第一讲 铸锭及其缺陷..
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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。
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。
• 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。
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。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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：中心裂纹是圆铸锭常见裂纹。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。
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。
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。
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。
• 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。
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。
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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：中心裂纹是圆铸锭常见裂纹。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。
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。