Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu合金熔铸工艺与质量控制

徐凡凡, 李 亨, 许延琛, 王东明, 李玉坤, 钱跃荣, 吴玉程

(1.合肥工业大学 航空结构件成形制造与装备安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230009;2. 池州市九华明坤铝业有限公司, 安徽 池州 247100;3. 安徽广银铝业有限公司, 安徽 合肥 231121)

Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金是Al-Zn-Mg-Cu系热处理可强化变形铝合金,具有高强度、良好的热变形性和抗腐蚀性能等特点,可满足各类结构材料的要求。然而,由于高品质Al-Zn-Mg-Cu系合金元素含量较多,合金化程度高,致使铸造过程中铸锭成型性较差。且随着该系合金对熔铸工艺要求日益严苛、铸锭需求量逐渐增加,生产难度大、成品率较低等问题一直存在。因此,探讨Al-Zn-Mg-Cu系合金熔铸工艺过程控制非常重要。

目前国内对于该系合金的熔铸工艺正在持续地进行开发与优化。郑卫东等[1]研究了几种常见的铝合金熔炼过程中的精炼工艺,对比发现,采用颗粒精炼剂和Ar气复合精炼的除气、除渣效果最佳。韦修勋等[2]对7055铝合金铸锭的偏析瘤缺陷进行研究,分析偏析形成机理,优化工艺制作思路,制备出无偏析瘤的7055铝合金铸锭。赵海越[3]针对Al-Zn-Mg-Cu铝合金的铸造工艺参数进行改良,对铸造温度、模具温度和固相分数等调控后,促使合金稳定地铸造成型。通过对现有文献的梳理和总结,本文从Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金熔铸工艺角度出发,对该合金成分进行设计,净化熔体质量,摸索该合金的熔铸工艺制度,以提高生产效率,获得满足使用要求的铸件。

1 试验材料及方法

熔炼炉原材料配料:低Fe低Si,铝含量99.85%的铝锭,Mg、Zn纯金属,Al-15%Mn、Al-50%Cu、Al-4%Ti、Al-4%Zr中间合金。

选择规格为φ305 mm×6130 mm的Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金铸锭作为研究对象,成分设计见表1。

表1 Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金的设计成分(质量分数,%)Table 1 Designed composition of the Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu aluminum alloy (mass fraction, %)

成分设计核心要点为,对于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,当w(Zn)/w(Mg)大于2时,合金铸造凝固二次相为η(MgZn2),有效提升合金的强度和热处理效果,并降低合金的淬火敏感性[4-5],本合金成分中w(Zn)/w(Mg)接近3.2,可降低晶界偏析现象。采用Zr代替Cr,可以与H元素形成ZrH,可以使Al-Zn-Mg-Cu系铝合金熔炼过程中拥有良好的除气效果,减少针孔、疏松等缺陷的产生,提高合金铸造性能[6-7]。

Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金熔炼在20 t倾动式熔炼炉中进行,采用静置澄清法、浮选法以及溶剂法精炼。细化剂选用Al-5Ti-1B线材,使用双转子除气机进行在线除气,同时采用40 ppi进口过滤板+RD级管式过滤方式在线过滤。

采用ZEISS Axio Imager.A2m光学显微镜观察合金铸态组织形貌。金相试样先经打磨抛光,然后用Keller试剂(1%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O)腐蚀45 s后观察金相;铸锭微观组织与成分分布用带有EDS能谱仪的SU8020扫描电镜观察;随后利用D/MAX2500V X射线衍射仪分析铸锭内主要相的分布。

2 熔铸工艺流程

在配料时,采用低铁低硅纯度99.85%的铝锭装炉,金属开始在740～750 ℃温度范围内熔化后,加入除Mg外其他中间合金,其目的是防止Mg合金在高于730 ℃的温度下过度氧化烧损,因此需要区分Mg合金与其它合金的熔炼温度。在合金添加过程中需要采用电磁搅拌的方式不断搅拌30 min以上,并在确定合金完全熔化后采用叉车或人工的方式进行扒渣,直到铝液表面无浮渣为止。在转到保温炉保温的同时,进行炉内精炼处理,通过精炼罐喷射精炼剂,并在720～750 ℃静置保温30 min以上。随后在保温炉取一次成品分析样,确定成分合格后可以转铸造平台开始铸造,熔铸工艺流程见图1。

图1 熔铸工艺流程图Fig.1 Flow chart of melting and casting process

2.1 熔炼工艺

在铝合金熔炼的过程中,不仅需要熔炼设备与料材质量达标,更需要对熔炼温度、熔炼时间、熔炼细化精炼等熔炼工艺进行合理的调整[8],因此对于新型Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金熔炼工艺更需要严格把控。

2.1.1 熔体质量的控制

熔炼的主要目的就是获得纯净均匀的熔体,而对于铸锭性能影响最大的主要为熔体的含氢量和熔渣含量的多少,因此为了提高熔炼质量,需要对回炉料的选用、熔体温度的控制与扒渣的步骤进行严格把控。

首先在配料时,考虑到熔炼成本和经济效益,会在铝锭中添加部分回炉料。但由于回炉料不仅容易造成Al液中夹杂物增多,而且也会导致Al液流动性和熔体成分的变化,严重影响熔体质量,因此需要对回炉料占比进行严格控制。本次熔炼选用的回炉料为前炉次棒材的头尾锯切料,属于1级回炉料,对于熔体质量的影响比较小。其次,研究了回炉料添加量对于熔体成分的影响。如表2所示,随着回炉料的添加量从0%到20%的过程中,有害元素Fe的含量上升明显,在回炉料的添加量为10%左右便超过标准含量;强化元素Mg会有着明显的损耗,在10%左右低于标准量。其主要原因为随着回炉料占比的增多,Mg元素形成的夹杂物和元素烧损情况增加,Fe元素会随重复熔化的情况发生增Fe现象[9-10]。因此考虑到熔体质量和熔炼成本,添加10%回炉料为最佳选择。

表2 回炉料添加量对熔体化学成分的影响(质量分数,%)Table 2 Effect of addition of retort on chemical composition of the melts (mass fraction, %)

其次,在熔化过程中,对熔炼温度的合理把控,才能获得高质量的Al液。本次熔炼过程中将熔体的温度控制在740～750 ℃,开启电磁搅拌进行助熔,在炉料熔化后,采用热电偶实时监控熔体温度,在温度稳定范围内进行扒渣,以防止熔渣对熔体放热产生阻碍,导致局部过热。在扒渣后,将熔体温度控制在720～730 ℃,加入Mg锭,以防止熔体的氧化和吸气;同时加入溶剂覆盖,并开启电磁搅拌30 min,以减少熔体的湍流和翻滚,从而降低Mg锭与炉气接触的机会,进一步减低Mg元素的烧损[11]。如图2所示,对铸锭心部取样进行金相处理,其中图2(a)为熔体温度过高的铸锭金相,图2(b)为正常熔铸工艺下的铸锭金相。图2(a)相对于图2(b),在三晶粒交叉处形成复熔三角形,为明显的过烧现象,对铝合金的力学性能、疲劳腐蚀等性能造成严重影响,因此需要严格把控熔炼温度以及扒渣搅拌工艺,防止过烧现象的发生。

图2 不同熔炼工艺下两种铸锭的显微组织(a)过烧缺陷;(b)合格铸锭Fig.2 Microstructure of two kinds of ingots under different melting processes(a) overburning defect; (b) qualified ingot

2.1.2 细化剂添加与炉内精炼

晶粒细化通常是优化铝合金性能的有效方式,其中主要方法有电磁搅拌、超声振动以及细化剂的添加。其中添加细化剂是细化处理中最行之有效的方案,是熔体处理技术的重要组成部分[12-13]。本次熔炼过程中采用的细化剂为Al-5Ti-1B线性细化剂,此种细化剂应用最为广泛、有较强的细化能力,并且线状的Al-Ti-B中间合金的细化效果远比Al-Ti-B中间合金锭块更好,因此选用Al-5Ti-1B线性细化剂作为细化添加剂。在细化剂的用量上,徐超[14]研究了添加不同质量分数的Al-5Ti-1B细化剂对7A04铝合金性能的影响,发现在压铸参数相同时,添加0.1%的Al-5Ti-1B细化剂对铝合金性能的提升最佳,综合相关7×××系铝合金Al-5Ti-1B细化剂的相关研究,确定本次试验Al-5Ti-1B细化剂的添加量为0.1%。图3为未添加细化剂与添加细化剂铸锭均匀化处理后的显微组织,可以发现,图3(a)的晶粒组织中,有许多粗大晶粒形成了晶粒带,将晶粒进行了分层,造成组织不均匀,在添加了Al-5Ti-1B细化剂后,图3(b)中铸锭的晶粒尺寸有明显缩小,组织变得更加均匀。

图3 添加细化剂前(a)、后(b)的铸锭显微组织Fig.3 Microstructure of the ingot before(a) and after(b) adding refining agent

在铝合金熔炼过程中,为保证有高质量的熔体,需要清除熔体中的氢气以及夹杂物。通常采用浮游法和溶剂法结合的精炼方法,即通过加入气体和溶剂的方法实现脱氢与去渣。本次试验采用通入惰性气体Ar和加入某公司的Pyrotek 6AB精炼剂(主要成分是钠盐、钾盐以及氟盐)的方法进行炉内精炼处理。其中炉内采用双转子系统进行精炼,精炼温度740～750 ℃,转子速度为340～380 r/min,单根通道Ar气流量为5～7 m3/h,将熔体含氢量控制在0.15 mL/100 g内。采用HYSCAN测氢仪检测熔体中的氢含量,其中表3为熔体氢含量随通气时间增加的变化情况,可以看出在通气10 min时,氢含量达到了0.146 mL/100 g,而当通气时间到12 min时,氢含量下降幅度急剧降低,因此将通Ar气精炼时间设定为10 min。在熔炼炉转保温炉前后,使用精炼罐各喷入一次Pyrotek 6AB精炼剂,喷入比例为1 kg/t(Al液),并采用40 ppi进口过滤板+RD级管式过滤方式进行在线过滤,实现渣子与熔体的分离,将含渣量控制在<4个(5～10 μm的夹杂)/cm3。

表3 熔体氢含量随通气时间的变化Table 3 Variation of hydrogen content in melt with ventilation time

2.2 铸造工艺

在铸造的过程中,本试验Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金铸锭的规格较大,为保证铸造成型,需要严格控制铸锭各部位的凝固冷却时间,减少应力集中区域的存在。因此,为了降低和控制应力分布的问题,需要设计合理化的铸造工艺参数。

Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金采用的半连续铸造的方式,铸造温度、铸造速度以及冷却水流量都是决定液穴深度和结晶前沿温度的主要因素。铸造温度、速度工艺参数的增大和水流量的降低均会导致温度梯度的上升,而温度梯度的上升会导致铸锭热裂纹倾向增加,易产生羽毛晶以及光亮晶等问题,如图4所示,由于铸造温度过高、铸造速度过快导致铸锭低倍组织缺陷,图4(a)相对于图4(b),产生多而密的光亮晶。因此,在合理情况下,需要严格把控三大铸造工艺的参数。

图4 不同铸造工艺下铸锭的宏观形貌(a)光亮晶;(b)合格形貌Fig.4 Macromorphologies of the ingot under different casting processes(a) bright crystal; (b) qualified morphology

2.2.1 铸造温度的控制

在铸造温度过高时,会造成结晶器中液穴变深、脱模困难,甚至经常出现拉痕以及拉裂等表面缺陷,导致铸锭成品率严重降低;而铸造温度过低时,Al液的流动性下降,铸锭的裂纹倾向明显上升,容易产生冷隔、浇不足等缺陷。

分析以上问题并结合工作经验,Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金的铸造温度需要控制在一个较小、较低的范围,选择700～715 ℃为宜。

2.2.2 铸造速度的控制

对于Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金,铸造速度快慢对铸锭裂纹的产生具有较大影响,当铸造速度过快时,会导致结晶器内液穴变深,容易生成小曲率半径的区段,增大铸锭产生热裂纹的风险性;而铸造速度较慢会造成冷却强度的增大,结晶器中液穴的壁厚增加,从而导致外层收缩时,因阻力增加而使得铸锭产生小面裂纹。综合以往Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金同规格铸锭的铸造速度,对铸造速度进行优化,设定为64～69 mm/min,此时铸锭质量较好。

2.2.3 冷却水流量的控制

冷却水流量控制的关键是保持铸锭周围冷却水的均匀性,因为不均匀的冷却水是产生裂纹的主导因素之一。当水流量过低时,铸锭表面冷却水不均匀,易导致表面过热,产生过度熔析和裂纹等缺陷;而水流量过高时,铸锭表面则会和冷却水直接接触,无法形成完整的蒸汽屏障,会导致冷却速度过大,铸造应力急剧增加。

冷却水的水质和水温对铸造过程也有很大影响,在控制温度为25～30 ℃的纯净水的情况下,参考其它规格Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金铸锭冷却水流量的数值,确定将冷却水流量设定为138～144 m3/h/根为宜。

2.3 成分分析

相对于其他系列的合金,Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金铸锭成分偏析情况更严重,特别是Zn元素更容易发生偏析,最终导致铸锭各部分的合金成分波动较大,产品质量严重下降。在通过以上优化后的成分设计和熔铸工艺处理后,随机抽取铸锭试样,从中心到边部取5个点进行成分分析,分析结果见表4。

表4 优化后Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金铸锭各部分的化学成分(质量分数,%)Table 4 Chemical composition of each part of the Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu aluminum alloy ingot after optimization (mass fraction, %)

可以看出,Zn元素的偏析基本上控制在0.5%以内,其他元素偏析程度不高,铸锭各部分的成分非常均匀。随后对铸锭试样采用扫描电镜与X射线衍射分析仪相结合方式进行物相分析,结果如图5所示,可以看出,采用以上熔铸工艺制成的铸件,图5(a)中组织内偏析和非平衡相极少出现;通过SEM观察Mg、Al、Zn 3种元素分布(见图5(b)),可以看出3种元素的分布十分均匀;在图5(c,d)中,结合EDS分析和XRD图谱对Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金铸锭进行分析,可以得知晶体内存在的相基本为α(Al),偏析组织基本消除,并且少量的偏析相可以通过均匀化处理进一步消除[15]。

图5 优化后熔铸试样的SEM图(a)、元素分布(b)、EDS分析(c)和XRD图谱(d)Fig.5 SEM image(a), element distribution(b), EDS analysis(c) and XRD pattern(d) of molten cast specimen after optimization

3 总结

1) 当回炉料控制在10%以内,同时使熔体温度设置在740～750 ℃,采用Al-5Ti-1B线性细化剂,并将通入Ar气精炼时间设定为10 min,可获得高质量Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金熔体。

2) Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金最优铸造工艺参数为铸造速度64～69 mm/min,铸造温度700～715 ℃,冷却水流量为138～144 m3/h/根。

3) 经过对熔铸工艺的摸索,提高了Al-6.3Zn-2.0Mg-0.32Cu铝合金熔炼过程中的熔体纯净度,将熔体氢含量和含渣量分别控制在0.14 mL/100 g和4个(5～10 μm的夹杂)/cm3之内;降低了铸锭偏析,使组织主要成分控制为α(Al)相,为后续均匀化处理提供良好条件。