6110A鋁合金圓鑄錠光亮晶粒缺陷研究

王 宇，王周冰，李向南，張富亮，高冬梅

(遼寧忠旺集團有限公司， 遼寧 遼陽 111003)

6xxx系鋁合金以其優(yōu)良的耐蝕性、焊接性、工藝性能(易于擠壓成型)以及出色的氧化著色效果，獲得了廣泛應(yīng)用。鋁合金的生產(chǎn)往往都是從鑄造開始，鑄錠質(zhì)量直接關(guān)系到產(chǎn)品的工藝性能和使用性能，高質(zhì)量的鑄錠是高質(zhì)量產(chǎn)品的保證[1]。6110A主要用于汽車鍛造用鋁合金圓鑄錠，其鑄造冶金缺陷有裂紋、氣孔、夾渣、疏松、光亮晶粒、羽毛狀晶、粗大晶粒等。這些冶金缺陷，不同程度地影響了圓鑄錠生產(chǎn)的成品率和擠壓時的成材率，給公司帶來很大經(jīng)濟損失，因此必須防止上述冶金缺陷的產(chǎn)生[2]。實際生產(chǎn)過程中，光亮晶粒缺陷出現(xiàn)比較頻繁。在檢查半連續(xù)鑄造鑄錠的低倍組織時，有時會發(fā)現(xiàn)比基體金屬更光亮的組織區(qū)域，具有明顯的樹枝狀特征。此處組織和粗大晶粒不同，對光線無選擇性，所以稱為光亮晶粒[3]。本文通過研究對比分析含光亮晶粒鑄錠的金相檢測、力學性能及斷口形貌，對工藝研究和該6110A鋁合金加工出合格產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料與方法

本文選用鑄錠半連續(xù)熔煉法，預(yù)留1/3～1/4 液體料，新加入料全部攪入熔體，出爐和加料互相連續(xù)，優(yōu)點是爐料浸于液體中，燒損小，熔化速度快，適于熔煉碎屑。生產(chǎn)工藝流程為，配料→熔煉→調(diào)整成分→爐內(nèi)熔體凈化→晶粒細化→在線熔體凈化(除氣、除渣)→鑄造→均勻化退火；其成分見表1。本試驗分別通過力學性能、金相檢測、斷口形貌對比分析光亮晶粒缺陷。

表1 6110A合金鑄錠化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 力學性能分析

選取帶有光亮晶粒缺陷區(qū)域的6110A合金試樣和同批次無缺陷同區(qū)域的試樣。試樣編號分別為1#和2#，1#為光亮晶粒集中缺陷試樣，2#為無光亮晶粒且無其他缺陷的試樣。使用日本島津AG-X100KN型電子萬能試驗機對其進行力學性能檢測，檢測結(jié)果為，1#試樣的屈服強度為45MPa，抗拉強度為118MPa，伸長率為12%；2#試樣的屈服強度為58MPa，抗拉強度為136MPa，伸長率為26%。可以看出，1#試樣屈服強度和抗拉強度均低于2#試樣的，屈服強度約比2#試樣的小20%，抗拉強度約比2#試樣的小10%，伸長率約為2#試樣的50%。通過巴氏硬度測定同樣可以看出，1#有光亮晶粒缺陷區(qū)域的試樣75HB，2#無光亮晶粒缺陷區(qū)域的試樣79HB，有光亮晶粒比無光亮晶粒的合金硬度低。綜上所述，光亮晶粒的出現(xiàn)在一定程度上降低了力學性能，在生產(chǎn)過程中應(yīng)予以控制。

2.2 宏觀低倍組織分析

分別選取帶有光亮晶粒缺陷區(qū)域的6110A合金試樣(1#試樣)和同批次無缺陷同區(qū)域的試樣(2#試樣)。把銑削加工好的試樣放入20℃～35℃、濃度8%～12%的NaOH溶液中，腐蝕25min～30min。將試樣取出迅速轉(zhuǎn)入流動的清水中沖洗，然后再放入20%～30%的HNO3溶液中，酸洗15min，除去黑色堿蝕產(chǎn)物達到清潔。將試樣取出用流動的清水沖洗干凈，進行組織觀察，其低倍組織如圖1。根據(jù)本單位鑄錠內(nèi)控標準，對腐蝕后的型材進行檢驗，標準要求光亮晶粒不允許多于10點且每點直徑不大于3mm。通過試驗可以看出，宏觀組織色澤光亮，對光線無選擇性，放大后呈樹枝狀。1#試樣在橫向低倍試片上光亮晶粒多于10點，屬于不合格制品，而2#試樣晶粒細小，組織均勻。該缺陷一般分布在鑄錠橫截面的中心及半徑的1/2處?？v截面存在液穴形狀組成的鏈環(huán)，這種缺陷可延續(xù)到擠壓型材中，在生產(chǎn)檢驗中予以控制[4]。

2.3 光亮晶粒斷口分析

采用鋁型材壓力試驗機對腐蝕后的試樣進行光亮晶粒集中區(qū)域壓斷試驗，該試驗斷口取樣位置為光亮晶粒集中區(qū)域，其斷口表面宏觀形態(tài)如圖2所示。

與無光亮晶粒且無缺陷的試樣斷口進行對比，可以看出，有光亮晶粒缺陷試樣斷口處為小晶粒聚集，組織不致密，且有區(qū)域無金屬組織填充，斷口組織中有亮色絮狀物，絮狀物的面積比疏松斷口絮狀物大，其塑性強度很低。2#試樣斷口組織晶粒細小均勻，呈剪切唇狀和纖維狀，斷裂方式為韌性斷裂。

2.4 顯微組織分析

對1#試樣和2#試樣進行磨拋，使用蔡司AX10型光學顯微鏡(OM)對擠壓型材樣品進行光學顯微組織觀察(圖3)，可知，有光亮晶粒試樣的晶界較深，呈鋸齒狀。圖4為試樣高倍晶粒形貌，根據(jù)圖4檢測的晶粒尺寸大小，結(jié)合計算法得出，1#試樣單個光亮晶粒面積為0.266mm×0.259mm=0.069mm2，2#試樣單個粗大晶粒面積為0.165mm×0.264mm=0.044mm2。枝晶間距比基體間距大幾倍，第二相體積分數(shù)小，貧乏固溶體，顯微硬度低。

3 結(jié)論

光亮晶粒實際上是合金元素含量較低的固熔體一次晶。在鑄造開始時，由于漏斗預(yù)熱不夠，在其底部容易形成低成分固溶體一次晶的底結(jié)物。因漏斗底部溫度低、散熱緩慢，且不斷得到新的合金的補充沖淡，使底結(jié)物不斷按原成分長大，而形成粗大的低成分的固溶體一次晶。在鑄造過程中，當?shù)捉Y(jié)物長大到一定程度或漏斗受震動時，使這種底結(jié)瘤掉入鑄錠內(nèi)形成了光亮晶粒[4]。試驗通過采用半連續(xù)鑄造生產(chǎn)的6110A鋁合金圓鑄錠，對其進行檢驗分析，得出以下結(jié)論：

(1)有光亮晶粒比無光亮晶粒的合金硬度低，光亮晶粒的出現(xiàn)在一定程度上降低了力學性能，在生產(chǎn)過程中應(yīng)予以控制。

(2)有光亮晶粒的試樣宏觀組織表現(xiàn)為色澤光亮，對光線無選擇性，放大后呈樹枝狀。無光亮晶粒試樣晶粒細小，組織均勻。

(3)有光亮晶粒缺陷試樣斷口處為小晶粒聚集，組織不致密，且一些區(qū)域無金屬組織填充，斷口組織中存在亮色絮狀物，絮狀物的面積比疏松斷口絮狀物大，其塑性強度很低。無光亮晶粒試樣斷口組織晶粒細小均勻，呈剪切唇狀和纖維狀，斷裂方式為韌性斷裂。

(4)有光亮晶粒缺陷的試樣枝晶間距比基體間距大幾倍，第二相體積分數(shù)小，貧乏固溶體，顯微硬度低。

通過以上分析，我們積極采取措施避免光亮晶粒的產(chǎn)生。首先在換生產(chǎn)種類時徹底洗爐，對不同種類的合金廢料分開存放，配制時只允許加入同種或相近的廢料。加強工藝操作管理，在鑄造前將用石油液化汽噴燈將流槽、分配盤、流管和轉(zhuǎn)接板等烘烤至紅熱狀態(tài)。改造循環(huán)水過濾系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，適當提高鑄造溫度和鑄造速度。