大規(guī)格高鎂鋁合金扁錠熔鑄關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)踐

梁魯清

（青海橋頭鋁電股份有限公司，西寧810100）

大規(guī)格高鎂鋁合金扁錠熔鑄關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)踐

梁魯清

（青海橋頭鋁電股份有限公司，西寧810100）

通過大規(guī)格高鎂合金扁錠熔鑄關(guān)鍵工藝技術(shù)研究，在試制過程針對(duì)產(chǎn)品出現(xiàn)的主要質(zhì)量缺陷進(jìn)行分析，制定相應(yīng)解決措施，生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，形成批量生產(chǎn)工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

高鎂合金；粘度；漏鋁；鈉脆；塌裂；疏松；控制措施

0 前言

Al-Mg合金是以鋁為基體，以Mg元素為主要合金元素的鋁合金，在合金分類上屬于5系鋁合金，屬于不可熱處理強(qiáng)化合金。該系合金密度小，強(qiáng)度比1系和3系鋁合金高，屬于中高強(qiáng)度鋁合金，具有良好的成型加工性能、抗蝕性、焊接性和抗疲勞性能。高鎂鋁合金（Mg含量大于3%），在現(xiàn)有國(guó)際合金牌號(hào)中，有24種合金屬于高鎂合金[1、2]。研究表明[3、4]，隨著Mg元素的升高，鋁鎂合金不但具有優(yōu)異的成形性及抗腐蝕性，合金的鑄造性能更好、強(qiáng)度更高，當(dāng)Mg控制在4%～5%范圍，合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最高值，因此被廣泛應(yīng)用于交通、航空、航天構(gòu)件與船舶等領(lǐng)域。目前隨著合金用途、材料大型化以及整體加工成型技術(shù)的日益成熟，高性能鋁合金厚板、超厚板的重要性越來越突出，對(duì)加工用鑄錠坯料的尺寸要求也越嚴(yán)格。對(duì)于高鎂、大規(guī)格的鋁合金鑄錠的生產(chǎn)，從設(shè)備工裝、工藝技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)控制等方面都提出了較高要求，本文就青海某鋁業(yè)公司開發(fā)船用板、油罐車、易拉罐罐蓋用大規(guī)格5系高鎂合金（5083、5182合金）扁鑄錠關(guān)鍵工藝技術(shù)控制進(jìn)行了研究與探討。

1 高鎂元素對(duì)生產(chǎn)合金扁錠的影響

1.1 合金熔體黏度增大

研究表明，隨Mg含量增加（2.5%～5%），Al-Mg合金的黏稠性增大，流動(dòng)性相對(duì)變差[5、7]。主要原因是熔煉過程中形成的氧化層和夾雜物引起的。由于Mg與氧的親和性，Mg引起熔體中氧化夾雜物的形成，同時(shí)表面生成的氧化膜不能阻止Mg繼續(xù)氧化而生成疏松多孔的氧化膜。

1.2 除氣效果變差

眾所周知，鋁熔體最好的除氣（H）方式是用Cl或惰性氣體N、Ar，鋁鎂合金是不能用N氣精煉的，因用N氣精煉會(huì)生成氮化鎂，會(huì)使熔體更加黏稠。在用Ar、Cl氣體精煉時(shí)，由于高鎂合金較高的黏稠性，會(huì)使精煉介質(zhì)不能充分彌散溶解到熔體中，加之氣體的吹入，也會(huì)降低溶體溫度，精煉氣體與H接觸的機(jī)會(huì)減少，除氫效果就會(huì)變差。

1.3 除渣效果變差

熔體夾雜與熔體動(dòng)力黏度關(guān)系研究結(jié)果證明[6]，鋁熔體的黏度愈大，夾雜物半徑越小，熔體與夾雜物的重度差越小，夾雜物沉浮速度越慢，并隨著溫度的降低，除雜的效果越差。

鋁熔體除渣方法常用熔劑精煉法，相對(duì)比氣體除渣效果高。高鎂合金由于黏稠性大，雜質(zhì)被吸附的阻力增大；如果熔體溫度再偏低，熔劑的溶解作用減小，就會(huì)影響除渣效果。

1.4 扁錠大面易產(chǎn)生皺褶缺陷

研究表明[6]，高鎂合金黏稠性也是扁錠大面表層產(chǎn)生皺褶的重要原因。由于高鎂合金熔體黏度大、流動(dòng)性差，在澆注過程中，熔體流速慢，結(jié)晶器漏斗兩側(cè)液面的溫度比其他部位要低（10～15℃），使該部位來不及新熔體補(bǔ)充更新形成較厚、疏松的氧化鎂層膜，在熔體表面張力的作用下，氧化膜拉斷隨熔體翻卷至鑄錠表面時(shí)，由于冷卻收縮力的作用，鑄錠表面形成皺褶缺陷。

1.5 增大鈉脆缺陷

鈉在鋁中一般以金屬間化合物NaAlSi狀態(tài)存在，幾乎沒有游離單質(zhì)鈉存在，不會(huì)產(chǎn)生鈉脆，對(duì)鑄錠成形與后續(xù)軋制加工裂紋產(chǎn)生影響不大。但在含鎂的鋁合金中Mg與NaAlSi會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

游離出的單質(zhì)鈉在合金晶界上形成不連續(xù)的脆性球狀質(zhì)點(diǎn)，使該區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，使鑄錠在鑄造過程容易開裂不易成型，且在鑄錠后續(xù)熱軋中易產(chǎn)生板材開裂缺陷。這種缺陷并隨著合金熔體NaAlSi與Mg含量的升高而加劇。

2 大規(guī)格扁錠成形的難點(diǎn)

高鎂合金由于鎂、錳、鉻含量較高，鑄造時(shí)形成的液穴較深，熱敏感性較其它合金更強(qiáng)，鑄造過程極易出現(xiàn)熱裂。特別是大規(guī)格、寬厚比大的鋁鎂合金扁錠，不僅易出現(xiàn)錠尾熱裂，又由于扁錠規(guī)格大，如果冷卻強(qiáng)度過大，產(chǎn)生底部翹曲過大引起漏鋁；冷卻強(qiáng)度如果不足，鑄錠強(qiáng)度無法滿足應(yīng)力釋放要求，會(huì)導(dǎo)致鑄錠底部中間塌陷開裂，嚴(yán)重的會(huì)使裂紋擴(kuò)展至鑄錠澆口部，造成鑄錠通裂。

任何生產(chǎn)方式出來的鋁合金鑄錠都會(huì)存在各種微缺陷，如疏松、夾雜、裂紋、冷隔等，鑄錠本身內(nèi)部也存在鑄造應(yīng)力。當(dāng)這種殘余應(yīng)力極易在各種微缺陷上產(chǎn)生應(yīng)力集中，鑄錠易產(chǎn)生脆性冷裂，還會(huì)引起鑄錠發(fā)生幾何變形進(jìn)而產(chǎn)生鑄錠底部翹曲、鑄錠大面凹陷等缺陷，這種問題又隨著鑄錠尺寸和寬厚比的增加進(jìn)一步加劇。

3 扁錠生產(chǎn)中的問題及解決辦法

公司于2016年開始研發(fā)試制罐蓋用5182、船用板5053高鎂大規(guī)格（630mm×1800mm、630mm×2130mm）鋁合金扁錠，在試制過程中主要出現(xiàn)以下問題。

3.1 扁錠鑄造成型困難

3.1.1 角部漏鋁

漏鋁特征及原因：當(dāng)啟車鑄造至260mm時(shí)發(fā)現(xiàn)角部漏鋁嚴(yán)重，如圖4，鑄造失敗。分析認(rèn)為，鑄造采用可調(diào)式結(jié)晶器，該結(jié)晶器四個(gè)角部是鋁材質(zhì)，相對(duì)石墨材質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)相差過大，且摩擦力相對(duì)增大，造成角部冷卻收縮與大小面不同步，導(dǎo)致漏鋁。

我們提出的解決措施如下：在結(jié)晶器角部鋁材質(zhì)周圍涂抹潤(rùn)滑油，提高潤(rùn)滑效果；（2）調(diào)整鑄造工藝參數(shù)，啟車速度由原32mm/min調(diào)整到35mm/min，冷卻強(qiáng)度由啟車時(shí)的58m3/h降至55m3/h。隨著鑄長(zhǎng)增加，逐步提升鑄速與冷卻強(qiáng)度，當(dāng)鑄長(zhǎng)達(dá)到240mm時(shí)，鑄速達(dá)到51mm/min，冷卻強(qiáng)度達(dá)到133m3/h時(shí)，鑄造參數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)。這樣既降低鑄錠角部接觸面積，又保證角部間隙，達(dá)到減少鑄錠與結(jié)晶器角部面的摩擦與不漏鋁缺陷，同時(shí)冷卻強(qiáng)度的緩慢降低，提高錠內(nèi)溫度，有效抑制錠尾過度翹曲。通過上述措施，鑄錠角部質(zhì)量得到明顯改善，如圖2所示。

圖1 鑄錠角部漏鋁

圖2 措施調(diào)整后鑄錠角部質(zhì)量

3.1.2 鑄錠大面底部塌陷開裂

裂紋特征及原因：從鑄錠大面底部產(chǎn)生的塌陷開裂位置與特征分析，缺陷位置通常在大面底部中間處，特征是大面中間與鋪底面中間塌陷開裂，在裂縫兩側(cè)存在收縮的現(xiàn)象，裂紋從鑄錠兩大面底部沿大面中心縱向擴(kuò)展至澆口部，導(dǎo)致鑄錠通裂，如圖3。

圖3 鑄錠大面底部塌裂

分析認(rèn)為，LHC低液位鑄造，澆鑄開始鋪底至穩(wěn)定階段，主要由于鑄速過快、大面冷卻強(qiáng)度偏低、水質(zhì)問題、加之澆注過程鋁液填充時(shí)間短，大面底部形成的扇形蒸氣屏障不夠長(zhǎng)，導(dǎo)致薄膜沸騰不足造成中間塌陷開裂缺陷。裂紋在鑄錠內(nèi)部應(yīng)力的作用下繼續(xù)沿裂紋源擴(kuò)展延伸至整個(gè)大面，形成鑄錠通裂現(xiàn)象。

解決措施：由于鑄錠熱裂、錠尾塌陷與翹曲漏鋁缺陷的產(chǎn)生原因是相互矛盾的，因此在解決錠尾塌裂時(shí)要綜合考慮其它兩缺陷。（1）在預(yù)防角部漏鋁缺陷產(chǎn)生的條件下，調(diào)整鑄造工藝參數(shù)，啟車速度由原32mm/min調(diào)整到35mm/min；（2）大面中部采用隔二堵一水孔措施，大面兩角部隔一堵一水孔辦法，這樣可相對(duì)降低大面中部的冷卻與結(jié)晶收縮量，適當(dāng)降低鑄錠尾部的翹曲；（3）增加結(jié)晶器充液時(shí)間，從原來的58mm/min調(diào)整到62mm/min，增大鑄錠尾部沸騰膜的面積與厚度，降低啟車過程錠尾的熱傳遞，減少錠尾翹曲與裂紋的產(chǎn)生。

3.2 鈉含量超標(biāo)

用戶反饋我公司生產(chǎn)的5083合金扁錠熱軋過程出現(xiàn)嚴(yán)重裂邊缺陷，如圖4所示。通過分析造成此扁錠質(zhì)量缺陷的原因主要集中在堿金屬Na元素可能超標(biāo)所引起的。

圖4 熱軋板材裂邊

對(duì)部分扁錠鈉含量進(jìn)行抽檢檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。

表1 5083合金Na含量分析報(bào)告

軋制板材裂邊深度與Na含量的關(guān)系（同行業(yè)廠家實(shí)驗(yàn)測(cè)數(shù)據(jù)）如表2所示。

表2 板帶裂邊深度與Na含量的關(guān)系

從表1、2可得出，公司供給用戶5083合金扁錠經(jīng)熱軋后板材出現(xiàn)嚴(yán)重裂邊的主要原因是扁錠中Na含量過高造成。

3.2.1 Na的主要來源

經(jīng)分析，Na的主要來源：（1）電解原鋁、鋁錠；（2）金屬溶劑。檢測(cè)分析公司電解原鋁液中Na含量平均在30～45×10-3mg/g，鋁錠中的平均含量為5×10-3mg/g，外購(gòu)金屬溶劑（覆蓋劑、精煉劑、打渣劑）中的平均含量為125×10-3mg/g。

3.2.2 解決措施

（1）電解原鋁入爐前進(jìn)行除Na預(yù)處理，采用RAM除堿設(shè)備。原鋁液經(jīng)處理后，Na含量降到2×10-3mg/g以下；（2）金屬熔劑采用無Na熔劑；（3）爐內(nèi)采用氬氣透氣磚精煉、爐外在線精煉采用Hycast氬氣精煉裝備及工藝。

3.3 鑄錠組織疏松缺陷

3.3.1 疏松特征及產(chǎn)生原因

將鑄錠試樣片車銑面后，經(jīng)堿水溶液浸蝕后，觀察到試樣表面上所存在的黑色針孔狀疏松（如圖5），經(jīng)過級(jí)別對(duì)比，屬于較嚴(yán)重的三級(jí)疏松。

圖5 鋁鎂合金疏松組織

經(jīng)分析產(chǎn)生疏松的主要原因是，由于高鎂合金固有特性，即黏稠、流動(dòng)性差、氧化夾渣、吸氫嚴(yán)重；加之扁錠尺寸偏大、熔體溫度分布均勻性差，鑄造過程熔體結(jié)晶補(bǔ)縮慢等，易造成收縮疏松和夾雜、夾氣疏松。

3.3.2 疏松對(duì)材料性能的影響

金屬加工變形后，疏松有的能被焊合，有的不能被焊合，不能被焊合的疏松往往成為裂紋源。變形量較大時(shí)，幾個(gè)鄰近的疏松可能形成小裂紋，進(jìn)而相連形成大裂紋，導(dǎo)致加工制品報(bào)廢。如果疏松沒形成大裂紋，也不同程度降低制品的質(zhì)量。

3.3.3 疏松的防止措施

（1）適當(dāng)提高澆注溫度，降低澆注速度。提高高鎂合金熔體的流動(dòng)性與補(bǔ)縮性能；（2）控制正常澆鑄開始溫度與鑄造結(jié)束溫差，始終控制在±2℃。提高熔體補(bǔ)縮穩(wěn)定性能；（3）加強(qiáng)熔體精煉，杜絕使用氮?dú)饧昂琋a、Ca的金屬精煉劑。以防生成氮化鎂增加熔體的黏度及夾渣的升高；（4）熔體不能過熱，停留時(shí)間不能過長(zhǎng)，以防熔體過熱產(chǎn)生的疏松缺陷；熔體澆鑄過程表明使用無鈉覆蓋劑，可防止熔體因吸收大量氣體產(chǎn)生的氣體疏松缺陷。

3.4 優(yōu)化后的熔鑄工藝與產(chǎn)品質(zhì)量

3.4.1 熔鑄工藝

通過高鎂合金熔煉、精煉、鑄造工藝的不斷優(yōu)化與摸索，最終形成生產(chǎn)大規(guī)格高鎂合金（主要是5182、5083合金）生產(chǎn)工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。主要生產(chǎn)工藝條件如下：

（1）原鋁除堿工藝。除堿介質(zhì)：AlF3（粉粒狀）+Ar（氣態(tài)）；用量：AlF3∶75g/t·Al；Ar氣：130L/t·Al；精煉時(shí)間：20min/6t·Al。

（2）熔體熔煉工藝。熔煉溫度740～750℃，熔煉時(shí)間不超過60min，電磁攪拌20min。熔煉、扒渣、取樣合格后，熔體表面覆蓋一層無Na覆蓋劑，用量1.5kg/t·Al。

（3）熔體精煉工藝。保溫爐內(nèi)：精煉溫度730～735℃；精煉時(shí)間20～30min；精煉方法：爐底透氣塞10個(gè)，介質(zhì)：Ar氣，用量：4.5L/min。另加載Ar噴粉（無毒高效精煉劑）精煉，精煉劑用量：1.0kg/t·Al。爐外在線熔體凈化處理：除氣裝置：Hycast I-60 SIR除氣箱；除氣介質(zhì)：Ar氣；用量：120L/min；除渣裝置：深床過濾箱；熔體溫度：720～725℃。

（4）鑄造工藝，如表3。

表3 大規(guī)格高鎂合金扁錠鑄造工藝

3.4.2 產(chǎn)品質(zhì)量

大規(guī)格高鎂合金（5182、5083）扁錠經(jīng)外觀質(zhì)量檢測(cè)與內(nèi)部質(zhì)量分析，質(zhì)量指標(biāo)如下：外觀尺寸與外觀質(zhì)量合格；內(nèi)部質(zhì)量：化學(xué)成分符合用戶要求。晶粒度1級(jí)，疏松1級(jí)，氫含量0.11mL/100g·Al，無裂紋、夾渣、氣孔、羽毛晶等缺陷，堿金屬Na＜3× 10-3mg/g，Ca＜1× 10-3mg/g，Li＜3× 10-3mg/g。滿足用戶要求，優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

（1）高鎂合金熔體具有黏度大、流動(dòng)性差等特性，易產(chǎn)生夾渣、吸氫、組織疏松等缺陷。扁錠生產(chǎn)過程適當(dāng)提高熔體溫度，加強(qiáng)熔煉與熔體凈化處理，控制澆鑄速度等參數(shù)。

（2）高鎂合金易產(chǎn)生鈉脆性，造成鑄錠裂開及加工板材的深度裂邊缺陷。必須加強(qiáng)對(duì)原輔材料中Na、Ca、Li等堿金屬的控制，生產(chǎn)中采取除堿工藝，嚴(yán)控合金中堿金屬元素不能超過5×10-3mg/g。

（3）大規(guī)格鋁合金扁錠，特別是寬厚比加大的鑄錠成形較為困難。選擇合適的結(jié)晶工裝，配比合適的鑄造工藝技術(shù)參數(shù)，可預(yù)防漏鋁、大面通裂等質(zhì)量缺陷。

（4）高鎂合金熔體凈化處理，最好采用先進(jìn)的除氣、除渣（深床過濾）工裝與工藝技術(shù)。

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Melting and Casting Technologies and Practices for Large-sized High-magnesium Aluminum Alloy Flat Ingots

LIANG Lu-qing
（Qinghai Qiaotou Aluminum&Power Co.Ltd，Xining 810100，China）

Key casting technology for large-sized high-magnesium alloy flat ingot were researched.Major quality defects of the prod?ucts during manufacturing were analyzed,and corresponding solutions were formulated.Qualified products were made,and technolo?gy standard for batch production were formed.

high-magnesium alloy；viscosity；leakage of aluminum；sodium brittleness；crack down；porosity；control measures

TG292

B

1005-4898（2017）05-0045-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.05.09

青海省重點(diǎn)研發(fā)與轉(zhuǎn)化技術(shù)項(xiàng)目（2016-GX-C3）。

梁魯清（1968-），男，山東單縣人，碩士，高級(jí)工程師。

2017－08－10