6005鋁合金在DC鑄造中脈沖磁場細化晶粒工藝研究*

蘇怡卉，李濤，鮑鑫宇，程橋，孫中豪，麻永林

(內蒙古科技大學 材料與冶金學院，內蒙古 包頭 014010)

6005鋁合金作為中等強度的Al-Mg-Si系合金，由于其優(yōu)良的成型性、耐腐蝕性、易加工性[1]，被廣泛應用在輕承力低載荷構件中，如油箱、汽油及潤滑油導管等.半連續(xù)鑄造(Direct-chill Casting，簡稱DC鑄造)，由于其結晶速度高且減少了內部疏松、縮孔等缺陷，而被廣泛應用在6005鋁合金鑄造中.但是采用傳統(tǒng)工藝生產的6005鋁合金鑄錠晶粒組織粗大，組織不均勻，力學性能較差[2].細化鑄錠凝固組織可以顯著改善鑄錠力學性能.目前，常在6005鋁合金鑄造過程中添加Al-5Ti-B晶粒細化劑來細化鑄錠凝固組織.然而在生產中發(fā)現(xiàn)Al-5Ti-B細化劑具有時效性，并且容易產生偏聚，形成夾雜，影響鑄錠力學性能[3，4].隨著電磁冶金技術的發(fā)展，由于電磁場具有良好的晶粒細化效果且不與金屬熔體接觸的特點，逐漸成為一種取代晶粒細化劑細化鑄錠凝固組織的全新方法.

馮艷飛等[5]研究表面脈沖磁場對7A04鋁合金的影響，發(fā)現(xiàn)表面脈沖磁場可以細化7A04鋁合金鑄錠組織，增加凝固潛熱，提高凝固過冷度.白慶偉等[6]研究了鋁合金表面脈沖電磁場對半連續(xù)鑄造晶粒的細化，探討了脈沖磁能作用下的晶體形核模式，發(fā)現(xiàn)經過磁場處理后，凝固組織由粗大的玫瑰結構轉變?yōu)閳A整的球狀結構，而且強度塑性均有所提高.班春燕等[7]研究了交變磁場對AZ80鎂合金凝固組織的影響，發(fā)現(xiàn)經過交變磁場處理后，晶粒明顯細化，晶界變窄，同時合金的硬度有一定的提高.但是目前在6005鋁合金凝固過程中施加脈沖磁場進行晶粒細化的研究很少.在6005鋁合金DC鑄造過程中施加脈沖磁場對流槽內的金屬熔體進行處理，研究6005鋁合金鑄錠凝固組織和維氏硬度的變化.

1 實驗材料及過程

1.1 實驗材料

實驗材料為某廠生產的6005鋁合金，其成分見表1.

表1 實驗材料的化學成分(質量分數，%)

1.2 實驗過程

本實驗所使用的設備為脈沖磁場晶粒細化設備，由感應線圈、硅鋼鐵芯及專用電源等組成.線圈施加位置如圖1所示，圖1中1，2，3，4為脈沖磁場晶粒細化裝置，置于流槽上方.

6005鋁合金澆鑄溫度為710 ℃，鑄錠尺寸為φ307 mm×6 400 mm，鑄造速度為68 mm/min.鑄造結束后，切頭200 mm，去尾200 mm，出廠規(guī)格為920 mm/段.

實驗進行時首先在線添加晶粒細化劑90 kg，開始進行工藝1澆鑄；之后在添加晶粒細化劑的鋁液上方同時施加脈沖磁場，進行工藝2澆鑄；最后，在不添加晶粒細化劑的鋁液上方只施加脈沖磁場，進行工藝3澆鑄.施加脈沖磁場時，設置磁場發(fā)生器與熔體表面距離為5 mm.具體工藝參數見表2.

圖1 線圈安裝位置圖

表2 實驗參數

澆鑄完成后，對鑄錠切片取樣，切片的位置盡量在每個工藝參數段的中間，切片厚度為15 mm.在切片中心、1/2R及邊部取樣，取樣位置如圖2所示，試樣尺寸為10 mm×10 mm×15 mm.

試樣打磨后，采用10 mL HClO4+90 ml無水乙醇進行電解拋光后，用Keller腐蝕液(95 mL H2O，2.5 mL HNO3，1.5 mL HCl，1.0 mL HF)進行腐蝕，腐蝕時間10～20 s，腐蝕完畢，用YYJ-200金相顯微鏡觀察金相組織，并且利用Image Pro Plus軟件采用截線法統(tǒng)計晶粒平均尺寸.利用HV-10硬度計測量硬度，施加載荷490 Pa，保荷時間20 s，每個試樣隨機取10點測試，取10次硬度測量值的平均值作為最終硬度值.

圖2 取樣位置示意圖

2 結果與討論

2.1 不同實驗參數下6005鋁合金的微觀組織

圖3為不同實驗參數下6005合金的心部、1/2R和邊部位置顯微組織形貌，使用工藝1鑄造的鑄錠心部呈現(xiàn)粗大且形狀不規(guī)則的晶粒組織.使用工藝2和工藝3鑄錠心部晶粒明顯變細，同時出現(xiàn)了部分細小、圓潤的等軸晶，1/2R和邊部也具有相同規(guī)律.使用截線法統(tǒng)計晶粒平均尺寸，見圖4，使用工藝1時，鑄錠心部、1/2R和邊部晶粒平均尺寸分別為251.22，224.82和188.37 μm.使用工藝3時，鑄錠心部、1/2R和邊部晶粒平均尺寸分別為226.29，220.71和151.35 μm.使用工藝2，鑄錠心部，1/2R，邊部的晶粒尺寸分別為217.0，210.13，187.76 μm.在中心處，工藝3處理的晶粒尺寸要比工藝1處理的晶粒尺寸減小9.92%；在1/2R處，兩者的晶粒尺寸相近；在邊部，工藝3處理的晶粒尺寸要比工藝1處理的晶粒尺寸減小19.6%.使用工藝2，鑄錠中心處的晶粒尺寸比使用工藝1減小13.6%；在1/2處，減小6.5%.結果表明：使用工藝2時，晶粒組織細化效果最優(yōu).相較于工藝1，工藝3可以得到更加細小的晶粒組織.即同時使用脈沖磁場和細化劑時，晶粒組織細化效果最優(yōu).相較于僅使用細化劑，僅使用脈沖磁場可以得到更加細小的晶粒組織.綜上所述脈沖磁場可以細化晶粒組織且不會對金屬熔體產生污染.

圖3 不同實驗參數合金不同位置微觀組織照片(a1)工藝1鑄錠心部晶粒組織；(a2)工藝1鑄錠1/2邊部晶粒組織；(a3)工藝1鑄錠邊部晶粒組織；(b1)工藝2鑄錠心部晶粒組織；(b2)工藝2鑄錠1/2邊部晶粒組織；(b3)工藝2鑄錠邊部晶粒組織；(c1)工藝3鑄錠心部晶粒組織；(c2)工藝3鑄錠1/2邊部晶粒組織；(c3)工藝3鑄錠邊部晶粒組織

本實驗將電磁線圈放置在流槽上方，金屬熔體流經流槽時施加脈沖電磁場進行處理，即在液相線附近對金屬熔體進行電磁處理，脈沖磁場不與金屬熔體直接接觸，保證金屬熔體的清潔.根據電磁理論[8-10]，當線圈中通入脈沖電流時，會產生變化的脈沖磁場，當脈沖磁場作用于金屬熔體時，會對熔體產生壓強P，可以表示為：

p=B2/2μ0.

式中：p為磁壓強，MPa；B為電磁感應強度，T；μ0為真空磁導率，H/m.

由于脈沖磁場的高頻特點，金屬熔體受到的磁壓強呈現(xiàn)周期性的變化，導致熔體表面振蕩，使金屬熔體的溫度場和濃度場更加均勻，增大了金屬熔體的過冷度，從而導致熔體結晶時形核率增加[11].同時脈沖磁場產生的能量注入到金屬熔體中，加劇結構起伏和能量起伏，從而影響晶體形核的自由能，降低了原子團簇從液相到固相需要克服的勢壘[12]，促使形核率提高，從而實現(xiàn)晶粒細化.

圖4 不同位置晶粒平均尺寸

2.2 不同實驗參數下6005鋁合金的硬度值

圖5為不同實驗參數下6005合金的硬度值，使用工藝1，鑄錠中心，1/2R，邊部的硬度分別為48.7，49.93，52.51 HV；使用工藝2，鑄錠中心，1/2R，邊部的硬度分別為50.07，54.11，55.1 HV；使用工藝3，鑄錠中心，1/2R，邊部的硬度分別為50.05，53.64，59.18 HV.

通過圖4，5可以得出，晶粒尺寸較小的6005鋁合金金相組織其硬度值較大.這是由于晶粒長大的驅動力總會降低其總界面能.合金的晶粒尺寸降低會導致晶界面積增大，使阻礙位錯效果增加，抵抗局部變形的能力增強，宏觀上可表現(xiàn)為其硬度增大[13].從圖5中可以看出對于試樣邊部，使用工藝3時試樣的硬度值要明顯高于其他參數工藝下的硬度，對于試樣1/2R處使用工藝2時硬度值要略高于工藝1，對于試樣心部使用工藝2和工藝3硬度值基本相同.

綜合來看，較工藝1，使用工藝3，鑄錠晶粒尺寸明顯減小且鑄錠性能明顯提升.表明采用脈沖磁場部分或完全替代晶粒細化劑是可行的.

圖5 試樣不同位置的硬度值

3 結論

(1)在6005鋁合金DC鑄造中，脈沖磁場的晶粒細化效果要優(yōu)于細化劑.同時使用脈沖磁場和細化劑時晶粒細化效果最佳，磁場可以提高細化劑的細化效果.

(2)脈沖磁場會提高6005鋁合金鑄錠的硬度.使用脈沖磁場處理時，鑄錠中心、1/2R和邊部硬度值較只使用晶粒細化劑分別提升了2.77%，7.43%，12.70%.使用脈沖磁場部分或完全替代晶粒細化劑是可行的.