5083鋁合金大規(guī)格可調(diào)結(jié)晶器640mm×1800～2100mm扁錠鑄造工藝的研究

吳超峰，任允清

(河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司，河南 鞏義 451200)

5083合金屬于Al-Mg系合金,具有較高強(qiáng)度、良好可塑性、耐蝕性和可切削性，陽(yáng)極氧化處理后表面美觀。該合金板材廣泛用于汽車、飛機(jī)焊接件、地鐵輕軌、需嚴(yán)格防火的壓力容器(如液體罐車、冷藏車、冷藏集裝箱)等，是重要的結(jié)構(gòu)材料。

但是由于其合金特性，在實(shí)際鑄造生產(chǎn)過(guò)程中，容易出現(xiàn)較多的鑄錠缺陷，如渣裂、熱裂、褶皺裂紋、鎂成分超標(biāo)等，導(dǎo)致成品率低，特別是大規(guī)格可調(diào)結(jié)晶器鑄造該合金鑄錠，不僅存在以上質(zhì)量隱患，還頻繁發(fā)生角部拉裂、錠尾塌陷通裂等缺陷，導(dǎo)致成品率很難保障。本文針對(duì)大規(guī)格可調(diào)結(jié)晶器640mm×1800～2100mm 5083合金鑄造工藝中存在的氧化燒損控制、微量元素控制、結(jié)晶器維護(hù)及鑄造參數(shù)進(jìn)行討論，以保證鑄造穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率。

1 氧化燒損控制

鎂的密度比鋁小，往往漂浮在鋁液表面，同時(shí)其化學(xué)性質(zhì)比鋁活波，易與空氣接觸反應(yīng)生成氧化鎂，氧化鎂結(jié)構(gòu)疏松，不能有效阻止鋁液與空氣繼續(xù)反應(yīng)，燒損量較大。同時(shí)氧化后的熔體鑄造時(shí)鑄錠表面發(fā)黑、疏松增加，容易產(chǎn)生夾渣，氧化夾渣容易引起應(yīng)力集中導(dǎo)致鑄錠熱裂紋。5083合金是高鎂合金，其化學(xué)成分見表1，鎂含量達(dá)到4.3%，極易發(fā)生鎂含量偏差大和熱裂紋的問(wèn)題，因此必須有效控制鎂燒損才能保證產(chǎn)品最終質(zhì)量。

表1 5083合金化學(xué)成分(wt%)

主要通過(guò)以下措施避免鎂和鋁繼續(xù)氧化，達(dá)到隔離空氣的目的。

1.1 溶劑法

無(wú)鈉覆蓋劑又稱為2號(hào)熔劑，主要成分KCl、MgCl2和BaCl2，由于不含易引起鈉脆現(xiàn)象的鈉元素，而被廣泛用于含鎂鋁合金中。KCl-MgCl2-BaCl2在500℃時(shí)形成三元低熔點(diǎn)共晶，密度約2.3 g/cm3，比鋁輕，表面張力小(700℃時(shí)約120×10-3N/m)，具有較強(qiáng)的潤(rùn)濕氧化鋁作用，性質(zhì)比較穩(wěn)定，容易在金屬爐料熔化前先熔化形成一層致密而連續(xù)的液態(tài)熔劑層，將金屬爐料和金屬液與空氣隔絕。實(shí)踐證明，在高鎂鋁合金中每100t熔體添加100kg 2號(hào)熔劑可以使鎂的燒損由0.1%降至0.05%以下。

1.2 合金法

在高鎂合金鋁熔體中，鈹是表面活性物質(zhì)，它對(duì)氧的親和力比鋁大，而離子半徑比鋁和鎂的都小。它優(yōu)先擴(kuò)散到熔體表面或填充于氧化鎂膜的破裂處并進(jìn)行氧化，形成的氧化鈹，具有電阻高(VBeO/VBe> 1)、分解壓低、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。它與氧化鎂一起組成致密的尖晶石型結(jié)構(gòu)的鈹鎂氧化膜，因而提高了合金抗氧化的能力，起到了有效的保護(hù)作用。但是鈹有劇毒，所以必須謹(jǐn)慎使用，實(shí)踐證明當(dāng)鈹含量不超過(guò)5ppm時(shí)，鈹?shù)亩拘圆粫?huì)顯現(xiàn)出來(lái)。

經(jīng)過(guò)大量生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)每100t熔體添加1kgAlBe3合金，即添加鈹含量達(dá)到0.5ppm時(shí)，配合足量的2號(hào)熔劑效果良好。

2 微量元素控制

2.1 鈉脆現(xiàn)象

Na在鋁中最大溶解度為0.0025%，且其熔點(diǎn)很低(97.8℃)，合金中存在鈉, 凝固時(shí)游離Na富集在枝晶表面或晶界處,熱加工時(shí)晶界上鈉形成的液態(tài)吸附層聚集長(zhǎng)大，使應(yīng)力集中，產(chǎn)生開裂，即“鈉脆”現(xiàn)象。鈉在鋁中一般以金屬間化合物NaAlSi狀態(tài)存在，無(wú)游離鈉存在，不產(chǎn)生鈉脆，但是鋁合金中含鎂時(shí)，即會(huì)發(fā)生反應(yīng):

游離出的Na在晶界上形成不連續(xù)的脆性球狀質(zhì)點(diǎn), 增加了合金的熱脆性。實(shí)踐證明5083合金中鈉含量大于10ppm時(shí)，熱軋板100%開裂；鈉含量小于6ppm時(shí)，對(duì)鑄錠熱裂紋影響不明顯，可有效防止熱軋板開裂。

消除鈉脆性一方面可采用Na含量低的原材料,不使用含Na熔劑及添加劑；另一方面可采用氯化方法使游離Na生成NaCl并隨爐渣排出。

2.2 褶皺裂紋現(xiàn)象

垂直褶皺是指鑄錠大面即軋制面沿軋制方向分布的非連續(xù)中心凹陷條紋的現(xiàn)象，垂直褶皺多發(fā)生在5xxx系合金中，特別是高鎂合金受垂直褶皺的影響更大，極易產(chǎn)生褶皺裂紋。

由于敞露的鋁液面垂直于結(jié)晶器軋制面方向與空氣接觸，鋁液流動(dòng)并產(chǎn)生氧化皮，同時(shí)由于鋁熔體內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)生成的部分夾雜物也漂浮在鋁液表面，這些夾雜物及氧化皮隨著結(jié)晶器內(nèi)鋁液流動(dòng)被沖至鑄錠表面，逐漸凝固到鑄錠表面，由于鋁熔體對(duì)該夾雜物顆粒不能潤(rùn)濕，因此液體金屬在這些顆粒表面不能鋪展，與夾雜物接觸面呈球形，從而形成垂直褶皺。由于夾雜物是連續(xù)的，因此在鑄錠中連續(xù)出現(xiàn)褶皺缺陷；當(dāng)夾雜物的連續(xù)性被破壞時(shí)，褶皺才能終止。褶皺缺陷一旦產(chǎn)生，應(yīng)力就會(huì)集中到此處，鑄錠極容易因應(yīng)力集中產(chǎn)生熱裂紋。

研究發(fā)現(xiàn)褶皺缺陷主要和硼含量、液體流動(dòng)性及鋁熔體的凈化有關(guān)，特別是缺陷部位的硼含量是正常部位的十幾倍，因此為了避免褶皺缺陷必須控制硼的來(lái)源，提高鑄造時(shí)鋁熔體在結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)性及鋁熔體的凈化效果。

減少褶皺缺陷發(fā)生的方法有：使用鋁鈦碳絲或者使用低硼含量的鋁鈦硼絲；控制堿金屬Na、Li 及堿土金屬Ca的含量，提高鋁熔體流動(dòng)性；加強(qiáng)結(jié)晶器的表面潤(rùn)滑；使用精過(guò)濾，保證過(guò)濾效果，同時(shí)監(jiān)控鑄錠，在鑄造過(guò)程中將鋁熔體表面夾雜物及時(shí)清除。

實(shí)踐證明，(1)在精煉過(guò)程中加入派瑞克PROMAG?RI精煉劑(主要成分K3Mg2C17，加入量0.5kg/t Al)，同時(shí)使用98%氬氣+2%氯氣精煉30min后再使用純氬氣精煉 20min，接著靜置30min,能有效凈化熔體，降低鋁熔體中堿金屬Na、Li 及堿土金屬Ca的含量，可以達(dá)到Na+ Ca + Li≤10ppm；(2)在線過(guò)濾引入管式過(guò)濾，可以過(guò)濾掉98%以上、直徑5μm以上的雜質(zhì)，最大限度的凈化熔體；(3)在線加入Al-5Ti-0.2B(1kg/t Al)；(4)加強(qiáng)鑄造前結(jié)晶器維護(hù)及潤(rùn)滑不僅可以有效的減少褶皺缺陷發(fā)生，同時(shí)還可以避免渣裂發(fā)生。

3 結(jié)晶器的維護(hù)

可調(diào)結(jié)晶器指厚度不變、寬度可調(diào)，由于其結(jié)構(gòu)特性，鑄造含鎂鋁金時(shí)極易出現(xiàn)角部拉裂，導(dǎo)致鑄錠報(bào)廢。由于結(jié)晶器大面小面交界處是活動(dòng)的，需使用指擰螺絲及鎖緊銷固定，但仍無(wú)法消除角部的縫隙，在鑄造過(guò)程中，因角部潤(rùn)滑不足或角部棱角導(dǎo)致的角部掛傷，甚至角部拉裂泄漏，導(dǎo)致鑄錠報(bào)廢。

實(shí)踐證明，通過(guò)改進(jìn)結(jié)晶器維護(hù)方式即可避免或者減少鑄錠角部拉裂現(xiàn)象的發(fā)生。首先隅角間隙盡量調(diào)至最小，然后鎖緊小面；其次充分打磨結(jié)晶器，保證結(jié)晶器表面光滑；再次在角部蘸涂厚實(shí)的耐高溫油脂，密封角部，提高角部潤(rùn)滑能力，同時(shí)鑄造過(guò)程中加強(qiáng)隅角潤(rùn)滑，在隅角涂油脂或滴油。

4 鑄造工藝參數(shù)的研究

由于5083合金含鎂、錳、鉻量較高，液穴較深，熱敏感性較其他高鎂合金更強(qiáng)，鑄造過(guò)程中極易出現(xiàn)熱裂，特別是大規(guī)格鑄錠，不僅要考慮鑄錠錠尾熱裂的問(wèn)題，還要控制好鑄錠的錠尾翹曲量，避免鑄錠因冷卻強(qiáng)度大、翹曲過(guò)大導(dǎo)致漏鋁。同時(shí)由于錠尾冷卻不足，鑄錠強(qiáng)度無(wú)法滿足應(yīng)力釋放要求，導(dǎo)致鑄錠錠尾中間開裂(即錠尾塌陷)并一直延伸至鑄錠頭部，造成鑄錠通裂。

由于熱裂、錠尾塌陷以及翹曲漏鋁三方面是相互矛盾的，需要在鑄造速度、水流量、加注速度中找到平衡點(diǎn)，保證鑄造工藝的穩(wěn)定性，因此試驗(yàn)多次來(lái)驗(yàn)證工藝參數(shù)的合理性。

4.1 試驗(yàn)1(懸掛失敗)

由于斜線階段液位上升至最高液位90mm時(shí)，慣性的向上升了3～5mm，而此時(shí)鑄造速度較慢，結(jié)晶器自動(dòng)調(diào)節(jié)能力較差；且此時(shí)液位設(shè)定值已開始向下走，因此控制銷不得不下壓以確保液位與設(shè)定值同步，導(dǎo)致控制銷打開度長(zhǎng)時(shí)間壓到0。由于Wagstaff鑄造機(jī)的電器信號(hào)對(duì)于懸掛的定義是液位高且控制銷壓到0后5s液位仍得不到控制即直接觸動(dòng)一級(jí)警報(bào)“懸掛”，自動(dòng)終止鑄造。鑄造工藝參數(shù)見表2。

表2 鑄造工藝參數(shù)(試驗(yàn)1)

4.2 試驗(yàn)2(錠尾塌陷裂紋)

與試驗(yàn)1相比，試驗(yàn)2在斜線階段，最高液位保持為15mm,從而保證了最高液位的自調(diào)能力，避免觸發(fā)“懸掛”信號(hào)。但鑄造到150mm時(shí),由于鑄錠寬厚比大，二次翹曲時(shí)內(nèi)應(yīng)力較大，錠尾凝結(jié)的強(qiáng)度未能滿足拉應(yīng)力釋放時(shí)產(chǎn)生的破壞強(qiáng)度，導(dǎo)致鑄錠底部開裂，液位高時(shí)補(bǔ)縮情況較好裂紋慢慢愈合，而有時(shí)裂紋則一直延伸至鑄錠頭部，導(dǎo)致鑄錠通裂報(bào)廢，如圖1，其工藝參數(shù)見表3。

表3 鑄造工藝參數(shù)(試驗(yàn)2)

4.3 試驗(yàn)3(錠尾翹曲大漏鋁)

與試驗(yàn)2相比，試驗(yàn)3在加注階段降低了加注速度，同時(shí)在斜線階段降低了鑄造起始速度和斜線斜率，加強(qiáng)了鑄錠底部的凝固，避免了底部開裂的可能。但是由于鑄錠斜線階段錠尾過(guò)冷，導(dǎo)致在斜線階段，膜沸騰過(guò)早結(jié)束，錠尾翹曲非常大，鋁液從小面泄漏嚴(yán)重，自動(dòng)終止鑄造，如圖2，其工藝參數(shù)見表4。

表4 鑄造工藝參數(shù)(試驗(yàn)3)

4.4 試驗(yàn)4(二次翹曲熱裂)

與試驗(yàn)3相比，試驗(yàn)4在斜線階段降低了起始水流量及斜線斜率，略微降低了冷卻強(qiáng)度，從而有效避免了二次翹曲過(guò)大的現(xiàn)象。但是由于冷卻強(qiáng)度降低過(guò)多，在二次翹曲時(shí)液位較高，鋁熔體重熔現(xiàn)象較明顯，出現(xiàn)熱裂紋，并延伸至鑄錠頭部，導(dǎo)致鑄錠通裂報(bào)廢，如圖3，其工藝參數(shù)見表5。

表5 鑄造工藝參數(shù)(試驗(yàn)4)

4.5 試驗(yàn)5(成功)

與試驗(yàn)4相比，試驗(yàn)5在二次翹曲時(shí)制造了一個(gè)速度平臺(tái)，主要是為了讓此時(shí)重熔的鋁液得到合適的冷卻，避免熱裂，即使熱裂也可以通過(guò)高液位補(bǔ)縮凝固，從而保證了鑄錠質(zhì)量，如圖4，其工藝參數(shù)見表6。

表6 鑄造工藝參數(shù)(試驗(yàn)5)

大面水閥門水流量鑄造速度結(jié)晶器內(nèi)金屬液位填充速度長(zhǎng)度/mm壓力/mbar長(zhǎng)度/mm水流量/m3/h長(zhǎng)度/mm鑄造速度/mm/min長(zhǎng)度/mm結(jié)晶器內(nèi)金屬液位/mm高度/mm速度/mm/minStart3000--185346505335501550--55053----

圖1 錠尾塌陷裂紋 圖2 錠尾翹曲大漏鋁

圖3 二次翹曲熱裂 圖4 無(wú)缺陷大規(guī)格尺度鑄錠

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)5083大規(guī)格可調(diào)結(jié)晶器640mm×1800～2100mm的鑄造工藝的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)在熔煉過(guò)程中添加2號(hào)溶劑配合足量的鋁鈹合金，避免了鋁熔體的繼續(xù)氧化，減少了鎂成分的燒損，保證了鑄造工藝的穩(wěn)定性；

(2)合適的精煉工藝(精煉劑配合氯氣精煉的方式)及在線精過(guò)濾工藝(管式過(guò)濾工藝)，保證了鋁熔體鑄造前的潔凈度，有效控制了有害微量元素(Na、Li、Ca)的含量，從而提高了鑄錠品質(zhì)，降低了缺陷錠發(fā)生的概率；

(3)在線加入Al-5Ti-0.2B(1kg/t Al)有效的減少了褶皺缺陷的發(fā)生；

(4)改善結(jié)晶器的維護(hù)方式，有效的避免了鑄錠角部拉裂現(xiàn)象的發(fā)生；

(5)試驗(yàn)對(duì)比研究工藝參數(shù)，解決了鑄造過(guò)程中的懸掛、錠尾塌陷通裂、錠尾翹曲漏鋁、熱裂等缺陷，從而得到了合適穩(wěn)定的工藝參數(shù)。

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