韓 華，郭寶豐，李海仙，郝志剛，范海濤
(東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150060)
摘要：分析了6082鋁合金扁鑄錠不經(jīng)加熱而鋸切產(chǎn)生裂紋的原因；從調(diào)整合金成分、提高合金塑性、控制鑄錠停放時(shí)間等方面提出了減少鋸切裂紋的措施。
關(guān)鍵詞：鑄造應(yīng)力；不平衡結(jié)晶；塑性
直接水冷半連續(xù)鑄造鋁合金鑄錠，在快速冷卻的條件下鑄錠中產(chǎn)生不平衡結(jié)晶和冷卻不均勻，使得鑄錠顯微組織中存在化學(xué)成分和組織偏析，產(chǎn)生應(yīng)力分布不均勻。因此，大多數(shù)鑄錠在冷加工和熱加工前要進(jìn)行均勻化退火(簡(jiǎn)稱(chēng)均火)。均火的目的是使不平衡共晶向基體金屬溶解，枝晶偏析成分在晶體內(nèi)分布趨于均勻，過(guò)飽和固溶元素從固溶體中析出，從而消除鑄造應(yīng)力，提高鑄錠塑性，減小變形抗力。
用普通鑄造的6082鋁合金255mm×1500mm規(guī)格橫向壓扁鑄錠可以不采用均火，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。試驗(yàn)初期，該規(guī)格鑄錠多次發(fā)生鋸切裂紋。為了防止鋸切裂紋，我們?cè)囼?yàn)了先在均火爐加熱(4000℃加熱10h)后鋸切的方法，達(dá)到了抑制鋸切裂紋廢品的目的。但近年來(lái)隨著該制品產(chǎn)量增加，采用鋸切前加熱的方法除造成能源消耗、增加生產(chǎn)成本之外，還占用了均火爐，使均火工序成為生產(chǎn)的窄口。為了解決上述問(wèn)題，我們從調(diào)整合金成分、提高
合金塑性等方面尋找鋸切前不經(jīng)均火處理的方法，成功地防止了該合金鑄錠鋸切裂紋。
表1 6082鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %
| Si |
Fe |
Cu |
Mn |
Mg |
Cr |
Zn |
Ti |
其他 |
Al |
| 單個(gè) |
合計(jì) |
| 0.7～0.13 |
0.5 |
0.1 |
0.40～1.0 |
0.6～1.2 |
0.25 |
0.2 |
0.1 |
0.05 |
0.15 |
余量 |
1 扁錠鋸切裂紋的形態(tài)及產(chǎn)生原因
1.1 6082合金扁錠鋸切裂紋形態(tài)
鋸切裂紋一般發(fā)生在鋸片一側(cè)靠近鋸床夾具端的鑄錠上，裂紋沿铞片向鑄錠長(zhǎng)度方向延伸。裂紋長(zhǎng)度不等，有時(shí)波及整根鑄錠（長(zhǎng)約5m）、有時(shí)延伸200mm～500mm；裂紋深度幾乎穿透鑄錠厚度；裂紋處的斷面呈亮白色，屬于冷裂紋；出現(xiàn)裂紋時(shí)伴有震動(dòng)和巨大的響聲。裂紋形態(tài)見(jiàn)圖l。
圖1 6082鋁合金扁錠鋸切裂紋形態(tài)示意圖
1.2 鋸切裂紋產(chǎn)生原因
�。�1）鑄錠中殘余應(yīng)力和鋸切力疊加的結(jié)果
6082鋁合金255mm×l500mm規(guī)格鑄錠是采用直接水冷半連續(xù)鑄造成型的，由于凝固先后和冷卻速度的差別，在鑄造過(guò)程中的鑄錠和已鑄完的鑄錠上都有應(yīng)力存在，但在整體上屬于平衡狀態(tài)，即有拉應(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)，而且拉應(yīng)力總和等于壓應(yīng)力總和。鑄錠不僅在橫向發(fā)生收縮，而且在縱向上也發(fā)生收縮。因此，鑄錠中的拉應(yīng)力不僅在水平方向存在，而且在垂直方向也存在。當(dāng)鑄錠冷卻到室溫后殘余應(yīng)力才最終固定下來(lái)。不論在鑄錠的橫向和縱向，鑄錠的中部總是處于拉應(yīng)力狀態(tài)，在金屬注入點(diǎn)處有最大的拉應(yīng)力值。
在鑄錠的鋸切過(guò)程中，破壞了應(yīng)力的靜態(tài)平衡，鋸切力和鑄錠中的殘余應(yīng)力產(chǎn)生了疊加，當(dāng)疊加后的拉應(yīng)力超過(guò)鑄錠的強(qiáng)度極限時(shí)就產(chǎn)生鋸切裂紋，晶界上的Mg2Si相越多，鑄錠產(chǎn)生鋸切裂紋的傾向越大。
�。�2）晶界和枝晶界存在脆性相
6082鋁合金屬于Al-Mg-Si系合金，Mg、Si為主要合金元素并以Mg2Si相為主要強(qiáng)化相。Mg、Si元素生成Mg2Si相（Mg：Si為1.73）后存在過(guò)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，合金的鋸切裂紋傾向也越大。
2 防止鋸切裂紋的措施
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相盡可能的少，合金中Si含量多，增加合金的流動(dòng)性，提高合金的補(bǔ)縮、焊合能力和致密度，從而縮小合金固-液區(qū)溫度區(qū)間，增加固-液區(qū)的塑性。在減少鑄造熱應(yīng)力的同時(shí)，還能改變晶界或枝晶界上的相組成，使脆性相在晶界上不連續(xù)分布，提高了鑄錠抵抗鋸切裂紋的能力。
為探索合金成分與鑄錠鋸切裂紋的關(guān)系，采用正交試驗(yàn)法試驗(yàn)了64熔次6082鋁合金扁錠，統(tǒng)計(jì)分析了各元素含量與鋸切裂紋的關(guān)系。從統(tǒng)計(jì)中看出，Mg含量是影響鋸切裂紋的關(guān)鍵因素，Mg含量與鋸切裂紋的關(guān)系見(jiàn)圖2。
圖2 Mg含量與鑄錠鋸切裂紋的關(guān)系
由圖2可以看出，隨著Mg含量增加，鋸切裂紋傾向增大。當(dāng)w（Mg）達(dá)到0.9％時(shí)，裂紋傾向0.2％；當(dāng)w（Mg）達(dá)0.95％時(shí)，裂紋傾向增至3.5%。因此在生產(chǎn)中控制w（Mg）＜0.90％，一般按w（Mg）0.85%計(jì)算配料�？刂芃g含量后，跟蹤觀察了560熔次6082鋁合金255 mm×1500mm扁鑄錠，無(wú)一塊產(chǎn)生鋸切裂紋。最終制品厚板的性能與Mg含量調(diào)整前的基本相同（見(jiàn)表2）。
表2 Mg含量對(duì)6082－T65 I厚板力學(xué)性能的影響
| w(Mg)/% |
Rm/(N·mm-2) |
Rp0.2/(N·mm-2) |
A/% |
| 1.04 |
319 |
270 |
19.2 |
| 1.02 |
321 |
264 |
19.6 |
| 1.01 |
324 |
265 |
18.9 |
| 0.99 |
318 |
268 |
20.4 |
| 0.96 |
316 |
267 |
21.5 |
| 0.92 |
322 |
261 |
20.6 |
| 0.89 |
321 |
265 |
19.9 |
| 0.85 |
320 |
264 |
20.8 |
| 0.8 |
319 |
268 |
21 |
2.2 加強(qiáng)晶粒細(xì)化
細(xì)晶組織對(duì)鋸切裂紋的影響是：第一，晶粒大小與產(chǎn)生脆性斷裂和韌性斷裂有很大關(guān)系，當(dāng)裂紋傳播速度大于變形速度就要產(chǎn)生脆性斷裂。裂紋穿過(guò)晶界時(shí)，由于能量的消耗而使傳播速度減慢或停止傳播。晶粒細(xì)小時(shí)，晶界增多，裂紋穿過(guò)晶界要消耗更多的能量，因此傳播速度減慢，故減少了脆性斷裂。因此抑制鋸切裂紋的一個(gè)重要措施就是細(xì)化鑄錠晶粒。第二，細(xì)晶組織有利于晶界塑性變形，當(dāng)鑄錠中晶粒粗大時(shí)，結(jié)晶末期存在于晶界和枝晶界上的低熔點(diǎn)金屬相粗大，而且增加分布不均勻程度，因此鑄錠塑性低，抵抗應(yīng)力的能力小，裂紋傾向大。反之當(dāng)晶粒和枝晶細(xì)小時(shí)，在晶界和枝晶界上的低熔金屬相分布均勻，鑄錠塑性好，抵抗變形能力強(qiáng)，裂紋傾向小。
細(xì)化晶粒的一般措施是向鑄造前的熔體中加入適量的晶粒細(xì)化劑。晶粒細(xì)化效果與細(xì)化劑種類(lèi)和添加時(shí)機(jī)有關(guān)：（l）細(xì)化劑種類(lèi)常用的有Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti中的細(xì)化質(zhì)點(diǎn)為塊狀或棒狀TiAl3；Al-Ti-B中除含TiAl3質(zhì)點(diǎn)外，還有大量細(xì)小彌散分布的TiB2，TiB2的存在有利于形成細(xì)小的晶粒。因此Al-Ti-B的細(xì)化效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于Al-Ti的。（2）細(xì)化劑添加時(shí)機(jī)一般以在鑄造前0.5 h最為適當(dāng)，0.5 h后活性質(zhì)點(diǎn)逐漸衰退。
為保證6082鋁合金的細(xì)化效果，每噸爐料中加入1kg～2kg的Al-Ti-B絲，在鑄造前0.5 h加入或鑄造時(shí)將其在線播入熔體。
2.3 控制熔體中非金屬夾雜物的含量
鋁及鋁合金極易吸氣和氧化。在工業(yè)生產(chǎn)條件下，鑄錠中總有一定數(shù)量的非金屬夾雜物。如果夾雜物以?shī)A渣的形式存在于鑄錠的拉應(yīng)力區(qū)，該處將產(chǎn)生最大應(yīng)力，當(dāng)與鋸切力疊加時(shí)該處極易引起裂紋。因此，在熔鑄作業(yè)中盡可能采用無(wú)污染的原材料；攪拌熔體時(shí)盡量平穩(wěn)，避免金屬產(chǎn)生波浪，扒渣要徹底；熔化爐和靜置爐分別采用Ar氣精煉，采用陶瓷片在線過(guò)濾，盡量除去熔體中大的夾雜顆粒。
2.4 鑄錠鋸切前的停放時(shí)間
曾試驗(yàn)了6082鋁合金255mm×1500mm規(guī)格鑄錠在鑄造完畢至鋸切的時(shí)間間隔（8 h～100 h）對(duì)鋸切裂紋的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，間隔時(shí)間小于8 h，鋸切時(shí)連續(xù)出現(xiàn)鋸切裂紋。這是因?yàn)榉胖脮r(shí)間少于8h,鑄錠尚未冷卻至室溫，余熱仍然存在，此時(shí)鑄錠中的殘余應(yīng)力處于不穩(wěn)定狀態(tài)，鋸切過(guò)程又使鑄錠溫度局部升高．高溫下鑄錠的強(qiáng)度降低，再加上鋸切時(shí)冷卻水的淬火作用致使鑄錠產(chǎn)生鋸切裂紋。根據(jù)多年生產(chǎn)實(shí)踐，鑄錠鑄造完畢至鋸切時(shí)的時(shí)間間隔以8h以上為宜。
2.5 減少鋸切力的影響
生產(chǎn)中使用的圓鋸?fù)ǔв蟹蛛x切屑的尖齒，鋸切時(shí)鋸片以一定速度向鑄錠推進(jìn)，并在推進(jìn)過(guò)程中完成鋸斷。鋸切過(guò)程中被鋸切的鑄錠將從局部到整個(gè)斷面逐步發(fā)生彈性變形、塑性變形和斷裂。鋸切時(shí)圓鋸盤(pán)上的圓周力（鋸切力）T可以表示為：
T= PmsL/t �。╨）
式中：
P—鋸屑受到的鋸切力；
M—每個(gè)鋸齒所鋸切的鋸屑厚度；
S—鋸切寬度；
L—鋸盤(pán)與被鋸切金屬的接觸弧長(zhǎng)；
F—鋸盤(pán)上齒的距離。
由（1）式可見(jiàn)：對(duì)于6082鋁合金255mm×1500mm規(guī)格鑄錠，給定了合金（P一定）、鋸片（s、t一定）和鑄錠規(guī)格（L的最大值已定），圓鋸盤(pán)上的鋸切力T與m成正比，即可簡(jiǎn)寫(xiě)成：T＝Km，也就是說(shuō)，鋸切力T與鋸齒所鋸切的鋸屑厚度m成正比。
根據(jù)鋸切過(guò)程鋸切力的分析，要減少鋸切力對(duì)鑄錠殘余應(yīng)力的影響，需要提高圓鋸盤(pán)的圓周速度，降低水平進(jìn)給速度，使鋸屑變薄。
3 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)優(yōu)化合金成分、改變細(xì)化晶粒方式來(lái)增加合金的塑性，合理掌握鑄錠鋸切前的停放時(shí)間、減少鋸切力的影響等措施，可以有效地減少鋸切裂紋的產(chǎn)生，可以使該合金鑄錠在不經(jīng)均火處理的情況下進(jìn)行鋸切。
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