蘇怡卉，李濤，鮑鑫宇，程橋，孫中豪，麻永林

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

6005鋁合金作為中等強(qiáng)度的Al-Mg-Si系合金，由于其優(yōu)良的成型性、耐腐蝕性、易加工性[1]，被廣泛應(yīng)用在輕承力低載荷構(gòu)件中，如油箱、汽油及潤滑油導(dǎo)管等.半連續(xù)鑄造(Direct-chill Casting，簡稱DC鑄造)，由于其結(jié)晶速度高且減少了內(nèi)部疏松、縮孔等缺陷，而被廣泛應(yīng)用在6005鋁合金鑄造中.但是采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的6005鋁合金鑄錠晶粒組織粗大，組織不均勻，力學(xué)性能較差[2].細(xì)化鑄錠凝固組織可以顯著改善鑄錠力學(xué)性能.目前，常在6005鋁合金鑄造過程中添加Al-5Ti-B晶粒細(xì)化劑來細(xì)化鑄錠凝固組織.然而在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)Al-5Ti-B細(xì)化劑具有時(shí)效性，并且容易產(chǎn)生偏聚，形成夾雜，影響鑄錠力學(xué)性能[3，4].隨著電磁冶金技術(shù)的發(fā)展，由于電磁場(chǎng)具有良好的晶粒細(xì)化效果且不與金屬熔體接觸的特點(diǎn)，逐漸成為一種取代晶粒細(xì)化劑細(xì)化鑄錠凝固組織的全新方法.

馮艷飛等[5]研究表面脈沖磁場(chǎng)對(duì)7A04鋁合金的影響，發(fā)現(xiàn)表面脈沖磁場(chǎng)可以細(xì)化7A04鋁合金鑄錠組織，增加凝固潛熱，提高凝固過冷度.白慶偉等[6]研究了鋁合金表面脈沖電磁場(chǎng)對(duì)半連續(xù)鑄造晶粒的細(xì)化，探討了脈沖磁能作用下的晶體形核模式，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過磁場(chǎng)處理后，凝固組織由粗大的玫瑰結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閳A整的球狀結(jié)構(gòu)，而且強(qiáng)度塑性均有所提高.班春燕等[7]研究了交變磁場(chǎng)對(duì)AZ80鎂合金凝固組織的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過交變磁場(chǎng)處理后，晶粒明顯細(xì)化，晶界變窄，同時(shí)合金的硬度有一定的提高.但是目前在6005鋁合金凝固過程中施加脈沖磁場(chǎng)進(jìn)行晶粒細(xì)化的研究很少.在6005鋁合金DC鑄造過程中施加脈沖磁場(chǎng)對(duì)流槽內(nèi)的金屬熔體進(jìn)行處理，研究6005鋁合金鑄錠凝固組織和維氏硬度的變化.

1 實(shí)驗(yàn)材料及過程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為某廠生產(chǎn)的6005鋁合金，其成分見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)所使用的設(shè)備為脈沖磁場(chǎng)晶粒細(xì)化設(shè)備，由感應(yīng)線圈、硅鋼鐵芯及專用電源等組成.線圈施加位置如圖1所示，圖1中1，2，3，4為脈沖磁場(chǎng)晶粒細(xì)化裝置，置于流槽上方.

6005鋁合金澆鑄溫度為710 ℃，鑄錠尺寸為φ307 mm×6 400 mm，鑄造速度為68 mm/min.鑄造結(jié)束后，切頭200 mm，去尾200 mm，出廠規(guī)格為920 mm/段.

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)首先在線添加晶粒細(xì)化劑90 kg，開始進(jìn)行工藝1澆鑄；之后在添加晶粒細(xì)化劑的鋁液上方同時(shí)施加脈沖磁場(chǎng)，進(jìn)行工藝2澆鑄；最后，在不添加晶粒細(xì)化劑的鋁液上方只施加脈沖磁場(chǎng)，進(jìn)行工藝3澆鑄.施加脈沖磁場(chǎng)時(shí)，設(shè)置磁場(chǎng)發(fā)生器與熔體表面距離為5 mm.具體工藝參數(shù)見表2.

圖1 線圈安裝位置圖

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

澆鑄完成后，對(duì)鑄錠切片取樣，切片的位置盡量在每個(gè)工藝參數(shù)段的中間，切片厚度為15 mm.在切片中心、1/2R及邊部取樣，取樣位置如圖2所示，試樣尺寸為10 mm×10 mm×15 mm.

試樣打磨后，采用10 mL HClO4+90 ml無水乙醇進(jìn)行電解拋光后，用Keller腐蝕液(95 mL H2O，2.5 mL HNO3，1.5 mL HCl，1.0 mL HF)進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間10～20 s，腐蝕完畢，用YYJ-200金相顯微鏡觀察金相組織，并且利用Image Pro Plus軟件采用截線法統(tǒng)計(jì)晶粒平均尺寸.利用HV-10硬度計(jì)測(cè)量硬度，施加載荷490 Pa，保荷時(shí)間20 s，每個(gè)試樣隨機(jī)取10點(diǎn)測(cè)試，取10次硬度測(cè)量值的平均值作為最終硬度值.

圖2 取樣位置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下6005鋁合金的微觀組織

圖3為不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下6005合金的心部、1/2R和邊部位置顯微組織形貌，使用工藝1鑄造的鑄錠心部呈現(xiàn)粗大且形狀不規(guī)則的晶粒組織.使用工藝2和工藝3鑄錠心部晶粒明顯變細(xì)，同時(shí)出現(xiàn)了部分細(xì)小、圓潤的等軸晶，1/2R和邊部也具有相同規(guī)律.使用截線法統(tǒng)計(jì)晶粒平均尺寸，見圖4，使用工藝1時(shí)，鑄錠心部、1/2R和邊部晶粒平均尺寸分別為251.22，224.82和188.37 μm.使用工藝3時(shí)，鑄錠心部、1/2R和邊部晶粒平均尺寸分別為226.29，220.71和151.35 μm.使用工藝2，鑄錠心部，1/2R，邊部的晶粒尺寸分別為217.0，210.13，187.76 μm.在中心處，工藝3處理的晶粒尺寸要比工藝1處理的晶粒尺寸減小9.92%；在1/2R處，兩者的晶粒尺寸相近；在邊部，工藝3處理的晶粒尺寸要比工藝1處理的晶粒尺寸減小19.6%.使用工藝2，鑄錠中心處的晶粒尺寸比使用工藝1減小13.6%；在1/2處，減小6.5%.結(jié)果表明：使用工藝2時(shí)，晶粒組織細(xì)化效果最優(yōu).相較于工藝1，工藝3可以得到更加細(xì)小的晶粒組織.即同時(shí)使用脈沖磁場(chǎng)和細(xì)化劑時(shí)，晶粒組織細(xì)化效果最優(yōu).相較于僅使用細(xì)化劑，僅使用脈沖磁場(chǎng)可以得到更加細(xì)小的晶粒組織.綜上所述脈沖磁場(chǎng)可以細(xì)化晶粒組織且不會(huì)對(duì)金屬熔體產(chǎn)生污染.

圖3 不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)合金不同位置微觀組織照片(a1)工藝1鑄錠心部晶粒組織；(a2)工藝1鑄錠1/2邊部晶粒組織；(a3)工藝1鑄錠邊部晶粒組織；(b1)工藝2鑄錠心部晶粒組織；(b2)工藝2鑄錠1/2邊部晶粒組織；(b3)工藝2鑄錠邊部晶粒組織；(c1)工藝3鑄錠心部晶粒組織；(c2)工藝3鑄錠1/2邊部晶粒組織；(c3)工藝3鑄錠邊部晶粒組織

本實(shí)驗(yàn)將電磁線圈放置在流槽上方，金屬熔體流經(jīng)流槽時(shí)施加脈沖電磁場(chǎng)進(jìn)行處理，即在液相線附近對(duì)金屬熔體進(jìn)行電磁處理，脈沖磁場(chǎng)不與金屬熔體直接接觸，保證金屬熔體的清潔.根據(jù)電磁理論[8-10]，當(dāng)線圈中通入脈沖電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的脈沖磁場(chǎng)，當(dāng)脈沖磁場(chǎng)作用于金屬熔體時(shí)，會(huì)對(duì)熔體產(chǎn)生壓強(qiáng)P，可以表示為：

p=B2/2μ0.

式中：p為磁壓強(qiáng)，MPa；B為電磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；μ0為真空磁導(dǎo)率，H/m.

由于脈沖磁場(chǎng)的高頻特點(diǎn)，金屬熔體受到的磁壓強(qiáng)呈現(xiàn)周期性的變化，導(dǎo)致熔體表面振蕩，使金屬熔體的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)更加均勻，增大了金屬熔體的過冷度，從而導(dǎo)致熔體結(jié)晶時(shí)形核率增加[11].同時(shí)脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生的能量注入到金屬熔體中，加劇結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏，從而影響晶體形核的自由能，降低了原子團(tuán)簇從液相到固相需要克服的勢(shì)壘[12]，促使形核率提高，從而實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化.

圖4 不同位置晶粒平均尺寸

2.2 不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下6005鋁合金的硬度值

圖5為不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下6005合金的硬度值，使用工藝1，鑄錠中心，1/2R，邊部的硬度分別為48.7，49.93，52.51 HV；使用工藝2，鑄錠中心，1/2R，邊部的硬度分別為50.07，54.11，55.1 HV；使用工藝3，鑄錠中心，1/2R，邊部的硬度分別為50.05，53.64，59.18 HV.

通過圖4，5可以得出，晶粒尺寸較小的6005鋁合金金相組織其硬度值較大.這是由于晶粒長大的驅(qū)動(dòng)力總會(huì)降低其總界面能.合金的晶粒尺寸降低會(huì)導(dǎo)致晶界面積增大，使阻礙位錯(cuò)效果增加，抵抗局部變形的能力增強(qiáng)，宏觀上可表現(xiàn)為其硬度增大[13].從圖5中可以看出對(duì)于試樣邊部，使用工藝3時(shí)試樣的硬度值要明顯高于其他參數(shù)工藝下的硬度，對(duì)于試樣1/2R處使用工藝2時(shí)硬度值要略高于工藝1，對(duì)于試樣心部使用工藝2和工藝3硬度值基本相同.

綜合來看，較工藝1，使用工藝3，鑄錠晶粒尺寸明顯減小且鑄錠性能明顯提升.表明采用脈沖磁場(chǎng)部分或完全替代晶粒細(xì)化劑是可行的.

圖5 試樣不同位置的硬度值

3 結(jié)論

(1)在6005鋁合金DC鑄造中，脈沖磁場(chǎng)的晶粒細(xì)化效果要優(yōu)于細(xì)化劑.同時(shí)使用脈沖磁場(chǎng)和細(xì)化劑時(shí)晶粒細(xì)化效果最佳，磁場(chǎng)可以提高細(xì)化劑的細(xì)化效果.

(2)脈沖磁場(chǎng)會(huì)提高6005鋁合金鑄錠的硬度.使用脈沖磁場(chǎng)處理時(shí)，鑄錠中心、1/2R和邊部硬度值較只使用晶粒細(xì)化劑分別提升了2.77%，7.43%，12.70%.使用脈沖磁場(chǎng)部分或完全替代晶粒細(xì)化劑是可行的.