王 极

（重庆长江电工（集团）有限公司，重庆401336）

摘要：从铝及铝合金的熔体质量、铸造条件和铸造设备三个方面，分析了对铝及铝合金扁锭裂纹影响的诸要素，并提出避免裂纹的措施。

关键词：铝合金；扁铸锭；裂纹

　　在铝及铝合金板带材加工中，采用半连续铸造法生产的扁铸锭（以下简称铸锭）的质量对后续各道的加工的质量影响较大，甚至影响最终板带材的质量。

　　铸锭缺陷种类较多，其中铸锭裂纹是危害较大的一种缺陷。铣面无法消除铸锭表面的裂纹，在热轧前的加热时便产生氧化。虽然热轧温度高于铝及铝合金的再结晶温度，但还是低于其熔点，且受热轧乳液的影响，裂纹无法焊合，热轧时产生开裂、裂边、分层和起皮等缺陷。而铸锭内部裂纹，同样受热轧温度的限制和热轧乳液的影响，裂纹也无法消除，使铸造塑性降低，最终使冷轧产品产生裂纹、裂边、分层和起皮等缺陷。两者都会严重影响最终产品的质量。

　　我厂多年来采用半连续铸造生产规格为340mm×（820～1120）mm的铸锭。本文针对生产中经常出现的铸锭裂纹，分析其影响因素，有利于采取措施避免和消除铸锭裂纹。

　　1 铸锭裂纹的影响因素

　　铸锭裂纹的影响因素归纳起来主要与熔体质量、铸造条件和铸造设备三方面有关。

　　1.1 熔体质量

　　熔体质量包括化学成分、熔体的过热温度和静置时间、晶粒细化效果以及熔体的含气量和夹杂物含量等。

　　1.1.1 化学成分

　　铝及铝合金熔体的化学成分应准确控制，其均匀性要好。目的在于缩小有效结晶温度区间，从而提高熔体的补缩能力，减小收缩应力和降低脆性。对于铸锭裂纹较敏感的主要杂质元素是Fe和Si，文献[1]认为，不仅要限制杂质元素Fe和Si的含量，而且还要控制Fe、Si之间的相互关系。对于纯铝系，当w（Fe）<w（Si）时，生成熔点为574.5℃的三元共晶α（Al）＋Si＋β（FeSiAl5）分布于晶界，游离Si和针状的β（FeSiAl5）相脆性较大，削弱了基体的塑性，从而易产生裂纹；当w（Fe）>w（Si）时，在629℃产生包晶转变：FeAl3十L＝α（Al）＋α（Fe3SiAl12），脆性较小，同时提高了脆性区的下限温度，其有效结晶温度区间缩小，结晶凝固收缩应力减小，因而裂纹倾向减小。对于Al-Mn系中常用的3A21铝合金，当w（Fe）<w（Si），且w（Si）>0.2％时，因形成分布于晶界的熔点为575℃的三元共晶α（Al）＋（FeMn）3Si2Al15十Si而易产生裂纹；当w（Fe）＞w（Si）时，形成（FeMn）3SiAl12化合物，降低裂纹倾向；但当w（Fe＋Mn）≥1.7％时，将形成先于α（Al）析出的粗大脆性初晶相（FeMn）Al6，从而流动性降低，补缩性和塑性变差，增大裂纹倾向。而少溶或不溶于铝及铝合金的Na、Zn、Sn、Bi和Pb等杂质元素，由于能形成低熔点的共晶（或单相），扩大了有效结晶温度区间。因凡是能够扩大有效结晶温度区间的杂质都能够促使热裂纹形成[2]，故为了防止铸锭热裂产生裂纹，对这些杂质必须严格控制其含量。

　　1.1.2 熔体的过热温度和静置时间

　　在熔炼时，熔体过热不仅使吸气和氧化烧损增加，而且使铸锭的热裂倾向增大。因熔体过热时异质晶核减少，形核率降低，易产生晶粒粗大现象，使铸锭中羽毛状晶增多，晶粒表面积减小，单位表面上的液膜数量和其厚度增大，从而使铸锭热裂倾向增大。而在熔化后的熔体静置时间过长，由于熔体中存在结构起伏（或相起伏）和能量起伏[3]，熔体的局部产生形核及长大，以致后来变得粗大，同样增大了单位表面上的液膜数量和其厚度，因而使铸锭的抗裂性下降。

　　对铝及铝合金熔体进行细化处理，可减少和消除铸锭热裂倾向。其原因在于经细化处理后的铸锭晶粒被显著细化，其强度、塑性提高，凝固脆性降低，因而铸锭热裂倾向减小。目前，铝及铝合金熔体的细化剂有：Ti-B晶粒细化剂、Al-Ti和Al-Ti-B中间合金及研制中的Al-Ti-B-RE和Al-Ti-C中间合金[4]。其中，Al-Ti中间合金细化现已很少采用，而Ti-B晶粒细化剂以其使用方便、用量少、质量较稳定、便于运输、贮存和性能较好，在生产中广泛使用。关于Ti和B细化铝晶粒的作用概括起来有两种理论：（1）包晶理论；（2）TiB2粒子理论。

　　图1是Al-Ti合金相图中富Al的一角。可以看出，只有当w（Ti）达到0.15％之后，在665℃时才发生包晶转变：

L（液相）十TiAl3 ＝α（Al）

 

图1 Al-Ti合金相图

　　当发生包晶转变时，由于α（Al）相与TiAl3对应晶面能共格对应，α（Al）相就依附于TiAl3基底形核，使形核率增大；当无TiAl3时，α（Al）相的生长受到熔体中Ti的抑制。两者作用的结果使晶粒得到细化。但在实际生产中，由于是半连续铸造，冷却速度会增大，因而发生以上平衡包晶转变较为困难。据文献[5]报道，冷却速度增加，包晶温度移向高温，包晶点也向高Ti含量方向移动。故在加入w（Ti）＝0.01％～0.05％时，其包晶转变难以进行。但有B存在时，Al-Ti系产生包晶反应时Ti的临界含量只需0.01％[6]。TiB2化合物与α（Al）相密排面的点阵错配δ值为0.048[7]，其共格对应较好，且TiB2几乎不溶于熔体，有利于产生异质形核并长大。因此，在Ti-B晶粒细化剂中，起异质形核作用的是TiB2。当合金液中存在固溶的Ti时，TiB2将成为TiAl3的形核核心，而TiAl3则进一步作为α-Al的形核核心[8]。促使TiAl3晶胚产生包晶转变形核成为α（Al）相生长的基底，最终使晶粒细化。大量事实证明，稳定存在的TiB2是重要的细化相。TiB2是否在铝及铝合金熔体中均匀存在，将对细化效果和衰减有着直接影响。但稳定的TiB2在熔体中几乎是不溶的，很容易聚集而沉淀[9-11]。因而造成熔体的细化衰减，晶粒长大并随时间延长变得更加粗大，致使铸锭晶粒细化效果下降，铸锭热裂倾向增大。所以，在使用含Ti、B元素的中间合金或晶粒细化剂时，控制和防止TiB2的聚集、沉淀，提高铸锭晶粒细化效果，是增强铸锭抗裂性的关键。

　　1.1.4 熔体的含气量和夹杂物含量

　　铝及铝合金熔炼、保温时，空气和炉气中的N2、O2、H2O、CO2、H2、CO和CmHn等要与熔体在界面相互作用，产生化合、分解、溶解和扩散等过程，最终使熔体产生氧化和吸气。其氧化生成物有A12O3、SiO2、MnO和MgO等，其中Al2O3是主要的氧化夹杂物。

　　由于熔体吸收的气体中H2占85％以上[12]，且氢在熔体中的溶解度随温度的降低而减小，因而在熔体结晶凝固时有大量气体析出，未及时逸出的便在铸锭中形成气孔。夹杂物和气孔都可削弱晶粒间的联结，造成应力集中，使铸锭的塑性和强度下降，从而导致铸锭裂纹。

　　1.2 铸造条件

　　在铸锭结晶凝固时，由于受到摩擦阻力和收缩应力的作用，故有形成铸锭裂纹的倾向。这主要与供流、润滑、铸造温度、冷却强度和铸造速度等铸造条件有关。

　　1.2.1 供流

　　对于单个铸锭的供流，应使液穴的中部较深，且呈轴对称形状；而对于多个铸锭的供流，其液穴深度应基本保持一致。如果供流不均匀，则可能出现液穴偏心、不对称及多个铸锭间液穴深度偏差较大，从而易产生铸锭“拉漏”。该“拉漏”可导致铸锭增厚，增大了铸锭和结晶器内壁表面间的摩擦阻力。而铸锭的结晶凝固外壳处于脆性区，较薄弱并受拉应力，当有足够大的摩擦阻力作用时，便形成了铸锭表面裂纹。因此供流总的原则是要求熔体分配均匀。

　　1.2.2 润滑

　　在铸造时，铸锭和结晶器内表面之间存在摩擦。结晶器一次冷却凝固所形成的外壳又处于脆性区，其强度低、塑性较差、且受拉应力。如所受的摩擦阻力超过其强度，且无法补缩就形成表面裂纹，故对铸走与结晶器内壁的接触表面进行润滑很有必要。

　　1.2.3 铸造温度

　　铸造温度越高，会减小熔体的过冷度，使形核率下降，晶粒变得粗大，使铝及铝合金结晶凝固期间的强度降低，塑性变差。单位表面上的液膜数量、厚度增大，且增大了铸锭的液穴深度及温度梯度，铸造的收缩应力也增大，从而易产生铸锭裂纹。铸锭结晶凝固收缩应力可用数学式表达：σ＝E·a（t1-t2），式中：σ一收缩应力，E一弹性模量，a一线收缩系鼓，（t1-t2）一温度差。因此，在确保铸锭表面平整的情况下，应采用较低的铸造温度。

　　1.2.4  冷却强度

　　当冷却强度增大时，铸锭的液穴深度减小，但液穴在边部却变陡，铸锭次表面的温度梯度较大。而收缩应力σ是与温度差（t1-t2）是成正比的，故在铸锭内部会产生较大的收缩应力。而铸锭内部是羽毛状晶，其横向晶界分布较多，晶界处又常常聚集杂质和偏析化合物而形成脆性区，其强度较低，易导致铸锭裂纹。冷却强度愈大，裂纹倾向也就愈大。此外，冷却强度的均匀性十分重要，若二次冷却不均匀或水温变化较大，会产生不均匀的收缩应力，易产生铸锭裂纹。

　　文献[13]指出，铸锭液穴深度与铸造速度成正比。当铸造速度增大，铸锭液穴深度及温度梯度增大，将在液穴中心的底部出现无法补缩的液穴区段，并产生较大的收缩应力，铸锭热裂倾向增大。因此，应选择适当较低的铸造速度。

　　铸造设备对铸锭裂纹有较大的影响。这方面的影响因素主要包括结晶器和铸造机。

　　1.3.1 结晶器

　　结晶器的高度、水套中间水孔、内腔断面形状、二次冷却水孔位置和均匀性，及其安装的平正性，对铸锭裂纹都有影响。在半连续铸锭生产中，大多采用矮（短）结晶器。但采用矮（短）结晶器时，铸锭的温度梯度大，其收缩应力大，故易产生心部裂纹。而水套中间水孔的截面由于对铸锭的结晶凝固有影响，故对裂纹的产生有影响。结晶器的内腔断面形状不合理，二次冷却水孔位置不适当及均匀性不好，在凝固时会产生不均匀收缩，而导致铸锭裂纹。

　　另外，结晶器安装不平整，在铸造时会对铸锭刚凝固的外壳部分产生弯矩作用，将导致铸锭表面裂纹。

　　铸造机运行平稳性较好，在铸造时底座的倾斜、晃动愈小，对铸锭的弯矩就愈小，铸锭不易产生裂纹。故铸造机运行平稳可靠，可减小铸锭裂纹。

　　由于铸锭裂纹主要与熔体质量、铸造条件及铸造设备三方面因素有关，因此可通过提高熔体质量，选择较佳的铸造条件，以及提高铸造设备性能和可靠性来预防铸锭裂纹。其中，提高熔体质量是最主要的措施。而最为关键的是首先应当控制熔体成分和杂质；其次是晶粒细化。然而，在实际生产中还需考虑铸锭的其他一些质量问题，综合采取相应的技术措施，并使操作者做到精心操作，严格执行工艺制度，才能从根本上预防和消除铸锭裂纹。

　　3  结束语

　　在铝及铝合金板带材生产中，对铸锭表面、内部裂纹都要严格加以控制，减少或完全避免铸锭裂纹，才能生产出高质量的板带材。实践证明，严格控制铸锭裂纹的影响因素后，铸锭裂纹可明显下降，成品率得到提高，取得了较好的效果。