A356.2鋁合金鑄錠斷口收縮區(qū)缺陷的研究

梁海民， 馮俊生， 寶建文， 劉 勵(lì)， 鄒 純， 邱 楚， 鐘 鼓

(1.中國鋁業(yè)股份有限公司 連城分公司， 甘肅 永登 730335；2.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司 蘇州分公司， 江蘇 蘇州 215000)

A356.2鋁合金具有良好的鑄造性能，可通過熱處理達(dá)到較高強(qiáng)度、良好塑性和高沖擊韌性, 是交通運(yùn)輸行業(yè)用量最大的鑄造鋁合金，主要應(yīng)用于汽車和摩托車輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)、發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、各種泵體和殼體零件、進(jìn)氣歧管、渦輪增壓器、制動(dòng)卡鉗等[1]。

目前重熔用鑄造鋁合金錠普遍采用鏈?zhǔn)竭B續(xù)鑄錠機(jī)來生產(chǎn)，鑄錠規(guī)格為6 kg。生產(chǎn)過程中，鋁合金液從熔煉爐或保溫爐中流出，經(jīng)過在線除氣和過濾后，進(jìn)入分配器中，并經(jīng)由旋轉(zhuǎn)的分配器注入敞口的鑄模中，冷卻凝固成為合金錠。Fathi等[2]對采用這種方式生產(chǎn)A356.2合金鑄錠的全流程進(jìn)行了分析和工藝改進(jìn)研究，盧建中[3]對A356.2合金生產(chǎn)工藝與應(yīng)用進(jìn)行了研究，以提高鑄錠質(zhì)量和生產(chǎn)效率。鋁合金錠的質(zhì)量包括表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量兩方面。魏興春等[4]對影響純鋁錠表面質(zhì)量的因素進(jìn)行了分析并提出了改善措施，王雄等[5]研究了純鋁錠免打渣技術(shù)以減少鋁錠表面浮渣，由于鋁合金錠鑄造機(jī)組結(jié)構(gòu)和20kg規(guī)格純鋁錠鑄造機(jī)組相同，這些研究對于合金錠生產(chǎn)有借鑒和指導(dǎo)作用。鋁合金錠的內(nèi)部質(zhì)量除合金成分和晶粒組織外，氣孔/針孔、縮孔、夾渣等缺陷由于其遺傳性，增加了下游客戶處理難度，也是下游客戶重點(diǎn)關(guān)注的對象。但目前關(guān)于這方面的研究報(bào)道很少。

某公司采用鏈?zhǔn)借T錠機(jī)生產(chǎn)的A356.2合金錠，在檢查斷口時(shí)發(fā)現(xiàn)少量鑄錠的斷口收縮區(qū)較大，且顏色異常，明顯比正常的收縮區(qū)顏色更深、偏黑色。部分生產(chǎn)批次的鑄錠因該類型斷口不符合質(zhì)量要求而報(bào)廢。本文研究分析了鑄錠斷口收縮區(qū)顏色偏黑的原因，并提出了相應(yīng)的改善措施。

1 試驗(yàn)材料與方法

某公司的A356.2鋁合金采用電解鋁液、工業(yè)硅和純鎂錠配制，由30 t混合爐熔煉，在線除氣和過濾分別采用透氣磚式除氣箱和泡沫陶瓷過濾板，采用鏈?zhǔn)竭B續(xù)鑄錠機(jī)鑄造成6 kg規(guī)格的合金錠(如圖1所示)，鑄造過程中鋁合金液注入錠模時(shí)的溫度控制在630～680 ℃。采用Thermo Scientific ARL4460直讀光譜儀測得A356.2鋁合金鑄錠的平均化學(xué)成分如表1所示。

圖1 A356.2合金鑄錠產(chǎn)品

SiMgFeTiZnAl7.1500.3540.1160.1230.010Bal.

圖2為質(zhì)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)的斷口不良的鑄錠樣品切片，取自澆口對面錠長1/4處，斷口可見明顯的收縮區(qū)，位于鑄錠中間靠近上表面(見圖2a)，收縮區(qū)組織不致密，且顏色偏黑(見圖2b虛線圈選區(qū)域)。

從鑄錠上切取包含收縮區(qū)的小塊試樣，用于掃描電鏡(SEM)觀察和能譜(EDS)分析，所用設(shè)備為JEOL JSM6480型掃描電鏡。同時(shí)從相同區(qū)域取樣制備金相試樣，采用Olympus GX51金相顯微鏡觀察微觀組織。

圖2 A356.2合金鑄錠斷口形貌

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鑄錠斷口

掃描電鏡下觀察A356.2合金鑄錠斷口收縮區(qū)及其周邊的整體形貌，如圖3所示。其中圖3a和圖3b分別為同一位置的背散射電子圖像和二次電子圖像。在掃描電鏡的背散射電子模式下，含較多相對原子質(zhì)量大的元素的區(qū)域顏色較淺、而含較多相對原子質(zhì)量小的元素的區(qū)域則顏色較深。因此由圖3a可見，該鑄錠斷口收縮區(qū)相比其他區(qū)域存在較多相對原子質(zhì)量小的元素。由圖3b可見該區(qū)域組織不致密，存在較多縮孔。

圖3 掃描電鏡下的鑄錠斷口形貌

圖4為鑄錠斷口正常區(qū)域的微觀組織形貌，圖5則為異常收縮區(qū)的微觀組織形貌。對比兩圖可見，鑄錠斷口收縮區(qū)的微觀組織形貌和其他正常區(qū)域有明顯的差異。收縮區(qū)可見裸露的枝晶以及覆蓋在枝晶表面的其他物質(zhì)。選取其中部分典型的位置進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖6所示。能譜分析結(jié)果顯示，圖5中a位置為共晶硅相，深色的b～d位置為氧化夾雜物，e～f位置為氯化物雜質(zhì)。

圖4 斷口正常區(qū)域的形貌(二次電子像)

圖5 斷口收縮區(qū)的形貌

圖6 對應(yīng)圖5中1#～6#選區(qū)的能譜分析結(jié)果

2.2 微觀組織

A356.2合金鑄錠中心靠近上表面的收縮區(qū)的微觀組織圖7所示。由圖7a～7b可見，A356.2合金鑄錠中，α-Al晶粒呈現(xiàn)典型的樹枝晶形貌，枝晶間存在大面積的縮孔(圖中黑色部分)，其他灰色的細(xì)小片狀第二相主要為共晶硅。由圖7c～7f可見，收縮區(qū)組織中還存在大量黑色的氧化膜(圖中箭頭所示)，呈曲折的細(xì)線狀。為了確認(rèn)圖7中的氧化膜，將拋光后的金相試樣進(jìn)一步做掃描電鏡觀察和能譜分析。掃描電鏡下觀察氧化膜的形貌如圖8所示，圖9為圖8中部分位置的能譜分析結(jié)果。可見，這些位置的氧含量均很高，且部分位置的氧化膜還含有Na和Ca等雜質(zhì)元素。

圖7 鑄錠收縮區(qū)的典型微觀組織

圖8 掃描電鏡下的氧化膜形貌

圖9 對應(yīng)圖8中選點(diǎn)位置的能譜分析結(jié)果

2.3 結(jié)果分析及改善措施

2.3.1 結(jié)果分析

(1)結(jié)合鑄錠斷口宏觀形貌觀察和金相分析結(jié)果可見，所分析的A356.2合金鑄錠中間靠近鑄錠上表面位置存在典型的收縮區(qū)——α-Al晶粒呈現(xiàn)樹枝形貌，枝晶間出現(xiàn)大量縮孔(見圖7)。從鑄錠斷口來看，收縮區(qū)顏色較深，疑似存在夾雜物。

(2)通過高倍的金相觀察，可以發(fā)現(xiàn)收縮區(qū)的組織中存在大量的氧化膜，氧化膜較薄且形貌彎曲、折疊，如圖7d～7f所示。進(jìn)一步地，通過掃描電鏡觀察(見圖8)并結(jié)合能譜分析(見圖9)，發(fā)現(xiàn)這些彎曲的“黑線”的O含量均很高，可以確定為氧化膜，且部分位置還夾帶Ca、Na、C等雜質(zhì)元素。Ca和Na通常來自精煉劑，Ca還可能來自工業(yè)硅或耐火材料。

(3)通過掃描電鏡分析還發(fā)現(xiàn)，收縮區(qū)內(nèi)的枝晶表面也存在大量的氧化物(見圖5)，部分氧化物還含有少量C元素。對比圖3a和圖3b可以看到，正是由于收縮區(qū)枝晶表面含有較多的氧化物，O的相對原子質(zhì)量比Al和Si小，因而掃描電鏡的背散射電子圖像下看到收縮區(qū)顏色較深。在A356.2鋁合金中，氧化夾雜和氧化膜通常是最主要的夾雜物[6]。另外，在收縮區(qū)部分位置還發(fā)現(xiàn)了成片的氯化物(圖5e、5f)，Cl元素含量高達(dá)17%，Cl元素亦通常來自精煉劑。

2.3.2 改善措施

針對鑄錠斷口收縮區(qū)偏大及顏色發(fā)黑的問題，生產(chǎn)中經(jīng)過大量試驗(yàn)對比分析，總結(jié)出以下改善措施。

(1)加快鑄錠冷卻速度。鋁液/鋁錠與錠模之間的換熱是決定鑄錠組織的關(guān)鍵因素[7]。合理布置冷卻水位置，加大錠模下方冷卻水流量，降低冷卻水溫，從而加快鑄錠冷卻速度，可以有效改善鑄錠內(nèi)部組織、細(xì)化晶粒[8]。

(2)選擇優(yōu)質(zhì)的精煉劑，控制精煉劑的用量0.2%～0.3%，并使精煉劑盡可能均勻地分散到鋁熔體中，精煉之后仔細(xì)扒渣并靜置足夠的時(shí)間，使精煉產(chǎn)生的渣與鋁液充分分離。

(3)在保證過濾量的前提下，盡可能選用細(xì)孔徑過濾板，過濾板目數(shù)一般不小于40ppi。安裝之前檢查過濾板質(zhì)量，并在將其安裝到過濾箱后，檢查過濾板和過濾箱之間的間隙，保證鋁液中的氧化渣得到有效過濾。

(4)選用合理的鑄造速度，嚴(yán)格控制鑄造溫度。鑄造速度與鑄造設(shè)備有緊密的聯(lián)系，是設(shè)備多種性能的綜合體現(xiàn)，生產(chǎn)過程中應(yīng)至少進(jìn)行一次單因子鑄造速度試驗(yàn)，總結(jié)出最佳的參數(shù)設(shè)置，一般以8～10 t/h為宜。A356.2合金過渡帶較窄，宜將鑄造溫度設(shè)置在偏高狀態(tài)，一般控制在650～670 ℃為宜[9]。

(5)鑄造時(shí)注意控制分配器澆嘴的鋁液流量，減小鋁液注入錠模時(shí)對錠模中鋁液表面的沖擊，減少新生氧化膜卷入。分配器的結(jié)構(gòu)對于氧化膜的卷入也有很大的影響，Cleary[10]等采用數(shù)值模擬的方法研究優(yōu)化了分配器的結(jié)構(gòu)，使得氧化夾雜的含量從0.95 g/kg降低到了0.51 g/kg，因此后續(xù)可以在分配器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法開展研究來提高鋁合金錠的質(zhì)量。

生產(chǎn)整改后，A356.2合金鑄錠斷口出現(xiàn)明顯收縮區(qū)的概率大大降低，收縮區(qū)尺寸變小，未再出現(xiàn)收縮區(qū)顏色發(fā)黑問題，產(chǎn)品品質(zhì)得到提升。

3 結(jié)論

(1)所分析的A356.2鑄錠斷口顏色較深的區(qū)域?qū)?yīng)鑄錠的最后凝固收縮區(qū)，該區(qū)域內(nèi)存在大面積枝晶間縮孔。

(2)收縮區(qū)組織中發(fā)現(xiàn)了大量的氧化膜。枝晶表面覆蓋有大量氧化物，部分位置存在氯化物，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了C、Na、Ca等雜質(zhì)元素。

(3)收縮區(qū)枝晶表面的非金屬夾雜物是導(dǎo)致該區(qū)域顏色偏黑的主要原因。