第一讲 铸锭及其缺陷

1.热裂纹的形成机理
• 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，晶粒边界或枝晶间沿有少量低熔 点相时，收缩受到阻碍，所受的拉应力超过了当 时金属的强度，或者是金属的线收缩率超过其伸 长率而产生的。 • 关于热裂纹的形成机理，主要的说法有二种：即 液膜说和强度说。前者认为，在结晶后期晶界间 有一层很薄的液膜存在，当液膜受到的拉长量或 拉伸速率超过一定值后，便会形成热裂纹；后者 认为，在结晶后期（固液区）收缩应力超过了当 时温度下金属的强度，因而产生热裂纹。由于测 定金属在结晶后期的强度和应力是困难的，所以 不少研究者倾向于用液膜说来解释热裂纹的形成 机理。
②区域偏析： • 区域偏析有正偏析和反偏析之分。是指铸 锭在范围较大的某些区域内出现成分偏高 或偏低现象。在铸锭中部或头部富有某些 较平均成分要高的成分为正偏析；在铸锭 外层富有较平均成分要高的成分为反偏析， 或逆偏析。 • 防止办法：区域偏析由于存在于较大的区 域范围内，故不能用均匀化退火通过原子 扩散的方式来消除。区域偏析一经形成， 就会影响铸锭及制品的性能均一性，为此 必须在铸造时加以防止。
2.冷裂纹的形成机理 • 冷裂纹一般是铸锭在结晶以后的冷却过程 中，由于铸锭的内外温度大，金属进行固 态收缩所产生的应力超过了当时温度下金 属的强度或塑性极限而形成的。 • 铝合金的冷裂纹多产生于200℃左右，有时 铸锭在室温放置或是运输途中也会发生崩 裂。
3.常见裂纹的形式与防止办法
• 半连续铸造时裂纹的形式主要有下列 • 一、圆铸锭裂纹： • 1、中心裂纹：中心裂纹是圆铸锭Βιβλιοθήκη Baidu见裂纹。特别 是规格较大的高成分铝合金。如7A04、2A12、 2A11等最常见。中心裂纹可能是冷裂纹，也可能 是热裂纹。 • 防止中心裂纹的产生： • ①提高合金在高温和低温时的塑性，以形成抗热 裂和冷裂的能力。必须按工艺要求控制合金的化 学成分和杂质含量；防止熔体过热和在炉内停留 的时间过长。 • ②提高液穴底部，使之在二次水冷带之上，以降 低铸锭内外层之温度差。为此可降低铸造速度或 者提高结晶器高度及结晶器中金属的高度。
3、环状裂纹：属热裂纹。
• 这种裂纹是当铸锭外层硬壳（结晶器内的凝固层） 和中间层（进入二次水冷带时的凝固层）的冷却 速度差别很大时，于过液带转折处产生的。 • 防止办法：①提高合金的高温塑性。为此必须按 要求控制化学成分和杂质含量，特别是易熔杂质 的含量（如钠）；防止熔体过热和在炉内停留时 间过长，避免铸造时生成发达的柱状晶；添加晶 粒细化剂和脆性相变质剂，强化晶间联系。 • ②改变液穴陡峭的转折面，使液穴变为平缓，如 此应采用较矮的结晶器，或降低金属之水平。 • ③使应力均匀分布，为此必须正确安装结晶器， 使之水冷均匀；漏斗放置端正，不能偏斜，停止 供流后，不要立即停车，待铸锭浇口部降到二次 水冷带以上60~70毫米时再停车。
第一讲: 铸锭及其缺陷
I-1 6XXX系列合金成分—组织—性能
• 该系列合金的主要元素是镁和硅，主要强化相是Mg2Si相。 若含有一定量的锰或铬，可以中和铁的坏作用；有时还添 加少量的铜或锌，以提高合金的强度，而又不使其抗蚀性 有明显降低；导电材料中有少量的铜，以抵销钛及钒对导 电性的不良影响；锆或钛能细化晶粒与控制再结晶组织； 为了改善可切削性能，可加入铅与铋。在Mg2Si中，Mg/Si 比为1.73，但是在生产实践中难以保持此比例。因此，大 部分合金不是含有过剩量的镁，就是硅含量过剩。当镁含 量过剩时，合金的抗蚀性好。但强度与成形性能较低；当 硅含量过剩，合金的强度高，但成形性能及焊接性能较低， 抗晶间腐蚀倾向稍好。一般Mg/Si控制1.4~1.5。 • 该系合金的组织相当简单，主要组织组成物为Mg2Si。在 热处理状态下，Mg2Si固溶于铝中，使合金有人工时效硬 化能力。如果合金含有相当的Cu与Si，则除了Mg2Si外， 还可能形成Cu2Mg8Si6Al5，即至少有一部分Mg2Si为 Cu2Mg8Si6Al5取代，后者有一定的自然时效能力。在无锰 及铬的该系合金中，铁以FeAl3、FeAl6、Fe2SiAl8等形式存 在。在含有锰与铬时，铁就与它们形成化合物。
2、表面裂纹：又称径向裂纹或皮下裂纹。 • 这种裂纹通常在液穴底部高于二次水冷带 的情况下形成的。在现场通常不易发现。 这种裂纹一般不在底部和浇口部出现，铸 锭在经过车皮或切取低倍试片时可以发现 这种裂纹。 • 防止办法：有效办法是降低结晶器高度提 高铸造速度。此外，水冷均匀，使用锥度 小的结晶器也有一定作用。
1-2-4偏析：
• 铸锭各部分化学成分不均匀的现象以及形 成这种不均匀性的过程称为偏析。 • 偏析一般分为晶内偏析、区域偏析和比重 偏析。有人把晶内偏析称为微观偏析，把 区域偏析和 比重偏析称为宏观偏析。铝， 镁合金铸锭易于出现的是晶内偏析和区域 偏析。 • 铸锭的偏析会影响其加工的工艺性能和制 品的机械性能，尤其是区域偏析影响更大。
1-2-2、非金属夹渣及氧化膜
• 非金属夹渣是铸锭的重要缺陷，因其报废的废品量仅次于 裂纹。非金属夹渣包括：氧化物、氮化物、碳化物、硫化 物、熔渣、熔剂夹渣、砌体碎块等。因这些物质（即使是 金属的氧化物或氮化物）在较低温度下大都没有金属的晶 体结构，故称为“非金属夹渣”，简称夹渣。 • 氧化膜是非金属夹渣的一种，是某些铝合金铸锭所需要检 验的一种特有缺陷。它一般是指存在铸锭中的细微的薄膜 状金属氧化物，如氧化铝、氧化镁等。 • 防止办法：消除铸锭夹渣和减小氧化膜污染的最有效的办 法是让金属在进入铸造前进行过滤，如用耐热玻璃丝网， 或刚玉砂微孔管，或Al2O3球加惰性气体吹洗法等。一般情 况下做到： • ①选择有效的精炼方法，适当提高精炼温度，彻底精炼。 • ②保证足够的熔体静置时间。 • ③建立良好的转注条件，设法减少液体金属的冲击、翻滚、 让液流在氧化膜复盖下平稳地流动。 • ④铸造开头、收尾注意打渣。 • ⑤使用的原材料和铸造工具要清洁、干燥。
• 6060及6063型合金的Mg、Si含量除形成强化相Mg2Si， 还有一定量的过剩Si，即Mg/Si<1.73。设计这类合金的指 导思想是：在力学性能方面，抗拉强度应达到230MPa左 右，以满足建筑结构的要求；该系合金相结构简单，有良 好的工艺性能，通常简单的风冷就可达到淬火目的；这类 合金硅的过剩量越多，合金强度越高。 • 为使合金中的镁与硅全部固溶于铝中，所挤材料的出口温 度应≥500℃，工艺规定≥520℃，但不得高于550℃，否则 材料的表面品质下降。若低于<455℃，就不能获得处于 固溶状态的冶金组织。产品力学性能得不到保证。镁及硅 在固溶温度以上的固溶速度很快，通常只需数秒。6060及 6063合金淬火敏感性低，可在出模后进行风冷淬火。但冷 却速度应足够大以确保达到标准规定的力学性能。具体规 定材料通过风冷区尾风机时的温度应≤250℃。6000系合 金人工时效机理已完全清楚，在此不介绍。6063合金典型 人工时效曲线也不讲，一般用180℃，3~6小时，也有采 用阶段时效。
4、横向裂纹： • 属于冷裂纹。这种裂纹是低塑性合金。如 7A04、2A12等大直径圆锭在较低温度下形 成的。铸锭的直径越大，发生横向裂纹的 可能性越大。 • 防止办法：合理地调整合金成分及杂质含 量，以提高合金的低温塑性（7A04，2A12 含量，适当提高镁含量，降低铜、锰含量； 尽量降低杂质硅含量，保证一定的铁含 量）。同时适当提高铸速，稳定金属水平， 均匀供流和冷却，防止冷隔和夹渣的产生 也是行之有效的。 • 关于空心锭、扁铸锭以后再讲。
• 防止办法：减少或清除气孔的办法，主要 是降低熔体内的含气量，为此应缩短熔体 在炉内的停留时间，采用有效的除气精炼 方法。同时在铸造工艺上，宜提高铸造温 度，降低铸造速度以利于气体的逸出，或 者增加冷却强度，提高铸造速度，从而加 快结晶速度，使气体来不及析出而留在固 溶体中。此外，对所采用的原材料、辅助 材料及铸造工具等保证干燥非常必要。
• 防止办法：防止疏松的产生，主要应该减 小过渡带尺寸，造成良好的补缩条件和析 气条件，如提高铸造温度，采用矮的结晶 器，提高冷却强度，适当降低铸造温度， 使液穴变得浅平，有利于补缩。对大直径 圆锭，宜采用环形漏斗，以保中心部位的 均匀供流。其次，降低熔体内的含气量， 减少气孔产生的有关措施也是重要的。
I-2铸锭缺陷及防止方法
• 铸锭质量直接影响到其后被加工成各种材料（板、带、管、 棒、型、线、锻件等）的质量。据统计轻合金材料生产中， 有60~70%的废品是因铸锭的质量不良造成的。可以说， 铸锭的各种缺陷往往造成了加工车间各种不合格制品的 “先天不足”，而某些缺陷（如裂纹），显然在进入压力 加工前就成了废品。因此，如何识别、分析铸锭缺陷的产 生原因，找出防止或消除这些缺陷的措施，对提高铸锭和 半制品的质量，提高整个生产过程的成品率，意义十分重 大。 • 铝镁合金铸锭生产中常见的缺陷很多，如裂纹、气孔、疏 松、夹渣、偏析等等。产生这些缺陷的原因很多，归根结 底主要是合金的本性，金属液体的纯洁度和浇铸工艺条件 诸因素造成的。从本质上讲，缺陷乃是铸造过程中由于温 度变化而引起的变相、体积变化和溶解度变化的直接和间 接结果。在生产实际中，某种缺陷的出现，其情况往往比 较复杂，必须抓住主要的方面进行分析，找出缺陷的成因 和防止措施。
• 2、疏松：在铸锭的晶界或枝晶间，常常有 一些宏观或微观的孔洞，且孔洞的内表面 多参差不齐或呈棱角状，这就是疏松（缩 松）。可以通过切取铸锭的低倍试片磨光 后用肉眼或显微镜检查出来。它与气孔不 同，气孔的内表面较圆滑。
• 如同气孔一样，疏松的存在也破坏了金属 的连续性，降低了组织的致密度，进而降 低制品的机械性能和抗腐蚀性能。疏松的 形成是由于金属在结晶时，进行液态收缩 和凝固收缩，在晶粒或枝晶间形成孔隙， 而位于过渡带的液体金属粘性大，流动性 差，对形成的孔隙难以补充所致。 • 影响疏松形成的因素是：金属或合金的本 性，铸造工艺及铸锭尺寸。
I-2-1 裂纹：
• 裂纹是轻金属合金铸锭生产中最普遍的一种缺陷。尤其是 铝合金，在用半连续铸造法生产时，因裂纹而产生的废品， 其量往往达整个铸锭废品量的40~60%。在生产大规格的 圆锭、空心锭和扁锭时，裂纹是个突出的问题，必须认真 对待。 • 铝合金铸锭生产中，最易出现裂纹合金有：1070A、7A04、 2A12、2A11、5A12等。 • 通常，就裂纹在铸造时的形成过程，可分为热裂纹和冷裂 纹。热裂纹是在金属结晶的过程中形成的，也叫结晶裂纹； 冷裂纹是在金属结晶完了的冷却过程中或室温放置时形成 的。两种裂纹各有其特征，前者多沿晶界裂开，裂纹曲折 而不规则，表面往往呈灰黑色，裂纹时没有响声；而后者 多贯穿晶粒内部，裂纹平直而较规则，表面呈洁亮的银白 色，裂纹时往往伴随有清脆的响声。在实际生产中，也经 常出现先是热裂纹，而后由于应力集中而形成冷裂纹的混 合型裂纹。
1-2-3气孔与疏松：
• 1、气孔：是铝合金铸锭常见的组织缺陷之 一。如将铸锭车皮，或将铸锭切取低倍试 片磨光，用肉眼或放大镜就可以发现。其 形状多是圆形，椭圆形、或针条形，内表 面较光滑。 • 气孔存在破坏金属的连续性、降低铸锭组 织致密度。加工时易被压扁，但不易被压 合，常在加工、热处理后引起起皮、起泡 等缺陷，从而降低制品的机械性能和腐蚀 性能。
①晶内偏析：
• 晶内偏析也称枝晶偏析，它是指晶粒内各部分的 合金成分不均匀现象。即晶粒中心（晶轴）处的 合金成分较低，晶粒边部的合金成分较高。 • 晶内偏析是合金在结晶过程中其成分按固相线变 化进行选分结晶，且结晶速度大于晶内元素扩散 速度的结果。 • 防止办法：一切有利于细化晶粒的措施，又如加 大冷速和变质处理，皆可降低晶内偏析，但由于 固相内元素扩散缓慢，且结晶速度大于扩散速度， 故晶内偏析还是不可避免。晶内偏析可以通过铸 锭均匀化退火来消除或减弱。