□文/李順祥 趙亞堯 王 浩 張曉群 田素蘭云南鋁業(yè)股份有限公司

提高鑄造鋁合金產(chǎn)品品質(zhì)和工藝優(yōu)化

□文/李順祥 趙亞堯 王 浩 張曉群 田素蘭
云南鋁業(yè)股份有限公司

Product Quality Improvement and Process Optimization for Production of Cast Aluminum Alloy

論述了高品質(zhì)鑄造鋁合金生產(chǎn)的熔煉、澆鑄工藝控制措施和設(shè)備配置。通過(guò)研究，得出提高鑄造鋁合金品質(zhì)的工藝方法和設(shè)備條件。

A356.2鋁合金具有流動(dòng)性好、無(wú)熱裂傾向、線收縮小、氣密性好等良好的鑄造性能，它比重小、耐蝕性良好、易氣焊，隨鑄件壁厚增加強(qiáng)度降低的程度小，經(jīng)變質(zhì)后機(jī)械性能提高，鑄錠斷口致密，無(wú)熔渣和非金屬夾雜物，因此在鋁合金輪轂上得到廣泛應(yīng)用。而如何進(jìn)一步提高鋁合金A356.2產(chǎn)品品質(zhì)，滿足高端市場(chǎng)的需求，歷來(lái)是關(guān)注的焦點(diǎn)?；诖耍颇夏充X業(yè)公司進(jìn)行了高品質(zhì)鑄造鋁合金產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和工藝研究。

一、問(wèn)題的提出

要提高鑄造鋁合金產(chǎn)品品質(zhì)，需要解決下面幾個(gè)方面的問(wèn)題。

1. 熔煉工藝的選擇

熔煉工藝決定了鋁熔體合金成分的均勻性，雜質(zhì)含量的多少，熔體的純凈度。實(shí)踐表明，產(chǎn)品質(zhì)量控制的最主要環(huán)節(jié)就在熔煉工藝的選擇。目前生產(chǎn)的鑄造鋁合金Si偏析控制在0.2%～0.3%之間，存在提升空間。

2. 澆鑄工藝的控制

澆鑄工藝決定了產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)的高低，晶粒結(jié)構(gòu)是否均勻，最終影響產(chǎn)品的綜合性能和使用效果。目前該公司鑄造鋁合金產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度保持在180～210N/mm2，伸長(zhǎng)率保持在8%～12%之間，硬度保持在52～60HB之間，通過(guò)工藝改進(jìn)，可進(jìn)一步提高。

3. 設(shè)備配置水平

設(shè)備是產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的基礎(chǔ)，其配置水平高低直接影響產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的穩(wěn)定和外觀質(zhì)量的均勻性。

二、工藝研究與實(shí)踐

1. 熔煉工藝的優(yōu)化

采用兩臺(tái)熔煉爐配置一臺(tái)靜置爐的熔煉靜置方式(見(jiàn)圖1、圖2)。

通過(guò)兩臺(tái)熔煉爐后配置1臺(tái)靜置爐，對(duì)鋁熔體在經(jīng)過(guò)熔煉處理的基礎(chǔ)上再進(jìn)行一次精煉處理，并利用靜置爐的“恒溫”條件進(jìn)行澄清，鋁熔體中的氧化夾雜物及雜質(zhì)元素在重力的作用下上浮或下沉，有害氣體有更多的機(jī)會(huì)溢出。使鋁熔體的合金成分更加均勻，溶質(zhì)進(jìn)一步細(xì)化，鋁熔體純凈度更高。

使用虹吸管進(jìn)鋁，加強(qiáng)原料質(zhì)量過(guò)程控制。實(shí)現(xiàn)電解鋁水包—虹吸管裝置—熔煉爐的進(jìn)鋁方式。與原進(jìn)鋁(人工攪包流槽進(jìn)鋁)方式相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：充分利用原鋁的熱量進(jìn)行熔煉工作；利用電解質(zhì)與電解鋁液的物理分層原理，減少電解質(zhì)進(jìn)入熔煉爐的量，對(duì)原料進(jìn)行源頭質(zhì)量控制；利用虹吸管的密封特性，減少鋁液與空氣的接觸機(jī)會(huì)，防止了鋁液氧化和吸附氫氣，減輕了鋁液的污染。

電磁攪拌器的采用，增加成分的均勻性。熔煉爐采用DJ25-X型電磁攪拌系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不破壞鋁液表層氧化膜的攪拌，防止鐵工具對(duì)鋁液的污染，可以提高鋁液成分的均勻性。同時(shí)，可以有效減小鋁液上下層的溫差，加速下部固體料的熔化速度，縮短熔化周期。使各元素充分混合、分布均勻，添加一定量的變質(zhì)劑(鍶)和細(xì)化劑(鈦)，使結(jié)晶時(shí)晶核增多，晶粒得到細(xì)化。晶核在熔體中各處趨向于同時(shí)形核并均勻地分散在鋁液中，不僅形核率大大提高，而且晶粒尺寸也趨向于均勻化。

圖1 優(yōu)化實(shí)施前工藝平面圖

圖2 優(yōu)化實(shí)施后工藝平面圖

2. 澆鑄工藝改進(jìn)

“等液面”澆鑄工藝的使用(圖3、圖4)：減小從靜置爐到澆鑄口的熔體液位差(保持在80～100mm之間)，保持澆鑄時(shí)液面高度和澆鑄溫度的“恒定”。減少了鋁熔體流動(dòng)過(guò)程中的吸氣和因表面氧化膜被破壞卷入熔體的造成的二次污染。

從靜置爐流出的鋁熔體通過(guò)雙轉(zhuǎn)子在線除氣裝置(硅炭棒保溫、兩級(jí)石墨轉(zhuǎn)子通氮?dú)獬龤鈨艋?，再經(jīng)過(guò)陶瓷過(guò)濾板過(guò)濾，才流到澆鑄板面，經(jīng)結(jié)晶器內(nèi)結(jié)晶帶(石墨環(huán))快速冷卻成型，再用二次冷卻水冷卻，完成澆鑄工作。

澆鑄工序采用目前國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的2臺(tái)25噸外導(dǎo)式液壓深井連續(xù)鑄造機(jī)，采用豎井熱頂模鑄造方式，可使鋁液在結(jié)晶器下緣接受冷卻水的直接冷卻前，形成的液穴壁很薄。在冷卻水的強(qiáng)烈冷卻下，鑄造邊部可獲得很高的結(jié)晶速度，能夠縮短固一液界面的持續(xù)時(shí)間，使鑄坯快速冷卻，有效減少化學(xué)成份偏析，因而枝晶細(xì)小，產(chǎn)品內(nèi)部組織均勻性好；在結(jié)晶器正上方鋁液與大氣接觸，鑄造結(jié)晶時(shí)析出的氣體和其上浮時(shí)所攜帶的夾渣有條件浮至敞露液面，從而有利于鑄造鋁溶純潔度的提高；同時(shí)，鑄棒托盤(pán)可平穩(wěn)托住鑄棒，均勻地在豎井中向下移動(dòng)，確保每根鑄棒的垂直度。共晶合金的冷卻曲線及結(jié)晶過(guò)程見(jiàn)圖5。

實(shí)踐中半連續(xù)澆鑄系統(tǒng)冷卻水箱首次采用新型復(fù)合材料代替鐵質(zhì)材料和采用在線水質(zhì)自動(dòng)過(guò)濾裝置：避免了設(shè)備使用中因腐蝕對(duì)水質(zhì)的污染和提高了水質(zhì)的清潔度，改善了結(jié)晶冷卻條件。在改善產(chǎn)品內(nèi)部微觀組織的同時(shí)，明顯提高了產(chǎn)品外觀質(zhì)量。

3. 工藝技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化和改進(jìn)

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)對(duì)豎井熱頂模鑄造方式生產(chǎn)A356.2鋁合金進(jìn)行工藝技術(shù)研究與攻關(guān)。由于連續(xù)鑄造時(shí)，對(duì)鑄錠質(zhì)量產(chǎn)生重要影響的工藝參數(shù)主要有鑄錠規(guī)格、冷卻速度、鑄造速度、鑄造溫度、結(jié)晶器的有效高度。弄清工藝參數(shù)與鑄錠質(zhì)量的關(guān)系及其變化規(guī)律性，是選擇鑄造工藝參數(shù)的基本依據(jù)。因此制定合理的鑄造工藝參數(shù)匹配至關(guān)重要。在鑄錠規(guī)格(75×75)一定、結(jié)晶器的有效高度一定的正常鑄造條件下，主要工藝參數(shù)是相互中任何一個(gè)有所變化，其它的參數(shù)也要隨之改變，才能確保鑄造的穩(wěn)定性。在它們之間的相互關(guān)系中，我們從生產(chǎn)實(shí)踐中得知一個(gè)基本規(guī)律：（1）如果鑄造速度不變，控制冷卻水的流量或壓力便是調(diào)節(jié)鑄錠冷卻速度的基本手段。（2）在保證鑄錠質(zhì)量符合技術(shù)要求的前提下采用盡可能快的鑄造速度以發(fā)揮鑄造機(jī)的最大生產(chǎn)能力。（3）為保證熔體在轉(zhuǎn)注過(guò)程中具有充分的流動(dòng)性，應(yīng)視轉(zhuǎn)注距離長(zhǎng)短和氣溫情況，將鑄造溫度控制在比合金液相線溫度高50℃～110℃的范圍內(nèi)。通過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)最終得出一套能穩(wěn)定生產(chǎn)的工藝參數(shù)，優(yōu)化措施實(shí)施后，熔煉溫度比原有工藝降低了20℃，澆鑄溫度降了10℃，冷卻水壓力和流量也在原有的基礎(chǔ)上提高了5%，3個(gè)月的生產(chǎn)實(shí)踐表明所選的工藝參數(shù)較為合理，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定并得到提升。

表1 鑄造鋁合金“酸化物”、“介在物”檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表2 鑄造鋁合金物理特性檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

三、實(shí)踐效果

通過(guò)工藝路線、設(shè)備配置的優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新，提高了鑄造鋁合金產(chǎn)品品質(zhì)，促進(jìn)了產(chǎn)品的升級(jí)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，經(jīng)過(guò)六個(gè)月的實(shí)際生產(chǎn)情況分析總結(jié)表明，整個(gè)計(jì)劃的實(shí)施達(dá)到了較好效果，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1. 流動(dòng)性有了較大提高，“酸化物”、“介在物”含量顯著下降，滿足日本客戶的標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)抽樣送日本金屬化學(xué)株式會(huì)社分析，結(jié)果見(jiàn)表1(判定標(biāo)準(zhǔn)：“酸化物+介在物” 含量≤6%，2 000～2 050g鋁液通過(guò)時(shí)間≤110s為合格；通過(guò)時(shí)間：2min作為判定依據(jù)，若90s以內(nèi)通過(guò)，表明熔體純凈度較高；介在物含量≤4% ，表明熔體純凈度較高；介在物含量達(dá)到20% ，表明熔體已經(jīng)被污染，需作熔體凈化處理)。表明熔體純凈度較高，流動(dòng)性好，填充性好。

2. 機(jī)械性能，物理特性，內(nèi)部組織均已達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，甚至超過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平，見(jiàn)表2。

3. 產(chǎn)品硅偏析減小，并穩(wěn)定保持在0.25%以內(nèi)。通過(guò)對(duì)2008年4、5月產(chǎn)品質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)，硅偏析穩(wěn)定在0.2%以內(nèi)，硅偏析大于0.25% 的比例小于5%。鋁熔體中含氫量為0.16～0.20mL／100g，產(chǎn)品針孔度均在2級(jí)以上，并且1級(jí)的比例達(dá)到97%以上，產(chǎn)品金相已得到明顯改善。

四、結(jié)論

1. 熔煉工藝采用熔煉爐、靜置爐的配置方式，使用虹吸管進(jìn)鋁，對(duì)原料進(jìn)行源頭質(zhì)量控制，電磁攪拌器的采用，增加了成分的均勻性，精煉采用“氮?dú)?精煉劑”聯(lián)合法，提高了熔體的純凈度和化學(xué)成分的均勻性，使鋁熔體中含氫量為0.16～ 0.20ml/100g，Si偏析穩(wěn)定在0.2%以內(nèi)。

2. 澆鑄工藝采用“等液面”控制流體高度，“恒溫”控制澆鑄溫度，鋁熔體用雙轉(zhuǎn)子在線除氣，硅炭棒保溫、陶瓷過(guò)濾板二次過(guò)濾的工藝布局，改善了產(chǎn)品品質(zhì)和外觀質(zhì)量。

3. 通過(guò)熔煉、澆鑄工藝的改進(jìn)，設(shè)備配置水平的提高，使“酸化物” 和“介在物” 的總含量控制在4.0%以下，抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硬度達(dá)到較好水平。

略

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