工業(yè)鋁型材擠壓裂紋分析與控制:

工業(yè)鋁型材擠壓時(shí)裂紋的形式與產(chǎn)生原因

裂紋形式多樣，產(chǎn)生原因不盡相同，但均為結(jié)晶過(guò)程中，結(jié)晶面上的應(yīng)力大于其材質(zhì)（固體或液體）的抗拉強(qiáng)度引起，總體上可分為熱裂紋和冷裂紋兩大類。

鑄造過(guò)程中，在一定條件下，每一種工業(yè)鋁型材都有其固有的液相線和固相線。結(jié)晶時(shí)有一個(gè)相應(yīng)的兩相共存區(qū)。在兩相區(qū)的上部，液相較多，固相較少，稱為液固區(qū)；在兩相區(qū)的下部，液相較少，固相較多，稱為固液區(qū)。固液區(qū)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，呈現(xiàn)明顯的脆性，俗稱脆性區(qū)。鑄錠裂紋大多數(shù)都是在這個(gè)固液區(qū)內(nèi)萌生和發(fā)展的。如果裂紋是在固液區(qū)的液相內(nèi)萌生并發(fā)展形成，稱其為熱裂紋；如果是在固液區(qū)的固相內(nèi)萌生并發(fā)展或在液相區(qū)內(nèi)萌生出微裂紋源，而在固相中發(fā)展成裂紋，稱其為冷裂紋。在生產(chǎn)實(shí)踐中，大多數(shù)裂紋為熱裂紋，且大多數(shù)冷裂紋也由微觀裂紋源或因夾渣等引起的裂紋源發(fā)展形成，真正在固相中萌生并發(fā)展而形成的冷裂紋比較少見(jiàn)。

冷、熱裂紋的差別：熱裂紋呈黃褐色或暗灰色；裂口寬度不一，走向曲折，沿晶界通過(guò)；多分布于最后凝固處；常有低熔點(diǎn)物質(zhì)填充。冷裂紋呈亮光色或淺灰色；裂口寬度較一致，差別不大，很少分叉；裂紋多穿晶通過(guò)；多分布在拉應(yīng)務(wù)最大的地方；偶或冷裂紋形成時(shí)，伴有巨大聲響，引起工業(yè)鋁型材基材炸裂。

裂紋屬惡性缺陷，凡檢出裂紋者，整爐或整個(gè)鑄次報(bào)廢；或?qū)﹁T塊進(jìn)行200%檢查（對(duì)鑄塊兩頭取樣檢查），確保無(wú)裂紋者交貨，對(duì)存疑者一律做報(bào)廢處理。

工業(yè)鋁型材擠壓裂紋的防止與控制

裂紋是工業(yè)鋁型材擠壓生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生的主要缺陷。工業(yè)鋁型材生產(chǎn)擠壓工作者對(duì)鑄錠裂紋進(jìn)行了長(zhǎng)期的考察與研究，取得了重要成果，總結(jié)出了行之有效的技術(shù)措施防止或控制裂紋的發(fā)生。

a控制化學(xué)成分，消除或降低裂紋傾向性

（1）控制鐵硅含量比例，防止鑄錠裂紋。根據(jù)不同合金，調(diào)控化學(xué)成分，改變結(jié)晶前沿的相變條件，改善固液區(qū)的脆性，防止裂紋發(fā)生：

1）對(duì)于Si＜0.35%的工業(yè)純鋁、AL-Mn系合金、Si不作為合金元素的AL-Mg系合金、Mg含量大于1%的AL-Cu-Mg系合金、AL-Zn-Mg系合金、AL-Mg-Cu系合金，調(diào)控化學(xué)成分為Fe＞Si。其作用是：

①縮小固液區(qū)的溫度區(qū)間。如Si＜0.35%的工業(yè)純鋁，當(dāng)Si＞Fe時(shí)，其不平衡固相線溫度為577℃，而Fe＞Si時(shí)，該溫度可提高到611℃，使得固液區(qū)間溫度縮小了34℃。所有的熱裂紋都是在固液區(qū)受到凝固收縮應(yīng)力作用產(chǎn)生的。金屬在結(jié)晶過(guò)程中的線收縮是從有效結(jié)晶間隔的上限溫度開(kāi)始，至有效結(jié)晶區(qū)間的下限溫度結(jié)束。其凝固應(yīng)力的表達(dá)式為σ=Eα（t?-t?）

式中E---合金的彈性模量；
   α---線收縮系數(shù)；
   t?---有效結(jié)晶間隔的上限溫度；
   t?---有效結(jié)晶間隔的下限溫度。
Fe＞Si使有效結(jié)晶區(qū)間溫度范圍（t?-t?）減小，其收縮應(yīng)力減少，降低或消除了裂紋的發(fā)生。


②改變固液區(qū)的相結(jié)構(gòu)，降低脆性。Si＞Fe時(shí)，生成的雜質(zhì)相有β（Fe?Si?Al9)；而Fe＞Si時(shí)，可抑制β（Fe?Si?Al9)相，生成α（FeSi?Al12)相。β（Fe?Si?Al9)相為針狀，α（FeSi?Al12)相為骨骼狀。很明顯，α（FeSi?Al12)相的有害作用小于β（Fe?Si?Al9相，從而降低脆性，減少或消除裂紋發(fā)生的可能性。

2）對(duì)于Mg＜1%的AL-Cu-Mg系合金和Mg＜0.5%的AL-Cu-Mn系合金，控制Si＞Fe，以抑制裂紋的產(chǎn)生。其作用原因是：

①減少M(fèi)g?Si的偽共晶量。合金中同時(shí)存在Mg、Si時(shí)，Mg?Si有可能優(yōu)先形成。形成Mg?Si后，若有過(guò)剩Mg存在時(shí)，Mg明顯削弱Mg?Si的固溶度，而過(guò)剩Si存在時(shí)，不影響Mg?Si的固溶度。

Si＞Fe保證了Mg?Si的固溶度，使晶界及枝晶間含Mg?Si的低熔脆性組織減少，從而降低了合金的脆性。


②增加合金的流動(dòng)性。流動(dòng)性增加，使補(bǔ)縮容易，焊合能力增強(qiáng)，降低合金的裂紋傾向。

（2）限制雜質(zhì)鐵、硅含量，降低合金發(fā)生裂紋的傾向。具體方法如下：

1）限制Si含量。實(shí)踐證明，對(duì)于需控制Fe＞Si的合金，不僅要控制Fe、Si的比例關(guān)系，還要限制Si的含量。裂紋傾向越大的合金，Si含量應(yīng)越低；鑄錠規(guī)格越大，Si含量相應(yīng)地也要控制低一點(diǎn)。其原因是：

①Si含量增加，對(duì)形成Mg?Si后有過(guò)剩Mg存在的合金，Mg?Si的溶解度降低，可能在晶界形成較多的含Mg?Si的低熔點(diǎn)共晶相，增大合金的脆性。含Si量降低時(shí)，低熔點(diǎn)共晶量減少，在晶界或枝晶間存在的厚度減薄或形成不連續(xù)分布，從而使抗裂紋能力增加。


②Si含量增加，F(xiàn)e+Si總量增加，雜質(zhì)相在晶界的分布增多，使晶界強(qiáng)度和韌性同時(shí)降低，從而使合金的塑性變形能力下降，在熱收縮應(yīng)力的作用下，不能發(fā)生相應(yīng)變形而引發(fā)裂紋。

③鑄錠規(guī)格增大，凝固收縮的絕對(duì)值增加，因而裂紋傾向性加大。

2）調(diào)控Fe含量。對(duì)某些以Si為主要組元的合金需要對(duì)Fe的含量進(jìn)行控制。其中AL-Mg-Si系和含Cu小于1%的AL-Cu-Mg-Si系合金含F(xiàn)e量不宜過(guò)低；而有的合金如4A11則需限制Fe含量。適當(dāng)?shù)卣{(diào)控Fe含量的目的是為了減少針狀、性脆的β（Fe?Si?Al9)相以降低裂紋傾向。

（3）降低鈉元素，抑制鈉脆性。含Mg量超過(guò)3%的5×××系合金，有Na存在時(shí)，游離Na（熔點(diǎn)97℃）可能連續(xù)分布于晶界上，削弱晶界強(qiáng)度。合金中Na含量超過(guò)1×10－3%時(shí)即會(huì)引起鈉脆。5×××系列合金因鎂含量遠(yuǎn)大于硅含量，大量過(guò)剩鎂可能和(NaAlSi）發(fā)生置放反應(yīng)而生成游離鈉：

(NaAlSi）+2Mg===Mg?Si+Na（游離）+Al


隨著工業(yè)鋁型材基材中鎂含量的增加和鑄鋁規(guī)格的增大，鈉脆引起裂紋的傾向性也增大。鈉是電解鋁中的固有元素，采用電解鋁液的鈉含量也會(huì)略高于鋁錠重鋁液的鈉含量，因此更需要采取措施降低熔體中的鈉元素：

1）冶煉5×××系工業(yè)鋁型材時(shí)，采用不含鈉的溶劑，如用KCL+MgCL?進(jìn)行覆蓋和精煉。
2）鑄造前用氯氣+氮?dú)饣蚵葰?氬氣進(jìn)行精煉，使生成NaCl被除去。
3）向合金中加入微量能與鈉化合的元素如銻，進(jìn)一步除去鈉的影響。

（4）調(diào)整主要成分范圍，抑制裂紋的形成和發(fā)展。生產(chǎn)實(shí)踐表明，合金中不僅雜質(zhì)對(duì)裂紋產(chǎn)生影響，其主要的成分范圍對(duì)裂紋的形成也起著重要作用。具體體現(xiàn)在：

1）含銅量小于1%的Al-Mg-Si-Cu系合金扁錠和空心錠，當(dāng)含量處于標(biāo)準(zhǔn)的中、上限時(shí)，鑄錠裂紋的傾向性增大。

銅的這種影響是因?yàn)殂~含量偏高時(shí)可能不平衡固相線降低，使固液區(qū)溫度范圍增大，從而增加線收縮應(yīng)力。因此對(duì)這類合金將其銅含量按中下限控制為宜。

2）對(duì)2A12合金，當(dāng)其Cu+Mg總量超過(guò)6.3%時(shí)，鑄錠裂紋呈增加趨勢(shì)。這可能是由于合金化程度提高，使得硬相的體積分?jǐn)?shù)增加所致。因此，無(wú)特殊要求時(shí)，其Cu+Mg總量控制最好不超過(guò)6.3%。

3）據(jù)資料報(bào)道，對(duì)Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu合金，在Zn+Mg總量等于6%時(shí)，隨Zn/Mg的比值增大，裂紋傾向性增加。

鎂的這種作用是因鎂含量增加，固液區(qū)塑性提高所致。因此對(duì)這類合金盡可能降低Zn/Mg的比值，以抑制裂紋的產(chǎn)生。

4）對(duì)以硅為主要成分的型材，將硅控制在中上線，能控制鑄錠裂紋的發(fā)生。其作用原理是硅含量增加，合金的流動(dòng)性提高，加強(qiáng)了合金的補(bǔ)縮及焊合能力。

5）對(duì)Al-Mg系、l-Cu-Mg系、Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金型材，隨著Mn含量的增加，發(fā)生裂紋的傾向性增加。