7075扁錠在鐓粗過程中表面裂紋的原因分析

竭艷麗，盧瀟涵，張洪靜，袁少紅，宋韋韋，劉 芳，婁志華，郭愛紅，宋 微

（1.南山集團航鑫材料科技有限公司，煙臺 264000；2.佳木斯大學，佳木斯 154007；3.山東裕航裝備有限責任公司，濱州 256600)

7075扁錠在鐓粗過程中表面裂紋的原因分析

竭艷麗1，盧瀟涵2，張洪靜1，袁少紅1，宋韋韋1，劉 芳1，婁志華1，郭愛紅1，宋 微3

（1.南山集團航鑫材料科技有限公司，煙臺 264000；2.佳木斯大學，佳木斯 154007；3.山東裕航裝備有限責任公司，濱州 256600)

牌號為7075的鋁合金扁錠，經加熱鐓粗后，發現扁錠表面和側面共有3處很深的裂紋，裂紋大約深為8～20mm。經化學成分分析、宏觀組織、顯微組織以及掃描電鏡斷口分析，結果表明：失效扁錠的化學成分符合GB/T3190-2008的要求，低倍組織除裂紋外沒有發現其它冶金缺陷，斷口表面發現有氧化現象，顯微組織未過燒。可判斷失效扁錠開裂是因固-液區內的金屬塑性低，熔體結晶時體積收縮產生拉應力，當拉應力超過當時的金屬溫度下的強度或收縮率大于伸長率時則產生裂紋，裂紋屬于熱裂紋即鑄造裂紋。

7075合金；鐓粗；熱裂紋；扁錠

1 情況簡介

選用的是牌號7075規格為580mm×2030mm× 2300mm的鋁合金扁錠，重量為7300kg，在鐓粗前需加熱，其生產流程為:

（1）工具加熱：溫度350～450℃；（2）定溫：445±5℃，按空氣溫度達420℃開始計算保溫時間，保溫時間20h；（3） 鑄錠擺正，2030mm鐓粗至L=1200mm；（4）轉向90°，由2300mm鐓粗至L=1500mm。

第二步鐓粗至1500mm后，出現裂紋，試塊從位于左下方裂紋切取，裂紋及試塊位置見圖1和圖2。

圖1 扁錠宏觀裂紋

圖2 裂紋放大

2 化學成分分析

失效扁錠的化學成分及GB/T3190-2008標準對7050元素含量的要求見表1。根據表1可知，失效扁錠化學成分符合GB/T3190-2008的要求。

表1 失效扁錠化學成分（質量分數／%）

3 試驗結果

3.1 宏觀組織

圖1和圖2分別是扁錠宏觀裂紋和裂紋放大后的形貌。如圖1所示表面和端面都有裂紋，裂紋是沿著扁錠的縱向表面和橫向端面開裂的。圖2可測出裂紋深大約在8～20mm。在橫向端面裂紋附近切取試樣時有部分試樣自然脫落，脫落的試樣斷口表面顏色不新鮮呈暗黃色和氧化色，斷口參差不齊，組織粗糙。將失效試樣車銑，銑面后放在15%～25% NaOH水溶液浸蝕8～15min，拿出放在清水下沖洗，再經20%硝酸溶液清洗，除去黑色堿蝕產物，最后用流動清水將檢查面沖洗干凈。經檢查試樣表面沒有發現疏松、化合物、夾雜等冶金缺陷，如圖3所示。

圖3 失效扁錠宏觀組織

3.2 顯微組織

在失效扁錠斷口上截取金相試樣，試驗表面垂直斷口表面，經預磨和磨拋后再用低濃度混合酸浸蝕，放在光學顯微鏡下觀察其顯微組織（見圖4）。圖4（a）為失效扁錠的顯微組織，從顯微組織觀察整個試面存在大量的鑄態組織，變形量很小。在試樣裂紋附近的顯微組織特征為：裂紋的橫截面的邊緣存在著沿枝晶裂開并沿枝晶方向發展，并且在裂紋處存在少量的尺寸小的而分布致密的低熔點共晶填充物，此現象在裂紋斷口邊緣上密集分布。圖4（b）為扁錠的正常顯微組織，其組織為變形量很小的大量殘留的鑄造組織，沒有發現化合物集聚、夾雜、疏松等冶金缺陷，沒有發現復熔三角形晶界、晶界加寬以及復熔球特征。

圖4 失效試樣裂紋處橫截面顯微組織(200倍)

3.3 斷口及能譜分析

將失效扁錠斷口經掃描電鏡掃描并進行能譜分析，如圖5所示。圖5（a）為切取試樣自然脫落的斷口宏觀組織，發現斷口表面顏色不新鮮，呈暗黃色和氧化色，斷口參差不齊，組織粗糙，可判斷此扁錠斷口已被氧化。圖5（b）為失效斷口能譜掃描顯微組織形貌，其組織不是正常的韌窩狀組織。表2能譜數據顯示除7075合金主要元素外還有很高含量的O元素，說明斷口已被氧化，這與斷口宏觀組織觀測結果相一致，C含量高可能是扁錠裂開后被油污或臟物污染所致。

圖5 失效零件斷口形貌

表2 失效斷口表面能譜分析結果

4 裂紋產生原因及預防對策

4.1 扁錠裂紋產生原因分析

綜合上述試驗結果可知：從自然脫落的裂紋斷口表面顏色和能譜分析看，斷口已被氧化，因此可判斷裂紋也不是在鍛造過程中產生的；從顯微組織來判斷，裂紋不是過燒產生的而是在鑄造過程中由于其他因素產生的熱裂紋。綜上所述：扁錠在加熱后經第一次鐓粗產生的裂紋是熱裂紋即鑄造裂紋。

熱裂紋的形成過程：熱裂紋是金屬結晶時在線收縮開始溫度至不平衡固相點的有效結晶溫度范圍內產生的，即在金屬尚未完全凝固，晶粒邊界或枝晶間尚有少量低熔點相時，收縮受到阻礙，所受拉應力超過了當時溫度下的金屬強度，或者是金屬的線收縮率超過其伸長率而產生的。

此失效扁錠的裂紋形式是表面裂紋，它的產生主要是水冷不均勻引起的，多出現在鑄錠的寬面。當金屬凝固并在結晶器內停留時，由于空隙的形成而表面不斷被加熱，當鑄錠見二次水冷時，受急冷而收縮產生橫向拉應力。在水冷較弱處因金屬的強度低而形成縱向表面裂紋，這種裂紋在硬合金扁錠表面有時看不見，經銑面后可以被發現。而失效扁錠裂紋在鑄造過程中已經產生了，只是沒有暴露出來，在加熱過程中裂紋被氧化，在隨后的鐓粗過程中由于外力的作用使原有裂紋進一步擴展張開尺度增大才被發現。

4.2 預防措施

（1）按工藝要求控制化學成分和雜質含量，提高鑄錠抵抗形成熱裂紋的能力。在實際生產中將Mg控制在標準范圍的上限即2.8%；Zn對裂紋傾向影響在實際生產中不明顯；Cu含量超過1.5%時熱脆性大，實際生產中應把Cu控制在標準范圍中下限；雜質Mn控制的越低裂紋傾向越小；雜質Fe、Si對合金的熱脆性有比較明顯的影響，Si含量增加合金的熱脆性提高，Fe含量增加合金的熱脆性明顯下降。

（2）適當降低鑄造速度和溫度。實踐證明，低液位鑄造的冷卻水強度控制在60m3/h、75m3/h；低液面鑄造時鑄造速度控制在60mm/min、75mm/min范圍。

（3）定期清理冷卻水套和冷卻水過濾裝置，以保證沿鑄錠周邊均勻冷卻。

（4）防止熔體過熱。

（5）在開始鑄造前，保證在40s、80s內將金屬注入結晶器，均勻分配液流，嚴防漏斗歪斜。

（6）建議降低鑄錠剛見水時的表面溫度如選用錐度較小的結晶器，克服水冷不均。

5 結論

（1）失效扁錠原材料化學成分符合GB/T3190-2008的要求。

（2）宏觀組織除有裂紋外，沒有疏松、夾雜、粗大化合物等缺陷，可以排除缺陷造成裂紋的可能。裂紋宏觀斷口表面顏色不新鮮呈暗黃色和氧化色，斷口參差不齊，組織粗糙，斷口組織能譜掃描存在很高含量的C、O元素，說明斷口被氧化，可證明不是鍛造過程中產生的；顯微組織沒有過燒特征，也進一步證實了裂紋產生不是過燒造成的。

（3）失效扁錠表面裂紋屬于熱裂紋即鑄造裂紋。

The Causal Analysis of Surface Cracks about 7075 Slab Ingot in the Forging Process

JIE Yan-li1，LU Xiao-Han2，ZHANG Hong-jing1，YUAN Shao-hong1，SONG Wei-wei1，LIU Fang1，LOU ZHi-Hua1，GUO Ai-hong，SONG Wei3
(1.Hangxin Material Technology Co.，Ltd.，Yantai 264000；2.Jiamusi university Co.，Ltd.，Jiamusi 154007；3.Shandong yuhang Navigation Equipment Co.，Ltd，Bingzhou 256600，China)

Three deep cracks with depth from 8 mm to 20mm were found on top and side surfaces of the 7075 aluminum ingot after being hot forging.By aid of analyzing chemical composition，macrostructure and microstructure，and fracture analysis of SEM for meterial，the results show that material’s chemical composition meets the GB/T3190-2008 requirement.In addition，there are not any metallurgical defects except for the cracks on the surfaces，oxidization phenomenon were found on the fracture surfaces，and its microstructure was not overheated.Based on the analysis results，we can conclude that the cracking of ingot was due to the low plas?ticity of metal in the solid-liquid region.When the melt starts to crystallize，material’s volume will shrink，and tensile force will be generated in the material.If the tensile force exceeds metal’s strength at certain temperature，or metal’s shrinking rate is higher than its elongation rate，then，cracks will be formed on the ingot，and they are belong to a kind of hot casting cracks.

7075 alloy；upset；hot cracking；ingot

TG292

A

1005-4898(2017)02-0034-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.02.07

西南鋁被評為“軍工能力建設先進單位”

竭艷麗（1962-），女，黑龍江哈爾濱人，高級工程師。

2016－11－28

近日，國家國防科技工業局對2013-2016年度“軍工能力建設先進單位”和“先進個人”進行了表彰，西南鋁因在軍工鋁合金材料保障上的突出貢獻，被評為”國防科工局2013至2016年度軍工能力建設先進單位”，是本次獲獎的全國49家單位之一，也是中鋁公司所屬企業中唯一獲獎的單位。