殷云霞，李海仙，韓再旭，王 強(qiáng)

（東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060）

不同合金化方式的5083合金鑄錠質(zhì)量對(duì)比研究

殷云霞，李海仙，韓再旭，王 強(qiáng)

（東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060）

介紹了在5083合金中使用中間合金與使用添加劑的工藝流程，并對(duì)兩種工藝生產(chǎn)的5083合金鑄錠進(jìn)行質(zhì)量全分析。通過(guò)對(duì)比研究，確定出使用中間合金與添加劑生產(chǎn)的5083合金鑄錠在成分偏析、微觀組織及力學(xué)性能等方面并無(wú)明顯差異，板材力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)，并確定出合理的成分范圍。

中間合金；添加劑；5083合金；生產(chǎn)工藝

0 前言

鋁合金合金化的方式有以下幾種：以中間合金方式加入；以純金屬形式加入；以熔鹽形式加入；以添加劑形式加入。添加劑以其熔點(diǎn)低、易溶解、在熔體中易達(dá)到成分均勻、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)中廣泛使用。但對(duì)于有特殊要求的合金制品，如鍛件、探傷級(jí)別要求高的合金制一般使用中間合金，而不使用添加劑，以避免添加劑中的熔鹽混入熔體造成熔體污染。

但近年來(lái)，部分中間合金越來(lái)越暴露其不足，如成分不均，導(dǎo)致熔煉中大量補(bǔ)料或沖淡，造成部分或全爐成分廢品；組織中殘存大量的一次晶化合物，遺傳到鑄錠中，造成最終制品一次晶化合物聚集缺陷；部分中間合金在熔化時(shí)仍然需要很高的熔煉溫度和較長(zhǎng)的保溫時(shí)間才能保證金屬成分的充分溶解，這樣易引起晶粒粗大、吸氣、夾渣和增加氧化燒損等[1]。

而使用添加劑則可避免上述不足，且爐內(nèi)除氣除渣凈化及在線除氣加雙級(jí)過(guò)濾措施完全可以阻擋熔鹽進(jìn)入鑄錠，使用添加劑還可以降低生產(chǎn)成本。

下面探討采用Mn、Cr添加劑加入到需要B級(jí)探傷的5083合金中生產(chǎn)產(chǎn)品，與使用中間合金形式生產(chǎn)的同類(lèi)合金做質(zhì)量對(duì)比，并摸索生產(chǎn)工藝路線的改變對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 化學(xué)成分

5083合金化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 5083合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 配料

方案1：新鋁錠占額40%～60%，不允許使用添加劑，Mn、Cr、Ti、Be以中間合金的形式加入，Mg以純金屬的形式加入，Mg和Al-Be在電爐中加入。

方案2：新鋁錠占額40%～60%，Mn、Cr以添加劑形式加入，Ti、Be以中間合金的形式加入，Mg以純金屬的形式加入，Mg和Al-Be在電爐中加入。

1.3 熔煉

兩種方案均采用天燃?xì)鉅t供電爐液體料的方式進(jìn)行生產(chǎn)，熔煉溫度720～750℃。方案1中間合金隨爐料一同加入，方案2添加劑加入溫度為720℃以上，并且保溫15min后方可出爐。

按表1中要求進(jìn)行成分調(diào)整，熔煉溫度720～750℃，出爐前加Al-Ti絲進(jìn)行晶粒細(xì)化。

1.4 鑄造

鑄造時(shí)用在線凈化裝置，雙級(jí)過(guò)濾。在線加入Al-Ti絲進(jìn)行晶粒細(xì)化

1.5 板材生產(chǎn)

對(duì)均火后的鑄錠進(jìn)行銑面，然后進(jìn)行熱軋生產(chǎn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同合金化方式生產(chǎn)5083合金的表面質(zhì)量

采用上述兩種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的5083合金鑄錠外觀質(zhì)量沒(méi)有明顯差別，表面無(wú)裂紋、拉裂等明顯缺陷。

2.2 最終化學(xué)成分

無(wú)論使用中間合金還是使用添加劑生產(chǎn)的5083合金扁鑄錠，整體來(lái)說(shuō)化學(xué)成分偏析相差不大，Mg含量均在4.4%～4.7%之間，Mn含量在0.6%～0.75%之間，Cr含量在0.08%～0.10%之間，偏析規(guī)律相似，這可以說(shuō)明生產(chǎn)5083合金時(shí)無(wú)論何種合金化方式，最終化學(xué)成分都符合成分要求，從中間合金與添加劑的實(shí)收率上看，采用兩種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的5083合金Mn、Cr元素的實(shí)收率相當(dāng)，均能滿足化學(xué)成分要求。

2.3 鑄錠低倍組織

采用不同合金化方式生產(chǎn)的5083鑄錠，在低倍組織中均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、疏松、化合物、白斑、夾渣等冶金缺陷，鑄錠晶粒度小于一級(jí)。

2.4 鑄錠微觀組織

兩種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的5083合金鑄錠，沿鑄錠厚度方向在鑄錠中心處、1/8處、邊部進(jìn)行鑄錠高倍組織檢查，典型金相組織見(jiàn)圖1。 其中（a）、（c）、（e）分別為方案1使用中間合金生產(chǎn)5083合金鑄錠厚度方向的中心、1/8厚度處、 邊部；（b）、（d）、（f）分別為方案2使用添加劑生產(chǎn)5083合金鑄錠厚度方向的中心、1/8厚度處、 邊部。

圖1 5083合金不同方案和不同位置的顯微組織

從圖1顯微組織照片可以看出，兩種工藝生產(chǎn)的5083合金鑄錠高倍組織中，從鑄錠中心至邊部，枝晶間距逐漸變小并且較均勻，枝晶臂變厚，基本上符合鋁合金熔煉過(guò)程中的結(jié)晶規(guī)律。

2.5 鑄錠的力學(xué)性能

沿試片中心至邊部取樣（下圖中1→10同時(shí)代表使用中間合金與使用添加劑生產(chǎn)的5083合金鑄錠相對(duì)應(yīng)的取樣位置），檢測(cè)鑄錠力學(xué)性能，結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 兩種方案5083合金抗拉強(qiáng)度

圖3 兩種方案5083合金屈服強(qiáng)度

圖4 兩種方案5083合金斷后伸長(zhǎng)率

從圖2、圖3和圖4可以看出，不同合金化方式生產(chǎn)的5083合金鑄錠，其中使用添加劑生產(chǎn)的5083合金鑄錠與使用中間合金生產(chǎn)的5083合金鑄錠相比：抗拉強(qiáng)度略低，屈服強(qiáng)度略高一些，斷后伸長(zhǎng)率相當(dāng)，整體差異不大。

2.6 板材生產(chǎn)情況跟蹤

本輪試驗(yàn)中，對(duì)使用添加劑與中間合金生產(chǎn)的同規(guī)格5083合金鑄錠在軋制車(chē)間進(jìn)行了跟蹤，從鑄錠加熱、軋制到后續(xù)的熱處理過(guò)程使用添加劑生產(chǎn)的5083合金鑄錠均未發(fā)現(xiàn)異常情況。對(duì)其中需要進(jìn)行B級(jí)探傷交貨的板材探傷情況進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，使用添加劑工藝生產(chǎn)的5083合金鑄錠B級(jí)探傷后合格率100%，與使用中間合金工藝生產(chǎn)的鑄錠B級(jí)探傷結(jié)果相符。

對(duì)所有使用添加劑工藝生產(chǎn)的鑄錠成品力學(xué)性能情況進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，兩種工藝生產(chǎn)鑄錠軋制板材力學(xué)性能結(jié)果相近，相差不大，說(shuō)明兩種工藝生產(chǎn)鑄錠在后續(xù)生產(chǎn)的板材力學(xué)性能結(jié)果相近。

3 分析與討論

3.1 中間合金存在的問(wèn)題

生產(chǎn)5083合金時(shí)使用Al-Mn和Al-Cr兩種中間合金，在熔制和使用這兩種中間合金時(shí)，存在以下問(wèn)題：

（1）要求加入金屬溫度在1000℃以上，熔煉溫度高，則需要延長(zhǎng)熔煉時(shí)間，這就造成合金元素的大量燒損，消耗大量能源。

（2）中間合金含量不穩(wěn)定，成分不均，在熔煉過(guò)程中經(jīng)常有大量補(bǔ)料或沖淡的現(xiàn)象發(fā)生，造成部分或全爐成分廢品。

（3）加速了熔煉設(shè)備及工具的損壞；造成了惡劣的勞動(dòng)條件和嚴(yán)重的環(huán)境污染。

（4）中間合金組織中殘存大量的一次晶化合物，遺傳到鑄錠中，造成最終制品一次晶化合物聚集缺陷，影響航空航天制品的使用和交貨期限，甚至無(wú)法使用。

（5）部分中間合金在熔化時(shí)仍然需要很高的熔煉溫度和較長(zhǎng)的保溫時(shí)間才能保證中間合金的充分溶解，這樣易引起晶粒粗大、吸氣、夾渣和增加氧化燒損偏析嚴(yán)重，含有粗大的化合物，有可能會(huì)遺傳到合金中。

（6）主要元素所占的比例很低，大部分是鋁，給運(yùn)輸、儲(chǔ)存等帶來(lái)很多麻煩。

3.2 使用添加劑的優(yōu)點(diǎn)

生產(chǎn)5083合金時(shí)使用Mn、Cr兩種添加劑，使用添加劑具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）Mn、Cr兩種添加劑是機(jī)械攪拌的混合物，無(wú)需高溫便可制作完成，減少了能源損耗。

（2）成分含量穩(wěn)定，用于5083合金中實(shí)收率較高，減少了爐前分析的次數(shù)。

（3）主要元素所占的比例高，便于運(yùn)輸、儲(chǔ)存。

（4）使用添加劑降低了生產(chǎn)成本，創(chuàng)造出經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 添加劑實(shí)收率

Mn添加劑加入溫度720℃，實(shí)收率曲線見(jiàn)圖5。

圖5 Mn添加劑實(shí)收率曲線

由圖5可以看出Mn添加劑加入溫度為720℃、保溫時(shí)間為13min時(shí)，Mn添加劑實(shí)收率達(dá)到最大值為98%，所以當(dāng)熔體達(dá)到720℃時(shí)加入添加劑，并且保溫15min，這種工藝是添加劑實(shí)收率最高的，所以說(shuō)我們制定的方案可行。

3.4 化學(xué)成分對(duì)5083合金性能的影響

3.4.1 Mg的作用和影響

5083合金為熱處理不可強(qiáng)化合金， Mg含量對(duì)5083合金力學(xué)性能的影響見(jiàn)圖6。

圖6 Mg含量對(duì)5083合金力學(xué)性能的影響

從圖6中可以看出，隨著Mg含量的增加，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也逐漸升高，而伸長(zhǎng)率則呈先降后升的趨勢(shì)。含Mg量高的合金材料，屈服強(qiáng)度也高，當(dāng)Mg含量低于4%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度低于250N/mm2，當(dāng)Mg含量位于4%～5%之間，合金的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到250～280N/mm2，由于5083合金基本上處于單相固溶體區(qū)，所以合金具有良好的耐腐蝕性能。因此Mg含量應(yīng)控制在上限，能保證得到屈服強(qiáng)度指標(biāo)較好、性能穩(wěn)定的5083合金材料。又由于Mg是易燃金屬，熔煉操作時(shí)會(huì)有燒損，在確定Mg的控制范圍時(shí)要考慮燒損所帶來(lái)的誤差，但不能放得太寬，以免合金性能失控。

3.4.2 Mn的作用和影響

Al-Mg系合金中添加Mn不但有利于合金的抗蝕性，而且還能使合金的強(qiáng)度提高。隨著Mn含量增加，合金強(qiáng)度有所提高，合金元素Mn能夠起到補(bǔ)充強(qiáng)化的作用，另外，合金中加入Mn還可以降低熱裂紋傾向，改善合金的抗腐蝕性能和焊接性能。同時(shí)，實(shí)踐表明，鋁鎂合金通常應(yīng)含有低于1%的Mn。其原因在于Mn提高了合金的再結(jié)晶溫度。Al-Mg二元合金退火時(shí)晶粒容易長(zhǎng)大，添加少量的Mn具有抑制晶粒粗化的作用，并使合金強(qiáng)度略有提高，尤其對(duì)屈服強(qiáng)度更為明顯。Mn還能改善鋁鎂合金的耐蝕性能，特別是可提高耐應(yīng)力腐蝕性能。因此，Mn可以控制在中限。

3.4.3 Cr的作用和影響

Cr對(duì)Al-Mg合金性能的影響與Mn相似。固溶于鋁中的Cr對(duì)鋁的腐蝕電位幾乎沒(méi)有影響，Cr是鋁合金中的一個(gè)微量元素，能提高Al-Mg合金的抗腐蝕能力，提高腐蝕性能。

因此，為了保證足夠的細(xì)化作用和使合金具有較高的耐腐蝕性能，可以在合金中加入Cr。因?yàn)樵?083合金中Cr與Mn有相似的作用效果，而且同時(shí)加入兩元素時(shí)強(qiáng)化效果比單一加入更好。同樣為避免降低合金的壓力加工能力和使力學(xué)性能惡化，Cr含量應(yīng)以接近內(nèi)標(biāo)上限為宜。一般Cr含量控制在0.08%～0.10%之間。

3.4.4 Ti的作用和影響

Ti的主要作用是細(xì)化晶粒。在5083合金中添加Ti有利于得到具有細(xì)晶組織的鑄錠，并能改善板材的耐腐蝕性能和可焊性，通常鑄造時(shí)采用在靜置爐加10～15kg的Al-Ti絲或在線加入Al-Ti絲進(jìn)行晶粒細(xì)化，同時(shí)在5083合金中加入Ti還有助于消除合金鑄造過(guò)程中的熱裂紋傾向。

4 結(jié) 論

通過(guò)以上試驗(yàn)及分析結(jié)果可以得出結(jié)論：

（1）使用中間合金和添加劑生產(chǎn)的5083合金鑄錠的鑄造性能、化學(xué)成分偏析、Mn、Cr元素的實(shí)收率、微觀組織及力學(xué)性能相差都不大，板材的性能均可以滿足用戶要求。

（2）調(diào)整5083合金化學(xué)成分時(shí)，Mg含量控制在中上限，Mn含量控制在中限，Cr含量控制在0.08%～0.10%之間，鑄造時(shí)加入適量Al-Ti絲就可以保證力學(xué)性能的要求。

[1] 肖亞慶，謝永生，劉靜安，等.鋁加工技術(shù)使用手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005

（編輯：楊毅）

含Mg和Li等合金元素的鋁合金的鑄造方法

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本發(fā)明公開(kāi)了一種Al-Ti-B合金熔體的凈化方法。本發(fā)明的方法包括：在反應(yīng)爐中加入工業(yè)純鋁錠并熔化后，加入高溫覆蓋劑覆蓋，升溫至670～900℃，加入K2TiF6和KBF4并攪拌；加入含Mg、Li、Na以及F的絡(luò)合物，絡(luò)合物的量為K2TiF6和KBF4質(zhì)量之和的0.01%～1%，溫度保持為670～900℃，均勻攪拌15～60min，除去浮渣，使之凝固并加工成形。在本發(fā)明中，通過(guò)添加適量的含Mg、Li、Na以及F的絡(luò)合物，Al-Ti-B合金熔體的凈化過(guò)程中很好地起到阻止反應(yīng)產(chǎn)物mKF·nAlF3聚合的效果，從而使其反應(yīng)后合金產(chǎn)物中雜質(zhì)含量大幅降低，合金產(chǎn)物中K的含量小于0.01g/kg。

鋁合金結(jié)構(gòu)鑄件的熱處理方法

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本專(zhuān)利提出的鋁結(jié)構(gòu)鑄件的主要化學(xué)成分是（wt%）：2.0～11.5Si, 0.15～0.4Fe, 0.3～5.5Mg，＜0.02Cu，0.4～0.8Mn，0.1～0.2Ti，其余是鋁。這種結(jié)構(gòu)鋁鑄件的熱處理規(guī)范是：30min內(nèi)加熱到490℃，保溫90～120min，空冷到100℃，水淬。又在15min內(nèi)加熱到250℃，保溫30～120min，空冷到40℃，最后水淬。

Comparative Study on Quality of 5083 Alloys Ingot with Different Alloying Methods

YIN Yun-xia, LI Hai-xian, HAN Zai-xu, WANG Qiang
（Northeast Light Alloy Co., Ltd., Harbin 150060, China）

Technical process using master alloy and additives in 5083 alloys were introduced. Quality of production process of 5083 aluminium alloy ingot by the two processes were analyzed. Through comparative study, no significant difference was determined in the composition segregation, microstructure and mechanical properties etc. for 5083 alloy ingots produced using master alloy and additives. Mechanical properties of materials can meet the standard. Reasonable composition was determined.

master alloy; additive;5083 alloy; production process

TG146.21，TG243.+1

A

1005-4898（2014）05-0041-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.05.09

殷云霞（1982-），女，黑龍江省克東縣人，工程師。

2014-03-17