詹 磊,何生平,郝 海

(1.國家電投集團鋁電投資有限公司,寧夏 銀川 750003;2.大連理工大學,遼寧 大連 116023)

6061鋁合金屬于Al-Mg-Si系變形鋁合金,具有較好的強度、良好的塑性、優(yōu)良的可焊性和耐腐蝕性,以其為材料制造的鍛造鋁合金車輪具有質量輕、強度高、抗腐蝕性好、尺寸精確等優(yōu)點,在高端、特殊場景下車輛上的應用越來越廣泛。某廠在試生產Φ254 mm 鍛造鋁合金車輪坯料用6061鋁合金圓鑄棒的過程中,產品出現(xiàn)了中心裂紋問題。本文分析了其原因,采取了相應的改進措施,并且應用于實際生產中,消除了缺陷,滿足了高端鍛壓輪轂用材的要求。

1 中心裂紋的原因分析

應客戶要求,某廠在沒有充分掌握鍛壓輪轂用6061鋁合金圓鑄棒材料特性的情況下,使用美國WAGSTAFF半連續(xù)氣滑鑄造生產系統(tǒng)按6061鋁合金圓鑄棒的一般生產工藝,進行試驗性生產。合金熔體經過熔煉爐內預精煉、保溫爐內精煉、在線添加鋁鈦硼細化絲、氬氣噴吹在線除氣后進入氣滑鑄造生產系統(tǒng)鑄造。過程中關鍵鑄造參數控制如下:合金熔煉溫度為745±5℃,澆注溫度700±5℃,鑄造速度84 mm/min,冷卻水流量280 m3/h,引錠提速時間2 s。發(fā)現(xiàn)試生產產品連續(xù)出現(xiàn)中心裂紋缺陷。將缺陷鑄棒切片,棒錠切面(圖1)肉眼可觀察到鑄棒中心有約40 mm長的直線形裂紋,該裂紋在厚度方向上貫穿整個鑄棒。

圖1 6061鋁合金鑄棒中心裂紋外觀

針對6061鋁合金圓鑄棒出現(xiàn)的中心裂紋缺陷,通過低倍組織、合金元素構成分析及鑄造過程的模擬仿真,研究了導致裂紋產生的原因及其作用規(guī)律。

1.1 低倍組織分析

將存在缺陷的6061鋁合金圓鑄棒切片經磨樣、拋光加工成低倍組織試樣,使用混合酸溶液進行宏觀腐蝕后,進行低倍顯微組織觀察。發(fā)現(xiàn)鑄棒中心有明顯的粗晶區(qū)(圖2)。

為進一步分析缺陷合金組織情況,選取無缺陷圓鑄棒與裂紋圓鑄棒進行圓鑄棒金相組織差別對比。試樣表面經磨樣、拋光及陽極覆膜后在偏振光金相顯微鏡下進行觀察。如圖3所示,圓鑄棒晶粒尺寸呈明顯的鑄棒組織分布特征,即中心處較粗大,邊緣細小,但存在裂紋的圓鑄棒中心晶粒尺寸更加粗大,且晶粒尺寸變化大。

圖3 中心裂紋鑄棒和無缺陷鑄棒不同位置的金相圖像

對中心裂紋圓鑄棒和無缺陷圓鑄棒按圖4分區(qū)在相同位置顯微組織觀察和分析,對每個區(qū)域的晶粒尺寸進行統(tǒng)計、計算后得到兩個鑄棒的平均晶粒尺寸分布圖(圖5)?？煽吹街行牧鸭y鑄棒中心區(qū)平均晶粒尺寸為126 μm,近邊緣處晶粒尺寸約為87 μm,同樣位置的無缺陷鑄棒平均晶粒尺寸分別為107和86 μm。二者的差異最大處出現(xiàn)在鑄棒中心,中心裂紋鑄棒在此處的平均晶粒尺寸比同位置的無缺陷鑄棒大20 μm。根據液膜理論,粗大晶粒處在鑄棒最后凝固時液膜較薄,更易發(fā)生熱裂,是產生中心裂紋的主要原因。

圖4 晶粒尺寸檢測位置示意圖

圖5 中心裂紋鑄棒和無缺陷鑄棒從中心到邊緣的平均晶粒尺寸分布圖

1.2 合金元素影響分析

為了分析合金元素對圓鑄棒中心裂紋的影響,通過X射線熒光光譜儀對中心裂紋圓鑄棒和無缺陷圓鑄棒主要合金元素進行了檢測。從檢測結果看(表1),中心裂紋圓鑄棒樣品的合金元素中Si、Mg 、Cr、Mn、Cu等元素都比無裂紋圓鑄棒高,處于國標(GB/T 3910-2020) 規(guī)定6061鋁合金化學成份上限水平。無裂紋圓鑄棒Si、Mg、Cr元素含量還沒有達到鍛壓輪轂用6061鋁合金化學元素控制的下限要求(表2),形成的Mg2Si還不能滿足技術需要。

表1 中心裂紋圓鑄棒與無缺陷圓鑄棒試樣主要化學元素分析結果

表2 鍛壓輪轂用6061鋁合金的化學元素要求

Mg2Si是6061 鋁合金主要強化相,合金中強化相含量越高,合金強度越大。但在不平衡冷卻條件下,隨著晶界上的強化相增多,合金的塑性降低,其裂紋傾向性增大[1]。另外,隨Mg2Si含量的增加,結晶溫度范圍變寬,結晶裂紋形成時所受到的應力加大,凝固末期的補縮條件惡化,也會導致裂紋傾向性增加。同時隨Mg2Si含量的增加,還會使合金的導熱性降低,鑄造時的液穴加深,進一步提高裂紋傾向性。中心裂紋圓鑄棒中的Mg、Si含量顯著高于無缺陷圓鑄棒,形成的Mg2Si多,是裂紋產生的原因之一。但鍛造鋁合金車輪坯料用的6061鋁合金由于強度、耐磨性等性能的需要,在合金成份中需要更多Mg2Si作為強化項,Mg、Si含量不能低于產品合金含量要求。

6061鋁合金中的Fe、Si含量比例也是影響鑄棒裂紋的重要因素[2]。6061鋁合金中的Si 在與Mg形成Mg2Si相以后,過剩的Si將與 Fe、Al 形成化合物。在 Fe 的含量高于Si過剩時,主要是形成α相,反之主要為β相。α相為骨骼狀,脆性較小,β相為針狀,脆性較高。因此,Fe的含量高于Si過剩時,對降低6061鋁合金裂紋傾向性是有利的,反之則增加裂紋傾向性。由表1可知,中心裂紋圓鑄棒中的Fe、Si、Mg的含量配比不合適會增加裂紋產生機率。

Cr元素可以細化合金的鑄態(tài)組織,但Cr含量高于0.20%時,合金塑性會出現(xiàn)一定程度的降低[3]。裂紋圓鑄棒Cr含量達到0.23%,也是產生裂紋的原因之一。

1.3 鑄造裂紋的仿真模擬分析

液穴深度是半連續(xù)氣滑鑄造的重要指標參數,與鑄造過程的溫度場分布相關。液穴深度直接反應了鑄棒的凝固速度和凝固時間,其形狀又決定著鑄棒斷面的結晶速度變化的性質,因此可以反饋鑄棒裂紋傾向[4]。同等條件下液穴越深,越容易產生中心裂紋。

對不同鑄造速度下的溫度場和液穴變化進行模擬仿真(圖6)可以看出,鑄棒的液穴深度與鑄造速度大小成正比,速度越慢,液穴越淺,鑄棒同一水平位置上的邊部與心部溫差較小,有助于減小心部拉應力降低裂紋傾向。但是過慢的鑄造速度會導致鑄棒結晶前沿伸進熱頂內,在固、液界面能的作用下,鋁合金熔體無法完全填充實體的拐角部分,易形成冷隔。

圖6 不同鑄造速度下的溫度場和液穴變化

對不同鑄造溫度下的溫度場和液穴變化進行模擬仿真(圖7)可以看出,在一定范圍內,鑄造溫度越高,鑄棒液穴越深、進而增加鑄棒的中心裂紋傾向。但過低的鑄造溫度會使熔體粘度增加,更易產生疏松、夾雜等缺陷。

圖7 不同鑄造溫度下的溫度場和液穴變化

對不同引錠頭提速時間下的溫度場和液穴變化進行模擬仿真(圖8)可以看出,不同引錠頭提速時間下鑄棒的溫度場與液穴的分布也有明顯影響。隨著啟動時間的縮短,引錠頭以更快的加速度帶動鑄棒向下移動,鑄棒液穴的深度加大,將增加鑄棒中心裂紋傾向。但引錠頭啟動時間過長,會引起導管開口內的金屬固化,產生冷錠尾分離。

圖8 不同引錠頭提速時間下的溫度場和液穴變化

1.4 鑄造前熔體質量對鑄造裂紋的影響

鑄造前熔體凈化不徹底,在鑄棒液穴應力區(qū)會形成氣孔、夾渣等易引起應力集中的缺陷,將進而促進圓鑄棒產生裂紋出現(xiàn)。為進一步提升合金熔體純凈度,加強合金熔體處理過程中的熔煉、精煉、除氣及過濾等環(huán)節(jié)的管理,也是控制圓鑄棒產生裂紋的重要方面。另外,再生鋁合金由于來源復雜,即使通過充分熔煉也不易實現(xiàn)徹底凈化[5],只能控制加入量減少缺陷產生。

2 改進措施

2.1 優(yōu)化合金配料操作

如本文1.2分析,Mg、Si、Fe等元素除含量外,相對比例的差異也會對中心裂紋的出現(xiàn)產生影響。為消除這一影響因素,在滿足鍛造鋁合金輪轂坯料用6061鋁合金要求較高Mg2Si含量增加強度的前提下,按合金裂紋傾向最低的成份調整Mg、Si、Fe及其他化學元素含量。主要是Mg偏上限,Si靠下限,其中Fe與過剩Si的質量比值控制在 2.5以上。另外為了控制其他元素對裂紋的影響,將Cr含量控制在0.20%以下,并盡可能控制Mn等元素進入合金中,在配料時控制合金廢料加入量。具體見表3控制合金元素含量。

表3 鍛壓輪轂用6061鋁合金圓棒化學元素控制表

2.2 充分進行合金熔體精煉

為保證熔體有效凈化,避免氣孔、夾渣對中心裂紋出現(xiàn)的不利影響,加強合金熔體處理過程管理。一是控制熔煉爐內的鋁液溫度在750±5℃,以保證鋁液中的夾渣能從熔體中順利帶出,同時避免因溫度過高而出現(xiàn)吸氣,從而保證熔體精煉徹底。另外,為減少因Mg燒損而造成氧化夾雜和熔體吸氫,在添加金屬鎂錠時,用鋁箔將鎂錠包裹好后加入熔體中,并用工具按壓以防上浮。二是確保過濾有效。對轉溜槽系統(tǒng)進行了適當優(yōu)化,建立良好的轉注條件,有效避免了液流的翻滾波動,能使液流在表層氧化膜的覆蓋下平穩(wěn)地流動。三是加強了爐外精煉。保證爐外精煉裝置有效,特別加強轉子和氬氣質量監(jiān)控。爐外精煉裝置除氣參數為:氬氣流量4.5～5 m3/h,轉子轉速280 r/min。實際生產中氫含量控制在0.12 mL/100 g-Al以下。

2.3 優(yōu)化鑄造工藝

為了減少溫度過高產生熔體吸氣等影響,調控靜置爐內鋁液溫度在735±5℃。生產前充分預熱溜槽、澆注盤,盡可能降低鋁液轉注過程溫降。在生產過程,通過用擋板分段擋住鑄造模盤之前的流槽,保持流槽高液位填充,使鋁液填充時間盡可能縮短,減小初始盤面溫差。并在澆注過程中適當降低了澆注速度。過程中重點對澆注溫度、鑄造速度、冷卻強度及引錠提速時間等關鍵鑄造參數的進行了優(yōu)化,表4為關鍵鑄造參數的調整情況。

3 實際效果

經過對合金配料及熔煉、鑄造工藝優(yōu)化后,某廠已形成了一套能確保質量鑄造工藝方案,實際生產鍛壓輪轂用6061鋁合金圓鑄棒生產取得成功。鋁合金圓鑄棒徹底消除了中心裂紋問題,圓鑄造表面光滑,無冷隔,亦無偏析瘤等其他鑄造缺陷,表現(xiàn)出良好的氣滑鑄造狀態(tài)。圖9是現(xiàn)場實際生產情況。6061鋁合金圓鑄棒經過均質處理進行鍛壓生產試驗,滿足下游鍛壓技術需要。產品材料主要技術參數為:抗拉強度≥146 MPa、延伸率≥30%;進行徑向負荷耐久疲勞實驗測試結果探傷無異常,實際轉數達到88萬轉才出探傷裂紋情況,遠高于70萬轉技術要求。

圖9 6061鋁合金圓鑄棒生產現(xiàn)場

經專業(yè)分析機構對合金棒內部組織進行檢驗,偏析層厚度98.1 μm鑄棒晶粒度小于68.0 μm、均達到了理想水平。表5是鍛壓輪轂用6061鋁合金圓鑄棒合金金相分析報告。

表5 鍛壓輪轂用6061合金產品金相分析報告

4 結 論

(1)經過分析、檢測,判斷鑄棒裂紋為熱裂裂紋。裂紋是由鑄棒中心處晶粒尺寸粗大,合金中Fe、Si、Mg成分比例失調造成的。在Mg、Si含量較高的情況下,合金中Fe與過剩Si的質量比值高低對圓鑄錠中心裂紋的產生有重要影響。

(2)根據模擬仿真結果,原始的澆注溫度和鑄造速度會加深鑄棒鑄造過程中的液穴深度,從而加劇裂紋的產生。

(3)根據檢測和仿真結果,制定了一系列改進措施,包括將Fe與過剩Si的質量比值控制在2.5以上,同時控制Cr、Mn等合金元素的含量,以降低中心裂紋產生的傾向;優(yōu)化精煉工藝;對鑄造工藝進行優(yōu)化,將鑄造速度由84調整到82 mm/min、澆注溫度由700±5℃調整到695±5℃、引錠頭提速時間由2調整到3 s。有效地解決了鍛壓輪轂用6061鋁合金圓鑄棒的中心裂紋問題。