電-磁雙場疊加對雙輥鑄軋6181鋁合金中Mg2Si相的影響

劉建芳，孫克明

(1.河北省輕合金車輪工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島 066000；2.營口理工學(xué)院，遼寧 營口 115000； 3.秦皇島興龍輪轂有限公司，河北 秦皇島 066000)

6×××系鋁合金屬于可熱處理強(qiáng)化合金，具有中等強(qiáng)度、耐蝕性高、焊接性能良好、成形性和工藝性能良好等優(yōu)點(diǎn)，其主要產(chǎn)品為擠壓型材[1-2]。傳統(tǒng)的6×××系鋁合金薄板材(如汽車板料)生產(chǎn)方法為半連續(xù)鑄造-熱軋法，這種方法工藝過程復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、設(shè)備投資大且能耗高。雙輥鑄軋技術(shù)具有短流程、低能耗及節(jié)省投資等優(yōu)點(diǎn)，而硬度偏低是鑄軋板材的主要缺點(diǎn)之一[3]。Mg2Si相是6×××系鋁合金的主要強(qiáng)化相[4]。因此，有必要研究鑄軋板材中Mg2Si相的形貌、尺寸及其分布。

Li等人[5]研究了電磁攪拌對初生Mg2Si相的影響，并發(fā)現(xiàn)了電磁攪拌對Mg2Si相有細(xì)化和鈍化的影響。在2014年，脈沖電流也應(yīng)用到了6×××系鋁合金的凝固研究中[6]，證明了脈沖電流能夠細(xì)化Mg2Si相。然而這些物理場是否對鑄軋板材中的Mg2Si相產(chǎn)生有利的影響卻鮮有報(bào)道。因此，本試驗(yàn)研究脈沖電場和靜磁場對鑄軋6181鋁合金中Mg2Si相的形貌、分布和尺寸的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用的6181鋁合金的化學(xué)成分按照表1的配比熔煉而成。試驗(yàn)流程如圖1所示。將99.99%工業(yè)純鋁、工業(yè)用鎂和Al-20Si中間合金放入工業(yè)電阻爐中熔煉，待金屬全部熔化后于700 ℃保溫1 h。6181鋁合金在熔煉期間，鑄軋嘴、側(cè)封等鑄軋相關(guān)用品需要完成裝配、烘烤。澆注前，爐內(nèi)溫度降至695 ℃左右進(jìn)行扒渣、除氣，然后將熔體澆注至流槽中，再通過流槽流到鑄軋嘴，繼續(xù)流入鑄軋輥和側(cè)封組成的鑄軋區(qū)內(nèi)。鑄軋成形后，在軋輥出口拉抬鋁板，防止剛成形的鋁板粘附在軋輥上。鋁板每軋出長度1 m左右時(shí)，依次接通靜磁場電源，脈沖電流，脈沖電流加靜磁場。脈沖電流的頻率為20 Hz，峰值電流為400 A。靜磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.02T～0.25T。鑄軋的主要參數(shù)如表2所示。

表1 6181鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of 6181 aluminum alloy(wt/%)

不同工藝條件下鑄軋四種板材：無外加物理場的普通鑄軋板1#；鑄軋過程中通以脈沖電流的鑄軋板2#；鑄軋過程中通以靜磁場的鑄軋板3#；鑄軋過程中同時(shí)通以脈沖電流和靜磁場的鑄軋板4#。

圖1 脈沖電磁雙輥鑄軋工藝流程圖Fig.1 Schematic illustration of a twin-roll casting process with electric current pulse and magnetic fields

表2 鑄軋工藝參數(shù)Table 2 Twin-roll casting process parameters

試樣為20 mm×10 mm×5 mm的長方體。試樣橫截面分別通過拋光和混合酸(2 mL HF+3 mL HCl+5 mL HNO3+190 mL H2O)的腐蝕。光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡用于觀察試樣的微觀形貌。采用XRD分析相組成。硬度通過wolpert Wilson instruments硬度儀檢測。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 析出相

為了研究脈沖電場和靜磁場對雙輥鑄軋過程中析出相的影響，通過XRD分析6181鋁合金鑄軋板的析出相，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，外加脈沖電場和靜磁場對6181鋁合金鑄軋板材的相轉(zhuǎn)變有著積極的影響，5個(gè)強(qiáng)峰代表Al基體，其他的一些低峰主要是Mg2Si相，還有少量的相可以忽略不計(jì)。

圖2 四種6181鋁合金鑄軋板析出相的XRD檢測Fig.2 The XRD patterns for four kinds of 6181 aluminum alloy cast-rolled sheets

不同外場鑄軋6181鋁合金板的微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3可知，傳統(tǒng)鑄軋工藝的鑄軋板1#中Mg2Si相主要呈棒狀和星狀。Mg2Si相的變化與Qin等人和Li等人的研究結(jié)果是一致的，在初始階段，Mg2Si相主要呈星狀，伴隨著成長，星狀析出相的枝段從主體部位折斷和分離，從而使星狀Mg2Si相逐漸向棒狀轉(zhuǎn)變，如圖4所示[7-8]。

伴隨著脈沖電場和靜磁場的加入，6181鋁合金鑄軋板中Mg2Si相的形貌發(fā)生了明顯的改變，當(dāng)雙輥鑄軋過程中施加脈沖電場后(如圖3b所示)，星狀Mg2Si相基本消失，主要是棒狀Mg2Si相；同時(shí)，Mg2Si相沿鑄軋方向(脈沖電流流過的方向)分布，尺寸從1.7μm變化到0.9μm。靜磁場對Mg2Si相形貌的影響如圖3c所示，Mg2Si相出現(xiàn)了團(tuán)簇的現(xiàn)象；并且，Mg2Si相主要以星狀形貌存在。當(dāng)雙輥鑄軋過程中施加脈沖電場流和靜磁場時(shí)(如圖3d所示)，Mg2Si相明顯細(xì)化，平均尺寸達(dá)到0.7 μm，星形的Mg2Si相減少，出現(xiàn)橢圓狀Mg2Si相。

Mg2Si相的形核和長大與脈沖電場和靜磁場的加入是息息相關(guān)的。在施加脈沖電場的鑄軋過程中，脈沖電流密度j與熔體凝固時(shí)的形核率I的關(guān)系如下面公式所示：

I=C1exp(C2j2)

(1)

C1=A′D′exp(-W0/kT0)

(2)

C2=-k1ξV/kT0

(3)

圖3 不同外場鑄軋6181鋁合金板的微觀結(jié)構(gòu) Fig.3 Microstructures of cast-rolled 6181 aluminum alloy sheets with various field conditions

圖4 Mg2Si相在雙輥鑄軋中變化過程Fig.4 Evolution process of Mg2Si phase during TRC

ξ=(σ0-σn)(2σ0+σn)-1

(4)

式中：

C1、C2、ξ、A′、k1—常數(shù)；

D′—加入脈沖電流的擴(kuò)散系數(shù)；

W0—形核功；

V—結(jié)晶體積；

σ0、σn—常量；

k—波爾茲曼常數(shù)；

T0—沒有脈沖電流的形核溫度[9-10]。

因此，析出相的形核率I隨著通過熔體的脈沖電流而發(fā)生改變，形核率I與電流密度相關(guān)。另外，伴隨著脈沖電流的加入，熔體在凝固階段產(chǎn)生了洛倫茲力。脈沖電流促進(jìn)了熔體的流動(dòng)，并導(dǎo)致了強(qiáng)烈的對流，在熔體流動(dòng)的過程中Mg2Si相枝晶前端被融化，因此，星狀Mg2Si相逐漸向棒狀轉(zhuǎn)變。

在靜磁場中，Mg2Si相出現(xiàn)了明顯的團(tuán)簇現(xiàn)象，星狀Mg2Si相的數(shù)量逐漸增多。根據(jù)Song等人[11]的研究成果，靜磁場產(chǎn)生的電磁力導(dǎo)致了團(tuán)簇的形成。伴隨著熔體溫度的降低，Mg2Si顆粒逐漸成長，在彼此接觸后，相互連接，但它們的尺寸沒有明顯的變化。主要是因?yàn)殪o磁場產(chǎn)生的電磁力阻礙了熔體的流動(dòng)，因此對流減弱，細(xì)化效果減弱。

(5)

式中：

當(dāng)鑄軋區(qū)存在更大的電磁力作用時(shí)，熔體產(chǎn)生更強(qiáng)烈的對流，在Mg2Si相形核和成長過程中，枝晶更容易折斷，折斷后一部分重熔到熔體中，另一部分成為新的形核點(diǎn)，使Mg2Si相細(xì)化。

2.2 鑄軋板的硬度

圖5為在不同外場條件下6181鋁合金鑄軋板的硬度。由圖5可知，雙輥鑄軋過程中施加脈沖電場和靜磁場后，鑄軋板的硬度增加。板材中心部位硬度值比邊部和1/4板材寬度部位的大。當(dāng)雙輥鑄軋過程中復(fù)合施加脈沖電場和靜磁場時(shí)，鑄軋板的最大硬度值達(dá)到82.3 HV，這也說明了Mg2Si相的細(xì)化對于鑄軋板的硬度值產(chǎn)生了積極的作用。

圖5 不同條件下鑄軋板的硬度Fig.5 Hardness of cast-rolled sheets with different field conditions

3 結(jié) 論

1)Mg2Si相是6181鋁合金鑄軋板主要析出相。Mg2Si相主要以星狀和條狀存在于基體中。

2)當(dāng)鑄軋過程中施加脈沖電流和靜磁場時(shí)，Mg2Si相的形貌發(fā)生明顯的改變：單獨(dú)施加靜磁場時(shí)，Mg2Si相出現(xiàn)了明顯的團(tuán)簇現(xiàn)象，其形狀主要以星狀為主；單獨(dú)施加脈沖電流時(shí)，星狀Mg2Si相基本消失，棒狀Mg2Si相占據(jù)著主體的地位；同時(shí)施加脈沖電場和靜磁場時(shí)，Mg2Si相被細(xì)化，平均尺寸從1.7 μm減小到0.7 μm。

3)當(dāng)脈沖電場和靜磁場同時(shí)施加到鑄軋過程時(shí)，由于Mg2Si相得到細(xì)化，鑄軋板材的硬度增大，板材中心的部位的硬度最大，為82.3 HV。