关于6111铝合金扁铸锭裂纹的研究_张真溪.pdf

Feb.2023Vol.52.No.1(Sum 298)2023 年 2 月第 52 卷第 1 期(总第 298 期)云南冶金YUNNAN METALLURGY6111 铝合金属于 6XXX 铝合金的范畴，是以镁和硅为主要铝合金元素并以 Mg2Si 相为强化相，中间还添加了铜和锰等铝合金元素，铝合金强度可接近 2XXX 铝合金，工艺性能优于 2XXX 铝合金，是一种可热处理铝合金。6111 铝合金铝板具有抗冲击性、强度较高、焊接性好等优点，且6111 铝合金因其具有低的原始屈服强度，而有易于冲压成型且回弹（spring back）量小等特性，相对模具耗损少，冲压后之钣金件形状容易控制，且在成型后至烤漆阶段，因为析出强化作用，可使强度大幅提升，普遍应用于汽车内板产品，同时因其良好的力学性能、强度高、利于冷冲压等优点，广泛被新能源汽车生产厂家选作电池底板材料。由于 6111 铝合金的合金化程度高，液相线温度 645、固相线温度 507，结晶区间相差 138，结晶区间较宽，铸造时内部应力比较集中，在半连续铸造结晶过程中具有较大的裂纹倾向，导致成品率低，而（6201 800）mm 规格的扁锭因整体应力较大，在铸造过程中的裂纹倾向尤其大，某公司在铸造机厂家调试过程中连续生产了 10 多次，未能有效地解决裂纹缺陷的问题。在铸造手*收稿日期：2022-09-19作者简介：张真溪（1980-），男，山东淄博人，工程师，主要从事铝及铝合金的加工技术工作。基金项目：山东省重点研发计划（重大科技创新工程 2021SFGC1001）。Feb.2023Vol.52.No.1（Sum 298）2023 年 2 月第 52 卷第 1 期（总第 298 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY关于 6111 铝合金扁铸锭裂纹的研究*张真溪，朱国庆，郭宝丰，王齐伟（山东南山铝业股份有限公司板带事业部，山东 龙口 265706）摘要：针对 6111 铝合金铸锭裂纹的产生原因如化学成分对裂纹缺陷的影响、细化剂 Ti 对裂纹缺陷的影响、熔体质量对裂纹缺陷的影响、铸造工艺处方对裂纹缺陷的影响、水质及水分布对裂纹缺陷的影响进行了分析。提出了降低缺陷的相应措施，如化学成分的合理设计、熔体质量控制要求、铸造工艺处方设定、水质及水分布监控。经过实践 6111 铝合金扁铸锭裂纹得到有效控制。关键词：6111 铝合金；铸锭裂纹；熔体质量；化学成分；汽车材料中图分类号：TD451文献标识码：A文章编号：1006-0308（2023）01-0096-04Study on Cracks of 6111 Aluminum Alloy Rectangle IngotZHANG Zhen-xi,ZHU Guo-qing,GUO Bao-feng,WANG Qi-wei(Strip Division,Shandong Nanshan Aluminum Co.,Ltd.,Longkou,Shandong 265706,China)ABSTRACT：The causes for cracks of 6111 aluminum alloy ingot were analyzed in detail,such as effect of chemical component,Tirefiner,melt mass,casting process,water quality and water distribution on cracks and defects;it is proposed the corresponding measuresto solve cracks and defects of 6111 aluminum alloy ingot,for examples,the reasonable design of chemical component,controlrequirements of melt mass,setting of casting process,monitoring of water quality and water distribution.The practices show measuresworked well,cracks of rectangle ingot of 6111 aluminum alloy were controlled effectively.KEY WORDS：6111 aluminum alloy;casting ingot cracks;melt mass;chemical component;automotive materials96张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用册中，6111 铝合金被列为软铝合金中铸造难度系数最大的铝合金，其铸造难度仅次于 7XXX 系硬铝合金。因此，本文针对（620 1 800）mm 规格扁锭铸造工艺中存在的裂纹缺陷进行研究，提高铸造成品率。16111 铝合金裂纹缺陷的表现形式6111 铝合金在铸造生产过程中，遇到的裂纹缺陷表现形式有夹渣裂纹、侧面裂纹、过程热裂纹、塌陷裂纹、冷隔裂纹等，裂纹典型照片如图1图 5。26111 铝合金裂纹缺陷的主要影响因素2.1化学成分对裂纹缺陷的影响6111 铝合金化学成分见表 1。6111 铝合金以镁和硅为主要铝合金元素并以 Mg2Si 相为强化相、中间还添加了铜和锰等铝合金元素，铝合金强度可接近 2XXX 铝合金，工艺性能优于 2XXX 铝合金，是一种可热处理铝合金。Al-Mg-Si 系铝合金中添加 Cu 后，Cu 在组织中的存在形式不仅取决于Cu 含量，而且受 Mg、Si 含量的影响。当 Cu 含量很少，Mg/Si 比为 1.731 时，则形成 Mg2Si 相，Cu全部固溶于基体中；当 Cu 含量较多，Mg/Si 比小于 1.08 时，可能形成 W 相（Al2CuMg2Si2），剩余的Cu 则形成 CuAl2。实际生产控制中，为获得最佳的性能，Cu 含量一般控制较高，Mg/Si 比在 1.08 左右，极易形成 W 相（Al2CuMg2Si2），内部应力比较集中，产生裂纹可能性大。从各铝合金的化学成分 组 成 对 比 看，6111（0.5%0.9%）比 6061（0.15%0.40%）、6082（0.10%）、6016（0.20%）等铝合金的 Cu 含量高，而其它铝合金铸造成型相对较好。1 700 mm图 1夹渣裂纹Fig.1Slag inclusion cracks图 2侧面裂纹Fig.2Side cracks图 3过程热裂纹Fig.3Process thermal cracking图 4塌陷裂纹Fig.4Collapse cracks图 5冷隔裂纹Fig.5Cold shut cracks张真溪，等：关于 6111 铝合金扁铸锭裂纹的研究97Feb.2023Vol.52.No.1(Sum 298)2023 年 2 月第 52 卷第 1 期(总第 298 期)云南冶金YUNNAN METALLURGYCrZnTi0.100.200.150.100.150.10元素SiFeCuMnMg60161.001.500.500.200.200.250.6061110.601.100.400.500.900.100.450.501.000.040.350.250.1560610.400.800.700.150.400.150.81.2060820.701.300.500.100.401.000.61.200.250.200.10表 16111/6061/6082/6016 化学成分Tab.1Chemical component of 6111/6061/6082/6016%2.2细化剂 Ti 对裂纹缺陷的影响铝合金中添加适量 Ti 元素，可以减少铸锭的柱状晶组织、细化晶粒，从而改善铝合金的锻造性能。Ti 含量偏低，熔体中 TiAl3质点偏少，在线细化时，形核质点减少、结晶困难，形成大量粗大晶粒，应力集中时产生晶间开裂。为防止熔体过热，控制合适的浇注温度和冷却强度，加入适量的细化剂 Ti 来改善铸锭组织1，有利于防止裂纹。2.3熔体质量对裂纹缺陷的影响熔体质量涉及熔体的化学成分、内部组织、氢含量、渣含量、夹杂物等，熔体质量的恶化会导致铸锭内部裂纹及表面夹渣裂纹的产生。6111铝合金 Cu、Mg 含量比其它 6XXX 系铝合金含量高，熔体粘度大，表面极易氧化，产生夹渣裂纹。由此推断，扁锭铸造过程中收缩产生的应力存在，加之在铸锭表面存在面积大而且较深的氧化夹杂聚集区域2，使得铸锭在该区域金属基体不连续，强度较为薄弱，导致贯通性裂纹的产生。电解铝液具有温度高、杂质含量高和氢含量高的特点3，不利于对铝合金大扁锭的生产。2.4铸造工艺处方对裂纹缺陷的影响铸造工艺处方中涉及二次水、水流量、铸造速度、结晶器金属液位、结晶器填充速度等，其中水流量、铸造速度对铸造成型影响较大，水流量上升斜率小、铸造速度斜率大，导致冷却强度不够，铸造应力集中极易产生铸锭热裂纹。铸造应力的形成过程可分成 3 个阶段：宽面和窄面的凝固较薄，收缩可以自由进行，可以认为在液穴壁中存在应力；随着铸造的继续进行，液穴壁越来越厚，当向宽度方向发生收缩时，在侧面表层金属中产生了拉应力，扁锭铸造时的液穴底通常都在宽面冷却见水线以下，宽面液穴壁见水，冷却收缩时受到侧面已凝固金属的阻碍，因而在宽面液穴壁中产生拉应力；由于铸锭侧面和宽面的冷却条件不同，若采用双排水加强冷却，虽然在一定程度上提高了合金的冷却速度，加快了收缩速度和收缩范围，但是会使铸锭内部的应力在短时间内提高和加快了几倍，远远超出了该合金的抗拉能力，进而破坏了该合金的连续性和塑性，使铸锭出现宽向裂纹4。2.5水质及水分布对裂纹缺陷的影响铸造温度、铸造速度、冷却强度是铸造过程的三个主要参数。而冷却水水质的好坏直接影响冷却强度，它对铝合金铸锭的成形及裂纹缺陷的产生有较大影响。定期分析循环冷却水的 pH 值、电导率、氯化物、浊度、总硬度、钙硬度、总碱度及含油量，并根据实际情况更换冷却水，保持水质的稳定性。同时保持结晶器的维护保养，清理结晶器的过滤网、水腔及水孔，定期测量结晶器水分布状况。3针对影响因素采取的措施3.1化学成分的合理设计为进一步提高合金的力学性能，满足不同使用条件的使用要求，通常在铝合金中添加不同的合金元素以改善微观组织形态，获得理想的产品性能。如何合理地选择元素间的相互比例，达到析出相的最佳匹配，对减少铸锭缺陷、提高铸锭性能是至关重要的，而这一点是企业生产过程中经常忽略的5。在 6111 合金中，Fe 按中上限控制，控制在 0.30%左右；在熔炼炉内加入 0.03%的 Ti，以 Al-Ti 中间铝合金的形式加入。3.2熔体质量控制要求加炉原材物料要干燥洁净，不能有灰尘、油污、水分等；熔炼炉要每炉清炉，清除炉内底部及边边角角的积渣，保持炉内洁净；利用氩氯混98张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用合气体对熔体充分精炼，保证精炼时间及静置时间均控制在 30 min 以上，将熔体表面的浮渣扒除干净；做好在线除气和在线过滤，控制好工艺运行参数；起铸前，流槽做好预热干燥；起铸阶段，清除熔体表面的浮渣。为了达到节能效果充分利用高温电解铝液所积蓄的大量热量熔化固体炉料，又要将电解铝液的不利影响减小到最低程度，确定固液比为 466。铝合金扁锭生产的一个重要步骤是除碱。目前多数熔铸厂采用炉内精炼除碱。由于电解铝液中氢、杂质、碱金属等含量较高，加之碱金属渗入炉衬材料加速炉衬的损坏，因此做好电解铝液炉外初碱非常必要。目前铝合金熔铸生产中比较先进的除碱方法是抬包内铝液除碱7。实践证明，在抬包内铝液除碱可实现 90的除钠效率，钠含量降至（12）g/t。3.3铸造工艺处方设定原则上采用“大水、低速、高液位”，即较大的冷却水流量、较低的速度斜率、较高运行液位，保证铸锭充分冷却，避免热裂纹缺陷的，同时可减少起铸初始阶段的漏铝倾向。3.4水质及水分布监控