4004合金扁鑄錠改變開頭方式熔鑄工藝及Sr變質(zhì)工藝研究

孫海波，方錫順，姜德俊，孫慶福

(1.東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150040)

4004鋁硅合金具有熔點低，潤濕性與流動性好的優(yōu)點，并具備優(yōu)異的力學(xué)性能[1,2]，其作為434復(fù)合鋁帶箔的包覆層，廣泛應(yīng)用于汽車、空調(diào)機、制氧機等散熱器的制造。以往4004合金鑄造時，為提高塑性，防止鑄錠底部產(chǎn)生裂紋，不得不在鑄造開頭時進行鋪底操作。為了提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，對4004合金進行工藝移植，采用新設(shè)備進行鑄造，但新設(shè)備不具備開頭鋪底條件，因此進行了4004合金420mm×1320mm規(guī)格鑄錠改變開頭方式的熔鑄工藝研究。

由于4004鋁合金中Si含量較高，Si相呈粗大的片狀或針狀，對基體產(chǎn)生嚴重的割裂作用，降低了鑄錠成型率，通常采用變質(zhì)的方法改善4004鋁合金的組織和性能。Na的變質(zhì)能力最強，應(yīng)用最早也最廣泛，但是存在變質(zhì)效果易衰退、吸收率低、增加熔體吸氣傾向、易產(chǎn)生比重偏析、易腐蝕工具和設(shè)備、損害工人健康、對環(huán)境污染嚴重等缺點[3-5]。Sr是一種長效變質(zhì)劑，變質(zhì)效果與Na相當(dāng)，且不存在Na變質(zhì)時變質(zhì)效果維持時間短、污染環(huán)境等缺點，是目前廣泛應(yīng)用的變質(zhì)劑，其熔化范圍為654℃～770℃，具有易于被鋁液吸收，且容易保存等優(yōu)點，因此，同時對4004合金Sr變質(zhì)工藝進行了研究。

1 試驗方案

4004合金工藝流程主要為配料，熔煉，精煉、變質(zhì)、靜置，鑄造，機加，取樣，檢測。

1.1 配料

按照國家標準，4004合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為，Si 9.0～10.5，F(xiàn)e 0.8，Cu 0.25，Mn 0.1，Mg 1.0～2.0，Cr 0.05，Ni 0.05，Zn 0.2，Ti 0.1，其它雜質(zhì)單個0.05，其它雜質(zhì)合計0.15，Al余量。

配料時Si以Si含量為20%的Al-Si中間合金形式加入，Mg以純金屬形式加入，變質(zhì)劑Sr以Sr含量為10%的Al-Sr中間合金形式加入，Sr元素配料比例為爐料總量的0.04%。另外，每噸爐料加入0.1kg Al-Be中間合金。

1.2 熔煉及鑄造

4004合金熔煉溫度為740℃～800℃，Mg在熔體達到熔煉溫度后加入熔體中，充分攪拌，扒凈表面浮渣后加入Al-Be中間合金，在熔煉溫度范圍內(nèi)化學(xué)成分分析試樣，成分滿足要求后將熔體導(dǎo)入保溫爐中。

熔體導(dǎo)入保溫爐后740℃以上Ar氣精煉20min，待鋁液溫度達到740℃，扒凈表面浮渣后，加入Al-Sr中間合金，充分攪拌并扒出表面浮渣后，靜置30min后鑄造。420mm×1320mm規(guī)格鑄錠鑄造開頭工藝參數(shù)見表1。鑄造開頭時工藝參數(shù)精細控制，鑄至400mm時達到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時金屬液位80mm～120mm，穩(wěn)態(tài)時鑄造速度40mm/min～55mm/min，穩(wěn)態(tài)時水流量100t/h～170t/h，每根鑄錠雙點Al-Ti-0.2B絲190mm/min。

表1 實際執(zhí)行鑄造工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果

采用以上工藝鑄造的420mm×1320mm規(guī)格4004合金鑄錠成型良好，切取鑄錠底部及澆口試片進行化學(xué)成分分析，低倍組織檢查，高倍組織觀察。取樣位置如圖1所示，圖1(a)為澆口試片，圖1(b)為底部試片。

2.1 化學(xué)成分分析

對所取試樣進行化學(xué)成分分析，主合金元素分析結(jié)果見表2。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果

從表2可以看出，4004合金化學(xué)元素均能滿足標準要求，雜質(zhì)元素由于控制含量低，基本不會產(chǎn)生偏析，也不會對合金組織與性能產(chǎn)生明顯影響。澆口試片Si元素最大偏差為0.45%，Mg元素偏析最大偏差為0.1%；底部試片Si元素最大偏差為0.37%，Mg元素最大偏差為0.07%；底部與澆口Si元素平均值偏差為0.1%，Mg元素平均值最大偏差為0.11%。從表中可以看出，無論是澆口還是底部試片分析，Si、Mg元素含量都是從鑄錠的邊部到心部逐漸減少，且鑄錠底部Si、Mg元素含量低于澆口含量，這符合反偏析規(guī)律。

2.2 低倍組織檢查

4004合金試樣7、試樣8、試樣17、試樣18經(jīng)低倍組織檢查，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

2.3 高倍組織觀察

對4004合金澆口試樣4、試樣5、試樣6，底部試樣14、底樣試樣15、底樣試樣16進行高倍組織觀察，高倍組織照片如圖2所示?？梢钥闯觯簿Ч鑿浬?、細小，且無論是鑄錠的底部還是澆口，共晶硅的尺寸都是由邊部到心部逐漸增大，α-Al晶粒由邊部到心部逐漸增大，從鑄錠中心到邊部枝晶間距逐漸變小，枝晶臂逐漸變厚，這主要是由于鑄錠邊部冷卻強度大，過冷度大，形核數(shù)量很大，晶核長大不充分，而得到細小致密的晶體，符合結(jié)晶規(guī)律。另外，澆口試樣顯微組織相比于底部試樣，α-Al晶粒更加細小、均勻，主要是由于底部試片位置為鑄造開頭位置，鑄造速度、水流量相對較小，液穴較淺，影響了晶粒的大小和分布。

3 分析與討論

3.1 采用Al-Sr中間合金對4004合金進行變質(zhì)處理

采用Al-Sr中間合金來變質(zhì)4004合金，主要原因有兩方面，一是由于純金屬的熔點往往高于其相應(yīng)中間合金的熔點，向熔體中加入中間合金比加入純金屬更易溶解；另一方面，為了使變質(zhì)劑充分發(fā)揮變質(zhì)作用，變質(zhì)元素應(yīng)盡量均勻溶入合金中，中間合金的形式有利于變質(zhì)元素在熔體中所占比例的有效調(diào)節(jié)，更有利于進行充分的變質(zhì)處理。Sr對Al- Si合金共晶硅組織的變質(zhì)作用良好，加入微量的Sr元素就能產(chǎn)生變質(zhì)作用，已有研究表明，Si含量為9%的Al-Si合金，變質(zhì)劑Sr的加入量為0.04%變質(zhì)效果最佳。達到較好變質(zhì)效果的Sr 添加量與多個因素相關(guān)，包括變質(zhì)合金種類、熔煉工藝條件以及鑄造條件等。有研究表明，Sr變質(zhì)不僅能夠細化共晶硅，還能細化共晶團[6-7]。Sr變質(zhì)有較長的潛伏期，一般經(jīng)過30min～60min才能發(fā)揮其變質(zhì)作用。由于Sr元素化學(xué)性質(zhì)活潑，易氧化，隨著熔體的保溫時間延長，Sr將不斷被氧化進而燒損，因而需控制熔體靜置時間；同時由于Sr的存在導(dǎo)致合金吸氣嚴重，含氣量上升，導(dǎo)致合金致密性下降，故需采取除氣措施，保溫爐采用氣體精煉，鑄造時熔體需經(jīng)在線除氣裝置除氣處理。Sr和氯、氟之間都存在較強的親和力，因而易發(fā)生氯化反應(yīng)，形成氯化鍶、氟化鍶，Sr嚴重?zé)龘p喪失變質(zhì)作用，故當(dāng)Sr變質(zhì)時不能用氯鹽、氟鹽對合金進行精煉[8]。

3.2 精準控制開頭工藝參數(shù)

鋁合金半連續(xù)鑄造影響鑄錠裂紋傾向性的因素主要有以下幾方面[9]：

(1)提高熔煉溫度和鑄造溫度，延長熔體在保溫爐和熔煉爐的總停留時間，提高配料中新鋁用量，可使合金形成柱狀結(jié)晶和粗大結(jié)晶的傾向性增大，致使合金的脆性區(qū)上限和線收縮開始溫度提高，并降低固液態(tài)的塑性，因而使合金裂紋傾向性增大。

(2)提高冷卻速度，降低結(jié)晶器有效高度，使不平衡結(jié)晶趨勢增大，這不僅影響到元素的溶解度，還改變共晶成分并降低共晶溫度，即降低了脆性區(qū)下限溫度，擴大了合金的脆性溫度區(qū)間，往往使合金的裂紋傾向性增大。

(3)提高鑄造速度，使合金區(qū)域偏析程度增大，熔體焊合裂紋的能力降低，并加大了結(jié)晶器出口溫度的不均性，提高了合金在結(jié)晶區(qū)間線收縮的發(fā)展速率，因而使裂紋傾向性增大。

(4)局部供水不均和供流不均破壞了液穴的均勻過渡和結(jié)晶特性，從而使裂紋傾向性增大。

(5)在結(jié)晶期間振動，一方面使晶粒細化，另一方面加強了裂紋的焊合，故可降低合金形成裂紋的傾向性。

通常4004合金鑄造時，在鑄造基本金屬前，先在底座上和結(jié)晶器內(nèi)注入純鋁鋪底以提高塑性，防止鑄錠產(chǎn)生底部裂紋。對于本次試驗不采用鋪底方式鑄造的4004合金，采取的措施是在鑄造開頭時，采用低液位高度、慢速、弱冷卻的工藝參數(shù)，可降低鑄錠底部裂紋傾向性，同時防止鑄錠底部漏鋁和鑄錠懸掛，對于提高鑄錠質(zhì)量和成品率，防止事故發(fā)生具有重要意義。

4 結(jié)論

(1)通過采用低液位高度、慢速、弱冷卻的鑄造開頭工藝，及采取Sr變質(zhì)方式變質(zhì)處理，鑄錠成型良好，未出現(xiàn)裂紋等缺陷；

(2)Sr元素加入量按爐料量的0.04%加入，變質(zhì)溫度740℃，變質(zhì)效果較好；

(3)4004合金主元素化學(xué)成分均符合反偏析規(guī)律，從邊部到心部，主元素化學(xué)成分含量逐漸減少；

(4)根據(jù)顯微組織分析結(jié)果來看，符合鑄錠的結(jié)晶規(guī)律，共晶硅彌散、細小，且無論是鑄錠的底部還是澆口，共晶硅的尺寸都是由邊部到心部逐漸增大。