電磁攪拌鑄造技術(shù)在大規(guī)格圓錠上的應(yīng)用

孫自鵬，汪永紅，張歡歡

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

鋁合金圓鑄錠常用于具有高質(zhì)量要求的鍛件和擠壓材坯料。在傳統(tǒng)的同水平熱頂鑄造中，隨著鑄錠直徑增加，鑄錠橫截面上化學(xué)成分偏析增大，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的宏觀偏析帶。另外隨著規(guī)格增加，鑄錠中心冷卻強(qiáng)度減小，鑄錠顯微疏松尺寸增加，微觀組織不均勻性增加，嚴(yán)重降低鑄錠冶金質(zhì)量。因此，選擇新的半連續(xù)鑄造技術(shù)，提高大規(guī)格鑄錠冶金質(zhì)量勢(shì)在必行。

目前，電磁場(chǎng)應(yīng)用于鋁合金鑄造的常見(jiàn)方式有三種[1-2]，分別為電磁鑄造、電磁軟接觸細(xì)晶鑄造（CREM）和低頻電磁鑄造（LFEC）。低頻電磁鑄造是在結(jié)晶器外設(shè)置一個(gè)能激發(fā)磁場(chǎng)的感應(yīng)器，感應(yīng)器產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用于結(jié)晶器內(nèi)熔融的金屬液，并與金屬液有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而金屬液又是導(dǎo)電體，因此，就在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流。該電流與感應(yīng)器產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)金屬液流動(dòng)，再通過(guò)控制磁場(chǎng)方向、輸出電流等參數(shù)，使結(jié)晶的流態(tài)金屬按一定的方向、連續(xù)有規(guī)律地運(yùn)動(dòng)，形成攪拌[3-4]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，低頻電磁攪拌鑄造就是通過(guò)低頻電磁干預(yù)，攪拌結(jié)晶器內(nèi)的熔融金屬，從而改變結(jié)晶過(guò)程的溫度場(chǎng)和成分偏聚現(xiàn)象[5]，使鑄錠表面及內(nèi)部質(zhì)量得到改善。

1 實(shí)驗(yàn)方案及試樣制備

實(shí)驗(yàn)采用2A12、2219、7075、4032四種鋁合金作為研究對(duì)象，化學(xué)成分均采用國(guó)標(biāo)范圍中限控制。在規(guī)格為?630 mm的同水平熱頂工具上，選擇兩個(gè)工位加裝低頻電磁感應(yīng)器，該感應(yīng)器及控制系統(tǒng)由愛(ài)迪爾電氣有限公司提供（如圖1所示）。影響攪拌流場(chǎng)強(qiáng)度的因素主要有兩個(gè)，一個(gè)是行波磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度（即電磁力的大小、頻率），另一個(gè)是熔體的黏度（即黏滯力的大小）[6-8]。因此本次實(shí)驗(yàn)采用相同的鑄造速度、冷卻水量和細(xì)化參數(shù)進(jìn)行鑄造，以對(duì)比不同電磁攪拌參數(shù)下的鑄造組織變化情況。

圖1 電磁攪拌鑄造實(shí)驗(yàn)工裝

左玉波等人對(duì)直徑200 mm以下小規(guī)格電磁攪拌鑄造進(jìn)行了多輪研究[9-11]。研究表明低頻電磁場(chǎng)對(duì)7×××系鋁合金鑄態(tài)晶粒尺寸和組織形貌的影響顯著：施加磁場(chǎng)后鑄錠組織變得非常均勻、細(xì)小，平均晶粒尺寸明顯降低。但本次實(shí)驗(yàn)鑄錠直徑為630 mm，電磁場(chǎng)強(qiáng)度和穿透距離存在不確定性，因此實(shí)驗(yàn)方案采用不同頻率相同電壓、相同頻率不同電壓以及過(guò)程中間隔性改變磁場(chǎng)方向的方案進(jìn)行驗(yàn)證，具體方案如表1所示。

表1 電磁攪拌鑄造實(shí)驗(yàn)參數(shù)

按實(shí)驗(yàn)方案鑄造結(jié)束后，在各鑄錠對(duì)應(yīng)參數(shù)區(qū)域取1/4試片做低倍晶粒度和表層缺陷分析；在樣品沿直徑方向距表層1/4直徑、1/2直徑部位取高倍試樣進(jìn)行顯微疏松尺寸分析；同時(shí)在鑄錠橫截面中心到邊部等間距取6處成分試樣進(jìn)行成分偏析檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電磁攪拌對(duì)鑄錠組織的影響

在生產(chǎn)2A12、7075鑄錠時(shí)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)鑄錠外觀的觀察發(fā)現(xiàn)，采用電磁攪拌技術(shù)鑄造的鑄錠，其澆口部最后凝固的區(qū)域沒(méi)有微裂紋產(chǎn)生；而用傳統(tǒng)DC熱頂鑄造法生產(chǎn)的鑄錠，其澆口部均有微裂紋產(chǎn)生。這說(shuō)明在傳統(tǒng)熱頂鑄造過(guò)程中，澆口部屬于最后凝固區(qū)域，熔體從外到內(nèi)逐層凝固，容易表現(xiàn)出微裂紋；而采用電磁攪拌技術(shù)時(shí)，其產(chǎn)生的電磁力強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)澆口部熔體流動(dòng)，使得澆口部最后剩余熔體的溫差很小，剩余熔體的溫度場(chǎng)比傳統(tǒng)熱頂鑄造方式更加均勻，故鑄錠的致密程度好、強(qiáng)度高，氧化膜不易破裂，表層不易產(chǎn)生微裂紋。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)鑄錠低倍宏觀組織的分析，可以得出以下結(jié)論：（1）在電壓穩(wěn)定不變的情況下，降低頻率可以提升輸出電流，提高攪拌力和穿透力，而提高頻率會(huì)使鑄錠中心區(qū)域的攪拌大幅減弱；（2）隨著輸出電流的增加，鑄錠宏觀晶粒度有明顯的細(xì)化趨勢(shì)，2A12可以降低0.5級(jí)，2219可以控制在1級(jí)，4032可以控制在3級(jí)；（3）采用電磁攪拌鑄造的鑄錠表面殼層厚度比正常DC鑄造高2～4 mm；在電流換向工藝中，換向時(shí)間間隔10 s、15 s對(duì)鑄錠低倍晶粒度基本無(wú)影響，即鑄造過(guò)程中打斷攪拌方向并不能進(jìn)一步改善晶粒大小。以2219為例典型低倍宏觀組織如圖2所示。

圖2 2219合金宏觀晶粒度對(duì)比照片

造成傳統(tǒng)熱頂與電磁攪拌鑄造技術(shù)這兩種鑄造方式晶粒度差異的主要原因在于：對(duì)于?630 mm大規(guī)格鑄錠而言，傳統(tǒng)熱頂鑄造方式使得鑄錠同一橫截面不同位置（外層→內(nèi)層）的冷卻強(qiáng)度差異大、溫差大、溫度場(chǎng)極不均勻，從而表現(xiàn)出從鑄錠邊部到心部的晶粒尺寸逐漸變大，且同一截面上的宏觀晶粒度相差（邊部與心部相比）0.5級(jí)；另外液穴熔體未受到強(qiáng)制流動(dòng)，大部分熱量集中在心部，致使心部晶粒度更高。而在電磁攪拌技術(shù)中，由于電磁攪拌強(qiáng)迫熔體流動(dòng)，熔體內(nèi)的枝晶在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生熔斷、頸縮和游離現(xiàn)象，最終增加了熔體形核核心，使得晶粒組織細(xì)小、均勻。

2.2 電磁攪拌對(duì)顯微組織的影響

在對(duì)高倍顯微組織分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論傳統(tǒng)熱頂鑄造，還是電磁攪拌鑄造，2A12、7075合金各樣品疏松尺寸均細(xì)小，改善并不明顯。電磁攪拌技術(shù)與傳統(tǒng)熱頂技術(shù)生產(chǎn)的鑄錠相比：前者晶界殘留化合物偏少且在截面上分布較均勻；而后者殘留化合物更多地容易聚集在鑄錠心部且分布不均勻；前者組織更均勻是由于熔體的快速流動(dòng)旋轉(zhuǎn)，將飽和的溶質(zhì)及時(shí)帶走，固液界面前沿不會(huì)產(chǎn)生溶質(zhì)富余，使得熔體中溶質(zhì)場(chǎng)相對(duì)均勻。從不同攪拌方式看，隨著輸出電流的增強(qiáng)，晶粒細(xì)化效果越好，殘留化合物偏聚程度越弱（2A12合金典型組織見(jiàn)圖3）。對(duì)7075合金高倍分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，晶粒尺寸和顯微組織改變并不明顯，這可能是由于合金鑄造過(guò)程中液穴太淺、設(shè)備受限，電磁場(chǎng)無(wú)法充分作用于熔融金屬而造成的。另外，個(gè)別實(shí)驗(yàn)鑄次發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸出電流增大到一定程度后，會(huì)在鑄錠中出現(xiàn)單點(diǎn)大晶粒的現(xiàn)象，這可能是由于熔體攪動(dòng)過(guò)大，將固液區(qū)已形核生長(zhǎng)的晶粒再次攪到液相區(qū)造成的。

圖3 2A12合金高倍組織對(duì)比照片

2.3 電磁攪拌對(duì)成分偏析的影響

在對(duì)成分試樣做偏析分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于鑄錠直徑過(guò)大，為形成攪拌效果，需要在鑄錠截面方向形成兩個(gè)電磁場(chǎng)，兩個(gè)電磁場(chǎng)在作用時(shí)存在一定不對(duì)稱(chēng)性，會(huì)影響成分均勻性。就分析結(jié)果而言，傳統(tǒng)熱頂鑄造工藝下的2A12合金中Cu含量的分布表現(xiàn)為中心高，依次向邊部逐漸降低，偏析在11.7%左右；而電磁攪拌鑄造的鑄錠成分并未呈現(xiàn)從中心到邊部依次遞減的現(xiàn)象，且宏觀上成分更加均勻，偏析在7%以下。7075合金的成分偏析最大值出現(xiàn)在距邊部50～100 mm范圍，最小值靠近中心。在輸出電流為460 A時(shí)偏析最大，輸出電流為280 A時(shí)偏析最小，且其余各位置分布較為均勻，較正常鑄造也都有改善（如圖4所示）；4032合金成分偏析得到了明顯改善，Si偏析在合適的電磁攪拌參數(shù)下相對(duì)偏析值可以控制在1.5%以下，但隨著輸出電流的增加成分偏析反而更加嚴(yán)重。

圖4 不同工藝下7075合金鑄錠Cu、Mg、Zn元素偏析度曲線

3 結(jié)論

（1）電磁攪拌鑄造技術(shù)可以在大規(guī)格圓錠上開(kāi)展應(yīng)用，并能有效降低晶粒尺寸，改善成分偏析現(xiàn)象，但會(huì)輕微增加表面殼層厚度，對(duì)組織疏松的改善也并不明顯。

（2）電磁攪拌鑄造技術(shù)在大圓錠上應(yīng)用時(shí)，頻率在30～40 Hz為宜，輸出電流應(yīng)根據(jù)合金特性及鑄造參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

（3）電磁攪拌鑄造時(shí)，隨著輸出電流增大，攪拌力增強(qiáng)，細(xì)化效果更明顯，但過(guò)大的輸出電流會(huì)增加成分偏析，還可能產(chǎn)生單質(zhì)點(diǎn)的粗大晶粒。

（4）電磁攪拌鑄造感應(yīng)器的作用位置非常關(guān)鍵，液穴較深的2219合金與液穴較淺的7075合金應(yīng)區(qū)別對(duì)待。