苏永正，刘光虎
（上海大屯能源股份有限公司铝板带厂，
江苏徐州221600）
摘
要：结合铝扁锭生产实际，
以6061合金特性及铸造工艺为分析重点，研究了6061合金铝扁锭产生通裂缺陷的原因，并针对性的提出了技术措施，预防6061合金铝扁锭通裂缺陷的产生。关键词：6061合金；铝扁锭；通裂； 裂纹；熔炼；铸造作者简介：苏永正（1976-），男，安徽灵璧人，主要从事铝及铝合金加工技术研究和生产实践。
Metallurgy and materials
Si 0.4~0.8
Fe 0.7
Cu 0.15~0.4
表1
智能卡制作6061铝合金的主要化学成分（国标），%
其他Mn 0.15
Mg 0.8~1.2
Cr 0.04~0.35
单个0.05
合计0.15
Al 余量
Ni —
Zn
0.25Ti
0.15
Zr —
6061是变形铝加工中常用的合金，
性能优良，应用广泛。在铝扁锭的生产过程中，6061合金与6063、6082等相比，具有较高的裂纹倾向性，其中铸锭通裂是对产品质量影响最大的缺陷类型，研究6061铝扁锭铸造防通裂技术，对铝扁锭生产具有重大的意义。 铸锭的裂纹有很多种，文章主要分析6061铝扁锭通裂裂纹的产生原因和应对措施，可供业内人士参考。
1
影响6061合金扁锭通裂的因素
1.1化学成分的影响
合金化学成分决定了合金最基础的铸造特性，
不同化学成分的铝合金在铸造过程中有着不同的裂纹倾向性。6061归属于Al-Mg-Si 系合金，Mg 和Si 是该合金牌号的主要合金元素。
由于6061富含Mg 和Si ，Mg 2Si 是该合金的唯一强化相，取国标中Mg 的中线1.0%计算，6061中Mg 2Si 含量约为1.578%，比同系列的6063合金1.065%高出约50%。Mg 2Si 强化相含量高，对合金性能影响较大，其中铸锭铸态强度增加，但如果结晶过程中遇到不平衡冷却，过多的强化相将富集在合金晶界上，合金塑性将降低，因而增大了合金的裂纹倾向性。1.2合金固液相区的影响
6061、6063、1060铝合金的固液相区温度范围见表2所示：
表2
6061、6063、1060铝合金的固液相区温度及范围，益
固液相区温度范围
704010
合金牌号606160631060
液相线温度652655655
固相线温度
582615645
由表2可知，6061合金固液相区也即凝固温度区间温度达到了70℃，同系列合金6063固液相区温度为40℃，纯铝合金1060固液相区仅仅为10℃。固液相区过宽，合金凝固过程更缓慢，也更复杂，同时产生裂纹的风险就更大。1.3
合金流动性的影响珠光膜
铸造过程铝水的流动性是非常关键的，特别是结晶器内的铝水流动性，直接影响到结晶过程的补缩，以及铝水与结晶器内壁接触面的润滑情况。铝水流动性好，则结晶过程补缩及时，铸锭内部不容易产生疏松、偏析等缺陷，同时铝水与结晶器内壁接触面稳定，铸锭表面不容易出现冷隔、缩孔等缺陷。铝水流动性差，则铸锭内部及表面缺陷均容易产生。
铝水流动性与合金微观特性有一定的关系。6061合金主要元素为Mg 和Si ，其中Mg 原子半径为1.6×10-10m ，Si 原子半径为1.172×10-10m ，与Al 原子半径1.43×10-10m 相比，
Mg 原子比Al 原子半径大了近12%，而Si 原子比Al 原子半径小了近18%，从微观层面看，原子半径越小，流动性越好，所以，Mg 原子是降低6061合金流动性的组元，而Si 原子是增加流动性的组元。6061的Mg 含量比同系列合金6063高，因而其流动性较6063差。同时，若Si 同样取国标中线计算，6061、6063合金在形成Mg 2Si 后的过程游离Si 分别为0.022%、0.1%，因此，6061的流动性相对较差，裂纹倾向性较大。1.4结晶过程内应力的影响
由于6061合金的固液相区过宽，合金在铸造结晶过程形成的晶界应力加大，结晶裂纹形成时的应力大小通常由下面公式进行测算：
75
冶金与材料第41卷
（下转第79页）
σ=E αΔt
式中：E —合金的弹性模量；α—合金的线收缩系数；Δt —合金的固液相区温度范围。
6061合金的固液相区温度范围比6063合金宽了30℃，比1060合金宽了60℃，在结晶过程中，结晶裂纹形成时所收到的内应力也更大，因此6061合金的裂纹倾向性更大。1.5
合金导热性的影响
6061、6063、1060合金的导热系数见表3所示：
表3
6061、6063、1060铝合金的导热系数，W/mK
合金牌号导热系数
6061180
6063218
1060234
由表3可见，6061合金由于Mg 含量较高，导热系数较小，仅为180W/mK ，比6063低了17.4%，比1060低了近23%，合金导热性对扁铸锭裂纹有较大影响，其中关键因素是对铸造过程中的液穴的影响。若合金的导热性低，则铸造过程中液穴较深，液穴较深将增大合金的裂纹倾向性。同时，合金的导热性低，则液穴的壁厚相应减薄，单位拉应力增加，
从而使裂纹倾向性增大。2
预防6061合金扁锭通裂的技术措施
2.1
精确控制合金化学成分
通过大批量生产实践证明，6061合金的化学成分
控制，对预防扁锭通裂有着最直接的作用。6061中最主要的化学成分是Mg 、Si ，其次是Fe ，这三种主要元素的占比及相互之间的比例，又是6061合金化学成分控制中的关键。
（1）重点控制Mg/Si
6061合金的唯一强化相Mg2Si 在合金中的溶解度，与合金中过剩的Mg 含量成反比，与溶解温度成正比，且该强化相的溶解度在过剩Mg 含量为0%、溶解温度为577℃时达到饱和，此时固溶量为1.65%。
6061合金的成分控制过程，
若Mg 含量过剩，则该合金唯一的强化相Mg 2Si 在α基体中的溶解度将降低。Mg 含量取国标中限计算时，Mg 2Si 含量已高达1.578%，接近饱和值1.65%。考虑到生产实际与理论计算存在一定的偏差，同时现场取样的均匀性及光谱分析的准确性，为确保无过剩的Mg 含量存在，6061合金化学成分我们控制Mg 含量在中值，
且Mg/Si 比不低于1.73为宜。（2）严格控制Fe/Si
6061合金中若存在过剩的Si ，将与Fe 和Al 形成
化合物。由晶相组织显微分析可知，Fe 含量高于Si 含量时，主要形成α相,Fe 含量低于Si 含量时，主要形成
β相。Α相为骨骼状晶相，脆性较低，β相为针状晶相，脆性较高。因此，
在调控6061合金化学成分时，使Fe 含量高于过剩Si 含量，对降低6061裂纹倾向性是有利的。
通过生产过程中的数据积累，6061合金Fe 含量控制在0.35%以上，6061合金扁锭通裂的概率将大大的降低。所以，通常各个铝熔铸生产企业在生产6061合金时，铁含量均控制在中限往上，其目的就在于降低扁锭的裂纹倾向性。不过应该注意的是，
若Fe 含量过高，则FeAl 3化合物生成过多，从而使铝扁锭的塑性降低，不利于后续的热轧、
冷轧深加工。2.2严格控制铝水熔体质量
（1）熔体温度的控制cos系统下载
由于生产实际所使用的熔炼炉及保温炉，特别是以燃气为介质的炉组，在温度的控制方面往往存在偏差，炉内铝水熔体局部过热是不可避免的。通常国内炉组对铝水熔体的温度控制偏差有5~10℃，因此炉内熔体总体熔炼温度控制在720~740℃为好，超过740℃则有局部铝水熔体过热，
甚至过烧的风险。（2）熔体在炉内停留时间的控制
铝水熔体在炉内停留时间越长，
则熔体越容易吸收大量氢气，并且熔体氧化严重，同时熔体内部非自发晶核的活性将衰退，导致粗大等轴晶、柱状晶、羽毛晶等铸锭粗晶组织大量形成，它们的存在极大的增加了铸锭裂纹倾向性。
针对铝水熔体温度控制及炉内停留时间问题，可通过增加精炼次数或延长精炼时间、
增加铝钛硼丝含量等手段来弥补或保证，这些是铝熔铸生产中常见的工艺手段，这里不再赘述。2.3合理优化铸造工艺
十二水磷酸氢二钠（1）铸造工艺参数的匹配
铸造速度、冷却水流量、结晶器金属液位、铸造温度是铸造过程中最关键的工艺参数，其中填充阶段的铸造参数显得尤为重要，因为铸造铺底及填充阶段的成型质量将直接影响到铸锭是否通裂，各项铸造参数不匹配，则铸锭底部凝固成型过程存在内应力，内应力集中的地方，产生裂纹的风险极大，若应力集中的地方碰到夹渣等缺陷，则铸锭裂纹产生的概率大幅增加。
通过生产实践及大量的数据积累，通常铝扁锭宽度规格不超过1800mm 的情况下，铸造工艺参数控制在表4所示范围比较合适。
表4
6061铸造工艺参数控制范围
合金
牌号6061
铸造速度mm/Min 45~55
冷却水流量m 3/h 240~300
结晶器金属液位mm 65~75
铸造温度
℃670~685
当然，不同结晶器构造、不同产线设备配置等情况的不同，各熔铸生产企业控制的铸造参数也不尽相同，以上铸造工艺参数仅作为参考值。
（2）避免铸造应力的产生
在铝熔体凝固过程，由于结晶器76
第3期
（上接第76页）样品编号H1H2H3H4H5H6H7
样品名称叶蜡石叶蜡石叶蜡石次生石英岩伊利石化熔结凝灰岩 弱叶蜡石化熔结凝灰岩
熔结凝灰岩
叶蜡石90.460
42.801.1SiO 268.3076.4681.2492.7466.2376.6175.90
表1
矿体各矿物成分及化学成分一览表
X 射线衍射物相分析/%
高岭石00000
石英9.6405659.677.3
伊利石00040.421.6
硬水铝石
001.2
00
Al 2O 3
25.1418.7614.354.4120.4014.7513.79Fe 2O 30.260.130.110.191.900.711.36
K 2O+Na 2O 0.410.150.050.395.653.923.12u交
矿体化学成分/%
度降低。③弱叶蜡石化及伊利石化熔结凝灰岩中，伊利石导致Al 2O 3含量提高，K 2O+Na 2O 含量会有较大提高；叶蜡石导致Al 2O 3含量提高，Fe 2O 3含量降低，K 2O+Na 2O 含量降低。3.3
叶蜡石矿床形成过程及矿标志的讨论
光刻法在晚侏罗世火山运动频繁，政和-建瓯一带形成一套火山富铝的南园组（J 3n ）火山碎屑岩地层。持续的火山运动，为叶蜡石成矿提供了热动力。火山热液在与熔结凝灰岩交代过程中带入了水（叶蜡石化学式为Al 2［Si 4O 10］（OH ）2，原岩为未含OH-的长英质矿物），SiO 2及Al 2O 3为较稳定组分，K 2O 、Na 2O 为较活跃组分，持续的交代作用，导致K 2O 、Na 2O 被淋滤丢失；Al 2O 3在矿体
内部富集形成叶蜡石；SiO 2在交代过程中析出导致围岩强烈的次生石英岩化；Fe 2O 3部分带出形成黄铁矿，部分被淋失。
根据该成矿带内叶蜡石矿床类型、岩石特征等判断该区域内叶蜡石矿床的直接矿标志为叶蜡石，间接矿标志为次生石英岩（硅帽）、黄铁矿化、伊利石化等。
4结语
福建福建省政和-建瓯叶蜡石成矿带内叶蜡石矿床属中-低温热液交代型矿床，该带内的直接矿标志为叶蜡石，间接矿标志为次生石英岩、黄铁矿化、伊利石化等。
参考文献
［1］林子华.2018.福建省建瓯市井后叶蜡石矿床地质特征及
矿标志［J ］.化工矿产地质，2018，（2）：89-95.
［2］李廷栋，丁孝忠，肖庆辉，等.中国区域地质志福建志［M ］.北
京.地质出版社，2014.
［3］林敏，卢清地，杨仲等.镇前幅、东游幅、
岭下幅1比5万区域地质调查报告［R ］.福建：福建省地质调查研究院，2013.［4］陈培坤.2008.福州地区叶蜡石矿床成因类型初探［J ］.能源
与环境，2008，（5）：
105-106.
图5岩石化学成分分析图
内各个区域的温度存在差异，凝固时间和冷却速度的不同，使铸锭凝固过程及凝固后存在内部热应力、拉应力及压应力，因此，结晶器水流量控制的均匀性很重要。同时，结晶器若使用油润滑，则结晶器各个区域出油是否均匀，
也对熔体一次冷却过程造成一定的影响。最后，铸造起铸及铸造过程的打渣操作是否正确，也是造成6061合金扁锭通裂的重要因素。因为铝熔体在凝固过程若卷入聚集性氧化皮或夹渣，由于铝熔体和氧化皮或夹渣的收缩特性不一致，将导致夹渣处应力集中，应力过大时裂纹产生。不少企业生产6061合
金铝扁锭出现通裂时，最常见原因就是铸造过程打渣不彻底、不全面、不及时造成的，所以铸造过程打渣操作规范、平稳、彻底，是避免6061铝扁锭通裂的最后手段。
部分铝熔铸企业在结晶器内安装了专用的挡渣
环，对减少或避免铸造过程中浮渣卷入铸锭内部是有效的。
3结语
铝扁锭铸造是一项工序间关联度很高的工作，铸锭缺陷的产生与熔炼过程及铸造过程均有多方面的关系，文章通过研究和分析，最终确定以精确控制化学成分、严格控制铝水熔体质量、合理优化铸造工艺为主要技术措施，
在控制6061铝扁锭通裂方面是切实有效的，希望能给各铝熔铸企业及业内同仁们提供一些参考。
参考文献
［1］马应龙.铝合金熔炼与铸造［M ］.北京：冶金工业出版社，1960.
［2］苏堪祥，邵正荣，
郑宪.6061铝合金扁锭的裂纹及其预防措施［J ］.轻合金加工技术，1997，（5）：33-34.叶孔凯：福建省政和-建瓯叶蜡石成矿带内矿床岩石特征及矿标志
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