4004 鋁合金使用不同變質劑變質效果對比研究

殷云霞

(東北輕合金有限責任公司,黑龍江哈爾濱 150060)

1 前言

4004 合金是Al-Si 系合金中硅含量較高的鋁合金,具有密度小、熱膨脹系數低、體積穩定性好、熔點低、耐磨性能和高溫性能好等特點[1],作為434 復合鋁帶箔的包覆層,廣泛應用于汽車、空調機、制氧機等散熱器的制造。

由于4004 合金中Si 含量較高,Si 相呈粗大的片狀或針狀,對基體產生嚴重的割裂作用,降低了鑄錠成型率,通常采用變質的方法改善4004 合金的組織和性能,變質劑一般使用Na 鹽或Al-Sr 中間合金,本試驗針對變質劑的加入量、加入時機以及變質效果進行研究,從而得到優質鑄錠。

2 試驗過程

2.1 合金成分

4004 合金化學成分如下,如表1 所示。

表1 4004 合金化學成分

4004 合金中各個元素對合金的性能影響如下:

Si 和Mg 的作用:Si 含量控制在共晶含量范圍內時熔體流動性好,鑄造性能好。Si 在合金中與基體形成α+Si 共晶體,提高了合金強度和耐磨性,共晶體的尺寸越細小、均勻,對強度和耐磨性的貢獻越大;硅和鎂能形成Mg2Si 相,提高合金強度。

2.2 生產工藝

2.2.1 工藝流程

配料→熔化及調整成分→精煉、靜置、變質→鑄造→機加→取樣→分析。

2.2.2 配料

新鋁用量大于50%,Si 以Al-Si 中間合金的形式加入,Mg 以純金屬的形式加入。

2.2.3 熔煉

熔煉溫度740～800 ℃,在熔煉溫度范圍內進行爐前取樣分析化學成分,化學成分合格后,電爐精煉時間不少于10 min,然后將熔體導至靜置爐。

2.2.4 鑄造

熔體導到靜置爐后,Ar 氣精煉不少于15 min,靜置時間不少于15 min,然后進行變質工藝;

方案一Na 變質工藝:Na 變質劑的加入量為投料量的0.4%～0.8%,然后在不低于740 ℃的溫度下將Na 變質劑加入熔體中,充分攪拌均勻,變質后不扒渣,靜置10 min 后鑄造,鑄造過程走在線凈化除氣裝置,并使用40ppi 陶瓷片進行過濾。

方案二Sr 變質工藝:Sr 的加入量一般為投料量的0.01%～0.03%,鋁液溫度達到740 ℃,扒凈熔體表面浮渣后,加入Al-Sr 合金,充分攪拌并扒出表面浮渣后靜置30 min,靜置后鑄造,鑄造過程走在線凈化除氣裝置,并使用40ppi 陶瓷片進行過濾。

兩種變質方式的鑄造工藝參數,如表2 所示。

表2 4004 合金主要鑄造工藝參數

3 檢測項目

兩種工藝生產的4004 鋁合金420 mm×1 450 mm鑄錠底部各鋸切一片厚20～30 mm 的試片,對其化學成分、低倍組織、高倍組織和力學性能進行分析。

3.1 低倍組織

經低倍組織檢查,兩種變質方式生產的4004 鑄錠無疏松、縮孔、氣泡、裂紋、低倍夾雜等宏觀缺陷。

3.2 高倍組織

兩種工藝生產的4004 合金試片顯微組織,如表3 所示。

對兩種工藝生產鑄錠切取的試片做高倍組織檢查,發現Na 變質工藝長邊位置初晶硅尺寸0.01 mm;鍶變質工藝無初晶硅,但均符合標準要求。

從表3 可以看出:兩種工藝生產的鑄錠共晶硅形態細小、彌散,心部共晶硅形態相對邊部粗大。從鑄錠中心到邊部枝晶間距逐漸變小,枝晶臂逐漸變厚,符合結晶規律[2]。

3.3 化學成分分析

兩種工藝試片成分均勻性分析,具體分析結果如表4 所示。

通過表4 可以看出,Sr 變質生產的4004 合金化學成分偏差較Na 變質的化學成分偏差小,但兩種變質方式生產的4004 合金扁鑄錠主要元素均在國標范圍內。

3.4 力學性能

兩種變質方式生產的扁鑄錠力學性能檢測結果,如圖1、2、3 所示,圖中可以看出,兩種工藝生產的鑄錠,從中心到邊部各項力學性能指標趨勢相同,總體相差不大。

4 分析與討論

4.1 Na 鹽變質劑的特點

圖1 4004 合金規定非比例伸長應力

圖2 4004 合金抗拉強度

圖3 4004 合金斷后伸長率

在熔體中加入Na 鹽變質劑后,Na 原子能吸附在共晶硅晶核的表面,抑制共晶硅的生長。變質后粗大針片狀的共晶硅被細化成球粒狀或珊瑚狀,彌散地分布在合金中,使得合金有良好的力學性能和機械加工性能,但是Na 鹽變質還存在很多不足。

(1)氣孔、疏松、夾渣傾向大:熔體中引入Na 鹽后,改變了二元Al-Si 合金相圖,共晶溫度降低,共晶成分硅含量增加,因此合金結晶溫度范圍變寬。從而增加了熔體的粘度,不利于熔體中氣泡的上浮,使氣孔、夾渣缺陷增大。還會降低了熔體的補縮性能,易產生疏松缺陷;

表3 兩種工藝4004 合金不同位置的顯微組織

(2)Na 含量不易控制,鈉鹽變質劑在生產中易殘留,容易造成變質不足或過變質。變質不足時共晶硅不能得到充分的細化,降低了合金的力學性能;過變質時晶界易出現粗大塊狀共晶硅,降低了合金的力學性能;

(3)Na 鹽變質劑易發生衰退,若鑄造時間過長,后凝固的鑄錠組織中可能存在初晶硅缺陷,給合金性能造成不利影響;

表4 4004 合金各試樣主要元素化學成分

(4)Na 鹽變質后的爐子有Na 殘余,生產其它合金制品時會產生不利影響:熔體粘度大,易產生拉裂傾向;轉爐生產高鎂合金時由于Na 的殘余使合金變脆,易產生裂紋傾向;

(5)鈉變質對設備腐蝕十分嚴重,變質處理時還會產生大量有毒氣體,影響操作人員身體健康。

4.2 Al-Sr 中間合金變質劑的特點

Al-Sr 中間合金變質劑加入熔體后會分解出Sr原子,Sr 原子吸附在硅晶核的表面抑制其生長,從而達到細化共晶組織的作用。相對于Na 鹽變質劑而言,Al-Sr 中間合金變質劑具有如下特點:

(1)氣孔、疏松傾向:熔體中引入變質元素Sr 也會使共晶溫度降低,從而降低熔體的流動性,降低氣泡的上浮速度和熔體的補縮能力,易產生氣孔、疏松等缺陷;

(2)Sr 的含量易于控制,不會出現變質不足或過變質的現象;

(3)Sr 具有長效性,在覆蓋良好的情況下不易產生衰退,保證長時間鑄造時鑄態組織中不產生初晶硅缺陷;

(4)對后續合金制品的影響小,而且無毒,不污染環境;

(5)價格昂貴。

5 結論

兩種工藝通過對比試驗,可以得出以下結論:

(1)兩種變質工藝生產4004 合金扁錠從低倍、高倍、化學成分及性能上差異不大;

(2)Na 變質時Na 含量不易控制,而且對設備腐蝕嚴重,一定程度降低了生產效率,同時加大了能耗,提升了生產成本;

(3)Sr 變質工藝孕育時間較長,且Al-Sr 中間合金價格昂貴,燒損較大,生產成本高。

(4)就合金質量而言,建議使用Sr 變質。