356 A.2合金錠生產工藝控制研究

何建明，周明麗

（中國鋁業股份有限公司連城分公司， 甘肅 蘭州 730335）

隨著國內汽車行業的蓬勃發展，356 A.2作為鋁合金車輪轂原料生產需求量越來越大，同時對理化指標的要求越來越高。各企業比拼質量與成本是保證市場占有率的主要做法[1]。因此更加精益的生產工藝控制成為當前迫切需求。本文以采用原鋁液直接生產356 A.2合金時的工藝控制技術，分析了原料、合金元素配料、鑄造控制等關鍵環節的控制要點；在低成本條件下，解決了針孔度超標、晶粒粗大、成分偏析的生產難題；總結出在現有設備條件下可穩定生產的鑄造參數。

1 產品需求分析

356 A.2因主要應用于鋁合金車輪轂。近年來半固態鑄造、擠壓鑄造旋壓成型等方法應用增多，為保證輪轂的力學性能，對原料的金相組織提出了較高的要求。Al-Si合金二元共晶相圖見圖1。

圖1 Al-Si合金二元共晶相圖

在亞共晶范圍內，鑄錠最終組織成分為初生Al相和鋁硅共晶相；當為共晶合金時，全部為鋁硅共晶相。在此兩種狀態下A356.2才能具有預期的力學性能。在過共晶范圍內，金屬液首先析出初生Si相，初晶硅一般比較粗大，呈板條或多角塊狀，對Al基體有很嚴重的割裂作用，影響力學性能。過共晶狀態對后續加工產生不利影響，為使合金產品獲得較好的客戶認同，需要在生產過程中將產品控制在共晶或亞共晶狀態。

2 工藝過程

356 A.2鑄錠生產工藝過程主要包括：結晶硅入爐—鋁液入爐—添加其余合金元素—升溫熔煉—成分調整—精煉—靜置除渣—鑄造前分析—成分調整（需要時）—鑄造—打包—衡量—包裝。

3 化學成分控制

3.1 原料控制

1）原鋁液。鐵的質量分數控制在0.1%～0.15%時，能夠有效降低鋁硅合金的黏膜傾向，考慮其他添加物中的鐵雜質，原鋁液中的鐵的質量分數應控制在0.08%左右，保證合格并獲得最佳性價比。

2）工業硅。工業硅主要控制其含鐵指標，優選牌號3303或5530，較大的硅塊添加前應砸碎。

3）鈦劑。鈦劑是用純金屬粉末和具有一定特性的助熔劑按一定比例均勻混合后經壓制而成的塊狀物品。在356 A.2的生產中取代了鈦硼晶粒細化劑。除了用于調整不同牌號鋁合金中鈦元素的含量外，同時可降低熔煉溫度。鈦劑儲存時要確保環境干燥，使用前開箱開封，開封后的鈦劑非常容易氧化失效，從而影響實收率。生產經驗數據顯示，超過保質期或保存不好的鈦劑實收率約為75%。

4）純鎂。添加純鎂錠牌號為Mg9995A或Mg99 95B，原則上表面氧化嚴重時不得投入使用。實際生產中因少采購造成成本增加，多為成批購買，氧化現象很難杜絕。現場操作中用塑料包裝袋包裹，置于干燥避光環境中來降低氧化速度，三個月內使用完畢。

3.2 配料控制

配料順序對產品的化學成分及晶粒細化有較大影響。企業所在地區夏季時鋁液入爐后溫度約為740℃，冬季可能降至710℃以下，在此條件下按照本文的順序配入合金元素可獲得非常好的效果。

1）按照配料計劃及原鋁液預分析報告預先稱量所需材料凈重，不可采用估計方式添加。

2）配入硅塊。爐內均勻鋪裝硅塊，將加熱控制溫度設置為710℃，加熱時間約為20 min，使硅塊的溫度接近爐內鋁液溫度，但不可以長產時間加熱，防止硅氧化損失。

3）盡可能在短時間內按計劃量灌入鋁液，注意避免帶入電解質。

4）配入鎂錠。Mg的含量及均勻性對356 A.2合金產品力學性能有重大影響，是關鍵配料指標。為了降低鎂燒損，多數企業最后配鎂元素，但此種配料方法Mg元素偏析明顯，產品低倍組織晶粒粗大，不得不提高鈦劑的配入量，導致成本增加。在實踐中創新使用在入鋁口隨鋁液直接沖入熔體的方法配料，使鎂元素均勻分布在金屬液中，可以快速形成金屬化合物,有效解決偏析問題，實收率保持在95%以上。

5）鋁液、硅、鎂完全入爐后，進行第一次熔體凈化。首先攪拌熔體15 min，其次使用氮氣吹掃60 kg精煉劑精煉20 min，最后關閉爐門靜置30 min后扒渣取樣，檢驗硅、鐵、鎂元素含量，如樣品數據符合控制范圍且不同樣品間數據差值小于最小分辨率的2倍，即可判斷配料適當，否則進行調整。配料調整后必須重新凈化才能取樣。

6）配入鈦劑。鈦劑配入量直接影響針孔度，在標準356A.2中Ti的質量分數控制在0.20%以下，但在實踐中，w（Ti）=0.14%是保證產品質量在二級品以上的添加量分界點，其核心在于提供了足夠的細化核心。低于此配入量，最終產品低倍組織品級不會高于三級。配入鈦劑的最佳溫度為750℃，在此溫度下可保證鈦劑實收率在95%。冬季升溫效果不佳時優先選擇75牌號的鈦劑，利用助燃劑降低熔煉溫度，提升實收率。直接將鈦劑均勻分撒拋入鋁熔池，待小火焰消失后，使用扒渣車快速攪拌，并根據實際情況，保證一定的擴散時間，一般控制在20～30 min。

7）所有元素配料完畢后進行第二次熔體凈化及取樣，各項指標合格，配料完畢；不合格進行調整，直至滿足訂單要求。

8）4 h內不能鑄造，熔體吸氣嚴重，元素偏析增加，常規攪拌及精煉以不能保證鑄錠內部質量，需要整爐判廢，后續生產中作為冷料使用。控制各元素的一次配料合格率，減少配料過程的反復精煉，可有效減少氣孔和熔體的整體燒損，是配料人員的核心技能。

4 鑄造工藝控制

鑄件凝固結晶是由液態到固態轉變的一個必然過程，區間溫度是指由液態到固態變化的開始到終了的時間。鑄件的材質成分不同，其區間也不是一樣的。影響鑄件凝固結晶的鑄造工藝參數主要有鑄造溫度、鑄造速度、冷卻強度及環境條件。

4.1 鑄造溫度

普遍認可鑄造溫度過高會導致底部裂紋、拉裂、羽毛晶組織；但實際上，因鑄造溫度低，液體在結晶器內的氣體來不及上浮逸出液面，造成氣孔、疏松，還可能產生夾渣及冷隔等鑄錠質量缺陷。3系鋁合金在鑄造過機中過渡帶較窄，宜將鑄造溫度設置在偏高的狀態，起鑄溫度不能低于710℃，鑄造溫度不可低于650℃。就目前企業設備及環境溫度，選擇鑄造溫度在650～670℃之間最佳。鑄造溫度高于690℃時，鑄錠表面快速形殼，內部結晶速度變慢，從低倍組織樣品中可明顯看到疏松和氣孔缺陷；鑄錠表面出現魚鱗狀裂紋，外觀質量不合格。

4.2 鑄造速度

鑄造速度對鑄錠表面質量、鑄錠組織和性能有很大影響，一般規律是鑄造速度加快，鑄錠的組織和成分的不均勻性及疏松程度增加，使其機械性能有所下降，外觀質量缺陷表現為波紋嚴重；在冷卻速度跟不上的情況下鑄錠表面氧化，形成灰白色的印記或在鑄錠下線完全冷卻后形成表面裂紋。此種狀態的產品對半固態鑄造、擠壓鑄造有影響。為保證產量，在質量滿足的情況一般采用設備允許的最高鑄造速度生產。具體的鑄造速度控制值可以采用單因子試驗的方法來進行總結。

企業356 A.2鑄模可生產單塊重7.5 kg的鑄錠，設備可調速度為0～1800 r/min。冷卻水開到最大情況下，以200 r為間隔調整鑄造速度進行試驗（見下頁表 1）。

由此看出，選擇1200 r/min的鑄造速度進行生產。鑄造速度與鑄造設備有緊密的聯系，是設備多種性能的綜合體現，其他企業的參數參考意義不大，在產品研發過程中，應至少進行一次單因子鑄造速度試驗，總結出適合的參數設置。

表1 鑄造速度調整試驗記錄表

4.3 冷卻強度

隨著冷卻強度的增大，鑄錠結晶速度提高，晶粒更加細化，鑄錠液穴變淺。冷卻強度的控制核心在于控制有效結晶溫度區間。合理的有效結晶區間通常需要試驗確定。通常情況下，冷卻水溫設定在17°，但是由于地區氣候條件、供水設施等不同導致變化較大，因而出現一段時間內發生質量缺陷不明原因突然增加。假設在冷卻水溫穩定的情況下，主要確定冷卻水量及冷卻水壓力。關系可參照經驗公式：

式中：W為冷卻水流量，m3/s；F為管道橫截面積，m2；P 為冷卻水壓，MPa；g為重力加速度，9.8 m/s2。

根據觀察現場鑄錠冷卻情況，每秒約需要0.02 m3的噴淋冷卻水，計算后將冷卻水壓設定在0.1MPa。

5 產品包裝

在相當長的一段時間內，行業認為小型鑄錠多為原料，需重熔后使用，忽視了產品包裝對質量的影響。經現場觀察，露天強光下無保護的356 A.2合金錠，在下線20 d左右即出現明顯氧化，用于冷料回爐時，熔體夾渣多于新品回爐。鑄錠表面附著灰塵、銹跡及油污，下游企業需增加原料處理工序。企業目前采用塑料包裝袋進行保護，完全冷卻后立即包裝。后續跟蹤反饋顯示，達到客戶收貨點時，鑄錠外觀保持光亮。

6 結語

在356 A.2鑄造控制要點中，溫度為第一控制指標。有條件的企業最好能對溫度測量進行測量系統分析。經過生產驗證，在本文論述的控制方案下，產品的針孔度全部達到I級，實物樣品化學成分波動控制在±3%范圍，外觀合格率100%。

[1]于勇衡.A356.2合金直接水冷半連續鑄造法相關技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.