第一讲铸锭及其缺陷

1、第一讲: 铸锭及其缺陷I-1 6XXX系列合金成分组织性能 该系列合金的主要元素是镁和硅，主要强化相是Mg2Si相。若含有一定量的锰或铬，可以中和铁的坏作用；有时还添加少量的铜或锌，以提高合金的强度，而又不使其抗蚀性有明显降低；导电材料中有少量的铜，以抵销钛及钒对导电性的不良影响；锆或钛能细化晶粒与控制再结晶组织；为了改善可切削性能，可加入铅与铋。在Mg2Si中，Mg/Si比为1.73，但是在生产实践中难以保持此比例。因此，大部分合金不是含有过剩量的镁，就是硅含量过剩。当镁含量过剩时，合金的抗蚀性好。但强度与成形性能较低；当硅含量过剩，合金的强度高，但成形性能及焊接性能较低，抗晶间腐蚀倾向稍好

2、。一般Mg/Si控制1.41.5。 该系合金的组织相当简单，主要组织组成物为Mg2Si。在热处理状态下，Mg2Si固溶于铝中，使合金有人工时效硬化能力。如果合金含有相当的Cu与Si，则除了Mg2Si外，还可能形成Cu2Mg8Si6Al5，即至少有一部分Mg2Si为Cu2Mg8Si6Al5取代，后者有一定的自然时效能力。在无锰及铬的该系合金中，铁以FeAl3、FeAl6、Fe2SiAl8等形式存在。在含有锰与铬时，铁就与它们形成化合物。 6060及6063型合金的Mg、Si含量除形成强化相Mg2Si，还有一定量的过剩Si，即Mg/Si1.73。设计这类合金的指导思想是：在力学性能方面，抗拉强度应

3、达到230MPa左右，以满足建筑结构的要求；该系合金相结构简单，有良好的工艺性能，通常简单的风冷就可达到淬火目的；这类合金硅的过剩量越多，合金强度越高。 为使合金中的镁与硅全部固溶于铝中，所挤材料的出口温度应500，工艺规定520，但不得高于550，否则材料的表面品质下降。若低于455，就不能获得处于固溶状态的冶金组织。产品力学性能得不到保证。镁及硅在固溶温度以上的固溶速度很快，通常只需数秒。6060及6063合金淬火敏感性低，可在出模后进行风冷淬火。但冷却速度应足够大以确保达到标准规定的力学性能。具体规定材料通过风冷区尾风机时的温度应250。6000系合金人工时效机理已完全清楚，在此不介绍。

4、6063合金典型人工时效曲线也不讲，一般用180，36小时，也有采用阶段时效。 I-2铸锭缺陷及防止方法 铸锭质量直接影响到其后被加工成各种材料（板、带、管、棒、型、线、锻件等）的质量。据统计轻合金材料生产中，有6070%的废品是因铸锭的质量不良造成的。可以说，铸锭的各种缺陷往往造成了加工车间各种不合格制品的“先天不足”，而某些缺陷（如裂纹），显然在进入压力加工前就成了废品。因此，如何识别、分析铸锭缺陷的产生原因，找出防止或消除这些缺陷的措施，对提高铸锭和半制品的质量，提高整个生产过程的成品率，意义十分重大。 铝镁合金铸锭生产中常见的缺陷很多，如裂纹、气孔、疏松、夹渣、偏析等等。产生这些缺陷的

5、原因很多，归根结底主要是合金的本性，金属液体的纯洁度和浇铸工艺条件诸因素造成的。从本质上讲，缺陷乃是铸造过程中由于温度变化而引起的变相、体积变化和溶解度变化的直接和间接结果。在生产实际中，某种缺陷的出现，其情况往往比较复杂，必须抓住主要的方面进行分析，找出缺陷的成因和防止措施。I-2-1 裂纹： 裂纹是轻金属合金铸锭生产中最普遍的一种缺陷。尤其是铝合金，在用半连续铸造法生产时，因裂纹而产生的废品，其量往往达整个铸锭废品量的4060%。在生产大规格的圆锭、空心锭和扁锭时，裂纹是个突出的问题，必须认真对待。 铝合金铸锭生产中，最易出现裂纹合金有：1070A、7A04、2A12、2A11、5A12等

6、。 通常，就裂纹在铸造时的形成过程，可分为热裂纹和冷裂纹。热裂纹是在金属结晶的过程中形成的，也叫结晶裂纹；冷裂纹是在金属结晶完了的冷却过程中或室温放置时形成的。两种裂纹各有其特征，前者多沿晶界裂开，裂纹曲折而不规则，表面往往呈灰黑色，裂纹时没有响声；而后者多贯穿晶粒内部，裂纹平直而较规则，表面呈洁亮的银白色，裂纹时往往伴随有清脆的响声。在实际生产中，也经常出现先是热裂纹，而后由于应力集中而形成冷裂纹的混合型裂纹。1.热裂纹的形成机理 热裂纹是金属结晶时在线收缩开始温度至不平衡固相点的有效结晶温度范围内产生的。即在金属尚未完全凝固，晶粒边界或枝晶间沿有少量低熔点相时，收缩受到阻碍，所受的拉应力超

7、过了当时金属的强度，或者是金属的线收缩率超过其伸长率而产生的。 关于热裂纹的形成机理，主要的说法有二种：即液膜说和强度说。前者认为，在结晶后期晶界间有一层很薄的液膜存在，当液膜受到的拉长量或拉伸速率超过一定值后，便会形成热裂纹；后者认为，在结晶后期（固液区）收缩应力超过了当时温度下金属的强度，因而产生热裂纹。由于测定金属在结晶后期的强度和应力是困难的，所以不少研究者倾向于用液膜说来解释热裂纹的形成机理。2.冷裂纹的形成机理 冷裂纹一般是铸锭在结晶以后的冷却过程中，由于铸锭的内外温度大，金属进行固态收缩所产生的应力超过了当时温度下金属的强度或塑性极限而形成的。 铝合金的冷裂纹多产生于200左右，

8、有时铸锭在室温放置或是运输途中也会发生崩裂。3.常见裂纹的形式与防止办法 半连续铸造时裂纹的形式主要有下列 一、圆铸锭裂纹： 1、中心裂纹：中心裂纹是圆铸锭常见裂纹。特别是规格较大的高成分铝合金。如7A04、2A12、2A11等最常见。中心裂纹可能是冷裂纹，也可能是热裂纹。 防止中心裂纹的产生： 提高合金在高温和低温时的塑性，以形成抗热裂和冷裂的能力。必须按工艺要求控制合金的化学成分和杂质含量；防止熔体过热和在炉内停留的时间过长。 提高液穴底部，使之在二次水冷带之上，以降低铸锭内外层之温度差。为此可降低铸造速度或者提高结晶器高度及结晶器中金属的高度。2、表面裂纹：又称径向裂纹或皮下裂纹。 这种

9、裂纹通常在液穴底部高于二次水冷带的情况下形成的。在现场通常不易发现。这种裂纹一般不在底部和浇口部出现，铸锭在经过车皮或切取低倍试片时可以发现这种裂纹。 防止办法：有效办法是降低结晶器高度提高铸造速度。此外，水冷均匀，使用锥度小的结晶器也有一定作用。3、环状裂纹：属热裂纹。 这种裂纹是当铸锭外层硬壳（结晶器内的凝固层）和中间层（进入二次水冷带时的凝固层）的冷却速度差别很大时，于过液带转折处产生的。 防止办法：提高合金的高温塑性。为此必须按要求控制化学成分和杂质含量，特别是易熔杂质的含量（如钠）；防止熔体过热和在炉内停留时间过长，避免铸造时生成发达的柱状晶；添加晶粒细化剂和脆性相变质剂，强化晶间联

10、系。 改变液穴陡峭的转折面，使液穴变为平缓，如此应采用较矮的结晶器，或降低金属之水平。 使应力均匀分布，为此必须正确安装结晶器，使之水冷均匀；漏斗放置端正，不能偏斜，停止供流后，不要立即停车，待铸锭浇口部降到二次水冷带以上6070毫米时再停车。4、横向裂纹： 属于冷裂纹。这种裂纹是低塑性合金。如7A04、2A12等大直径圆锭在较低温度下形成的。铸锭的直径越大，发生横向裂纹的可能性越大。 防止办法：合理地调整合金成分及杂质含量，以提高合金的低温塑性（7A04，2A12含量，适当提高镁含量，降低铜、锰含量；尽量降低杂质硅含量，保证一定的铁含量）。同时适当提高铸速，稳定金属水平，均匀供流和冷却，防止

11、冷隔和夹渣的产生也是行之有效的。 关于空心锭、扁铸锭以后再讲。1-2-2、非金属夹渣及氧化膜 非金属夹渣是铸锭的重要缺陷，因其报废的废品量仅次于裂纹。非金属夹渣包括：氧化物、氮化物、碳化物、硫化物、熔渣、熔剂夹渣、砌体碎块等。因这些物质（即使是金属的氧化物或氮化物）在较低温度下大都没有金属的晶体结构，故称为“非金属夹渣”，简称夹渣。 氧化膜是非金属夹渣的一种，是某些铝合金铸锭所需要检验的一种特有缺陷。它一般是指存在铸锭中的细微的薄膜状金属氧化物，如氧化铝、氧化镁等。 防止办法：消除铸锭夹渣和减小氧化膜污染的最有效的办法是让金属在进入铸造前进行过滤，如用耐热玻璃丝网，或刚玉砂微孔管，或Al2O3

12、球加惰性气体吹洗法等。一般情况下做到： 选择有效的精炼方法，适当提高精炼温度，彻底精炼。 保证足够的熔体静置时间。 建立良好的转注条件，设法减少液体金属的冲击、翻滚、让液流在氧化膜复盖下平稳地流动。 铸造开头、收尾注意打渣。 使用的原材料和铸造工具要清洁、干燥。1-2-3气孔与疏松： 1、气孔：是铝合金铸锭常见的组织缺陷之一。如将铸锭车皮，或将铸锭切取低倍试片磨光，用肉眼或放大镜就可以发现。其形状多是圆形，椭圆形、或针条形，内表面较光滑。 气孔存在破坏金属的连续性、降低铸锭组织致密度。加工时易被压扁，但不易被压合，常在加工、热处理后引起起皮、起泡等缺陷，从而降低制品的机械性能和腐蚀性能。 防止

13、办法：减少或清除气孔的办法，主要是降低熔体内的含气量，为此应缩短熔体在炉内的停留时间，采用有效的除气精炼方法。同时在铸造工艺上，宜提高铸造温度，降低铸造速度以利于气体的逸出，或者增加冷却强度，提高铸造速度，从而加快结晶速度，使气体来不及析出而留在固溶体中。此外，对所采用的原材料、辅助材料及铸造工具等保证干燥非常必要。 2、疏松：在铸锭的晶界或枝晶间，常常有一些宏观或微观的孔洞，且孔洞的内表面多参差不齐或呈棱角状，这就是疏松（缩松）。可以通过切取铸锭的低倍试片磨光后用肉眼或显微镜检查出来。它与气孔不同，气孔的内表面较圆滑。 如同气孔一样，疏松的存在也破坏了金属的连续性，降低了组织的致密度，进而降

14、低制品的机械性能和抗腐蚀性能。疏松的形成是由于金属在结晶时，进行液态收缩和凝固收缩，在晶粒或枝晶间形成孔隙，而位于过渡带的液体金属粘性大，流动性差，对形成的孔隙难以补充所致。 影响疏松形成的因素是：金属或合金的本性，铸造工艺及铸锭尺寸。 防止办法：防止疏松的产生，主要应该减小过渡带尺寸，造成良好的补缩条件和析气条件，如提高铸造温度，采用矮的结晶器，提高冷却强度，适当降低铸造温度，使液穴变得浅平，有利于补缩。对大直径圆锭，宜采用环形漏斗，以保中心部位的均匀供流。其次，降低熔体内的含气量，减少气孔产生的有关措施也是重要的。1-2-4偏析： 铸锭各部分化学成分不均匀的现象以及形成这种不均匀性的过程称

15、为偏析。 偏析一般分为晶内偏析、区域偏析和比重偏析。有人把晶内偏析称为微观偏析，把区域偏析和 比重偏析称为宏观偏析。铝，镁合金铸锭易于出现的是晶内偏析和区域偏析。 铸锭的偏析会影响其加工的工艺性能和制品的机械性能，尤其是区域偏析影响更大。晶内偏析： 晶内偏析也称枝晶偏析，它是指晶粒内各部分的合金成分不均匀现象。即晶粒中心（晶轴）处的合金成分较低，晶粒边部的合金成分较高。 晶内偏析是合金在结晶过程中其成分按固相线变化进行选分结晶，且结晶速度大于晶内元素扩散速度的结果。 防止办法：一切有利于细化晶粒的措施，又如加大冷速和变质处理，皆可降低晶内偏析，但由于固相内元素扩散缓慢，且结晶速度大于扩散速度，

16、故晶内偏析还是不可避免。晶内偏析可以通过铸锭均匀化退火来消除或减弱。区域偏析： 区域偏析有正偏析和反偏析之分。是指铸锭在范围较大的某些区域内出现成分偏高或偏低现象。在铸锭中部或头部富有某些较平均成分要高的成分为正偏析；在铸锭外层富有较平均成分要高的成分为反偏析，或逆偏析。 防止办法：区域偏析由于存在于较大的区域范围内，故不能用均匀化退火通过原子扩散的方式来消除。区域偏析一经形成，就会影响铸锭及制品的性能均一性，为此必须在铸造时加以防止。 消除或减轻区域偏析措施是： 采用矮结晶，减小结晶器锥度，加强水冷强度； 采用适当低的铸造速度和温度，使液穴变得浅平； 均匀供流，漏斗要足够大，要放平正； 加入

17、细化剂细化晶粒。1-2-5金属间化合物及其它组织缺陷： 1）金属间化合物： 金属间化合物是指不溶于基体金属中的各种金属间化合物初晶或一次晶。如铝合金2A70、2A80中易于形成FeNiAl9,3A21中易于形成MnFeAl6。这些金属间化合物熔点高，硬度高，多呈片状或针状不均匀地分布于晶内，降低合金的塑性，加工时不易变形，使制品分层，降低材料的横向性能。防止办法： 必须严格控制那些易形成金属间化合物的元素含量，如2A70、2A80，铁、镍宜取中下限，并使FeNi,对3A21，则Fe+Mn 1.8。同时对铝合金可适当提高熔炼温度和浇温，漏斗充分预热到接近金属液的温度，且不宜让漏斗浸入液穴过深。2

18、）光亮晶粒： 对2A11、2A12、7A04等铝合金铸锭中还可以经常发现一种合金组元贫乏的粗大晶粒。它往往位于漏斗所处的中心部位，它是在浇温低，漏斗温度低和浸入液穴深时，在漏斗底部形成的底结物不断长大，当长大到足够重量时即脱离漏斗而落入结晶面，最后凝结于铸锭中，成为一种成分和固体金属不同的偏析夹杂物。若对其试片作低倍金相检查，可以发现这种晶粒具有特殊的光亮色泽，因此称之为光亮晶粒。 光亮晶粒呈粗大的树枝晶无规律地分布于铸锭断面上，严重是破坏合金的机械性能，危害是极大的，当其超过允许的范围时，铸锭即构成废品。 防止方法：适当提高浇温和漏斗温度，选择导热性较好的材料制作漏斗，漏斗表面要均匀涂料，并

19、且应避免漏斗沉置过深。3）花边状组织 花边状组织又称羽毛状晶。它实际是由相互交错的柱状晶组成的，是柱状晶粒的双晶变种，看起来很象羽毛或是花边形状。这种晶粒生长方向往往偏离总的热传导方向，即共同的结晶方向，生长时呈扇形或互相交错。 它的存在会影响制品的横向性能伸长率，特别是轧制与自由锻造时，很可能引起沿双晶面破坏。防止办法： 防止金属过热，并采用适当的铸造温度。 金属供流要均匀，并注意控制金属液流的注入方式和流速，避免金属液流沿平行于结晶前沿的切线方向流入。 适当降低铸锭的二次水冷强度。 加入足够量的晶粒细化剂钛，其量宜在0.025%以上。4）白斑： 用纯铝铺底的铝合金铸锭，其底部有时可发现有白

20、斑。它是铸造开始时，部分纯铝晶粒浮起凝结于漏斗底部逐渐长大，并渗入小量的合金元素，以后于某种外力振动而落入锭内所致。 防止：适当提高铺底铝的温度，打净底结物及浮渣。其他则和防止光亮晶粒的方法相同。5)白点： 对含镁的铝合金铸锭进行断口检查时，可以发现一种没有光线选择性的，呈浅灰色的点状薄膜，这也是一种组织缺陷。多分布在铸锭的周边，有时也在底部、浇口部出现。 白点严重者能显著地降低铸锭的伸长率。对于变形程度小的半成品棒材之伸长率也有所降低。可能是一些氢化物， NaH、MgH2。防止办法： 彻底精炼，降低熔体的含气量， 加强冷却强度，提高铸锭结晶速度。 适当降低铸造温度。1-2-6表面缺陷： 1）

21、冷隔： 冷隔又叫成层，是铸锭常见表面缺陷。 防止或减轻冷隔的办法是： 对裂纹倾向性小的合金可提高铸速度或铸造温度。 采用带锥度的结晶器，或采用热顶铸造。 漏斗安放平正，均匀供流，并防止漏斗尺寸过小。 采用液面自动控制装置，防止金属水平波动。2）偏析瘤： 自铸锭内压出并在铸锭外表凝结的易熔析出物称为偏析瘤或偏析浮出物。它是由于铸锭凝固收缩，铸锭表面与结晶器内壁形成间隙而被液穴金属重新加热时，易熔组成物在金属静压力的作用下，沿结晶骨架之孔道渗出并凝结于铸锭表面而形成的。这种偏析浮出物就是前面讲到的反偏析瘤。它除与铸锭的冷却条件较差有关外，同时还与合金的成分有关。如2A12、7A04高成分合金铸锭表

22、面可以经常看到，而1070A、5A02等低成份的合金则出现较少。防止方法： 强化铸锭在结晶器内的冷却，如采用矮结晶器，提高冷却水压，降低铸造速度或降低铸造温度； 减小铸锭和结晶器内表面的磨擦，防止氧化膜破裂。 防止铸锭凝固壳局部熔化，如漏斗安放平正，避免液流偏斜冲刷凝固壳，结晶器安放平正，结晶器水孔要均匀，不得堵塞。3）拉痕、拉裂： 当铸锭在结晶器内形成的凝固壳强度低于铸锭表面和结晶器内壁接触面的磨擦应力时，就会出现拉痕或拉裂。防止办法： 保持结晶器工作面光滑，均匀润滑； 均匀冷却，适当提高水压； 适当降低铸造速度和铸造温度； 适当降低金属液面高度； 正确安装结晶器和分配漏斗，防止液流偏斜； 定期清理结晶器壁的水垢。1-3 对铸锭质量要求 铸锭在铸出以后，大都进行均质化，锯切，镗孔（空心锭），铣面等工序，加工成供挤压用毛料锭块。所有铸块（锭 ）必须经过各项质量检验。按铸锭质量检验标准执行，有内控质量标准：包括化学成分，尺寸公差，表面质量和内部质量四个方面的内容。1）化学成分： 一切成品铸块的化学成分必须符合内部标准。一般锭的生产须经过两次化学成分分析：最终分析则是最终核实成分是否符合内标，铸块的验