工業鋁型材擠壓裂紋分析與控制:

工業鋁型材擠壓時裂紋的形式與產生原因

裂紋形式多樣，產生原因不盡相同，但均為結晶過程中，結晶面上的應力大于其材質（固體或液體）的抗拉強度引起，總體上可分為熱裂紋和冷裂紋兩大類。

鑄造過程中，在一定條件下，每一種工業鋁型材都有其固有的液相線和固相線。結晶時有一個相應的兩相共存區。在兩相區的上部，液相較多，固相較少，稱為液固區；在兩相區的下部，液相較少，固相較多，稱為固液區。固液區結構比較復雜，呈現明顯的脆性，俗稱脆性區。鑄錠裂紋大多數都是在這個固液區內萌生和發展的。如果裂紋是在固液區的液相內萌生并發展形成，稱其為熱裂紋；如果是在固液區的固相內萌生并發展或在液相區內萌生出微裂紋源，而在固相中發展成裂紋，稱其為冷裂紋。在生產實踐中，大多數裂紋為熱裂紋，且大多數冷裂紋也由微觀裂紋源或因夾渣等引起的裂紋源發展形成，真正在固相中萌生并發展而形成的冷裂紋比較少見。

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；多分布于最后凝固處；常有低熔點物質填充。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；多分布在拉應務最大的地方；偶或冷裂紋形成時，伴有巨大聲響，引起工業鋁型材基材炸裂。

裂紋屬惡性缺陷，凡檢出裂紋者，整爐或整個鑄次報廢；或對鑄塊進行200%檢查（對鑄塊兩頭取樣檢查），確保無裂紋者交貨，對存疑者一律做報廢處理。

工業鋁型材擠壓裂紋的防止與控制

裂紋是工業鋁型材擠壓生產中經常發生的主要缺陷。工業鋁型材生產擠壓工作者對鑄錠裂紋進行了長期的考察與研究，取得了重要成果，總結出了行之有效的技術措施防止或控制裂紋的發生。

a控制化學成分，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。根據不同合金，調控化學成分，改變結晶前沿的相變條件，改善固液區的脆性，防止裂紋發生：

1）對于Si＜0.35%的工業純鋁、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，調控化學成分為Fe＞Si。其作用是：

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

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


②改變固液區的相結構，降低脆性。Si＞Fe時，生成的雜質相有β（Fe?Si?Al9)；而Fe＞Si時，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，減少或消除裂紋發生的可能性。

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

①減少Mg?Si的偽共晶量。合金中同時存在Mg、Si時，Mg?Si有可能優先形成。形成Mg?Si后，若有過剩Mg存在時，Mg明顯削弱Mg?Si的固溶度，而過剩Si存在時，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增加合金的流動性。流動性增加，使補縮容易，焊合能力增強，降低合金的裂紋傾向。

（2）限制雜質鐵、硅含量，降低合金發生裂紋的傾向。具體方法如下：

1）限制Si含量。實踐證明，對于需控制Fe＞Si的合金，不僅要控制Fe、Si的比例關系，還要限制Si的含量。裂紋傾向越大的合金，Si含量應越低；鑄錠規格越大，Si含量相應地也要控制低一點。其原因是：

①Si含量增加，對形成Mg?Si后有過剩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的低熔點共晶相，增大合金的脆性。含Si量降低時，低熔點共晶量減少，在晶界或枝晶間存在的厚度減薄或形成不連續分布，從而使抗裂紋能力增加。


②Si含量增加，Fe+Si總量增加，雜質相在晶界的分布增多，使晶界強度和韌性同時降低，從而使合金的塑性變形能力下降，在熱收縮應力的作用下，不能發生相應變形而引發裂紋。

③鑄錠規格增大，凝固收縮的絕對值增加，因而裂紋傾向性加大。

2）調控Fe含量。對某些以Si為主要組元的合金需要對Fe的含量進行控制。其中AL-Mg-Si系和含Cu小于1%的AL-Cu-Mg-Si系合金含Fe量不宜過低；而有的合金如4A11則需限制Fe含量。適當地調控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3%的5×××系合金，有Na存在時，游離Na（熔點97℃）可能連續分布于晶界上，削弱晶界強度。合金中Na含量超過1×10－3%時即會引起鈉脆。5×××系列合金因鎂含量遠大于硅含量，大量過剩鎂可能和(NaAlSi）發生置放反應而生成游離鈉：

(NaAlSi）+2Mg===Mg?Si+Na（游離）+Al


隨著工業鋁型材基材中鎂含量的增加和鑄鋁規格的增大，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×××系工業鋁型材時，采用不含鈉的溶劑，如用KCL+MgCL?進行覆蓋和精煉。
2）鑄造前用氯氣+氮氣或氯氣+氬氣進行精煉，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，進一步除去鈉的影響。

（4）調整主要成分范圍，抑制裂紋的形成和發展。生產實踐表明，合金中不僅雜質對裂紋產生影響，其主要的成分范圍對裂紋的形成也起著重要作用。具體體現在：

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

銅的這種影響是因為銅含量偏高時可能不平衡固相線降低，使固液區溫度范圍增大，從而增加線收縮應力。因此對這類合金將其銅含量按中下限控制為宜。

2）對2A12合金，當其Cu+Mg總量超過6.3%時，鑄錠裂紋呈增加趨勢。這可能是由于合金化程度提高，使得硬相的體積分數增加所致。因此，無特殊要求時，其Cu+Mg總量控制最好不超過6.3%。

3）據資料報道，對Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu合金，在Zn+Mg總量等于6%時，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，固液區塑性提高所致。因此對這類合金盡可能降低Zn/Mg的比值，以抑制裂紋的產生。

4）對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生。其作用原理是硅含量增加，合金的流動性提高，加強了合金的補縮及焊合能力。

5）對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，發生裂紋的傾向性增加。