殷云霞

(東北輕合金有限責(zé)任公司,黑龍江哈爾濱 150060)

1 前言

4004 合金是Al-Si 系合金中硅含量較高的鋁合金,具有密度小、熱膨脹系數(shù)低、體積穩(wěn)定性好、熔點(diǎn)低、耐磨性能和高溫性能好等特點(diǎn)[1],作為434 復(fù)合鋁帶箔的包覆層,廣泛應(yīng)用于汽車、空調(diào)機(jī)、制氧機(jī)等散熱器的制造。

由于4004 合金中Si 含量較高,Si 相呈粗大的片狀或針狀,對基體產(chǎn)生嚴(yán)重的割裂作用,降低了鑄錠成型率,通常采用變質(zhì)的方法改善4004 合金的組織和性能,變質(zhì)劑一般使用Na 鹽或Al-Sr 中間合金,本試驗(yàn)針對變質(zhì)劑的加入量、加入時(shí)機(jī)以及變質(zhì)效果進(jìn)行研究,從而得到優(yōu)質(zhì)鑄錠。

2 試驗(yàn)過程

2.1 合金成分

4004 合金化學(xué)成分如下,如表1 所示。

表1 4004 合金化學(xué)成分

4004 合金中各個(gè)元素對合金的性能影響如下:

Si 和Mg 的作用:Si 含量控制在共晶含量范圍內(nèi)時(shí)熔體流動(dòng)性好,鑄造性能好。Si 在合金中與基體形成α+Si 共晶體,提高了合金強(qiáng)度和耐磨性,共晶體的尺寸越細(xì)小、均勻,對強(qiáng)度和耐磨性的貢獻(xiàn)越大;硅和鎂能形成Mg2Si 相,提高合金強(qiáng)度。

2.2 生產(chǎn)工藝

2.2.1 工藝流程

配料→熔化及調(diào)整成分→精煉、靜置、變質(zhì)→鑄造→機(jī)加→取樣→分析。

2.2.2 配料

新鋁用量大于50%,Si 以Al-Si 中間合金的形式加入,Mg 以純金屬的形式加入。

2.2.3 熔煉

熔煉溫度740～800 ℃,在熔煉溫度范圍內(nèi)進(jìn)行爐前取樣分析化學(xué)成分,化學(xué)成分合格后,電爐精煉時(shí)間不少于10 min,然后將熔體導(dǎo)至靜置爐。

2.2.4 鑄造

熔體導(dǎo)到靜置爐后,Ar 氣精煉不少于15 min,靜置時(shí)間不少于15 min,然后進(jìn)行變質(zhì)工藝;

方案一Na 變質(zhì)工藝:Na 變質(zhì)劑的加入量為投料量的0.4%～0.8%,然后在不低于740 ℃的溫度下將Na 變質(zhì)劑加入熔體中,充分?jǐn)嚢杈鶆?變質(zhì)后不扒渣,靜置10 min 后鑄造,鑄造過程走在線凈化除氣裝置,并使用40ppi 陶瓷片進(jìn)行過濾。

方案二Sr 變質(zhì)工藝:Sr 的加入量一般為投料量的0.01%～0.03%,鋁液溫度達(dá)到740 ℃,扒凈熔體表面浮渣后,加入Al-Sr 合金,充分?jǐn)嚢璨浅霰砻娓≡箪o置30 min,靜置后鑄造,鑄造過程走在線凈化除氣裝置,并使用40ppi 陶瓷片進(jìn)行過濾。

兩種變質(zhì)方式的鑄造工藝參數(shù),如表2 所示。

表2 4004 合金主要鑄造工藝參數(shù)

3 檢測項(xiàng)目

兩種工藝生產(chǎn)的4004 鋁合金420 mm×1 450 mm鑄錠底部各鋸切一片厚20～30 mm 的試片,對其化學(xué)成分、低倍組織、高倍組織和力學(xué)性能進(jìn)行分析。

3.1 低倍組織

經(jīng)低倍組織檢查,兩種變質(zhì)方式生產(chǎn)的4004 鑄錠無疏松、縮孔、氣泡、裂紋、低倍夾雜等宏觀缺陷。

3.2 高倍組織

兩種工藝生產(chǎn)的4004 合金試片顯微組織,如表3 所示。

對兩種工藝生產(chǎn)鑄錠切取的試片做高倍組織檢查,發(fā)現(xiàn)Na 變質(zhì)工藝長邊位置初晶硅尺寸0.01 mm;鍶變質(zhì)工藝無初晶硅,但均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

從表3 可以看出:兩種工藝生產(chǎn)的鑄錠共晶硅形態(tài)細(xì)小、彌散,心部共晶硅形態(tài)相對邊部粗大。從鑄錠中心到邊部枝晶間距逐漸變小,枝晶臂逐漸變厚,符合結(jié)晶規(guī)律[2]。

3.3 化學(xué)成分分析

兩種工藝試片成分均勻性分析,具體分析結(jié)果如表4 所示。

通過表4 可以看出,Sr 變質(zhì)生產(chǎn)的4004 合金化學(xué)成分偏差較Na 變質(zhì)的化學(xué)成分偏差小,但兩種變質(zhì)方式生產(chǎn)的4004 合金扁鑄錠主要元素均在國標(biāo)范圍內(nèi)。

3.4 力學(xué)性能

兩種變質(zhì)方式生產(chǎn)的扁鑄錠力學(xué)性能檢測結(jié)果,如圖1、2、3 所示,圖中可以看出,兩種工藝生產(chǎn)的鑄錠,從中心到邊部各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)趨勢相同,總體相差不大。

4 分析與討論

4.1 Na 鹽變質(zhì)劑的特點(diǎn)

圖1 4004 合金規(guī)定非比例伸長應(yīng)力

圖2 4004 合金抗拉強(qiáng)度

圖3 4004 合金斷后伸長率

在熔體中加入Na 鹽變質(zhì)劑后,Na 原子能吸附在共晶硅晶核的表面,抑制共晶硅的生長。變質(zhì)后粗大針片狀的共晶硅被細(xì)化成球粒狀或珊瑚狀,彌散地分布在合金中,使得合金有良好的力學(xué)性能和機(jī)械加工性能,但是Na 鹽變質(zhì)還存在很多不足。

(1)氣孔、疏松、夾渣傾向大:熔體中引入Na 鹽后,改變了二元Al-Si 合金相圖,共晶溫度降低,共晶成分硅含量增加,因此合金結(jié)晶溫度范圍變寬。從而增加了熔體的粘度,不利于熔體中氣泡的上浮,使氣孔、夾渣缺陷增大。還會(huì)降低了熔體的補(bǔ)縮性能,易產(chǎn)生疏松缺陷;

表3 兩種工藝4004 合金不同位置的顯微組織

(2)Na 含量不易控制,鈉鹽變質(zhì)劑在生產(chǎn)中易殘留,容易造成變質(zhì)不足或過變質(zhì)。變質(zhì)不足時(shí)共晶硅不能得到充分的細(xì)化,降低了合金的力學(xué)性能;過變質(zhì)時(shí)晶界易出現(xiàn)粗大塊狀共晶硅,降低了合金的力學(xué)性能;

(3)Na 鹽變質(zhì)劑易發(fā)生衰退,若鑄造時(shí)間過長,后凝固的鑄錠組織中可能存在初晶硅缺陷,給合金性能造成不利影響;

表4 4004 合金各試樣主要元素化學(xué)成分

(4)Na 鹽變質(zhì)后的爐子有Na 殘余,生產(chǎn)其它合金制品時(shí)會(huì)產(chǎn)生不利影響:熔體粘度大,易產(chǎn)生拉裂傾向;轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)高鎂合金時(shí)由于Na 的殘余使合金變脆,易產(chǎn)生裂紋傾向;

(5)鈉變質(zhì)對設(shè)備腐蝕十分嚴(yán)重,變質(zhì)處理時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量有毒氣體,影響操作人員身體健康。

4.2 Al-Sr 中間合金變質(zhì)劑的特點(diǎn)

Al-Sr 中間合金變質(zhì)劑加入熔體后會(huì)分解出Sr原子,Sr 原子吸附在硅晶核的表面抑制其生長,從而達(dá)到細(xì)化共晶組織的作用。相對于Na 鹽變質(zhì)劑而言,Al-Sr 中間合金變質(zhì)劑具有如下特點(diǎn):

(1)氣孔、疏松傾向:熔體中引入變質(zhì)元素Sr 也會(huì)使共晶溫度降低,從而降低熔體的流動(dòng)性,降低氣泡的上浮速度和熔體的補(bǔ)縮能力,易產(chǎn)生氣孔、疏松等缺陷;

(2)Sr 的含量易于控制,不會(huì)出現(xiàn)變質(zhì)不足或過變質(zhì)的現(xiàn)象;

(3)Sr 具有長效性,在覆蓋良好的情況下不易產(chǎn)生衰退,保證長時(shí)間鑄造時(shí)鑄態(tài)組織中不產(chǎn)生初晶硅缺陷;

(4)對后續(xù)合金制品的影響小,而且無毒,不污染環(huán)境;

(5)價(jià)格昂貴。

5 結(jié)論

兩種工藝通過對比試驗(yàn),可以得出以下結(jié)論:

(1)兩種變質(zhì)工藝生產(chǎn)4004 合金扁錠從低倍、高倍、化學(xué)成分及性能上差異不大;

(2)Na 變質(zhì)時(shí)Na 含量不易控制,而且對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重,一定程度降低了生產(chǎn)效率,同時(shí)加大了能耗,提升了生產(chǎn)成本;

(3)Sr 變質(zhì)工藝孕育時(shí)間較長,且Al-Sr 中間合金價(jià)格昂貴,燒損較大,生產(chǎn)成本高。

(4)就合金質(zhì)量而言,建議使用Sr 變質(zhì)。