鋁合金熱頂鑄造圓鑄錠的偏析層控制方法

石景巖

(山東南山鋁業(yè)股份有限公司航空材料事業(yè)部， 山東 龍口 265713)

0 前言

偏析層是鋁合金鑄錠特有的冶金缺陷，與低液位鑄造法不同，熱頂鑄造法偏析層一般較大，尤其在7xxx系鋁合金大規(guī)格圓鑄錠中尤為常見。偏析層內(nèi)化學(xué)成分及相組成與芯部的有較大差異，造成后續(xù)加工制品化學(xué)成分不均勻，影響到制品組織及性能的均勻性[1-2]。鑄錠表面偏析層會出現(xiàn)在產(chǎn)品的表面，該缺陷在擠壓過程中沒有明顯表露出來，不易被發(fā)現(xiàn)，但是在經(jīng)過陽極氧化后，該缺陷會產(chǎn)生氧化條紋而顯現(xiàn)出來[3]。因此，進(jìn)行后續(xù)加工之前，通常采用車皮等方法將鑄錠偏析層除去，若偏析層過大，則會導(dǎo)致車皮后鑄錠尺寸過小或不能滿足客戶加工需求，影響成品率甚至導(dǎo)致鑄錠報(bào)廢。所以，在實(shí)際生產(chǎn)中需要優(yōu)化熱頂鑄造工藝，盡量縮減鑄錠表面偏析層尺寸。

1 偏析層的組織形貌

1.1 偏析層低倍組織形貌

試片經(jīng)腐蝕后，偏析層的組織形貌為延鑄錠殼層周邊均勻存在，由鑄錠邊部向鑄錠芯部延伸，有時(shí)由于工藝控制不當(dāng)，偏析層內(nèi)或試片表面有夾渣、光亮晶粒(圖1)、氣孔等缺陷存在。在實(shí)際生產(chǎn)中，低倍檢測偏析層厚度最大尺寸為車皮最小切削量，如圖2所示。

圖1 低倍宏觀形貌

從理論層面分析，光亮晶為枝晶形核、生長過程中產(chǎn)生的缺陷，其形成原因與局部區(qū)域溫度過冷或成分過冷有關(guān)；其形貌必須經(jīng)過低倍腐蝕或浸蝕才能明顯觀察到光亮晶，且尺寸較大，因?qū)饩€呈現(xiàn)區(qū)域鏡面反射特征，呈現(xiàn)為較亮的區(qū)域；在顯微鏡下觀察并不明顯，光亮晶并非連續(xù)排列，而是斷續(xù)存在，具有類似枝晶特征；其能譜顯示，光亮晶區(qū)域?qū)儆诤辖鸪煞重毣瘏^(qū)域，合金相含量相對較少，與正常組織差異較大，主合金元素由于成分偏析使其低于標(biāo)準(zhǔn)控制要求。

1.2 偏析層顯微組織

金相組織顯微形貌是從鑄錠表面到均勻晶粒結(jié)構(gòu)的距離[4]。試樣從邊部至芯部由表面偏析(富析區(qū))和貧化區(qū)組成。表面偏析是溶質(zhì)元素濃度高導(dǎo)致晶粒邊界變寬，通常富析區(qū)內(nèi)的晶粒小并且可能大小不均勻；貧化區(qū)是溶質(zhì)元素濃度低導(dǎo)致狹窄、不明晰的晶粒邊界，溶質(zhì)元素的缺少導(dǎo)致生成不規(guī)則的大晶粒，如圖3所示。

圖2 宏觀形貌尺寸

2 偏析層的形成機(jī)理

偏析層的形成與合金的凝固過程緊密相關(guān)，在鑄造過程中，整個(gè)凝固過程大致可以分為三個(gè)階段：第一階段初始結(jié)晶器激冷區(qū)、第二階段慢激冷區(qū)及第三階段超前冷卻距離區(qū)，如圖4所示。

圖3 金相組織形貌

圖4 合金的凝固過程

1)第一階段初始結(jié)晶器激冷區(qū)。熔融鋁在熱頂下通過轉(zhuǎn)接板與石墨環(huán)直接接觸，在熱傳導(dǎo)和潤滑油共同冷卻作用下，形成固態(tài)殼或外皮的冷卻稱為一次冷卻。

2)第二階段慢激冷區(qū)。固化的凝殼收縮與結(jié)晶器壁有初步間隙距離，冷卻水通過熱交換進(jìn)行第二次冷卻，這極大地降低了熱傳導(dǎo)，在液穴內(nèi)熔融金屬溫度場熱傳遞的作用下，初步形成的凝殼隨溫度升高重熔，在鑄錠表面形成表面不規(guī)則的偏析瘤。

若液穴內(nèi)熔融金屬溫度過高則使液穴壁內(nèi)晶界和枝晶界的不平衡共晶熔化，會造成一些合金中凝固外殼的部分重熔。這種重熔的金屬，富含合金化元素，在結(jié)晶中滲出，并從外表皮跑出來，形成一個(gè)崎嶇不平的表面，在鑄錠外表面形成具有富集層的偏析層。

3)第三階段超前冷卻距離區(qū)。此階段冷卻水沖擊鑄錠表面，快速冷卻使鑄錠冷卻帶上移，從而固化鑄錠輪廓形狀；超前冷卻距離就是冷卻水沖擊點(diǎn)以上的距離，其隨冷卻強(qiáng)度、鑄造速度、合金系別和鑄造溫度相關(guān)。

3 有效控制偏析層的方法

通過分析鋁液凝固過程(圖4)，可以發(fā)現(xiàn)偏析層是在第二階段慢激冷區(qū)產(chǎn)生，鑄錠在第二階段停留時(shí)間越長，表面外殼受到二次加熱的熱量越多，重熔金屬越多，產(chǎn)生的偏析層越厚。因此，要想減小偏析層厚度，應(yīng)該盡量減少鑄錠在慢激冷區(qū)停留時(shí)間，或者要減少一次冷卻與二次冷卻的距離，例如在低液位鑄造過程中，可以通過控制結(jié)晶器內(nèi)液位高度去控制一次冷卻與二次冷卻的距離，所以扁錠的殼層通常很薄。而圓錠采用熱頂法鑄造，不能控制結(jié)晶器內(nèi)金屬液位，因此想要減少殼層的有效手段比較少，通常為增大鑄造速度和提高鑄造溫度。增大鑄造速度可以降低一次冷卻的位置，從而減小偏析層厚度；降低水溫，可增大水的淬火能力，將二次冷卻上移，從而減小偏析層厚度。下文以7xxx系產(chǎn)品600 mm鑄錠為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 鑄造速度

根據(jù)偏析層生成的原理，適當(dāng)增加鑄造速度，可以直接減小鑄錠在慢激冷區(qū)停留的時(shí)間，降低二次加熱重熔，進(jìn)而減小鑄錠表面偏析層厚度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同鑄造速度下的鑄錠偏析層厚度

由表1可知，在鑄造溫度不變的條件下，隨著鑄造速度的升高，偏析層厚度減小，而對鑄錠晶粒度和疏松度沒有影響。

3.2 鑄造溫度

不同鑄造溫度下的鑄錠偏析層厚度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可以看出，在鑄造速度不變的條件下，提高鑄造溫度，可以明顯減小鑄錠的表面偏析層厚度。這是因?yàn)檫m當(dāng)提高鑄造溫度，鋁液溫度升高，鑄錠液穴加深，液相線上移，延遲了表面外殼生成，使初始結(jié)晶器激冷區(qū)下移，進(jìn)而壓縮了慢激冷區(qū)的區(qū)域范圍，間接降低了鑄錠在慢激冷區(qū)的停留時(shí)間，可以更有效地減小鑄錠表面偏析層厚度。因此，在適當(dāng)溫度區(qū)間范圍，隨著溫度升高，對鑄錠疏松、裂紋、粗晶無影響，對鑄錠殼層厚度影響較大，隨著溫度升高，鑄錠錠尾處殼層厚度趨于正常，但溫度過高會導(dǎo)致鑄錠芯部晶粒度有粗化傾向。

表2 不同鑄造溫度下的鑄錠偏析層厚度

3.3 鑄造水流量

在鑄造速度、溫度控制工藝相同的情況下更改冷卻水流量分別為40 m3/h、45 m3/h、50 m3/h，通過3組不同水流量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提高水流量對偏析層控制影響不大；雖然可以增大超前冷卻距離從而降低偏析層，但效率低，改變量不明顯；且在高合金濃度硬合金生產(chǎn)中，過大的冷卻強(qiáng)度極易導(dǎo)致鑄錠裂紋的產(chǎn)生。

3.4 工裝位置

試片在低倍檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)試片邊部出現(xiàn)無規(guī)律的光晶偏析，鑄錠時(shí)常由于1～2個(gè)位置的光晶偏析導(dǎo)致低倍不合格，為分析此缺陷形成，判定工裝可能會對其產(chǎn)生加大影響；鑄造后在鑄錠外表面做好位置標(biāo)識，觀察較大偏析層處與工裝的位置關(guān)系，根據(jù)低倍結(jié)果，無明顯規(guī)律關(guān)系。

3.5 實(shí)驗(yàn)解析

通過大量實(shí)驗(yàn)及理論分析，鋁合金在鑄造過程中，熔融鋁金屬接觸鑄造工裝后會迅速降溫結(jié)晶，以固態(tài)或固液共存狀態(tài)存在分流盤內(nèi)進(jìn)行填充鑄造。由于鑄造速度慢、溫度低、熔體流量小等原因，凝鋁一直停留在分流漏斗處直至鑄造速度、溫度、流量穩(wěn)定后流轉(zhuǎn)至鑄錠內(nèi)，再通過鑄錠結(jié)晶，以光亮晶或光晶偏析的形式出現(xiàn)的鑄錠上[5-6]。為去除此缺陷，應(yīng)使鑄造盡早進(jìn)入穩(wěn)定模式，鑄造盤應(yīng)提前充分并保持良好的預(yù)熱，以保證偏析層的控制。

4 結(jié)束語

有效控制熱頂鑄造圓鑄錠偏析層的方法較少，如放流法、環(huán)繞攪拌法，同時(shí)必須保證合格的工裝維護(hù)、流盤的充分預(yù)熱、工藝參數(shù)及鑄造溫度的合理匹配；在經(jīng)過多次實(shí)際生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)積累豐富經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，落實(shí)關(guān)鍵工藝控制要求，最終生產(chǎn)出合格的優(yōu)質(zhì)鑄錠，偏析層及內(nèi)部質(zhì)量得到有效控制，低倍宏觀檢測一次合格率達(dá)98%以上。