大直徑低變形抗力易切削的鋁合金鑄錠制備及其性能表征★

羅濤濤，劉 歡，朱世安，程炳靈

（1廣東精美特種型材有限公司，廣東 清遠(yuǎn)，511500；2.廣東豪美新材股份有限公司，廣東 清遠(yuǎn)，511500）

1 易切削鋁合金概述

易切削鋁合金是指含有鉛、鉍和錫等低熔點(diǎn)元素，且切屑易斷、不粘刀、不纏刀的鋁合金。由于這種鋁合金具有優(yōu)良的切削加工性能，因此可以采用更高速度或者更大的進(jìn)刀量進(jìn)行切削加工，并可以顯著提高鋁合金零部件切削加工的生產(chǎn)效率，獲得表面更光潔、尺寸精度更高的精密鋁合金零部件。易切削鋁合金被廣泛用于汽車、電子、電器、機(jī)械裝備等領(lǐng)域，并應(yīng)用于對(duì)表面光潔度、加工精度和零件強(qiáng)度要求高的主缸制動(dòng)活塞、充氣閥體、各類連接件以及壓力、儀表等部件[1-2]的制造生產(chǎn)中。

對(duì)于直徑超過400 mm的大直徑易切削鋁合金鑄錠而言，由于其元素合金化程度高，且為提高其切削性能，還加入一定量的低熔點(diǎn)合金組元，這就造成合金的凝固結(jié)晶溫度范圍變寬，使得元素偏析嚴(yán)重，鑄造應(yīng)力高，第二相尺寸化合物尺寸粗大，特別是在制備大直徑鑄錠時(shí)，往往會(huì)造成徑向化學(xué)成分差異大，使其易產(chǎn)生中心冷裂紋或表面裂紋，且在后續(xù)擠壓加工時(shí)變形抗力高，對(duì)工模具的損傷大，嚴(yán)重影響擠壓生產(chǎn)效率。

針對(duì)直徑超過400 mm的大直徑易切削鋁合金鑄錠，現(xiàn)采用某溫度下長(zhǎng)時(shí)間保溫的方法來進(jìn)行均勻化處理，這種均勻化處理方法雖然操作簡(jiǎn)單，但難以完全消除元素偏析及溶解粗大第二相化合物，鑄錠的變形抗力仍然較大，擠壓性能仍然較差，難以滿足生產(chǎn)需要[3]。此外，現(xiàn)有大直徑易切削鋁合金鑄錠的均勻化處理方法還存在加熱保溫時(shí)間長(zhǎng)、能源消耗巨大、生產(chǎn)成本高的問題。并且采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的大直徑易切削合金鑄錠，邊部偏析層缺陷在10～20 mm，經(jīng)變形加工過程，偏析層會(huì)流入產(chǎn)品，易造成組織廢品。

因此，降低大直徑易切削的鋁合金鑄錠在生產(chǎn)過程中的變形抗力，以獲得化學(xué)成分均勻、組織彌散致密以及變形抗力低的大直徑易切削鋁合金鑄錠，是鋁合金生產(chǎn)中重要研究課題之一。

2 制備方法

2.1 鋁合金鑄錠配方

所開發(fā)的鋁合金鑄錠其配方如表1所示。

表1 鋁合金鑄錠配方 %

2.2 鋁合金鑄錠鑄造工藝[5]

鋁合金鑄錠的鑄造工藝流程圖如下頁(yè)圖1所示。

圖1 鋁合金鑄錠的鑄造工藝流程

其鑄造的主要工藝控制點(diǎn)和過程如下：

1）將鋁錠置于矩形反射爐內(nèi)，熔化升溫至760～780℃，加入合金材料，電磁攪拌20～30 min后，一次精煉15～30 min，取樣分析化學(xué)成分，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)料。

2）二次精煉15～30min，繼續(xù)升溫至760～780℃，得到化學(xué)成分均勻、內(nèi)部純凈的鋁熔體。一次精煉和二次精煉均采用純度99.999%以上的氮?dú)鈬姺劬珶挘珶拕┯脀（Al）為2～3 kg/t；補(bǔ)料精煉時(shí)將純度99.999%以上的氮?dú)獯等隒Cl4，w（Al）為0.1～0.3kg/t。

3）將鋁熔體經(jīng)流槽、在線除氣、雙級(jí)過濾后引入結(jié)晶器平臺(tái)進(jìn)行鑄造，鑄造保持時(shí)間在20～50 s，鑄造長(zhǎng)度在0~50 mm內(nèi)的鑄造速度為25～30 mm/min，鑄造長(zhǎng)度在50～150mm內(nèi)的鑄造速度為35～45 mm/min，鑄造長(zhǎng)度大于150 mm的鑄造速度為45～50 mm/min。

4）在線加入晶粒細(xì)化劑，冷卻水流量為60～200 t/h，在鑄造收尾階段，鑄錠剛脫離石墨環(huán)后，停止鑄機(jī)下行，將冷卻水流量調(diào)整為40～60 t/h，并保持30～40 min；在線加入晶粒細(xì)化劑為鋁鈦碳晶粒細(xì)化劑。

5）鑄錠經(jīng)水浸超聲探傷后，進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散處理，包括升溫、保溫和冷卻過程。

3 結(jié)果與討論

將采用現(xiàn)有傳統(tǒng)制備方法獲得的鑄錠作為對(duì)照樣，再取上述工藝方法得到的鑄錠試驗(yàn)樣進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試和檢驗(yàn)。

3.1 化學(xué)成分均勻性檢驗(yàn)

取2～3 mm鑄錠試片，對(duì)其表面車光后進(jìn)行光譜分析，從邊部往中心每隔30 mm激發(fā)一次，檢測(cè)化學(xué)成分的均勻性，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 化學(xué)成分的均勻性

從表2可看出，試驗(yàn)樣鋁合金鑄錠Cu元素徑向分布的均勻性明顯要優(yōu)于對(duì)照樣。

3.2 偏析層厚度檢驗(yàn)

通過低倍組織檢驗(yàn)獲得偏析層厚度，分別在鑄造開始端切除500 mm、澆口部切除200 mm，以作為試樣并進(jìn)行檢驗(yàn)，偏析層厚度結(jié)果如表3所示。數(shù)據(jù)表明，試驗(yàn)樣的鋁合金鑄錠偏析層厚度遠(yuǎn)小于對(duì)比樣。

表3 鋁合金鑄錠偏析層厚度 mm

3.3 斷面硬度檢驗(yàn)

鑄錠經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散處理后，使用便攜式里氏硬度計(jì)檢驗(yàn)鑄錠端面硬度。結(jié)果顯示試驗(yàn)樣鋁合金鑄錠的鑄錠硬度（HB）為54～61，對(duì)照樣鋁合金鑄錠的鑄錠硬度（HB）為74～79，經(jīng)過對(duì)比得出，鋁合金鑄錠硬度比對(duì)照樣硬度下降了18%～31%，說明試驗(yàn)樣的鑄造應(yīng)力消除更充分。

3.4 變形抗力檢驗(yàn)

從試驗(yàn)樣鑄錠中選取測(cè)試樣品，連同對(duì)照樣共同測(cè)試變形抗力，共測(cè)試6個(gè)平行樣。鑄錠的變形抗力采用擠壓過程中金屬流通過模孔的突破壓力來衡量，在其他工藝條件相同的情況下，通過在90 MN擠壓機(jī)上生產(chǎn)的Φ145 mm實(shí)心棒材來對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 變形抗力測(cè)試

由表4可知，所開發(fā)的鋁合金鑄錠較傳統(tǒng)工藝下的鋁合金鑄錠具有更低變形抗力。

3.5 顯微組織檢驗(yàn)

觀察鋁合金鑄錠的顯微組織（見圖2），發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)樣鋁合金鑄錠枝晶網(wǎng)絡(luò)已基本消除，第二相粒子尺寸細(xì)小且彌散分布，而對(duì)照樣制備的鑄錠仍明顯可見枝晶網(wǎng)。進(jìn)一步說明硬合金鑄錠偏析層厚、易產(chǎn)生裂紋和成分均勻性差問題已經(jīng)達(dá)到明顯的改善。

圖2 鋁合金鑄錠顯微組織圖

4 結(jié)論

1）工藝優(yōu)化后，所獲得的鋁合金鑄錠克服了傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)出的直徑400 mm以上硬合金鑄錠偏析層厚、易產(chǎn)生裂紋和成分均勻性差等問題。

2）在變形加工前進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散處理，可獲得成分分布均勻、組織彌散致密、易于變形加工的優(yōu)質(zhì)鑄錠。