孫海波,孔祥生,殷云霞,姜德俊,洪 宇

(東北輕合金有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150060)

2219 合金為Al-Cu-Mn 系硬鋁合金,具有焊接性能好、斷裂韌性高、優(yōu)良的耐熱性能、裂紋傾向性低及工作溫度范圍廣等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-2]和軌道交通運(yùn)輸領(lǐng)域等。與普通DC 鑄造相比,熱頂鑄造具有鑄錠內(nèi)部質(zhì)量?jī)?yōu)良、鑄錠表面質(zhì)量?jī)?yōu)良、生產(chǎn)操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[3],在生產(chǎn)中被廣泛的推廣使用,但采用熱頂鑄造方式鑄造的鋁合金鑄錠容易出現(xiàn)熱裂紋、羽毛晶等缺陷,羽毛晶的存在,導(dǎo)致鑄錠組織極不均勻,使橫向伸長(zhǎng)率顯著下降,在壓延和自由鍛造時(shí)經(jīng)常沿著這些晶體的弱面開(kāi)裂這種缺陷具有可遺傳性[4]。本文對(duì)2219 合金熱頂鑄造Φ405 mm 規(guī)格圓鑄錠羽毛晶缺陷進(jìn)行了研究,從合金本身特性、熔鑄工藝特點(diǎn)及鑄造方式等方面分析了羽毛晶缺陷產(chǎn)生原因,并找到了解決辦法,為今后生產(chǎn)中遇到羽毛晶問(wèn)題時(shí),消除羽毛晶,獲得細(xì)小等軸晶,提高合金力學(xué)性能提供解決辦法。

1 羽毛晶產(chǎn)生原因

羽毛晶又稱之為層狀晶,亦稱之為雙晶、孿晶、放射狀晶、玄武巖狀晶等,形狀近似直線狀花邊的羽毛晶亦稱為“花邊狀組織”,俗稱花邊,看起來(lái)像羽毛或花邊形狀。羽毛晶是在一定條件下得到的一種鑄造組織,它由許多羽毛晶群組成的。每個(gè)羽毛晶呈細(xì)長(zhǎng)而扁平狀,由取向不同的兩晶粒和一條筆直的雙晶面組成。由于羽毛晶具有強(qiáng)烈的各向異性,并且在壓力加工過(guò)程中不易變形和破碎,所以對(duì)合金組織和機(jī)械性能有一定的影響。羽毛晶是柱狀晶的變種,它是在再結(jié)晶前沿液體中的溫度梯度十分陡峭,過(guò)冷帶極為窄小的情況下生成的。當(dāng)熔體的過(guò)熱溫度很高,鑄錠的冷卻速度極快,熱流從結(jié)晶面向單一方向進(jìn)行擴(kuò)散以及熔體中的有效活性質(zhì)點(diǎn)極少時(shí)很容易產(chǎn)生。由于羽毛晶最大生長(zhǎng)速度沿著軸向進(jìn)行,所以與軸向平行的羽毛晶組織具有最強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力,而其他方向的枝晶很容易被抑制。因而,羽毛晶生長(zhǎng)方向基本與軸向平行[5-6],2219 合金羽毛晶放大200 倍照片,如圖1 所示。

圖1 2219 合金羽毛晶

1.1 2219 合金本身特性

2219 合金化學(xué)成分如表1 所示,由表1 可以看出2219 合金含有Zr 元素,其可強(qiáng)烈抑制熱加工過(guò)程中的再結(jié)晶過(guò)程,提高合金強(qiáng)度,同時(shí)加入Zr 也是為了改善合金的焊接性能。但Zr 元素的加入會(huì)增加鋁合金鑄造過(guò)程中形成羽毛晶缺陷的傾向性,這是由于Zr 會(huì)對(duì)添加到熔體中的Al-5Ti-1B 絲的細(xì)化效果產(chǎn)生一定的不良影響,其會(huì)在起細(xì)化作用的TiB2表面形成ZrB2或Zr 的包覆層,從而降低了TiB2細(xì)化晶粒的效果。另外,Zr 還會(huì)置換TiAl3中的一些Ti 形成三元固溶體,改變其晶格常數(shù)和TiAl3的形核特征,而且隨著Zr 含量增加而使晶粒粗化,這是由于在形成的三元相中Zr 的摩爾分?jǐn)?shù)增加,而降低了TiAl3的細(xì)化能力。因此Zr 的加入量不合適會(huì)影響Al-5Ti-1B 絲的細(xì)化效果。

表1 2219 合金化學(xué)成分

1.2 2219 合金熔鑄工藝特點(diǎn)

1.2.1 配料及熔煉主要工藝

2219 合金配料時(shí)允許使用50%一級(jí)廢料,熔煉溫度為720～800 ℃,熔體在熔化爐內(nèi)的停留時(shí)間不得超過(guò)7 h。

配料時(shí)配入一定的廢料比例,可增加熔體中非自發(fā)形核質(zhì)點(diǎn),有利于防止鑄錠組織粗化,從而有利于抑制羽毛晶的生成。

熔體過(guò)熱和熔體在爐內(nèi)的停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致形成羽毛晶缺陷的傾向增大。

1.2.2 鑄造工藝

2219 合金熱頂鑄造Φ405 mm 規(guī)格鑄錠鑄造時(shí)走在線除氣裝置,30ppi +50ppi 雙級(jí)陶瓷片過(guò)濾裝置,在線播種Al-5Ti-1B 絲,Ti 播種量為熔體總量的0.005%。2219 合金熱頂鑄造Φ405 mm 規(guī)格鑄錠鑄造工藝參數(shù),如表2 所示。

表2 2219 合金鑄造工藝參數(shù)

由表2 可以看出,2219 合金熱頂鑄造的靜置爐溫度和過(guò)濾器出口溫度較高,由此可以看出鑄造溫度較高。鑄造溫度對(duì)羽毛晶的形成影響很大,主要由于鑄造溫度較高時(shí),溫度梯度較大,枝晶在局部定向生長(zhǎng),形成發(fā)達(dá)的羽毛晶。另外,較高的鑄造溫度使熔體的過(guò)熱熱量增大,有效形核質(zhì)點(diǎn)數(shù)目減少且凝固時(shí)間延長(zhǎng),在較大的溫度梯度作用下,易形成發(fā)達(dá)的柱狀晶,局部區(qū)域就有可能形成羽毛晶。

1.3 熱頂鑄造方式對(duì)2219 合金羽毛晶形成的影響

熱頂鑄造結(jié)晶器由一個(gè)隔熱的熱頂部分和一個(gè)未隔熱的冷卻部分組成。熱頂部分的作用使熔體保溫,并使鑄錠上部始終維持一個(gè)液柱,保持一定的鋁液靜壓力,同時(shí)降低熔體在結(jié)晶器中的凝固位置。熱頂部分高度很小,其作用是使鑄錠成型。熱頂鑄造有效結(jié)晶區(qū)窄,由于結(jié)晶前沿?zé)峤粨Q強(qiáng)度加大,溫度梯度大,也增加了羽毛晶形成的傾向性。

2 預(yù)防羽毛晶措施

預(yù)防羽毛晶主要通過(guò)增加熔體中有效形核質(zhì)點(diǎn)和降低結(jié)晶前沿溫度梯度來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)采取以下措施,2219 合金熱頂鑄造Φ405 mm 規(guī)格鑄錠羽毛晶缺陷得到了有效抑制,在后續(xù)生產(chǎn)時(shí)未再出現(xiàn)羽毛晶缺陷。

2.1 配料增加廢料投入比例

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。2219 合金使用一級(jí)廢料比例為50%。

2.2 控制Zr 含量

在保證2219 合金性能的前提下,合理控制Zr元素含量,以減少Zr 對(duì)Al-5Ti-1B 絲細(xì)化效果的影響?？刂?219 合金Zr 元素含量0.11%～0.15%為宜。

2.3 增加Al-5Ti-1B 絲在線播種量

Al-5Ti-1B 作為重要的工藝添加劑,Ti 在Al中生成TiAl3,B 與Ti 一起加入熔體中,生成大量細(xì)小彌散TiB2,TiAl3和TiB2為有效形核質(zhì)點(diǎn),有利于形成細(xì)小的晶粒,通常細(xì)化劑加入越多越好,但細(xì)化劑加入過(guò)多易使熔體中金屬間化合物增多并聚集,影響熔體質(zhì)量,同時(shí)要求B 與Ti 形成TiB2后有過(guò)剩的Ti 存在。TiAl3質(zhì)點(diǎn)加入熔體10 min 時(shí)效果最好,40 min 后細(xì)化效果衰退,因此Al-5Ti-1B 不是加入靜置爐內(nèi),而是選擇在線播種。通過(guò)試驗(yàn)最終確定在線播種Al-5Ti-1B 絲,且Ti 播種量為熔體總重量的0.01%。

2.4 避免熔體過(guò)熱及熔體停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)

如果熔體過(guò)熱及爐內(nèi)停留的時(shí)間過(guò)長(zhǎng),有效形核質(zhì)點(diǎn)發(fā)生溶解,有效形核質(zhì)點(diǎn)減少,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。因此應(yīng)盡量避免熔體過(guò)熱并且減少不必要的熔體停留時(shí)間。

2.5 調(diào)整鑄造工藝參數(shù)

(1)鑄造速度

鑄造速度直接影響鑄錠結(jié)晶速度、液穴深度及過(guò)渡帶寬窄,是決定鑄錠質(zhì)量的重要參數(shù)。熱頂鑄造有效結(jié)晶區(qū)窄,鑄錠結(jié)晶速度提高,進(jìn)而可以提高鑄造速度來(lái)適應(yīng)熱頂鑄造的窄結(jié)晶區(qū)。通過(guò)試驗(yàn)最終確定鑄造速度為35～40 mm/min。

(2)冷卻水流量

冷卻水流量采取生產(chǎn)前看水、試水的方法,觀察水簾的狀態(tài),確定結(jié)晶器沒(méi)有堵水眼的情況,避免因局部冷卻強(qiáng)度弱、局部溫度高而產(chǎn)生羽毛晶。通過(guò)試驗(yàn)適當(dāng)降低冷卻水流量,并最終確定冷卻水流量為15～20 t/h。

(3)鑄造溫度

在所有鑄造工藝參數(shù)中,鑄造溫度對(duì)羽毛晶的出現(xiàn)幾率影響最大,即溫度梯度影響最大,為了降低產(chǎn)生羽毛晶的可能性,鑄造溫度不宜太高。熱頂鑄造轉(zhuǎn)注過(guò)程中熱量損失相比普通模鑄造小些,溫度控制可比該合金該規(guī)格鑄錠普通模鑄造略低一些,但也不可為了避免產(chǎn)生羽毛晶將溫度控制的過(guò)低,同時(shí)要考慮鑄造溫度對(duì)化合物和氧化膜缺陷等方面的影響,通過(guò)試驗(yàn)確定靜置爐溫度為750～760 ℃,過(guò)濾器出口溫度為720～730 ℃。

3 結(jié)論

綜上所述,抑制2219 合金熱頂鑄造Φ405 mm規(guī)格鑄錠羽毛晶缺陷的有效措施為:(1)配料時(shí)使用50%一級(jí)廢料,Zr 元素含量控制為0.11%～0.15%;(2)鑄造時(shí)在線播種Al-5Ti-1B 絲,播種量為熔體總重量的0.01%;(3)避免爐內(nèi)熔體過(guò)熱及熔體停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng);(4)鑄造工藝參數(shù)為:鑄造速度為35～40 mm/min,冷卻水流量為15～20 t/h,靜置爐溫度為750～760 ℃,過(guò)濾器出口溫度為720～730 ℃。