铝合金无缝管因其密度小，力学性能好，抗蚀、导电和导热性良好，且加工性能较优，在航空航天、交通、船舶、化工和包装等领域被广泛应用，并随着我国经济的快速发展，需求量越来越高。采用穿孔挤压无缝管材产生的几何废料少、生产成本低、产品品质高，因此用铝合金空心铸锭挤压管材得到广泛应用。

热顶铸造铝合金空心铸锭时，由于内孔表面结晶的凝壳较薄，在拉力的作用下凝壳容易产生裂纹甚至发生漏铝问题。通过显微观察发现漏铝部位多数具有拉痕和断裂特征，但也有突发漏铝的情况。结合生产实际，分析了空心锭内孔拉痕拉裂漏铝以及无拉裂突发漏铝产生的原因。指出为避免拉裂漏铝，需要从铸造结晶器结构、铸造参数和操作工艺等方面采取措施。通过控制半连续铸造时铝液放热和冷却水吸热的热平衡来控制内腔凝壳厚度和所受拉力；无拉裂突发漏铝主要是由于铸管内腔压力过大所致，从而研制出加装了内孔排气装置的热顶铸造结晶器，并采取优化铸造温度、铸造速度、冷却速度、冷却均匀性等措施。生产表明，加装内孔排气装置的结晶器可有效降低铸管内气体压力，解决无拉裂突发漏铝产生的问题，而其他工艺措施能够很好地控制凝壳厚度，从而解决了拉裂漏铝的问题。

图文结果

热顶铸造法生产铝合金空心铸锭有效提高了生产效率，铸锭组织致密、化学成分均匀、铸锭表面质量好，如果铸造工具设计合理，铸造控制得当，可有效降低空心铸锭的内孔和外表面偏析层深度，无需车削外皮、镗削内孔就可以满足热挤压无缝管材对铸锭毛坯的技术要求。

但在铸造过程中，由于各种因素会导致空心圆铸锭内孔易产生拉裂、裂纹等缺陷，甚至引发漏铝事故。为查明空心铸锭内孔漏铝的实际原因，对空心铸锭漏铝部位进行了纵向切片，观察其内孔表面组织。结果发现，铸锭内孔出现了拉裂、裂纹，严重时会导致漏铝（见图1）。在对多家企业的多次切片观察后也发现有特例，切片上只有漏铝穿孔，未发现内孔表面拉痕、拉裂现象。实地调研时企业反映漏铝为突发性的，并且发生在浇注下降至800~1 500 mm处。漏铝引起铸锭返水，漏出的铝液充填了铸锭内孔导致废品，严重时甚至引起铝液爆炸。

热顶铸造时，一次冷却使铸锭表面发生凝固收缩，空心铸锭的内、外凝壳与结晶器内壁和芯子外表面脱离产生了气隙，其严重阻碍了结晶器与芯子的导热，心部熔体对凝壳回热，如果结晶器和芯子较高，增高的气隙将引起回热重熔，严重时将引发漏铝。随后的二次冷却使空心铸锭内外凝壳表层至铸锭内部逐层凝固并产生收缩，收缩的阻力使铸件沿截面上产生变形和应力，近固相线晶界的液相薄膜处因应力集中而使合金强度、断裂应变很低。如果冷却水量过大，液相熔体快速消耗，合金流动性变差，液相凝固收缩造成糊状区补缩压力急剧降低，从而产生垂直于枝晶界的拉伸应变。当合金熔体的补缩能力低于合金的凝固收缩量，并且当拉应力超过此时合金的强度，或线收缩率大于其伸长率时，铸件将产生开裂，尤其是凝固收缩和变形引起的缩松处。

图1 漏铝部位纵向切片组织

图2 液穴底部的位置

图3 热顶铸造空心锭的结晶器与芯子

有些企业在开始铸造800~1 500 mm长度时，会发生内孔突发漏铝，这种情况造成废品的同时也存在很大的安全隐患。对漏铝进行组织观察没有发现异常。通过对多家突发漏铝企业的比对后发现，突发漏铝全部发生在铸井为溢流排水的企业，而强制排水的企业却很少出现，据此判断系铸管内的气体造成的。冷却方式采用溢流排水时，铸管内有一定的空气，铸造开始后，铸管内冷却水受到铸锭的加热生成水蒸气。随着铸造进行，铸管内的空气和水蒸气被不断变长的铸锭逐渐压缩，而热顶铸造空心铸锭时，其内孔处凝壳很薄，强度很低，凝壳受到铸管内气体的挤压，当铸管内气压增大到冲破脆弱的凝壳时，内孔就会发生突然漏铝。从表面上看，空心铸锭的热顶铸造与实心铸锭的热顶铸造相似，但两者使用的铸造工具不同，铸造工艺与操作要求也高得多。因此，设计合理的铸造工具、控制最佳的工艺参数是空心热顶铸造成败的关键，尤其铸锭的温度梯度是应力产生的重要原因。液穴的形状和深度影响空心铸锭的结晶成形和应力，对铸锭的品质以及热裂纹形成有重要影响。

铸造工具方面：

想要形成空心铸锭的内孔，热顶铸造的每个结晶器均需安装一个芯棒（见图2）。芯棒由芯子、芯子保温套、芯子架、芯子水管和芯子水堵头等组成。芯子通过芯子架固定在结晶器上，芯子及芯子保温套用于形成铸锭的内孔。除了结晶器的冷却水外，芯棒内腔也要通入冷却水，冷却水从芯子水管进入，芯子与芯子水堵头形成的环隙中喷射在铸锭内孔面上。

铸造过程中，铸锭凝固时沿铸锭高度产生收缩，收缩率除与自身合金成分有关外，还受到铸造速度、冷却水温度、铸造温度和冷却水量等参数的影响。由于热顶铸造形成的铸锭是一个连续凝固的过程，铸锭沿高度方向的收缩也呈现一定的线性，因此芯棒的几何外形需设计一定锥度，以便与铸锭不断凝固时的收缩变化相符合。芯棒锥度β不能过小，否则铸造过程会加剧坯壳与芯棒之间的摩擦，甚至出现“抱芯”情况，导致铸锭内孔拉裂。锥度β过大则会增大芯子与内孔之间的间隙，降低散热，严重时熔体回热而易引发漏铝。

芯子水进水孔与出水孔的大小与位置将直接影响铸锭内孔的冷却，出水孔面积一般是进水孔面积的80%。芯子水从芯子下端与芯子水堵头形成的环隙中喷出，此时要求保证芯子与芯子水堵头的同心度，否则形成的环隙不均匀，着水点的位置引发铸锭内孔凝固界面不在同一水平面上，造成铸锭内孔冷却不均匀。

铸造工艺参数：

冷却强度提高，铝合金熔体的结晶速度加快，可以获得均匀细化的组织，但铸锭中的温度梯度增大，热应力相应提高，铸锭裂纹倾向性增大。如果冷却强度过大，将导致铸锭产生冷隔，甚至拉裂、抱芯等缺陷，高合金化金属尤其严重。因冷却水压力过低或冷却水温度过高而引起冷却强度不足时，铸锭温度场高，凝壳太薄，液穴高温铝液重熔凝壳，引发偏析瘤、拉痕等缺陷，冷却严重不足时也会引发漏铝。

铸锭结晶时均匀温度场是各部位收缩一致、消除应力的保证。由于空心铸锭的内外双重冷却，使得均匀冷却更为重要。由于内外冷却强度不同，内外表面凝固速度与收缩也会不一致，弱冷部位温度较高，液穴底部糊状区变薄，凝壳承受应力的能力变差，裂纹倾向性明显增高。

对于裂纹敏感性强、铸造性能差的合金材料，为保证铸造流动性，利于排气和除杂，铸造温度和浇注温度通常高于合金液相线温度50~110 ℃为宜。但随着铸造温度提高，液穴深度大，凝壳变薄，造成晶粒增大、偏析严重，甚至使初生凝壳回热重熔产生偏析瘤，严重时发生漏铝。一般通过控制铸造温度和铸造速度来调整初始凝壳点距离结晶器上截面稍向下的位置，以获得质量合格的铝合金空心铸锭。

铸造速度的提高将大幅加深液穴深度，对铸造的结晶性影响最大。如果铸造速度过慢，液穴底部处在结晶器以下较近处，初始凝壳点可能上移到热顶帽内，铸锭出结晶器时中心层过早凝固，在铸锭表层形成巨大的拉伸应力。铸造速度越快，空心铸锭液穴就越深，液穴内的熔体在凝固收缩产生的拉应力就越大，容易导致铸锭壁厚中心产生裂纹。过高的铸造速度会使初始凝壳点位置向下移，当低于石墨环时，可能出现铸锭冷隔，甚至发生漏铝。

一般情况下，合金化程度越高，强化相种类越多，结晶温度区间越宽，熔体流动性越差，抗裂纹能力也越低，结晶凝固时越易产生裂纹。

表1 部分芯子结构与工艺参数

正确设计结晶器、芯棒的结构与尺寸在很大程度上决定了铸锭的质量，而芯棒高度应与铸锭规格成正比增加。芯子的锥度值取决于铸锭高度方向的凝固率大小，还要满足不同成分合金的收缩要求，表1为部分芯棒高度及锥度的参数。芯子的上部直道对铸造内孔起定径作用，下部表面要避免与下降中不断收缩的铸锭内孔黏连与摩擦，以防止内孔壁撕裂漏铝。

为满足空心铸锭内表面质量要求，芯棒表面应光滑，加工时表面粗糙度Ra应不低于0.8 μm，搬运安装中避免划痕和碰伤。热顶热帽、结晶器底座、芯子与芯子支架在设计时要充分考虑安装时保障同心度的定位结构与同心度误差，安装时各部分连接可靠，保证同心度小于0.1 mm。建议芯子石墨部分、保温套设计时留有加工余量，两者部装后通过机械加工以消除端面间的不平和间隙，否则不平的尖角和间隙挂铝会犁开先期凝固薄壳。此外，结晶器与热帽的过渡部分需圆滑处理。

二次冷却强度往往通过调整冷却水压来实现，结晶器水压不低于0.15~0.20 MPa。调试芯子水压时不能调得太高，一般芯子水压调至0.02 MPa左右。由于季节、产量和冷却方式的影响，冷却水温不能恒定，可根据生产实际制定水压与冷却水温的对应表。按对应表控制水温与水压，有条件的企业可根据采集水温信号以自动控制水压。

液穴中心在空心铸锭壁厚处的位置与作用在铸锭上冷却带的位置相关，冷却带的位置取决于结晶器和芯棒的出水孔角度和尺寸。结晶器上排水孔间距及均匀性可使外表面冷却均匀，内表面直接供水位置要比外表面供水位置提高20～50 mm，控制初始凝壳点位于结晶器上面稍向下的位置。表2为部分结晶器与芯子的喷水角度。芯子、芯子水堵头与结晶器热帽上端面安装时的垂直度不大于0.1 mm，保证芯子水均匀喷向内孔。每次铸造前，检查芯子水道，及时清理水道内杂质，确保水道畅通。

表2 部分结晶器与芯子的喷水角度

图4 芯子上的排气装置

合金化程度高的空心铸锭铸造性与抗裂纹敏感性差，为避免二次水冷引起铸锭的收缩裂纹，提高熔体沿铸锭截面的流动性，降低合金凝固温度梯度，增加过冷带宽度，使熔体的温度应该比铸造同样直径的实心锭高5~10 ℃。

高合金化合金比热容小，合金结晶速度快，所以需要适当提高铸造速度。但高合金化合金的裂纹敏感性大，故铸造速度又不能过高。生产实际中，根据铸造温度、结晶器二次冷却水的水温，在试验中确定保证铸锭质量的铸造速度。

合金元素配比及含量在满足使用性能的前提下，以尽量提高合金塑性、强度，降低裂纹敏感性为原则，严格控制合金中的杂质含量。如Al-Zn-Mg-Cu系合金中的Fe、Si含量的增加提高了合金的热脆性和热裂倾向，当Si含量大于Fe含量时，可生成硬而脆的Al-Fe-Si相，降低了合金的塑性和使用特性，必须严格加以控制。通常控制Si含量≤0.2%，Fe含量为0.20%～0.45%，并使Fe含量比Si高出0.05%以上。

熔体质量与操作工艺也是获得优质空心铸锭不可忽略的因素。合金中各元素的熔点、密度及活泼性相差很大，因此合理的加料顺序与方法可以避免低熔点元素烧损、防止熔体因长时间过热而产生晶粒粗大。同时还要对熔体彻底除气除渣、保持清洁、防止炉内长时间停留、进行细化处理等。铸造开头采用铺底工艺，以防止冷隔、夹渣等引起的铸锭裂纹。

在铸井内溢流排水冷却工艺中，铸管内气压造成了铸锭内孔的突发漏铝，所以设法降低铸管内气体压力是消除漏铝的较好举措。将铸井内溢流排水改为强制排水方式会使铸井内存水量减少，降低铸管内气体压力。为彻底消除铸管内气体被压缩而产生的外力，可将空心铸锭芯棒进行改进并加装排气装置（见图4）。在原有芯棒的基础上，设计通过芯棒中心的排气管，排气管中心的气孔将铸管内气体连通大气，有效降低了铸管内气体压力。试验后，均不再发生漏铝。由于排出的空气、水蒸气和水具温度较高，所以排气管出口处加接的管道最好采用耐高温的紫铜管。同时，排气口要远离分流盘，避免水滴与水气喷溅在高温铝液上引起飞溅。

结论

（1）铝合金空心铸锭热顶铸造时，由于内孔表面处凝壳较薄、与芯棒接触面积较大等原因，裂纹及漏铝现象易发生在内孔。引起内孔裂纹及漏铝的因素很多，从合金成分方面要围绕提高金属塑性和铸造性能出发，铸造过程中以降低铸锭凝固时的温度梯度、减小应力变形为原则设计铸造温度、铸造速度和冷却强度等工艺参数，以降低和消除裂纹和漏铝的产生。

（2）空心铸锭内、外两个成形面决定了其热顶铸造的复杂性，其外圆直径与内孔直径不同规格的组合给铸造工艺和铸造工具提出了更高要求。除了考虑外圆成形面的结晶器设计外，芯子设计更为关键。芯子高度、芯子锥度、各部分安装精度等是铸锭内孔裂纹和漏铝的机械因素，依据铸锭收缩率等要求合理设计铸造工具、提高其表面质量和安装精度可有效减少裂纹与漏铝的发生。

（3）随着铸锭的不断成形，溢流排水冷却的铸井内存水使铸管内气压逐渐升高，最终冲破内孔凝壳使熔液漏出。通过设计、安装排气装置，使铸管内气体得以顺利排出是解决突发漏铝的有效措施。

作者：
杜新宇
南阳理工学院智能制造学院

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志社，《压铸周刊》战略合作伙伴