鋁合金扁錠晶粒細(xì)化工藝控制

中國(guó)鋁業(yè)青海分公司 張新奎

鑄造的任務(wù)是獲得尺寸、形狀、內(nèi)外部質(zhì)量符合要求的鑄錠。鑄錠質(zhì)量好壞的標(biāo)志主要是內(nèi)部質(zhì)量，內(nèi)部質(zhì)量主要表現(xiàn)在3 個(gè)方面，一是鑄錠結(jié)晶組織的細(xì)密程度，即晶粒的大小，晶粒結(jié)構(gòu)的細(xì)化程度及局部組織的不均勻程度；二是鑄錠內(nèi)部的合金組元分布的均勻性；三是鑄錠的致密度，即破壞鑄錠連續(xù)性的缺陷和疏松、氣孔、裂紋、夾渣等的有無(wú)程度。金屬材料的晶粒度，對(duì)其自身的熱處理特性、材料質(zhì)量都有很大影響。均勻的細(xì)晶粒組織可以是顯著提高材料的強(qiáng)度、延伸率和氣密性，降低材料的熱裂傾向，避免鑄造時(shí)鑄件表面開(kāi)裂，從而提高鑄造表面質(zhì)量。因此，防止偏析，消除枝狀晶，以獲得很細(xì)的等軸晶粒組織是很有必要的。

目前，AI-5Ti-B 合金在國(guó)內(nèi)外鋁加工企業(yè)中使用最為廣泛。但是20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)外趨向使用含硼量較低的中間合金。低硼含量的合金能減少TiB2的聚集，滿(mǎn)足薄板或箔材的要求，還降低了添加成本。在變形鋁合金薄板和擠壓型材方面，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和金屬清潔度的要求也越來(lái)越高，低硼含量的中間合金，在提高合金自身和被細(xì)化的產(chǎn)品的清潔度方面有積極作用。近年來(lái)，AI-5Ti-C 細(xì)化劑在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了大力推廣，并取得了一定的成效。

一、影響合金晶粒度的因素

金屬或合金液的溫度、孕育劑和合金化、鑄模的熱學(xué)性質(zhì)、振動(dòng)能的引入等都是影響金屬或合金晶粒度的主要因素。這些因素相互影響，在日常生產(chǎn)中，金屬溫度、鑄模熱學(xué)性質(zhì)，均處于固定的工藝參數(shù)要求范圍內(nèi)，其變化不大。鑄造廠(chǎng)引入ABB 電磁攪拌器，在攪拌的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了引入振動(dòng)能的功效，達(dá)到了細(xì)化晶粒的目的。采用上述處理手段可以起到一定的作用，但是采用適當(dāng)?shù)奶幚斫饘僖旱霓k法，使其從液態(tài)冷卻凝固成微細(xì)粒組織是最為有效的方法，而變質(zhì)處理和孕育處理就是兩種行之有效的辦法。

二、細(xì)化劑分類(lèi)

鈦（Ti）、鋯（Zr）、硼（B）等難熔元素是鋁及鋁合金鑄造過(guò)程中常用的細(xì)化劑，其中以鈦用得最多，其加入量多控制在0.01%～0.05%。鋁合金熔鑄生產(chǎn)中，通常加入4 kg 重片塊狀的A1-Ti-B 添加劑和Φ9.0mm～Φ10mm 的桿料。桿料標(biāo)準(zhǔn)盤(pán)重180～450 kg。塊料適于爐內(nèi)處理，桿料用于爐外處理。

三、細(xì)化劑的用量及添加方法

1.細(xì)化劑的用量及計(jì)算方法。

（1）AL-Ti-B 絲的添加速度v。計(jì)算公式如下。

式（1）中，L為鑄模長(zhǎng)度，B為鑄模寬度，S鑄為鑄造速度，Q為鑄錠根數(shù)，ρ鋁為原鋁密度，Ti目為原鋁鈦成分目標(biāo)設(shè)定值，Ti原為未加鈦絲前原鋁鈦成分值，R為鈦絲半徑，ρ鈦為鈦絲鈦成分值。板錠生產(chǎn)中AL-5Ti-1B 送絲速度設(shè)定參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 板錠生產(chǎn)中AL-5Ti-1B 送絲速度設(shè)定參數(shù)

2.細(xì)化劑的添加方法。細(xì)化劑加入有3 種方法，一是用Ti和B 的化合物直接加入熔體與熔融鋁發(fā)生反應(yīng)；二是將塊狀中間合金加入爐內(nèi)，如將A1-Ti、A1-Ti-B 等中間合金錠，投入爐內(nèi)攪拌，可起到細(xì)化作用，但此法用量大，效果差；三是以Φ9 mm～Φ10 mm 的桿料，用喂料機(jī)連續(xù)加到爐外輸送熔體的流槽中，此法細(xì)化劑加人均勻，用量少，效果好，可以通過(guò)變化喂料速度實(shí)現(xiàn)精確控制，與爐外連續(xù)凈化裝置配合使用，可實(shí)現(xiàn)熔鑄生產(chǎn)的自動(dòng)化。

A1-Ti-B 塊料加入后必須進(jìn)行徹底攪拌，加入后10～20 min開(kāi)始鑄造，鑄造時(shí)間超過(guò)3 h 要重新攪拌，使沉淀或集聚的TiB2顆粒重新分散，發(fā)揮作用。塊料加入量一般比桿料多1/3。因此，在爐子容量大、鑄造時(shí)間長(zhǎng)的條件下最好使用桿料，用喂料機(jī)連續(xù)加入。在使用A1-Ti-B 合金細(xì)化劑時(shí)，要避免與氧化物接觸，以確保A1-Ti-B 起到細(xì)化作用。因此，桿料必須插入沒(méi)有氧化物的干凈鋁液中。在青海鋁業(yè)鑄造廠(chǎng)鋁扁錠生產(chǎn)線(xiàn)中，把A1-Ti-B 絲不斷熔入到流槽流動(dòng)的鋁合金液體中，與鋁合金液發(fā)生作用，生成外來(lái)的異質(zhì)結(jié)晶核，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒的作用。經(jīng)驗(yàn)表明，在鑄造開(kāi)始時(shí)，向分流槽尾部額外加入一定量的桿料，有助于整個(gè)鑄造過(guò)程的順利細(xì)化。

四、AL-Ti-C 細(xì)化劑的使用

新型細(xì)化劑AL-Ti-C 為低硼細(xì)化劑產(chǎn)品，鑄造廠(chǎng)在使用過(guò)程中，加入該細(xì)化劑，使粗大針狀的TiAl3變?yōu)榧?xì)小塊狀。均勻分布的TiAl3可以有效防止TiC 化合物的松散聚集。受TiC化合物的非自發(fā)形核的機(jī)理影響，鑄錠對(duì)Zr，Cr，V 和Mn 等元素“中毒”免疫，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量與性能和細(xì)化劑的細(xì)化效果，也大大提高了合金鑄造成型及變形加工性能。