7075鋁合金2 540 mm×550 mm規(guī)格扁錠鑄造工藝研究

陳仁桂，楊 浩，藍東華,黃金寧,朱玉濤

(廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧 530031)

7075鋁合金由于具有高的強度性能、易加工等優(yōu)點，已成為常用的高等強度可熱處理強化的鋁合金，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。隨著航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展，寬幅板材(寬度大于2 300 mm)的需求越來越大。傳統(tǒng)裝備工藝生產(chǎn)的7075鋁合金鑄錠規(guī)格普遍較小，目前鑄錠寬度一般小于2 000 mm，受限于此，只能用橫軋+縱軋方式生產(chǎn)寬幅板材，但這種生產(chǎn)方式會出現(xiàn)成品率低、生產(chǎn)困難、成本高等各種問題。

寬度大于2 000 mm的大規(guī)格7075鋁合金扁鑄錠在國內(nèi)非常少有。使用大規(guī)格鑄錠生產(chǎn)寬幅板材將具有明顯優(yōu)勢，其無須寬展直接縱向軋制，能減少寬展軋制道次，保證軋制過程中鑄錠溫降，提高成品率，降低生產(chǎn)成本。但7075鋁合金由于合金化程度高、成分復雜、結(jié)晶溫度區(qū)間寬、鑄態(tài)組織塑性低，鑄造時裂紋傾向非常大。特別是隨著鑄造寬厚比及鑄造截面的增大，鑄造時還容易出現(xiàn)如錠尾塌裂、小面漏鋁、鑄錠懸掛、大面漏鋁、過渡區(qū)熱裂等問題，使鑄造成功率很難保證[2-3]。因此需要探討7075鋁合金大規(guī)格扁錠鑄造工藝以滿足軋制生產(chǎn)要求。

1 試驗材料及方案

生產(chǎn)7075鋁合金大扁錠的主要工序包括配料、熔煉、保溫、精煉、過濾、鑄造、去應(yīng)力等。本試驗用7075鋁合金的化學成分見表1。

表1 7075鋁合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Compositions of 7075 aluminum alloy(wt/%)

1.1 配料

根據(jù)表1所示成分計算純度99.80%以上的重熔鋁錠和7075鋁合金返回料、鋅錠、紫銅等的用量。重熔鋁錠中w(Si)≤0.03%，7075鋁合金返回料占比為20%～60%。

1.2 熔煉

將鋁錠、鋅錠、紫銅及7075鋁合金返回料投入55 t熔煉爐，當爐料熔化1/3時開啟電磁攪拌器。熔體溫度達到720℃后加入Al-Cr、Al-Ti、Al-Mn中間合金及鎂錠，達到目標合金成分時，得到化學成分合格的鋁合金熔體。

1.3 保溫、爐內(nèi)精煉

將鋁合金熔體轉(zhuǎn)注到保溫爐。用氬氣與氯氣混合氣體精煉，通入氬氣與氯氣流量的比例為20∶1，精煉時間為60 min，精煉2次，間隔60 min。

1.4 在線精煉、晶粒細化、過濾

爐內(nèi)精煉完成后傾動保溫爐使熔體流經(jīng)在線精煉除氣裝置，通入氬氣與氯氣流量的體積比為9∶1，控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速580 r/min。在線添加Al-Ti-B晶粒細化劑，添加速度為320 cm/min，熔體流過30ppi(每英寸長度上的孔數(shù))陶瓷過濾板進行過濾除渣。

1.5 鑄造

采用Wagstaff鑄造機自動化控制鑄造系統(tǒng)，對鑄造冷卻水流量、鑄造速度、結(jié)晶器液位高度、起始填充時間等自動化控制。

采用軟起鑄方式，先將軟起料通過主流槽填充到結(jié)晶器中，填充時間98 s，填充完成后進行自動鑄造，鑄造速度為22 mm/min～40 mm/min，鑄造溫度為670℃～680℃，冷卻水溫度為35℃～40℃，冷卻水流量為30 m3/h～40 m3/h，冷卻水壓為0.2 MPa～0.35 MPa，結(jié)晶器液位高度為60 mm～80 mm，待軟起鑄造長度到100 mm后，停止軟起料的添加，迅速切換到正常料繼續(xù)鑄造。鑄造速度為40 mm/min～50 mm/min，鑄造溫度為675℃～685℃，冷卻水溫度為35℃～40℃，冷卻水流量為40 m3/h～70 m3/h，冷卻水壓為0.4 MPa～0.55 MPa，結(jié)晶器液位高度60 mm～100 mm，鑄造完成后獲得2 540 mm×550 mm規(guī)格的7075鋁合金扁錠，如圖1所示。

1.6 去應(yīng)力

鑄造結(jié)束后對扁鑄錠進行去應(yīng)力退火，退火制度為300℃10 h，避免鑄錠產(chǎn)生炸裂。

2 試驗結(jié)果

將鑄錠切除底部450 mm后，取試樣進行化學成分、高低倍組織分析，取樣位置如圖2所示。

2.1 化學成分

化學成分分析取樣位置如圖2所示的上部，取點為10個點，分析結(jié)果見表2。由表2可知，鑄錠成分分布均勻，均在控制范圍內(nèi)，成分偏差小于10%。

表2 主要成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 2 Analysis results of the main element contents(wt/%)

2.2 低倍組織

將低倍試樣在濃度為150 g/L的NaOH溶液中浸泡5 min后觀察低倍組織情況，結(jié)果見表3。

表3 低倍組織分析結(jié)果Table 3 Analysis results of macrostructures

2.3 高倍組織

鑄錠去應(yīng)力后，分別取鑄錠芯部、1/4對角線位置、邊部處試樣進行高倍組織分析(參見圖3)，晶粒平均尺寸分析結(jié)果見表4。

表4 鑄錠晶粒尺寸分析結(jié)果Table 4 Analysis results of the grain size

2.4 氫含量

氫含量對最終產(chǎn)品的綜合性能(尤其是裂紋擴展速率)有重要影響。所用測氫設(shè)備為西南鋁生產(chǎn)的ELH-IV型測氫儀，經(jīng)除氣箱除氣后，熔體氫含量為0.08 mL/(100 g Al)。

2.5 水浸法超聲探傷

對試驗鑄錠進行水浸探傷，根據(jù)波形特點、分布情況、傳播時間等信息可以對缺陷進行檢測和定位分析。7075鋁合金扁錠超聲探傷結(jié)果顯示，鑄錠頂、底部存在較多缺陷，通過切頭、尾后可以去除。其余部分未檢測到鑄錠內(nèi)部的夾雜、氣孔、裂紋和組織粗大等宏觀缺陷，檢測結(jié)果等級為A級。

3 分析與討論

3.1 熔體純凈度的控制

氣孔和夾雜二者相互影響，相伴相生。在熔體中加入一定量的熔劑，通過一系列的物理化學反應(yīng)可以達到除氣除雜的目的。但使用熔劑后會造成一定量的殘留，對于大規(guī)格高品質(zhì)鑄錠危害極大。因此在不使用熔劑的情況下使用氯氣、氬氣混合氣體進行多級精煉，混合氣體通過轉(zhuǎn)子注入熔融金屬中，以細小的分散氣泡的形式存在于熔融金屬中。加入的氯氣和堿金屬反應(yīng)并生成氯化物，靠浮力或依附在氣泡表面上帶動夾雜物、氣體和鹽等雜質(zhì)上浮，達到凈化熔融金屬液體的作用。使熔體氫含量不大于0.10 mL/(100 g Al)，可有效改善鑄錠質(zhì)量及提高鑄造成功率。

3.2 硅、鐵元素的控制

當鐵和硅比例不當時，對大規(guī)格7075鋁合金鑄造裂紋有明顯的影響。硅與鎂形成Mg2Si相，當鎂過剩時，降低了Mg2Si在基體中的溶解度，降低合金的塑性。因此盡可能降低硅含量，同時確保w(Fe)/w(Si)>2.0，避免形成Mg2Si相。

3.3 鈹元素的添加

7075鋁合金大規(guī)格鑄錠容易在鑄造中產(chǎn)生皺褶，太深的溝槽會導致鑄造裂紋。因此鑄造大規(guī)格7075鋁合金扁錠時，往合金中加入w(Be)=20×10-6～50×10-6的鈹，鈹在氧化表面積聚，降低氧化速率，減少鑄錠中夾雜物含量，降低鑄錠表面拉裂風險，提高鑄造成功率。

3.4 鑄造工藝優(yōu)化

大規(guī)格7075鋁合金扁錠鑄造失敗一般是因開頭塌裂、漏鋁原因?qū)е碌摹ａ槍Σ煌囊?guī)格以及不同的合金，可有針對性的調(diào)整軟起料的成分來抑制起鑄階段的開裂。在鑄造開頭采用軟起鑄可以有效的避免鑄錠成型困難問題。使用軟起鑄方式不僅可以降低刮水環(huán)帶來的生產(chǎn)成本提高，而且可以增加鑄錠冷卻強度，極大的細化內(nèi)部鑄造組織，減小成分偏析。

3.5 結(jié)晶器設(shè)計

結(jié)晶器采用多級可控強冷結(jié)晶器，有上下兩排出水孔，由6根進水管控制，冷卻水流量由Wagstaff系統(tǒng)精準控制。一次冷卻水噴射至結(jié)晶器圍裙位置形成一次緩冷，起到形成殼的作用。然后順著圍裙流至鑄錠上，通過一次間接式緩冷對冷卻水進行加熱，減小一次間接冷卻跟二次直冷的溫度梯度差，可明顯減少鑄錠激冷和冷卻梯度差，從而使鑄錠應(yīng)力分布均衡。當鑄錠達到一定長度后直接接觸三次冷卻水進行三次增強冷卻，極大細化內(nèi)部晶粒，減小芯表晶粒尺寸差別，同時保證鑄造成品率。

為了避免鑄錠邊角冷卻強度過大引起開裂，結(jié)晶器大小面圓弧半徑采用100 mm。結(jié)晶器大面邊角水孔和結(jié)晶器小面邊角水孔至少堵塞4～8個。控制鑄錠邊角的冷卻強度，降低了鑄造過程中的應(yīng)力，使得最終制造的7075鋁合金大扁鑄錠無裂紋、無冷隔等缺陷。

4 結(jié) 論

通過對7075鋁合金2 540 mm×550 mm規(guī)格扁錠鑄造工藝試驗研究，得出以下結(jié)論：

1)7075鋁合金2 540 mm×550 mm扁錠解決了航空貨運用成品寬度超過2 300 mm的寬幅鋁板材必須橫軋的問題，板材成品率提高30個百分點，有效地降低了生產(chǎn)成本。

2)不使用熔劑并且采用多級高效除氣、除渣技術(shù)獲得高純凈化熔體。使熔體氫含量不大于0.10 mL/(100 g Al)，可有效改善鑄錠質(zhì)量，提高鑄造成功率。

3)采用軟起鑄方式，在鑄造速度為40 mm/min～50 mm/min、鑄造溫度為675℃～685℃、冷卻水溫度為35℃～40℃、冷卻水流量為40 m3/h～70 m3/h、冷卻水壓為0.4 MPa～0.55 MPa、結(jié)晶器液位高度60 mm～100 mm的條件下，鑄造出2 540 mm×550 mm規(guī)格的7075鋁合金扁錠。該扁錠無裂紋、錠尾塌陷、皺褶等表面缺陷，內(nèi)部組織無裂紋、氣孔、夾雜、羽毛晶、光亮晶等冶金缺陷，成分均勻，晶粒度細小。