A356.2鋁合金鑄造工藝的生產(chǎn)實(shí)踐

戴飛

(河南省銀湖鋁業(yè)有限責(zé)任公司，河南鞏義451200)

A356.2是美國(guó)牌號(hào)多元鋁鎂硅系合金，含Si6.5%－7.5%、Mg0.3%－0.45%，F(xiàn)e、Cu、Mn、Zn、Ti等為雜質(zhì)。該合金具有良好的力學(xué)性能、物理性能和抗腐蝕性能，而且質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高，具有較好的機(jī)械加工性能，是鋁制汽車、摩托車輪轂的首選材料，近年來的市場(chǎng)消費(fèi)量越來越高。然而由于A356.2鋁合金在熔煉、鑄造過程中存在著嚴(yán)重的吸氣現(xiàn)象，鑄錠易產(chǎn)生氣孔、偏析、疏松等缺陷，對(duì)合金的力學(xué)性能和加工性能造成嚴(yán)重影響。本文就如何在生產(chǎn)中最大限度降低上述不良現(xiàn)象的發(fā)生，從鏈?zhǔn)借T造和半連續(xù)熱頂鑄造兩種生產(chǎn)工藝對(duì)比分析，探討不同工藝方法對(duì)A356.2合金組織和性能的影響。

1 生產(chǎn)工藝對(duì)比

1.1 人工攪拌+鏈?zhǔn)借T造生產(chǎn)合金錠

該工藝是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家應(yīng)用最廣泛的鐵模連續(xù)鑄造工藝，其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)設(shè)施簡(jiǎn)單，產(chǎn)量高，成本低，但存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，熔體凈化時(shí)產(chǎn)生大量有毒氣體，鑄錠的含氫量和非金屬夾雜無法有效去除，Si偏析嚴(yán)重等缺陷。工藝流程為:烤硅(760℃～800℃)→低鐵原鋁(800℃以上)→合金化(760℃～800℃)→人工攪拌(3次8min～15min)→吹N2精煉(730℃～760℃，30min～35min)→加鎂錠及鈦劑(700℃ ～730℃)→人工攪拌(8min～15min)→靜置(710℃～750℃，25 min～35min)→過濾(40PPI過濾板)→澆鑄(670℃～720℃)。

1.2 電磁攪拌+熱頂鑄造生產(chǎn)合金棒

電磁攪拌是先進(jìn)的鋁合金熔煉攪拌技術(shù)，在鋁熔鑄行業(yè)應(yīng)用日益廣泛，可以提高熔體溫度均勻性、縮短熔煉時(shí)間、減少氧化損失和提高金屬利用率。熱頂鑄造是一種先進(jìn)的鑄造技術(shù)，較好的解決了普通鑄造產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷，具有鑄棒表面質(zhì)量好、內(nèi)部氣孔夾雜少、成品率高和勞動(dòng)強(qiáng)度低的特點(diǎn)。工藝流程為:烤硅(760℃～800℃)→低鐵原鋁(800℃以上)→合金化(750℃～800℃)→電磁攪拌(20min～25min)→吹N2精煉(720℃～750℃，20min～25min)→加鎂錠及鈦劑(680℃～730℃)→電磁攪拌(8min～15min)→靜置(700℃ ～750℃，25 min～35min)→過濾(40PPI過濾板)→澆鑄(670℃～720℃)。

2 產(chǎn)品試樣成分、組織及性能對(duì)比

從上述兩種工藝生產(chǎn)的合金錠中隨機(jī)各抽取六塊試樣，按圖1方式截取樣品后參照GB/8733－2000標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。

圖1 試樣截取示意圖

2.1 化學(xué)成分對(duì)比分析

表1 A356.2合金的化學(xué)成分統(tǒng)計(jì) 單位:%

從表1分析可知電磁攪拌后合金的化學(xué)成分均勻性明顯優(yōu)于人工攪拌，合金成分偏差很小，產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高。它克服了人工攪拌方式中由于設(shè)施、工具對(duì)熔體的二次污染，減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境，使熔體的各個(gè)部位無攪拌死角，攪拌效果好，攪拌加快了合金元素從高濃度向低濃度區(qū)域移動(dòng)的過程，用較短的時(shí)間可使合金液成分趨于一致。

2.2 Si偏析對(duì)比分析

表2 A356.2合金的Si偏析統(tǒng)計(jì) 單位:%

從表2中分析可知鑄造鋁合金錠的Si偏析一般在0.30—0.50%之間，最大可達(dá)1.00%;鑄造鋁合金棒的Si偏析在0.15—0.30%之間，很少有超過0.30%的，所以電磁攪拌+熱頂鑄造較人工攪拌+鏈?zhǔn)借T造的Si偏析有顯著的改善。生產(chǎn)中熱頂鑄造較鏈?zhǔn)借T造合金鋁液冷卻速度大，使合金鋁液在極短的時(shí)間內(nèi)冷卻凝固，冷凝過程中整個(gè)模腔截面的鋁液溫度瞬間降至液相線以下，合金組織細(xì)小，合金中Si偏析程度降低。若攪拌的程度不夠、合金成分不均勻會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的Si偏析現(xiàn)象，使用電磁攪拌可以明顯降低偏析率，但難以消除Si偏析現(xiàn)象，這是由Si的凝固特性所決定的。

2.3 針孔度對(duì)比分析

表3 A356.2合金的針孔度統(tǒng)計(jì)

從表3中分析可知人工攪拌+鏈?zhǔn)借T造鋁合金錠的針孔度大部分為3級(jí)，少部分為1、2級(jí);而電磁攪拌+熱頂鑄造的鋁合金棒中，針孔度絕大部分為1級(jí)，極少部分為2級(jí)。表明電磁攪拌+熱頂鑄造對(duì)提高鑄造鋁合金針孔度效果是極為明顯的。易吸收氣體是鑄造鋁合金的特性，合金液溫度越高，吸收的氫也越多。生產(chǎn)實(shí)踐表明，鋁液中的氫主要來自鋁液與水汽的反應(yīng):3Al(液)十3H2O=A12O3十3H2。通常氫的析出少部分以擴(kuò)散方式析出，主要是以氣泡形式析出，部分逸不出去的氣泡留在凝固的鋁合金內(nèi)形成氣孔即“針孔”，可見氣泡是形成A356.2鑄造鋁合金針孔的根本原因。鏈?zhǔn)借T造工藝采用人工攪拌，熔池表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪動(dòng)破壞表面氧化膜，使鋁液含氫量上升;鑄錠緩慢冷卻階段析出的氫有足夠的時(shí)間長(zhǎng)成較大尺寸的氣泡，留在鋁合金錠中形成較大的針孔，針孔度常達(dá)3級(jí)，肉眼可見。電磁攪拌+熱頂鑄造工藝采用不破壞鋁液表層氧化膜的攪拌方式，鋁液的吸氫量相對(duì)較少，水冷鑄造使鋁合金棒迅速凝固，鋁液中的氫來不及析出長(zhǎng)大，凝固過程即已結(jié)束。因此電磁攪拌+水冷熱頂鑄造合金的針孔度在1級(jí)以內(nèi)，并且出現(xiàn)針孔的現(xiàn)象很少。

2.4 低倍組織對(duì)比分析

圖2 A356.2合金低倍照片比較

從圖2上可看到人工攪拌+鏈?zhǔn)借T造鋁合金錠有較多大的黑洞，晶粒粗大，大小不一，形狀各異，晶粒邊界參差不齊;而電磁攪拌+熱頂鑄造的鋁合金棒中上述現(xiàn)象有顯著的改善。其原因主要是電磁攪拌對(duì)A356.2鋁合金的組織結(jié)構(gòu)具有晶粒細(xì)化和晶粒尺寸均勻化的作用，采用電磁攪拌迫使鋁液隨磁場(chǎng)變化而產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到充分?jǐn)嚢璧男Ч?，使鋁液溫度及成分更加均勻，晶核在熔體中各處趨向于同時(shí)形核并均勻地分散在鋁液中，不僅使形核率大大提高，而且使晶粒尺寸也趨向于均勻化;其次是細(xì)化劑鈦的加入，使鈦與鋁形成的Al3Ti能作為α鋁固溶體的結(jié)晶核心，起到異質(zhì)核心的作用，細(xì)化了鋁合金組織，改善了合金性能;第三是采用熱頂鑄造工藝，可使鋁液在結(jié)晶器下緣接受冷卻水的直接冷卻前形成的液穴壁很薄，在冷卻水的強(qiáng)烈冷卻下，鑄錠邊部可獲得很高的結(jié)晶速度，能夠縮短固—液界面的持續(xù)時(shí)間，有效減少化學(xué)成分偏析，因而枝晶細(xì)小，產(chǎn)品內(nèi)部組織均勻性好;在結(jié)晶器正上方鋁液與大氣接觸，鑄錠結(jié)晶時(shí)析出的氣體和其上浮時(shí)所攜帶的夾渣有條件浮至敞露液面，從而有利于鑄造鋁液純潔度的提高。

2.5 物理性能對(duì)比分析

表4 A356.2合金的物理性能統(tǒng)計(jì)

從表4中分析可知電磁攪拌+熱頂鑄造的鋁合金棒較人工攪拌+鏈?zhǔn)借T造鋁合金錠的物理性能有明顯提高。與人工攪拌+鏈?zhǔn)借T造相比，電磁攪拌后鑄棒的晶粒得到明顯的細(xì)化，同時(shí)Si的偏析和針孔度也都得到了明顯改善，因此其鑄棒的物理性能也有所提高。

2.6 沖擊韌性對(duì)比分析

表5 A356.2合金沖擊韌性的統(tǒng)計(jì)

編號(hào) 人工攪拌+鏈?zhǔn)借T造 電磁攪拌+熱頂鑄造沖擊韌性(J/cm2) 沖擊韌性(J/cm2) 2 5.51 13.30 3 4.60 13.65 4 3.73 13.37 5 4.58 13.48 6 4.37 13.25試樣平均值4.48 13.35

從表5中分析可知人工攪拌+鏈?zhǔn)借T造鋁合金錠試樣沖擊韌性較差，平均4.48J/cm2，且材料各部位差異明顯、不均勻。電磁攪拌+熱頂鑄造的鋁合金棒試樣沖擊韌性平均13.35 J/cm2，高出前者約66%，且各部位的沖擊韌性均勻。人工攪拌+鏈?zhǔn)借T造鋁合金錠由于冷卻速度慢，晶粒粗大，破壞了基體的連續(xù)性，顯著降低合金的強(qiáng)度、韌性。加之針孔既多又大，不僅減少合金鑄件的有效截面積，使合金的強(qiáng)度下降，而且在局部形成應(yīng)力集中，成為材料斷裂的裂紋源，降低合金的韌性。電磁攪拌+熱頂鑄造工藝生產(chǎn)的鋁合金棒組織致密均勻、晶粒細(xì)小、針孔既少又小，因而使合金棒具有優(yōu)良的韌性。

3 結(jié)束語

通過對(duì)人工攪拌+鏈?zhǔn)借T造和電磁攪拌+熱頂鑄造兩鐘工藝所生產(chǎn)產(chǎn)品的取樣對(duì)比分析，電磁攪拌+熱頂鑄造工藝使鑄造鋁合金棒的化學(xué)成分更加均勻，Si偏析降至0.20%以下，合金中氣體含量更低，針孔度在1級(jí)以內(nèi)，物理性能顯著改善，沖擊韌性比常規(guī)澆鑄方法提高近3倍，其產(chǎn)品質(zhì)量在各個(gè)方面均優(yōu)于人工攪拌+鏈?zhǔn)借T造生產(chǎn)工藝產(chǎn)品質(zhì)量，完全能夠滿足鋁輪轂生產(chǎn)廠對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)格要求，是生產(chǎn)高質(zhì)量A356.2鋁合金產(chǎn)品的發(fā)展方向。

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