水平連續(xù)鑄造速度對6061鋁合金表面質(zhì)量及皮下組織的影響

楊 光,郭 旭,王高松,趙志浩,3

(1.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽110819;2.材料電磁過程研究教育部重點實驗室,遼寧 沈陽110819;3.東北大學(xué) 金屬型線材研究中心,遼寧 沈陽110819)

6061鋁合金具有良好的力學(xué)性能,而且可通過陽極氧化著色,廣泛應(yīng)用于船舶、家居、電子及汽車等領(lǐng)域[1-3]。目前,鋁合金圓鑄錠的生產(chǎn)方式主要為立式半連續(xù)鑄造,其需要深挖地坑,具有很高的危險隱患。水平連續(xù)鑄造則具有成品率高、生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡單、投資少、節(jié)約能源等優(yōu)勢[4]。結(jié)晶器是水平連鑄中最重要的部件,直接影響著鑄錠的質(zhì)量、生產(chǎn)效率等。結(jié)晶器的有效結(jié)晶區(qū)用材通常分為二類,第一類是高純石墨,具有致密光滑、耐高溫、導(dǎo)熱性好以及具有很好的自潤滑作用。第二類是紫銅或是鍛鋁,相比于高純石墨其更耐用,能更理想的實現(xiàn)高效不間斷的連續(xù)生產(chǎn),但是必須配備潤滑劑使用[5]。Bartocha D等人[6]應(yīng)用石墨內(nèi)襯結(jié)晶器生產(chǎn)直徑為30 mm的99.5%純鋁的鑄錠,發(fā)現(xiàn)提高水平連鑄平均速度會導(dǎo)致鑄錠初生組織中不利柱狀晶粒數(shù)量的增加,可能是由于結(jié)晶前沿溫度梯度降低所致。朱慶豐等人[7]應(yīng)用由鍛鋁內(nèi)嵌石墨環(huán)的結(jié)晶器生產(chǎn)直徑100 mm的7075鋁合金鑄錠,實驗結(jié)果表明,隨著拉速的增大,熔池的加深,冷隔消失,偏析瘤增多。本課題選用紫銅內(nèi)襯結(jié)晶器,重點研究鑄造速度對6061鋁合金水平連鑄鑄錠表面質(zhì)量及皮下組織的影響。

1 實驗方法

本實驗鑄造機使用實驗室自制的水平連鑄機,結(jié)晶器主體部分由紫銅加工而成,其直徑為178 mm,寬度為50 mm,使用潤滑油對結(jié)晶器內(nèi)襯進行潤滑,使鋁錠更容易脫模,overhang的寬度為5 mm,結(jié)晶器部件示意圖如圖1所示。實驗材料選用6061鋁合金,其成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為,Al 97.84,Si 0.57,Mg 0.89,Fe 0.12,Mn 0.08,Cr 0.18,Zn 0.05,Ti 0.02。

圖1 結(jié)晶器部件部分示意圖Fig.1 Schematic diagram of crystallizer

在碳棒加熱式電阻爐內(nèi)對鋁合金進行熔煉,經(jīng)過除氣、扒渣、精煉后在爐內(nèi)靜置,待爐內(nèi)熔體溫度穩(wěn)定至740 ℃,開始進行水平連鑄,生產(chǎn)鑄棒直徑為178 mm的6061鋁合金。在鑄造過程中保持鑄造溫度、冷卻強度、潤滑油量等工藝參數(shù)不變,只改變鑄造速度,鑄造速度分別為80 mm/min、90 mm/min、100 mm/min、110 mm/min、120 mm/min、130 mm/min。鑄造完成后觀察分析不同鑄造速度下6061鋁合金鑄錠的表面形貌及皮下組織。沿鑄錠橫截面截取約20 mm厚度的圓試片,分別在試片上邊部和下邊部獲取1個試樣,試樣尺寸為20 mm×20 mm,經(jīng)過機械打磨拋光后使用氟硼酸溶液進行陽極覆膜,在偏振光顯微鏡下觀察不同鑄錠上下表面的皮下微觀組織。

2 試驗結(jié)果

2.1 鑄造速度對鑄錠表面形貌的影響

圖2為不同鑄造速度下鑄錠上表面的形貌?？梢杂^察到,當(dāng)鑄造速度為80 mm/min時鑄錠表面存在明顯的冷隔缺陷,冷隔很寬且冷隔與冷隔之間有明顯的分界溝道;隨著鑄造速度的提高,冷隔寬度逐漸減小,冷隔與冷隔間的分界溝道也在逐漸變小。當(dāng)鑄造速度達到110 mm/min時,鑄錠表面更加光亮,當(dāng)鑄造速度達到130 mm/min時,鑄錠表面冷隔已經(jīng)基本消失,但是出現(xiàn)了少量的偏析瘤。

(a)80 mm/min;(b)90 mm/min;(c)100 mm/min;(d)110 mm/min;(e)120 mm/min;(f)130 mm/min圖2 不同鑄造速度下的鑄錠上表面Fig.2 Upper surface of alloy ingots at different casting speeds

圖3為不同鑄造速度下鑄錠下表面的形貌。可以看出,鑄造速度為80 mm/min時鑄錠表面存在明顯的冷隔缺陷,當(dāng)鑄造速度達到110 mm/min時,此時的冷隔明顯減小,表面沒有出現(xiàn)細微裂紋。但是隨著鑄造速度的進一步增加,當(dāng)鑄造速度達到120 mm/min時可以清晰的發(fā)現(xiàn)鑄錠下表面部分區(qū)域出現(xiàn)了細裂紋,當(dāng)鑄造速度達到130 mm/min時下表面的細裂紋區(qū)域面積明顯增大,并且裂紋加深。

(a)80 mm/min,(b)90 mm/min,(c)100 mm/min,(d)110 mm/min,(e)120 mm/min,(f)130 mm/min圖3 不同鑄造速度下鑄錠下表面Fig.3 Lower surface of alloy ingots at different casting speeds

2.2 鑄造速度對鑄錠皮下組織的影響

鑄錠上表面皮下組織如圖4所示。可以看到,當(dāng)鑄造速度為80 mm/min、90 mm/min和100 mm/min時,其皮下組織大致可以分成三個區(qū)域 ,即靠近表面的皮下細晶區(qū)、異形晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)。隨著鑄造速度的提高,皮下細晶區(qū)不斷變小,異形晶區(qū)也從大晶粒變?yōu)榱诵【Я！．?dāng)鑄造速度達到110 mm/min時,皮下組織形成兩個區(qū)域,即皮下細晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)。鑄造速度繼續(xù)加快,達到120 mm/min時可看到皮下細晶區(qū)出現(xiàn)大量缺陷,速度達130 mm/min時其缺陷最為顯著,存在整個皮下細晶區(qū)域。

(a)80 mm/min;(b)90 mm/min;(c)100 mm/min;(d)110 mm/min;(e)120 mm/min;(f)130 mm/min圖4 不同鑄造速度鑄錠上表面皮下組織Fig.4 Microstructure in sub-surface of alloy ingot near the upper surface at different casting speeds

鑄錠下表面皮下組織如圖5所示?？芍?其皮下組織與上表面皮下組織存在很大不同,在80mm/min到130 mm/min 的6個鑄造速度下,只有在鑄造速度為110 mm/min時下表面皮下組織中存在2個區(qū)域,即皮下細晶區(qū)和中心等軸晶區(qū),在其他鑄速度下均為3個區(qū)域。鑄造速度從80 mm/min到100 mm/min變化時,處于中間位置的異形晶區(qū)從大晶粒變?yōu)榇嬖谌毕莸男【Я?而后又變成了大晶粒。

(a)80 mm/min;(b)90 mm/min;(c)100 mm/min;(d)110 mm/min;(e)120 mm/min;(f)130 mm/min圖5 不同鑄造速度鑄錠下表面皮下組織Fig.5 Microstructure in sub-surface of alloy ingot near the lower surface at different casting speeds

當(dāng)鑄造速度達到110 mm/min時,異形晶區(qū)消失。但隨著鑄造速度的進一步提高,異形晶區(qū)再次出現(xiàn),并且皮下細晶區(qū)隨之出現(xiàn)明顯缺陷。異晶區(qū)位置隨著鑄造速度的增加呈現(xiàn)向鑄錠表面移動的趨勢,皮下細晶區(qū)變薄。

3 分析與討論

水平連續(xù)鑄造最大的特點是鑄錠通過水平牽引的方式被引出,因此在整個鑄造過程中受重力的影響十分嚴(yán)重,影響最大的因數(shù)是鑄錠上下表面的冷卻強度。由于鑄錠下表面與結(jié)晶器的接觸壓力比上表面與結(jié)晶器的接觸壓力大,使結(jié)晶器一冷區(qū)對鑄錠的冷卻強度不均,使鑄錠下表面的冷卻強度大于上表面的冷卻強度。同時鑄錠的二次冷卻由結(jié)晶器前端均勻噴出冷卻水完成,重力的影響使結(jié)晶器上端噴出的冷卻水在鑄錠下表面聚集,導(dǎo)致鑄錠下表面二次冷卻強度大于上表面二次冷卻強度[8],最終導(dǎo)致鑄錠上下表面冷卻強度不同。由于冷卻強度的不同導(dǎo)致了鑄錠上下表面質(zhì)量在相同速度下存在明顯差異。隨著鑄造速度的增加,鋁液流動速度加快,減少了鋁液在流槽流動時熱量的散失,結(jié)晶器內(nèi)熔池溫度升高,并且減小了鋁液突破結(jié)晶器與overhang形成三角區(qū)內(nèi)糊狀凝固坯殼的時間,阻礙了糊狀凝固坯殼的繼續(xù)長大,因此鑄錠上表面冷隔減小,鑄錠上表面質(zhì)量提高。但是對于鑄錠下面來說,鑄造速度的提高能夠減小鑄錠下表面的冷隔,但是當(dāng)鑄造速度達到120 mm/min時,鑄錠下表面出現(xiàn)了細裂紋。這是因為在鑄錠下表面冷卻強度大的情況下,糊狀凝固坯殼被快速冷卻,鋁液不能進行及時的填充,即金屬的流動能力不能滿足鑄造速度和冷卻強度要求,最終導(dǎo)致了下表面細裂紋的產(chǎn)生,這些裂紋出現(xiàn)在原冷隔分界處;隨著鑄造速度的進一步提高,鑄錠下表面的細裂紋增多。

通過觀察鑄錠的皮下組織可以發(fā)現(xiàn),鑄錠皮下組織的各部分晶粒存在明顯差異,主要是由于鋁液凝固規(guī)律導(dǎo)致的這種現(xiàn)象。在鑄造過程中,結(jié)晶器和overhang之間的三角區(qū)進行著形成糊狀凝固坯殼和鋁液沖破糊狀凝固坯殼并進行填充的往復(fù)過程。當(dāng)鑄造速度慢時,糊狀凝固坯殼長大時間長,即沿overhang平行方向向內(nèi)部生長,當(dāng)鋁液沖破凝固坯殼時,部分糊狀凝固坯殼會留在鑄錠內(nèi),經(jīng)過冷卻后最終形成皮下組織的異形區(qū)。隨著鑄造速度的加快,減小了糊狀凝固坯殼的生長時間,因此出現(xiàn)異形區(qū)到鑄錠表面的距離不斷減小。由于鋁液與結(jié)晶器的有效結(jié)晶區(qū)接觸形成凝固坯殼過程中產(chǎn)生了極大的過冷度,因此形成了表面細晶區(qū)。隨著鑄造速度的提高,結(jié)晶器內(nèi)熔池溫度升高并且減少了結(jié)晶器內(nèi)壁對鋁液的冷卻時間,導(dǎo)致凝固坯殼變薄,即鑄錠皮下細晶區(qū)變薄。鑄造速度的提高也會導(dǎo)致鋁液的填充能力變差,造成鑄錠皮下微觀組織中出現(xiàn)大量缺陷。結(jié)晶器的二次冷卻水繼續(xù)對凝固坯殼進行冷卻,最終形成中心等軸晶區(qū)。由于鑄錠上下表面受到的冷卻強度不同,造成了鑄錠上下表面皮下組織的差異。

4 結(jié)論

(1)通過提高鑄造速度可以改善鑄錠表面質(zhì)量,由于鑄錠上下表面冷卻強度不同,隨著鑄造速度的進一步提高,鑄錠上表面質(zhì)量進一步提高,而鑄錠下表面質(zhì)量發(fā)生了明顯的下降即出現(xiàn)了細裂紋,鑄錠下表面最先達到極限速度。

(2)由于冷卻強度的不同導(dǎo)致鑄錠上下表面的皮下組織存在差異,隨著鑄造速度的增加,皮下組織的異形晶區(qū)呈現(xiàn)向表面移動的趨勢,逐漸向鑄錠表面靠攏,皮下細晶區(qū)變薄。

(3)本實驗銅模結(jié)晶器的最佳鑄造速度為110 mm/min,此時鑄錠表面質(zhì)量均勻,鑄錠表面沒有出現(xiàn)裂紋,鑄錠皮下組織不存在缺陷,組織均勻。