Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金扁錠鑄造工具設(shè)計(jì)

騰志貴，殷云霞，才 智，孫慶福，黃巖超

(東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

隨著航空、航天對(duì)鋁合金加工材要求的不斷提高，高強(qiáng)度鋁合金及其應(yīng)用獲得了飛速的發(fā)展，其高端產(chǎn)品需求量逐年增加。我國(guó)鋁合金高端產(chǎn)品不到10%。以Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金為代表的拉伸板材主要依靠進(jìn)口，該類產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)在我國(guó)尚未突破，其鑄錠的生產(chǎn)成為瓶頸。

高強(qiáng)度鋁合金主要是通過(guò)合金主元素含量的準(zhǔn)確控制來(lái)提高材料的各項(xiàng)性能。以Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金為例，其主合金元素(Zn、Mg、Cu)的含量之和為11.9%(上限)。由于Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金中合金元素含量高、成分復(fù)雜等原因[1]，鑄造過(guò)程中鑄錠裂紋傾向性大；為了滿足用戶對(duì)板材尺寸的要求，扁鑄錠的尺寸要求也越來(lái)越大，其裂紋傾向隨著鑄錠規(guī)格的增加而增大。為此，本課題重點(diǎn)從Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金半連續(xù)鑄造的工裝設(shè)計(jì)和制作著手，減少大規(guī)格扁鑄錠的裂紋，提高成品率。

1 鑄造工具的設(shè)計(jì)

Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金屬于超高強(qiáng)鋁合金，合金化程度很高，尤其是w(Zn)高達(dá)5.7%～6.7%，w(Zn)/w(Mg)可達(dá)2.2～3.5，同時(shí)含有Zr元素，熔體的流動(dòng)性差，鑄錠的寬厚比大，鑄造過(guò)程易產(chǎn)生裂紋，鑄錠的成型率低。為此，在熔鑄階段進(jìn)行了大量的工業(yè)化試驗(yàn)，采取了成分優(yōu)化、熔體凈化、晶粒細(xì)化、鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化等措施，但鑄錠成型率提高不大。本課題嘗試從合金鑄造的工裝及鑄造方式上尋求突破口，通過(guò)對(duì)結(jié)晶器尺寸及結(jié)構(gòu)、水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控流的分配漏斗等優(yōu)化改進(jìn)，突破大規(guī)格Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金扁鑄錠鑄造成型的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 傳統(tǒng)結(jié)晶器存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)結(jié)晶器采用銅制小面帶豁口(缺口高度為45 mm)的結(jié)晶器(結(jié)晶器高度200 mm)，結(jié)晶器和水冷系統(tǒng)分開(kāi)，水冷系統(tǒng)采用三排水冷卻，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)潤(rùn)滑。在鑄造規(guī)格為440 mm×1 500 mm的鑄錠時(shí)，采用這種傳統(tǒng)的結(jié)晶器鑄造，無(wú)論采取什么參數(shù)，怎樣匹配參數(shù)，都無(wú)法將Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金鑄造成型。原因是使用銅制小面帶缺口結(jié)晶器，水箱的大、小面出水孔直徑相同，導(dǎo)致小面比大面提前見(jiàn)水，冷卻強(qiáng)度大，即使減小小面冷卻水量，鑄錠小面仍有冷隔缺陷，并由此引起應(yīng)力集中成為冷裂紋的起源。大面由于見(jiàn)水較晚，當(dāng)鑄錠收縮脫離結(jié)晶器壁還沒(méi)見(jiàn)水時(shí)，鑄錠周邊被二次加熱，加之Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金結(jié)晶范圍寬、鑄錠較厚、結(jié)晶器高度過(guò)高，鑄錠表面受到拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于鑄錠所能承受的強(qiáng)度時(shí)便引起鑄錠大面在脫離結(jié)晶器下沿時(shí)就存在細(xì)小裂紋，隨著鑄錠長(zhǎng)度的增加引發(fā)鑄錠開(kāi)裂[3]。隨著鑄錠厚度的增大，使用三次冷卻水來(lái)控制裂紋的效果就會(huì)越來(lái)越弱。另外結(jié)晶器與冷卻水箱對(duì)中性差，導(dǎo)致兩側(cè)水冷不一致也是鑄錠難以成型的原因之一。

采用隔熱膜鑄造工藝，即在傳統(tǒng)結(jié)晶器內(nèi)工作表面貼上一定高度的硅酸鋁內(nèi)襯，硅酸鋁內(nèi)襯工作表面涂刷石墨，增加自潤(rùn)滑，可以減小有效結(jié)晶區(qū)間，控制小面冷隔和大面裂紋；利用隔熱膜鑄造方法雖然可以鑄造出440 mm×1 500 mm規(guī)格的鑄錠，但是糊制隔熱膜極為復(fù)雜，易產(chǎn)生拉裂和豎狀拉痕引起鑄錠裂紋；隔熱膜鑄造成型率低，約30%，且工藝不穩(wěn)定。因此，尋求更為穩(wěn)定的結(jié)晶器顯得十分必要。

1.2 鑄造成型工具的設(shè)計(jì)

由于老式銅結(jié)晶器鑄造時(shí)存在水冷系統(tǒng)水冷不均和水冷系統(tǒng)控制精度不高的問(wèn)題，導(dǎo)致熔體在結(jié)晶時(shí)內(nèi)應(yīng)力分布不均，增大了鑄造裂紋的傾向。根據(jù)Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金的特點(diǎn)，為解決傳統(tǒng)結(jié)晶器存在的問(wèn)題，提高鑄造成型率，自主設(shè)計(jì)制作了專用的440 mm×1 300 mm規(guī)格的整體水箱式結(jié)晶器及與結(jié)晶器配套使用的水框，如圖1所示。該結(jié)晶器材質(zhì)為鍛鋁，經(jīng)熱處理，保證加工時(shí)不易變形；采用連續(xù)給油自動(dòng)潤(rùn)滑，保證了潤(rùn)滑的均勻性；在結(jié)晶器不同部位，出水孔直徑不同，減少了冷卻不均產(chǎn)生的鑄造應(yīng)力；利用低液位水冷一體式結(jié)晶器鑄造，降低了鑄錠的一次水冷強(qiáng)度，結(jié)晶器壁單獨(dú)冷卻形成的凝殼變薄，降低了鑄錠拉裂和形成偏析瘤的傾向性。

圖1 結(jié)晶器總裝圖

1.2.1 蓋板的設(shè)計(jì)

蓋板是蓋在鑄造井口上的蓋子，蓋板下端焊接冷卻水箱。由于蓋板在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中需經(jīng)常吊運(yùn)，難免發(fā)生碰撞，為保證蓋板長(zhǎng)期使用，蓋板采用30 mm厚的A3鋼板焊接后經(jīng)去應(yīng)力加工而成，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 蓋板結(jié)構(gòu)圖

蓋板兩側(cè)各有一個(gè)蓋板支架，支架放置在鑄造機(jī)翻轉(zhuǎn)臺(tái)上，保證蓋板平穩(wěn)。另外在蓋板上加工了4個(gè)緊固用的M16螺絲孔，用螺栓連接結(jié)晶器。

1.2.2 過(guò)渡水框的設(shè)計(jì)

水冷系統(tǒng)的好壞既影響鑄錠的表面和內(nèi)部質(zhì)量，也關(guān)系到鑄造的成敗。過(guò)渡水框雖然不直接對(duì)鑄錠進(jìn)行冷卻，但它需要為整體水箱式結(jié)晶器提供均勻的冷卻水，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 過(guò)渡水框結(jié)構(gòu)圖

過(guò)渡水框具有如下特點(diǎn)：

1)過(guò)渡水框箱體內(nèi)部共分二層，分別為結(jié)晶器大、小面提供冷卻水，并且每層冷卻水都能進(jìn)行單獨(dú)控制，可以調(diào)整結(jié)晶器大、小面冷卻水的比例，保證鑄錠冷卻均勻，從而使鑄錠內(nèi)部應(yīng)力分布均勻，鑄造出合格的鑄錠。

2)過(guò)渡水框中間四個(gè)出水管與結(jié)晶器大面進(jìn)水孔相對(duì)應(yīng)，為結(jié)晶器大面提供冷卻水；兩側(cè)小面的四個(gè)出水管與結(jié)晶器小面的進(jìn)水孔相對(duì)應(yīng)，為結(jié)晶器小面提供冷卻水；在每個(gè)出水管上部都設(shè)計(jì)了密封槽，保證結(jié)晶器與過(guò)渡水框連接后不漏水。

1.2.3 結(jié)晶器的設(shè)計(jì)

結(jié)晶器作為鑄造鑄錠的重要工具，決定著鑄錠的應(yīng)力分布和裂紋傾向，并且結(jié)晶器的高矮對(duì)鑄錠成型也起著關(guān)鍵作用。

1) 結(jié)晶器內(nèi)腔尺寸及形狀

通過(guò)對(duì)Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金鑄錠不同部位的收縮系數(shù)測(cè)算，測(cè)量同合金不同規(guī)格鑄錠的截?cái)嗝娉叽纾⒏鶕?jù)擬定的鑄造速度，確定出結(jié)晶器內(nèi)腔的尺寸；然后再根據(jù)該系合金的本身特性、現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)過(guò)的一些產(chǎn)品缺陷及滿足橫向軋制工藝要求，將結(jié)晶器小面設(shè)計(jì)成為兩個(gè)直徑不同的圓對(duì)接而成的圓弧形狀[2]，目的是避免鑄錠在軋制過(guò)程中產(chǎn)生“張嘴”分層現(xiàn)象，還可以減少幾何廢料。結(jié)晶器內(nèi)腔形狀如圖4所示。

圖4 結(jié)晶器內(nèi)腔示意圖

2)結(jié)晶器高度的確定

結(jié)晶器高度對(duì)鑄錠質(zhì)量影響也較大。結(jié)晶器矮，冷卻速度快，結(jié)晶速度提高，晶粒細(xì)小，鑄錠性能提高；鑄造速度提高，鑄錠在結(jié)晶器內(nèi)停留時(shí)間短，相當(dāng)于減小鑄錠一次水冷，結(jié)晶器與鑄錠間氣隙小，鑄錠二次加熱的程度小，所以表面偏析瘤減少，從而獲得的鑄錠表面質(zhì)量好，同時(shí)有利于防止淬火性表面裂紋。但如果結(jié)晶器過(guò)矮，鑄錠直接見(jiàn)水較早，鑄錠周邊的凝固層厚，所以易產(chǎn)生冷隔，也容易在鑄錠中部出現(xiàn)曲率半徑較小的液穴，導(dǎo)致中心裂紋；結(jié)晶器過(guò)高，鑄錠在結(jié)晶器內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，鑄錠與結(jié)晶器壁間隙大，鑄錠被二次加熱的程度加劇，因此在脫離結(jié)晶器直接見(jiàn)水時(shí)易產(chǎn)生表面淬火性裂紋，同時(shí)鑄錠偏析瘤增大。所以綜合考慮，此結(jié)晶器高度確定為140 mm。

3) 結(jié)晶器進(jìn)水孔、出水孔尺寸。

水孔的設(shè)計(jì)分為三個(gè)方面，即水孔的尺寸、角度、分布密度[2]。水孔的大小影響單個(gè)水孔的水流量，角度影響到二次水冷的位置及上流導(dǎo)熱距離，水孔的分布情況影響到鑄錠表面的冷卻強(qiáng)度及均勻性。優(yōu)秀的水孔設(shè)計(jì)是在確保鑄錠均勻二次水冷的基礎(chǔ)上，盡可能地降低水資源的使用從而達(dá)到節(jié)約用水的目的。

通過(guò)模擬認(rèn)為出水孔直徑為3 mm～4.5 mm較好，水孔間距為7 mm～10 mm。為了使鑄錠水冷均勻，在鑄造過(guò)程中降低鑄錠的內(nèi)應(yīng)力，在設(shè)計(jì)結(jié)晶器過(guò)程中對(duì)水孔直徑進(jìn)行了分段處理，每一段水孔直徑大小不一致。

根據(jù)結(jié)晶器截面積和出水孔截面積總和，確定該結(jié)晶器進(jìn)水孔徑為4.5 cm，進(jìn)水孔數(shù)量為8個(gè)。

4) 結(jié)晶器噴水角度

噴水孔的角度對(duì)鑄錠冷卻影響較大。角度過(guò)小，鑄錠鑄造過(guò)程見(jiàn)水晚，冷卻強(qiáng)度降低；角度過(guò)大，冷卻水分散、反彈較多，影響了冷卻水沿鑄錠均勻流下，同樣降低了冷卻效果。試驗(yàn)表明，噴水孔角度設(shè)計(jì)成25°～30°較好，該結(jié)晶器確定出水角度為26°。

通過(guò)對(duì)以上參數(shù)和Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金本身特性的全面考慮，最終設(shè)計(jì)出了440 mm×1 300 mm規(guī)格整體水箱式結(jié)晶器，總裝剖面圖如圖5所示。

水箱式結(jié)晶器主要包括主箱體、結(jié)晶器油路上壓蓋和結(jié)晶器下壓蓋(結(jié)晶器進(jìn)水孔在下壓蓋上)。同時(shí)為了保證結(jié)晶器出水速度及實(shí)現(xiàn)大、小面水的單獨(dú)控制，在結(jié)晶器箱體里還設(shè)計(jì)了二次水分布板和結(jié)晶器大、小面水隔板。

新設(shè)計(jì)制作的440 mm×1 300 mm規(guī)格整體水箱式結(jié)晶器具有如下優(yōu)點(diǎn)[3]：

1) 新式結(jié)晶器通過(guò)對(duì)噴水孔分段設(shè)計(jì)，每段出水孔直徑3 mm～4.5 mm大小不同，使結(jié)晶器內(nèi)熔體溫度梯度小，鑄錠內(nèi)應(yīng)力分布均勻，降低了鑄錠裂紋傾向性；

2) 結(jié)晶器小面為圓弧形狀, 圓弧的設(shè)計(jì)是用兩個(gè)直徑不同的圓對(duì)接而成 ，鑄造時(shí)收縮阻力減小，可以降低裂紋傾向性；

3) 結(jié)晶器大面與小面過(guò)渡處，水腔設(shè)有隔水板，使大、小面水單獨(dú)控制，保證鑄錠冷卻均勻，內(nèi)部應(yīng)力和溫度場(chǎng)分布均勻；

4) 結(jié)晶器內(nèi)腔設(shè)有二次水分布板，對(duì)進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)的水進(jìn)行重新分配，可以使結(jié)晶器出水孔有充足的水流量，保證出水均勻；

5) 結(jié)晶器設(shè)計(jì)了出油孔，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)均勻潤(rùn)滑，可以減少拉裂的缺陷，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低裂紋傾向性，鑄錠表面質(zhì)量好。

1.3 整體水箱式工裝工具的應(yīng)用

1.3.1 Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金的配料及熔煉工藝

Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金Fe、Si含量比較低，在配料時(shí)應(yīng)盡量選用精鋁、電解銅、純鎂錠和純鋅錠。為了增加合金中的活性質(zhì)點(diǎn)，在滿足成分和斷裂韌性的前提下可根據(jù)情況配入一定比例的本合金回爐料。

裝爐后，待部分爐料熔化后裝入純銅和純鋅錠但不得露出液面。熔體溫度在720 ℃～760 ℃時(shí)，再加入鎂錠和鋁-鈹中間合金，充分?jǐn)嚢韬笕??；瘜W(xué)成分按表1控制。成分分析合格后導(dǎo)入保溫爐。

表1 Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金成化學(xué)分控制(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

由于Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金中Zn、Mg含量較高，合金氧化，因此在熔體表面易生成不致密的、疏松多孔的氧化膜[4]，如不對(duì)熔體表面進(jìn)行保護(hù)，氧化反應(yīng)則向熔體深處進(jìn)行，氧化后的熔體鑄造時(shí)鑄錠表面發(fā)黑，并容易產(chǎn)生夾渣裂紋。同時(shí)因合金中含Zr，熔體黏度大，因此更需提高熔體的純凈度。生產(chǎn)中可采取的措施有：向熔體中加Be對(duì)熔體進(jìn)行保護(hù)處理。Be的加入，既不影響正常的合金成分和性能，又能在熔體表面形成致密的氧化膜，防止熔體繼續(xù)被氧化。

1.3.2 Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金鑄造工藝

Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金導(dǎo)入保溫爐后用氬氣精煉30 min，靜置30 min～60 min后開(kāi)始鑄造。鑄造時(shí)爐外采用Alpur雙轉(zhuǎn)子在線除氣裝置，陶瓷片雙級(jí)過(guò)濾(30 ppi+50 ppi，ppi為每英寸長(zhǎng)度所含的孔數(shù))，在線播種AlTi5B1絲細(xì)化劑進(jìn)行晶粒細(xì)化。鑄造時(shí)使用改進(jìn)后的鑄造工裝工具，鑄造速度35 mm/min～50 mm/min，鑄造溫度700 ℃～730 ℃，冷卻水壓為0.03 MPa～0.10 MPa，鑄造開(kāi)始前需要使用純鋁熔體進(jìn)行鋪底。

改進(jìn)后的鑄造工具保證了出水孔的角度、尺寸和間距的精度，有利于水冷均勻，從而使鑄錠中的應(yīng)力均勻分布，避免了裂紋的產(chǎn)生；增大寬面冷卻水壓，可增加寬面液穴壁的厚度，使抵抗拉應(yīng)力的金屬增大，防止表面裂紋的產(chǎn)生；另外，小面冷卻水壓小于大面的冷卻水壓，還可以抑制冷隔、成層等缺陷的形成，避免側(cè)面裂紋的產(chǎn)生，通過(guò)試驗(yàn)，根據(jù)冷卻水溫情況一般選用0.03 MPa～0.10 MPa的水壓。

鑄造溫度是鑄造過(guò)程的重要參數(shù)之一。鑄造溫度越高帶入的熱量越多，鑄錠熱應(yīng)力增大，鑄錠裂紋傾向變大；鑄造溫度低，容易產(chǎn)生成層、夾渣、冷隔等缺陷，并由此產(chǎn)生裂紋。綜合考慮并結(jié)合試驗(yàn)情況，最后確定鑄造溫度為700 ℃～730 ℃。

鑄造速度過(guò)大，容易產(chǎn)生尖形液穴，導(dǎo)致寬面裂紋的發(fā)生；鑄造速度過(guò)小導(dǎo)致肩形液穴，產(chǎn)生側(cè)面裂紋。通過(guò)試驗(yàn)和結(jié)合水箱式工裝工具的特點(diǎn)確定鑄造速度為35 mm/min～50 mm/min。

1.3.3 整體水箱式工裝工具的應(yīng)用效果

采用改進(jìn)后的鑄錠成型工具，鑄錠的成型率由30%提高到90%以上，生產(chǎn)出的鑄錠經(jīng)過(guò)壓力加工后各項(xiàng)指標(biāo)都能滿足使用要求。

2 結(jié) 論

1)完成了新型440 mm×1 300 mm規(guī)格的Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr高強(qiáng)鋁合金扁鑄錠整體水箱式結(jié)晶器的設(shè)計(jì)與制造。新式結(jié)晶器對(duì)噴水孔孔徑大小進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，在結(jié)晶器大面與小面過(guò)渡處的水腔設(shè)有隔水板使得大、小面水單獨(dú)控制，結(jié)晶器內(nèi)腔設(shè)有二次水分布板可對(duì)進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)的水進(jìn)行重新分配，可以使結(jié)晶器出水孔有充足的水流量保證出水均勻，從而使得鑄錠冷卻更加均勻，內(nèi)部應(yīng)力和溫度場(chǎng)分布更均勻，可有效地降低鑄錠裂紋傾向性。

2) 使用改進(jìn)后的工裝工具在工業(yè)化條件下能夠鑄造出合格的Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr高強(qiáng)鋁合金扁鑄錠，鑄錠成型率由30%提高到90%以上，而且改善了鑄錠的表面質(zhì)量。