鋁及鋁合金中夾渣的產(chǎn)生原因及消除措施

馬小前

(西北鋁業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅 隴西 748111)

近年來，我公司生產(chǎn)的管材、棒材在低倍檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)夾渣低倍組織缺陷，而隨著用戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，該缺陷是不允許存在的，造成了不少的廢品出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品成品率。本文主要對(duì)目前夾渣出現(xiàn)頻次高的幾種合金進(jìn)行分析，以確定其產(chǎn)生的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)用材料。主要收集并分析了我公司生產(chǎn)的7075合金、7A04合金、2024合金和2A12合金棒材與管材中的夾渣缺陷。

(2)試樣制備。低倍組織試樣按照GB/T3246.2-2012《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法-第2部分：低倍組織檢驗(yàn)方法》取樣，經(jīng)銑面、浸蝕制備試樣。顯微組織試樣按照GB/T3246.1-2012《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法-第1部分：顯微組織檢驗(yàn)方法》取樣，經(jīng)過研磨、拋光、浸蝕制備試樣。

(3)試驗(yàn)設(shè)備。 X52K立式升降臺(tái)銑床，低倍浸蝕設(shè)備，YB32-50T四柱萬能液壓機(jī)，GM-2金相試樣研磨機(jī)，GPV-2金相變頻調(diào)速拋光機(jī)，EPITYP2型金相顯微鏡，ARL4460直讀光譜儀，JSM-IT300掃描電子顯微鏡。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 7075合金和7A04合金

7075、7A04合金材料中夾渣組織情況如圖1所示。通過宏觀組織與微觀組織分析可確定該夾渣為金屬間化合物。對(duì)該金屬間化合物進(jìn)行光譜分析，顯示其為Al-Cr金屬間化合物(表1)。

圖1 7075合金和7A04合金中的夾渣Fig.1 Slag inclusion in 7075 alloy and 7A04 alloy

表1 金屬間化合物光譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.1.1 原因分析

(1)鑄錠生成結(jié)晶型化合物偏析，需在化學(xué)成分和溫度方面具備一定條件。在7xxx系鋁合金中為達(dá)到抑制再結(jié)晶和使晶粒細(xì)化、提高金屬強(qiáng)度和防止應(yīng)力腐蝕裂紋等目的，添加了鐵、錳、鉻和鋯等元素。如果成分選擇不當(dāng)或鑄造工藝不當(dāng)，添加元素達(dá)到生成初晶化合物的成分范圍，鑄錠的凝固溫度處于化合物的生成范圍，并有充足的生長時(shí)間，這些將為形成粗大金屬化合物提供生成條件，在液穴中自由長大的化合物偏析可能掉入結(jié)晶面成為單獨(dú)存在的粗大金屬化合物。

(2)凝固過程中，溶質(zhì)原子再分配使局部元素富集，導(dǎo)致熔體成分不均勻，也能形成粗大金屬化合物。

(3)熔煉鋁合金使用的中間合金中有粗大金屬化合物存在時(shí)，熔煉時(shí)沒有熔化或沒有全部熔化，鑄造后將被保留下來存在于鋁合金鑄錠中。

(4)由于鐵、錳等元素的加入，如果操作不當(dāng)，在鑄造漏斗的底部容易形成化合物晶核并長大。在漏斗底部懸掛著較大的初晶化合物，被連續(xù)流過的液體沖刷落入鑄錠中亦能形成粗大金屬化合物。

(5)合金元素。7xxx系鋁合金中所含元素多，除主元素Zn、Mg、Cu外，還有其他元素Cr、Ti、Zr、Mn和雜質(zhì)元素Fe、Si等，其含量的多少是影響粗大金屬化合物形成的重要因素，通過控制這些元素含量，使其不超過生成粗大金屬化合物的界限可以減少缺陷的形成。生產(chǎn)中若使用了中間合金，而熔煉時(shí)如果合金元素含量控制不當(dāng)，可能將中間合金中的粗大金屬化合物遺傳到鋁合金的鑄錠中。

(6)鑄造工藝。影響粗大金屬化合物的另一個(gè)因素是熔煉時(shí)間短、鑄造溫度低以及鑄造速度過慢。特別是鑄造開始若熔體溫度處于中下限，則在將近鑄造終了時(shí)其溫度已經(jīng)偏低，給形成粗大金屬化合物創(chuàng)造了條件。

(7)鑄造工具。結(jié)晶器、鑄造漏斗等選擇不當(dāng)也會(huì)造成粗大金屬化合物的形成，采用矮結(jié)晶器對(duì)粗大金屬化合物的長大有抑制作用。鑄造前將漏斗充分預(yù)熱，在鑄造過程中保持流槽和漏斗有較高的溫度且表面光滑，對(duì)減緩粗大金屬化合物的形成和長大有較好的效果[1]。

2.1.2 改進(jìn)意見

(1)在熔煉鋁合金過程中，保證加入的各組元充分溶解，嚴(yán)格控制會(huì)形成粗大金屬化合物的合金元素含量。

(2)提高鑄造溫度和鑄造速度，適當(dāng)延長熔煉時(shí)間。

(3)鑄造前充分預(yù)熱漏斗和鑄造工具，漏斗不能沉入太深[2]。

2.2 2024合金和2A12合金

2024合金和2A12合金材料中夾渣組織如圖2所示，通過宏觀組織與微觀組織分析可確定該夾渣為非金屬夾渣。對(duì)樣品進(jìn)行形貌和能譜分析，結(jié)果見圖3和表2。

圖2 2024合金和2A12合金中的夾渣Fig.2 Slag inclusion in 2024 alloy and 2A12 alloy

表2 能譜分析結(jié)果(原子百分比，%)

圖3 2024合金和2A12合金中夾渣缺陷處Fig.3 Slag clamp defects position in 2024 alloy and 2A12 alloy

2.2.1 原因分析

在熔煉和鑄造過程中，如果將來自熔劑、爐渣、爐襯、油污、泥土和灰塵中的氧化物、氮化物、碳化物、硫化物帶入熔體并除渣不徹底，鑄造后在鑄錠中就會(huì)產(chǎn)生非金屬夾渣。

2.2.2 改進(jìn)意見

(1)保證所使用爐料的清潔，對(duì)原材料尤其是廢料進(jìn)行嚴(yán)格管理，做好廢料的防油污、防雨水、防腐蝕工作，備料及裝爐前對(duì)爐料分別進(jìn)行清潔處理。

(2)熔煉扒渣要干凈，清爐要徹底。攪拌操作要平穩(wěn)，攪拌效果要保證，并且及時(shí)對(duì)熔體進(jìn)行覆蓋。

(3)對(duì)流槽、流盤、流管等輔助工具須及時(shí)清理干凈，使用前徹底烘烤預(yù)熱；輔助工具上噴刷的涂料要薄厚適宜，且要均勻分布。

(4)精煉要徹底，要保證熔體的靜置時(shí)間，精煉溫度不能太低，防止渣子分離不好。

(5)提高鑄造溫度以增加金屬流動(dòng)性，使渣子上浮。

3 結(jié)論

(1)7075合金和7A04合金材料中夾渣低倍組織顯示該缺陷為金屬間化合物。2024合金和2A12合金材料夾渣為非金屬夾渣。

(3)合理控制7075合金和7A04鋁合金的化學(xué)成分，保證熔煉時(shí)間，選擇相對(duì)較高的鑄造溫度和鑄造速度，可以避免形成化合物偏析。

(4)原材料清潔，扒渣、精煉徹底，保證爐體靜置時(shí)間及提高鑄造溫度對(duì)減少2024合金和2A12合金材料中的夾渣缺陷有益。