鋁合金鑄錠均勻化退火爐選型的工藝分析

馬 韜，馬鴻彬，蔣 斌，褚慶元，林順巖

（1.元泰高導(dǎo)材料（山西）有限公司，呂梁 035300；2.元泰高導(dǎo)材料（山西）研究院，呂梁 035300）

0 前言

作為用量僅次于鋼材的第二大金屬結(jié)構(gòu)材料，鋁合金具有比重輕、成本低、易加工的優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天、交通運(yùn)輸、建筑裝飾、電力電工、電子電器、印刷包裝等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。低端的鋁合金材料已逐漸被市場所淘汰，高性能鋁合金材料的市場應(yīng)用已成為主流。鋁合金鑄錠的均勻化退火熱處理成為了制備高性能鋁合金材料必不可少的重要工序之一。

變形鋁合金鑄錠在壓力加工之前大都要進(jìn)行均勻化退火處理，當(dāng)然也有少數(shù)如1×××系、部分3×××系鋁合金錠可不進(jìn)行均勻化退火。均勻化處理的目的在于提高鋁合金鑄錠的壓力加工性能以及半成品的各種性能。鋁合金鑄錠的半連續(xù)鑄造方式，包括鑄軋方式，會(huì)導(dǎo)致合金坯料的組織、成分不均勻。當(dāng)前中國仍有約30%的6063型鋁合金擠壓用圓鑄錠未進(jìn)行均勻化退火，這一現(xiàn)象亟待改進(jìn)。目前，大企業(yè)全都進(jìn)行均勻化處理，不進(jìn)行均勻化處理的主要是一些小企業(yè)[1]。

優(yōu)質(zhì)的鋁合金坯錠對(duì)鑄錠均勻化退火爐的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均提出了很高的要求。因此，鑄錠均勻化退火爐是鋁材生產(chǎn)過程中十分重要的熱處理設(shè)備。

1 均勻化退火的目的

鋁合金鑄錠在鑄造過程中（目前主要是半連續(xù)DC鑄造），通常會(huì)產(chǎn)生晶內(nèi)偏析、區(qū)域偏析以及形成粗大金屬化合物（主要是含F(xiàn)e的雜質(zhì)相和非平衡凝固結(jié)晶相）；鋁基體中固溶的主要合金元素也處于過飽和狀態(tài)，同時(shí)，鑄錠有很大的內(nèi)應(yīng)力。鋁合金鑄錠均勻化退火熱處理的目的，就是消除這些非平衡結(jié)晶相，使偏析和富集在晶界上和枝晶網(wǎng)上的可溶解金屬化合物發(fā)生溶解回溶，使固溶體濃度沿晶?；蛘麄€(gè)枝晶均勻一致（見圖1）[1]。對(duì)含有Zr、Mn、Cr等添加元素的合金鑄錠，均勻化退火可讓含Zr、Mn、Cr等彌散相均勻、細(xì)小析出，以改善合金性能；同時(shí)，消除鑄錠內(nèi)應(yīng)力，提高合金塑性，降低合金變形抗力，改善合金加工工藝性能。

圖1 均勻化退火對(duì)7075鋁合金鑄錠顯微偏析的影響

一般來說，鑄錠的均勻化退火加熱溫度較高，接近合金鑄錠低熔點(diǎn)相的實(shí)際熔化溫度。均勻化溫度的選擇原則為T=0.9～0.95Tm（Tm為低熔點(diǎn)共晶熔化起始溫度），但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，均勻化溫度更高些。

圖2所示的合金鑄錠DSC曲線分析表明，合金低熔點(diǎn)共晶的回溶起始溫度為467℃（甚至是465℃）。為盡可能減少合金組織中的殘留相，獲得組織均勻的鑄錠，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中采用460℃為鑄錠均勻化溫度。采用較高的均勻化加熱溫度，可達(dá)到提高生產(chǎn)效率和控制生產(chǎn)成本的目的。

圖2 7055鋁合金鑄錠的DSC曲線

根據(jù)合金產(chǎn)品的最終性能要求，合金鑄錠均勻化后，可選用強(qiáng)風(fēng)冷/水霧冷等快速冷卻的方式，也可采用隨爐冷卻到一定溫度后再出爐空冷的緩慢冷卻方式，還有直接出爐空冷的冷卻方式。

均勻化退火時(shí)主要的組織變化是枝晶偏析消除、非平衡相溶解，晶內(nèi)溶質(zhì)濃度逐漸均勻化[1-2]。圖3是2024合金鑄態(tài)及不同均勻化后的組織[3]。

圖3中，合金鑄態(tài)組織中主要相為α（Al）、T（CuMg4Al6）及S（CuMgAl）相，還可能有少量θ（CuAl2）、Al2Mg3、Mg2Si、Al6（Fe，Mn）和Al7Cu2Fe相。晶界集中析出大量的T（CuMg4Al6）、S（CuMgAl2）以 及 少 量 的CuAl2、Al2Mg3、Mg2Si、Al6（Fe、Mn）、Al7Cu2Fe析出相及共晶組織。

圖3 不同均勻化工藝+水冷的2024鋁合金顯微組織

均勻化處理后，隨著均勻化溫度升高，合金中粗 大 的CuAl2、T（CuMg4Al6）、S（CuMgAl）相、Al2Mg3、Mg2Si、Al6（Fe，Mn）和Al7Cu2Fe相共晶組織和非平衡低熔點(diǎn)共晶相逐漸溶解，枝晶網(wǎng)絡(luò)逐漸變稀，晶界上的殘留相及共晶組織由連續(xù)分布逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚g斷連續(xù)沿晶界分布。在合金經(jīng)495℃/8 h均勻化后，枝晶網(wǎng)絡(luò)溶解相對(duì)較充分，晶界上粗大的共晶組織和非平衡相明顯減少；經(jīng)510℃/8 h均勻化處理后，合金出現(xiàn)粗大的低熔點(diǎn)共晶相和晶界復(fù)熔，低熔點(diǎn)共晶相呈明顯復(fù)熔狀，晶界局部明顯粗化和加寬，并在出現(xiàn)晶粒交界處呈現(xiàn)明顯的三角形復(fù)熔區(qū)，晶界附近甚至出現(xiàn)了黑色的過燒坑等[2]，說明在該均勻化制度下合金已過燒。

鋁合金鑄錠均勻化退火爐的設(shè)計(jì)和制造，應(yīng)根據(jù)鋁合金鑄錠的組織變化特征、產(chǎn)品性能指標(biāo)、變形加工工藝要求以及生產(chǎn)成本控制等多方面進(jìn)行綜合考慮，以適應(yīng)和滿足高品質(zhì)鋁合金產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。

2 均勻化退火爐選型的工藝分析

鋁合金鑄錠均勻化效果會(huì)直接影響合金產(chǎn)品的最終性能。均勻化退火爐的工藝選型，主要基于三個(gè)方面：一是爐溫均勻可靠；二是加熱升溫速率可控；三是冷卻均勻、冷卻速度可調(diào)。

2.1 均勻化退火爐溫度的均勻性

鑄錠均勻化退火處理時(shí)選擇的加熱溫度接近合金非平衡共晶相的熔點(diǎn)溫度（過燒溫度），因此，對(duì)均勻化退火爐爐溫均勻性就提出了很高的要求。一般要求爐溫溫差控制在±5℃，特殊制品要求溫差控制在±3℃。如果爐溫的均勻性差，均勻化退火過程中合金鑄錠組織的局部過熱、局部過燒的風(fēng)險(xiǎn)就大，實(shí)際生產(chǎn)中不得不采用相對(duì)較低的均勻化加熱溫度，但這又會(huì)嚴(yán)重影響到鑄錠均勻化效果，影響到合金產(chǎn)品的最終性能。

均勻化退火爐溫度均勻性包括爐內(nèi)加熱的每根鑄錠的溫度一致性、同根鑄錠長度方向的溫度均一性及每根鑄錠表面和中心的溫度差。

目前控制爐內(nèi)每根鑄錠溫差的主要措施大致有：（1）合理設(shè)計(jì)循環(huán)風(fēng)機(jī)的風(fēng)向、風(fēng)量以及安裝位置；（2）合理設(shè)計(jì)均流板，盡可能把熱風(fēng)均勻分布到整個(gè)爐內(nèi)需要的地方；（3）合理設(shè)計(jì)鑄錠的堆放方式，使其與爐子的熱風(fēng)循環(huán)方式搭配起來，讓各個(gè)位置的鑄錠都能均勻受熱[3]。

鑄錠長度方向的溫差主要靠燃燒區(qū)的設(shè)置來解決（燃?xì)鉅t），通常對(duì)于6.5 m長度的鑄錠，一般不少于3個(gè)區(qū)間，且各區(qū)間的溫度偏差應(yīng)不大于10℃。由于鋁合金的導(dǎo)熱性好，鑄錠表面和中心的溫差，在保溫時(shí)間內(nèi)大都會(huì)達(dá)到工藝要求（見圖4）[4]。但Al-Li合金例外，不同成分的Al-Li合金的導(dǎo)熱性也不同；總體來說，Al-Li合金的導(dǎo)熱性相對(duì)較差，可適當(dāng)延長保溫時(shí)間，以保證鑄錠均質(zhì)溫度的均勻性。

圖4 鋁合金鑄錠在500℃保溫時(shí)鑄錠表面和中心溫差隨時(shí)間的變化曲線

生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中，為保證合金鑄錠的均勻化效果，一般采取實(shí)測鑄錠金屬溫度的方法避免鑄錠過燒。具體應(yīng)用是：（1）合金鑄錠采用差溫加熱，以提高生產(chǎn)效率；開始加熱時(shí)，一般設(shè)定爐氣溫度高于所要求的金屬溫度30℃；金屬溫度接近或達(dá)到要求的溫度時(shí)，改定溫為要求的均質(zhì)加熱溫度；（2）鑄錠均勻化退火時(shí)的加熱溫度以鑄錠金屬溫度為準(zhǔn)，防止過燒；每爐分別在裝爐鑄錠熱端上部、下部和冷端中部各安放一個(gè)熱電偶；安放熱電偶時(shí)要求：在鑄錠相應(yīng)位置直接鉆孔φ5～10 mm×（30～50）mm，孔內(nèi)插入熱電偶，縫隙用硅氈棉堵塞緊實(shí)；以捆綁熱電偶溫度作為鑄錠均熱金屬溫度，3支熱電偶均達(dá)到保溫溫度時(shí)才開始計(jì)保溫時(shí)間；（3）多個(gè)鑄錠同裝一爐時(shí)，鑄錠之間應(yīng)放置≥150 mm隔離物，既方便吊運(yùn)，又便于熱空氣循環(huán)；鑄錠側(cè)面與爐壁及端部與爐壁的間距均不少于200 mm。

工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用中，鑄錠均勻化退火加熱溫度的確定主要考慮以下方面：

（1）鑄錠均勻化質(zhì)量/均勻化效果。根據(jù)熱力學(xué)原理，在合金組織不過燒的前提下，均勻化退火加熱溫度盡可能高，以實(shí)現(xiàn)非平衡凝固結(jié)晶相全部回溶。

例如：2024/2A12合金鑄錠的過燒溫度約為502℃，生產(chǎn)中實(shí)際選擇的均勻化退火加熱溫度為490～500℃，與過燒溫度非常接近。因此，這對(duì)均勻化退火爐的溫控系統(tǒng)、爐溫均勻性等提出了極高的要求。

（2）生產(chǎn)效率。合金鑄錠的均勻化本質(zhì)是合金中原子的擴(kuò)散。外加的動(dòng)力（加熱溫度）越大，原子擴(kuò)散的速率越快，鑄錠均勻化效果就越好，因此，均勻化退火工藝選擇的加熱溫度就越高。

（3）生產(chǎn)成本。均勻化退火溫度選擇的越高，與之對(duì)應(yīng)的所需保溫時(shí)間相對(duì)就短，生產(chǎn)的能耗、人工等成本就越低。

加熱溫度是工業(yè)化均勻化退火生產(chǎn)過程控制中最重要的參數(shù)之一，在均勻化退火生產(chǎn)過程中，均勻化退火爐溫度的均勻性對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用?？傮w來說，均勻化退火加熱溫度高，鑄錠過燒的控制風(fēng)險(xiǎn)就大，對(duì)均勻化退火爐的要求也就高。

2.2 升溫速率可控

企業(yè)為追求生產(chǎn)效率，希望用盡可能短的時(shí)間完成均勻化退火處理，以降低生產(chǎn)成本。但不同的加熱速率對(duì)鑄錠均勻化質(zhì)量影響也不同。

過高的升溫速率可能會(huì)導(dǎo)致鑄錠中低熔點(diǎn)共晶相溶解（過熱/過燒），也可能導(dǎo)致大規(guī)格、易開裂的合金鑄錠在加熱過程中產(chǎn)生裂紋。在實(shí)際應(yīng)用中，大規(guī)格的2×××系、7×××系合金鑄錠在裝爐時(shí)，其均勻化退火爐的爐溫必須≤250℃，以防止升溫速率過高導(dǎo)致鑄錠開裂。

根據(jù)產(chǎn)品性能要求，部分合金鑄錠采用二級(jí)或以上的均勻化處理。為了使產(chǎn)品能獲得良好的強(qiáng)韌性配合，第二級(jí)均勻化退火溫度甚至超過鑄錠的初始過燒溫度（強(qiáng)化均勻化處理），以盡可能降低鑄錠中的殘留相的含量，這就要求第二級(jí)均勻化退火時(shí)以極慢的升溫速率升溫（如0.5℃/h的升溫速率），才能保證鑄錠不過燒。

從表1中可以看出，6063合金鑄錠的升溫速率對(duì)合金低熔點(diǎn)共晶相的溶解沒有明顯的影響，可以以較高的升溫速率升溫[5]。一般來說，理論上，6×××系合金鑄錠均勻化退火時(shí)的升溫速率對(duì)鑄錠質(zhì)量影響不大[6]。為提高生產(chǎn)效率，可以以均勻化退火爐最大的功率升溫。

表1 加熱速率對(duì)鋁合金鑄錠共晶溶解的影響

均勻化退火時(shí)必須控制7×××系、5×××系和2×××系合金鑄錠的升溫速率，以防止因升溫過快導(dǎo)致鑄錠過燒/開裂。同時(shí)，過高的升溫速率也會(huì)導(dǎo)致鑄錠表面與芯部的溫差加大，不利于鑄錠均勻化退火時(shí)的溫度均勻性控制。

在含有Zr元素的鋁合金鑄錠中，Zr的形貌、尺寸大小、數(shù)量及分布對(duì)合金產(chǎn)品的力學(xué)性能、斷裂韌性等有很大的影響，合金鑄錠均勻化退火時(shí)的升溫速率直接影響到A13Zr粒子的析出行為。圖5表明，與200℃/h均勻化處理相比，于20℃/h均勻化處理后的鑄錠組織中，其A13Zr粒子密度明顯增加，尺寸均勻、細(xì)小，分布彌散[7]。

圖5 不同升溫速率下Al3Zr粒子析出模型

在鑄錠擺放方式一定的前提下，均勻化退火爐對(duì)金屬的升溫能力主要與燒嘴的功率以及循環(huán)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)速有關(guān)。一般情況下，燒嘴的功率越大，升溫能力越好；循環(huán)風(fēng)速越大，與鑄錠的熱交換能力越強(qiáng)，爐子的升溫速度越快。

從經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本考慮，應(yīng)尋求各個(gè)方面的平衡。升溫速率既不能太快也不能太慢，太快會(huì)導(dǎo)致熱效率低、能耗高；太慢則會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的合金種類、鑄錠規(guī)格、產(chǎn)品類型等方面綜合考慮，選擇燒嘴布置方式、燒嘴功率、風(fēng)機(jī)布置方式和風(fēng)機(jī)風(fēng)量以及相適應(yīng)的控制系統(tǒng)。

以50 t均質(zhì)爐為例，產(chǎn)品是6×××系鑄錠時(shí)，均勻化退火爐滿負(fù)荷、鑄錠表面溫度達(dá)到570～580℃時(shí)的加熱時(shí)間要求≤3 h。此時(shí)，鑄錠升溫速率約3.2℃/min左右；產(chǎn)品是7×××系、2×××系、高M(jìn)g的5×××系鑄錠時(shí)，均勻化退火爐滿負(fù)荷、鑄錠表面溫度達(dá)到450～500℃時(shí)的加熱時(shí)間要求≤6 h。此時(shí)，鑄錠升溫速率約1.4℃/min。

2.3 均勻化退火后冷卻均勻、冷卻速度可調(diào)

鑄錠均勻化退火處理后的冷卻速度對(duì)鑄錠的顯微組織和后續(xù)的擠壓工藝性能及型材最終的力學(xué)性能都會(huì)產(chǎn)生重要影響。以2A12合金鑄錠為例，鑄錠均勻化退火后緩冷，殘留有大量粗大析出相（見圖6），降低了合金的熱加工塑性，在擠壓管材時(shí)會(huì)出現(xiàn)“鋁金屬粘大針”現(xiàn)象，造成管材內(nèi)表面粘傷，從而影響合金的性能，尤其是降低了合金的耐晶間腐蝕性能。由于擠壓管材內(nèi)表面粘鋁嚴(yán)重，導(dǎo)致管材表面局部存在擠壓微裂紋，在有腐蝕介質(zhì)的條件下，粘傷或微裂紋部位最先發(fā)生腐蝕，因而降低了合金的耐晶間腐蝕性能。

圖6 2A12合金鑄錠均勻化后不同冷卻速率的組織形貌

為獲得組織均勻、析出相質(zhì)點(diǎn)細(xì)小且彌散分布的鑄錠坯料，根據(jù)不同合金種類的特性和性能要求以及實(shí)際生產(chǎn)中的變形加工設(shè)備，選擇均勻化退火后不同的冷卻方式。圖7為不同的均勻化退火冷卻速率對(duì)6×××系合金擠壓速度的影響。

圖7 均勻化退火冷卻速率對(duì)6×××系合金擠壓速度的影響

對(duì)大多數(shù)合金鑄錠而言，均勻化退火后較佳的冷卻方式是快速冷卻，快速通過固溶體溶質(zhì)脫溶的溫度敏感區(qū)間（見表2）。但對(duì)于淬火敏感性較大的合金鑄錠，如2014/2A14合金、超高Zn的7×××系合金等，因?yàn)楦叩睦鋮s速率會(huì)產(chǎn)生淬火效應(yīng)，造成鑄錠加工時(shí)變形抗力大增，不利于塑性加工。因此，應(yīng)適當(dāng)降低均勻化退火后的冷卻速率，可采用風(fēng)冷、空冷甚至是爐冷。

表2 部分鋁合金TTP曲線的鼻溫與淬火溫度敏感區(qū)間

一般來說，合金的TTP曲線（C曲線）主要應(yīng)用于合金固溶淬火時(shí)的工藝制定，預(yù)防合金固溶過飽和固溶體脫溶，降低合金時(shí)效時(shí)沉淀強(qiáng)化的性能，但該曲線也可應(yīng)用于合金均勻化熱處理時(shí)的冷卻工藝制定。

為提高合金的韌性，高合金化、超高強(qiáng)度的合金有時(shí)也采用均勻化退火后較慢的冷卻速率來冷卻鑄錠。

由于不同企業(yè)的擠壓設(shè)備和擠壓產(chǎn)品質(zhì)量的要求是多樣化的，因而變形加工工藝技術(shù)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，包括擠壓、軋制、鍛造變形加工等，因此，鑄錠均勻化退火熱處理工藝參數(shù)和后續(xù)的冷卻速度很難作出統(tǒng)一的規(guī)定。但基本要求是鑄錠冷卻時(shí)的風(fēng)量、冷卻水量可調(diào)，且有相對(duì)較大的可調(diào)范圍，可以較好地調(diào)控鑄錠均勻化退火后的冷卻速率。

值得注意的是，對(duì)于較大容量的均勻化退火熱處理爐，鑄錠爐溫均勻性固然很重要，但鑄錠均勻化退火后冷卻強(qiáng)度的均勻一致性也不可忽視，這是保證鑄錠組織均勻、產(chǎn)品性能穩(wěn)定的重要工序。這對(duì)均勻化退火爐冷卻室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)、冷卻水噴嘴布置及功率大小等提出了較高的要求。

3 結(jié)論

從鋁合金變形加工工藝技術(shù)的角度，鑄錠均勻化退火爐選型主要考慮如下三個(gè)方面：

（1）爐溫均勻可靠。鑄錠均勻化退火處理時(shí)所選的加熱溫度接近合金非平衡共晶相的熔點(diǎn)溫度（過燒溫度），因此，對(duì)均質(zhì)爐爐溫均勻性就提出了很高的要求，一般要求控制在±5℃，特殊制品要求溫差控制在±3℃。

（2）升溫速率可控。鋁合金具有良好的導(dǎo)熱性，在不發(fā)生非平衡共晶相溶解的前提下，一般鑄錠的升溫速度應(yīng)該快一些為好，以提高生產(chǎn)效率和降低能耗。為更好地服務(wù)于高端鋁合金鑄錠的質(zhì)量要求，均勻化退火爐的升溫速率必須可控，以滿足多級(jí)均勻化、強(qiáng)化均勻化等均勻化退火工藝的要求。

（3）冷卻速度均勻可調(diào)。均勻化退火后鑄錠慢冷時(shí)析出的粗大強(qiáng)化相可能會(huì)降低加工制品的力學(xué)性能，影響產(chǎn)品伸長率；鑄錠冷卻太快，則會(huì)產(chǎn)生淬火效應(yīng)，生產(chǎn)的半制品雖具有更高的力學(xué)性能，但會(huì)導(dǎo)致合金變形抗力增加、擠壓加工等生產(chǎn)效率降低。冷卻室的主要功能就是要保證鑄錠的冷卻速度可調(diào)，并達(dá)到均勻一致，以控制合金的各種析出物大小，滿足擠壓/軋制/鍛造等變形加工工藝的要求。