7075扁锭在镦粗过程中表面裂纹的原因分析

竭艳丽，卢潇涵，张洪静，袁少红，宋韦韦，刘 芳，娄志华，郭爱红，宋 微

（1.南山集团航鑫材料科技有限公司，烟台 264000；2.佳木斯大学，佳木斯 154007；3.山东裕航装备有限责任公司，滨州 256600)

7075扁锭在镦粗过程中表面裂纹的原因分析

竭艳丽1，卢潇涵2，张洪静1，袁少红1，宋韦韦1，刘 芳1，娄志华1，郭爱红1，宋 微3

（1.南山集团航鑫材料科技有限公司，烟台 264000；2.佳木斯大学，佳木斯 154007；3.山东裕航装备有限责任公司，滨州 256600)

牌号为7075的铝合金扁锭，经加热镦粗后，发现扁锭表面和侧面共有3处很深的裂纹，裂纹大约深为8～20mm。经化学成分分析、宏观组织、显微组织以及扫描电镜断口分析，结果表明：失效扁锭的化学成分符合GB/T3190-2008的要求，低倍组织除裂纹外没有发现其它冶金缺陷，断口表面发现有氧化现象，显微组织未过烧。可判断失效扁锭开裂是因固-液区内的金属塑性低，熔体结晶时体积收缩产生拉应力，当拉应力超过当时的金属温度下的强度或收缩率大于伸长率时则产生裂纹，裂纹属于热裂纹即铸造裂纹。

7075合金；镦粗；热裂纹；扁锭

1 情况简介

选用的是牌号7075规格为580mm×2030mm× 2300mm的铝合金扁锭，重量为7300kg，在镦粗前需加热，其生产流程为:

（1）工具加热：温度350～450℃；（2）定温：445±5℃，按空气温度达420℃开始计算保温时间，保温时间20h；（3） 铸锭摆正，2030mm镦粗至L=1200mm；（4）转向90°，由2300mm镦粗至L=1500mm。

第二步镦粗至1500mm后，出现裂纹，试块从位于左下方裂纹切取，裂纹及试块位置见图1和图2。

图1 扁锭宏观裂纹

图2 裂纹放大

2 化学成分分析

失效扁锭的化学成分及GB/T3190-2008标准对7050元素含量的要求见表1。根据表1可知，失效扁锭化学成分符合GB/T3190-2008的要求。

表1 失效扁锭化学成分（质量分数／%）

3 试验结果

3.1 宏观组织

图1和图2分别是扁锭宏观裂纹和裂纹放大后的形貌。如图1所示表面和端面都有裂纹，裂纹是沿着扁锭的纵向表面和横向端面开裂的。图2可测出裂纹深大约在8～20mm。在横向端面裂纹附近切取试样时有部分试样自然脱落，脱落的试样断口表面颜色不新鲜呈暗黄色和氧化色，断口参差不齐，组织粗糙。将失效试样车铣，铣面后放在15%～25% NaOH水溶液浸蚀8～15min，拿出放在清水下冲洗，再经20%硝酸溶液清洗，除去黑色碱蚀产物，最后用流动清水将检查面冲洗干净。经检查试样表面没有发现疏松、化合物、夹杂等冶金缺陷，如图3所示。

图3 失效扁锭宏观组织

3.2 显微组织

在失效扁锭断口上截取金相试样，试验表面垂直断口表面，经预磨和磨抛后再用低浓度混合酸浸蚀，放在光学显微镜下观察其显微组织（见图4）。图4（a）为失效扁锭的显微组织，从显微组织观察整个试面存在大量的铸态组织，变形量很小。在试样裂纹附近的显微组织特征为：裂纹的横截面的边缘存在着沿枝晶裂开并沿枝晶方向发展，并且在裂纹处存在少量的尺寸小的而分布致密的低熔点共晶填充物，此现象在裂纹断口边缘上密集分布。图4（b）为扁锭的正常显微组织，其组织为变形量很小的大量残留的铸造组织，没有发现化合物集聚、夹杂、疏松等冶金缺陷，没有发现复熔三角形晶界、晶界加宽以及复熔球特征。

图4 失效试样裂纹处横截面显微组织(200倍)

3.3 断口及能谱分析

将失效扁锭断口经扫描电镜扫描并进行能谱分析，如图5所示。图5（a）为切取试样自然脱落的断口宏观组织，发现断口表面颜色不新鲜，呈暗黄色和氧化色，断口参差不齐，组织粗糙，可判断此扁锭断口已被氧化。图5（b）为失效断口能谱扫描显微组织形貌，其组织不是正常的韧窝状组织。表2能谱数据显示除7075合金主要元素外还有很高含量的O元素，说明断口已被氧化，这与断口宏观组织观测结果相一致，C含量高可能是扁锭裂开后被油污或脏物污染所致。

图5 失效零件断口形貌

表2 失效断口表面能谱分析结果

4 裂纹产生原因及预防对策

4.1 扁锭裂纹产生原因分析

综合上述试验结果可知：从自然脱落的裂纹断口表面颜色和能谱分析看，断口已被氧化，因此可判断裂纹也不是在锻造过程中产生的；从显微组织来判断，裂纹不是过烧产生的而是在铸造过程中由于其他因素产生的热裂纹。综上所述：扁锭在加热后经第一次镦粗产生的裂纹是热裂纹即铸造裂纹。

热裂纹的形成过程：热裂纹是金属结晶时在线收缩开始温度至不平衡固相点的有效结晶温度范围内产生的，即在金属尚未完全凝固，晶粒边界或枝晶间尚有少量低熔点相时，收缩受到阻碍，所受拉应力超过了当时温度下的金属强度，或者是金属的线收缩率超过其伸长率而产生的。

此失效扁锭的裂纹形式是表面裂纹，它的产生主要是水冷不均匀引起的，多出现在铸锭的宽面。当金属凝固并在结晶器内停留时，由于空隙的形成而表面不断被加热，当铸锭见二次水冷时，受急冷而收缩产生横向拉应力。在水冷较弱处因金属的强度低而形成纵向表面裂纹，这种裂纹在硬合金扁锭表面有时看不见，经铣面后可以被发现。而失效扁锭裂纹在铸造过程中已经产生了，只是没有暴露出来，在加热过程中裂纹被氧化，在随后的镦粗过程中由于外力的作用使原有裂纹进一步扩展张开尺度增大才被发现。

4.2 预防措施

（1）按工艺要求控制化学成分和杂质含量，提高铸锭抵抗形成热裂纹的能力。在实际生产中将Mg控制在标准范围的上限即2.8%；Zn对裂纹倾向影响在实际生产中不明显；Cu含量超过1.5%时热脆性大，实际生产中应把Cu控制在标准范围中下限；杂质Mn控制的越低裂纹倾向越小；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提高，Fe含量增加合金的热脆性明显下降。

（2）适当降低铸造速度和温度。实践证明，低液位铸造的冷却水强度控制在60m3/h、75m3/h；低液面铸造时铸造速度控制在60mm/min、75mm/min范围。

（3）定期清理冷却水套和冷却水过滤装置，以保证沿铸锭周边均匀冷却。

（4）防止熔体过热。

（5）在开始铸造前，保证在40s、80s内将金属注入结晶器，均匀分配液流，严防漏斗歪斜。

（6）建议降低铸锭刚见水时的表面温度如选用锥度较小的结晶器，克服水冷不均。

5 结论

（1）失效扁锭原材料化学成分符合GB/T3190-2008的要求。

（2）宏观组织除有裂纹外，没有疏松、夹杂、粗大化合物等缺陷，可以排除缺陷造成裂纹的可能。裂纹宏观断口表面颜色不新鲜呈暗黄色和氧化色，断口参差不齐，组织粗糙，断口组织能谱扫描存在很高含量的C、O元素，说明断口被氧化，可证明不是锻造过程中产生的；显微组织没有过烧特征，也进一步证实了裂纹产生不是过烧造成的。

（3）失效扁锭表面裂纹属于热裂纹即铸造裂纹。

The Causal Analysis of Surface Cracks about 7075 Slab Ingot in the Forging Process

JIE Yan-li1，LU Xiao-Han2，ZHANG Hong-jing1，YUAN Shao-hong1，SONG Wei-wei1，LIU Fang1，LOU ZHi-Hua1，GUO Ai-hong，SONG Wei3
(1.Hangxin Material Technology Co.，Ltd.，Yantai 264000；2.Jiamusi university Co.，Ltd.，Jiamusi 154007；3.Shandong yuhang Navigation Equipment Co.，Ltd，Bingzhou 256600，China)

Three deep cracks with depth from 8 mm to 20mm were found on top and side surfaces of the 7075 aluminum ingot after being hot forging.By aid of analyzing chemical composition，macrostructure and microstructure，and fracture analysis of SEM for meterial，the results show that material’s chemical composition meets the GB/T3190-2008 requirement.In addition，there are not any metallurgical defects except for the cracks on the surfaces，oxidization phenomenon were found on the fracture surfaces，and its microstructure was not overheated.Based on the analysis results，we can conclude that the cracking of ingot was due to the low plas⁃ticity of metal in the solid-liquid region.When the melt starts to crystallize，material’s volume will shrink，and tensile force will be generated in the material.If the tensile force exceeds metal’s strength at certain temperature，or metal’s shrinking rate is higher than its elongation rate，then，cracks will be formed on the ingot，and they are belong to a kind of hot casting cracks.

7075 alloy；upset；hot cracking；ingot

TG292

A

1005-4898(2017)02-0034-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.02.07

西南铝被评为“军工能力建设先进单位”

竭艳丽（1962-），女，黑龙江哈尔滨人，高级工程师。

2016－11－28

近日，国家国防科技工业局对2013-2016年度“军工能力建设先进单位”和“先进个人”进行了表彰，西南铝因在军工铝合金材料保障上的突出贡献，被评为”国防科工局2013至2016年度军工能力建设先进单位”，是本次获奖的全国49家单位之一，也是中铝公司所属企业中唯一获奖的单位。