Al—Mg合金鈉脆問題工藝研究

摘 要：Al-Mg合金鑄錠含過量Na元素會導(dǎo)致熱軋軋制過程中鑄錠出現(xiàn)開裂，此現(xiàn)象稱為“鈉脆”現(xiàn)象。文章根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)證實(shí)了“鈉脆”問題的存在，并根據(jù)生產(chǎn)總結(jié)出導(dǎo)致“鈉脆”的最低Na含量，同時分析了“鈉脆”現(xiàn)象的成因。

關(guān)鍵詞：Al-Mg合金；鈉脆；開裂；游離

中圖分類號：TG14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）12-0125-01

Al-Mg合金屬于熱處理不可強(qiáng)化合金，主要合金元素為Mg，以其強(qiáng)度高、成型性好、耐腐蝕的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)、家電行業(yè)。電子行業(yè)、建筑行業(yè)。Al-Mg合金鑄造難度較其他1系、3系大，控制不好容易出現(xiàn)拉裂，隨著裝備水平、操作水平的提高，鑄造裂紋發(fā)生的幾率目前已經(jīng)很低。但生產(chǎn)中發(fā)生了另外一種現(xiàn)象，鑄造過程中完全正常，隨后經(jīng)過銑面、均熱之后鑄錠進(jìn)行熱軋，軋制厚度到達(dá)100 mm附近時，材料邊部和肋部萌生裂紋，繼續(xù)軋薄，裂紋迅速擴(kuò)大，同時中間也出現(xiàn)輕微的裂紋，厚度到達(dá)60 mm附近，鑄錠邊部的局部裂口已經(jīng)達(dá)到200 mm，已經(jīng)無法繼續(xù)進(jìn)行軋制。

1 原因分析

1.1 現(xiàn)象分析

開裂發(fā)生后，檢查熱軋壓下系統(tǒng)，彎輥系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)機(jī)械電氣等設(shè)備方面無異常，檢查均熱工藝，出爐時間發(fā)現(xiàn)工藝執(zhí)行無異常，排除熱軋因素后，進(jìn)行熔鑄方面的清查，首先合金成分方面，合金成分見表1，主成分正常，微量元素方面，正常爐次Na含量0.0006%（6 ppm）以下，發(fā)生問題的鑄錠Na含量0.0017%（17 ppm），進(jìn)一步驗(yàn)證這一元素變化是否是導(dǎo)致開裂的主因，首先對爐內(nèi)其他鑄錠Na元素含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2塊鑄錠Na含量最低為6 ppm，6塊鑄錠Na含量在6～9 ppm之間，1塊鑄錠Na含量為13 ppm，然后試驗(yàn)軋制不同Na含量的鑄錠，試驗(yàn)軋制Na含量13 ppm鑄錠，軋至100 mm厚度發(fā)生開裂，試驗(yàn)軋制Na含量6 ppm鑄錠，軋至6.5 mm上卷未發(fā)生開裂，良好。試驗(yàn)軋制剩余的Na含量中間值的鑄錠，輕微開裂，但能夠滿足軋制至6.5 mm上卷要求。從而可以確定，Na元素含量過高是導(dǎo)致鑄錠軋制開裂的原因，這在工藝上也稱為“鈉脆”現(xiàn)象。

1.2 原理分析

Na在鋁合金中的固溶度最大為0.0025%。微量Na在鋁合金中一般是以金屬間化合物（NaAlSi）的形式存在，無游離Na存在。但是鋁合金中含有Mg時，將發(fā)生下列反應(yīng)：NaAlSi+2Mg=Mg2Si+Na（游離）+Al，Na的沸點(diǎn)為882.9 ℃，遠(yuǎn)高于金屬的熔煉過程中的鋁液溫度，故游離出的Na不會氣化揮發(fā)，而會在后面的急冷過程中凝固在鑄錠中。隨后鑄錠進(jìn)行均勻化退火（540/510 ℃×4 h），然后進(jìn)行熱軋，開始軋制溫度為510 ℃，終軋溫度為300 ℃，而Na的熔點(diǎn)低，只有97.8 ℃，所以整個熱軋過程中，Na始終都是游離態(tài)存在，游離出來的Na在晶界處形成不連續(xù)的熔融球狀質(zhì)點(diǎn)，每個質(zhì)點(diǎn)均相當(dāng)于一個原始裂紋核心，隨著合金基體中Na含量的增加，游離出來的Na含量必然增多，相當(dāng)于原始裂紋尺寸增加。同時鑄錠并不是在熱軋軋制過程中第一道次就開裂，而是軋制幾個道次有了一定變形量才開裂，這說明游離Na在鑄錠塑性變形中隨著位錯，孿晶的移動而逐漸聚集。同時位錯、孿晶也在Na聚集處堆積，Na聚集與位錯堆積共同作用的結(jié)果使得鑄錠解理斷裂。

Na含量不同，導(dǎo)致熱軋過程中裂紋的萌生量不同，從而對于軋制過程的影響不同，從軋制過程可以看出，6 ppm以下，Al-Mg產(chǎn)品軋制不會受到影響，6～9 ppm，Al-Mg產(chǎn)品產(chǎn)品軋制影響較小，仍可以加工至成品。>9 ppm，產(chǎn)品熱軋軋制過程中會發(fā)生開裂，無法軋制至成品。故Al-Mg生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制Na含量，鑄造中爐后（LH）樣品的Na含量應(yīng)控制在5 ppm以內(nèi)，產(chǎn)品的軋制過程中不會受到“鈉脆”的影響，性能將更優(yōu)良。

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

取良好鑄錠與軋制至60 mm開裂鑄錠分別進(jìn)行金相分析，金相拋光過程中，60 mm熱軋板制樣難度很大，磨制后通過顯微鏡觀察，相對于正常鑄錠金相，開裂鑄錠晶界處出現(xiàn)很多凹坑，這也驗(yàn)證了Na元素在晶界處處于游離態(tài)，從而加工過程中產(chǎn)生裂紋源，經(jīng)過不斷軋制后裂紋匯聚造成開裂。

1.4 Na超標(biāo)分析

可能導(dǎo)致本爐次Na元素超標(biāo)因素很多，主要為：①鋁錠中都含有一定量的Na，一般在8～15 ppm，個別可以達(dá)到23 ppm。②熔煉生產(chǎn)中需要使用覆蓋劑，精煉劑，部分覆蓋劑，精煉劑含有Na鹽成分（主要是NaCl）。③開裂爐次Al-Mg合金的前一爐次生產(chǎn)的合金是Al-Si合金，生產(chǎn)后未進(jìn)行徹底洗爐，Al-Si合金需要進(jìn)行變質(zhì)處理，變質(zhì)處理劑中含有大量的Na鹽，雖然進(jìn)行了洗爐，但爐壁等位置仍殘存了Na元素。④高M(jìn)g鋁合金一般采用高M(jìn)g合金專用精煉劑進(jìn)行精煉，使用普通精煉劑無法徹底清除爐體內(nèi)的過量Na元素。通過各個因素排查，發(fā)現(xiàn)第三個原因是主要原因，前爐次生產(chǎn)了Al-Si合金，由于洗爐不凈，導(dǎo)致部分變質(zhì)鈉鹽殘存爐壁、爐體，生產(chǎn)Al-Mg合金過程中混入導(dǎo)致出現(xiàn)“鈉脆”現(xiàn)象。

1.5 除Na措施

從上文可以了解Na含量超標(biāo)導(dǎo)致熱軋軋制過程中開裂的“鈉脆”問題是Al-Mg合金生產(chǎn)中的一項(xiàng)嚴(yán)重工藝缺陷，生產(chǎn)中需要在熔煉工序嚴(yán)格控制Na含量，具體控制Na含量的措施主要有以下幾項(xiàng)：①工業(yè)上一般采用Ar+Cl2精煉或者N2+Cl2精煉。其反應(yīng)為Al+Cl2=AlCl3；Na+Cl2=NaCl；Na+AlCl3=Al+NaCl。②覆蓋劑，精煉劑采用不含Na鹽的類型。③生產(chǎn)4系A(chǔ)l-Si合金后轉(zhuǎn)爐時，可以生產(chǎn)1系，3系等其他不含Mg的合金，避免殘存的變質(zhì)劑“鈉脆現(xiàn)象”。④出現(xiàn)Na超標(biāo)現(xiàn)象，使用高M(jìn)g特殊精煉劑進(jìn)行精煉，降低Na含量至5 ppm以下。

2 結(jié) 語

①Al-Mg合金鑄造過程中如果Na元素控制不當(dāng)，后續(xù)的熱軋過程中容易出現(xiàn)開裂的“鈉脆”現(xiàn)象。生產(chǎn)過程中需要嚴(yán)格控制Na元素。<6 ppm，Al-Mg產(chǎn)品軋制不會受到影響，6～9 ppm，Al-Mg產(chǎn)品產(chǎn)品軋制影響較小，仍可以加工至成品。>9 ppm，產(chǎn)品熱軋軋制過程中會發(fā)生開裂，無法軋制至成品。故Al-Mg合金鑄造前Na含量應(yīng)控制在5 ppm以下最佳。

②“鈉脆”現(xiàn)象主要是由于Al-Mg合金中，Mg元素從熔體中存在的Na合金中置換出游離Na，Na元素凝固過程中存于晶界，熱軋過程中，由于其熔點(diǎn)低，故重新恢復(fù)游離態(tài)，從而形成裂紋源，隨著壓下道次的增加，裂紋匯集形成開裂。

③工業(yè)生產(chǎn)中，通過Ar+Cl2精煉或者N2+Cl2精煉，合理選用覆蓋劑，精煉劑等措施，Na脆問題可以得到有效的控制。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任鳳郁.降低鈉含量改善鋁合金鑄造壓延工藝性能[J].輕合金加工技術(shù)，1989，（9）.

[2] 肖亞慶.鋁加工技術(shù)實(shí)用手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004.