6061油气滑铸造圆铸锭表面裂纹及预防措施

创业 2024-12-21 11:11 重庆

前言

6061合金是Al-Mg-Si-Cu系铝合金中最重要的合金之一，广泛应用于机械零件、结构工程、现代建筑、交通运输等领域。特别是在航空、船舶、汽车及轨道交通上的使用，要求6061合金铸锭外表面光滑，较薄的偏析层以及铸锭内部组织均匀一致、晶粒细小。Wagstaff公司的油气滑铸造所生产的圆棒以表面光滑、壳层薄和晶粒结构均匀一致而著称。气滑铸造提高了铸锭表面质量，大大减小表面偏析层厚度，在挤压前无需车皮或少车皮，可降低生产成本，提高生产效率。

熔炼工艺

采用55t蓄热式天然气燃气炉熔炼，熔体温度控制在730～750 ℃，使用电磁搅拌器搅拌20min。扒渣后，铝液转入静置炉内，为使熔体中的含氢量、夹杂物降到最低，在静置炉内用氩气向熔体中喷吹精炼剂，精炼剂用量1kg/t，精炼时间15～20 min;采用在线式双转子除气装置进行二次除氢、除夹杂物处理，除气机转子转速为600r/min; 工作时氩气用量60L/min;60 ppi陶瓷过滤板过滤。

铸造工艺

根据铸锭的规格，分别设置最优的铸造工艺参数，3种规格的6061合金的气滑铸造工艺参数如表2所示：

试验结果与分析

试验结果

按照上述熔铸工艺生产3种目标值6061合金圆铸锭，3号合金出现较多裂纹废品，主要是表面裂纹，沿圆铸锭轴向产生一条或多条，见图1、图2。不同规格及成分表面裂纹情况如表3所示。结果显示，合金成分1、2的铸棒无表面裂纹，而合金成分3不同棒径的铸棒却呈现不同比例的表面裂纹现象。计算Si过剩量，可知3种成分差异显著的特征就是Si过剩量的不同，可推测过剩Si对铸棒表面裂纹存在一定的影响。由于过剩Si在合金中以AlFeSi形式存在，而AlFeSi结晶相因Fe/Si比的不同也有几种形式，因而铸棒表面裂纹产生的因素主要是AlFe-Si结晶相中Fe/Si比的大小。

原因分析

3号合金出现裂纹废品从表现看，主要是热裂纹引起的表面裂纹。热裂纹形成机理之一，强度理论认为，所有合金在固相线温度之上、固液区内部存在着一个强度极低、延伸率极小的“脆性温度区间，”合金在这个区间冷却时，当收缩产生的应力超过了金属的强度，或者应力引起的变形超过了金属的塑性，就会导致热裂纹的产生。

6061合金裂纹倾向基本取决于合金化元素、含量及彼此间的交互作用。Mg2Si含量、结晶温度范围、流动性、导热性均影响6061合金铸造成型。6061合金主要强化相Mg2Si含量越高，在不平衡冷却条件下，晶界上的强化相也越多，高温塑性就降低。Si是增加合金流动性的元素，镁是降低合金流动性、导热性的元素。因此理论上是2号合金铸造成型性最差，但实际生产中，却是3号合金出现裂纹废品。需对6061合金所含Fe、Cu、Mn、Cr元素的量进行分析。

Fe元素是6061合金中的杂质元素，在铝基体中溶解度很低，主要以与过剩Si比值大于3. 87，合金2比值则大于1. 62，而合金3比值在0. 84～1.26，导致其裂纹倾向性提高。Mn、Cr的添加量对6061合金抗拉强度有影响。以Cr为例，最佳添加量为0. 15%。但是，如果Cr添加量过高，合金中会出现针状第二相，严重割裂基体，还会造成应力集中，导致高温状态下力学性能下降。若Cr添加量超过0.2%，过量的Cr元素会显著降低熔体凝固前沿液相的成分过冷度，增大熔体的结晶范围，导致合金裂纹敏感性增大。Cu在6061合金中主要形成强化相W(AlCu4Mg5Si4) ，含量偏高时，由于强化相W增多，合金中共晶体的数量增加，合金在脆性区的塑性降低。据资料介绍，当合金中加入Cu含量大于0.3%时，合金铸态绝对伸长率将由8!降低到2!左右。所以，为了提高铸锭抗裂纹的能力，合金中Cu含量要控制在下限。

成分优化与验证

根据以上分析，对3号合金成分优化，在保证Mg、Si含量不变的情况下，控制Fe含量，使Fe与过剩Si比值在1.5～2.0，Cu、Cr含量降低至0.22%左右。采用表2中气滑铸造工艺参数，生产3种规格圆铸锭各3炉，结果如表4所示，完全消除了表面裂纹缺陷。

结论

1)6061铝合金气滑铸造表面裂纹缺陷的产生取决于Fe/过剩Si比值，Fe与过剩Si比值大于1.49时，消除了圆铸锭的表面裂纹缺陷。

2) 优化3号6061合金成分中Cu、Cr含量，控制Cu在0. 20%～0.24%、Cr在0.20%～ 0.24%，能较大提高合金抗裂纹敏感性。来源于坚美铝业

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