5182鋁合金扁錠質(zhì)量缺陷的分析與控制

梁魯清

（青海橋頭鋁電股份有限公司，青海 西寧 810100）

0 前 言

5182合金屬5xxx系鋁合金系列，是以鎂為主要合金元素的鋁合金，屬于不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性、耐蝕性、沖壓性能等綜合加工性能，在船艦、航空航天等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。目前已成為制造全鋁易拉罐和馬口鐵易拉罐罐蓋、拉環(huán)及其封裝組件的最佳鋁合金材料。

公司于2013年底開始研究開發(fā)罐蓋（拉環(huán)）用5182鋁合金扁鑄熱軋坯料，試生產(chǎn)過程中出現(xiàn)較多的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷問題。本文就試生產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量缺陷進(jìn)行了簡要分析，并探討相應(yīng)的控制措施。

1 5182合金扁錠存在的主要問題

1.1 氫含量超標(biāo)

5182合金扁錠的質(zhì)量缺陷問題最主要體現(xiàn)在氫含量超標(biāo)，見表1。

表1 扁錠實(shí)測氫含量

1.2 堿金屬嚴(yán)重超標(biāo)

扁錠堿金屬實(shí)測情況見表2。

表2 扁錠實(shí)測Ca含量

1.3 內(nèi)部組織

晶粒度超標(biāo)，產(chǎn)生羽毛狀晶，見表3。

表3 扁錠內(nèi)部組織檢測結(jié)果

1.4 表面主要質(zhì)量缺陷

表面主要質(zhì)量缺陷包括以下幾種：①鑄錠大面皺褶嚴(yán)重；②鑄錠表面裂紋：小面底部產(chǎn)生橫向裂紋；大、小面縱向通裂；③鑄錠鋪底處產(chǎn)生不同程度的漏鋁瘤。

2 5182合金扁錠存在的主要缺陷分析

2.1 氫超標(biāo)的原因

（1）電解鋁液中氣體含量較高(主要是H2)。公司用電解鋁液生產(chǎn)5182合金扁錠，由于鋁電解生產(chǎn)的特殊性，特別是倒入熔煉爐時，鋁液與空氣中的水分發(fā)生反應(yīng)，使其H含量進(jìn)一步升高。經(jīng)測量分析，高溫電解鋁液倒入熔煉爐后的H含量均在0.34～0.45ml/100gAl。

（2）在鋁鎂合金中，由于鎂的存在，進(jìn)入熔體中的H2O在高溫下更易與Mg反應(yīng)生成H，H又不能與Al、Mg反應(yīng)，結(jié)合成H2分子，形成氣泡，溶于鋁熔體中。

（3）5182合金屬于高鎂鋁合金，合金熔體粘度大，合金熔體的流動性差，不利于H的析出；同時表面氧化膜不能阻止Mg的繼續(xù)氧化和水汽的吸入。

（4）合金熔體在爐內(nèi)置放時間過長，易造成吸氫。

（5）澆鑄過程周圍環(huán)境濕度大，易造成熔體吸氫。

2.2 堿金屬Ca超標(biāo)的原因

（1）原輔材料中的Ca含量：①通過對電解鋁液的檢測分析，Ca含量最高為5.8ppm，最低為1.2ppm，≥3ppm的占到24%；②配料及凈化用金屬添加劑（中間合金）和金屬溶劑含Ca高，見表4；③鋁熔體精煉用粘土磚中CaO較高。

表4 生產(chǎn)5182合金各種添加劑的Ca含量分析結(jié)果

（2）爐內(nèi)襯、流槽內(nèi)襯等破損造成Ca進(jìn)入鋁熔體。

（3）無除鈣措施。

2.3 晶粒度超標(biāo)、產(chǎn)生羽毛狀晶缺陷的原因

晶粒粗大是鑄錠內(nèi)部晶粒組織局部或全部晶粒變大超出要求的晶粒組織，羽毛晶是鑄錠晶粒組織柱狀晶的變種，兩種缺陷都屬于鑄錠內(nèi)部異常組織，通常是由于熔體過熱等原因造成，Al-Mg系合金更易產(chǎn)生羽毛狀晶。

（1）向結(jié)晶器導(dǎo)入高溫熔體和導(dǎo)入熔體方式不當(dāng)時，在半連續(xù)鑄造時易生成孿晶，即為羽毛狀晶。由于液穴內(nèi)溫度不均勻，在溫度高的地方晶粒長大得快，在鑄錠中出現(xiàn)局部大晶?；虼缶^(qū)。

（2）鋁熔體過熱或在爐內(nèi)停留時間過長，熔體有效活性質(zhì)點(diǎn)極少極易產(chǎn)生粗大晶粒及羽毛狀晶的傾向，再加之澆鑄時鑄錠的冷卻速度極快，在結(jié)晶前沿液體中的溫度梯度十分陡峭，過冷帶極為窄小的情況下就會生成羽毛狀晶組織。

2.4 鑄錠表面產(chǎn)生皺褶缺陷的原因

（1）合金熔體的粘度。影響熔體粘度的因素有合金的化學(xué)成分、熔體的溫度和熔體中的夾雜物含量等。A1-Mg系變形鋁合金中，隨著Mg含量增加，熔體的粘度增加[1]，漏斗（分流袋）兩側(cè)敞露液體滯留時間長，氧化膜增厚。金屬氧化物的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)比金屬的低，相當(dāng)于結(jié)晶器壁的一次冷卻強(qiáng)度減弱，同等條件下形成的液穴壁變薄，易導(dǎo)致皺褶缺陷的產(chǎn)生。

（2）添加A1-Ti-B細(xì)化劑的影響。A1-Ti-B合金中的主要質(zhì)點(diǎn)是TiA13和TiB2，其中TiB2質(zhì)點(diǎn)很小(約1.5μm)，但熔點(diǎn)很高(2000℃以上)[2]，在熔鑄條件下不溶解，分散于鋁熔體中，與夾雜物對鋁熔體的影響一樣，使其粘度增加，表面張力增大，增大合金皺褶缺陷產(chǎn)生的幾率。

2.5 鑄錠底部小面產(chǎn)生橫向裂紋

鑄錠小面尾部沒有充分固化未達(dá)到足夠強(qiáng)度便開始鑄造而引起的缺陷。產(chǎn)生原因：① 鑄造開始水流量太低；②鑄造開始速度太快；③鑄造開始的金屬溫度太高；④水冷卻能力改變；⑤水分布狀況不良；⑥鋁液填充時間太短。

2.6 鑄錠大、小面縱向通裂的原因

（1）大面氧化渣引起的裂紋產(chǎn)生原因：因5182合金氧化性大，在熔體表面易生成不致密的、疏松多孔的氧化膜和氧化渣，漂浮在鑄錠的液面上，被熔融金屬上氧化層的移動而推到液面邊緣懸掛在鑄錠表面上。氧化物是絕熱體，在鑄錠外殼上造成熱點(diǎn)和應(yīng)力集中上升，引起開裂，形成裂紋源[3]。

（2）小面裂紋產(chǎn)生的原因:連續(xù)鑄造時，扁鑄錠小面受三面冷卻，而大面中心部位受兩面冷卻，小面沿鑄錠軸向的溫度梯度和冷卻速度大大超過大面中心部位沿鑄錠軸向的溫度梯度和冷卻速度，因而使鑄錠小面產(chǎn)生沿高度方向作用的拉應(yīng)力。在剛開始的時候，因小面底部產(chǎn)生橫向裂紋或非金屬夾雜物起了應(yīng)力集中的作用，使之在小面區(qū)便形成了原始裂紋源。

（3）大、小面縱向通裂原因:在鑄錠產(chǎn)生大小面裂紋源的前提下，隨著鑄錠的逐漸冷卻，鑄錠內(nèi)的殘余應(yīng)力在原始裂紋處發(fā)生局部集中，當(dāng)超過金屬強(qiáng)度所允許的程度時，便引發(fā)裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致縱向通裂缺陷。

2.7 鑄錠底部產(chǎn)生不同程度的漏鋁瘤缺陷的原因

（1）過冷狀態(tài)。澆鑄時金屬溫度和金屬液位高度配置不合理，導(dǎo)致鑄錠底部過渡區(qū)間的沸騰膜不均勻，部分區(qū)域產(chǎn)生過冷狀態(tài)，產(chǎn)生金屬溢漏，形成漏鋁瘤。

（2）金屬分配袋破損或不良的金屬分配。這樣會導(dǎo)致金屬分流不均勻，鑄錠凝殼內(nèi)層處溫度有高有低，高的區(qū)域易產(chǎn)生二次重熔，沖破凝殼形成漏鋁瘤。

（3）鑄造速度提升斜率過慢或冷卻水斜率提升速度過快。澆鑄過渡區(qū)期間，鑄造速度提升過慢，易產(chǎn)生鑄錠凝殼處的高溫熔體二次重熔沖破凝殼形成漏鋁瘤。冷卻水提升速度過快，底部收縮大，易產(chǎn)生金屬溢漏，形成漏鋁瘤。

（4）圓弧角里冷卻量太大。結(jié)晶器圓弧角冷卻水量大，鑄錠圓弧角部收縮大，易產(chǎn)生金屬溢漏，形成漏鋁瘤。

3 5182合金扁錠質(zhì)量缺陷控制措施

3.1 氫含量

（1）電解鋁液入爐前的除氣預(yù)處理：高溫電解鋁液用真空包從電解車間到鑄造車間轉(zhuǎn)入準(zhǔn)備好的敞口包中，采用CCl4進(jìn)行原鋁精煉脫氣處理，電解原鋁中的H含量可從0.40ml/100gAl降至0.20ml/100g Al以下。

（2）為避免鋁熔體長時間置放爐內(nèi)吸氫的危害，盡量縮短爐內(nèi)配料時間，縮短合金熔體在兩爐（熔煉爐、靜置爐）中的置放時間，對高鎂合金在熔煉爐中的時間應(yīng)控制在6h之內(nèi)，靜置爐內(nèi)時間控制在2h之內(nèi)。

（3）為降低5182合金熔體的粘度，提高熔體流動性，有利于H的析出，熔體精煉介質(zhì)采用高純氬氣，不用氮?dú)?；澆鑄過程，適當(dāng)提高澆鑄溫度（700～710℃）。

（4）改善澆鑄平臺周圍環(huán)境。澆鑄過程封閉豎井周圍或在鑄造平臺四周安裝流風(fēng)機(jī)，生產(chǎn)時啟動風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽氣處理，預(yù)防水蒸氣進(jìn)入鋁熔體造成H升高。

3.2 堿金屬

（1）嚴(yán)格控制原輔材料的質(zhì)量；（2）不用耐火磚作為熔體精煉介質(zhì)；（3）合金轉(zhuǎn)組生產(chǎn)時，爐子、流槽、除氣箱、過濾箱等載流工器具必須清理干凈、修補(bǔ)完善；并預(yù)防生產(chǎn)過程中破損；（4）采用合適的無鈉除鈣劑進(jìn)行除鈣處理。

3.3 粗大晶粒、羽毛狀晶

（1）縮短熔體在爐內(nèi)的置放時間。

（2）提高熔體溫度均勻性，防止熔體局部過熱。充分發(fā)揮熔煉爐電磁攪拌對鋁熔體溫度均勻的作用性能；加強(qiáng)保溫爐中熔體的攪拌作用，同時合理調(diào)整爐內(nèi)透氣塞的運(yùn)行模式。

（3）合理調(diào)整配料固液比，提高金屬冶金活性，增加金屬非自發(fā)性形核的幾率。

（4）適當(dāng)提高澆鑄時的冷卻強(qiáng)度，降低結(jié)晶液穴寬度與高度，提高結(jié)晶過冷度，提高結(jié)晶形核率。

（5）適當(dāng)延長向結(jié)晶器充液的時間，有利于液穴內(nèi)溫度均勻，避免鑄錠中出現(xiàn)局部大晶粒或大晶區(qū)。提高液面及液位的穩(wěn)定性，避免鑄造時液流直接沖擊結(jié)晶前沿，有利于抑制羽毛晶缺陷的產(chǎn)生。

3.4 鑄錠表面皺褶

（1）盡可能使用含B較低的原輔材料（包括細(xì)化劑）。

（2）適當(dāng)提高鑄造溫度，降低熔體的粘度，增加熔體的流動性，改善分流袋兩側(cè)熔體的更新條件。表面的氧化膜厚度降低，影響導(dǎo)熱的表層氧化膜厚度變薄，可使液穴壁厚度增加降低扁錠寬面液穴壁的二次加熱程度，減少皺褶缺陷的產(chǎn)生。

3.5 鑄錠小面底部橫向裂紋

（1）適當(dāng)增加鑄造開始的小面第一道水流量。

（2）降低鑄造開始速度。

（3）檢查水質(zhì)，及時做好水質(zhì)的處理，保障金屬結(jié)晶過程中的熱平衡。

（4）檢查水出口和水分布狀況，保障冷卻水分布及均勻性。

（5）適當(dāng)延長鋁液填充時間。

3.6 鑄錠大小面縱向通裂

（1）控制高鎂合金不致密氧化膜的產(chǎn)生。熔體中可加入適量Be元素保護(hù)熔體；澆鑄過程保溫爐內(nèi)熔體表面撒蓋一層無堿金屬覆蓋劑進(jìn)行熔體保護(hù)；生產(chǎn)中流槽、結(jié)晶器內(nèi)等的金屬熔體液位、液面要保持穩(wěn)定，沒有特殊情況不允許人為破壞液面氧化層；鑄造開頭時結(jié)晶器液面打渣處理要及時、速度要快，并要求從結(jié)晶器四邊逐步向液面中心撇渣處理，避免斷開的氧化膜（氧化渣）隨熔體分流帶到鑄錠的表面。

（2）避免鑄造開頭時因控制造成的底部橫向裂紋而引起的縱向開裂；對于寬厚比較大尺寸的扁錠，應(yīng)考慮在冷卻控制方面適當(dāng)堵塞靠小面兩側(cè)大面的部分冷卻水孔，盡量降低鑄錠小面受到的三面冷卻而導(dǎo)致的小面冷卻不均勻造成的應(yīng)力不平衡形成的小面縱向裂紋。

3.7 鑄錠底部漏鋁瘤

（1）調(diào)整結(jié)晶器中的液位不能過低，熔體溫度不能過高，預(yù)防鑄造開頭至過渡區(qū)由于沸騰膜不均勻，部分區(qū)域產(chǎn)生過冷狀態(tài)，產(chǎn)生金屬溢漏。

（2）鑄造前仔細(xì)檢查分流袋的質(zhì)量及安裝質(zhì)量，確保金屬分流均勻，防止二次重熔形成漏鋁瘤。

（3）調(diào)整二次冷卻水量，預(yù)防由于二次冷卻水過大產(chǎn)生的鑄錠二次快速翹曲造成的鋁漏。

（4）堵塞結(jié)晶器四角部相應(yīng)的出水孔，避免鑄錠圓弧角處因冷卻量過大產(chǎn)生的金屬溢漏。

4 結(jié)束語

通過對罐蓋料用5182鋁合金扁錠坯料試生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷原因分析，針對生產(chǎn)設(shè)備工裝技術(shù)、工藝技術(shù)、原輔材料、操作方法等實(shí)際運(yùn)行條件，探討并提出預(yù)防以上質(zhì)量缺陷的相應(yīng)措施，望能對生產(chǎn)有所參考。

[1]彭學(xué)仕.鋁熔體中黑褐色夾雜物的本質(zhì)及分離方法[J].輕合金加工技術(shù)，1989，(1)

[2]王德滿，李春生，等.鋁合金扁錠寬面樹狀皺褶缺陷的成因[J].輕合金加工技術(shù)，2005，(10)

[3]郝志剛，黃 晶，等.5083鋁合金大規(guī)格扁錠熔鑄工藝研究[J].輕合金加工技術(shù)，2006，(7)