螺旋電磁攪拌對7050鑄錠成分均勻性及組織的影響

李 寧

（婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 婁底 417000）

鋁合金鑄錠質(zhì)量對鋁合金材料性能至關(guān)重要，隨著鋁加工技術(shù)的發(fā)展以及科技進步對材料要求不斷提高，鋁合金材料對鑄錠的組織、性能和質(zhì)量，尤其是鑄錠的冶金質(zhì)量提出了更高要求。其中化學(xué)成分的控制是提高鑄錠冶金質(zhì)量的重要手段。為了追求鋁合金材料組織、性能均勻和一致性就必須對鑄錠合金成分均勻性進行嚴(yán)格控制和準(zhǔn)確分析［1］。首先應(yīng)對合金元素采取更加精確的控制，以確保不同部位成分偏析最小；其次，對金相組織中晶粒的尺寸和形貌要求也越來越高。

電磁攪拌技術(shù)由于具有不污染金屬熔體、操作控制方便等優(yōu)點在半連續(xù)鑄造中獲得了廣泛應(yīng)用［2，3］，現(xiàn)已成為高合金化鋁合金鑄錠的重要生產(chǎn)技術(shù)。但是由于交變電磁場故有的集膚效應(yīng)，往往導(dǎo)致攪拌力衰減嚴(yán)重，攪拌效果不均勻。為了解決這個問題，國內(nèi)外的學(xué)者采用各種方式增強電磁攪拌的效果［4，5］。Al－Zn－Mg－Cu系鋁合金是典型的也是目前使用量最大的超高強鋁合金［6］，鑄造性能差，宏觀偏析和熱裂傾向嚴(yán)重，本文采用了螺旋電磁攪拌制備7050鑄錠，測量了連鑄過程中金屬熔體不同部位的溫度曲線，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法計算了鑄錠不同部位化學(xué)成分的平均值，極差，標(biāo)準(zhǔn)偏差，研究對比了三種不同工藝的成分均勻性和顯微組織，為高均勻性的7050合金制備提供了參考。

1 試驗方法

1.1 熔煉

試驗所用7050合金化學(xué)成分見表1，采用中頻感應(yīng)熔煉爐進行熔煉，采用旋轉(zhuǎn)噴吹進行精煉和除氣。

表1 7050合金化學(xué)成分 %

將高純鋁錠裝入石墨坩堝中，然后將Al－Zn、Al－Cu、Al－Zr、Al－Fe、Al－Si、Al－Cr、Al－Ti－B等二元中間合金放入，快速升溫，待中間合金完全熔化后再加入Mg－Al中間合金。爐料裝入后，設(shè)置中頻感應(yīng)電爐的功率為16 kW進行化料，升溫至655℃，由于溫度滯后的原因，防止熔體過熱，下調(diào)功率至5 kW，溫度升至740℃，通氬氣進行精煉除氣10 min，靜置30 min，扒渣后備用。

1.2 半連續(xù)鑄造

試驗使用鋁合金半連續(xù)鑄造平臺，采用三流連鑄，1流不施加電磁攪拌，2流施加普通電磁攪拌，3流施加螺旋電磁攪拌（在導(dǎo)流管中部插入螺旋式芯棒），2流和3流的攪拌電流和頻率相同，為50 A，20 Hz。螺旋電磁攪拌是在導(dǎo)流管中插入螺桿，通過螺桿的自旋和電磁場相互耦合加強攪拌過程中的液體流動，提高剪切力，避免集膚效應(yīng)。導(dǎo)流管內(nèi)徑為80 mm，芯棒外徑為30 mm。在導(dǎo)流管的如圖1所示的位置分別安裝兩個熱電偶，記錄連鑄過程中溫度的變化。澆鑄過程中拉速為1.5 mm／s，冷卻水量14 m3／h。三根鑄錠長度都為1.5 m，頭尾各去掉10 cm工藝不穩(wěn)定部分后，分別在上中下三個部位切取厚度2 cm的圓餅形式樣，如圖2所示，沿直徑方向在試樣的上下表面上各取6個點，采用ARL3460直讀光譜儀測量其Zn、Mg、Cu主元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對測試結(jié)果進行數(shù)理統(tǒng)計分析。

圖1 熱電偶位置示意圖

圖2 取樣位置示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 溫度變化曲線

如圖1所示，在導(dǎo)流管的中心和邊部各放置兩根熱電偶，測量其溫度變化。圖3～圖5為所測結(jié)果。

圖3 無攪拌溫度曲線

圖4 普通電磁攪拌溫度曲線

圖5 螺旋電磁攪拌溫度曲線

從圖3～圖5可以看出連鑄過程中的溫度變化，在整個連鑄過程中溫度先降低再升高，由于邊部散熱較快，故中心的溫度高于邊部，從圖中可以看出無電磁攪拌時整個連鑄過程中溫度變化最大，中心與邊部溫差也最大，普通電磁攪拌次之，螺旋電磁攪拌溫差最小。可見螺旋電磁攪拌使得整個連鑄過程中的溫度波動減小，使得導(dǎo)流管截面的溫度場更加均勻。三種工藝連鑄過程中中心與邊部的溫差情況如圖6所示，計算出中心與邊部的溫度差的平均值，螺旋電磁攪拌為4.7℃，普通電磁攪拌的溫差平均值為8.7℃，無電磁攪拌的情況下中心和邊部的平均溫差為14.6℃。

圖6 螺旋電磁攪拌溫度曲線

螺旋電磁攪拌平均溫差較小是由于電磁攪拌過程中的剪切作用使溫度場相對均勻，均勻的溫度場對凝固組織有重要的影響。眾所周知，凝固過程的第一步是在液相中形成固相的結(jié)晶核心，然后通過這些核心不斷長大完成由液相向固相的轉(zhuǎn)變。因而，形核是凝固過程研究的主要問題之一。在過冷的液體中并不是所有的晶胚都可以轉(zhuǎn)變成為晶核，只有那些尺寸等于或大于某一臨界尺寸的晶胚才能穩(wěn)定地存在，并能自發(fā)地長大。當(dāng)過冷液相中存在固相結(jié)晶核心時，液相原子不斷向固相沉積，實現(xiàn)液相的凝固。

由于經(jīng)剪切的金屬熔體的原子團簇尺寸變小，達到臨界形核尺寸所需要的過冷度則必須增大，形核只能發(fā)生在更低的溫度，如圖7所示。當(dāng)溫度降低到一定值時，由于經(jīng)過剪切熔體處理的溫度場相對較均勻，形核在整個體積內(nèi)發(fā)生。最終得到細(xì)小均勻的凝固組織。

圖7 剪切條件下原子團簇尺寸與過冷度的關(guān)系

2.2 整體成分均勻性評價

標(biāo)準(zhǔn)偏差（STDEV）是一種評價數(shù)據(jù)分布分散程度的標(biāo)準(zhǔn)，用來衡量數(shù)據(jù)偏離算術(shù)平均值的程度。標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，這些值偏離平均值就越小。所以可以用計算標(biāo)準(zhǔn)偏差的方法來評價鑄錠的均勻性。極差（Range）又稱全距是指總體各單位的標(biāo)志值中最大值與最小值之差，是測定標(biāo)志變動的最簡單的指標(biāo)，能在一定程度上反映鑄錠不同部位元素含量的差值。該試驗測量點多，且均勻分布在鑄錠的各部位，故能準(zhǔn)確反映出標(biāo)準(zhǔn)偏差。統(tǒng)計過程如下，首先計算每個截面上六個點的各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值，再計算平均值之間的極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差。如圖8～圖10。由圖可知，三種工藝制備的鑄錠主元素平均值接近，但是螺旋電磁攪拌的極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，普通電磁攪拌次之，無電磁攪拌最大，這表明雖然鑄錠中主元素的平均值接近，但是螺旋電磁攪拌制備的鑄錠整體均勻性較好。

圖8 三種工藝主元素含量平均值

圖9 三種工藝主元素含量平均值極差

圖10 三種工藝主元素含量標(biāo)準(zhǔn)偏差

2.3 連鑄坯組織

為了提高金相照片的精確度，便于定量測量平均晶粒尺寸，在已經(jīng)機械拋光過的試樣上進行陽極氧化覆膜，用偏振光法制得彩色金相。氧化覆膜工藝如下：采用體積分?jǐn)?shù)為5%的氟硼酸水溶液，電流約為0.3 A／cm2，電壓為25 V，時間為100 s，圖11為三種鑄造工藝獲得鑄坯的典型顯微組織，制備好的金相試樣在Ziess Axiovert 200型高級金相顯微鏡上進行金相組織觀測及拍照，用截距法測得平均晶粒尺寸。

圖11 三種工藝典型顯微組織

3 結(jié) 論

1.在澆鑄溫度、冷卻水量及拉速完全相同的情況下，在合金凝固過程中施加螺旋電磁攪拌可抑制區(qū)域偏析的產(chǎn)生，鑄錠頭中尾各部位Zn、Mg和Cu元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差變小，鑄錠的徑向均勻性和整體的均勻性顯著提高。

2.對比三種不同工藝的鑄錠組織發(fā)現(xiàn)，螺旋電磁攪拌其顯微組織平均晶粒尺寸變小，形狀更加圓整，平均晶粒尺寸65μm。普通電磁攪拌連鑄和無電磁攪拌連鑄的平均晶粒尺寸分別為90μm和

160μm。