提高AHS合金Φ250mm鑄錠質(zhì)量熔鑄工藝研究

AHS鋁合金屬共晶型Al-Si合金，其擠壓棒材主要用于鍛造中、小缸徑的中、高速內(nèi)燃機活塞，AHS鋁合金擠壓棒用錠坯采半連續(xù)熔鑄法生產(chǎn)。在實際生產(chǎn)中，采用半連續(xù)熔鑄熱頂鑄造工藝生產(chǎn)的Φ250mm鑄錠，熔鑄工藝控制不當(dāng)時，鑄錠低倍試片常出現(xiàn)粗大晶粒、不同程度的羽毛狀晶、粗大針狀共晶硅、粗大塊狀初晶硅組織，擠壓制品低倍檢測存在花斑狀缺陷，該缺陷的存在嚴重降低了制品機械性能。本文分析研究了粗大晶粒、羽毛狀晶、粗大針狀共晶硅組織、粗大塊狀初晶硅產(chǎn)生原因并提出了提高AHS合金Φ250mm鑄錠質(zhì)量熔鑄工藝。

1、粗大晶粒、羽毛狀晶產(chǎn)生原因

在半連續(xù)鑄造條件下，鑄錠中晶粒形核核心主要產(chǎn)生于活性雜質(zhì)，熔體中活性雜質(zhì)愈多，鑄錠結(jié)晶時形核核心也越多，鑄錠晶粒也越細?。挥鹈珷罹侵鶢罹У淖兎N，其形成機理主要為：當(dāng)熔體熔煉溫度或鑄造溫度過高時，熔體中有效活性雜質(zhì)數(shù)目減少，鑄錠結(jié)晶時非自發(fā)形核核心相應(yīng)減少；與此同時，鑄造溫度越高或鑄錠冷卻速度越快，鑄錠結(jié)晶前沿液穴中溫度梯度越大，液穴內(nèi)過冷帶變窄，有效活性雜質(zhì)在過冷帶停留時間變短，有效活性雜質(zhì)擴散時間短，形成的結(jié)晶形核核心相應(yīng)減少，因此鑄錠形成羽毛狀晶組織傾向增大。

2、粗大針片狀共晶硅組織、初晶硅產(chǎn)生原因

鋁硅合金含Si在3%以下時，Si促進晶粒細化，Si含量在3%以上隨Si量增加晶粒連續(xù)粗化，出現(xiàn)所謂的Si“中毒”現(xiàn)象，并且隨著Si含量增加，鑄錠中易形成柱狀晶或雙柱狀晶；鋁硅合金中硅含量超過6%-8%時，鑄錠組織中便會出現(xiàn)粗長針片狀共晶硅組織；為獲得短而細小的共晶硅組織，需對共晶硅型Al-Si合金進行變質(zhì)處理。AHS合金共晶硅變質(zhì)劑以Al-Sr、Al-Sb中間合金應(yīng)用最為廣泛，對于AHS合金共晶硅組織兩種變質(zhì)劑均具有較強的變質(zhì)效果和足夠長的變質(zhì)有效期。本文中研究AHS合金共晶硅組織變質(zhì)處理以Al-Sr中間合金作為變質(zhì)劑。

初晶Si的晶粒大小一般要求不超過80μm；鑄錠組織中出現(xiàn)的初晶Si多為采用Al-Si中間合金合金化時Al-Si中間合金殘留的初晶Si。Al-Si中間合金中的Si含量遠比Al-Si二元系共晶點處的Si含量高，因而在未經(jīng)P變質(zhì)處理的Al-Si中間合金錠中有大量初晶Si存在。加入Al-Si中間合金中的Si本身就是初晶Si；在熔煉時若熔煉溫度低，熔體中的初晶Si得不到充分的溶解和擴散，因而可殘留至Al-Si合金錠中。根據(jù)AHS合金生產(chǎn)實踐，用Al-Si中間合金合金化時，其共晶型AHS合金的熔煉溫度一般應(yīng)控制在760℃～800℃。共晶型AHS合金中初晶硅組織較為少見，但在熔煉工藝控制不當(dāng)及半連續(xù)非平衡態(tài)鑄造條件下鑄造開頭容易出現(xiàn)初晶硅組織。

3、提高AHS合金Φ250mm鑄錠質(zhì)量熔鑄工藝

3.1AHS合金Φ250mm鑄錠化學(xué)成分的精確控制

采用原鋁錠+本合金的一、二級廢料+Al-Si中間合金+Mg錠+Cu板配料，不使用三級廢料；Ti按0.035%控制，本體廢料Sr按2.5kg/t加入，新料Sr按4.5kg/t加入。要求所有爐料必須清潔、無水、無泥、無油污、無腐蝕。成份控制：Si含量：10.8%，Cu含量：2.5%，Mg含量：0.35%控制，其它按國標(biāo)進行控制。

3.2制訂并嚴格執(zhí)行AHS合金Φ250mm鑄錠熔鑄工藝制度

3.2.1熔煉工藝

熔煉溫度為730℃-760℃；爐料完全熔化，熔體溫度730-740℃時，加Al-Ti中間合金，加入量按Ti：0.025%控制；熔體溫度740～750℃時加Mg；攪拌均勻，成分均勻后取爐前樣，取樣溫度730～760℃；爐前分析合格后，熔體溫度740-750℃時，用Ar氣進行第一次精煉，精煉時間15～20min，精煉后再次扒渣。扒渣后加Al-Sr，Al-Sr中間合金加入前必須經(jīng)過預(yù)熱充分，加入溫度：730～750℃；Al-Sr中間合金（桿）要壓入熔體，完全熔化后，把熔體攪拌均勻。740～750℃時對熔體進行第二次Ar氣精煉，精煉時間15～20min，精煉后扒凈熔體表面浮渣。扒渣后靜置，靜置時間約30min。

3.2.2熔體在線除氣過濾凈化工藝

精煉用Ar氣流量：45～55l/min；精煉氣體壓力：0.15～0.25MPa；精煉除氣箱金屬溫度：740～760℃；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：450～500rpm；在線過濾采用30—50PPi泡沫陶瓷板過濾。

3.2.3鑄造工藝參數(shù)

鑄造工藝參數(shù)按表一執(zhí)行

3.2.4鋸切及取樣

澆口部切頭≥100mm，底部切尾≥200mm。鑄錠切去頭尾后，任選兩根鑄錠在底部、澆口部各切取25±5mm厚低倍試片一塊。

4、鑄錠及擠壓棒檢測情況

按上述熔鑄工藝生產(chǎn)，爐前主要成分分析一次合格，鑄造過程順利，鑄錠內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)良，生產(chǎn)的AHS合金Φ250mm×20支鑄錠擠壓棒材晶粒細小、均勻性較好，擠壓棒材未出現(xiàn)花斑狀缺陷。

Ti、Sr成分控制結(jié)果：Ti0.03%；Sr0.03%-0.04%；

鑄錠組織檢測結(jié)果：低倍晶粒度為3.5-4.5級，心部晶粒度為5-5.5級，鑄錠試片外層均存在不同程度的羽毛晶，深度45-65mm。高倍觀察，變質(zhì)效果好，未發(fā)現(xiàn)粗大初晶硅，初晶硅尺寸<5×5μm。

5、結(jié)論

按上述熔鑄工藝生產(chǎn)AHS合金Φ250mm鑄錠，嚴格控制晶粒細化元素和各項熔鑄工藝參數(shù)，完全可生產(chǎn)出達到AHS合金進口擠壓棒材質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)棒材產(chǎn)品。