淺談DC鑄造大規(guī)格鋁合金鑄錠宏觀偏析的成因與控制方法

吳鎮(zhèn)宇　熊新國　黃 霄　鄧 希　張 鵬　梁素花　譚 崇 蔣 雯　鄭 義　劉晗昱

淺談DC鑄造大規(guī)格鋁合金鑄錠宏觀偏析的成因與控制方法

吳鎮(zhèn)宇1熊新國2黃 霄2鄧 希3張 鵬2梁素花1譚 崇2蔣 雯1鄭 義2劉晗昱1

（1.廣西產(chǎn)研院新型功能材料研究所有限公司，廣西 南寧 530200；2.南南鋁業(yè)股份有限公司，廣西 南寧 530031；3.廣西壯族自治區(qū)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣西 南寧 530200）

宏觀偏析是DC鑄造大規(guī)格鋁合金鑄錠常見的一種冶金缺陷，嚴(yán)重時(shí)會惡化鑄錠性能及成品質(zhì)量。文章詳細(xì)闡述了宏觀偏析的形成機(jī)理，概括了影響宏觀偏析的主要因素，針對性地提出了控制合金化元素及其含量、利用外場協(xié)助控制、優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)、分流袋選用、晶粒細(xì)化劑的選用五項(xiàng)控制宏觀偏析的具體措施，對實(shí)際生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。

DC鑄造；鋁合金；大規(guī)格；宏觀偏析；機(jī)理分析；控制方法

引言

直接水冷鑄造（Direct-Chilling Casting，DC）是目前工業(yè)制備變形鋁合金鑄錠的主要方式，具有生產(chǎn)操作簡便、連續(xù)緊湊、周期短、效率高等特點(diǎn)，可為擠壓、軋制、鍛造等下游加工提供不同截面形狀與尺寸規(guī)格的錠坯原料[1,2]。鋁合金DC鑄造過程如圖1所示，溶質(zhì)元素在鑄件宏觀尺度出現(xiàn)非均勻分布，從而導(dǎo)致宏觀偏析缺陷的產(chǎn)生。宏觀偏析一旦形成，將無法在后續(xù)加工中消除，并且鑄錠規(guī)格尺寸越大，該缺陷就越顯著。嚴(yán)重的宏觀偏析會惡化鑄錠的整體塑性均勻性，導(dǎo)致加工時(shí)出現(xiàn)裂紋、斷裂等，從而破壞加工連續(xù)性、降低加工成功率[3,4]，此外還會對最終成品造成負(fù)面的影響，如成分檢測差異大、引起仲裁爭議，性能不均勻、局部不合格，表面陽極氧化色差、異色線。因此，DC鑄造大規(guī)格鋁合金鑄錠的宏觀偏析問題一直是生產(chǎn)與研究關(guān)注的熱點(diǎn)[5,6]。

圖1 鋁合金DC鑄造過程

1 宏觀偏析的分類及表示

DC鑄造大規(guī)格鋁合金鑄錠的宏觀偏析主要表現(xiàn)為橫截面方向上的元素分布不均，根據(jù)元素含量的高低，可分為正偏析和負(fù)偏析，即元素在鑄錠橫截面上某個(gè)區(qū)域位置的含量明顯高于其他位置的含量，稱為正偏析；反之稱為負(fù)偏析或逆偏析。根據(jù)鑄錠橫截面上區(qū)域位置的不同，常見的宏觀偏析類型有：中心正偏析或負(fù)偏析、1/3厚度處正偏析或負(fù)偏析、表層正偏析或負(fù)偏析等。

根據(jù)鑄錠橫截面區(qū)域的元素含量分布情況，可以按照以下形式表達(dá)該鑄錠的宏觀偏析情況：

——宏觀偏析量（或宏觀偏析度）：

宏觀偏析量=C-C（1）

——相對宏觀偏差（體積分?jǐn)?shù)或者質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：

相對宏觀偏差= ( C-C)/ C（2）

——宏觀偏析率：

宏觀偏析率= (C- C) /C×100% （3）

宏觀偏析率=C/ C×100% （4）

式中，C、C、C、C分別表示各元素的平均含量、對應(yīng)位置的實(shí)測含量以及所有位置中實(shí)測含量的最大值和最小值。相對宏觀偏差可以體現(xiàn)元素對應(yīng)位置的偏析類型，即正偏析或負(fù)偏析，可以用來比較同一鑄錠中不同元素在相同位置下宏觀偏析情況，也可以用來比較不同鑄錠中同一元素在相同位置下的偏析情況。宏觀偏析率可以體現(xiàn)不同鑄錠中同一元素整體宏觀偏析的程度。

2　宏觀偏析的成因

根據(jù)固相體積分?jǐn)?shù)的不同，通常將DC鑄造過程中鑄錠的內(nèi)部劃分為：液相區(qū)（f=0，f為固相體積分?jǐn)?shù)）、固相區(qū)（f=1）和兩相過渡區(qū)（0＜f＜1）。其中，兩相過渡區(qū)又可細(xì)分為漿狀區(qū)（0＜f＜0.3）和糊狀區(qū)（0.3≤f＜1），如圖2所示。目前，普遍認(rèn)為在凝固過程中，兩相過渡區(qū)內(nèi)發(fā)生的溶質(zhì)再分配以及固-液兩相之間發(fā)生的相對運(yùn)動(dòng)是DC鑄造鋁合金宏觀偏析形成的根本原因[7-9]。

圖2　DC鑄造過程鑄錠內(nèi)部各區(qū)域示意圖

2.1　兩相過渡區(qū)內(nèi)的溶質(zhì)再分配

DC鑄造是非平衡凝固的過程，元素?zé)o法充分?jǐn)U散，從而導(dǎo)致溶質(zhì)的不均勻分布，這種現(xiàn)象可以用Scheil方程來近似描述[10]。

C=kC(1-f)(k-1)（5）

上式中，C為固相分?jǐn)?shù)f處的溶質(zhì)含量，C為合金名義成分，為平衡分配系數(shù)；液相中的溶質(zhì)含量則用C表示。如圖3所示，當(dāng)元素＜1時(shí)，固相在開始凝固時(shí)傾向于向液相排出溶質(zhì)，C＜C＜C，表現(xiàn)出負(fù)偏析；當(dāng)元素＞1時(shí)，則剛好相反，C＞C＞C，表現(xiàn)出正偏析（存在內(nèi)容缺失，請補(bǔ)充）。此外，值的大小還反映了元素的偏析程度（見表1）[11]，當(dāng)元素的值遠(yuǎn)大于或遠(yuǎn)小于1時(shí)，會出現(xiàn)強(qiáng)烈的溶質(zhì)再分配；而如果值接近1，則意味著液相線和固相線的間距接近，該元素的偏析傾向很小。這一現(xiàn)象與該元素的絕對含量無關(guān)。例如，Cr元素平衡分配系數(shù)值為2，如圖4所示，在DC鑄造的大規(guī)格鋁合金扁錠1/4橫截面圖中，Cr元素的分布呈現(xiàn)出典型的中心正偏析、1/3厚度處負(fù)偏析的現(xiàn)象。

圖3　溶質(zhì)分配系數(shù)

表1 鋁合金中元素及其分配系數(shù)

元素TiZrCrMnZnMgCuSiFe k9.002.502.000.940.450.430.170.110.02

圖4　大規(guī)格鋁合金扁錠1/4橫截面中Cr元素宏觀偏析現(xiàn)象

（鑄錠規(guī)格：600 mm×2160 mm×L）

2.2　固相-液相之間的相對運(yùn)動(dòng)

DC鑄造過程中，固-液相之間的相對運(yùn)動(dòng)直接影響著兩相過渡區(qū)中漿狀區(qū)和糊狀區(qū)的對流模式。

2.2.1漿狀區(qū)

在漿狀區(qū)中，由于固相體積分?jǐn)?shù)較少，固相對液相的阻力相對較小，該區(qū)域的固-液兩相可以相對自由移動(dòng)。流動(dòng)特征以強(qiáng)迫對流和熱溶質(zhì)自然對流為主。其中，強(qiáng)迫對流源于液相區(qū)熔體的流入，熱溶質(zhì)自然對流源于低溫熔體的沉降與高溫熔體的上浮。因此，該區(qū)域?qū)α鞣较虼篌w為：從邊部流向中心，再從中心向上流動(dòng)，最后匯入液相區(qū)，如圖2所示。對流速度的大小主要取決于液相區(qū)熔液流入時(shí)的初速度和熔池的形狀，即熔液流入的初速度越大，對流速度越大；熔池形狀越陡，對流速度越顯著。

漿狀區(qū)對流的過程中，流入的高溫液體不但會將鑄錠邊部凝固前沿形成的晶粒熔化或熔斷，而且也會在遇到糊狀區(qū)凝固前沿附近的過冷液體時(shí)異質(zhì)形核——這兩種來源形成的“浮游晶”會跟隨對流向鑄錠中心區(qū)域移動(dòng)，并且持續(xù)生長，直至變重而沉降，然后與糊狀區(qū)凝固前沿的固相網(wǎng)絡(luò)結(jié)合。浮游晶在移動(dòng)時(shí)與液相交互實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)再分配，從而導(dǎo)致浮游晶內(nèi)出現(xiàn)微觀偏析；當(dāng)其在鑄錠中心區(qū)域沉積后，隨著“浮游晶”數(shù)量的增加，宏觀偏析的程度加重。

2.2.2 糊狀區(qū)

在糊狀區(qū)中，由于具有一定的固相體積分?jǐn)?shù)，固相之間會結(jié)合形成連貫網(wǎng)絡(luò)，單個(gè)晶粒在宏觀尺度上無法發(fā)生相對移動(dòng)，從而對液體流動(dòng)產(chǎn)生抑制效應(yīng)。因此，該區(qū)域中的對流速度很小，對流的主要特征為：固相區(qū)凝固收縮與變形引發(fā)漿狀區(qū)中的液體沿著凝固前沿的晶界或枝晶臂向糊狀區(qū)深處進(jìn)行滲透，滲透的方向V則垂直于糊狀區(qū)的凝固前沿，如圖2所示。由于糊狀區(qū)存在一定斜率，所以滲透方向存在一個(gè)從中心向表面的水平分量V，這個(gè)水平分量會使得已經(jīng)完成溶質(zhì)再分配的液體更多地向遠(yuǎn)離鑄錠中心的區(qū)域移動(dòng)，從而加劇了宏觀偏析。而且，這個(gè)水平分量V隨著凝固前沿斜率的增大而增大，這意味著凝固前沿越陡峭，水平方向的滲透率就越大，液體從中心向表面方向遷移的就越多。

糊狀區(qū)的這種滲透率的大小取決于晶粒尺寸與枝晶數(shù)量。根據(jù)Kozeny-Carman關(guān)系[12]：

={D2/[180·(1-f)3]}/f2（6）

其中，為滲透率，為晶粒尺寸，f為固相分?jǐn)?shù)?？梢?，對于等軸晶而言，在相同的固相分?jǐn)?shù)下，晶粒尺寸的減小將導(dǎo)致糊狀區(qū)滲透率的降低，宏觀偏析的程度也隨之減輕；而對于有枝晶特征的晶?；蛘邩渲罹Я?，枝晶數(shù)量的增加可提高糊狀區(qū)的滲透率，宏觀偏析將更嚴(yán)重[13]。

3 宏觀偏析的控制方法

從機(jī)理分析可知，影響宏觀偏析的主要因素可概括為：溶質(zhì)元素平衡分配系數(shù)、漿狀區(qū)對流模式、浮游晶運(yùn)動(dòng)、糊狀區(qū)的滲透率以及晶粒類型。因此，通過控制鑄造條件，針對性地調(diào)整上述因素，可減輕或抑制宏觀偏析的發(fā)生，具體措施如下。

3.1 控制合金化元素及其含量

對于平衡分配系數(shù)值遠(yuǎn)大于或遠(yuǎn)小于1的元素，應(yīng)盡可能減少或嚴(yán)格控制其含量。例如，F(xiàn)e和Si元素的值均遠(yuǎn)小于1，具有強(qiáng)烈的中心負(fù)偏析傾向，而對于絕大多數(shù)鋁合金而言，這兩種元素都是雜質(zhì)元素，降低其含量將對鋁合金材料性能有利。Ti元素的值均遠(yuǎn)大于1，具有強(qiáng)烈的中心正偏析傾向，大多是通過晶粒細(xì)化劑的形式加入到鋁合金中，如Al-Ti-B、Al-Ti-C等。由于晶粒細(xì)化存在最佳投入量，因此在使用時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制，避免因過量投入而導(dǎo)致過量Ti元素富集于鑄錠中心，造成負(fù)面效果。對于微合金化作用的元素，如Zr、Cr、Cu等，需根據(jù)實(shí)際目的進(jìn)行適量添加或使用平衡分配系數(shù)值接近1的元素替代（如Mn）。

3.2 利用外場控制

在DC鑄造結(jié)晶器的熔池周圍增加外場，如機(jī)械攪拌、超聲波、電磁場等，借助外場力調(diào)整液穴內(nèi)對流狀態(tài)，改變浮游晶中心富集趨勢，從而降低中心宏觀偏析。此外，外場還可以讓熔池的溫度場變得更均勻，降低凝固過程的收縮效應(yīng)，從而抑制已發(fā)生溶質(zhì)再分配的液相回流。劉祥等[14]研究了機(jī)械攪拌對Al-Cu合金組織的影響，結(jié)果表明，強(qiáng)制對流能抑制粗大柱狀晶，細(xì)化等軸晶，控制或減少宏觀偏析。楊林學(xué)等[15]通過超聲波對大規(guī)格2219鋁合金圓錠鑄造時(shí)進(jìn)行處理，獲得了細(xì)小的晶粒尺寸組織，并改善了溶質(zhì)元素的宏觀偏析現(xiàn)象。黃明哲[16]研究了超聲場對7085鋁合金鑄錠內(nèi)部組織的影響，發(fā)現(xiàn)超聲處理可以降低顯微偏析程度，改變?nèi)苜|(zhì)元素的實(shí)際分配系數(shù)。張勤等[17]研究了電磁場對DC鑄造7075鋁合金微觀組織及溶質(zhì)元素分布的影響，結(jié)果表明，在電磁場作用下，熔池內(nèi)部的溫度場和元素分布場更趨均勻，組織得到細(xì)化，宏觀偏析現(xiàn)象得到抑制和消除。郭世杰[18]研究了軟接觸電磁鑄造7050鋁合金扁錠，結(jié)果表明鑄錠表面粗糙度、晶粒組織的尺寸與均勻度、元素宏觀偏析均得到了顯著改善。

3.3 優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)

通過調(diào)整鑄造工藝參數(shù)，如鑄造溫度、鑄造速度、液位高度、冷卻強(qiáng)度等，改變結(jié)晶器熔池內(nèi)的金屬液流動(dòng)方式，減小液穴深度以降低凝固前沿斜率，降低熔體過熱度、提高凝固過冷度以縮短兩相過渡區(qū)寬度，最終達(dá)到減小或抑制宏觀偏析的目的。ZALOZNIK[19]通過數(shù)值模擬分析了鑄造工藝參數(shù)（包括鑄錠直徑、速度、溫度以及冷卻類型等）對DC鑄造Al-5.25Cu合金圓錠宏觀偏析的影響，結(jié)果表明，鑄造工藝參數(shù)通過改變液穴深度的和熔體自然對流的溫差來影響宏觀偏析。

3.4 分流袋選用

金屬液通過下澆管流入分流袋，經(jīng)分流后進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)，結(jié)晶器填充完畢后開始鑄造?？梢?，分流袋起到使金屬液均勻填充結(jié)晶器的作用。不同結(jié)構(gòu)的分流袋使金屬液呈現(xiàn)不同的流動(dòng)方向和流動(dòng)速度，不僅在起鑄時(shí)具有不同的填充特點(diǎn)，而且在鑄造過程中也會影響液穴中熔體的對流狀態(tài)，從而影響鑄錠宏觀偏析的程度。例如，相比于雙層分流鑄造，水平分流鑄造的鑄錠中心負(fù)偏析可以降低15%；用垂直分流袋替代水平分流袋后，如圖5所示，鑄錠的中心宏觀偏析將進(jìn)一步降低。

圖5　分流袋

3.5　晶粒細(xì)化劑的選用

添加晶粒細(xì)化劑是目前鋁加工業(yè)應(yīng)用最廣泛的晶粒細(xì)化方法[20]，其特點(diǎn)是少量添加量就可起到明顯細(xì)化效果；而增大添加量，細(xì)化效果卻增加不明顯。因此，在生產(chǎn)中，晶粒細(xì)化劑的添加量一般在0.1 wt.%～1.0 wt.%之間。目前普遍認(rèn)為[21]，晶粒細(xì)化劑的細(xì)化機(jī)理源自于其中包含的異質(zhì)形核顆粒，這些顆粒加入熔體后成為異質(zhì)形核的核心，從而細(xì)化凝固后的組織晶粒。異質(zhì)形核顆粒在凝固前沿成核的過程中，與浮游晶一樣，也發(fā)生著溶質(zhì)再分配，并且通過對流的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，最后沉降于液穴底部，從而導(dǎo)致鑄錠中心偏析。異質(zhì)形核的顆粒越多，中心偏析的效應(yīng)越大。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，要綜合考慮晶粒細(xì)化效果及其帶來的宏觀偏析效應(yīng)后，確定晶粒細(xì)化劑的使用類型和添加劑量。

4　結(jié)論

本文分析了DC鑄造大規(guī)格鋁合金鑄錠宏觀偏析的形成機(jī)制，主要與兩相過渡區(qū)內(nèi)發(fā)生的溶質(zhì)再分配、固—液兩相之間發(fā)生的相對運(yùn)動(dòng)有關(guān)；概括了影響宏觀偏析的主要因素，即溶質(zhì)元素的平衡分配系數(shù)、漿狀區(qū)的對流方式、浮游晶的運(yùn)動(dòng)、糊狀區(qū)的液相滲透率；提出了緩解或抑制宏觀偏析的具體控制方法，即控制合金化元素及其含量、利用外場協(xié)助控制、優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)、分流袋選用、晶粒細(xì)化劑的選用等。

[1]NADELLA R, ESKIN D G, KATGERMN L, et.al. Effect of grain refinement on structure evolution, ‘‘Floating’’ gains, and centerline macrosegregation in direct-chill cast AA2024 alloy nillets[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2007,(39A): 450-461.

[2]LIU X D, ZHU Q F LI Z M et al. Effect of casting speed on floating grains and macrosegregation of direct-chill cast 2024 alloy with intensive melt shearing[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2021, 31: 565-575.

[3]NADELLA R, ESKIN D, KATGERMAN L. Role of grain refining in hot cracking and macrosegregation in direct chill cast AA 7075 billets[J]. Materials Science and Technology, 2007, 23(11): 1327-1335．

[4]WENG Y Y, DING L P, ZHANG Z Z, et al. Effect of Ag addition on the precipitation evolution and interfacial segregation for Al-Mg-Si alloy[J]. Acta Materialia, 2019, 180: 301-316.

[5]李寶綿，夏軍，張海濤，等. DC鑄造5182鋁合金大尺寸扁錠偏析及微觀組織的試驗(yàn)研究[J]. 輕合金加工技術(shù)，2020，48(12): 25-31.

[6]ZUO Y B, CUI J Z, ZHAO Z H, et al. Effect of low frequency electromagnetic field on casting crack during DC casting superhigh strength aluminum alloy ingots[J]. Materials Science and Engineering: A, 2005, 406(1): 286-292.

[7]ROUSSET P, RAPPAZ M, HANNART B. Modeling of inverse segregation and porosity formation in directionally solidified aluminum alloys[J]. Metallurgical and Materials Transactions A,1995, 26: 2349-2358.

[8]SINGH A K, PARDESHI R, BASU B. Modelling of convection during solidification of metal and alloys[J]. Sadhana, 2001, 26: 139-162．

[9]THEVIK H J, MO A. The influence of micro-scale solute diffusion and dendrite coarsening upon surface macrosegregation[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1997, 40(9): 2055-2065.

[10]何志，徐學(xué)利，周好斌，等. 非平衡凝固過程中合金的溶質(zhì)分凝和界面形態(tài)選擇[J]. 鑄造技術(shù)，2012，33(8): 907-909.

[11]NADELLA R, ESKIN D G, DU Q, et al. Macrosegregation in direct-chill casting of aluminum alloy[J]. Progress in Materials Science, 2008, 53: 421-480.

[12]ESKIN D G, NADELLA R, KATGERMAN L, et al. Effect of different grain structures on centerline macrosegregation during direct-chill casting[J]. Acta Materialia, 2008, 56: 1358-1365.

[13]ASTON M A, GRANDIELD J F, JOHN D H, et al. The Effect of Grain Refinement and Cooling Rate on the Hot Tearing of Wrought Aluminium Alloys[C]. Materials Science Forum, 2006: 519-521.

[14]劉祥，REDRIKSSON H，ENGSTM G. 機(jī)械攪拌對Al及Al-Cu合金鑄錠組織和宏觀偏析的影響[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版，1986，7(1): 1-8.

[15]楊林學(xué)，張立華，李瑞卿. 多源超聲對2219鋁合金鑄錠凝固組織和成分偏析的影響[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2019，40(3): 49-55.

[16]黃明哲. 超聲外場對7085鋁合金鑄造微觀偏析及第二相形成的影響[D]. 長沙: 中南大學(xué)，2014.

[17]張勤，崔建忠，路貴民，等. 電磁振蕩法半連鑄7075合金的微觀組織及溶質(zhì)元素分布[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào)，2003(5): 1184-1191.

[18]郭世杰，薛冠霞，劉金炎，等. 電磁軟接觸鑄造7050高強(qiáng)鋁合金扁錠的組織和力學(xué)性能[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20(7): 1282-1289.

[19]ZALOZNIK M, ?ARLER B. Modeling of macrosegregation in direct-chill casting of aluminum alloys: Estimating the influence of casting parameters[J]. Materials Science and Engineering: A, 2005(413-414): 85-91.

[20]ZHANG L L, ZHENG Q J, JIANG H X, et al. Jiang Interfacial energy between Al melt and TiB2 particles and efficiency of TiB2 particles to nucleate α-Al[J]. Scripta Materialia, 2019, 160: 25-28.

[21]EASTON M, STJOHN D. Grain refinement of Aluminum alloys: PartⅡ. Confirmation of, and a mechanism for, the solute paradigm[J]. Metallurgical and Materials Transactions A , 1999, 30A: 1625-1633.

A Brief Discussion on the Causes and Control Methods of Macrosegregation in DC Casting of Large Size Aluminum Alloy Ingots

Macrosegregation is a common metallurgical defect in DC casting of large size aluminum alloy, which can seriously deteriorate the performance of the ingot and the quality of the finished product. This article elaborates on the formation mechanism of macroscopic segregation, summarizes the main factors that affect macroscopic segregation, and proposes five specific measures to control macrosegregation, including controlling alloying elements and their content, utilizing external field assistance to control, optimizing casting process parameters, selecting diversion bags, and selecting grain refiners, which have important guiding significance for practical production.

DC casting; aluminum alloy; large size; macrosegregation; mechanism analysis; control methods

TG292

A

1008-1151(2023)07-0085-04

2023-05-10

廣西壯族自治區(qū)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院資助項(xiàng)目、南寧市新型功能材料技術(shù)創(chuàng)新中心能力建設(shè)（20221021）

吳鎮(zhèn)宇（1985－），男，廣西產(chǎn)研院新型功能材料研究所有限公司工程師，從事金屬材料研發(fā)工作。

熊新國（1963－），男，南南鋁業(yè)股份有限公司高級工程師，從事金屬材料開發(fā)與設(shè)計(jì)工作。