李海仙，胥健秋，李欣斌，宋亮亮，康廣泛，李愛華

（東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060）

一種含Er的Al-Mg-Mn系合金大規(guī)格扁鑄錠熔鑄工藝研究

李海仙，胥健秋，李欣斌，宋亮亮，康廣泛，李愛華

（東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060）

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)含Er的Al-Mg-Mn系合金420mm×1620mm大規(guī)格鑄錠進(jìn)行全面分析，最終確定了該含Er鋁合金大規(guī)格扁鑄錠熔鑄工藝參數(shù)。通過與不含Er元素的Al-Mg-Mn系合金進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)存在的問題提出了改善措施。

Er元素；羽毛晶；強(qiáng)化作用

0 前言

5×××系 Al-Mg合金由于密度小、比強(qiáng)度較高以及良好的耐腐蝕性和可焊性，而被廣泛應(yīng)用于艦船行業(yè)。為了提高艦船的載重比和快速反應(yīng)能力，在不損失耐蝕性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度是非常關(guān)鍵的需求和問題。微合金化可以有效提高鋁合金的強(qiáng)度，同時(shí)不降低其抗蝕性能。

在所有微合金化元素中，現(xiàn)有研究表明：Sc微合金化效果顯著[1]，但是，其價(jià)格非常昂貴，使得含Sc鋁合金價(jià)格大幅增加，難于在工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，因此，必須尋找與Sc有類似作用的、廉價(jià)而有效的微合金化元素。

通過不斷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Er具有與Sc類似的微合金化作用，采用常規(guī)鑄錠冶金方法在不同鋁合金體系中添加微量Er元素，研究發(fā)明了系列含鉺鋁合金，其強(qiáng)度提高20%以上，熱穩(wěn)定性提高50℃左右[2～4]。Er元素在鋁合金中可形成納米級(jí) Al3Er 強(qiáng)化相，比 Al3Sc 相具有更好的熱穩(wěn)定性，可明顯細(xì)化鋁合金的組織、提高鋁合金的再結(jié)晶溫度、促進(jìn)主強(qiáng)化相的析出，大幅度提高鋁合金的強(qiáng)度或塑性，并通過形成復(fù)合強(qiáng)化相等多層次作用機(jī)理，有效地提高鋁合金耐熱性能、抗疲勞性能和耐腐蝕性能等綜合性能。Er的價(jià)格僅為Sc的1/80～1/100，相對(duì)于Sc來說非常低廉，Er的添加使合金材料成本降低，這使得發(fā)展新型工業(yè)規(guī)模含鉺高性能鋁合金成為可能。

目前，含鉺鋁合金已經(jīng)成為通過微合金化方法來提高鋁合金綜合性能的一個(gè)重要方向，國(guó)內(nèi)外研究者在這方面開展了大量研究工作，為了滿足市場(chǎng)需求，我廠對(duì)含Er鋁合金420mm×1620mm大規(guī)格鑄錠的熔鑄工藝進(jìn)行了摸索和研究。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方法及鑄造工藝

該含Er元素Al-Mg-Mn系合金的化學(xué)成分見表1。

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

該含Er元素Al-Mg-Mn系合金鑄錠的規(guī)格為420mm×1620mm。

使用不大于30%的一級(jí)廢料，其余以鋁錠、Al-Mn中間合金、Al-Zr中間合金、Al-Er中間合金及金屬M(fèi)g的形式加入。加Al-Be中間合金進(jìn)行熔體保護(hù)。

采用鍛件工藝，熔煉溫度750～800℃，2#熔劑，工具涂料。熔體溫度780℃以上加Al-Er中間合金，加入Al-Er中間合金后每20min攪拌一次，共攪拌3次，攪拌期間保持熔體溫度在780℃。然后加Mg錠和Al-Be中間合金攪拌、取樣。電爐出爐前采用Ar-Cl2混合氣體精煉10min。靜置爐加10kgAl-Ti絲進(jìn)行晶粒細(xì)化，鑄造點(diǎn)0.005%的Ti以Al-Ti絲的形式加入。

用干燥的2#熔劑塊疊壩，滿管流動(dòng)，鍛件工藝，使用Ar-Cl2精煉8～15min，靜置15～30min。走在線除氣設(shè)備，雙級(jí)30+50目陶瓷片過濾，過濾箱出口溫度不低于710～730℃。為了獲得良好的鑄態(tài)組織，降低鑄造產(chǎn)生裂紋的傾向性，使用Ti絲播種機(jī)，播種Al-Ti絲對(duì)含Er鋁合金熔體進(jìn)行細(xì)化，播種速度250mm/min ～350mm/min。主要的鑄造工藝參數(shù)見表2。

表2 含Er鋁合金420mm×1620mm規(guī)格主要鑄造參數(shù)

2.2 分析與檢驗(yàn)

將該含Er的Al-Mg-Mn系合金420mm×1620mm鑄錠鋸切頭尾后選擇一端切取一片厚20mm的試片，沿厚度方向?qū)⒃嚻驍?，取一半進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)檢測(cè)（1～3分別為鑄錠厚度方向，由邊部到中心）。

鑄錠各項(xiàng)檢測(cè)用試樣的位置見圖1。

圖1 含Er鋁合金試片取樣位置圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 化學(xué)成分

按照?qǐng)D1所示，由邊部向中心(1～3)取樣，分析化學(xué)成分偏析程度，其主要合金元素Mg、Mn、Er化學(xué)成分變化趨勢(shì)如圖2、圖3和圖4所示，其余雜質(zhì)元素均符合含Er鋁合金標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分要求，由于控制含量低，基本不會(huì)產(chǎn)生偏析，也不會(huì)對(duì)合金組織與性能產(chǎn)生明顯影響。

圖2 含Er鋁合金Mg的偏析情況

圖3 含Er鋁合金Mn的偏析情況

圖4 含Er鋁合金Er的偏析情況

從圖2、圖3、圖4可以看出，Mg元素平均值為6.02%，最大差值為0.05%，偏析程度較?。籑n元素平均值為0.91%，最大差值為0.04%，中心部最大，符合Mn元素化學(xué)成分偏析情況；Er元素平均值0.19%，最大差值為0.02%。

該含Er元素Al-Mg-Mn系合金成分均勻，有利于鑄錠力學(xué)性能與加工產(chǎn)品力學(xué)性能的均勻性，也有利于軋制過程的控制。

3.2 低倍組織

通過對(duì)試片進(jìn)行低倍組織分析發(fā)現(xiàn)，鑄錠表層受到冷卻水降溫，過冷度最大，形成晶粒細(xì)小的細(xì)晶區(qū)，鑄錠中心為等軸晶區(qū)，柱狀晶區(qū)存在羽毛晶缺陷，如圖5所示。

圖5 含Er鋁合金低倍組織

3.3 顯微組織

按照?qǐng)D1所示，由邊部向中心(4～6)取樣，其高倍組織結(jié)果如圖6所示。

圖6 含Er鋁合金不同位置的顯微組織

從圖6可以看出：從鑄錠邊部到中心晶粒越來越細(xì)大，符合結(jié)晶規(guī)律。

3.4 力學(xué)性能

分別對(duì)含Er元素制得的Al-Mg-Mn系合金和不含Er元素制得的Al-Mg-Mn系合金大規(guī)格扁鑄錠沿厚度方向由邊部至中心檢測(cè)鑄錠力學(xué)性能，結(jié)果如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 兩種合金屈服強(qiáng)度對(duì)比

圖8 兩種合金抗拉強(qiáng)度對(duì)比

圖9 兩種合金伸長(zhǎng)率對(duì)比

綜合分析可以看出，鑄錠從邊部到中心，不論是抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度還是相對(duì)伸長(zhǎng)率，均為下降的變化趨勢(shì)，這與高倍檢查的結(jié)果一致，說明由于中心比邊部的水冷效果弱，在結(jié)晶的時(shí)候形成的晶粒尺寸較大，力學(xué)性能較差。從圖7、圖8、圖9比較可以看出，含Er鋁合金的性能差別較小，各部位組織比較均勻，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率明顯高于不含Er元素的Al-Mg-Mn系合金的性能。

4 分析和討論

4.1 Er在Al-Mg合金中的強(qiáng)化作用

微量的稀土元素Er加入Al-Mg合金中，能夠增加合金熱穩(wěn)定性，使其再結(jié)晶溫度提高50℃左右。在Al-Mg合金中一般主要以Al3Er的形式存在，同時(shí)還可能存在極其少量的Al、Mg和Er之間的金屬化合物，除此之外，Er并不與Mg元素之間形成金屬間化合物。這就大大提高了微量Er在鋁鎂合金中的作用效果。根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)，Al3Er相的結(jié)構(gòu)屬于L12型(AuCu3型)結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣常數(shù)為0.4215nm，與基體Al的結(jié)構(gòu)與點(diǎn)陣常數(shù)(面心立方結(jié)構(gòu)，a=0.4049nm)較為接近，易于與基體保持共格或半共格的取向關(guān)系。由此推斷，細(xì)小顆粒的Al3Er相是可以提高鋁鎂合金的強(qiáng)度、高溫力學(xué)性能等綜合性能。

4.2 Er在Al-Mg合金中的細(xì)化作用

Er加入Al-Mg系合金中可有效細(xì)化合金的鑄態(tài)晶粒，晶粒細(xì)化的可能原因是一方面初生的Al3Er粒子在凝固時(shí)作為非均質(zhì)形核核心來提高形核率，因而使晶粒細(xì)化；另一方面Er在晶界偏聚形成初生Al3Er相，也能夠阻礙晶粒長(zhǎng)大。在隨后的熱處理過程中，固溶在合金基體中的Er析出Al3Er或者Al3(ZrxEr1-x)粒子，這種粒子與基體共格或半共格，具有熔點(diǎn)高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，而且能夠產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)。由于細(xì)化晶粒所產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)、析出相產(chǎn)生彌散強(qiáng)化效應(yīng)以及在形變及熱處理過程中形成的亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化效應(yīng)使得合金強(qiáng)度和硬度提高。同時(shí)，彌散分布的細(xì)小Al3Er質(zhì)點(diǎn)對(duì)位錯(cuò)和亞晶界具有釘扎作用，能有效抑制再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，因此，添加Er還能夠顯著提高再結(jié)晶溫度。

4.3 該含Er元素Al-Mg合金的羽毛晶缺陷

在鑄錠宏觀組織中存在類似羽毛狀的金屬組織稱為羽毛狀晶。羽毛晶多呈扇形的羽毛狀分布。鑄錠上的羽毛晶組織是由許多羽毛晶群組成的，同一晶群內(nèi)的所有羽毛晶大體上是相互平行的，多數(shù)羽毛晶群的方向與鑄錠的表面是有一定傾角的。羽毛晶的樹枝晶晶軸平直，枝晶近似平行，一邊呈直線，另一邊多為鋸齒狀。在偏振光下觀察，直線為孿晶晶軸。由于各羽毛晶彼此平行，枝晶排列得很整齊。鑄錠加工變形后，仍保持羽毛晶形態(tài)，只是由亞晶粒組成。

羽毛晶組織具有遺傳性，一旦鑄造過程中形成，不能在后續(xù)的均質(zhì)、擠壓過程中消除，最終保留在擠壓制品中。又因其在常溫下拉伸性能有較強(qiáng)的各向異性，故羽毛晶組織的存在對(duì)成品的力學(xué)性能和表面質(zhì)量都將產(chǎn)生不利影響。在鑄造過程中，應(yīng)當(dāng)盡量避免羽毛晶的產(chǎn)生。

4.4 防止羽毛晶的措施

抑制羽毛晶的產(chǎn)生，可采用以下幾種方法。

（1）控制爐料組成，適當(dāng)降低原鋁錠比例。生產(chǎn)實(shí)踐表明，合金中使用的廢料少，熔體中的非自發(fā)形核質(zhì)點(diǎn)少，生成羽毛晶的傾向就會(huì)增大。而當(dāng)爐料中有一定比例廢料時(shí)，這種傾向就會(huì)減少。

（2）避免液體金屬停留時(shí)間過長(zhǎng)。如果熔體金屬在爐內(nèi)停留的時(shí)間過長(zhǎng)，變質(zhì)失效，結(jié)晶組織粗化，引起鑄錠晶粒粗大，增大了羽毛晶生成傾向。因此盡量減少不必要的液體停留時(shí)間。

（3）點(diǎn)入Al-Ti絲對(duì)熔體進(jìn)行細(xì)化處理。開始結(jié)晶時(shí)，若結(jié)晶核心多、晶粒細(xì)小，就會(huì)對(duì)羽毛晶的生長(zhǎng)形成阻礙。為保證細(xì)化效果，細(xì)化劑在鑄造前在線播入。

5 結(jié)論

（1）熔體溫度780℃以上加Al-Er中間合金，加入Al-Er中間合金后每20min攪拌一次，共攪拌3次，攪拌期間保持熔體溫度在780℃。所制備的鑄錠Er元素成分均勻，吸收率較好。

（2）在Al-Mg系合金中添加微量元素Er，在熔體中主要是以Al3Er的形式存在，Al3Er相與基體之間存在共格或半共格的取向關(guān)系，所以添加微量的Er所形成彌散分布的Al3Er相能夠提高Al-Mg合金的力學(xué)性能。

（3）生產(chǎn)含Er鋁合金時(shí)將對(duì)一級(jí)廢料用量、熔煉溫度及停留時(shí)間進(jìn)行控制，避免造成羽毛晶缺陷。

（4）該含Er元素Al-Mg合金420mm×1620mm規(guī)格鑄造工藝參數(shù)為：鑄造速度30～50mm/min，鑄造溫度715～740℃，冷卻水壓0.03～0.1MPa。

（5）通過在Al-Mg合金中加入0.1%～0.3%的Er元素能夠明顯提高合金的力學(xué)性能。

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Research on Casting Process for Large-sized Flat Ingot of Al-Mg-Mn System with Er

LI Hai-xian，XU Jian-qiu，LI Xin-bin，SONG Liang-liang，KANG Guang-fan，LI Ai-hua
（Northeast Light Alloy Co.，Ltd.，Harbin 150060，China）

Large-sized flat ingot casting process of Al-Mg-Mn alloy containing Er was researched in the paper. Comprehensive analysis of production on site for Al-Mg-Mn alloy ingot containing Er with specifications of 420mm×1620mm was implemented. The process parameters of the flat ingot casting related to aluminum alloy containing Er element was determined finally. Through comparing with Al-Mg-Mn series alloy without Er element, some improvement measures were put forward for the existing problems.

Er element；feather crystals；strengthening effect

TG292

B

1005-4898（2017）01-0021-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.01.04

李海仙（1978-），女，山西平遙人，高級(jí)工程師。

2016-10-25