細(xì)化劑加入量對6063鋁型材組織條紋的影響

劉才興, 周晶哲，李天原，向 耀，譚興元

廣東澳美鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528100

6063合金因其優(yōu)良的可擠壓性和可焊接性、良好的耐蝕性，以及陽極氧化后色澤亮麗等一系列優(yōu)點(diǎn)，是建筑型材的首選材料．近年來，宜家家居(IKEA)等公司對供貨商產(chǎn)品環(huán)保和可持續(xù)回收利用提出更高要求，其中鋁合金產(chǎn)品要求廢料重熔利用占比50%～80%．廢料再生不僅符合客戶理念，且提高材料循環(huán)利用率、保護(hù)環(huán)境及降低生產(chǎn)成本．但由于鋁廢料中的雜質(zhì)含量高，在6063鋁型材的擠壓生產(chǎn)過程中造成表面形成明暗差異明顯的條紋缺陷，表面經(jīng)氧化處理后形成黑色或白色帶狀條紋，影響型材美觀，表面質(zhì)量不符合客戶要求．

近年來，研究人員通過實(shí)踐提出了一些改善條紋缺陷的措施，郭加林等人[3]分析驗(yàn)證了擠壓溫度和擠壓速度對組織條紋的影響，表明擠壓溫度過高或擠壓速度過快均會導(dǎo)致壁厚變化部位金屬流動(dòng)的不均勻，從而引發(fā)其組織分布不均勻．許栩達(dá)等人[4]分析了模具因素對擠壓型材組織條紋的影響，通過模具設(shè)計(jì)、擴(kuò)大死區(qū)范圍、采用淺導(dǎo)流孔及優(yōu)化關(guān)鍵位置的金屬流動(dòng)等措施，可減少組織條紋的產(chǎn)生．按照此方法對組織條紋缺陷有一定的改善，但未徹底解決這一問題．通過調(diào)整Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑的加入量，分析對型材表面的影響，最終達(dá)到缺陷改善的目的，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 合金成分

實(shí)驗(yàn)對象為廣東某鋁材廠生產(chǎn)的6063鋁合金圓鑄錠，鑄錠直徑為127 mm，其合金成分控制范圍列于表1．

1.2 方 法

鑄錠主要生產(chǎn)流程為：配料→熔煉與凈化→水冷半連續(xù)熱頂鑄造．

表1 6063鋁合金化學(xué)成分

1.2.1 配 料

爐料為重熔用鋁錠(占比40%～45%)和6xxx系鋁合金二、三級回收廢料(占比55%～60%)，主要合金元素Mg以純金屬形式加入，Si以Al-12Si中間合金形式加入，Ti以晶粒細(xì)化劑形式加入，使用Al-5Ti-1B絲桿在鑄造過程在線加入，其余合金成分為原料成分，不再人為添加．

1.2.2 熔化與凈化

原料經(jīng)稱重后裝入熔煉爐，采用火焰熱輻射方式熔化爐料，熔煉過程不添加覆蓋劑，熔煉溫度為700～730 ℃，待固體原料徹底熔化為液態(tài)后進(jìn)行精煉．精煉使用顆粒精煉劑凈化除雜，精煉劑使用量為2.8 kg/t，精煉劑使用氬氣噴吹法加入，共兩次精煉，每次精煉間隔時(shí)間約10～15 min，精煉溫度710～720 ℃，精煉時(shí)間為10～15 min，精煉過程中人工扒渣，扒渣量約為200～300 kg，每次精煉時(shí)取樣化驗(yàn)鋁液成分，第一次精煉后根據(jù)爐前成分進(jìn)行合金化作業(yè)．

1.2.3 鑄 造

鑄造采用直接水冷半連續(xù)熱頂鑄造方式生產(chǎn)．首先鋁液由流槽導(dǎo)流經(jīng)過在線除氣箱，再經(jīng)過濾箱，然后流至鑄造模盤，最后冷卻凝固為直徑127 mm的圓鑄錠．Al-5Ti-1B晶粒細(xì)化劑在過濾箱前單點(diǎn)在線添加，在線除氣參數(shù)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速600 r/min，氬氣流量40 L/min，過濾箱使用50 ppi陶瓷過濾板在線過濾，鑄造溫度為700～710℃，鑄造速度160 mm/min，冷卻水壓為150 kPa．

生產(chǎn)每爐次鑄錠加入回爐廢料比例是固定的為55%～60%，可視為原材料鈦含量基礎(chǔ)值固定，晶粒細(xì)化劑相關(guān)參數(shù)列于表2．

表2 晶粒細(xì)化劑組成成分參數(shù)

晶粒細(xì)化劑的加入量由加入速度決定，加入量=加入速度×鑄造時(shí)間×線密度．連續(xù)生產(chǎn)四個(gè)爐次鑄錠，分別設(shè)置四種不同加入速度并編號，其余參數(shù)均不變，加入速度設(shè)置及編號列于表3．

表3 加入速度設(shè)置

1.3 檢 測

將鑄造完成后的鑄錠鋸切頭尾廢料并取樣，鑄錠取樣位置為棒頭，即鑄造凝固末端部分，樣品經(jīng)車削表面后進(jìn)行合金成分檢測和低倍組織檢測，化學(xué)成分采用Spectrolab M9直讀光譜儀得出，低倍組織肉眼直接觀察．實(shí)驗(yàn)用鑄錠經(jīng)均勻化處理后，在10MN擠壓機(jī)擠壓，經(jīng)強(qiáng)風(fēng)冷在線淬火后觀察型材表面．

2 結(jié)果與分析

2.1 合金化學(xué)成分

通過Spectrolab M9直讀光譜儀分析鑄錠化學(xué)成分，其含量列于表4．由表4可知，鑄錠的主要組成元素為Mg，Si及Ti，Ti(基礎(chǔ)值)為未加晶粒細(xì)化劑時(shí)鋁液中的含量，由于其含量低，不會對合金組織和實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，而其余元素含量均符合表1中化學(xué)成分要求．

表4 鑄錠主要合金元素含量

2.2 低倍組織檢測

四個(gè)樣品低倍組織測試方法參照GB/T 3246.2-2012標(biāo)準(zhǔn)[9]，低倍組織檢測結(jié)果如圖1所示．從圖1可見，四個(gè)不同爐次鑄錠均未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋、羽毛晶、光亮晶缺陷，其中A爐次鑄錠低倍組織發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn)夾渣缺陷，單點(diǎn)面積小于0.5 mm，疏松等級接近可視為對實(shí)驗(yàn)無影響，四個(gè)樣品低倍組織無其他缺陷．

圖1 晶粒細(xì)化劑不同加入量的鑄錠低倍組織形貌(a) 2.33 kg/t；(b) 2.0 kg/t；(c) 1.33 kg/t；(d) 0.67 kg/tFig.1 Macrostructures of ingots with different additions of grain refiner in low-magnification

2.3 型材表面

在10MN擠壓機(jī)上擠壓鑄錠，擠壓溫度440 ℃、擠壓速度6.8 mm/s、在線淬火方式為強(qiáng)風(fēng)冷，型材表面質(zhì)量如圖2所示．從圖2可見：不同編號鑄錠使用同一個(gè)模具和相同擠壓工藝生產(chǎn)，A爐次鑄錠(加入量2.33 kg/t)的組織條紋明顯，型材表面明暗差異較大；隨著鑄錠晶粒細(xì)化劑加入量的減少，組織條紋缺陷逐漸減少；D爐次鑄錠(加入量0.67 kg/t)組織的條紋完全消失，型材表面顏色均勻，無明暗差異，表面質(zhì)量符合客戶要求．

分別選取四種加入量鑄錠生產(chǎn)的型材，在型材同一位置取組織條紋缺陷樣品，經(jīng)磨拋后陽極覆膜，使用奧林巴斯GX53顯微鏡100倍放大倍數(shù)觀察金相組織，圖3為Al-5Ti-1B不同加入量型材金相組織形貌．從圖3可看出，A爐次鑄錠邊部晶粒尺寸較大，從邊部到心部晶粒大小不一；隨著鑄錠晶粒細(xì)化劑加入量的減少，相同位置的型材晶粒尺寸逐漸減??；D爐次鑄錠型材晶粒度較小，從邊部到心部晶粒大小均勻．

圖2 細(xì)化劑不同加入量的型材表面(a) 2.33 kg/t；(b) 2.0 kg/t；(c) 1.33 kg/t ；(d) 0.67 kg/tFig.2 Surface of profiles with different amount of refiner additions

圖3 Al-5Ti-1B不同加入量型材的金相組織(a) 2.33 kg/t；(b) 2.0 kg/t；(c) 1.33 kg/t；(d) 0.67 kg/tFig.3 Metallographic structure of profiles with different amount of Al-5Ti-1B additions

根據(jù)鋁鈦硼晶粒細(xì)化機(jī)理[5]，當(dāng)Al-5Ti-1B細(xì)化劑添加到鋁合金熔體中，在凝固結(jié)晶時(shí)主要促進(jìn)鋁晶粒形核，細(xì)化劑添加量越多，鑄錠中TiAl3相和TiB2相粒子也越多，從而影響晶粒的再結(jié)晶．由于在線加入的方式會導(dǎo)致含Ti相在材料內(nèi)分布不均勻，造成局部發(fā)生團(tuán)聚，加入量越多不均勻性越大，從而導(dǎo)致型材表面晶粒大小不一致，形成明暗差異明顯條紋，即組織條紋缺陷．

3 結(jié) 論

(1)通過6063合金鑄造過程中加入Al-5Ti-1B細(xì)化劑的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入量為0.67 kg/t時(shí)，生產(chǎn)的鑄錠型材表面顏色均勻且無組織條紋缺陷．

(2)Al-5Ti-1B細(xì)化劑按照0.67 kg/t加入量批量生產(chǎn)的鑄錠均符合型材表面質(zhì)量要求，但本研究未對第二相影響機(jī)理進(jìn)行研究．

(3)本研究主要針對建筑型材表面質(zhì)量改善，減少細(xì)化劑加入量影響晶粒細(xì)化效果，但對型材力學(xué)性能不利，供同行參考．