硬铝合金半连续铸造的裂纹缺陷分析

摘
要： 对凝 固过程 中流场、 力场 、 应 温度场及微 观组织形态进行数值模拟 ， 能帮助工艺设计人 员分析 不同时刻 凝
固过程的温度分布、 金属流 态、 结晶晶粒 大小、 应力分布等重要 物理 参数 ， 从而预测疏松 、 偏析 、 夹杂及 热裂 纹等缺 陷。 关键词 ： 硬铝合金 ； 半连 续铸造 ； 温度场 ； 应力场
区间冷却 时 ， 若收缩而产生 的应力超 过了当时金属的强度 ， 或
收稿 日期 ：０ ２ ０ — ８ ２ １— ３ ２ 作者 简介 ： 自由（ ９ ８ ） 男， 刘 １ ６ 一 ， 湖南益 阳人 ， 副教授 ， 事土木 从 工程及材料科研 与教 学工作 。 基金项 目 ： 湖南省科技计 划项 目 ２ １Ｇ １０ ０ １ Ｋ３ １
工艺１ 工芑２ 工
热 的释放 ， 等效应 力出现 回升现象 ， 使温度 梯度增大 ， 导致等 效应力 出现短暂 的增大现象 ，这对裂纹的产 生也有一定 的影 响。综合 以上分析可 以看 出，适当的减小二冷 区的作用范 围
图 １ 同 刮 水板 位 置 情 况 下 液 穴 变 化 规 律 不
释放 ， 也可 以使表面温度 出现 回升 。
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湖 南 农 机
２１ Ｏ ２年 ５月
开水冷与空冷 的作用范 围，即放置刮水板处 ）能够满 足工艺
要求 。
在铸坯角部 和窄面中心 ，还有宽面 中心 ，工艺 １ 和工艺
啪 啪 哪 栅 猢 。
３ 表 面温度降 至 ５０Ｃ以下时 ， ， ０￣ 等效热应 力几乎 均超过材 料 的强度值 ， 因此铸坯在这个过程 中将可能产生表面裂纹 ， 而工
在纯粹 的冷裂纹 ， 一般都是先产生热裂纹 ， 然后在冷却过程 中
由热裂纹发展成 为冷裂纹 。 在实 际生产 过程 中， 针对不 同的工 艺条件 ， ４ ０Ｘ１０ 对 ０ １０ 规格 ７５ ０ ５硬铝合 金 ， 置 了以下 几种工艺 ， 设 通过 研究其 温度 场、 应力场 的分 布规律 ， 并对铸锭 的裂纹倾 向性进行分 析 ： 相 同铸 造速度 （６ ｍ ｍ ｎ ， 同浇注温 度 （０ ￣ ， 同 ３ ｍ ／ ｉ）相 ７ ０Ｃ）相
第 ３ ９卷 第 ５ 期 ・ 术 学
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２０１ 年 ５ 月 ２
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硬 铝合金半连续铸造 的裂 纹缺 陷分析
刘 自由 张海鹰 ，
（． 南城 市学 院 ， １ 湖 湖南 益 阳 ４ ３ ０ ；． 职业 技术 学 院 ， 东 １ ０ ０ ２东莞 广越往下 ， 冷却能力越大和二冷 区
１ 半 连续铸 造 裂纹 的分 析
热裂纹的形成机理主要有凝 固收缩补偿理论 、 液膜理论 、 强度 理论和晶间搭桥理论等 。强度理论 以合金 高温力 学性能 为基 础 ， 认为所有合金在 固相线 温度之上的 固液 区内， 都存 在 着一个延 伸率极小 、 强度极低 的“ 脆性温度 区间”合金在 这个 ，
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还 是心部均冷却很快 ， 温度 下降的比较快 。 工艺 ２ 由于进 在 下
入 空冷 区时间很早 ， 温度较其他两种工况 提前 出现 回升 ， 主 其 要 原因可能是进入空冷区 以后 ，由于 内部热量不能及 时的被 传 递出去 ， 导致表 面温度 出现回升 ， 另一个原 因是 由于潜热 的
５ ２
缺陷 ， 裂纹 的形 成和发展与铸造温度 的变化有关 。 分析裂纹产
生的基础就是分析铸造过程 中的温度 变化 规律 ，分 析裂纹成
因的直接有效方法就是掌握铸锭期 间温度 场的变化规律。铸
锭的凝 固是在高温下 的结 晶器 内进行 的 ， 无法直接观察 。 在实 际生产 中 ， 、 大 中型铸 锭凝 固过 程的温度 场几乎不 能测定 ， 而
艺 ２产生表面裂纹的可能性较小 。随着二冷 区水冷作用范围 增大 ， 出现表面裂纹的可能性也增大 ， 同时 出现裂纹的 区域也
变大 。当铸锭从 结晶器拉 出后 ， 由于二次冷 却的关 系 ， 铸锭温 度继续降低 ， 铸锭表层应力从拉应力变为压应力 ， 所产生的表
面裂纹将被紧密压合 。 以， 所 这种裂 纹只有在对宏观组织试片 留心观察时才能发现 。 图中我们还可以看出 ， 从 由于潜热 的释 放， 对等效应力产 生的影响 ， 在铸坯角部 和宽面 中心 ， 由于潜
者应力 引起 的变 形超 过了金属的塑性强度 ，就会导致热裂纹
的产 生 。
连续铸造 过程 中 ， 铸造 工艺参数 如浇注温度 、 坯速度 、 拉 冷却
条件等 ， 与铸锭的裂纹产生有极大 的关 系。研究温度场 、 应力
冷裂纹是在凝 固后的冷却 过程 中产生的裂纹。冷裂纹是 铸锭冷却到低温 时 ，铸锭 内的铸造 拉应 力超 过了铸锭本身强
刮水板位置为距结 晶器下 沿 ２０ ｍ处 （ 中所采用 的液穴深 ０ｍ 文 度为通 过实验测得 的结果 ， ３ ０ 为 ８ｍｍ） 义为工艺 １分 界处 定 ； 在 液 穴 往 上 ｌＯ ｍ 处 ， 即刮 水 板 位 置 为距 结 晶器 下 沿 Ｏｍ ｌＯ Ｏ ｍｍ处 ， 定义 为工艺 ２ 分界处在 液穴往下 １０ ｍ处 ， ； ０ｍ 即刮 水 板位置为距结 晶器下沿 ３ ０ ｍ处 ， ０ｍ 定义为工艺 ３ 。 （） １温度场实验结果 。在工艺 ３ 情况下 ， 不论是表 面节点
从 图 １ 以看 出 ， 可 工艺 １ 和工艺 ３ 情况下 ， 穴深度和糊 液 状区深度相差不是太 大 ， 工艺 ２ 况下 液穴 和糊状 区较大 ， 情 主
将 有利 于消 除铸锭 的表面裂纹 。
要是 由于工艺 ２下 ， 冷区范 围较小 ， 二 导致温度 降低较慢 ， 所
以液穴深度较大 ，糊状 区域 的深度与凝 固层 内温度梯度的平
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中 图分 类号 ：Ｆ ２ Ｔ ８１ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ７ ８ ２ （０ ２０ — ０ １０ １０ — ３ ０ ２ １ ）５ ０ ５ － ２
Ｄｕｒ ｌ ｍ ｉ ｌ ｙ ｈ ｌ ｏ ｔ ｏ ｓ ｃ ｓｉ ｇ ｃ ａ ｋ ｔ ｎ ｎ ｉ ｕ ｎ ｓ ｎ ｌ ｓｓ ａ ｕ ｎ ａｌ ａ ｆ ｃ ｎ ｉ ｏ ｎｕ ｕ ａ ｔｎ ｒ ｃ ｅ ｄｅ ｔＯ ｓ ｅ ｓ ａ ａ ｙ ｉ
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７５ ０ ５硬铝合 金是高 强度合 金材料 ，它 的结 晶温度 范 围 广， 固液区塑性低 ， 裂纹形成 的倾 向性极大。在铸锭的常规半
且也不能通过实验得 出铸锭 的合 理工艺方案后才进行工艺设
计和正式生产 。
结 晶器 界面换 热系数 （０ ０ ／ ・）不 同二冷 区换热 系数 （ １０ ｗｍｚｋ， 二
冷 区具体分为空冷 与水冷 两部 分 ， 共采用三种不 同工艺 ， 为便
于 以下 的分析工作 ， 我们将空冷与水冷的分界处在液穴处 ， 即
了铸 造 裂 纹 分 析 过 程 的 正 确性 。
２ 应 力场 实验结 果分 析
在工艺 １ 和工艺 ２ 情况下 ， 不论铸坯角部 ， 还是窄面 中心 和宽面 中心 ， 均容易产生较大 的拉应力 ， 相应 的产生 的压应力
（） １ 区域冷却装置刮水板往上移动 ， 即减小二冷区的作用 范围 ， 以此来降低冷却强度 ， 以有效地消除铸锭环状裂纹和 可 表面裂纹缺陷 ，这对 于制定无裂纹缺陷 的铸造工艺具有一定
使铸锭表面温度出现回升 ， 使铸锭表面出现褶 痕 ， 这与工业生
产 中的情况相符 ， 因此从一定程度上说明了模 型的正确性。
力。 当加大冷却能力时 ， 心部拉伸应力也相应增 大。 二冷 区的
冷却能力对铸锭 的心部拉伸应力影响较大。 在 工艺 ３下 ， 不论 宽边方 向 ， 还是 窄边 方 向， 在液穴底 部
场分布规律 ， 分析铸锭裂纹产生 的原理 ， 可以清楚地阐明铸锭
内部裂纹 的形成原 因及找 到有效 的调 节控制方法。 铸造过程 中温度变化所形成 的铸锭裂纹是 一种铸造质量
度和塑性强度极 限而产生的。因此 ， 降低铸造强度 、 增加铸造
应力和 塑性都将促使 冷裂 纹的发展。在生产过程中一般不存
３ 结论
通过对 ３ 种工艺研究半连续铸造过程中的温度场 、应 力
场分布规律 ， 并对各种裂纹 的倾 向性进行分析 ， 可以得 出以下 几条结 论 ，对于生产过程 中避免铸造裂纹缺陷具有重要实际
意义 ：
均值成反 比， 上述工况符合 所述 的规律 ， 同时 ， 我们也 可以通
过有关有限元模 型软件进行数值模拟 ，得 出的结论基本反 映
的作 用 。
也越大 ， 主要是提 高冷却能力 时 ， 铸锭 的收缩加快 ， 突然 的骤 冷会使铸锭 的表层产生较 大的压应力 ， 因此 ， 冷却能力越 强 ，
铸锭 的表层压应力越大 。而在工艺 ３ 心部产生较大 的拉应 下
（） ２ 铝液在结晶器 内凝 固时由于相变 释放 出大量潜热 ， 致