7055合金熔鑄工藝研究

張芯華

(西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

7055鋁合金是航天航空新一代輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)材料，是目前變形鋁合金中強度較高的合金之一，而且斷裂韌性好，抗疲勞裂紋擴展能力強。目前，7055-T77制品已用于波音777客機的上翼蒙皮、機翼桁條[1]。但由于7055合金元素含量高，結(jié)晶溫度范圍寬，在半連續(xù)鑄造過程中具有極大的熱裂以及冷裂傾向。同時7055合金Zn含量很高，熔體黏度大，流動性差，凝固結(jié)晶過程氣體不易析出，熔體補縮較差，容易在鑄錠中形成疏松或氣泡。因為黏度大，鑄造過程中渣子不容易從熔體分離，造成鑄錠夾渣缺陷。因此，確定合理的熔鑄工藝是7055合金的技術(shù)難點之一。

我們根據(jù)7055合金的熔鑄特點，并結(jié)合已有的技術(shù)經(jīng)驗，通過多輪工藝試驗，最終突破了400mm×1320mm規(guī)格熔鑄工藝，鑄造出合格的鑄錠。

1 試驗過程及結(jié)果

1.1 試驗過程

試驗所用合金符合國家GB/T 3190-2008標準中對7055合金化學成分的要求，見表1。

表1 7055合金成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

一級廢料使用量不超過50%，合金中所需的Cu、Mg、Zn以純金屬形式加入，Zr以Al-Zr中間合金形式加入。配料時控制ω（Si）≤0.05%，ω（Fe）≤0.08%。試驗用9t熔鑄機組采用天然氣加熱，分為熔煉爐和靜置爐，鑄造機為9t液壓式半連續(xù)鑄造機。為提高熔體質(zhì)量，在靜置爐內(nèi)采用爐底透氣磚進行連續(xù)精煉處理，在線采用SNIF除氣裝置除氣，采用單級泡沫陶瓷板進行過濾，采用Al-3Ti-0.15C在線細化，加入量3～5kg/t。本輪試驗共生產(chǎn)了9個熔次，鑄錠規(guī)格為400mm×1320mm，從1-5熔次開始采用圓弧結(jié)晶器，具體工藝參數(shù)見表2。

表2鑄造工藝參數(shù)及鑄錠成型情況

1.2 試驗結(jié)果

從表2可以看出7055合金鑄造成型性很差，有很大的裂紋傾向性。隨著鑄造速度及冷卻水流量的降低，鑄錠開裂概率隨之下降，采用圓弧結(jié)晶器有利于減少小面轉(zhuǎn)角裂紋。經(jīng)檢測鑄錠晶粒度為2.5～3.0級、氧化膜1級、疏松1級，主要合金元素Cu偏析在10%左右，Mg偏析在8%左右，Zn偏析在5%左右，鑄錠邊部元素含量高于鑄錠心部，呈現(xiàn)反偏析特征。經(jīng)壓延加工后，板材性能滿足指標要求，達到A級探傷要求。

2 熔鑄工藝總結(jié)及討論

2.1 熔煉工藝

7055合金熔煉主要解決的問題：（1）熔體Fe、Si雜質(zhì)含量的控制；（2）控制和調(diào)整化學成分；（3）減少熔體氧化燒損，減少吸氣和造渣。

2.1.1 熔體Fe、Si雜質(zhì)含量的控制

7055合金中雜質(zhì)元素Si、Fe主要生成Al7Cu2Fe、Fe2Si2Al9等相。這些相經(jīng)過后續(xù)的熱變形加工破碎和固溶熱處理仍難以回溶，殘留在最終狀態(tài)合金中成為開裂源，同時消耗了合金中的主合金元素，造成合金中沉淀強化相的體積分數(shù)難以提高，對合金的綜合性能造成負面影響。7055合金中Fe、Si雜質(zhì)的主要來源為原材料、爐襯、鐵制工具。因此，在7055合金熔煉過程中，采取了以下措施：

（1）配料時合理搭配廢料、高精鋁錠和普通鋁錠的用量，一般高精鋁錠的用量不低于40%。

（2）對接觸熔體的工具必須進行噴涂鈦白粉處理。

（3）每熔次必須徹底清理干凈爐底及爐墻的鋁渣。

2.1.2 熔體質(zhì)量控制

7055合金由于合金化元素含量高、種類多，含有易氧化和增加熔體黏稠度元素，吸氣造渣現(xiàn)象較突出。而熔體中夾渣與氣體往往共生，增加熔體除氣難度，熔體中大量的氫除在鑄錠凝固時以氣孔、孔洞形式存在外，更多是以顯微疏松形式存在于鑄錠中，鑄錠內(nèi)部顯微疏松很大程度上也取決于熔體中氫含量。這些以疏松孔洞形式存在的氫，會割裂合金基體，造成鑄態(tài)強度降低、鑄錠開裂，同時對后端加工材的力學強度、韌性、耐疲勞、耐腐蝕性等有著決定性影響。

熔體質(zhì)量的控制主要體現(xiàn)在熔體吸氣和含渣量是否高、是否產(chǎn)生了過熱、成分是否均勻等，這些因素會影響鑄錠質(zhì)量和鑄造裂紋的產(chǎn)生。因此，7055合金在熔煉過程中采取以下措施：

（1）加料前在爐底均勻鋪撒20～30kg熔劑粉，加料后在爐料上層鋪撒20～30kg熔劑粉，熔體化平充分攪拌后鋪撒20～30kg熔劑粉，以減少熔體的氧化、吸氣和造渣。

（2）熔煉時熔體金屬溫度小于750℃。（3）熔體倒爐前充分攪拌。

2.1.3 化學成分控制

Zn、Mg、Cu元素是材料關(guān)鍵性能的決定因素，在合金中主要以固溶質(zhì)子、平衡相h（Mg-Zn2）、T（Al2Mg3Zn3）以及非平衡相h′的形式存在。此外合金中還存在一定量的Al7Cu2Fe、S（Al2CuMg）相。合金元素Cu大部分溶于基體，起輔助強化作用，還可以降低晶內(nèi)和晶界之間的電位差而改善應力腐蝕性能。但較高銅量和存在較多鎂量時，可生成難溶化合物S（Al2CuMg）相，在鑄錠均化和板材熱處理時難以全部充分溶入基體，影響合金韌性疲勞性能。當合金雜質(zhì)鐵量較高時還生成幾乎不溶的Al7Cu2Fe，對塑性性能也有相當影響。因此銅量應在保證標準成分范圍內(nèi)盡量控制在較下限區(qū)域。合金元素Zn、Mg構(gòu)成主要強化相MgZn2、Al2Mg3Zn3等，Zn、Mg含量理應按上限控制，較高Mg量對抑制Si不利影響和提高鑄造成形都有利。但提高Mg量一方面會促進生成難溶Al2CuMg，另一面也會降低Zn/Mg值，不利于合金韌性指標提高。從綜合合金性能看，Mg量宜于中下限控制，Zn量宜于在中上限控制。

生產(chǎn)控制中要求ω（Si）＜0.05%、ω（Fe）＜0.08%，Cu含量、Mg含量位于中下限，Zn含量位于中上限[2]。

2.2熔體凈化

熔體凈化主要是指除氣和除渣操作。本試驗除氣操作采用爐底透氣磚對熔體持續(xù)精煉除氣。除氣介質(zhì)為氬氣，壓力0.4～0.6MPa，在線采用SNIF除氣設(shè)備精煉除氣，整個系統(tǒng)除氣效率達到70%～75%。除渣是通過采用泡沫陶瓷板過濾實現(xiàn)的，過濾精度為60ppi。實際生產(chǎn)中液態(tài)氫含量控制在0.08～0.10mL/100gAl范圍。圖1為鑄錠1/2寬度處表層、1/4厚度和1/2厚度處顯微疏松組織圖片。從表層到心部顯微疏松的尺寸增大，數(shù)量變多，最大顯微疏松尺寸控制在100μm以內(nèi)。

圖1鑄錠微觀顯微疏松

2.3 鑄造工藝

鋁合金鑄造主要是解決鑄錠成型問題，其次才是鑄錠內(nèi)部質(zhì)量問題。而7055合金由于成分特點決定了容易產(chǎn)生鑄錠裂紋，再加上扁鑄錠因?qū)捳娴睦鋮s強度不均而產(chǎn)生應力，也極易造成鑄錠裂紋，因此需要合理搭配鑄造工藝參數(shù)來控制鑄造裂紋。

2.3.1 鑄造速度控制

鑄造速度過快時，液穴的深度將變深，易產(chǎn)生鑄錠寬面裂紋；鑄造速度過低時，液穴的壁厚將增加，從而導致外層收縮的阻力增加，易產(chǎn)生鑄錠側(cè)面裂紋。從表2可知，鑄造速度從58mm/min降至54mm/min時，大面開裂的概率降低，但小面轉(zhuǎn)角開裂情況沒有好轉(zhuǎn)。通過加大結(jié)晶器轉(zhuǎn)角弧度，能降低小面轉(zhuǎn)角開裂的概率。

2.3.2 鑄造水冷強度控制

7055合金扁錠在半連續(xù)鑄造時，鑄錠裂紋對水冷強度的影響較為敏感，要求水冷強度各面均一，一次水冷強度小。這主要是由于一次水冷強度較大時，鑄錠在結(jié)晶器內(nèi)易形成較厚的硬殼，增加了鑄錠與結(jié)晶器內(nèi)壁摩擦阻力，使鑄錠表面形成冷隔或產(chǎn)生拉痕，造成應力集中而導致鑄錠開裂[2]。

在7055合金熔鑄工藝研究中，采取的水冷強度控制措施主要包括：冷卻水流量由26m3/h降至23m3/h，并減小鑄錠的冷卻強度；通過控制結(jié)晶器內(nèi)有效高度來控制一次水冷強度；采用刮水器來降低對鑄錠的冷卻，刮水位置一般位于液穴底部。通過刮水器可以減少對已經(jīng)凝固鑄錠的冷卻，提高鑄錠溫度，增加鑄錠塑性。

2.3.3 鑄造溫度控制

在鑄造溫度的選擇上，主要考慮兩點，一是鑄造溫度不能過高，溫度過高使液穴加深，溫度梯度增大，導致鑄造應力加大；反之鑄造溫度過低，影響金屬的流動性，易產(chǎn)生冷隔引發(fā)鑄錠側(cè)裂；二是考慮熔體的在線精煉和過濾，溫度過高對除氣不利，溫度過低影響過濾，對除渣不利。結(jié)合其它高Zn合金的鑄造溫度經(jīng)驗，最終選擇7055合金的鑄造溫度為730～750℃。

3 結(jié)論

（1）7055合金成分要求ω（Si）＜0.05%、ω（Fe）＜0.08%，Cu含量、Mg含量位于中下限，Zn含量位于中上限。

（2）靜置爐透氣磚精煉、在線SNIF除氣設(shè)備精煉以及60ppi泡沫陶瓷板過濾的凈化工藝，能有效保證熔體純凈度。

（3）7055合金扁錠鑄造工藝參數(shù)：鑄造速度52～54mm/min，鑄造水流量 22～25m3/h，鑄造溫度730～750℃。