騰志貴，殷云霞，才 智，孫慶福，黃巖超

(東北輕合金有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

隨著航空、航天對鋁合金加工材要求的不斷提高，高強度鋁合金及其應用獲得了飛速的發(fā)展，其高端產(chǎn)品需求量逐年增加。我國鋁合金高端產(chǎn)品不到10%。以Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金為代表的拉伸板材主要依靠進口，該類產(chǎn)品的生產(chǎn)技術在我國尚未突破，其鑄錠的生產(chǎn)成為瓶頸。

高強度鋁合金主要是通過合金主元素含量的準確控制來提高材料的各項性能。以Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金為例，其主合金元素(Zn、Mg、Cu)的含量之和為11.9%(上限)。由于Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金中合金元素含量高、成分復雜等原因[1]，鑄造過程中鑄錠裂紋傾向性大；為了滿足用戶對板材尺寸的要求，扁鑄錠的尺寸要求也越來越大，其裂紋傾向隨著鑄錠規(guī)格的增加而增大。為此，本課題重點從Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金半連續(xù)鑄造的工裝設計和制作著手，減少大規(guī)格扁鑄錠的裂紋，提高成品率。

1 鑄造工具的設計

Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金屬于超高強鋁合金，合金化程度很高，尤其是w(Zn)高達5.7%～6.7%，w(Zn)/w(Mg)可達2.2～3.5，同時含有Zr元素，熔體的流動性差，鑄錠的寬厚比大，鑄造過程易產(chǎn)生裂紋，鑄錠的成型率低。為此，在熔鑄階段進行了大量的工業(yè)化試驗，采取了成分優(yōu)化、熔體凈化、晶粒細化、鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化等措施，但鑄錠成型率提高不大。本課題嘗試從合金鑄造的工裝及鑄造方式上尋求突破口，通過對結晶器尺寸及結構、水冷系統(tǒng)結構、自動控流的分配漏斗等優(yōu)化改進，突破大規(guī)格Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金扁鑄錠鑄造成型的關鍵技術。

1.1 傳統(tǒng)結晶器存在的問題

傳統(tǒng)結晶器采用銅制小面帶豁口(缺口高度為45 mm)的結晶器(結晶器高度200 mm)，結晶器和水冷系統(tǒng)分開，水冷系統(tǒng)采用三排水冷卻，不能實現(xiàn)自動潤滑。在鑄造規(guī)格為440 mm×1 500 mm的鑄錠時，采用這種傳統(tǒng)的結晶器鑄造，無論采取什么參數(shù)，怎樣匹配參數(shù)，都無法將Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金鑄造成型。原因是使用銅制小面帶缺口結晶器，水箱的大、小面出水孔直徑相同，導致小面比大面提前見水，冷卻強度大，即使減小小面冷卻水量，鑄錠小面仍有冷隔缺陷，并由此引起應力集中成為冷裂紋的起源。大面由于見水較晚，當鑄錠收縮脫離結晶器壁還沒見水時，鑄錠周邊被二次加熱，加之Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金結晶范圍寬、鑄錠較厚、結晶器高度過高，鑄錠表面受到拉應力，當拉應力大于鑄錠所能承受的強度時便引起鑄錠大面在脫離結晶器下沿時就存在細小裂紋，隨著鑄錠長度的增加引發(fā)鑄錠開裂[3]。隨著鑄錠厚度的增大，使用三次冷卻水來控制裂紋的效果就會越來越弱。另外結晶器與冷卻水箱對中性差，導致兩側水冷不一致也是鑄錠難以成型的原因之一。

采用隔熱膜鑄造工藝，即在傳統(tǒng)結晶器內(nèi)工作表面貼上一定高度的硅酸鋁內(nèi)襯，硅酸鋁內(nèi)襯工作表面涂刷石墨，增加自潤滑，可以減小有效結晶區(qū)間，控制小面冷隔和大面裂紋；利用隔熱膜鑄造方法雖然可以鑄造出440 mm×1 500 mm規(guī)格的鑄錠，但是糊制隔熱膜極為復雜，易產(chǎn)生拉裂和豎狀拉痕引起鑄錠裂紋；隔熱膜鑄造成型率低，約30%，且工藝不穩(wěn)定。因此，尋求更為穩(wěn)定的結晶器顯得十分必要。

1.2 鑄造成型工具的設計

由于老式銅結晶器鑄造時存在水冷系統(tǒng)水冷不均和水冷系統(tǒng)控制精度不高的問題，導致熔體在結晶時內(nèi)應力分布不均，增大了鑄造裂紋的傾向。根據(jù)Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金的特點，為解決傳統(tǒng)結晶器存在的問題，提高鑄造成型率，自主設計制作了專用的440 mm×1 300 mm規(guī)格的整體水箱式結晶器及與結晶器配套使用的水框，如圖1所示。該結晶器材質(zhì)為鍛鋁，經(jīng)熱處理，保證加工時不易變形；采用連續(xù)給油自動潤滑，保證了潤滑的均勻性；在結晶器不同部位，出水孔直徑不同，減少了冷卻不均產(chǎn)生的鑄造應力；利用低液位水冷一體式結晶器鑄造，降低了鑄錠的一次水冷強度，結晶器壁單獨冷卻形成的凝殼變薄，降低了鑄錠拉裂和形成偏析瘤的傾向性。

圖1 結晶器總裝圖

1.2.1 蓋板的設計

蓋板是蓋在鑄造井口上的蓋子，蓋板下端焊接冷卻水箱。由于蓋板在現(xiàn)場使用過程中需經(jīng)常吊運，難免發(fā)生碰撞，為保證蓋板長期使用，蓋板采用30 mm厚的A3鋼板焊接后經(jīng)去應力加工而成，結構見圖2。

圖2 蓋板結構圖

蓋板兩側各有一個蓋板支架，支架放置在鑄造機翻轉(zhuǎn)臺上，保證蓋板平穩(wěn)。另外在蓋板上加工了4個緊固用的M16螺絲孔，用螺栓連接結晶器。

1.2.2 過渡水框的設計

水冷系統(tǒng)的好壞既影響鑄錠的表面和內(nèi)部質(zhì)量，也關系到鑄造的成敗。過渡水框雖然不直接對鑄錠進行冷卻，但它需要為整體水箱式結晶器提供均勻的冷卻水，其結構如圖3所示。

圖3 過渡水框結構圖

過渡水框具有如下特點：

1)過渡水框箱體內(nèi)部共分二層，分別為結晶器大、小面提供冷卻水，并且每層冷卻水都能進行單獨控制，可以調(diào)整結晶器大、小面冷卻水的比例，保證鑄錠冷卻均勻，從而使鑄錠內(nèi)部應力分布均勻，鑄造出合格的鑄錠。

2)過渡水框中間四個出水管與結晶器大面進水孔相對應，為結晶器大面提供冷卻水；兩側小面的四個出水管與結晶器小面的進水孔相對應，為結晶器小面提供冷卻水；在每個出水管上部都設計了密封槽，保證結晶器與過渡水框連接后不漏水。

1.2.3 結晶器的設計

結晶器作為鑄造鑄錠的重要工具，決定著鑄錠的應力分布和裂紋傾向，并且結晶器的高矮對鑄錠成型也起著關鍵作用。

1) 結晶器內(nèi)腔尺寸及形狀

通過對Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金鑄錠不同部位的收縮系數(shù)測算，測量同合金不同規(guī)格鑄錠的截斷面尺寸，并根據(jù)擬定的鑄造速度，確定出結晶器內(nèi)腔的尺寸；然后再根據(jù)該系合金的本身特性、現(xiàn)場出現(xiàn)過的一些產(chǎn)品缺陷及滿足橫向軋制工藝要求，將結晶器小面設計成為兩個直徑不同的圓對接而成的圓弧形狀[2]，目的是避免鑄錠在軋制過程中產(chǎn)生“張嘴”分層現(xiàn)象，還可以減少幾何廢料。結晶器內(nèi)腔形狀如圖4所示。

圖4 結晶器內(nèi)腔示意圖

2)結晶器高度的確定

結晶器高度對鑄錠質(zhì)量影響也較大。結晶器矮，冷卻速度快，結晶速度提高，晶粒細小，鑄錠性能提高；鑄造速度提高，鑄錠在結晶器內(nèi)停留時間短，相當于減小鑄錠一次水冷，結晶器與鑄錠間氣隙小，鑄錠二次加熱的程度小，所以表面偏析瘤減少，從而獲得的鑄錠表面質(zhì)量好，同時有利于防止淬火性表面裂紋。但如果結晶器過矮，鑄錠直接見水較早，鑄錠周邊的凝固層厚，所以易產(chǎn)生冷隔，也容易在鑄錠中部出現(xiàn)曲率半徑較小的液穴，導致中心裂紋；結晶器過高，鑄錠在結晶器內(nèi)停留時間較長，鑄錠與結晶器壁間隙大，鑄錠被二次加熱的程度加劇，因此在脫離結晶器直接見水時易產(chǎn)生表面淬火性裂紋，同時鑄錠偏析瘤增大。所以綜合考慮，此結晶器高度確定為140 mm。

3) 結晶器進水孔、出水孔尺寸。

水孔的設計分為三個方面，即水孔的尺寸、角度、分布密度[2]。水孔的大小影響單個水孔的水流量，角度影響到二次水冷的位置及上流導熱距離，水孔的分布情況影響到鑄錠表面的冷卻強度及均勻性。優(yōu)秀的水孔設計是在確保鑄錠均勻二次水冷的基礎上，盡可能地降低水資源的使用從而達到節(jié)約用水的目的。

通過模擬認為出水孔直徑為3 mm～4.5 mm較好，水孔間距為7 mm～10 mm。為了使鑄錠水冷均勻，在鑄造過程中降低鑄錠的內(nèi)應力，在設計結晶器過程中對水孔直徑進行了分段處理，每一段水孔直徑大小不一致。

根據(jù)結晶器截面積和出水孔截面積總和，確定該結晶器進水孔徑為4.5 cm，進水孔數(shù)量為8個。

4) 結晶器噴水角度

噴水孔的角度對鑄錠冷卻影響較大。角度過小，鑄錠鑄造過程見水晚，冷卻強度降低；角度過大，冷卻水分散、反彈較多，影響了冷卻水沿鑄錠均勻流下，同樣降低了冷卻效果。試驗表明，噴水孔角度設計成25°～30°較好，該結晶器確定出水角度為26°。

通過對以上參數(shù)和Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金本身特性的全面考慮，最終設計出了440 mm×1 300 mm規(guī)格整體水箱式結晶器，總裝剖面圖如圖5所示。

水箱式結晶器主要包括主箱體、結晶器油路上壓蓋和結晶器下壓蓋(結晶器進水孔在下壓蓋上)。同時為了保證結晶器出水速度及實現(xiàn)大、小面水的單獨控制，在結晶器箱體里還設計了二次水分布板和結晶器大、小面水隔板。

新設計制作的440 mm×1 300 mm規(guī)格整體水箱式結晶器具有如下優(yōu)點[3]：

1) 新式結晶器通過對噴水孔分段設計，每段出水孔直徑3 mm～4.5 mm大小不同，使結晶器內(nèi)熔體溫度梯度小，鑄錠內(nèi)應力分布均勻，降低了鑄錠裂紋傾向性；

2) 結晶器小面為圓弧形狀, 圓弧的設計是用兩個直徑不同的圓對接而成 ，鑄造時收縮阻力減小，可以降低裂紋傾向性；

3) 結晶器大面與小面過渡處，水腔設有隔水板，使大、小面水單獨控制，保證鑄錠冷卻均勻，內(nèi)部應力和溫度場分布均勻；

4) 結晶器內(nèi)腔設有二次水分布板，對進入結晶器內(nèi)的水進行重新分配，可以使結晶器出水孔有充足的水流量，保證出水均勻；

5) 結晶器設計了出油孔，能實現(xiàn)自動連續(xù)均勻潤滑，可以減少拉裂的缺陷，避免產(chǎn)生應力集中，降低裂紋傾向性，鑄錠表面質(zhì)量好。

1.3 整體水箱式工裝工具的應用

1.3.1 Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金的配料及熔煉工藝

Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金Fe、Si含量比較低，在配料時應盡量選用精鋁、電解銅、純鎂錠和純鋅錠。為了增加合金中的活性質(zhì)點，在滿足成分和斷裂韌性的前提下可根據(jù)情況配入一定比例的本合金回爐料。

裝爐后，待部分爐料熔化后裝入純銅和純鋅錠但不得露出液面。熔體溫度在720 ℃～760 ℃時，再加入鎂錠和鋁-鈹中間合金，充分攪拌后取樣。化學成分按表1控制。成分分析合格后導入保溫爐。

表1 Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金成化學分控制(質(zhì)量分數(shù)/%)

由于Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金中Zn、Mg含量較高，合金氧化，因此在熔體表面易生成不致密的、疏松多孔的氧化膜[4]，如不對熔體表面進行保護，氧化反應則向熔體深處進行，氧化后的熔體鑄造時鑄錠表面發(fā)黑，并容易產(chǎn)生夾渣裂紋。同時因合金中含Zr，熔體黏度大，因此更需提高熔體的純凈度。生產(chǎn)中可采取的措施有：向熔體中加Be對熔體進行保護處理。Be的加入，既不影響正常的合金成分和性能，又能在熔體表面形成致密的氧化膜，防止熔體繼續(xù)被氧化。

1.3.2 Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金鑄造工藝

Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr合金導入保溫爐后用氬氣精煉30 min，靜置30 min～60 min后開始鑄造。鑄造時爐外采用Alpur雙轉(zhuǎn)子在線除氣裝置，陶瓷片雙級過濾(30 ppi+50 ppi，ppi為每英寸長度所含的孔數(shù))，在線播種AlTi5B1絲細化劑進行晶粒細化。鑄造時使用改進后的鑄造工裝工具，鑄造速度35 mm/min～50 mm/min，鑄造溫度700 ℃～730 ℃，冷卻水壓為0.03 MPa～0.10 MPa，鑄造開始前需要使用純鋁熔體進行鋪底。

改進后的鑄造工具保證了出水孔的角度、尺寸和間距的精度，有利于水冷均勻，從而使鑄錠中的應力均勻分布，避免了裂紋的產(chǎn)生；增大寬面冷卻水壓，可增加寬面液穴壁的厚度，使抵抗拉應力的金屬增大，防止表面裂紋的產(chǎn)生；另外，小面冷卻水壓小于大面的冷卻水壓，還可以抑制冷隔、成層等缺陷的形成，避免側面裂紋的產(chǎn)生，通過試驗，根據(jù)冷卻水溫情況一般選用0.03 MPa～0.10 MPa的水壓。

鑄造溫度是鑄造過程的重要參數(shù)之一。鑄造溫度越高帶入的熱量越多，鑄錠熱應力增大，鑄錠裂紋傾向變大；鑄造溫度低，容易產(chǎn)生成層、夾渣、冷隔等缺陷，并由此產(chǎn)生裂紋。綜合考慮并結合試驗情況，最后確定鑄造溫度為700 ℃～730 ℃。

鑄造速度過大，容易產(chǎn)生尖形液穴，導致寬面裂紋的發(fā)生；鑄造速度過小導致肩形液穴，產(chǎn)生側面裂紋。通過試驗和結合水箱式工裝工具的特點確定鑄造速度為35 mm/min～50 mm/min。

1.3.3 整體水箱式工裝工具的應用效果

采用改進后的鑄錠成型工具，鑄錠的成型率由30%提高到90%以上，生產(chǎn)出的鑄錠經(jīng)過壓力加工后各項指標都能滿足使用要求。

2 結 論

1)完成了新型440 mm×1 300 mm規(guī)格的Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr高強鋁合金扁鑄錠整體水箱式結晶器的設計與制造。新式結晶器對噴水孔孔徑大小進行分段設計，在結晶器大面與小面過渡處的水腔設有隔水板使得大、小面水單獨控制，結晶器內(nèi)腔設有二次水分布板可對進入結晶器內(nèi)的水進行重新分配，可以使結晶器出水孔有充足的水流量保證出水均勻，從而使得鑄錠冷卻更加均勻，內(nèi)部應力和溫度場分布更均勻，可有效地降低鑄錠裂紋傾向性。

2) 使用改進后的工裝工具在工業(yè)化條件下能夠鑄造出合格的Al- 6.3Zn- 2.3Mg- 2.3Cu- 0.1Zr高強鋁合金扁鑄錠，鑄錠成型率由30%提高到90%以上，而且改善了鑄錠的表面質(zhì)量。