6061鋁合金鑄棒應力表面裂紋缺陷原因及預防探究

顧宏呂 趙德林

摘 要：在6061鋁合金鑄棒在生產過程中，很容易出現表面裂紋缺陷，造成這種原因的因素很多，從設計、生產、管理等方面，都有可能出現裂紋，基于此云南云鋁澤鑫鋁業有限公司針對裂紋的原因進行分析，并提出相關解決方案，提高6061鋁合金鑄棒的品質。

關鍵詞：鋁合金;表面裂紋;原因和預防

1. 6061鋁合金鑄棒表面產生裂紋缺陷的原因

1.1鋁合金內Mg2Si強化相的含量較高

在Al-Mg-Si合金的強化相中，Mg2Si作為唯一的強化項，6061鋁合金鑄棒中的Mg2Si含量要比其他鋁合金的含量高，因此6061鋁合金鑄棒中的含金強化相含量較高[1]。隨著6061鋁合金鑄棒的加工生產中鑄態強度逐漸增加，很容易出現冷卻不平衡的情況，在這種情況下，晶界上的強化相會逐漸增多，因此6061鋁合金鑄棒的塑性要比其他鋁合金的塑性低，使得6061鋁合金鑄棒表面更加容易產生裂紋。

1.2結晶溫度范圍變寬

由于6061鋁合金鑄棒中的Mg2Si含量較高，等到結晶時，結晶的溫度范圍變寬，并造成結晶裂紋時受到的應力加大。通常情況下，6061鋁合金鑄棒的結晶溫度范圍在580-650℃左右，結晶溫度范圍要比其他鋁合金的結晶溫度范圍寬30℃左右，所以會導致6061鋁合金鑄棒表面出現裂紋傾向。如果出現凝固末期的補縮、焊合條件惡化，那么還會使鋁合金的導熱性降低，從而進一步造成6061鋁合金鑄棒出現裂紋的傾向性。

1.3Fe/Si比例設計不合理

6061鋁合金鑄棒中的Si與Mg2Si中的Mg形成后，會將剩余的Si和存在的Fe、Al形成對應的化合物。如果Fe中的含量高于Si時，可以形成α相，這種相類似于骨骼狀，同時脆性較小，但如果Si含量高于Fe，那么則主要形成β相，這種相類似于針狀，脆性較高。因此在6061鋁合金鑄棒中，當Fe中的含量高于Si，那么很容易導致6061鋁合金鑄棒出現裂紋。

1.4流動性差

在6061鋁合金鑄棒的生產過程中，隨著結晶末期液態金屬流動性發生變化，會逐漸影響到6061鋁合金鑄棒上的裂紋形成與補縮等能力。通常在這種情況下，會使6061鋁合金鑄棒內的Mg和Al原子半徑發生變化，原子半徑分別是1.6*10-10m和 1.43*10-10m，由于Mg的原子半徑大于Al的原子半徑，所以導致6061鋁合金鑄棒的流動性比較低。

1.5填充時間較長的冷錠分離

在6061鋁合金鑄棒生產過程中出現裂紋時，通常都是在鑄造階段發生的，6061鋁合金鑄棒表面裂紋在大多數情況下都會有冷錠分離的情況[2]。隨著冷裂向徑的延伸，使得裂紋延伸處的鋁棒表面會呈現出一條非常明亮的線，對這條明亮的線條使用超神波進行探傷，會導致冷錠分離問題更加嚴重。

2.降低6061鋁合金鑄棒表面裂紋缺陷的措施

2.1控制合金成分

控制好6061鋁合金鑄棒中的合金含量，可以減少6061鋁合金鑄棒出現表面裂紋的情況。在這種情況下，需要保證Mg含量在1.65%左右即可，如果Mg含量較高，會使Mg2Si產生的化合物角度，若Mg2Si含量達到1.57%，那么必須分析存在的誤差。同時為了確保Mg出現過剩的情況時，還需要調整Mg，并將其控制在中值范圍內，確保Mg和Si的比值不得低于1.73[3]。

2.2降低結晶溫度

當發現6061鋁合金鑄棒表面有裂紋時，應該及時清理結晶器的水通道，與此同時，還需要及時降低鑄造的速度以及鋁液的溫度。只有降低結晶溫度，才能更好地加快鈦硼絲的速度，有利于更好地杜絕6061鋁合金鑄棒表面可能產生裂紋等其他情況。

2.3改變合金中的Fe和Si成分

當6061鋁合金鑄棒中的Si和Mg形成Mg2Si相似后，降低對6061鋁合金鑄棒Si的用量，增加Fe的用量。其中工業生產中，Fe的含量和裂紋率有著相反的關系，如圖1所示，當Si的量在0.02%-0.1%之間時，Fe與過剩的Si比值在4以上。雖然Fe的含量高于Si有利于提高6061鋁合金鑄棒的脆性，但Fe含量太高，會使合金中出現過量的FeAl3化合物，導致6061鋁合金鑄棒的鑄錠性大幅度降低，所以必須控制好Fe的含量，使其保持在一定范圍內。

2.4調整鑄造應力

在鑄造的過程中，由于不同的部位凝固時間和冷卻時間不同，所以在鑄造時，會存在熱應力和拉應力等情況。做好鑄造應力可以避免6061鋁合金鑄棒在生產中出現裂紋的情況，Al-Mg-Si在6061鋁合金鑄棒中的合金化程度不高，使得6061鋁合金鑄棒屬于軟合金的范疇，通過采取“假底”的措施，能夠有效防止出現裂紋。這對于澆口出現裂紋的情況，就需要選擇合理的鑄造速度，采用隔熱膜鑄造的方式，其優點是縮短鑄錠殼后在結晶器內的行程，并降低鑄錠的標稱重復加熱溫度，有利于更快地獲得結晶速度。鑄造速度是6061鋁合金鑄棒生產的重要工藝參數，標準的6061鋁合金鑄棒生產鑄造速度需要根據6061鋁合金鑄棒的規格決定[4]。當規格為300mm*1040mm時，鑄造速度應該保證在55mm/min，當規格在300mm*1240mm，或者規格為300mm*1270mm時，鑄造速度需要保證在45-50mm/min范圍內。

2.5減緩冷錠分離

在6061鋁合金鑄棒的生產過程中，由于冷錠分離可能的原因是填充和保持時間過長，因此會導致金屬在結晶和導管凝固中出現金屬冷卻的情況，甚至有可能還會發生橫向撕裂。在后續的6061鋁合金鑄棒生產中，利用擋板分段隔離鑄造模盤的流槽，并將填充的時間從原來的25秒縮短到現在的15秒，同時確保6061鋁合金鑄棒的流槽、模盤溫度在150℃以上，能夠減少填充鋁液的溫度。

結束語：云南云鋁澤鑫鋁業有限公司針對6061鋁合金鑄棒的鑄造過程中，發現6061鋁合金鑄棒表面產生裂紋缺陷主要與鋁合金內Mg2Si強化相含量、結晶溫度范圍、Fe/Si的設計比例、流動性、填充時間較長的冷錠分離都有著直接的關系，因此為了避免出現裂紋，可以從這幾個方面著手，有利于避免6061鋁合金鑄棒出現裂紋。

參考文獻：

[1]孟祥志， 王東輝， 王爽，等. 6061鋁合金型材拉彎缺陷分析[J]. 熱處理技術與裝備， 2019， 040（006）：24-27.

[2]黃麗娜， 王宇旭， 李小清. 熱處理對6061鋁合金鑄錠淬火應力與力學性能的影響[J]. 工程建設（2630-5283）， 2019， 002（009）：P.112-114.

[3]吳得寶， 劉憲福， 孟翔宇，等. 6061鋁合金徑向超聲振動車削的表面完整性研究[J]. 工具技術， 2019， v.53;No.548（04）：18-22.

作者簡介：

顧宏呂（1990）男，漢，籍貫：云南宣威，職務職稱：材料工程師，學歷：本科，研究方向：變形鋁合金。