工业铝型材挤压裂纹分析与控制:

工业铝型材挤压时裂纹的形式与产生原因

裂纹形式多样，产生原因不尽相同，但均为结晶过程中，结晶面上的应力大于其材质（固体或液体）的抗拉强度引起，总体上可分为热裂纹和冷裂纹两大类。

铸造过程中，在一定条件下，每一种工业铝型材都有其固有的液相线和固相线。结晶时有一个相应的两相共存区。在两相区的上部，液相较多，固相较少，称为液固区；在两相区的下部，液相较少，固相较多，称为固液区。固液区结构比较复杂，呈现明显的脆性，俗称脆性区。铸锭裂纹大多数都是在这个固液区内萌生和发展的。如果裂纹是在固液区的液相内萌生并发展形成，称其为热裂纹；如果是在固液区的固相内萌生并发展或在液相区内萌生出微裂纹源，而在固相中发展成裂纹，称其为冷裂纹。在生产实践中，大多数裂纹为热裂纹，且大多数冷裂纹也由微观裂纹源或因夹渣等引起的裂纹源发展形成，真正在固相中萌生并发展而形成的冷裂纹比较少见。

冷、热裂纹的差别：热裂纹呈黄褐色或暗灰色；裂口宽度不一，走向曲折，沿晶界通过；多分布于最后凝固处；常有低熔点物质填充。冷裂纹呈亮光色或浅灰色；裂口宽度较一致，差别不大，很少分叉；裂纹多穿晶通过；多分布在拉应务最大的地方；偶或冷裂纹形成时，伴有巨大声响，引起工业铝型材基材炸裂。

裂纹属恶性缺陷，凡检出裂纹者，整炉或整个铸次报废；或对铸块进行200%检查（对铸块两头取样检查），确保无裂纹者交货，对存疑者一律做报废处理。

工业铝型材挤压裂纹的防止与控制

裂纹是工业铝型材挤压生产中经常发生的主要缺陷。工业铝型材生产挤压工作者对铸锭裂纹进行了长期的考察与研究，取得了重要成果，总结出了行之有效的技术措施防止或控制裂纹的发生。

a控制化学成分，消除或降低裂纹倾向性

（1）控制铁硅含量比例，防止铸锭裂纹。根据不同合金，调控化学成分，改变结晶前沿的相变条件，改善固液区的脆性，防止裂纹发生：

1）对于Si＜0.35%的工业纯铝、AL-Mn系合金、Si不作为合金元素的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，调控化学成分为Fe＞Si。其作用是：

①缩小固液区的温度区间。如Si＜0.35%的工业纯铝，当Si＞Fe时，其不平衡固相线温度为577℃，而Fe＞Si时，该温度可提高到611℃，使得固液区间温度缩小了34℃。所有的热裂纹都是在固液区受到凝固收缩应力作用产生的。金属在结晶过程中的线收缩是从有效结晶间隔的上限温度开始，至有效结晶区间的下限温度结束。其凝固应力的表达式为σ=Eα（t?-t?）

式中E---合金的弹性模量；
   α---线收缩系数；
   t?---有效结晶间隔的上限温度；
   t?---有效结晶间隔的下限温度。
Fe＞Si使有效结晶区间温度范围（t?-t?）减小，其收缩应力减少，降低或消除了裂纹的发生。


②改变固液区的相结构，降低脆性。Si＞Fe时，生成的杂质相有β（Fe?Si?Al9)；而Fe＞Si时，可抑制β（Fe?Si?Al9)相，生成α（FeSi?Al12)相。β（Fe?Si?Al9)相为针状，α（FeSi?Al12)相为骨骼状。很明显，α（FeSi?Al12)相的有害作用小于β（Fe?Si?Al9相，从而降低脆性，减少或消除裂纹发生的可能性。

2）对于Mg＜1%的AL-Cu-Mg系合金和Mg＜0.5%的AL-Cu-Mn系合金，控制Si＞Fe，以抑制裂纹的产生。其作用原因是：

①减少Mg?Si的伪共晶量。合金中同时存在Mg、Si时，Mg?Si有可能优先形成。形成Mg?Si后，若有过剩Mg存在时，Mg明显削弱Mg?Si的固溶度，而过剩Si存在时，不影响Mg?Si的固溶度。

Si＞Fe保证了Mg?Si的固溶度，使晶界及枝晶间含Mg?Si的低熔脆性组织减少，从而降低了合金的脆性。


②增加合金的流动性。流动性增加，使补缩容易，焊合能力增强，降低合金的裂纹倾向。

（2）限制杂质铁、硅含量，降低合金发生裂纹的倾向。具体方法如下：

1）限制Si含量。实践证明，对于需控制Fe＞Si的合金，不仅要控制Fe、Si的比例关系，还要限制Si的含量。裂纹倾向越大的合金，Si含量应越低；铸锭规格越大，Si含量相应地也要控制低一点。其原因是：

①Si含量增加，对形成Mg?Si后有过剩Mg存在的合金，Mg?Si的溶解度降低，可能在晶界形成较多的含Mg?Si的低熔点共晶相，增大合金的脆性。含Si量降低时，低熔点共晶量减少，在晶界或枝晶间存在的厚度减薄或形成不连续分布，从而使抗裂纹能力增加。


②Si含量增加，Fe+Si总量增加，杂质相在晶界的分布增多，使晶界强度和韧性同时降低，从而使合金的塑性变形能力下降，在热收缩应力的作用下，不能发生相应变形而引发裂纹。

③铸锭规格增大，凝固收缩的绝对值增加，因而裂纹倾向性加大。

2）调控Fe含量。对某些以Si为主要组元的合金需要对Fe的含量进行控制。其中AL-Mg-Si系和含Cu小于1%的AL-Cu-Mg-Si系合金含Fe量不宜过低；而有的合金如4A11则需限制Fe含量。适当地调控Fe含量的目的是为了减少针状、性脆的β（Fe?Si?Al9)相以降低裂纹倾向。

（3）降低钠元素，抑制钠脆性。含Mg量超过3%的5×××系合金，有Na存在时，游离Na（熔点97℃）可能连续分布于晶界上，削弱晶界强度。合金中Na含量超过1×10－3%时即会引起钠脆。5×××系列合金因镁含量远大于硅含量，大量过剩镁可能和(NaAlSi）发生置放反应而生成游离钠：

(NaAlSi）+2Mg===Mg?Si+Na（游离）+Al


随着工业铝型材基材中镁含量的增加和铸铝规格的增大，钠脆引起裂纹的倾向性也增大。钠是电解铝中的固有元素，采用电解铝液的钠含量也会略高于铝锭重铝液的钠含量，因此更需要采取措施降低熔体中的钠元素：

1）冶炼5×××系工业铝型材时，采用不含钠的溶剂，如用KCL+MgCL?进行覆盖和精炼。
2）铸造前用氯气+氮气或氯气+氩气进行精炼，使生成NaCl被除去。
3）向合金中加入微量能与钠化合的元素如锑，进一步除去钠的影响。

（4）调整主要成分范围，抑制裂纹的形成和发展。生产实践表明，合金中不仅杂质对裂纹产生影响，其主要的成分范围对裂纹的形成也起着重要作用。具体体现在：

1）含铜量小于1%的Al-Mg-Si-Cu系合金扁锭和空心锭，当含量处于标准的中、上限时，铸锭裂纹的倾向性增大。

铜的这种影响是因为铜含量偏高时可能不平衡固相线降低，使固液区温度范围增大，从而增加线收缩应力。因此对这类合金将其铜含量按中下限控制为宜。

2）对2A12合金，当其Cu+Mg总量超过6.3%时，铸锭裂纹呈增加趋势。这可能是由于合金化程度提高，使得硬相的体积分数增加所致。因此，无特殊要求时，其Cu+Mg总量控制最好不超过6.3%。

3）据资料报道，对Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu合金，在Zn+Mg总量等于6%时，随Zn/Mg的比值增大，裂纹倾向性增加。

镁的这种作用是因镁含量增加，固液区塑性提高所致。因此对这类合金尽可能降低Zn/Mg的比值，以抑制裂纹的产生。

4）对以硅为主要成分的型材，将硅控制在中上线，能控制铸锭裂纹的发生。其作用原理是硅含量增加，合金的流动性提高，加强了合金的补缩及焊合能力。

5）对Al-Mg系、l-Cu-Mg系、Al-Zn-Mg-Cu系铝合金型材，随着Mn含量的增加，发生裂纹的倾向性增加。