4032合金棒材生產(chǎn)工藝研究

馮永平， 章 偉

(中鋁西北鋁加工分公司， 甘肅 隴西 748111)

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)車(chē)已替代了蒸汽機(jī)車(chē)。內(nèi)燃機(jī)車(chē)活塞在工作中承受高溫、高壓和高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的摩擦，因此要求活塞具有較好的耐磨性、抗磨蝕性，導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小，疲勞性能好，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。目前，4032合金是制造內(nèi)燃機(jī)車(chē)活塞裙鍛件的理想材料，為了滿足用戶的需求，我們對(duì)4032合金擠壓棒材工藝進(jìn)行研究。

1 4032合金棒材的技術(shù)要求

1．1 合金化學(xué)成分

合金化學(xué)成分應(yīng)符合表1的要求。

表1 4032合金化學(xué)成分(%)

1.2 組織要求

YS/T493-2005《活塞用4A11、4032合金擠壓棒材》標(biāo)準(zhǔn)要求：成品棒材的低倍試片上不允許有偏析聚集、非金屬夾渣、粗晶、裂紋、縮尾等缺陷，晶粒度不大于2級(jí)。棒材的顯微組織允許有少量初晶硅存在，但分布應(yīng)均勻，不得成簇分布，初晶硅最大尺寸不大于0.08mm。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

4032合金屬于共晶型高硅變形鋁合金，它的密度和熱膨脹系數(shù)小，耐磨性和耐熱性好。主要組成相為α、Si、S相、FeNiAL9、Mg2Si、β(AL5FeSi)等,Mg、Si、Cu產(chǎn)生強(qiáng)化相Mg2Si、CuAL2和S相，Si還能改善鑄造性能。Fe、Ni提高高溫性能[1]。

盡管4032合金有很多優(yōu)點(diǎn)，如不進(jìn)行變質(zhì)處理，4032合金會(huì)產(chǎn)生粗大的多角形塊狀初生硅和片狀、或針條狀共晶硅， 其組織如圖1所示。 可顯著降低合金的力學(xué)性能、 耐蝕性和切削加工性能。 因此，必須對(duì)4032合金進(jìn)行變質(zhì)處理。

圖1 Al-20%Si 中間合金錠 鑄態(tài) 鑄錠未經(jīng)變質(zhì)處理 ×80

2.1 熔鑄工藝研究

① 熔煉工藝

配料：Si、Ni、Fe以中間合金方式加入，Cu、Mg以純金屬形式加入，選用AL99.60及以上牌號(hào)原鋁錠，也可使用本身及相關(guān)的一級(jí)廢料。

熔煉：采用中頻爐或電爐熔煉，熔煉溫度定在高于液相線50—100℃，即700--750℃，投料前必須認(rèn)真清爐。在電爐熔煉取樣時(shí)需進(jìn)行不少于4次的攪拌，取樣溫度不低于720℃，采用中頻爐時(shí)導(dǎo)爐溫度按760℃控制。

② 熔體凈化和變質(zhì)處理

熔體導(dǎo)入靜置爐后，用N-CL2精煉15分鐘，然后扒渣，用噴粉精煉或撒入攪拌方式加入變質(zhì)劑，然后用精煉氣體精煉8—10分鐘，扒渣靜置后溫度合適即可鑄造。

在熔煉過(guò)程中減輕或消除初生硅主要靠變質(zhì)劑，試驗(yàn)時(shí)選用1#鈉鹽、2#鈉鹽、磷鹽、4#、5#鈉鹽作為變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)。

精煉劑選用N-CL2、高純氮、高純氬，在線流槽除氣采用透氣磚和精煉管兩種方式。鑄造方法采用鋁結(jié)晶器普通鑄造和隔熱膜鑄造法。

③ 均勻化處理

用半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)的鑄錠，由于冷卻速度快，會(huì)產(chǎn)生不平衡結(jié)晶和內(nèi)應(yīng)力，為了消除成分和組織的不均勻性，改善鑄錠的加工性能，并獲得良好的最終力學(xué)性能，要對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化處理，均勻化溫度為500—515℃[2]，并隨爐冷卻。

2.2 擠壓及熱處理工藝研究

① 擠壓工藝

擠壓工藝流程：鑄錠加熱—擠壓—取樣—實(shí)驗(yàn)室熱處理、檢驗(yàn)—檢查切成品—交貨。

4032合金變形抗力高、塑性較差，為保證制品的最佳力學(xué)性能和表面質(zhì)量，考慮在試制中采用提高擠壓溫度和降低擠壓速度的工藝以提高該合金的可擠壓性，為此制定了以下的工藝制度(見(jiàn)表2 )。

表2 擠壓工藝參數(shù)

② 熱處理工藝

對(duì)于T6狀態(tài)的材料來(lái)說(shuō)，固溶溫度、時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間是影響力學(xué)性能的主要因素。根據(jù)4032合金的特點(diǎn)對(duì)熱處理工藝優(yōu)選以下三重方案進(jìn)行試驗(yàn)，試樣在鹽浴爐內(nèi)進(jìn)行固溶處理，保溫時(shí)間為30min，淬火介質(zhì)為水，轉(zhuǎn)移時(shí)間小于15s，待人工時(shí)效后出爐空冷。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同變質(zhì)劑對(duì)4032合金鑄錠變質(zhì)處理的結(jié)果

用1#鈉鹽、2#鈉鹽、磷鹽、4#鈉鹽、5#鈉鹽、Sr變質(zhì)劑對(duì)4032合金進(jìn)行變質(zhì)處理，結(jié)果如表3所示。

表3 不同變質(zhì)劑對(duì) 4032合金變質(zhì)處理的結(jié)果

3.2 變質(zhì)劑用量和氣孔之間的關(guān)系

通過(guò)對(duì)以上試片進(jìn)行金相檢驗(yàn)，其低倍試片上均有氣孔，其中2#、4#鈉鹽變質(zhì)后的氣孔較少，5#鈉鹽最嚴(yán)重。選用同種變質(zhì)劑，調(diào)整不同加入量，其中變質(zhì)劑用量和氣孔對(duì)應(yīng)趨勢(shì)示意圖如圖2所示(約10公斤/噸，否則過(guò)變質(zhì))。

圖2 變質(zhì)劑用量和氣孔的關(guān)系

從圖2中可以看出，隨著變質(zhì)劑加入量的增多，產(chǎn)生氣孔的程度也相應(yīng)的增加，當(dāng)變質(zhì)劑用量超過(guò)一定量時(shí)，產(chǎn)生氣孔的程度將隨之大幅度上升。所以要減少氣孔的產(chǎn)生，在保證變質(zhì)劑用量的前提下，應(yīng)盡量少加，否則將產(chǎn)生過(guò)變質(zhì)，影響到鑄錠質(zhì)量。

3.3 熱處理試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表4)

表4 4032合金熱處理試驗(yàn)結(jié)果

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

① 從表3的數(shù)據(jù)可以看出，采用4#鈉鹽變質(zhì)得到的鑄錠邊部組織和中心部位組織均無(wú)初生硅，而共晶硅呈粒狀分布，α枝晶間距小。鑄錠中心部位共晶硅相對(duì)于鑄錠邊部和1/2半徑處較大，共晶硅在枝晶的周邊分布，共晶硅尺寸由邊部到中心逐漸增大，粗大枝晶網(wǎng)的中部屬于α.AL,會(huì)降低材料的最終強(qiáng)度[3]。4032合金采用4#鈉鹽變質(zhì)一般無(wú)初生硅出現(xiàn)，而且共晶硅組織也比較細(xì)，主要是鈉變質(zhì)劑中的NaF與AL反應(yīng)生成Na和ALF3，被還原出來(lái)的鈉進(jìn)入鋁熔體中，對(duì)共晶硅起到了良好的變質(zhì)作用。但在使用鈉鹽變質(zhì)過(guò)程中，合金的粘度加大，流動(dòng)性下降，使氣體上升的速度降低，極易出現(xiàn)氣孔及少量的夾渣物。

② 從熱處理試驗(yàn)結(jié)果看，方案2的結(jié)果較優(yōu)，其力學(xué)性能指標(biāo)較高,試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，擠壓頭端的力學(xué)性能尤其是延伸率較低，分析主要是制品頭端變形不充分有關(guān)，隨著時(shí)效溫度的提高，強(qiáng)化相的彌散析出增加，強(qiáng)度逐漸升高，但塑性明顯下降，所以時(shí)效溫度不宜過(guò)高以防止塑性下降。

4 結(jié)論

① 采用帶有隔熱膜的鋁結(jié)晶器進(jìn)行鑄造，可提高鑄錠的冷卻速度，有利于金屬的結(jié)晶及組織細(xì)化；

② 選用4#鈉鹽作為變質(zhì)劑，其變質(zhì)效果最好，可保證無(wú)初晶硅，共晶硅組織較細(xì)小；

③ 擠壓鑄錠溫度為470℃，擠壓筒溫度為450℃，擠壓速度280-360 mm/min;

④ 淬火溫度為510+5℃，保溫30min；

⑤ 時(shí)效溫度為155+5℃，保溫3h。

①王祝堂，田榮璋.鋁合金及其加工手冊(cè)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2005:1203-1205.

②《輕合金材料加工手冊(cè)》編寫(xiě)組.輕金屬材料加工手冊(cè)(上冊(cè))[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1979:66-68.

② 西北鋁《4032合金試制總結(jié) 》[M].2006.