連續(xù)的縱向波浪。所以，消除電磁鑄錠縱向波浪的基本措施是合理選擇電磁屏蔽的錐角，建立電磁力與合金液柱靜壓力的平衡關(guān)系。在電磁鑄造裝置確定的前提下，選擇合適的液面高度(一般控制在35～50 mm為宜)和鑄造速度，并保證各電氣參數(shù)和工藝參數(shù)在鑄造過(guò)程中保持相對(duì)穩(wěn)定。此外，鑄造機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)也是保證獲得優(yōu)良表面鑄錠的必要條件。
7．2 縱向皺褶
縱向皺褶(見(jiàn)圖2—11—20)產(chǎn)生于液柱側(cè)面并在冷卻時(shí)保留在鑄錠上。它是在鑄造溫度偏低、鑄造速度較慢、液態(tài)金屬供給不勻、沿鑄錠周邊冷卻不均的條件下產(chǎn)生的。主要分布在熱金屬不進(jìn)入的地方或者水冷較強(qiáng)烈的地方。提高鑄錠冷卻強(qiáng)度，使產(chǎn)生縱向皺褶的傾向性增大。產(chǎn)生縱向皺褶的機(jī)理是：在電磁鑄造時(shí)，由于液穴中電磁攪拌的作用，結(jié)晶前沿處固液兩相間的熱交換過(guò)程十分強(qiáng)烈，液相的蓄熱量急劇降低，因而給液穴體積內(nèi)晶體的生成創(chuàng)造了良好的條件。在鑄造溫度偏低，或者鑄造速度較慢時(shí)，上述情況得到加強(qiáng)。液穴中形成的這些微小的懸浮晶在運(yùn)動(dòng)的金屬流的作用下，被帶到液柱周邊區(qū)域。在鑄錠四周冷卻不均或供流不均的條件下，在熱金屬不進(jìn)入的地方或者水冷強(qiáng)烈的地方，液區(qū)周邊的氧化膜上就會(huì)附聚更多更厚的微晶體，在這些晶體濃度比較大的部位，金屬的流動(dòng)性大為降低，于是在液區(qū)周邊層形成了不同深度的垂直方向的溝槽。伴隨著液區(qū)周邊層熔體密度的這種不均勻的變化，熔體的導(dǎo)電率和表面張力也相應(yīng)產(chǎn)生不均勻的變化，于是，在磁場(chǎng)的作用下，液區(qū)周邊層區(qū)域產(chǎn)生了不同的表面變形條件，導(dǎo)致了與電磁推力方向一致的縱向皺褶的形成，這些皺褶在凝固時(shí)被完整的保留在鑄錠表面。
由上可知，液穴中熔體的循環(huán)是促進(jìn)懸浮晶形成和將懸浮晶帶至液區(qū)周邊層的主要原因，因而控制和減弱熔體的循環(huán)強(qiáng)度是消除縱向皺褶的主要辦法。為此可選擇較高的電流頻率和適當(dāng)?shù)钠帘螀?shù)，還可降低屏蔽相對(duì)于感應(yīng)器的位置。在電磁鑄造的裝置及電氣和幾何參數(shù)確定的條件下，消除縱向皺褶的方法是：提高鑄造溫度、提高金屬分布的均勻性和冷卻的均勻程度。
7．3 其他表面缺陷
電磁鑄錠表面的小疵和小麻眼是一類很難消除的表面缺陷，它們是在液穴內(nèi)氧化夾雜物上生成的懸浮晶體被帶到表面的結(jié)果。消除這類缺陷的手段首先是對(duì)液體金屬進(jìn)行充分的預(yù)先精煉，正確地向液穴中導(dǎo)入熔體。此外，應(yīng)選擇合適的鑄造制度，即適當(dāng)提高鑄造溫度，建立均勻的冷卻條件等。
除了上面的表面缺陷外，電磁鑄造時(shí)還往往產(chǎn)生鑄錠橫截面尺寸超差的現(xiàn)象。引起尺寸超差的主要原因有：工具設(shè)計(jì)不合理，供電電流過(guò)大或過(guò)小，液面過(guò)高或過(guò)低。
八、熱頂鑄造特有的表面缺陷
8．1 搭接式表面(周期性偏析)
搭接式表面是在熱頂鑄造時(shí)，鑄錠的表面形成發(fā)生在熱頂和結(jié)晶器的交界處，所以，其過(guò)程很不容易控制。搭接式表面的形成機(jī)理可用圖2—11—21的模型大致說(shuō)明如下：由結(jié)晶器壁生長(zhǎng)出彎液面，它與熱頂下面保持接觸(圖2—11—21(a))。隨著鑄錠下降，彎液面上部的空間擴(kuò)大，接著到達(dá)熱頂突臺(tái)的邊緣，彎液面上端與熱頂突臺(tái)邊緣保持橋式結(jié)合(圖2—11—21(b))。鑄錠進(jìn)一步下降，上部空間逐漸增大，熱傳導(dǎo)減小，因而橋式結(jié)合部溫度上升，接著便破裂，熔體流人，回復(fù)到開(kāi)始階段(圖2—11—21(c))。上述過(guò)程周而復(fù)始，于是便形成了類似成層(即冷隔)的搭接式表面。在(b)階段，由于內(nèi)側(cè)部分的凝固速度慢，溶質(zhì)元素在此濃聚，而固體中的溶質(zhì)元素降低，因而在鑄錠表面層出現(xiàn)了合金元素的周期性偏析(圖2-11-21(d))。顯然，搭接式表面和偏析區(qū)的深度與熱頂貯槽內(nèi)側(cè)的突出距離成比例。
8．2 汗珠式表面
汗珠式表面也是熱頂鑄造的特有缺陷之一。它是鑄造過(guò)程中，由于在結(jié)晶器和熱頂接觸的邊角部位形成負(fù)壓空間，熔體中的氣體在鑄錠表皮下凝聚長(zhǎng)大而造成的氣泡表面。
為了減少和防止熱頂鑄造特有的缺陷，獲得光滑而穩(wěn)定的表面品質(zhì)，世界各國(guó)對(duì)熱頂鑄造的裝置和工藝進(jìn)行了大量改進(jìn)，其中，比較有成效的辦法有：
1)由試驗(yàn)確定最佳的鑄造速度，使從結(jié)晶器壁導(dǎo)出的熱量最小，即使MAL接近于零(參見(jiàn)本篇第7章圖2—7—4)。
2)由試驗(yàn)確定鋁液靜壓力、結(jié)晶器高度和鑄造速度三個(gè)參數(shù)間的最佳配合值，使熱頂和結(jié)晶器接合處金屬液的彎月面保持不變。
3)在結(jié)晶器頂面和內(nèi)表面上部周圍開(kāi)挖油溝，利用鑄錠下降時(shí)在結(jié)晶器和熱頂接觸處的邊角部位所造成的負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供給潤(rùn)滑油。
4)采用石墨作結(jié)晶器內(nèi)表面襯套，并在石墨襯套的上部和結(jié)晶器之間開(kāi)一空氣隙，一方面降低一次冷卻強(qiáng)度，另一方面利用石墨的自潤(rùn)滑性。
5)在熱頂和結(jié)晶器之間，插入石墨或金屬薄環(huán)，以降低該處的一次冷卻強(qiáng)度。
6)在熱頂和結(jié)晶器之間插入分流板或者采用具有上小下大喇叭形供料口的熱頂或者其他辦法，以改變和控制進(jìn)入結(jié)晶器的液流。
7)從熱頂和結(jié)晶器之間導(dǎo)入壓力與該位置熔體靜壓力相平衡的空氣或惰性氣體，使熔體在該處不與結(jié)晶器接觸。
