硬铝合金半连续铸造的裂纹缺陷分析_刘自由

第39卷第5期

7055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。在铸锭的常规半连续铸造过程中，铸造工艺参数如浇注温度、拉坯速度、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。

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

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。

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，对400×1100规格7055硬铝合金，设置了以下几种工艺，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（36mm/min ），相同浇注温度（700℃），相同结晶器界面换热系数（1000w/m 2·k)，不同二冷区换热系数（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，即刮水板位置为距结晶器下沿200mm 处（文中所采用的液穴深度为通过实验测得的结果，为380mm ）定义为工艺1；分界处在液穴往上100mm 处，即刮水板位置为距结晶器下沿100mm 处，定义为工艺2；分界处在液穴往下100mm 处，即刮水板位置为距结晶器下沿300mm 处，定义为工艺3。

（1）温度场实验结果。在工艺3情况下，不论是表面节点还是心部均冷却很快，温度下降的比较快。在工艺2下由于进入空冷区时间很早，温度较其他两种工况提前出现回升，其主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

硬铝合金半连续铸造的裂纹缺陷分析

刘自由1，张海鹰2

(1.湖南城市学院，湖南

益阳

413000；2.东莞职业技术学院，广东东莞523808)

摘要：对凝固过程中流场、应力场、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；应力场中图分类号：TF821文献标识码：A 文章编号：1007-8320（2012）05-0051-02

Duralumin alloy half continuous casting crack tendentiousness analysis

LIU Zi-you 1,ZHANG Hai-ying 2

(1.Hunan City University,Yiyang Hunan,413000，China;2.Dongguan Vocational and Technical College,Dongguan

Guangdong,523808，China)Abstract:Solidification process of the flow field,stress field,temperature field and microstructure morphology nu -merical simulation can help the process designer to analyze the temperature distribution of the different moments of the

solidification process,the metal flow pattern,the crystalline grain size,stress distribution and other important physical parameters,thuspredict osteoporosis,segregation,inclusion and heat cracks and other defects.

Key words:aluminum alloy;semi continuous casting;temperature field;stress field

收稿日期：2012-03-28

作者简介：刘自由（1968-），男，湖南益阳人，副教授，从事土木

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2011GK3110

湖南农机

HUNAN AGRICULTURAL MACHINERY

第39卷第5期·学术V ol.39May.52012年5月

May.2012

湖南农机2012年5月

释放，也可以使表面温度出现回升

。

图1不同刮水板位置情况下液穴变化规律

从图1可以看出，工艺1和工艺3情况下，液穴深度和糊状区深度相差不是太大，工艺2情况下液穴和糊状区较大，主要是由于工艺2下，二冷区范围较小，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下心部产生较大的拉应力。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，在液穴底部均产生较大的拉应力。随着水冷区范围的扩大，拉应力也越大，二冷区的冷却能力对铸锭的心部拉伸应力影响较大。液穴底部纵向应力往往与铸锭的横向裂纹有关，因此减小二冷区的冷却强度和区域冷却作用范围，都将使铸锭的纵向应力减小，从而降低了铸锭产生横向裂纹的倾向性。

根据裂纹判据的概括与分析，引用张家泉，林家骝等研究的合金热裂的凝固力学判据，对铸锭的各种裂纹产生的倾向性进行分析。工艺1和工艺2，等效热应力超过材料拉伸强度的位置接近铸坯表面，该情况下有可能产生表面裂纹，而工艺3时，铸坯有可能产生环状裂纹，而且随着二冷区水冷作用范围的增大，产生裂纹的位置将往铸锭中心移动，环状裂纹则最终会演变成中心裂纹。因此，为了避免环状裂纹以及中心裂纹的产生，应该减小二冷区的作用范围。工艺2（即在实际铸造产生液穴基础上，往液面方向移动上100mm ，在此位置来分

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3，表面温度降至500℃以下时，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。所以，这种裂纹只有在对宏观组织试片留心观察时才能发现。

从图中我们还可以看出，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将有利于消除铸锭的表面裂纹。

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：

（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，可以有效地消除铸锭环状裂纹和表面裂纹缺陷，这对于制定无裂纹缺陷的铸造工艺具有一定的作用。

（2）铝液在结晶器内凝固时由于相变释放出大量潜热，致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。

（3）区域冷却装置刮水板越往下，冷却能力越大和二冷区水冷范围越大，液穴越浅，糊状区域越深，二冷区的换热能力对糊状区域的深度影响较大。

（4）在铸造过程中，铸坯外层受压应力、内部受拉应力作用，最大的心部拉伸应力均出现宽边方向距心部35mm 左右，窄边方向15mm 左右，由此可能形成环状的内裂纹。而刮水板越往下，冷却能力越强和二冷区水冷作用的范围越大，铸坯的表层压应力越大，心部的拉伸应力也相应越大。

（5）结晶器内部的凝固壳外表面由于收缩受阻，使表层材料产生拉伸应力和拉伸变形，从而使铸锭产生表面裂纹，适当的减小二冷区域冷却的作用范围将有利于消除铸锭的表面裂纹。

参考文献

[1]林家骝,朱世根等.铸钢件凝固过程三维温度场热应力场的数值模

拟与缩孔(缩松)的热裂的判定[J].铸造,1993,41(10).[2]曾渝，尹志民，潘青林，等.超高强铝合金的研究现状及发展趋势[J].中南工业大学学报,2002,33(6):592-596.

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