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話說變形鎂合金鑄錠裂紋

時間:2015-10-22


      同鋁合金一樣,鎂合金鑄錠也常常顯現裂紋,不過鎂合金的裂紋敏感性比鋁合金的輕得多,型式也有較大差別,也可以分為熱裂紋與冷裂紋,不過鎂合金的冷裂紋相當少見,僅在MB5和MB7合金錠中偶爾出現,因此鎂合金的熱裂紋廢品量占95%以上。
  熱裂紋
  鑄錠在有效結晶區間形成的裂紋稱熱裂紋。在結晶區間內收縮困難是產生熱裂紋的主要原因。合金在給定條件下,凡是能縮小脆性區溫度范圍、減少脆性區內收縮困難的因素都可以減小熱裂紋敏感性。
  合金熱裂紋敏感性高低可根據其脆性區內塑性A和線收縮ε的大小判斷,即根據溫度-塑性圖可判斷合金敏感性。還A大于0.5%的幾乎不產生熱裂紋。而當A=0時則稱之為絕對脆性區,這時產生熱裂紋的幾率可以說是100%了。合金脆性的上限≤固液區的上限,而其下限則≤固液區的下限。
  對鎂合金熱裂紋敏感性有影響的主要因素:合金成分與工藝因素。
  化學成分
  實驗證明,凡是能細化晶粒的因素都能降低合金脆性區的上限,也就是可以縮小脆性的溫度范圍。因為晶粒越細,則越有利于晶間變形,減少結晶時的收縮阻力,裂紋就不會產生了。例如向Mg+4.5%Zn合金添加0.8%Zr,其固相線由344℃提高到550℃,脆性區縮小了206℃,同時還降低了固液區內的線收縮和提高了固液區的塑性,這三者都有利于消除熱裂紋。
  另外,凡是增大共晶量的組元,都會提高合金的固液區內的塑性。因為增大共晶量,可增大晶界液膜厚度,從而有利于晶界變形,將大大改善補縮條件和裂紋“修復”條件,不但熱裂數量減少,而且程度也顯著減輕。
  共晶量和裂紋敏感性并不是呈線性關系,當共晶量小于其一極限值時,裂紋傾向性小,當增加到某一值后,敏感性驟升,再繼續加大共晶量,則敏感性又下降,一直到零。
  工藝因素
  工藝因素主要指冷卻速度、熔體溫度、錠坯形狀等等。
  鑄錠凝固時,隨著冷卻速度的加大,減小了脆性溫度區間,提高了固液區的金屬的塑性,有利于減少熱裂紋。晶粒粗大的凝固著的錠的脆性溫度也較大。過熱合金熔體將使晶粒粗化,加大脆性溫度范圍,降低合金的塑性,從而加大脆性敏感性。
  晶粒形狀也對脆性區范圍和固液區的塑性大小有影響,柱狀晶的不但脆性區較大,且其固液區的塑性也較低,因而易形成熱裂紋。
  鑄造速度、鑄造溫度、冷卻強度、鑄錠尺寸及形狀都對鑄錠凝固速度有著直接影響,因而直接影響鑄錠的內應力、脆性區大和固液區的塑性。在鑄造鎂合金錠時,不能同時不適當地加大鑄造速度與冷卻強度,否則會加大熱裂紋敏感性。鎂合金有較大的熱裂紋敏性,裂紋的分布形式主要與工藝條件有關,常見形式有表面裂紋和發狀裂紋。
  冷裂紋
  鑄錠中的冷裂紋是在凝固以后形成的,是當鑄錠冷卻到低于不平衡固相線溫度以下時,由于鑄錠收縮困難造成的,即取決于當時鑄錠的內應力大小和塑性高低。鑄造應力可分為熱應力、相變應力和收縮阻力。在連續鑄造時,鎂合金的相變應力可不考慮,主要是其余的兩種應力,但是收縮力也不大,同時可調控,因此,熱應力是最主要的,所以冷裂紋取決于在固態時鑄錠內部熱應力的大小和塑性高低。
  熱應力的產生是由于鑄錠內外各層間的收縮不同步與收縮系數的相異,例如直徑530mm MB15合金圓錠,在鑄造速度為33.6cm/min時,中心部分的平均冷卻速度為48℃/min,而外表層的為58℃/min,這種差別必然導致收縮系數不一樣,另外各層的收縮時間也不同步,表皮先收縮,中心后收縮,這就會使鑄錠內部產生巨大應力。一旦這種熱應力超過鑄錠的屈服Rp0.2,就會形成冷裂紋。
  熱應力大小除與線膨脹系數α及溫差有關外,還與合金的正彈性模E有關,鎂合金的E小,只有45000N/mm2,熱應力也會小一些。另外,在鎂合金鑄造過程中所允許的結晶速度較低,產生的熱應力不大,故鎂合金鑄錠產生冷裂紋的幾率不高。

      來源:中國有色金屬報  責編·作者:王祝堂



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