7001合金空心铸锭裂纹产生的原因及防止措施

刘金霞

(中国铝业西北铝加工分公司，甘肃 陇西748111)

近几年在生产中，7001合金ф270/106规格空心铸锭裂纹现象非常严重。成品率很低，如何减少该铸锭的裂纹，提高铸锭成品率是我们急需解决的问题。

1 裂纹的形态及产生原因

7001合金ф270/106规格空心铸锭，在铸造生产过程中，裂纹现象非常严重。裂纹形态有：内壁径向裂纹、中心放射状裂纹、横断裂纹、通心裂纹等。

7001合金空心铸锭的裂纹从裂纹的属性来讲，极少数属热裂纹，绝大部分属冷裂纹。裂纹产生的原因，主要是在铸造过程中，随着金属结晶和铸锭冷却过程的进行，金属温度的变化，发生相变化和体积变化， 且铸锭内金属温度变化的不均匀性,以及合金结晶温度的不一致性带来相变化和体积变化的不均匀性，从而在铸锭内部产生内应力，当在此内应力作用下产生的变形率大于当时铸锭的延伸率或塑性极限时，铸锭则沿受力的垂直方向裂开。

引起7001合金空心铸锭裂纹的因素是多方面的，也较复杂，主要与合金的性质，包括主要成分和杂质的控制、铸造工艺及操作人员的操作水平，铸造工具的选择有直接的关系。

2 影响裂纹的主要因素

2.1 合金成分及杂质的影响

7001合金的主要化学成分为Zn、Mg、Cu，属Al-Zn-Mg-Cu系合金，其化学成分见表1。

7001合金，合金化程度高Zn+Mg+Cu在11～14%之间，结晶温度范围宽，高低温塑性差，冷裂、热裂倾向极大，铸锭成型困难。

表1 7001合金化学成分(质量分数)%

Zn、Mg是主要强化元素，它们共同存在会形成η(MgZn2)和T(Al2Mg2Zn3)相。η相和T相有很强的时效强化效果，Zn和Mg含量的提高可使强度、硬度大大提高，但会使塑性、抗应力腐蚀性能和断裂韧性降低。该合金随着Zn:Mg比值增大，合金的塑性越差，铸造产生裂纹的倾向性增加。

杂质Fe、Si可降低合金的强度、伸长率，并对韧性有不良影响，必须严格加以控制。Fe、Si在室温下溶解度很低，主要以硬而脆的FeAl3和游离Si的形式存在。Fe和Si同时存在于Al中，Fe、 Si控制不当时，这些硬而脆的金属间化合物会降低合金的伸长率，引起铸锭裂纹。

2.2 铸造工具的影响

铸造7001合金时，有效结晶区高度要合理，不宜过高，防止铸锭被二次加热，遇二次水冷时形成表面裂纹。选择合适的芯子锥度，芯子锥度不能太小，减少芯子被抱住的几率；正确安装芯子，避免芯杆偏斜，减少铸锭壁厚不均度，保证水冷均匀；适当增加芯子高度；减少芯子的冷却强度；保证芯子供水均匀，使铸锭内壁冷却均匀。

2.3 铸造过程操作的影响

① 铸造开头的操作

铸造开头的正确与否是能不能顺利铸出完整铸锭的关键，在硬铝合金和超硬铝合金的铸造中尤为重要。硬铝合金和超硬铝合金在铸造开头时，为防止底部裂纹，必须用纯铝铺底，铺底铝在基本金属的冲击下，使处于凝固和半凝固的纯铝起一层硬壳，混入液体中，这时如打渣不当或打渣不干净，就造成了液体中存有一定量的夹杂物和氧化铝壳，随着基本金属在结晶器中凝固及铸锭的下降，造成了渣子夹在铸锭的底部，当铸锭以一定的铸速拉出结晶器时，受到二次水的急剧冷却，铸锭在结晶过程中产生的应力增大，当铸锭铸到一定的长度后，铸锭夹渣处及底部或因开头不良造成的冷隔处，便成了应力集中的薄弱环节，当应力大到超过当时温度下金属强度或塑性极限时，导致铸锭裂纹产生，引起铸锭开裂。

② 铸造过程中液面的控制

铸造过程液面高低的控制也是防止铸锭裂纹的重要一环。7001合金铸造性能差，在铸造过程中，液面控制一定要平稳，水平面易高不易低，如液面控制不稳，波动大，铸锭表面形成冷隔；增大铸锭内外层的温度梯度，造成铸锭的收缩应力增大，裂纹倾向提高。

③ 铸造过程中的打渣

铸造过程中要及时打渣，对于铝液流动过程中卷入的渣子要及时打出，否则会造成在夹渣部位形成应力集中点，引起铸锭裂纹。

2.4 铸造工艺的影响

7001合金ф270/106规格铸造工艺制度见表2。

表2 铸造工艺参数

① 冷却强度的影响

在半连续铸造中，结晶器中水的均匀分布十分重要。空心锭由于多了一个芯子水，在铸造时更要注重水的分布。局部供水不足将导致冷却强度的差别，造成各部份收缩大小不一和收缩不同步，热应力增大而引起裂纹倾向的提高。

② 铸造温度的影响

7001合金由于合金化程度高，结晶温度区间大，铸造性能差。提高铸造温度一定程度上可改善金属的流动性，减小冷隔的产生。但该合金在铸温较高时，因液区增大，使液穴变深，组织中产生柱状晶的倾向增大。由于固液区增大，脆性区也相应变宽，在铸锭受到二次水冷时，收缩应力增大，裂纹机会也增大。降低铸造温度时，过渡带的宽度变大，熔体的粘度增加，金属的流动性差，排气和补缩变坏，使铸锭的气孔、疏松、夹渣、氧化膜废品增加。

采用适当的铸造温度，可降低合金凝固时的温度梯度，使过冷带变宽，在组织中能形成大量的新晶体，抑制柱状晶的继续生长，改善铸锭的组织结构，提高合金最终的各项性能，

③ 铸造速度的影响

铸造速度的快慢直接影响到铸锭的结晶速度、液穴深度和过渡带的宽度，因此它是决定铸锭质量的重要因素。当铸速较快时，液穴加深，如果液穴的底部延伸到结晶器之外，则形成中心裂纹的倾向性大。位于结晶器之外的液穴底部，由于周边金属业已冷凝，迫使中心收缩困难，因而在铸锭内层形成拉应力，当这种拉应力大到超过当时温度下铸锭伸长率极限时便形成中心裂纹。

当铸造速度低时，熔体的粘度增大，铸锭表面易形成冷隔，同时铸锭轴向温度梯度增大，增大了横向裂纹的倾向，并可能成为冷裂纹的起因。由于7001合金铸造性能差，裂纹倾向大，故不能选用过高的铸造速度。但该合金由于比热容小，结晶速度快，如铸速低则铸锭表面易形成冷隔，造成由冷隔引起横裂而导致整个铸锭开裂。

3 防止产生裂纹的措施

① 合理控制合金成分，Zn 、Mg、Cu含量要按中间值控制，同时控制Fe<0.25%，Fe>Si0.05%。

② 铸造前要将结晶器、芯子清洗干净打磨光滑，不得有拉痕。检查出水孔出水是否均匀，不得有堵塞现象，结晶器下缘与水套结合要严密，保证出水不打旋，保证冷却均匀，减少铸造应力。正确安装芯子，避免芯杆偏斜，减少铸锭壁厚不均度。

③ 铸造时对铝液温度、冷却水压力、铸造速度等参数要严格按工艺制度执行，铸造速度、温度偏上限执行。

④ 铺底后放流要均匀平稳，防止液面上升太快，铸造过程中液面要平稳，不得有高忽低的现象，防止形成冷隔、夹渣等缺陷造成应力集中点，减少裂纹的产生。

⑤ 铸造时控制液面平稳，减少因液面不平稳造成的成层缺陷引起铸锭裂纹。

4 结论

① 为满足产品的性能要求，主要成分Zn、Mg、Cu按中间值控制。Cr按下限控制。杂质：Fe<0.25%、Fe>Si0.05%；

② 该合金铸造应力大，铸锭塑性差，铸造开头打渣要彻底，放流要适时，过程液面控制要平稳，液面水平相对要高，上下波动小，谨防开头及过程中出现冷隔；

③ 该合金对冷却强度敏感性大，水冷一定要均匀，冷却强度要合理；

④ 严格执行工艺制度。铸造速度、温度偏中上限执行。

[1]王猛，卢志森等，轻合金加工手册，冶金工业出版社 102～103

[2]谢水生，刘静安等，铝加工生产技术500问，北京，化学工业出版社，2006：186～187