宋玉萍

(新疆眾和股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

Al-Mg-Si-Cu鋁合金由于其具有低密度、高比強(qiáng)度、良好的成型性、焊接性和低應(yīng)力腐蝕敏感性、可循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)，在建筑、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用，受到了工業(yè)界越來(lái)越廣泛的重視。在該系合金中，Mg與Si主要形成Mg2Si強(qiáng)化相，其強(qiáng)化能力與在固態(tài)鋁中的溶解度有關(guān)，而Mg2Si的溶解度不僅與溫度有關(guān)，而且還與Mg含量有關(guān)。當(dāng)Mg、Si元素的質(zhì)量比大于1.73時(shí)，除形成Mg2Si外，還存在過(guò)剩Mg。實(shí)驗(yàn)證明，過(guò)剩Mg的存在能顯著降低Mg2Si在固態(tài)鋁中的溶解度，造成強(qiáng)化相從鋁基體中粗大析出，嚴(yán)重減弱了Mg2Si對(duì)鋁合金材料強(qiáng)化的作用；另一方面，析出的Mg2Si很易進(jìn)一步長(zhǎng)大粗化。Si在鋁中的溶解度很小。鋁基體中固溶少量的Si不僅降低合金的抗腐蝕性能，而且粗化合金晶粒，但是Si含量超過(guò)0.30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，隨含量的增加反而使晶粒逐漸細(xì)化，抗腐蝕性能也有所改善。

目前，對(duì)于常規(guī)Al-Mg-Si-Cu鋁合金已進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)于高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金的研究報(bào)道甚少，高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金由于純度高，其合金成分的設(shè)計(jì)和優(yōu)化則極為重要，不僅要考慮主元素Si、Mg、Cu的添加比例，還要考慮微量元素Cr、Ti、Fe的含量對(duì)組織和性能的影響；該系合金由于Cu的加入，拓寬了固液區(qū)溫度區(qū)間，導(dǎo)致鑄造過(guò)程中或開(kāi)始凝固后脆性加大，裂紋傾向增大，同時(shí)，由于合金純度高，合金液體中可促進(jìn)結(jié)晶形核的物質(zhì)少，鑄造出的半連續(xù)鑄錠出現(xiàn)晶粒粗大、羽毛晶現(xiàn)象的幾率增大。為此，我們根據(jù)高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金的熔鑄特點(diǎn)，結(jié)合已有的技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)該合金熔鑄技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)攻關(guān)，掌握了高純Al-Mg-Si-Cu合金的熔鑄特點(diǎn)，確定了合理的鑄錠制備工藝，并鑄造出合格的優(yōu)質(zhì)鑄錠。

1 試驗(yàn)過(guò)程

在查閱有關(guān)文獻(xiàn)和前期工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金的名義成分，見(jiàn)表1。

表1 高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金的名義化學(xué)成分

高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金配料采用高純鋁錠、電解銅、純鎂錠、高純Al-Si、高純Al-Cr中間合金等,并用Al-Ti做晶粒細(xì)化劑。試驗(yàn)用的熔煉爐為電阻反射爐,液壓式半連續(xù)鑄造機(jī)。強(qiáng)化精煉與除氣、過(guò)濾等有效的在線凈化的匹配，為鑄造提供成分優(yōu)化的高純度和高純潔度的熔體，確定鑄錠制備組織顯著細(xì)化、合金元素宏觀分布均勻、合金元素晶內(nèi)高度固溶、無(wú)裂紋、表面光潔錠坯的最優(yōu)工藝條件。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 合金成分設(shè)計(jì)

2.1.1 Mg和Si元素的影響

Mg和Si是Al-Mg-Si-Cu鋁合金中最主要的添加元素，Mg和Si原子在升溫過(guò)程中析出并形成一系列的亞穩(wěn)析出相，隨著溫度的升高最終形成平衡相Mg2Si，該平衡相原子重量比為Mg：Si=1.73。當(dāng)Mg/Si質(zhì)量比大于1.73時(shí)，人工時(shí)效硬化速率較慢，且人工時(shí)效峰值硬度較低。隨著Si原子含量的增加，人工時(shí)效硬化速率也隨之提高，峰值硬度也不斷提高。但當(dāng)Mg/Si質(zhì)量比低于1.0時(shí)，Si含量的提高對(duì)人工時(shí)效析出規(guī)律影響不大。雖然Si元素含量的升高有利于Al-Mg-Si-Cu鋁合金時(shí)效析出硬化行為，但隨之而來(lái)的耐蝕性也會(huì)下降，Mg元素可以提高Al-Mg-Si-Cu鋁合金的耐蝕性，可Mg元素含量的提高又會(huì)降低人工時(shí)效過(guò)程中強(qiáng)化相的析出效率。因此，為了獲得具有良好綜合性能的Al-Mg-Si-Cu鋁合金，Mg/Si質(zhì)量比最好控制在1.0～1.73之間。

2.1.2 Cu元素的影響

Cu作為Al-Mg-Si-Cu鋁合金中重要的添加元素，能顯著的影響合金的人工時(shí)效硬化規(guī)律以及強(qiáng)化相的析出行為。Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響Al-Mg-Si-Cu合金晶間腐蝕敏感性的主要因素，隨銅含量的增加耐蝕性有所降低。合理控制Mg、Si及Cu元素的含量，能夠很好地控制合金的晶間腐蝕。

2.1.3 微量元素Cr、Ti、Fe對(duì)高純Al-Mg-Si-Cu組織和性能的影響

實(shí)驗(yàn)中研究了不同微量元素Cr、Ti、Fe的含量對(duì)高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金組織和性能的影響，其具體成分見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金的化學(xué)成分

（1）微量元素Cr、Ti、Fe對(duì)高純Al-Mg-Si-Cu鑄態(tài)組織的影響。圖1-圖3是添加不同微量元素Cr、Ti、Fe的鑄錠低倍組織照片，從圖片中可以看出:添加微量Cr、Ti、Fe元素，對(duì)高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金半連續(xù)鑄錠晶粒有細(xì)化作用；在高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金中同時(shí)添加0.23%Cr和0.05%Ti或同時(shí)添加0.23%Cr、0.05%Ti和0.5%Fe時(shí)，可顯著細(xì)化高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金半連續(xù)鑄錠的晶粒。

圖1 未加Cr、Ti、Fe的低倍組織

圖2 添加了0.23%Cr和0.05%Ti低倍組織

圖3 添加0.23%Cr、0.05%Ti和0.5%Fe的低倍組織

圖4-圖6是添加不同微量元素Cr、Ti、Fe的鑄錠顯微組織照片，從圖片中可以看出：在高純4N6鋁中同時(shí)添加0.25%Cr、0.05%Ti和0.5%Fe后（B5合金），其高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金半連續(xù)鑄錠鑄態(tài)組織中非平衡凝固產(chǎn)物顯著增加。

圖4 未添加Cr、Ti、Fe的鑄態(tài)組織

圖5 添加了0.23%Cr和0.05%Ti的鑄態(tài)組織

圖6 添加0.23%Cr、0.05%Ti和0.5%Fe的鑄態(tài)組織

（2）微量元素Cr、Ti、Fe對(duì)高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金均勻化組織的影響。三種高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金（未添加Cr、Ti、Fe ；添加了0.23%Cr和0.05%Ti；添加0.23%Cr、0.05%Ti和0.5%Fe）經(jīng)530℃/34h均勻化后的組織見(jiàn)圖7。從圖中可見(jiàn)，均勻化處理以后，晶界上的結(jié)晶相明顯減少，由于晶界上Mg2Si的回溶，晶界逐漸變得不明顯。

圖7 530℃34h均勻化后的組織

（3）微量元素Cr、Ti、Fe對(duì)高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金變形組織和性能的影響。將三種高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金鑄錠軋制成12mm厚熱軋板，然后進(jìn)行固溶時(shí)效處理，其結(jié)果表明：固溶處理溫度高強(qiáng)化元素能充分溶入合金基體使合金具有高的時(shí)效強(qiáng)化能力，但固溶處理溫度過(guò)高會(huì)使高純合金晶粒長(zhǎng)大，對(duì)材料力學(xué)性能不利。

圖8為高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金12mm厚板材隨時(shí)效時(shí)間變化的性能曲線，從中可以看出，隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，板材的強(qiáng)度和電導(dǎo)率提高，延伸率下降，添加0.25%Cr、0.05%Ti和0.5%Fe的合金板材電導(dǎo)率明顯降低。

圖8 經(jīng)540℃1h固溶處理水淬后170℃時(shí)效隨時(shí)間變化關(guān)系

綜上所述，高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金成分按照Mg/Si質(zhì)量比控制在1.0～1.73之間，Cu含量控制在中下線，Cr控制在0.23%左右，Ti控制在0.05%左右。

2.2 熔鑄工藝優(yōu)化

2.2.1 熔體凈化

（1）整體爐體內(nèi)腔材料的選擇。高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金鑄錠由于純度極高，因此對(duì)爐體內(nèi)腔材料的要求也高。小批量試驗(yàn)時(shí)，在坩堝內(nèi)進(jìn)行高純氧化鋁涂層，但在中試與批量化生產(chǎn)過(guò)程中，高純石墨坩堝在熔煉過(guò)程中燒損嚴(yán)重，無(wú)法滿(mǎn)足連續(xù)的工業(yè)化生產(chǎn)。因此對(duì)與鋁液接觸的熔鑄設(shè)備裝置、流槽等進(jìn)行研制改造，并對(duì)熔煉含有一定量的Mg和Si元素的高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金是否有影響，做了12次(針對(duì)主雜質(zhì)元素FeSi等元素的污染情況)與高純鋁接觸材料不同溫度、不同時(shí)間段的浸泡實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證，確定工業(yè)化生產(chǎn)中采用93AC澆注料整體澆注并加密封蓋，確保高純鋁合金液體鑄造流淌過(guò)程不受污染，滿(mǎn)足高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金批量化生產(chǎn)的要求。

（2）爐內(nèi)與在線精煉。由于夾雜和夾渣彌散分布在鋁熔體中，因而爐內(nèi)凈化所采取的凈化措施必須遍及爐膛內(nèi)鋁熔體的各個(gè)部位，不留死角，才可能較徹底清除夾渣和夾雜。利用以高純氬氣為載體向熔體中通入精煉劑和爐底透氣磚精煉裝置兩種方式同時(shí)進(jìn)行精煉。爐外凈化裝置的原理是，讓鋁液與惰性氣體在備有加熱器的小型凈化爐內(nèi)充分接觸，使存在于鋁液內(nèi)的氫擴(kuò)散到氫分壓為零的惰性氣泡中，并逸出液面，懸浮于鋁液內(nèi)部的固體夾渣也將吸附在氣泡表面一起被清除。在線采用雙旋轉(zhuǎn)噴頭的除氣裝置對(duì)熔體進(jìn)行在線除氣處理，并采用深床過(guò)濾裝置，深床過(guò)濾裝置中液體金屬流過(guò)氧化鋁球和砂礫，通過(guò)機(jī)械作用捕獲雜質(zhì)，夾雜去除率高、所選用的過(guò)濾床成分滿(mǎn)足最苛刻的質(zhì)量要求，高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金液體，經(jīng)過(guò)在線除氣及深層過(guò)濾，其純凈度、精控成分、冶金質(zhì)量等都能滿(mǎn)足后期的使用要求。

2.2.2 鑄造工藝

由于高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金純度高，合金液體中可促進(jìn)結(jié)晶形核的物質(zhì)少，采用常規(guī)工藝方案半連續(xù)的鑄錠，雖然氣體含量（疏松）和夾渣方面的冶金質(zhì)量較好，鑄造出的半連續(xù)鑄錠出現(xiàn)晶粒粗大、羽毛晶現(xiàn)象。為了解決羽毛晶、晶粒粗大，甚至開(kāi)裂等問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)中對(duì)影響鑄造生產(chǎn)的主要參數(shù)鑄造溫度、鑄造速度、冷卻強(qiáng)度進(jìn)行了不同方案的配置研究與試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)熔煉的原料也進(jìn)行不同比例的配置試驗(yàn)與驗(yàn)證，通過(guò)不同的試驗(yàn)驗(yàn)證形成固化生產(chǎn)工藝。

鋁合金鑄造主要是解決鑄錠的成形問(wèn)題，鑄造溫度過(guò)高使液穴深度增加，溫度梯度增大，晶粒不均，導(dǎo)致鑄造應(yīng)力加大，易產(chǎn)生裂紋，且不利于除氣；鑄造溫度過(guò)低，金屬流動(dòng)性差，易產(chǎn)生冷隔，嚴(yán)重的冷隔可造成鑄錠的拉裂，同時(shí)也易產(chǎn)生疏松、氣孔、夾雜等缺陷，鋁液粘度大，熔體不易通過(guò)泡沫陶瓷過(guò)濾片，對(duì)除渣不利。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)表明：高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金鑄造溫度超過(guò)750℃就容易產(chǎn)生粗晶組織，結(jié)晶器之前流槽內(nèi)鋁液的溫度高于680℃，半連續(xù)鑄造鑄錠結(jié)晶后其晶粒容易粗化。綜上分析，選擇高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金的鑄造溫度低于740℃，在線處理溫度690℃，結(jié)晶器內(nèi)熔體的溫度在670℃～680℃之間。

隨著鑄造速度的提高，鑄錠的平均結(jié)晶速度將增加，晶粒及枝晶網(wǎng)將得到細(xì)化而獲得致密的鑄錠。另外當(dāng)鑄造速度過(guò)快時(shí)，液穴的深度變深，易于形成曲率半徑很小的區(qū)段，極易產(chǎn)生鑄錠中心裂紋；當(dāng)鑄造速度過(guò)慢時(shí)，液穴的壁厚增加，從而導(dǎo)致外層收縮的阻力增加，也易產(chǎn)生鑄錠拉裂。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金的鑄造速度選擇為80mm/min～90mm/min。

高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金鑄錠在半連續(xù)鑄造時(shí)，提高冷卻強(qiáng)度，使晶粒及枝晶網(wǎng)得到細(xì)化，從而提高了機(jī)械性能，隨液穴變淺，過(guò)渡帶縮小，將改善金屬補(bǔ)縮條件，從而減少了鑄錠的疏松及氣孔。根據(jù)試驗(yàn)及理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，設(shè)定冷卻水量為70cm3/h～80cm3/h。

綜合以上分析，確定高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金結(jié)晶器內(nèi)熔體溫度在670℃～680℃之間，冷卻水量70cm3/h～80cm3/h，鑄造速度控制在80mm/min～90mm/min。

3 結(jié)論

（1）高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金成分按照Mg/Si質(zhì)量比控制在1.0～1.73之間，Cu含量控制在中下線，Cr控制在0.23%左右，Ti控制在0.05%左右；

（2）高純Al-Mg-Si-Cu鋁合金結(jié)晶器內(nèi)熔體溫度在670℃～680℃之間，冷卻水量70cm3/h～80cm3/h，鑄造速度控制在80mm/min～90mm/min。