一種高強Al-Mg-Si-Cu鋁合金鑄造工藝研究

張 宇，張書豪，馬國強，楊 路，于長富，鄭 建，祝 哮

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

Al-Mg-Si系合金因具有中等強度、良好的成型性、焊接性、耐腐蝕、表面光亮等特點，在建筑、橋梁、鐵路及公路交通等領域得到廣泛應用，但因其強度略低，且存在放置效應問題，導致該系列材料多用于裝飾件、覆蓋件、底板、頂棚或連接件等非主承力位置，很少用于承重結構件。近年來，為開發(fā)其易加工、連接性能優(yōu)良及耐蝕性等優(yōu)點，歐美等國家率先在車體結構上引入Al-Mg-Si系中添加Cu等元素，既可提高合金強度，滿足車體結構件的強度需求；又可抑制固溶后的時效析出，保持合金元素固溶度，滿足人工時效的濃度需求[1]。但加Cu后，拓寬了固液區(qū)溫度區(qū)間，導致鑄造過程中或開始凝固后脆性加大，裂紋傾向增大。且隨著鑄錠規(guī)格的加大，直接水冷半連續(xù)鑄造快速冷卻導致的應力也增加，裂紋傾向更加明顯[2]。國內(nèi)外生產(chǎn)經(jīng)驗表明，在合金規(guī)格增加到Φ300mm以上時，脆性急劇增大，鑄造成型非常困難。為此國內(nèi)外熔鑄工作者做了很多工作，比如調(diào)整鑄造溫度，改變水冷條件或采用梯度冷卻等方式，但效果均不明顯。本文采用仿真模擬的方法進行水冷強度和溫度場、應力場分布計算，并減少了應力集中區(qū)域的溫差，為合理選用鑄造工藝參數(shù)提供了解決方案。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

多元Al-Mg-Si-Cu合金化學元素成分標準值(質(zhì)量分數(shù)，%)為，Si 0.80～0.90，F(xiàn)e 0.20，Cu 0.40～0.50，Mn 0.40～0.50，Mg 0.75～0.85，Cr 0.10～0.14，Zr 0.09～0.12。

1.2 試驗方法

根據(jù)合金的液相線和該合金流動性好、易成型的特點，設計鑄造溫度660℃～700 ℃；結合相圖和同類合金的液穴形狀，設計鑄造速度45mm/min～60mm/min，單根冷卻水流量4m3/h～6m3/h。引入CAE分析技術對鑄造參數(shù)(表1)進行鑄造過程模擬，根據(jù)模擬結果進行實際生產(chǎn)，并對鑄棒進行質(zhì)量檢驗。

表1 鑄造工藝參數(shù)

2 試驗結果及分析

2.1 鑄造速度對溫度場及凝固效率的影響

使用CAE分析技術對表2工藝參數(shù)進行模擬分析，構建基于mile算法的半連續(xù)鑄造凝固過程的三維熱-流-力耦合模型[3]。由圖1可以看出，當鑄造溫度選用660 ℃時，鑄錠內(nèi)部至表面的溫度梯度較小，形成的液穴較淺，凝固殼的厚度厚。當選用較高的鑄造溫度，其他工藝參數(shù)不變時，鑄錠中心溫度降低較慢，形成的液穴深度較深，凝固殼較薄。

(a)工藝1；(b) 工藝2；(c) 工藝3圖1 不同鑄造溫度對溫度場及凝固效率的影響(550 mm)Fig.1 Effect of different casting temperature on temperature field and solidification efficiency(550 mm)

2.2 鑄造速度對鑄造應力的影響

圖2為不同鑄造速度下鑄錠內(nèi)部的應力場分布，從圖中可以看出，選用的鑄造速度愈高，鑄錠表面受到的應力逐漸減小，而鑄錠底部的應力分布表現(xiàn)為逐漸增大，且有偏向鑄錠芯部的趨勢。

(a)工藝a；(b) 工藝b；(c) 工藝c圖2 不同鑄造速度對鑄造應力的影響(350 mm)Fig.2 Effect of different casting speed on casting stress(350 mm)

2.3 二次冷卻強度對應力的影響

從圖3中可以看出，隨著鑄造水流量的加大，鑄錠受到最大應力位置更偏向于鑄錠表面，同時，鑄錠底部受到的應力也有進一步增大的趨勢。

(a)工藝A；(b) 工藝B；(c) 工藝C圖3 不同冷卻水流量對鑄造應力的影響(350 mm)Fig.3 Effect of different cooling water flow on casting stress(350 mm)

2.4 鑄造工藝參數(shù)對成裂指數(shù)的影響

凝固過程中裂紋形成的可能性可以用成裂指數(shù)來描述，成裂指數(shù)也是反映等效應力與材料的極限抗拉強度的比值[4]。利用三維熱-流-力耦合模型，帶入成裂指數(shù)公式，輸出成裂指數(shù)三維模型，截取模型中鑄造長度為150 mm、350 mm、550 mm、1350 mm 4個位置的模型，取成裂指數(shù)極值，制作成擬合曲線圖。由圖4可以看出，鑄造過程中，成裂指數(shù)一般為迅速升高，在鑄造長度為200mm～500 mm時處于峰值，在此之后成裂指數(shù)逐漸減小至穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)成裂指數(shù)判斷合金Φ310 mm圓錠半連續(xù)鑄造的最佳參數(shù)為鑄造溫度680℃～700 ℃，鑄造速度60 mm/min，單根冷卻水流量5 m3/h。

a)鑄造速度對成裂指數(shù)的影響；(b) 鑄造溫度對成裂指數(shù)的影響；(c) 冷卻水流量對成裂指數(shù)的影響圖4 不同工藝參數(shù)對成裂指數(shù)的影響Fig.4 Effect of different process parameters on the cracking index

2.5 鑄錠表面質(zhì)量

使用CAE分析技術輸出最優(yōu)參數(shù)生產(chǎn)5個熔次試驗棒，尺寸為Φ310mm×3200mm。鑄造過程成型良好，無底部、通心或澆口裂紋；鑄錠表面光滑平整，無冷隔、拉痕、漏鋁等缺陷，鑄錠的成品率達100%。

2.6 成分偏析

在鑄造典型位置切取橫斷面試片，分別在鑄錠邊部、1/2半徑、心部取樣進行化學成分偏析情況分析(表2)。表2中可見，各位置成分基本一致，所有元素偏析量均在0.02%以下。說明該參數(shù)設計合理，不會導致鑄錠宏觀偏析的發(fā)生。

表2 鑄錠化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2.7 低倍組織

對鑄錠進行低倍組織形貌檢測，其結果如圖5所示。可知，典型位置的低倍試片上，未發(fā)現(xiàn)羽毛晶、光亮晶粒、夾雜、疏松、氣孔等缺陷，晶粒度為1級，高倍下觀察皮下偏析層厚度約為1 mm。

(a)低倍形貌；(b) 鑄錠邊部偏析層圖5 鑄錠低倍形貌Fig.5 Low magnification macrostructure of cast rod

3 結論

(1)鑄錠的成裂指數(shù)隨著鑄造的進行呈現(xiàn)急速增大、急速降低、穩(wěn)定波動三個階段；

(2)結合實際生產(chǎn)及模擬分析結果，Φ310 mm的Al-Mg-Si-Cu合金圓鑄錠最優(yōu)工藝參數(shù)為，鑄造溫度680℃～700 ℃，鑄造速度60 mm/min，單根冷卻水流量5 m3/h；

(3)模擬分析結果與實際生產(chǎn)結果符合度較高，具有一定的生產(chǎn)指導意義。