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[摘 要]通过对3003铝合金扁锭表面裂纹缺陷的全面分析，提出抑制3003铝合金扁锭表面裂纹的相关方法。
[关键词]铝合金扁锭 表面裂纹 应力 水分布
中图分类号：TF 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）08-272-01
1 引言
3003合金强度比1100合金约高10%，成形性、焊接性、耐蚀性均良好。主要用于加工需要有良好的成形性能、高的抗蚀性、可焊性好的零件部件，或既要求有这些性能又需要有比1xxx系合金强度高的工件。3003合金与5xxx系、6xxx系合金相比虽然硬度要低得多，但如果生产工艺控制不严格，还是会出现表面裂纹缺陷。
2 3003铝合金扁锭表面裂纹的表现
铝合金扁锭铸造表面裂纹是一种比较普遍的缺陷。铣面无法消除的扁锭表面裂纹，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，对后续加工影响较大。一般3003合金铣面厚度10-15mm，但有些严重的表面裂纹后铣面厚度20mm仍有裂纹，造成铣面废料的增加。
3 3003扁锭表面裂纹产生的原因及分析
表面裂纹是在铸造过程中产生的，是合金结晶凝固末期（糊状区）形成的热裂纹。在实际生产过程中，铸锭宽度方向的表面温度分布是不均匀的。其主要原因是液流供给方式、供水不均等因素使铸锭表面各点收缩量和收缩速率不一致，彼此制约，在水温较高的部位形成更大的附加拉应力，导致裂纹的产生。而3003铝合金并不属于裂纹倾向性大的合金，在合金成分配比上并无问题。所以主要对铸造条件、铸造设备进行3003表面裂纹形成的原因进行分析。
3.1水流分布不均
如图（3）所示，A段水流量明显偏小，B段水流量明显偏大，这样造成整个大面水流量偏差较大。通过水流量测试，相同体积的水箱，A段流满水箱需要38秒，B段流满水箱需要13秒，小面流满水箱需要27秒，A、B段交接位置由于水流量突然变化。而且为了方便结晶器规格调整，A段是直面，B段结晶器面带有弧度，在A段、B段交接位置水孔流量明显偏小。在该情况下铸造，扁锭在凝固成形时，表面应力增大，极易形成裂纹。
3.2铸造温度过高
如图（4）所示，裂纹从铸造开始时出现。通过对现场实际温度的测量发现，在铸造时由于温度控制不严格，尤其是过滤箱、除气缸温度过高，过滤箱温度达到750℃，铝液到达结晶器内温度仍然在740℃以上，这样一方面造成铝液结晶时晶粒粗大，结晶效果不好，另一方面铝液凝固时在薄的热壳表面形成应力裂口，从而形成裂纹。如果熔炼炉内温度控制合适，随着铸造的进行，表面裂纹会逐渐消失，但仍然会延长较长的距离。
3.3铸造水冷却不足
铸造水冷却不足，一方面由于铸造水温高，在扁锭铸造过程中，水温控制在25℃左右时，铸造条件相对较好。但在夏季，铸造现场温度达到40℃，鑄造水虽然经过循环冷却，但水温仍在35℃以上，甚至高达40℃，这样就造成冷却量严重不足，在相同铝液温度条件下容易形成裂纹。另一方面由于使用喷油结晶器，大量油污进入循环水，使循环水的冷却效果降低。
3.4氧化物夹渣形成裂纹
在铸造开始阶段由于引锭头、结晶器潮湿，导致铝液冒泡形成氧化物，如图（5）显示。由于氧化皮覆盖处冷水未直接与扁锭接触，冷却强度与周围区域不同，产生较大应力，形成裂纹。在铸造过程中由于在未使用氧化皮挡板，或氧化皮挡板有破损未维护好，铝液表面氧化物不断聚集，氧化物随液面流动至铸锭表面时，会在氧化皮夹渣位置形成应力点，从而形成裂纹，如图（6显示）。
3.5操作不当
在铸次间维护阶段，由于人员操作不当，未对设备进行认真检查，会造成铸造过程中的各种缺陷。比如：铸造使用的冷却水是循环使用，由于操作人员将杂物扔到铸井内，或者循环水内的悬浮物不及时清理，就会造成结晶器水孔的堵塞。另外在铸次间检查时，未对水流量进行检查，会出现个别水孔堵塞，而造成裂纹出现。还有铸造开始阶段打渣不干净，会出现3.4所写的氧化物夹渣造成的裂纹。
4 防止3003扁锭出现表面裂纹的方法
4.1改善水流量分布
通过对冷却水管安装水阀门，对各个进水管进行流量控制、调整，大面A段水流量与小面水流量基本一致，减小大面A段、B段水流量差值，提高水流量分布的均匀性。
4.2严格控制铸造温度
严格要求铸造温度，将过滤箱、除气缸温度控制在730±10℃，熔炼炉温度控制在720±10℃，保证在铸造开始阶段温度合理，降低裂纹出现概率。
4.3铸造水温的改善
在冷却塔加装冷却风机，同时在铸造结束后，延长水循环时间，使水温有效降低，铸造水温降低至35℃以下。另外每天注入新的冷却水，一方面可以降低水温，另一方面改善水质，增加冷却效果。
4.4加强操作管理
通过对操作人员进行培训讲解，并且加大生产过程监控检查，减少氧化物出现，降低氧化物夹渣造成表面裂纹的发生。通过实行每周对铸井及循环水池进行打捞，每个铸次结束后，对所有结晶器水孔进行疏通等手段，降低了结晶器水孔堵塞的可能性，减少表面裂纹出现。
5 结论
在生产过程实践中发现3003铝合金扁锭的表面夹渣及水孔堵塞，是熔铸操作中造成表面裂纹的最多的两种原因，多数是操作不当引起的。通过对某生产厂3003铝合金扁锭操作过程加强管理，对结晶器水孔及时疏通、检查，3003铝合金扁锭表面裂纹出现率由3.4%减低至1.2%。实践证明这些方法是切实可行的。
参考文献：
【1】LHC设备操作及维护手册；
【2】谢永生、刘静安、黄国杰，《铝加工生产技术500问》，北京，化学工业出版社，2006
【3】肖亚庆、谢永生、刘静安、王涛，《铝加工技术使用手册》，北京，冶金工业出版社，2005
[关键词]铝合金扁锭 表面裂纹 应力 水分布
中图分类号：TF 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）08-272-01
1 引言
3003合金强度比1100合金约高10%，成形性、焊接性、耐蚀性均良好。主要用于加工需要有良好的成形性能、高的抗蚀性、可焊性好的零件部件，或既要求有这些性能又需要有比1xxx系合金强度高的工件。3003合金与5xxx系、6xxx系合金相比虽然硬度要低得多，但如果生产工艺控制不严格，还是会出现表面裂纹缺陷。
2 3003铝合金扁锭表面裂纹的表现
铝合金扁锭铸造表面裂纹是一种比较普遍的缺陷。铣面无法消除的扁锭表面裂纹，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，对后续加工影响较大。一般3003合金铣面厚度10-15mm，但有些严重的表面裂纹后铣面厚度20mm仍有裂纹，造成铣面废料的增加。
3 3003扁锭表面裂纹产生的原因及分析
表面裂纹是在铸造过程中产生的，是合金结晶凝固末期（糊状区）形成的热裂纹。在实际生产过程中，铸锭宽度方向的表面温度分布是不均匀的。其主要原因是液流供给方式、供水不均等因素使铸锭表面各点收缩量和收缩速率不一致，彼此制约，在水温较高的部位形成更大的附加拉应力，导致裂纹的产生。而3003铝合金并不属于裂纹倾向性大的合金，在合金成分配比上并无问题。所以主要对铸造条件、铸造设备进行3003表面裂纹形成的原因进行分析。
3.1水流分布不均
如图（3）所示，A段水流量明显偏小，B段水流量明显偏大，这样造成整个大面水流量偏差较大。通过水流量测试，相同体积的水箱，A段流满水箱需要38秒，B段流满水箱需要13秒，小面流满水箱需要27秒，A、B段交接位置由于水流量突然变化。而且为了方便结晶器规格调整，A段是直面，B段结晶器面带有弧度，在A段、B段交接位置水孔流量明显偏小。在该情况下铸造，扁锭在凝固成形时，表面应力增大，极易形成裂纹。
3.2铸造温度过高
如图（4）所示，裂纹从铸造开始时出现。通过对现场实际温度的测量发现，在铸造时由于温度控制不严格，尤其是过滤箱、除气缸温度过高，过滤箱温度达到750℃，铝液到达结晶器内温度仍然在740℃以上，这样一方面造成铝液结晶时晶粒粗大，结晶效果不好，另一方面铝液凝固时在薄的热壳表面形成应力裂口，从而形成裂纹。如果熔炼炉内温度控制合适，随着铸造的进行，表面裂纹会逐渐消失，但仍然会延长较长的距离。
3.3铸造水冷却不足
铸造水冷却不足，一方面由于铸造水温高，在扁锭铸造过程中，水温控制在25℃左右时，铸造条件相对较好。但在夏季，铸造现场温度达到40℃，鑄造水虽然经过循环冷却，但水温仍在35℃以上，甚至高达40℃，这样就造成冷却量严重不足，在相同铝液温度条件下容易形成裂纹。另一方面由于使用喷油结晶器，大量油污进入循环水，使循环水的冷却效果降低。
3.4氧化物夹渣形成裂纹
在铸造开始阶段由于引锭头、结晶器潮湿，导致铝液冒泡形成氧化物，如图（5）显示。由于氧化皮覆盖处冷水未直接与扁锭接触，冷却强度与周围区域不同，产生较大应力，形成裂纹。在铸造过程中由于在未使用氧化皮挡板，或氧化皮挡板有破损未维护好，铝液表面氧化物不断聚集，氧化物随液面流动至铸锭表面时，会在氧化皮夹渣位置形成应力点，从而形成裂纹，如图（6显示）。
3.5操作不当
在铸次间维护阶段，由于人员操作不当，未对设备进行认真检查，会造成铸造过程中的各种缺陷。比如：铸造使用的冷却水是循环使用，由于操作人员将杂物扔到铸井内，或者循环水内的悬浮物不及时清理，就会造成结晶器水孔的堵塞。另外在铸次间检查时，未对水流量进行检查，会出现个别水孔堵塞，而造成裂纹出现。还有铸造开始阶段打渣不干净，会出现3.4所写的氧化物夹渣造成的裂纹。
4 防止3003扁锭出现表面裂纹的方法
4.1改善水流量分布
通过对冷却水管安装水阀门，对各个进水管进行流量控制、调整，大面A段水流量与小面水流量基本一致，减小大面A段、B段水流量差值，提高水流量分布的均匀性。
4.2严格控制铸造温度
严格要求铸造温度，将过滤箱、除气缸温度控制在730±10℃，熔炼炉温度控制在720±10℃，保证在铸造开始阶段温度合理，降低裂纹出现概率。
4.3铸造水温的改善
在冷却塔加装冷却风机，同时在铸造结束后，延长水循环时间，使水温有效降低，铸造水温降低至35℃以下。另外每天注入新的冷却水，一方面可以降低水温，另一方面改善水质，增加冷却效果。
4.4加强操作管理
通过对操作人员进行培训讲解，并且加大生产过程监控检查，减少氧化物出现，降低氧化物夹渣造成表面裂纹的发生。通过实行每周对铸井及循环水池进行打捞，每个铸次结束后，对所有结晶器水孔进行疏通等手段，降低了结晶器水孔堵塞的可能性，减少表面裂纹出现。
5 结论
在生产过程实践中发现3003铝合金扁锭的表面夹渣及水孔堵塞，是熔铸操作中造成表面裂纹的最多的两种原因，多数是操作不当引起的。通过对某生产厂3003铝合金扁锭操作过程加强管理，对结晶器水孔及时疏通、检查，3003铝合金扁锭表面裂纹出现率由3.4%减低至1.2%。实践证明这些方法是切实可行的。
参考文献：
【1】LHC设备操作及维护手册；
【2】谢永生、刘静安、黄国杰，《铝加工生产技术500问》，北京，化学工业出版社，2006
【3】肖亚庆、谢永生、刘静安、王涛，《铝加工技术使用手册》，北京，冶金工业出版社，2005