6082铝合金扁铸锭锯切裂纹产生的原因及预防

直接水冷半连续铸造铝合金铸锭，在快速冷却的条件下铸锭中产生不平衡结晶和冷却不均匀，使得铸锭显微组织中存在化学成分和组织偏析，产生应力分布不均匀。因此，大多数铸锭在冷加工和热加工前要进行均匀化退火(简称均火)。均火的目的是使不平衡共晶向基体金属溶解，枝晶偏析成分在晶体内分布趋于均匀，过饱和固溶元素从固溶体中析出，从而消除铸造应力，提高铸锭塑性，减小变形抗力。

　　用普通铸造的6082铝合金255mm×1500mm规格横向压扁铸锭可以不采用均火，其化学成分见表1。试验初期，该规格铸锭多次发生锯切裂纹。为了防止锯切裂纹，我们试验了先在均火炉加热(4000℃加热10h)后锯切的方法，达到了抑制锯切裂纹废品的目的。但近年来随着该制品产量增加，采用锯切前加热的方法除造成能源消耗、增加生产成本之外，还占用了均火炉，使均火工序成为生产的窄口。为了解决上述问题，我们从调整合金成分、提高

　　合金塑性等方面寻找锯切前不经均火处理的方法，成功地防止了该合金铸锭锯切裂纹。

表1　6082铝合金化学成分（质量分数）　　　　%

　　1  扁锭锯切裂纹的形态及产生原因

　　1.1  6082合金扁锭锯切裂纹形态

　　锯切裂纹一般发生在锯片一侧靠近锯床夹具端的铸锭上，裂纹沿铞片向铸锭长度方向延伸。裂纹长度不等，有时波及整根铸锭（长约5m）、有时延伸200mm～500mm；裂纹深度几乎穿透铸锭厚度；裂纹处的断面呈亮白色，属于冷裂纹；出现裂纹时伴有震动和巨大的响声。裂纹形态见图l。

图1 6082铝合金扁锭锯切裂纹形态示意图

　　1.2 锯切裂纹产生原因

　　（1）铸锭中残余应力和锯切力叠加的结果

　　6082铝合金255mm×l500mm规格铸锭是采用直接水冷半连续铸造成型的，由于凝固先后和冷却速度的差别，在铸造过程中的铸锭和已铸完的铸锭上都有应力存在，但在整体上属于平衡状态，即有拉应力区和压应力区，而且拉应力总和等于压应力总和。铸锭不仅在横向发生收缩，而且在纵向上也发生收缩。因此，铸锭中的拉应力不仅在水平方向存在，而且在垂直方向也存在。当铸锭冷却到室温后残余应力才最终固定下来。不论在铸锭的横向和纵向，铸锭的中部总是处于拉应力状态，在金属注入点处有最大的拉应力值。

　　在铸锭的锯切过程中，破坏了应力的静态平衡，锯切力和铸锭中的残余应力产生了叠加，当叠加后的拉应力超过铸锭的强度极限时就产生锯切裂纹，晶界上的Mg2Si相越多，铸锭产生锯切裂纹的倾向越大。

　　（2）晶界和枝晶界存在脆性相

　　6082铝合金属于Al-Mg-Si系合金，Mg、Si为主要合金元素并以Mg2Si相为主要强化相。Mg、Si元素生成Mg₂Si相（Mg：Si为1.73）后存在过剩Si，Mg₂Si相存在于晶界、枝晶界上使合金的脆性增大。因此，合金中Mg含量越高，晶界和枝晶界的脆性相越多，合金的锯切裂纹倾向也越大。

　　2 防止锯切裂纹的措施

　　2.1 控制合金中Mg、Si元素含量

　　控制合金中Mg含量，使晶界、枝晶界Mg₂Si相尽可能的少，合金中Si含量多，增加合金的流动性，提高合金的补缩、焊合能力和致密度，从而缩小合金固-液区温度区间，增加固-液区的塑性。在减少铸造热应力的同时，还能改变晶界或枝晶界上的相组成，使脆性相在晶界上不连续分布，提高了铸锭抵抗锯切裂纹的能力。

　　为探索合金成分与铸锭锯切裂纹的关系，采用正交试验法试验了64熔次6082铝合金扁锭，统计分析了各元素含量与锯切裂纹的关系。从统计中看出，Mg含量是影响锯切裂纹的关键因素，Mg含量与锯切裂纹的关系见图2。

 
图2 Mg含量与铸锭锯切裂纹的关系

　　由图2可以看出，随着Mg含量增加，锯切裂纹倾向增大。当w（Mg）达到0.9％时，裂纹倾向0.2％；当w（Mg）达0.95％时，裂纹倾向增至3.5%。因此在生产中控制w（Mg）＜0.90％，一般按w（Mg）0.85%计算配料。控制Mg含量后，跟踪观察了560熔次6082铝合金255 mm×1500mm扁铸锭，无一块产生锯切裂纹。最终制品厚板的性能与Mg含量调整前的基本相同（见表2）。

表2 Mg含量对6082－T65 I厚板力学性能的影响

　　2.2 加强晶粒细化

　　细晶组织对锯切裂纹的影响是：第一，晶粒大小与产生脆性断裂和韧性断裂有很大关系，当裂纹传播速度大于变形速度就要产生脆性断裂。裂纹穿过晶界时，由于能量的消耗而使传播速度减慢或停止传播。晶粒细小时，晶界增多，裂纹穿过晶界要消耗更多的能量，因此传播速度减慢，故减少了脆性断裂。因此抑制锯切裂纹的一个重要措施就是细化铸锭晶粒。第二，细晶组织有利于晶界塑性变形，当铸锭中晶粒粗大时，结晶末期存在于晶界和枝晶界上的低熔点金属相粗大，而且增加分布不均匀程度，因此铸锭塑性低，抵抗应力的能力小，裂纹倾向大。反之当晶粒和枝晶细小时，在晶界和枝晶界上的低熔金属相分布均匀，铸锭塑性好，抵抗变形能力强，裂纹倾向小。

　　细化晶粒的一般措施是向铸造前的熔体中加入适量的晶粒细化剂。晶粒细化效果与细化剂种类和添加时机有关：（l）细化剂种类常用的有Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti中的细化质点为块状或棒状TiAl₃；Al-Ti-B中除含TiAl₃质点外，还有大量细小弥散分布的TiB₂，TiB₂的存在有利于形成细小的晶粒。因此Al-Ti-B的细化效果要远远好于Al-Ti的。（2）细化剂添加时机一般以在铸造前0.5 h最为适当，0.5 h后活性质点逐渐衰退。

　　为保证6082铝合金的细化效果，每吨炉料中加入1kg～2kg的Al-Ti-B丝，在铸造前0.5 h加入或铸造时将其在线播入熔体。

　　2.3 控制熔体中非金属夹杂物的含量

　　铝及铝合金极易吸气和氧化。在工业生产条件下，铸锭中总有一定数量的非金属夹杂物。如果夹杂物以夹渣的形式存在于铸锭的拉应力区，该处将产生最大应力，当与锯切力叠加时该处极易引起裂纹。因此，在熔铸作业中尽可能采用无污染的原材料；搅拌熔体时尽量平稳，避免金属产生波浪，扒渣要彻底；熔化炉和静置炉分别采用Ar气精炼，采用陶瓷片在线过滤，尽量除去熔体中大的夹杂颗粒。

　　2.4 铸锭锯切前的停放时间

　　曾试验了6082铝合金255mm×1500mm规格铸锭在铸造完毕至锯切的时间间隔（8 h～100 h）对锯切裂纹的影响。结果发现，间隔时间小于8 h，锯切时连续出现锯切裂纹。这是因为放置时间少于8h,铸锭尚未冷却至室温，余热仍然存在，此时铸锭中的残余应力处于不稳定状态，锯切过程又使铸锭温度局部升高．高温下铸锭的强度降低，再加上锯切时冷却水的淬火作用致使铸锭产生锯切裂纹。根据多年生产实践，铸锭铸造完毕至锯切时的时间间隔以8h以上为宜。

　　2.5 减少锯切力的影响

　　生产中使用的圆锯通常带有分离切屑的尖齿，锯切时锯片以一定速度向铸锭推进，并在推进过程中完成锯断。锯切过程中被锯切的铸锭将从局部到整个断面逐步发生弹性变形、塑性变形和断裂。锯切时圆锯盘上的圆周力（锯切力）T可以表示为：

　　T= PmsL/t　　　　　　　（l）

　　式中：

　　P—锯屑受到的锯切力；

　　M—每个锯齿所锯切的锯屑厚度；

　　S—锯切宽度；

　　L—锯盘与被锯切金属的接触弧长；

　　F—锯盘上齿的距离。

　　由（1）式可见：对于6082铝合金255mm×1500mm规格铸锭，给定了合金（P一定）、锯片（s、t一定）和铸锭规格（L的最大值已定），圆锯盘上的锯切力T与m成正比，即可简写成：T＝Km，也就是说，锯切力T与锯齿所锯切的锯屑厚度m成正比。

　　根据锯切过程锯切力的分析，要减少锯切力对铸锭残余应力的影响，需要提高圆锯盘的圆周速度，降低水平进给速度，使锯屑变薄。

　　3 结束语

　　通过优化合金成分、改变细化晶粒方式来增加合金的塑性，合理掌握铸锭锯切前的停放时间、减少锯切力的影响等措施，可以有效地减少锯切裂纹的产生，可以使该合金铸锭在不经均火处理的情况下进行锯切。