劉自由，張海鷹

(1.湖南城市學(xué)院，湖南 益陽 413000；2.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808)

7055硬鋁合金是高強(qiáng)度合金材料，它的結(jié)晶溫度范圍廣，固液區(qū)塑性低，裂紋形成的傾向性極大。在鑄錠的常規(guī)半連續(xù)鑄造過程中，鑄造工藝參數(shù)如澆注溫度、拉坯速度、冷卻條件等，與鑄錠的裂紋產(chǎn)生有極大的關(guān)系。研究溫度場、應(yīng)力場分布規(guī)律，分析鑄錠裂紋產(chǎn)生的原理，可以清楚地闡明鑄錠內(nèi)部裂紋的形成原因及找到有效的調(diào)節(jié)控制方法。

鑄造過程中溫度變化所形成的鑄錠裂紋是一種鑄造質(zhì)量缺陷，裂紋的形成和發(fā)展與鑄造溫度的變化有關(guān)。分析裂紋產(chǎn)生的基礎(chǔ)就是分析鑄造過程中的溫度變化規(guī)律，分析裂紋成因的直接有效方法就是掌握鑄錠期間溫度場的變化規(guī)律。鑄錠的凝固是在高溫下的結(jié)晶器內(nèi)進(jìn)行的，無法直接觀察。在實(shí)際生產(chǎn)中，大、中型鑄錠凝固過程的溫度場幾乎不能測定，而且也不能通過實(shí)驗(yàn)得出鑄錠的合理工藝方案后才進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和正式生產(chǎn)。

1 半連續(xù)鑄造裂紋的分析

熱裂紋的形成機(jī)理主要有凝固收縮補(bǔ)償理論、液膜理論、強(qiáng)度理論和晶間搭橋理論等。強(qiáng)度理論以合金高溫力學(xué)性能為基礎(chǔ)，認(rèn)為所有合金在固相線溫度之上的固液區(qū)內(nèi)，都存在著一個(gè)延伸率極小、強(qiáng)度極低的“脆性溫度區(qū)間”，合金在這個(gè)區(qū)間冷卻時(shí)，若收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力超過了當(dāng)時(shí)金屬的強(qiáng)度，或者應(yīng)力引起的變形超過了金屬的塑性強(qiáng)度，就會(huì)導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生。

冷裂紋是在凝固后的冷卻過程中產(chǎn)生的裂紋。冷裂紋是鑄錠冷卻到低溫時(shí)，鑄錠內(nèi)的鑄造拉應(yīng)力超過了鑄錠本身強(qiáng)度和塑性強(qiáng)度極限而產(chǎn)生的。因此，降低鑄造強(qiáng)度、增加鑄造應(yīng)力和塑性都將促使冷裂紋的發(fā)展。在生產(chǎn)過程中一般不存在純粹的冷裂紋，一般都是先產(chǎn)生熱裂紋，然后在冷卻過程中由熱裂紋發(fā)展成為冷裂紋。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，針對不同的工藝條件，對400×1100規(guī)格7055硬鋁合金，設(shè)置了以下幾種工藝，通過研究其溫度場、應(yīng)力場的分布規(guī)律，并對鑄錠的裂紋傾向性進(jìn)行分析：

相同鑄造速度（36mm/min），相同澆注溫度（700℃），相同結(jié)晶器界面換熱系數(shù)（1000w/m2·k)，不同二冷區(qū)換熱系數(shù)（二冷區(qū)具體分為空冷與水冷兩部分，共采用三種不同工藝，為便于以下的分析工作，我們將空冷與水冷的分界處在液穴處，即刮水板位置為距結(jié)晶器下沿200mm處（文中所采用的液穴深度為通過實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果，為380mm）定義為工藝1；分界處在液穴往上100mm處，即刮水板位置為距結(jié)晶器下沿100mm處，定義為工藝2；分界處在液穴往下100mm處，即刮水板位置為距結(jié)晶器下沿300mm處，定義為工藝3。

（1）溫度場實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在工藝3情況下，不論是表面節(jié)點(diǎn)還是心部均冷卻很快，溫度下降的比較快。在工藝2下由于進(jìn)入空冷區(qū)時(shí)間很早，溫度較其他兩種工況提前出現(xiàn)回升，其主要原因可能是進(jìn)入空冷區(qū)以后，由于內(nèi)部熱量不能及時(shí)的被傳遞出去，導(dǎo)致表面溫度出現(xiàn)回升，另一個(gè)原因是由于潛熱的釋放，也可以使表面溫度出現(xiàn)回升。

圖1 不同刮水板位置情況下液穴變化規(guī)律

從圖1可以看出，工藝1和工藝3情況下，液穴深度和糊狀區(qū)深度相差不是太大，工藝2情況下液穴和糊狀區(qū)較大，主要是由于工藝2下，二冷區(qū)范圍較小，導(dǎo)致溫度降低較慢，所以液穴深度較大，糊狀區(qū)域的深度與凝固層內(nèi)溫度梯度的平均值成反比，上述工況符合所述的規(guī)律，同時(shí)，我們也可以通過有關(guān)有限元模型軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得出的結(jié)論基本反映了鑄造裂紋分析過程的正確性。

2 應(yīng)力場實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在工藝1和工藝2情況下，不論鑄坯角部，還是窄面中心和寬面中心，均容易產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，相應(yīng)的產(chǎn)生的壓應(yīng)力也越大，主要是提高冷卻能力時(shí)，鑄錠的收縮加快，突然的驟冷會(huì)使鑄錠的表層產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，因此，冷卻能力越強(qiáng)，鑄錠的表層壓應(yīng)力越大。而在工藝3下心部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。當(dāng)加大冷卻能力時(shí)，心部拉伸應(yīng)力也相應(yīng)增大。二冷區(qū)的冷卻能力對鑄錠的心部拉伸應(yīng)力影響較大。

在工藝3下，不論寬邊方向，還是窄邊方向，在液穴底部均產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。隨著水冷區(qū)范圍的擴(kuò)大，拉應(yīng)力也越大，二冷區(qū)的冷卻能力對鑄錠的心部拉伸應(yīng)力影響較大。液穴底部縱向應(yīng)力往往與鑄錠的橫向裂紋有關(guān)，因此減小二冷區(qū)的冷卻強(qiáng)度和區(qū)域冷卻作用范圍，都將使鑄錠的縱向應(yīng)力減小，從而降低了鑄錠產(chǎn)生橫向裂紋的傾向性。

根據(jù)裂紋判據(jù)的概括與分析，引用張家泉，林家騮等研究的合金熱裂的凝固力學(xué)判據(jù)，對鑄錠的各種裂紋產(chǎn)生的傾向性進(jìn)行分析。工藝1和工藝2，等效熱應(yīng)力超過材料拉伸強(qiáng)度的位置接近鑄坯表面，該情況下有可能產(chǎn)生表面裂紋，而工藝3時(shí)，鑄坯有可能產(chǎn)生環(huán)狀裂紋，而且隨著二冷區(qū)水冷作用范圍的增大，產(chǎn)生裂紋的位置將往鑄錠中心移動(dòng)，環(huán)狀裂紋則最終會(huì)演變成中心裂紋。因此，為了避免環(huán)狀裂紋以及中心裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)該減小二冷區(qū)的作用范圍。工藝2（即在實(shí)際鑄造產(chǎn)生液穴基礎(chǔ)上，往液面方向移動(dòng)上100mm，在此位置來分開水冷與空冷的作用范圍,即放置刮水板處）能夠滿足工藝要求。

在鑄坯角部和窄面中心，還有寬面中心，工藝1和工藝3，表面溫度降至500℃以下時(shí)，等效熱應(yīng)力幾乎均超過材料的強(qiáng)度值，因此鑄坯在這個(gè)過程中將可能產(chǎn)生表面裂紋，而工藝2產(chǎn)生表面裂紋的可能性較小。隨著二冷區(qū)水冷作用范圍增大，出現(xiàn)表面裂紋的可能性也增大，同時(shí)出現(xiàn)裂紋的區(qū)域也變大。當(dāng)鑄錠從結(jié)晶器拉出后，由于二次冷卻的關(guān)系，鑄錠溫度繼續(xù)降低，鑄錠表層應(yīng)力從拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，所產(chǎn)生的表面裂紋將被緊密壓合。所以，這種裂紋只有在對宏觀組織試片留心觀察時(shí)才能發(fā)現(xiàn)。從圖中我們還可以看出，由于潛熱的釋放，對等效應(yīng)力產(chǎn)生的影響，在鑄坯角部和寬面中心，由于潛熱的釋放，等效應(yīng)力出現(xiàn)回升現(xiàn)象，使溫度梯度增大，導(dǎo)致等效應(yīng)力出現(xiàn)短暫的增大現(xiàn)象，這對裂紋的產(chǎn)生也有一定的影響。綜合以上分析可以看出，適當(dāng)?shù)臏p小二冷區(qū)的作用范圍將有利于消除鑄錠的表面裂紋。

3 結(jié)論

通過對3種工藝研究半連續(xù)鑄造過程中的溫度場、應(yīng)力場分布規(guī)律，并對各種裂紋的傾向性進(jìn)行分析，可以得出以下幾條結(jié)論，對于生產(chǎn)過程中避免鑄造裂紋缺陷具有重要實(shí)際意義：

（1）區(qū)域冷卻裝置刮水板往上移動(dòng)，即減小二冷區(qū)的作用范圍，以此來降低冷卻強(qiáng)度，可以有效地消除鑄錠環(huán)狀裂紋和表面裂紋缺陷，這對于制定無裂紋缺陷的鑄造工藝具有一定的作用。

（2）鋁液在結(jié)晶器內(nèi)凝固時(shí)由于相變釋放出大量潛熱，致使鑄錠表面溫度出現(xiàn)回升，使鑄錠表面出現(xiàn)褶痕，這與工業(yè)生產(chǎn)中的情況相符，因此從一定程度上說明了模型的正確性。

（3）區(qū)域冷卻裝置刮水板越往下，冷卻能力越大和二冷區(qū)水冷范圍越大，液穴越淺，糊狀區(qū)域越深，二冷區(qū)的換熱能力對糊狀區(qū)域的深度影響較大。

（4）在鑄造過程中，鑄坯外層受壓應(yīng)力、內(nèi)部受拉應(yīng)力作用，最大的心部拉伸應(yīng)力均出現(xiàn)寬邊方向距心部35mm左右，窄邊方向15mm左右，由此可能形成環(huán)狀的內(nèi)裂紋。而刮水板越往下，冷卻能力越強(qiáng)和二冷區(qū)水冷作用的范圍越大，鑄坯的表層壓應(yīng)力越大，心部的拉伸應(yīng)力也相應(yīng)越大。

（5）結(jié)晶器內(nèi)部的凝固殼外表面由于收縮受阻，使表層材料產(chǎn)生拉伸應(yīng)力和拉伸變形，從而使鑄錠產(chǎn)生表面裂紋，適當(dāng)?shù)臏p小二冷區(qū)域冷卻的作用范圍將有利于消除鑄錠的表面裂紋。

[1]林家騮,朱世根等.鑄鋼件凝固過程三維溫度場熱應(yīng)力場的數(shù)值模擬與縮孔(縮松)的熱裂的判定[J].鑄造,1993,41(10).

[2]曾渝，尹志民，潘青林，等.超高強(qiáng)鋁合金的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,33(6):592-596.