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话说变形镁合金铸锭裂纹

时间:2015-10-22


      同铝合金一样,镁合金铸锭也常常显现裂纹,不过镁合金的裂纹敏感性比铝合金的轻得多,型式也有较大差别,也可以分为热裂纹与冷裂纹,不过镁合金的冷裂纹相当少见,仅在MB5和MB7合金锭中偶尔出现,因此镁合金的热裂纹废品量占95%以上。
  热裂纹
  铸锭在有效结晶区间形成的裂纹称热裂纹。在结晶区间内收缩困难是产生热裂纹的主要原因。合金在给定条件下,凡是能缩小脆性区温度范围、减少脆性区内收缩困难的因素都可以减小热裂纹敏感性。
  合金热裂纹敏感性高低可根据其脆性区内塑性A和线收缩ε的大小判断,即根据温度-塑性图可判断合金敏感性。还A大于0.5%的几乎不产生热裂纹。而当A=0时则称之为绝对脆性区,这时产生热裂纹的几率可以说是100%了。合金脆性的上限≤固液区的上限,而其下限则≤固液区的下限。
  对镁合金热裂纹敏感性有影响的主要因素:合金成分与工艺因素。
  化学成分
  实验证明,凡是能细化晶粒的因素都能降低合金脆性区的上限,也就是可以缩小脆性的温度范围。因为晶粒越细,则越有利于晶间变形,减少结晶时的收缩阻力,裂纹就不会产生了。例如向Mg+4.5%Zn合金添加0.8%Zr,其固相线由344℃提高到550℃,脆性区缩小了206℃,同时还降低了固液区内的线收缩和提高了固液区的塑性,这三者都有利于消除热裂纹。
  另外,凡是增大共晶量的组元,都会提高合金的固液区内的塑性。因为增大共晶量,可增大晶界液膜厚度,从而有利于晶界变形,将大大改善补缩条件和裂纹“修复”条件,不但热裂数量减少,而且程度也显著减轻。
  共晶量和裂纹敏感性并不是呈线性关系,当共晶量小于其一极限值时,裂纹倾向性小,当增加到某一值后,敏感性骤升,再继续加大共晶量,则敏感性又下降,一直到零。
  工艺因素
  工艺因素主要指冷却速度、熔体温度、锭坯形状等等。
  铸锭凝固时,随着冷却速度的加大,减小了脆性温度区间,提高了固液区的金属的塑性,有利于减少热裂纹。晶粒粗大的凝固着的锭的脆性温度也较大。过热合金熔体将使晶粒粗化,加大脆性温度范围,降低合金的塑性,从而加大脆性敏感性。
  晶粒形状也对脆性区范围和固液区的塑性大小有影响,柱状晶的不但脆性区较大,且其固液区的塑性也较低,因而易形成热裂纹。
  铸造速度、铸造温度、冷却强度、铸锭尺寸及形状都对铸锭凝固速度有着直接影响,因而直接影响铸锭的内应力、脆性区大和固液区的塑性。在铸造镁合金锭时,不能同时不适当地加大铸造速度与冷却强度,否则会加大热裂纹敏感性。镁合金有较大的热裂纹敏性,裂纹的分布形式主要与工艺条件有关,常见形式有表面裂纹和发状裂纹。
  冷裂纹
  铸锭中的冷裂纹是在凝固以后形成的,是当铸锭冷却到低于不平衡固相线温度以下时,由于铸锭收缩困难造成的,即取决于当时铸锭的内应力大小和塑性高低。铸造应力可分为热应力、相变应力和收缩阻力。在连续铸造时,镁合金的相变应力可不考虑,主要是其余的两种应力,但是收缩力也不大,同时可调控,因此,热应力是最主要的,所以冷裂纹取决于在固态时铸锭内部热应力的大小和塑性高低。
  热应力的产生是由于铸锭内外各层间的收缩不同步与收缩系数的相异,例如直径530mm MB15合金圆锭,在铸造速度为33.6cm/min时,中心部分的平均冷却速度为48℃/min,而外表层的为58℃/min,这种差别必然导致收缩系数不一样,另外各层的收缩时间也不同步,表皮先收缩,中心后收缩,这就会使铸锭内部产生巨大应力。一旦这种热应力超过铸锭的屈服Rp0.2,就会形成冷裂纹。
  热应力大小除与线膨胀系数α及温差有关外,还与合金的正弹性模E有关,镁合金的E小,只有45000N/mm2,热应力也会小一些。另外,在镁合金铸造过程中所允许的结晶速度较低,产生的热应力不大,故镁合金铸锭产生冷裂纹的几率不高。

      来源:中国有色金属报  责编·作者:王祝堂



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