5系鋁合金260mmX1500mm規(guī)格直邊鑄錠熔鑄工藝研究

供稿|侯顯智,趙濤,滕志貴,王曉峰/HOU Xian-zhi, ZHAO Tao, TENG Zhi-gui, WANG Xiao-feng

內容導讀

5系鋁合金采用傳統(tǒng)的鑄造方式生產的鑄錠表面偏析瘤較大,在機械加工時必須進行小面刨邊和大面銑面,而且銑面較大,不僅影響成品率而且增加生產成本.因此我分廠自主設計、制定了260mmX1500mm規(guī)格直邊鑄錠生產工藝.對5083牌號鋁合金進行化學成分的控制,鑄造工藝及均勻化退火工藝的改進,鑄造成型工具的研發(fā)等一系列工藝參數摸索.對最終產品的化學成分,鑄錠表面質量,低倍組織,力學性能等各項指標檢測.檢測結果表明,采用新工藝參數生產的鑄錠,鑄錠的化學成分,鑄錠表面及內部質量,力學性能均良好.保證了成品率,緩解刨邊工序的生產窄口問題.

5 系鋁合金大方鑄錠常規(guī)的規(guī)格為 255 mmX1500 mm,該規(guī)格鑄錠小面為圓弧型,不僅有利于鑄造成型也有利于軋制時順利咬入,但是傳統(tǒng)的鑄造方式生產的鑄錠表面偏析瘤較大,這樣在機加時必須進行小面刨邊和大面銑面且銑面較大,不僅影響成品率而且增加生產成本.隨著 5 系鋁合金 255 mmX1500 mm 規(guī)格生產任務的加大,刨邊工序

已成為了生產的窄口.鑒于這種情況,我分廠自主設計、制作 260 mmX1500 mm 規(guī)格直邊鑄錠鑄造成型工具,采用低液位鑄造方式生產,低液位鑄造方式生產的鑄錠表面質量好,且該規(guī)格鑄錠小面為直邊,無需進行刨邊,但小面為直邊的鑄錠鑄造成型相對難度增加.生產260 mmX1500 mm 規(guī)格的 5 系鋁合金,90% 以上的產量均為 5083 鋁合金,為了緩解刨邊工序的生產窄口問題,提高成品率,我們展開了對 260 mmX1500 mm 規(guī)格的5083 合金直邊鑄錠熔鑄工藝研究.

5083 鋁合金具有中等強度、良好的耐蝕性、焊接性及易于加工成形等特點,是 Al-Mg 系合金中的典型合金.不同熱處理狀態(tài)的 5083 鋁合金板材是壓力容器、裝甲車輛、船舶、汽車制造業(yè)所用的主要材料.

本試驗主要從鑄錠化學成分、鑄錠外觀質量、顯微組織及力學性能等方面對 260 mmX1500 mm 規(guī)格的 5083 鋁合金進行質量全分析.

試驗過程

表 1 5083 合金成分

配料→熔煉與凈化→鑄造→均勻化退火→機加→鑄錠試片試驗項目檢測.

◆ 配料

完全采用固體料投料,爐料由 40%~45% 的新鋁錠 (除調整化學成分的金屬外,為 5 系鋁合金二、三級廢料)、Mg、Mn、Cr、Be 等組成.Mg 以純金屬形式加入,Mn、Cr 以添加劑的形式加入,Be 以中間合金的形式加入.

◆ 熔煉與凈化工藝

熔煉溫度 700~750℃.720℃以上加 Mn 劑、Cr 劑、Mg 錠,保證鐵含量大于硅含量 0.1% ,保溫爐補 0.01% 的 Ti,并在熔煉溫度范圍內導入保溫爐、取樣、調整化學成分、精煉.鑄造前采用氬氣體精煉 20 min,靜置 20 min,鑄造時采用 Alpur (雙轉子氣體精煉裝置) 進行在線除氣,采用40PPI (PPI 為每英寸上的孔隙數) 陶瓷片過濾器進行凈化處理.

◆ 鑄造工藝

鑄造在線播種 Al-Ti-0.2B 絲進行晶粒細化,其速度為 440 mm/min.主要的鑄造工藝參數見表 2.

表 2 5083 鋁合金 260mmX1500mm 規(guī)格主要鑄造參數

◆ 均勻化退火制度

5083 鋁合金 260 mmX1500 mm規(guī)格均勻化退火制度參見表 3.

表 3 5083 鋁合金 260mmX1500mm 規(guī)格均勻化退火制度

將5083 鋁合金 260 mmX 1500 mm 鑄錠鋸切頭尾后選擇一端切取一片厚 20~30 mm 的試片,沿厚度方向將試片打斷,取一半進行各項試驗檢測[1].

鑄錠各項檢測用試樣的位置見圖 1.

圖 1 5083 試片取樣位置圖

鑄錠質量分析

按照圖 1 所示,由中心向邊部 (1-1→1-7) 取樣,分析 5083 中化學成分偏析程度,其主要合金元素 Mg、Mn、Cr 化學成分變化趨勢如圖 2、圖 3 和圖 4 所示 (注:圖中橫坐標 1~7 代表鑄錠化學成分取樣位置),其余雜質元素均符合 5083 鋁合金標準化學成分要求,由于控制含量低,基本不會產生偏析,也不會對合金組織與性能產生明顯影響[1].

從圖 2 可以看出,鑄錠 Mg元素平均值為 4.49%,最大差值為 0.36%.符合 5083 鋁合金化學成分要求.鑄錠 Mg 元素含量最大差值較小,說明鑄錠 Mg 元素偏析程度較小,這種現象可能由于鑄錠較薄,冷卻速度較快的緣故.

圖 2 5083 鋁合金 Mg 偏析情況

從圖 3 可以看出,鑄錠 Mn元素平均值為 0.69%,最大差值為 0.02%,符合 5083 鋁合金化學成分要求.5083 鋁合金化學成分中 Mn 元素含量不是主要元素,含量相對較低,基本上沒有產生成分偏析.

圖 3 5083 鋁合金 Mn 偏析情況

從圖 4 可以看出,鑄錠 Cr 元素平均值為 0.083%,最大差值為 0.006%.由于 Cr 元素含量較低,控制相對容易,未見明顯成分偏析.

圖 4 5083 鋁合金 Cr 偏析情況

綜合圖 2、圖 3、圖 4 可以看出,整個鑄錠截面上的各主要合金元素偏析程度較低,并且符合 5083 鋁合金標準化學成分要求,有利于鑄錠力學性能.

鑄錠表面偏析層較薄,無金屬瘤、無拉裂、冷隔等表面缺陷.

圖 5 5083 鋁合金不同位置的顯微組織

鑄錠低倍組織上無氣孔、白斑等缺陷.

從圖 5 高倍組織照片可以看出,鑄錠從邊部到中心 (2-5→2-4→2-3→2-2→2-1,2-7→2-6→2-1) 枝晶網絡厚,但枝晶間距逐漸變小較均勻,晶粒從小到大,基本上符合鋁合金熔煉過程中的結晶規(guī)律[1].

從圖 5 偏光組織照片可以看出,鑄錠從邊部到中心 (2-5→2-4→2-3→2-2→2-1,2-7→2-6→2-1) 晶粒大小趨勢與高倍組織相似,對比晶粒等級照片可以看出為 1~2 級晶粒組織,與低倍組織檢查結果相符.

按照圖 1 所示,沿試片中心至邊部取樣,檢測鑄錠力學性能,結果如圖 6、圖 7 和圖 8 所示 (圖中橫坐標1→12 表示3-1→3-12).

從圖 6 可以看出,鑄錠平均值為 265.6 MPa、最大差值為31 MPa.

圖 6 5083 鋁合金抗拉強度檢測結果

從圖 7 可以看出,鑄錠平均值為 149.3 MPa、最大差值為 16 MPa.

圖 7 5083 鋁合金屈服強度檢測結果

從圖 8 可以看出,鑄錠平均值為 12.2%、最大差值為 8.64%.

圖 8 5083 鋁合金伸長率檢測結果

試驗結果討論

Fe 與 Mn 形成難熔金屬間化合物[2],又脆又硬,會破壞鋁基體組織的均勻性,降低合金的耐蝕性,使鑄錠軋制時容易開裂,故一般控制 Fe<0.4%.Si 的副作用比 Fe 的更大.Si 與Mg形成 Mg2Si 相,由于 Mg 量過剩時,降低了 Mg2Si 在基體中的溶解度,故不但強化作用不大,而且降低合金的塑性.只有當 Si 接近 0.1%,且 Fe 含量足夠大時,上述副作用才能減小.所以要確保 Fe 含量大于 Si 含量,使合金組織中寧可形成極少量不規(guī)則的 Al12Fe3Si 相,也要避免形成Mg2Si 相.[3]

5083 鋁合金 Mg 含量較高,氧化性大,在熔體表面易生成不致密的、疏松多孔的氧化膜,氧化反應向熔體深度處進行,氧化后的熔體鑄造的鑄錠表面發(fā)黑、疏松增加、容易產生夾渣,氧化夾渣易引起應力集中而導致鑄錠產生裂紋.因此利用元素 Be 原子半徑小、氧化時發(fā)熱量大和 VBeO/VBe>1 等特點,在 5083 鋁合金熔體中加入適量的 Be 保護熔體,阻止氧化.

當鑄錠中晶粒粗大時,結晶末期存在于晶界和枝晶界上的低熔點金屬相粗大,而且分布不均勻,所以塑性低,抵抗拉應力的能力降低,裂紋傾向增加;當晶粒和枝晶細小時,分布在晶界和枝晶界上的低熔點金屬相分布均勻,塑性提高,抵抗變形能力增強,裂紋傾向減小.因此,在線播種 Al-Ti-0.2 B 絲細化晶粒.但在 5083 合金 中 B>2X10-6時,熔體中 TiB2質點容易聚集,在鑄錠表面形成豎道皺褶缺陷,會成為裂紋源.因此應控制 B<2X10-6在線播種 Al-Ti-0.2B 進行細化晶粒[3].

結束語

5083 鋁合金 260 mmX1500 mm規(guī)格的熔鑄工藝為:熔煉溫度700~750℃,720℃ 以上加 Mn 劑、Cr 劑、Mg 錠,保證鐵含量大于硅含量 0.1%,保溫爐補 0.01% 的 Ti.鑄造前采用氬氣體精煉 20 min,靜置 20 min,鑄造時采用 Alpur 進行在線除氣,采用 40 PPI 陶瓷片過濾器進行凈化處理.

鑄造在線點 Al-Ti-0.2B 絲440 mm/min,鑄造溫度控制在710~730℃,填充時間為 50 s,鑄造速度為 60 mm/min,金屬液位高度為 70 mm,冷卻水流量為 90 m3/h.

采用該熔鑄工藝生產的鑄錠能夠滿足后續(xù)加工的化學成分、顯微組織、和力學性能的要求:

1) 在化學成分中,各合金元素偏析較小;

2) 在顯微組織中,錠晶粒尺寸較為均勻;

3) 鑄錠綜合力學性能較好.

[1] 鄭力, 趙濤, 張浩然, 等. 復合材料芯材用新型Al-Mn合金的研制. 金屬世界, 2011,(5): 61-62

[2] 肖亞慶, 謝水生, 劉靜安, 等. 鋁加工技術實用手冊. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2005

[3] 郝志剛, 黃晶, 時羽, 等. 5083鋁合金大規(guī)格扁錠熔鑄工藝研究. 輕合金加工技術,2006, (7): 17