Na元素對6A02合金鑄錠性能的影響

殷云霞，胥健秋，黃巖超，賈 寧，劉記偉

（東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060）

Na元素對6A02合金鑄錠性能的影響

殷云霞，胥健秋，黃巖超，賈 寧，劉記偉

（東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060）

為了研究Na元素對6A02合金φ482規(guī)格熔鑄工藝影響，采用兩種實際生產(chǎn)工藝流程對所生產(chǎn)的6A02合金鑄錠進行質(zhì)量分析。通過對比研究，觀察兩種工藝流程中Na元素對6A02合金鑄錠在成分偏析、微觀組織及力學性能等方面的影響，并確定適合生產(chǎn)的工藝流程。

6A02合金；鈉脆性；除鈉劑

0 前言

6A02是Al-Mg-Si-Cu系合金，具有中等強度、良好的塑性、焊接性能和耐蝕性能，可以生產(chǎn)大型鍛件和幾何形狀復雜的型材，廣泛用于汽車、飛機和船舶等工業(yè)上。

我廠在生產(chǎn)完4系高硅合金后，經(jīng)過洗爐直接生產(chǎn)的6A02合金鑄錠表面皺褶，易產(chǎn)生廢品，機加工時需要大量車皮，后續(xù)加工利用率低。而生產(chǎn)高硅合金后生產(chǎn)40余爐其他合金，再生產(chǎn)的6A02合金鑄錠表面相對光滑，無大的偏析瘤，無拉裂、裂紋等表面缺陷。因此，為了討論兩種工藝流程中Na元素所帶來的影響，特別開展了本次試驗。通過對兩種工藝流程生產(chǎn)的鑄錠進行切片取樣，從化學成分分析、力學性能測試和顯微組織觀察幾個方面對缺陷形成的原因進行了分析與討論。

1 試驗方案

1.1 實驗材料

6A02合金化學成分，見表1。

表1 6A02合金化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

鑄錠規(guī)格：6A02合金φ482mm規(guī)格鑄錠；配料：新鋁錠額40%～60%，復化料不大于25%，Cu以Al-Cu中間合金形式加入，Mn以添加劑形式加入，Mg以純金屬形式加入。

1.2 試驗方法

熔煉工藝：熔煉溫度700～750℃，使用1#熔劑覆蓋熔體，在熔煉溫度范圍內(nèi)取樣，進行成分分析；鑄造工藝：方案1：在高硅合金后洗爐直接生產(chǎn)6A02合金；方案2：在高硅合金生產(chǎn)完40余爐后

生產(chǎn)6A02合金。

采用陶瓷片過濾，每5爐換一次陶瓷片。鑄造工藝參數(shù)見表2。

表2 鑄造工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果

2.1 化學成分

依據(jù)上述兩種方案取樣，所得到的化學成分分析結(jié)果表示，F(xiàn)e、Cu、Mn、Mg、Ni、Zn、Ti幾種元素都沒有什么變化，幅度基本持平。但是Si元素和Na元素的含量兩種方案有了較大差別，具體如表3、表4所示。

表3 不同位置Si元素含量/%

表4 不同位置Na元素含量/%

由表3與表4可以看出，兩方案的6A02合金由于不同的生產(chǎn)流程導致Si元素和Na元素的含量有明顯的差別。方案1是生產(chǎn)高硅合金后直接生產(chǎn)的6A02合金，且高硅合金變質(zhì)劑中有NaF、NaCl和Na3AlF6，從而導致Na元素和Si元素含量明顯偏高。方案2是在高硅合金生產(chǎn)40余爐后再生產(chǎn)的6A02合金，Na元素和Si元素被沖淡稀釋，所以含量相對較低。

2.2 力學性能

分別在試片上切取20mm×120mm試樣，進行鑄錠力學性能對比。其中1～6為沿鑄錠厚度方向從中心到邊部的試樣。結(jié)果如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 6A02合金屈服強度檢測結(jié)果

圖2 6A02合金抗拉強度檢測結(jié)果

圖3 6A02合金延伸率檢測結(jié)果

從圖1、圖2和圖3中可以看出，在鑄錠1/4處呈現(xiàn)屈服強度和抗拉強度高、中部和邊部低的現(xiàn)象，且方案1低于方案2。延伸率的平均值分別為3.12%和7%，可見含Si、Na元素高的6A02合金延伸率明顯低于Si、Na元素含量少的6A02合金。

2.3 低倍組織

方案1生產(chǎn)的6A02合金表面有拉裂的現(xiàn)象產(chǎn)生，而且有大量皺褶，機加時需要大量車皮才能將其表面老皮去除；方案2生產(chǎn)的6A02合金鑄錠表面光滑，無大的偏析瘤，無拉裂、裂紋等表面缺陷。

2.4 高倍組織

兩種工藝生產(chǎn)的6A02合金鑄錠，沿鑄錠厚度方向分別在鑄錠邊部、1/4處、中心處進行鑄錠高倍組織檢查，典型組織相片見圖4。其中圖4(a)、(b)、(c)分別為方案1生產(chǎn)的6A02合金鑄錠厚度方向的邊部、1/4厚度處、中心處、；圖4(d)、(e)、(f)分別為方案2生產(chǎn)的6A02合金鑄錠厚度方向的邊部、

1/4厚度處、中心處。

圖4 不同位置的6A02合金顯微組織

從圖4兩種工藝生產(chǎn)的6A02合金鑄錠高倍組織顯微照片可以看出，從鑄錠中心至邊部，枝晶間距逐漸變小并且較均勻，枝晶臂變厚，基本上符合鋁合金的結(jié)晶規(guī)律。

3 分析與討論

3.1 Na的來源

Na元素主要是來自前爐高硅合金變質(zhì)處理后爐內(nèi)的殘余Na。用含Na鹽對Al-Si系合金變質(zhì)處理時，Na鹽組成一般為（40%～60%）NaF+（7%～15%）Na3AlF6+（12%～16%）NaCl+其他鹽，其使用量一般為爐料總量的0.4%～0.8%。連續(xù)生產(chǎn)幾爐或十幾爐后，大量的Na鹽滲到爐墻、爐底，其后即使洗爐，也不能完全除去磚縫中的Na，使后續(xù)生產(chǎn)其他鋁合金時Na含量偏高。所以方案2生產(chǎn)的6A02合金Na含量明顯低于生產(chǎn)高硅合

金后直接生產(chǎn)6A02合金的Na含量。

3.2 Na元素的影響

Na是鋁熔體中的微量元素之一，其含量對鋁合金鑄造、加工性能影響很大[1]。對共晶型Al-Si合金來說，Na能抑制晶粒長大，是良好的變質(zhì)劑，但對其他鋁合金卻帶來不利影響。方案1中生產(chǎn)的6A02合金爐內(nèi)殘存Na含量高，使其粘度變大，嚴重惡化其鑄造性能，特別是在生產(chǎn)流動性差的小規(guī)格圓錠時，鑄錠表面粗糙，褶皺嚴重。

生產(chǎn)中由于Na質(zhì)量分數(shù)高引起的裂紋如圖5所示。一般Na質(zhì)量分數(shù)高達1.6×10-5以上，引起裂紋走向曲折，斷口呈黃褐色，屬于沿晶裂紋，是典型的熱裂紋，如圖5(a)。Na質(zhì)量分數(shù)在1.0×10-5以上，鑄造過程中沒有產(chǎn)生裂紋，在其后的軋制過程中產(chǎn)生裂紋，如圖5(b)。

圖5 Na質(zhì)量分數(shù)高引起鋁合金的裂紋形態(tài)

隨熔體中Na含量升高，裂紋傾向十分嚴重，表現(xiàn)為鑄造時的熱裂紋及軋制時的邊部裂紋。有實驗證明，在生產(chǎn)中取300爐5083鋁合金研究Na質(zhì)量分數(shù)對裂紋傾向的影響，其結(jié)果見圖6。

圖6 Na質(zhì)量分數(shù)對5083裂紋傾向的影響

可見，隨著合金中Na質(zhì)量分數(shù)升高，裂紋傾向增大，尤其當ω%（Na）＞1.0×10-5時，裂紋傾上升。

Na屬于堿金屬元素，在實際生產(chǎn)中對鋁合金的各項性能影響極大，主要表現(xiàn)在鑄造拉裂傾向性增大；使合金粘度變大，嚴重惡化鋁合金的鑄造性能，尤其是生產(chǎn)流動性差的合金時，拉裂傾向性非常大；裂紋傾向性嚴重，軋制開裂嚴重，這種有害的作用被稱為鈉脆性[2]。

兩種方案中鈉的質(zhì)量分數(shù)相差6倍左右，且Na含量高的方案1表現(xiàn)出了明顯的拉裂和表面褶皺。主要原因為堿金屬質(zhì)量分數(shù)高時，游離在枝晶晶界處，使合金脆性增加。所有合金在固相線溫度以上的固液區(qū)內(nèi)，都存在一個強度和延長率低的脆性區(qū)，在這個區(qū)間內(nèi)，由于應(yīng)力而引起的變形超過了金屬塑性，就會導致裂紋產(chǎn)生。而Na的存在，使晶間液層變薄，擴大了合金的脆性溫度區(qū)間，使脆性區(qū)塑性差，裂紋傾向增加。隨著Na含量升高，這種影響更為明顯，因此必須降低Na含量，以降低合金的脆性。

4 降低鈉質(zhì)量分數(shù)的方法

為了減少Na對鋁合金拉裂傾向和裂紋傾向的影響，在熔鑄過程中應(yīng)采取以下措施：（1）采用無鈉精煉熔劑。在熔煉過程中，不使用含鈉的熔劑；（2）制定合理的生產(chǎn)順序。在實際生產(chǎn)中，要避免將含鈉熔劑及變質(zhì)劑的合金與不使用含鈉熔劑的合金進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)合金時要認真大清爐；

（3）采用除鈉精煉工藝。采用除Na精煉工藝，即采用N2-Cl2、Ar-Cl2混合氣體或純Cl2精煉鋁熔體；（4）使用除鈉劑。用于除去鋁合金中的雜質(zhì)鈉，主要成分為氯化鉀、氯化鎂、六氯化二碳。分為除鈉粉劑和除鈉塊劑兩種。實際生產(chǎn)中使用除鈉劑后Na含量由4.2×10-5降至1.9×10-5；（5）合金化除鈉。如向合金中添加銻、鉍等金屬元素，使之與雜質(zhì)鈉形成一種穩(wěn)定難溶化合物，借以提高固-液區(qū)的塑性，降低合金的熱脆性，從而減少鑄造時熱裂紋傾向。但銻的加入量不能太多，否則會在鋁合金中形成大量的含銻化合物，一般銻的加入量為0.01%～0.0015%。

5 結(jié)論

通過以上試驗及分析結(jié)果可以得出結(jié)論：

（1）6A02合金中由于Na元素含量的增加，導致了合金熔液粘度增大，拉裂傾向嚴重；由于產(chǎn)生鈉脆性而使鑄錠的裂紋傾向嚴重，延展率變低，鑄錠缺陷傾向增大。

（2）在實際生產(chǎn)中生產(chǎn)6A02合金前，要嚴格按照工藝規(guī)程執(zhí)行，認真大清爐，生產(chǎn)Na變質(zhì)合金后，盡量不生產(chǎn)拉裂傾向大的合金，防止拉裂。

（3）采用除鈉劑、除鈉精煉工藝等方法可以有效減少鈉的質(zhì)量分數(shù)，減少鈉對鋁合金的危害。

[1] 遲福全，王立娟，彭先亮. Na元素對鋁合金鑄造性能的影響[J].輕合金加工技術(shù)，2002，Vol.30，No8

[2] 王濱濱.高鎂鋁合金的鈉脆性[J].黑龍江冶金，2009，Vol.29，No.3

（編輯：余東梅）

鋁-金剛石復合材料的制造方法

美國專利 US8322398

本發(fā)明涉及的鋁-金剛石復合材料的制造方法包括以下步驟：制備具有一定粒度的金剛石粉；把硅膠加入制備好的金剛石粉中，制成漿料；把漿料通過模具壓制或澆入模具的方法制成緊密的金剛石顆粒制作體；在空氣或氮氣中焙燒金剛石顆粒制作體，使其成為多孔的金剛石顆粒預(yù)制體，然后對其加熱；把鋁合金加熱到熔點以上，使其成為熔融狀；將加熱好的多孔金剛石顆粒預(yù)制體浸沒到鋁合金熔體中進行浸滲處理，制作出板狀鋁合金-金剛石復合體，這種復合材料體的表面覆蓋一層鋁合金；再對板狀鋁合金-金剛石復合體進行壓制加工，制成最終的鋁-金剛石復合材料。

Effect of Na Element on Properties of 6A02 Alloy Ingot

YIN Yun-xia，XU Jian-qiu，HUANG Yan-chao， JIA Ning，LIU Ji-wei
（Northeast Light Alloy Co.,Ltd.,Harbin 150060,China）

In order to research the effect of Na on melting & casting process of 6A02 alloy with φ482mm, two technological processes were applied. The quality analysis of two different 6A02 alloys was implemented. Through comparative study, the influence of Na on component segregation, microstructure and mechanical properties existing in 6A02 alloy were observed. In the meantime, the suitable production technological process was determined.

6A02 alloy; sodium brittleness; sodium removal agent

TG292，TG146.21

A

1005-4898（2016）03-0026-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.03.06

殷云霞（1982-），女，黑龍江省克東縣人，工程師。

2016-01-19