三種變質(zhì)劑對(duì)鑄軋4045鋁合金變質(zhì)效果對(duì)比

田國(guó)建，吳保劍，徐紅軒，劉航宇，川崎拓

(江蘇鼎勝新能源材料股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212141)

隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)輕量化提出了更高要求。釬焊用鋁合金復(fù)合板以其輕質(zhì)優(yōu)點(diǎn)在釬焊熱傳輸領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鋁硅合金是目前使用最廣泛的釬焊復(fù)合板的包覆層皮材，如CAB釬焊用4343、4045鋁合金，VB釬焊用4004、4104等鋁合金。釬焊復(fù)合板多采用半連續(xù)鑄造+熱軋復(fù)合的工藝生產(chǎn)，因此其皮材均采用半連續(xù)鑄造生產(chǎn)鑄坯。但近年來(lái)隨著行業(yè)內(nèi)“連續(xù)鑄軋+冷軋復(fù)合”新型復(fù)合工藝[1-2]的產(chǎn)生，4×××系高硅鋁合金逐步采用連續(xù)鑄軋法生產(chǎn)。由于4×××系高硅鋁合金結(jié)晶區(qū)溫度跨度大，易產(chǎn)生中心層偏析，連續(xù)鑄造過(guò)程中硅相會(huì)以粗大的長(zhǎng)針狀或塊狀結(jié)晶，使其在后續(xù)冷軋過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)裂斷帶等問(wèn)題，復(fù)合板由于皮材中粗大初晶硅的存在會(huì)產(chǎn)生釬焊局部溶蝕甚至熔穿等缺陷。因此，對(duì)連續(xù)鑄軋過(guò)程組織提出了更高要求。國(guó)內(nèi)外研究者在傳統(tǒng)半連續(xù)鑄造方面已進(jìn)行了各種變質(zhì)劑和變質(zhì)方法的嘗試，并取得較好結(jié)果[3]，但變質(zhì)劑運(yùn)用于連續(xù)鑄軋4×××系高硅鋁合金的生產(chǎn)并未見(jiàn)報(bào)道[4]。本試驗(yàn)以連續(xù)鑄軋法生產(chǎn)4045鋁合金卷材為例，對(duì)不同變質(zhì)劑的變質(zhì)效果進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)探究。

1 試驗(yàn)材料與方法

4045鋁合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 4045鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 4045 aluminium alloy(wt/%)

借鑒現(xiàn)有變質(zhì)研究結(jié)果[5-7]，采用連續(xù)鑄軋法生產(chǎn)4045鋁合金坯料卷規(guī)格為6.4 mm×1 420 mm，熔煉配料中廢料比例不超過(guò)30%，采用不同變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理，每種變質(zhì)方案試制坯料卷3 t，鑄軋工藝參數(shù)及變質(zhì)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)使用的變質(zhì)劑及關(guān)鍵工藝參數(shù)Table 2 Experimental modifiers and key process parameters

參照J(rèn)B/T 7946.1-4鑄造鋁硅合金變質(zhì)的分級(jí)原則和評(píng)價(jià)方法對(duì)不同變質(zhì)劑變質(zhì)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)流程: 按照合金成分比例配料→熔化(含變質(zhì))→精煉、靜置(含變質(zhì))→除氣、過(guò)濾→連續(xù)鑄軋→取樣測(cè)試→變質(zhì)效果金相評(píng)價(jià)。金相試樣經(jīng)金相砂紙粗磨、細(xì)磨后進(jìn)行機(jī)械拋光，經(jīng)拋光后的試樣用0.5%氫氟酸溶液在室溫下進(jìn)行浸蝕5 s～10 s，采用CM-33金相顯微鏡按照GB/T 3246.1-2000要求進(jìn)行檢測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鑄軋卷坯料化學(xué)成分

分別對(duì)不同變質(zhì)劑變質(zhì)后鑄軋坯卷頭尾部取樣,按照邊中邊不同位置進(jìn)行成分分析，結(jié)果如表3。

表3 不同變質(zhì)劑變質(zhì)后鑄軋卷成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 3 Chemical composition of cast-rolled coils modified with different modifiers(wt/%)

由表3可見(jiàn)，經(jīng)AlP4.5變質(zhì)后，坯料卷頭、尾部成分較為接近，下邊、中心、上邊位置w(Si)存在較大偏差，最大相差0.936%，坯料卷從頭至尾均伴有較為明顯的中心偏析；經(jīng)鈉鹽變質(zhì)后，坯料從頭至尾成分差距較大，頭部下邊、中心、上邊位置的w(Si)差別較小，尾部邊、中、邊位置的w(Si)差別較大，最大差別為1.2%，坯料卷在尾部存在明顯的中心層偏析缺陷；經(jīng)AlSr10變質(zhì)后，坯料卷從頭到尾成分較為接近，且邊部與中心位置的w(Si)也無(wú)明顯差別，坯料卷從頭到尾均無(wú)明顯的中心層偏析缺陷。

2.2 鑄軋卷顯微組織

未變質(zhì)坯料以及經(jīng)AlP4.5、45%NaF+40%NaCl+15%KCl(鈉鹽)、AlSr10變質(zhì)劑變質(zhì)后的鑄軋卷坯料的顯微組織如圖1所示。

圖1 經(jīng)不同變質(zhì)劑變質(zhì)處理后4045鋁合金鑄軋卷的顯微組織Fig.1 Microstructure of 4045 aluminum alloy cast-rolled coils modified with different modifiers

參照鋁硅鑄造合金變質(zhì)效果評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可見(jiàn)未經(jīng)變質(zhì)處理的坯料卷，頭、尾部檢測(cè)均有塊狀或長(zhǎng)方形狀初晶硅和長(zhǎng)針狀共晶硅存在。經(jīng)AlP4.5變質(zhì)的依然存在塊狀初晶硅和針狀共晶硅，說(shuō)明無(wú)明顯變質(zhì)效果[8-9]。經(jīng)鈉鹽變質(zhì)的坯料卷材頭部已無(wú)粗大塊狀初晶硅，長(zhǎng)針狀共晶硅變短棒狀，表明具有變質(zhì)效果，但尾部檢測(cè)出塊狀初晶硅和長(zhǎng)針狀共晶硅，判定無(wú)變質(zhì)效果，表明鑄軋坯料卷的鈉鹽變質(zhì)效果由頭至尾部逐漸削弱，變質(zhì)效果與半連續(xù)鑄造的相似，同樣具有時(shí)效性。根據(jù)鑄軋速度及坯料卷重量推算，本次試驗(yàn)卷材的頭、尾鑄軋生產(chǎn)間隔時(shí)間約3.7 h,即初步判定鈉鹽變質(zhì)在連續(xù)鑄軋生產(chǎn)過(guò)程中的變質(zhì)有效期低于3.7 h。經(jīng)AlSr10變質(zhì)后，坯料卷材的頭、尾組織中α(Al)變?yōu)闃?shù)枝狀，無(wú)塊狀初晶硅，長(zhǎng)針狀共晶硅變?yōu)槎贪魻?，變質(zhì)效果最佳，鑄軋坯料卷頭尾變質(zhì)效果均勻，表明AlSr10變質(zhì)劑在連續(xù)鑄軋生產(chǎn)4045鋁合金卷材的過(guò)程中具有長(zhǎng)效性。其變質(zhì)機(jī)制為雜質(zhì)誘導(dǎo)孿晶理論[10]，該理論認(rèn)為：變質(zhì)元素吸附在硅的生長(zhǎng)臺(tái)階上，阻礙硅以臺(tái)階生長(zhǎng)機(jī)制長(zhǎng)成片狀，而且變質(zhì)原子在硅相表面的吸附改變了硅原子的堆積次序，從而在硅晶體中造成大量孿晶的產(chǎn)生，共晶硅相轉(zhuǎn)而以孿晶凹谷機(jī)制生長(zhǎng)。

2.3 復(fù)合板顯微組織

選取未經(jīng)變質(zhì)處理以及經(jīng)AlSr10變質(zhì)劑變質(zhì)處理的4045鋁合金作為皮材，與芯材復(fù)合冷軋成0.3 mm厚復(fù)合板，皮材層復(fù)合比率為10%。對(duì)復(fù)合板包覆層中硅顆粒進(jìn)行微觀形貌檢測(cè)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，未經(jīng)變質(zhì)的4045鋁合金皮材在復(fù)合板包覆層中有大尺寸硅顆粒殘留，邊長(zhǎng)約30 μm。這是由于未經(jīng)變質(zhì)的4045鋁合金鑄軋坯料組織中存在較多大顆粒的初晶硅顆粒，而初晶硅顆粒硬度極高，經(jīng)多道次連續(xù)冷軋也未能將其軋碎進(jìn)而保留至成品組織包覆層中；經(jīng)AlSr10變質(zhì)處理的4045鋁合金作為皮材，復(fù)合板包覆層中硅顆粒細(xì)小均勻彌散分布，未見(jiàn)有粗大初晶硅顆粒殘留，有利于后續(xù)釬焊過(guò)程中皮材的均勻鋪展和填充焊縫。

圖2 不同變質(zhì)狀態(tài)4045鋁合金皮材與芯材復(fù)合冷軋成復(fù)合板后的顯微組織Fig.2 Microstructures of final products cold rolled with 4045 aluminum alloy clad and core materials at different modified status

3 結(jié) 論

使用三種不同變質(zhì)劑生產(chǎn)4045鑄軋鋁合金卷材的變質(zhì)效果如下：

1)AlP4.5變質(zhì)劑無(wú)變質(zhì)效果，鑄軋坯料依然存在塊狀初晶硅和長(zhǎng)針狀共晶硅。

2)45%NaF+40%NaCl+15%KCl變質(zhì)劑的變質(zhì)效果較好，但變質(zhì)具有時(shí)效性，鑄軋坯料卷材從頭至尾變質(zhì)效果逐漸削弱。

3)使用AlSr10變質(zhì)劑變質(zhì)后，鑄軋坯料中無(wú)塊狀初晶硅，長(zhǎng)針狀共晶硅變?yōu)槎贪魻?，效果好且具有長(zhǎng)效性。

4)將AlSr10變質(zhì)后的4045鋁合金皮材加工至復(fù)合成品，包覆層中硅顆粒細(xì)小均勻，可推廣用于連續(xù)鑄軋法鋁硅合金的生產(chǎn)。