半連續(xù)鑄造工藝對Al-Mg-Si-Mn合金鑄錠組織與性能的影響

孫小燕，張 會，王順成，羅銘強，陳文泗

（1.廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510650；2.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528000）

A1-Mg-Si-Mn合金是可熱處理強化的中高強度鋁合金，具有優(yōu)良的成形性能、焊接性能和耐腐蝕性能等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、軌道交通、飛機和機械裝備等領(lǐng)域，如橋梁、起重機、屋頂構(gòu)架、運輸機、運輸船等[1-3]。但A1-Mg-Si-Mn合金的合金元素含量較高，合金凝固結(jié)晶溫度范圍較寬，半連續(xù)鑄造A1-Mg-Si-Mn合金鑄錠，晶粒通常較為粗大且不均勻，元素偏析和熱裂傾向較大，嚴重影響鑄錠的后續(xù)加工性能和產(chǎn)品的組織性能[4-6]。為了優(yōu)化A1-Mg-Si-Mn合金的半連續(xù)鑄造工藝，獲得高質(zhì)量的A1-Mg-Si-Mn合金鑄錠，本文采用半連續(xù)鑄造工藝制備A1-0.78Mg-0.95Si-0.55Mn合金鑄錠，研究了鑄造溫度和鑄造速度對A1-0.78Mg-0.95Si-0.55Mn合金顯微組織與力學(xué)性能的影響。

1 實驗材料與方法

實驗材料為A1-0.78Mg-0.95Si-0.55Mn合金，采用純鋁錠（99.7%，質(zhì)量百分比，下同）、純鎂錠（99.8%）、A1-20Si中間和A1-50Mn中間合金熔煉配制，經(jīng)SPECTROMAX光電直讀光譜儀測定，其化學(xué)成分為：Mg0.78%，Si0.95%，Mn0.55%，F(xiàn)e0.13%，余量為A1和可不避免的雜質(zhì)元素。

實驗設(shè)備為300 Kg鋁合金熔煉爐和半連續(xù)鑄造機，在鋁合金熔煉爐內(nèi)于760℃加熱熔化A1-0.78Mg-0.95Si-0.55Mn合金，然后用高純氬氣和鋁合金精煉劑對鋁合金液進行噴吹精煉除氣除雜，扒渣后再靜置30min，最后將鋁合金液半連續(xù)鑄造成直徑110mm的鋁合金鑄錠。為了研究鑄造溫度和鑄造速度對半連續(xù)鑄造鋁合金鑄錠顯微和力學(xué)性能的影響，實驗分兩組進行，第一組實驗：鑄造速度為180mm/min，冷卻水流量為40L/min，鑄造溫度分別為680℃、700℃和720℃。第二組實驗：鑄造溫度為700℃，冷卻水流量為40L/min，鑄造速度分別為140mm/min、160mm/min、180mm/min和200mm/min。

實驗完成后，分別在鋁合金鑄錠橫截面的邊部和心部取樣，試樣經(jīng)磨制、拋光和腐蝕后，在LEICA-DMI3000M金相顯微鏡上進行組織觀察。將試樣加工成標準拉伸試樣，試在DNS200型電子拉伸機上進行室溫拉伸，拉伸速度為1 mm/min，拉伸試樣的形狀尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣的形狀尺寸示意圖

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 鑄造溫度對鑄錠組織性能的影響

圖2為鑄造溫度對半連續(xù)鑄造A1-0.78Mg-0.95Si-0.55Mn合金鑄錠顯微組織的影響。從圖2可看到，當鑄造溫度為720℃時，鑄錠心部和邊部的晶粒尺寸差別較大，心部晶粒尺寸大于邊部的晶粒尺寸，當鑄造溫度為700℃時，鑄錠心部和邊部均是細小的均勻的等軸晶組織，當鑄造溫度進一步降低為680℃時，鑄錠心部和邊部是較為粗大的薔薇狀枝晶組織，且心部和邊部的組織差別進一步增大，如圖2（e）和（f）所示。

圖2 鑄造溫度對半連續(xù)鑄造鋁合金鑄錠顯微組織的影響

由此可見，當鑄造溫度過高時，鑄錠心部鋁液凝固速度較慢，鑄錠邊部和心部有較大的溫度梯度，導(dǎo)致鑄錠心部晶粒不斷長大；當鑄造溫度為700℃時，在該溫度下，金屬熔體有較好的流動性，使溫度場趨于均勻，促進了形核數(shù)目的增加，最終獲得均勻細小的凝固組織；當鑄造溫度過低時，由于接近金屬的凝固點，合金液體很快進入固液兩相區(qū)，因其粘度較大，組織較粗大，且分布也不均勻。因此，對于半連續(xù)鑄造，適當?shù)奶岣哞T造溫度有利于獲得細小球形組織。

由上述分析可知，在半連續(xù)鑄造過程中，鑄造工藝參數(shù)對鑄錠的組織與性能有較大的影響，鑄造速度過快，冷卻水只能冷卻外部極薄的一層金屬液體，而很難達到鑄錠的內(nèi)部，這就在鑄錠中心部位留下了大量得固液兩相區(qū)和完全的熔體區(qū)域，這時，夾雜、氣體都不易浮上來，容易產(chǎn)生縮孔，氣泡，偏析等缺陷的產(chǎn)生。

同時，鑄錠不同半徑尺寸處的溫度差增大，對于獲得均勻的組織和性能也不利；若鑄造速度過慢，易造成鑄錠心部快速凝固，形核數(shù)目減少，同時由于鑄錠過早形成凝固殼，增大了與結(jié)晶器壁的摩擦力，鑄錠表面質(zhì)量降低。此外，鑄造溫度過高，容易造成鑄錠內(nèi)外溫度過高，組織不均勻等現(xiàn)象，但鑄造溫度過低時，由于接近金屬的凝固點，合金液很快進入液固兩相區(qū)，組織較粗大。

圖3為A1-0.78Mg-0.95Si-0.55Mn合金鑄錠的拉伸力學(xué)性能隨鑄造溫度的變化曲線。

圖3 鋁合金鑄錠的拉伸力學(xué)性能隨鑄造溫度的變化曲線

從圖3可看到，鋁合金鑄錠的拉伸力學(xué)性能隨著鑄造溫度的升高，先升高再下降。當鑄造溫度為700℃時，鋁合金鑄錠的拉伸力學(xué)性能最高，抗拉強度為268.4 MPa，伸長率為9.7%。

2.2 鑄造速度對鑄錠組織性能的影響

圖4為鑄造速度對半連續(xù)鑄造A1-0.78Mg-0.95Si-0.55Mn合金鑄錠顯微組織的影響。

從圖4可看到，隨著鑄造速度的增加，鑄錠試樣的顯微組織在不斷的細化，在鑄造速度為180mm/min時，顯微組織非常的均勻細小，以等軸晶的形式存在，且鑄錠的邊部和心部的晶粒大小和形狀基本沒有差別，如圖4（e）和（f）所示，當鑄造速度進一步增加到200 mm/min時，鑄錠的顯微組織發(fā)生了明顯的變化，在鑄錠的邊部為較為細小的等軸晶，在鑄錠的心部鑄錠是較為粗大的薔薇狀枝晶，如圖4（g）和（h）所示。

圖4 鑄造速度對半連續(xù)鋁合金鑄錠顯微組織的影響

上述實驗結(jié)果表明，在保證鑄錠成形的前提下，適當提高鑄造速度有利于改善鑄錠內(nèi)部晶粒的分布均勻性，當鑄造速度過大時，溶體內(nèi)部溫度梯度分布不均勻，同時液穴深度較高，而鑄造速度較小時，鑄錠冷卻速度過快，形核數(shù)目減少，同時由于鑄錠過早形成凝固殼，增大了與結(jié)晶器壁的摩擦力，鑄錠表面質(zhì)量降低。

圖5為A1-0.78Mg-0.95Si-0.55Mn合金鑄錠的拉伸力學(xué)性能隨鑄造速度的變化曲線。

從圖5可看到，鋁合金鑄錠的拉伸力學(xué)性能隨著鑄造速度的增加，先逐漸升高，然后再下降。當鑄造速度提高到180mm/min時，鋁合金鑄錠的拉伸力學(xué)達到最高，抗拉強度為268.4 MPa，伸長率為9.7%。

圖5 鋁合金鑄錠的拉伸力學(xué)性能隨鑄造速度的變化曲線

3 結(jié)論

（1）降低鑄造溫度和提高鑄造速度，鋁合金液的彎液面曲率半徑以及鋁合金液與結(jié)晶器接觸高度減小，初凝殼形成位置點降低，液穴深度也隨之相應(yīng)減小，有利于鑄錠的成型和提高鑄錠的表面質(zhì)量。

（2）當鑄造溫度為700℃、鑄造速度為180mm/min、冷卻水流量為40L/min時，鑄錠橫截面的晶粒組織均勻細小，鋁合金鑄錠的抗拉強度為268.4 MPa，伸長率為9.7%。