5A06鋁合金鑄錠裂紋原因分析及預(yù)防措施

高新宇，王海彬，孫婧彧，譚樹棟

(東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱150060)

1 試驗方案

5A06合金ZD13－123自由鍛件生產(chǎn)工藝流程:

配料→熔煉→調(diào)整化學(xué)成分→爐內(nèi)精煉→鑄造→鋸切→車皮→均勻化→加熱→鍛造。

取存在問題的5A06鋁合金圓鑄錠，截斷存在裂紋的鑄錠，其宏觀照片如圖1所示，從圖中可以看到鑄錠存在有明顯裂紋，將圖1(b)中綠圈所標識的裂紋試樣切取下來，然后進行各項分析實驗。首先進行化學(xué)成分分析，然后鋸切顯微組織試樣，對顯微組織試樣進行銑面，并進行粗磨、精磨、電解拋光、混合酸浸蝕、陽極化制膜，制備高倍試樣進行顯微組織觀察，掃描電鏡觀察及能譜分析。裂紋分析示意圖如圖2所示。

圖1 裂紋宏觀照片

圖2 裂紋試樣示意圖

2 試驗結(jié)果

2.1 化學(xué)成分分析

5A06鋁合金化學(xué)成分標準范圍及實測數(shù)據(jù)如表1所示，從表1中可以看出，試樣的化學(xué)成分符合GB/T 3190標準的要求。

2.2 組織分析

將缺陷試片鋸切成金相試樣，試樣進行粗磨、精磨、電解拋光、混合酸浸蝕、陽極化制膜，制備高倍試樣進行顯微組織觀察，結(jié)果如圖3所示。圖3a為圖2中正面取樣的高倍試樣，圖3b為圖2中側(cè)面取樣的高倍試樣。從圖3組織結(jié)果可以看出，裂紋主要沿晶界擴展，尤其是在裂紋尖端此現(xiàn)象更明顯。在主裂紋周圍能夠發(fā)現(xiàn)其他微裂紋，判定裂紋為沿晶斷裂，此裂紋一般在鑄造過程中產(chǎn)生。此外，裂紋區(qū)域經(jīng)宏觀腐蝕發(fā)現(xiàn)，在裂紋附近分布有較多的第二相以及晶內(nèi)析出的彌散相，與該試樣正常位置有差別。

表1 5A06鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) /%

圖3 裂紋組織高倍照片

2.3 掃描電鏡組織

為了進一步確定裂紋產(chǎn)生原因，將裂紋試樣分別從正面和側(cè)面進行掃描觀察，掃描結(jié)果分別見圖4a和圖4b。從圖4a和圖4b看出，在裂紋終端處以及裂紋內(nèi)部，能夠觀察到第二相伴生。

圖4 裂紋掃描照片

2.4 能譜分析

圖5a為試樣正常區(qū)域，即無裂紋位置鑄錠殘留相分析，表2為其分析結(jié)果，該試樣為均勻化熱處理狀態(tài)，殘留相主要為熱處理未熔相，存在有3種第二相，一種是黑色的Mg2Si相，一種是黑色的AlMg相，還有一種是白色的AlMnFe相。

圖5b是對圖4b缺陷位置的分析，分析結(jié)果見表3，可見裂紋終端部位微裂紋與AlMnFe相伴生，并且存在有氧化物、碳化物以及熔劑夾雜，據(jù)此判斷該裂紋產(chǎn)生時間為鑄錠尚未完全凝固，即屬于鑄造熱裂紋。在結(jié)晶相中過多含量的C元素可能為裂紋處試樣受到的污染所致。

圖5 正常組織與缺陷組織掃描照片

表2 圖5a中各探點的能譜分析結(jié)果

表3 圖7中各探點的能譜分析結(jié)果

3 分析與討論

3.1 缺陷的本質(zhì)

通過以上試驗結(jié)果分析，認為5A06鑄錠裂紋為鑄造熱裂紋。裂紋處伴有AlMnFe相，對鑄錠裂紋附近進一步分析發(fā)現(xiàn)，裂紋附近亦存在宏觀不可見微裂紋，這些裂紋由于伴生相的形成，使人肉眼無法發(fā)現(xiàn)，在鍛造過程中由于應(yīng)力集中形成開裂。

3.2 鑄造熱裂紋的形成機理［1］

熱裂是鑄錠在凝固過程中和隨后在固相線附近收縮時，由于外力或內(nèi)應(yīng)力或二者作用的結(jié)果，使鑄錠發(fā)生裂紋。在鑄造過程中，鑄錠周邊成殼后，在橫向拉出過程中，與結(jié)晶器壁間有摩擦力存在。該力作用在鑄錠表層的方向，與鑄錠拉出的方向相反。因而在剮凝固的殼層中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。當(dāng)鑄錠周邊剮凝固的殼層處于脆性區(qū)，且厚度很薄，若作用在鑄錠表層的拉伸應(yīng)力超過所能承受的極限時，就將使拉裂缺陷產(chǎn)生。

5A06鋁合金屬于高鎂合金，熔體黏度大、流動性不好，并且該合金鑄錠表面的氧化膜強度低，易黏著，具有較大的拉錠阻力［2］。在鑄造過程中易于附著在結(jié)晶器上，隨著結(jié)晶器的下移產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，因此產(chǎn)生開裂。

3.3 有效減少鑄造熱裂紋的預(yù)防措施［3］

(1)在鑄造時，調(diào)整好熔體溫度，保證熔體質(zhì)量的前提下，盡可能靠近鑄造溫度的中下限。

(2)冷卻水壓調(diào)至水壓范圍上限鑄造，冷卻強度增大，金屬凝殼厚，減少拉裂的傾向。

(3)正確安裝結(jié)晶器，適當(dāng)提高結(jié)晶器的有效高度。保持結(jié)晶器工作表面光滑，定期清理結(jié)晶器內(nèi)部的水垢。

(4)鑄造開頭，對需鋪底的規(guī)格應(yīng)事先鋪好純鋁底，鋪好底后立即將浮渣打干凈，周邊凝固約20mm后，放入金屬;對不需鋪底的規(guī)格應(yīng)放入金屬頂先鋪個假底，假底鋪好后迅速將浮渣打干凈。純鋁底或假底鋪好后，金屬放流液面要緩慢上升，放流速度平穩(wěn)加速。

(5)保持液面穩(wěn)定并保證漏斗液流分配均勻。鑄造過程中液面不穩(wěn)，忽高忽低，液面波動會使拉裂傾向增大。液流分配均勻從而使結(jié)晶器內(nèi)對應(yīng)位置溫度場分布均勻，避免凝殼的薄厚不均，從而減少拉裂的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

(1)通過以上組織分析，5A06合金自由鍛件開裂是由于鑄錠存在微小熱裂紋引起。裂紋為沿晶斷裂，屬熱裂紋，發(fā)生時間為鑄錠凝固末端，即尚未完全凝固完成。

(2)有效防止5A06合金鑄造熱裂紋措施應(yīng)降低鑄造溫度，增強冷卻水壓，確保結(jié)晶器清潔等工藝。

［1］李慶春，周彼得，曾松巖.哈爾濱工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究報告，1981，123.

［2］周家榮.鋁合金熔鑄生產(chǎn)技術(shù)問答［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2008.

［3］曹德靖，吳雙鎖，楊海峰.防止5A06鋁合金普通模鑄造φ290mm以下規(guī)格鑄錠拉裂的措施［J］，中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010(19)