鋁合金扁錠晶粒細化工藝控制

中國鋁業青海分公司 張新奎

鑄造的任務是獲得尺寸、形狀、內外部質量符合要求的鑄錠。鑄錠質量好壞的標志主要是內部質量，內部質量主要表現在3 個方面，一是鑄錠結晶組織的細密程度，即晶粒的大小，晶粒結構的細化程度及局部組織的不均勻程度；二是鑄錠內部的合金組元分布的均勻性；三是鑄錠的致密度，即破壞鑄錠連續性的缺陷和疏松、氣孔、裂紋、夾渣等的有無程度。金屬材料的晶粒度，對其自身的熱處理特性、材料質量都有很大影響。均勻的細晶粒組織可以是顯著提高材料的強度、延伸率和氣密性，降低材料的熱裂傾向，避免鑄造時鑄件表面開裂，從而提高鑄造表面質量。因此，防止偏析，消除枝狀晶，以獲得很細的等軸晶粒組織是很有必要的。

目前，AI-5Ti-B 合金在國內外鋁加工企業中使用最為廣泛。但是20世紀80年代以來，國外趨向使用含硼量較低的中間合金。低硼含量的合金能減少TiB2的聚集，滿足薄板或箔材的要求，還降低了添加成本。在變形鋁合金薄板和擠壓型材方面，對產品質量和金屬清潔度的要求也越來越高，低硼含量的中間合金，在提高合金自身和被細化的產品的清潔度方面有積極作用。近年來，AI-5Ti-C 細化劑在生產實踐中得到了大力推廣，并取得了一定的成效。

一、影響合金晶粒度的因素

金屬或合金液的溫度、孕育劑和合金化、鑄模的熱學性質、振動能的引入等都是影響金屬或合金晶粒度的主要因素。這些因素相互影響，在日常生產中，金屬溫度、鑄模熱學性質，均處于固定的工藝參數要求范圍內，其變化不大。鑄造廠引入ABB 電磁攪拌器，在攪拌的同時，也實現了引入振動能的功效，達到了細化晶粒的目的。采用上述處理手段可以起到一定的作用，但是采用適當的處理金屬液的辦法，使其從液態冷卻凝固成微細粒組織是最為有效的方法，而變質處理和孕育處理就是兩種行之有效的辦法。

二、細化劑分類

鈦（Ti）、鋯（Zr）、硼（B）等難熔元素是鋁及鋁合金鑄造過程中常用的細化劑，其中以鈦用得最多，其加入量多控制在0.01%～0.05%。鋁合金熔鑄生產中，通常加入4 kg 重片塊狀的A1-Ti-B 添加劑和Φ9.0mm～Φ10mm 的桿料。桿料標準盤重180～450 kg。塊料適于爐內處理，桿料用于爐外處理。

三、細化劑的用量及添加方法

1.細化劑的用量及計算方法。

（1）AL-Ti-B 絲的添加速度v。計算公式如下。

式（1）中，L為鑄模長度，B為鑄模寬度，S鑄為鑄造速度，Q為鑄錠根數，ρ鋁為原鋁密度，Ti目為原鋁鈦成分目標設定值，Ti原為未加鈦絲前原鋁鈦成分值，R為鈦絲半徑，ρ鈦為鈦絲鈦成分值。板錠生產中AL-5Ti-1B 送絲速度設定參數見表1。

表1 板錠生產中AL-5Ti-1B 送絲速度設定參數

2.細化劑的添加方法。細化劑加入有3 種方法，一是用Ti和B 的化合物直接加入熔體與熔融鋁發生反應；二是將塊狀中間合金加入爐內，如將A1-Ti、A1-Ti-B 等中間合金錠，投入爐內攪拌，可起到細化作用，但此法用量大，效果差；三是以Φ9 mm～Φ10 mm 的桿料，用喂料機連續加到爐外輸送熔體的流槽中，此法細化劑加人均勻，用量少，效果好，可以通過變化喂料速度實現精確控制，與爐外連續凈化裝置配合使用，可實現熔鑄生產的自動化。

A1-Ti-B 塊料加入后必須進行徹底攪拌，加入后10～20 min開始鑄造，鑄造時間超過3 h 要重新攪拌，使沉淀或集聚的TiB2顆粒重新分散，發揮作用。塊料加入量一般比桿料多1/3。因此，在爐子容量大、鑄造時間長的條件下最好使用桿料，用喂料機連續加入。在使用A1-Ti-B 合金細化劑時，要避免與氧化物接觸，以確保A1-Ti-B 起到細化作用。因此，桿料必須插入沒有氧化物的干凈鋁液中。在青海鋁業鑄造廠鋁扁錠生產線中，把A1-Ti-B 絲不斷熔入到流槽流動的鋁合金液體中，與鋁合金液發生作用，生成外來的異質結晶核，從而實現細化晶粒的作用。經驗表明，在鑄造開始時，向分流槽尾部額外加入一定量的桿料，有助于整個鑄造過程的順利細化。

四、AL-Ti-C 細化劑的使用

新型細化劑AL-Ti-C 為低硼細化劑產品，鑄造廠在使用過程中，加入該細化劑，使粗大針狀的TiAl3變為細小塊狀。均勻分布的TiAl3可以有效防止TiC 化合物的松散聚集。受TiC化合物的非自發形核的機理影響，鑄錠對Zr，Cr，V 和Mn 等元素“中毒”免疫，提高了產品的質量與性能和細化劑的細化效果，也大大提高了合金鑄造成型及變形加工性能。