6N01鑄棒表面花斑成因及解決措施

欒守國，蔣隆華，孫本良，劉平禮

（龍口市叢林鋁材有限公司，山東 龍口 265705）

6N01鑄棒表面花斑成因及解決措施

欒守國，蔣隆華，孫本良，劉平禮

（龍口市叢林鋁材有限公司，山東 龍口 265705）

通過低倍檢測、金相觀察和掃描電鏡等方法探究了6N01鑄棒車皮后表面花斑的形成原因。結(jié)果表明，6N01鑄棒表面花斑是由邊部偏析層過厚，車皮不盡引起的。偏析層處的晶粒尺寸差異較大，且Mg、Si為主要偏析元素。同時(shí)，簡要分析了偏析層形成的主要影響因素，并根據(jù)實(shí)踐驗(yàn)證提出了減小偏析層厚度的措施。

6N01合金；表面花斑；偏析層

0 前言

6N01合金于20世紀(jì)80年代由日本開發(fā)，屬于熱處理可強(qiáng)化的Al-Mg-Si合金，因其具有密度低、比強(qiáng)度高、良好的鑄造性能、加工成型性能、焊接性和抗腐蝕性能等優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于軌道交通車體，是生產(chǎn)大型薄壁中空型材的良好材料[1]。

在鑄造過程中，設(shè)備條件、熔鑄工藝、操作不當(dāng)?shù)仍蚨伎赡苁?N01鑄錠表層產(chǎn)生諸如疏松、氣孔、偏析、夾雜與氧化物等缺陷，有時(shí)進(jìn)行工藝性的車皮處理后仍不能消除。

偏析是鋁合金鑄造過程中常見的一種質(zhì)量缺陷，指的是金屬或合金熔煉過程中在晶粒內(nèi)部、晶粒之間或組織的不同部位化學(xué)成分分布不均勻的現(xiàn)象，通?？梢苑譃榫?nèi)偏析和區(qū)域偏析兩大類。晶內(nèi)偏析可以通過合理的均勻化處理得以改善，而區(qū)域偏析卻難以通過工藝處理來減輕或消除[2]。區(qū)域偏析的存在將引起局部化學(xué)成分的波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致型材力學(xué)、抗腐蝕等性能的不穩(wěn)定，存在較大的安全隱患，因此探究偏析產(chǎn)生的原因，提出合理的解決方案對(duì)消除偏析、降低成本、提高型材性能有重要意義。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)合金為國產(chǎn)型φ384mm的6N01合金，其實(shí)測成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)6N01合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

根據(jù)GB/T 3246.2-2012標(biāo)準(zhǔn)要求，在均勻化后的鑄棒上截取低倍試片，采用100g/L的NaOH溶液浸蝕10～15min。在低倍試片上取小塊金相樣品，金相樣品經(jīng)粗磨、精磨、拋光后采用Keller試劑（2mL HF + 3mL HCl + 5mL HNO3+ 190mL H2O）

浸蝕2min左右，在ZEISS Observer AXIO型金相顯微鏡下觀察。掃描樣品經(jīng)粗磨、精磨、拋光、超聲清洗后在ZEISS EVO 18型掃描電子顯微鏡下觀察，加速電壓為20kV。

鑄造設(shè)備為浙江鑫耐鋁熔鑄設(shè)備材料有限公司生產(chǎn)的三行六列結(jié)晶器工裝，一次熔鋁40t，共鑄造18根直徑384 mm的鋁合金圓鑄棒。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 低倍觀察

圖1所示為6N01試片堿洗后的低倍照片。由圖可以看出，試片不存在疏松、氣孔、夾雜、白斑、光亮晶、羽毛晶等鑄造缺陷，但在試片邊部存在明顯的偏析層（黑色箭頭所示）。經(jīng)測量，其厚度為3～5.5mm。

圖1 6N01試片堿洗后的低倍照片

根據(jù)機(jī)加工工藝要求，φ384mm的鑄棒應(yīng)在半徑方向上車去4mm。而偏析層厚度在3～5.5mm，也就是說鑄棒邊緣的偏析層在有些部位完全被車去，有些部位還有剩余，這恰好說明了車皮后的鑄棒表面有的地方有花斑現(xiàn)象，而有的地方正常。

圖2 6N01偏析試樣的徑向偏光金相照片

2.2 金相觀察

經(jīng)Keller試劑腐蝕后，偏析試樣肉眼即可觀察到明亮的條形區(qū)域，寬度約為2mm，距試樣邊緣1～2mm。其偏光金相顯微照片如圖3所示。

由圖可知，徑向上的組織特征差異較大。邊部晶粒呈等軸狀，較為細(xì)小，平均晶粒尺寸為76μm；然后是一層較薄的粗晶區(qū)，晶粒輪廓明顯，但沒有典型的生長取向；緊接著是一層長條區(qū)，觀察不到晶粒、晶界特征，且與周圍的組織界限明顯；最后是非常細(xì)小的等軸晶區(qū)，平均晶粒尺寸約為74.3μm。

典型的鑄錠組織有三個(gè)晶區(qū)：表層細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)。這三個(gè)晶區(qū)在6N01合金均勻化組織中都有所體現(xiàn)，但柱狀晶區(qū)退化為沒有明顯生長取向的粗晶區(qū)，這是因?yàn)殍T造時(shí)添加了晶粒細(xì)化劑，促進(jìn)形成大量的非均勻晶核，有效阻礙了晶粒的定向生長。此外，組織還多出一個(gè)條形區(qū)，其典型特征是觀察不到明顯的晶界，對(duì)應(yīng)于低倍試片上光亮的條形區(qū)域。

2.3 掃描電鏡能譜分析

通過模擬EDS線掃描的方式從試樣邊緣沿徑向依次選取8個(gè)小矩形框進(jìn)行微區(qū)能譜分析，沿徑方向能譜分析的長度大于偏析層的厚度，其中1號(hào)微區(qū)對(duì)應(yīng)于表層細(xì)晶區(qū)，2號(hào)微區(qū)對(duì)應(yīng)于粗晶區(qū)，3、4、5號(hào)微區(qū)對(duì)應(yīng)于條形光亮區(qū)，6、7、8號(hào)微區(qū)對(duì)應(yīng)于等軸晶區(qū)，所得結(jié)果如表2和圖3所示。1號(hào)微區(qū)的Mg、Si、Fe、Cr元素含量很高，元素偏析程度最大，其中主合金元素Si的含量達(dá)正常值的2倍有余；而后元素含量迅速降低，到2號(hào)微區(qū)基本回到正常值。再到3、4、5號(hào)微區(qū)時(shí)，主合金元素Mg、Si含量繼續(xù)降低，且低于正常值，呈現(xiàn)出負(fù)偏析現(xiàn)象；到6、7、8號(hào)微區(qū)時(shí)，各元素含量又基本回到了正常值的水平。

圖3 Mg、Si含量在徑向的變化關(guān)系圖

圖3所示為主合金元素Mg、Si的含量在試片徑向的變化，由圖可知合金元素在徑向上的變化規(guī)律非常明顯，也即Mg、Si含量沿徑向迅速下降至最低值后緩慢回歸到正常值水平。因?yàn)殍T造時(shí)，表層凝固收縮，導(dǎo)熱能力下降，次表層區(qū)域受熱重熔回糊狀區(qū)，在熔體靜壓力和余液析出的氣體產(chǎn)生的壓力聯(lián)合作用下，部分熔體沿晶界及枝晶間向表面移動(dòng)，而靠里層熔體會(huì)逐漸填充和擴(kuò)散至此區(qū)域，最終產(chǎn)生了上述的元素分布規(guī)律。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，Si元素含量的波動(dòng)范圍較Mg元素大得多，這可能與同種條件下Si原子的擴(kuò)散系數(shù)大、流動(dòng)性好有關(guān)[3]。

3 分析與討論

3.1 偏析影響因素

作為一種常見的鑄錠質(zhì)量缺陷，偏析很難完全消除，但可以通過調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度、鑄造速度、結(jié)晶器技術(shù)等因素控制偏析層厚度，以滿足后續(xù)工藝要求。

（1）冷卻強(qiáng)度對(duì)偏析的影響最大。隨冷卻強(qiáng)度的增加，鑄錠結(jié)晶速度加快，溶質(zhì)元素?cái)U(kuò)散受阻，因而減小了區(qū)域偏析的程度；同時(shí)增大了過冷度，形核率增加，晶粒得以細(xì)化，有利于獲得優(yōu)質(zhì)鑄錠。在鑄造的不同階段，冷卻強(qiáng)度也需要有不同的變化。鑄造初期，冷卻強(qiáng)度應(yīng)該足夠小，防止鑄錠冷卻收縮不均而變形甚至開裂，而后要逐漸過渡到正常的冷卻強(qiáng)度。影響冷卻強(qiáng)度的因素主要有冷卻水流量和水溫，由于水溫在鑄造前后的變化不大于2℃，因此關(guān)鍵在于控制水流量。

（2）鑄造速度的快慢直接影響結(jié)晶速度的大小、液穴的深淺和固液過渡帶的寬窄，對(duì)區(qū)域偏析的影響尤為重要。在冷卻水量過渡階段和正常鑄造階段，冷卻強(qiáng)度和鑄造速度都要進(jìn)行良好的匹配。

（3）結(jié)晶器技術(shù)對(duì)偏析的形成有重大影響，在理論上甚至可以消除偏析缺陷。目前企業(yè)應(yīng)用的主流結(jié)晶器技術(shù)主要有低液位鑄造（LHC）、熱頂鑄造（HTC）和氣滑鑄造（ASC），分別對(duì)應(yīng)于大、中、小型鑄錠的生產(chǎn)[4]。氣滑鑄造有一個(gè)重要的特點(diǎn)，即減小了一次冷卻強(qiáng)度，同時(shí)增大了二次冷卻強(qiáng)度。結(jié)晶器中一次冷卻區(qū)形成一層薄薄的凝殼，既有定型的作用，又可避免熔體重熔及向表面流動(dòng)，有效減小了偏析的程度[5]，提高鑄錠品質(zhì)，因而這種技術(shù)正得到越來越廣泛地應(yīng)用。更為先進(jìn)的超聲鑄造（USC）[6]和電磁鑄造（EMC）[7]則利用超聲波和電磁波的作用對(duì)熔體引起物理振動(dòng)和攪拌，有利于均勻散熱和溶質(zhì)的平衡分布，可減少偏析、疏松、氣孔等缺陷，獲得組織致密、成分均勻的鑄棒。然而這兩種結(jié)晶器技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用還有很多技術(shù)難題亟待解決，在工廠、企業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用前景廣闊但任重道遠(yuǎn)。

3.2 控制偏析層措施

（1）提高冷卻強(qiáng)度，保證冷卻均勻性。時(shí)值夏季，氣溫較高，而鑄造車間氣溫更高，因此嚴(yán)

禁冷卻水溫超過30℃，一般需采取適當(dāng)措施對(duì)循環(huán)水進(jìn)行冷卻，推薦水溫保持在25±2℃（冬季時(shí)水溫較低，應(yīng)適當(dāng)調(diào)小水量），以免未達(dá)到工藝設(shè)定的冷卻強(qiáng)度，又浪費(fèi)了水電資源。鑄造開始時(shí)，在保證鑄錠不裂的前提下，平穩(wěn)較快地增大冷卻水流量至2.0m3/min，而后隨鑄速增大而逐漸增加到3.2m3/min，有效提高冷卻強(qiáng)度，對(duì)增大形核率，細(xì)化晶粒和減小偏析有利。

（2）確保冷卻強(qiáng)度的均勻性。鑄造前，對(duì)結(jié)晶器冷卻水孔進(jìn)行有效疏導(dǎo)，保證冷卻水順暢噴出，并對(duì)冷卻循環(huán)水進(jìn)行多次過濾，除去大塊雜物，以免鑄造時(shí)堵塞冷卻水孔，影響冷卻均勻性。同時(shí)適當(dāng)調(diào)整水壓，使水柱噴射到鑄棒表面形成的液面與相鄰水柱有所重疊。

（3）冷卻水量和鑄速攀升相匹配。從開始鑄造到正常鑄造必經(jīng)一個(gè)過渡階段，需要冷卻水量的攀升和鑄造速度的攀升相匹配[6]。對(duì)于6N01合金，鑄造長度在50mm以內(nèi)時(shí)，鑄造速度宜保持在45mm/min左右。鑄造長度在50～140mm之間的階段是鑄造速度和冷卻水量雙攀升的階段。鑄造速度由開始的45mm/min線性增加到60mm/min，冷卻水流量從開始的2.0m3/min線性增加到3.2m3/min。鑄造速度與冷卻水量的雙攀升圖如圖4所示。

圖4 鑄造速度和冷卻水量的攀升圖

圖中可以看出，鑄造速度和冷卻水量的起始攀升位置和結(jié)束位置基本一致，從50mm左右開始攀升，在140mm左右結(jié)束，單位時(shí)間內(nèi)冷卻水的增量稍大于鑄造速度的增量，因而單位鑄造長度內(nèi)的冷卻水量由起始的44.4L增加到53.3L，保證鑄造速度和冷卻水量良好匹配的同時(shí)，增大了冷卻強(qiáng)度，有利于減小偏析產(chǎn)生的幾率及偏析程度。

（4）結(jié)晶器的選擇及構(gòu)造調(diào)整。對(duì)于直徑384mm的鑄棒，應(yīng)選用熱頂鑄造結(jié)晶器，即可以避免氣滑鑄造凝殼破裂漏鋁的危險(xiǎn)，又可以提高二次冷卻強(qiáng)度。另外，調(diào)整結(jié)晶器轉(zhuǎn)接板下注口的孔徑，由原來的φ235mm減小至φ100mm，在保證熔體供應(yīng)充足的同時(shí)減少下注時(shí)熔體熱量的散失，充分發(fā)揮熱頂鑄造技術(shù)的優(yōu)勢[5]。

通過工藝微調(diào)和結(jié)晶器改造，在新鑄造的φ384mm 6N01合金鑄棒邊部取一塊金相試樣，其偏光下的金相組織如圖5所示。與圖2相比，試樣從邊部到中心依然存在表層細(xì)晶區(qū)、表層粗晶區(qū)、長條區(qū)和等軸晶區(qū)，但長條區(qū)已顯著縮小，僅剩100μm寬左右，且整個(gè)偏析層不足2mm，在后續(xù)的車皮工序中可確保完全車除表面偏析層，這充分保證了鑄棒質(zhì)量，為鋁型材質(zhì)量的提高創(chuàng)造了有利條件。由此說明，整改措施是有效的。

圖5 優(yōu)化工藝后鋁棒的偏光金相組織

4 結(jié)論

（1）6N01合金鑄棒車皮后出現(xiàn)的表面花斑現(xiàn)象是由鑄棒偏析層過厚且厚度不均，以致車皮不盡引起的。

（2）6N01合金鑄棒表層的偏析元素主要為Si、Mg，且Si元素的偏析程度較Mg元素的更大，這是跟Mg、Si元素的擴(kuò)散系數(shù)相對(duì)應(yīng)的。

（3）通過采取以下措施：調(diào)節(jié)冷卻水量、控制水溫、提高冷卻強(qiáng)度，保證冷卻的均勻性、保證冷卻水量和鑄造速度的攀升相匹配、選擇合適的結(jié)晶器等等，可以減小偏析層厚度至2mm以內(nèi)，大大提高6N01合金的鑄造質(zhì)量。

[1] 彭建，周綢，張丁非. 高速列車用6N01鋁合金焊接接頭的組織與性能[J].金屬熱處理，2010，35(11)：33-36

[2] 李松瑞，周善初. 金屬熱處理（再版）[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2003

[3] 蔡應(yīng)鐸. 6000系鋁合金的均勻化處理[C]. 全國第十一屆輕合金加工學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，青島，2000

[4] 王家淳，郭世杰. 鋁合金半連續(xù)鑄造直冷技術(shù)的研究概況[C].中國首屆鋁加工技術(shù)創(chuàng)新論壇文集，上海，2007

[5] 袁柱桐，任洪閣，劉云龍，等. 熱頂鑄造結(jié)晶器設(shè)計(jì)對(duì)鑄錠質(zhì)量的影響[J].輕合金加工技術(shù)，2010，38（6）：16-18

[6] 喬翔. 超聲7050鋁合金組織與性能的研究[D].長沙：中南大學(xué)，2010

[7] 左玉波，崔建忠，趙志浩，等. 低頻電磁鑄造7050鋁合金的組織與性能[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，2（1）：77-80

（編輯：余東梅）

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近日河北欣意電纜有限公司等3家簽署合作協(xié)議，在中馬欽州產(chǎn)業(yè)園共建稀土高鐵鋁合金電纜產(chǎn)業(yè)集群項(xiàng)目。項(xiàng)目總投資200億元，計(jì)劃5年打造成千億元產(chǎn)業(yè)集群，形成背靠中國、面向東盟的廣西稀土高鐵鋁合金電纜新材料產(chǎn)業(yè)基地。其中，一期項(xiàng)目投資約50億元，力爭2016年上半年開工建設(shè)。

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Cause and Countermeasure for Spot of 6N01 Billets Surface

LUAN Shou-guo，JIANG Long-hua，SUN Ben-liang, LIU Ping-li
(Longkou Conglin Aluminum Co., Ltd., Longkou 265705, China)

The cause of spot on 6N01 billets surface after scalping was investigated by means of macrostructure inspection, optical microscopy and scanning electron microscopy. The results showed that the spotty surface was caused by segregation layer which was too thick to be scalped. There was a big difference in grain size near the segregation layer, and Mg, Si were the main segregation elements. Besides, the main factors for segregation layer were briefly analyzed. Countermeasures to reduce the segregation layer were put forward according to some experiments.

6N01 alloy；spotty surface；segregation layer

TG292

B

1005-4898（2016）03-0009-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.03.02

欒守國（1980-），男，山東龍口人，主要從事變形鋁合金的鑄造和擠壓方面的研究。

2016-04-13