7A52合金铸锭漏斗底结物形成原因.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年4 期 3 9 7 A 5 2 合金铸锭漏斗底结物形成原因 高家诚1 ，崔先友1 ，杨荣东2，陈志强1 ，杨鉴1 1 ．重庆大学材料科学与工程学院，重庆4 0 0 0 3 0 ；2 ．西南铝业 集团 有限公司，重庆4 0 1 3 2 6 摘要7 A 5 2 合金铸锭时，分液漏斗底部常产生底结物。通过化学及S E M E D S 分析，发现底结物中 M n 、C r 、T i 元素浓度分别超正常值约5 倍、l o 倍、1 5 倍。X R D 分析表明其主要化合物相组成为A l ，C r 、 M n A l 。、T i A l 。。结果表明，底结物产生和形成原因主要与分配漏斗与液穴底的间距、分配漏斗的材质、 铝熔体中的杂质等因素有关，同时也与铸造温度、分配漏斗预热等工艺条件有关。根据分析结果，提出 了提高铸造速度、改变分配漏斗尺寸、对分配漏斗进行喷涂和预热等消除底结物的具体措施，并成功应 用于生产实践。 关键词7 A 5 2 合金；铸锭；底结物；形成 中图分类号T G l 4 6 ．2 文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 7 0 4 0 0 3 9 0 4 R e s e a r c ho nB u l k yC o m p o u n do f7 A 52A l l o yI n g o tu n d e rF u n n e l G A OJ i a c h e n 9 1 ，C U IX i a n - y o u l ，Y A N GR o n g d o n 9 2 ，C H E NZ h i q i a n 9 1 ，Y A N GY i n 9 1 1 _ M a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gC o l l e g e ，C h o n g q i n gU n i v e r s i t y ，C h o n g q i n g4 0 0 0 3 0 ，C h i n a ； 2 ．S o u t h w e s tA l u m i n U m G r o u p C o ．．L t ，c h o n g q i n g4 0 1 3 2 6 ，C h i n a A b s t r a c t W h e n7 A 5 2i n g o ti sc a s t i n g ，a g g l o m e r a t ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d sf o r mi nt h eb o t t o mo fs e p a r a t o r vf u n n e l ．B yc h e m i c a la n dS E M E D Sa n a l y s i s ，t h ee l e m e n tc o n c e n t r a t i o n so fM n ，C r ，T ii ni n t e r m e t a l l i c c o m p o u n d sa r e5 ，1 0 ，1 5t i m e sa b o v en o r m a lv a l u e sr e s p e c t i v e l y ．I ti ss u g g e s t e dt h a tc o m p o u n d s a r em a i n l yc o m p r i s e do fA 1 7C r ，M n A l 6a n dT i A l 3p h a s et h r o u g hX - r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i s ．R e s u l t si n d i c a t et h a tt h e f o r m a t i o no ft h eb u l k yc o m p o u n d si sr e l a t e dt Ot h ef a c t o r sl i k et h ed i s t a n c eb e t w e e nt h es e p a r a t o r yf u n n e l a n dt h eb o t t o mo fm e l t e ds u m p ，t h em a t e r i a lp r o p e r t i e so fs e p a r a t o r yf u n n e la n dt h ei m p u r i t yo fm e l t e d a l u m i n u m ，a sw e l la st h ep r o c e s sc o n d i t i o n sl i k ec a s t i n gt e m p e r a t u r ea n dt h ep r o p e rp r e h e a to fs e p a r a t o r y f u n n e l ．B a s e do na n a l y s i sr e s u l t s ，c o n c r e t es u g g e s t i o n sa si n c r e a s i n gt h ec a s t i n gr a t e ，c h a n g i n gt h es i z eo f s e p a r a t o r yf u n n e l ，s p r a yp a i n t i n ga n dp r e h e a t i n gt os e p a r a t o r yf u n n e la n dS Oo na r ep r o p o s e dt or e l i e v et h e a g g l o m e r a t ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d sa n da p p l i e di n t op r a c t i c es u c c e s s f u l l y ． K e y w o r d s 7 A 5 2a l l o y ；I n g o t ；A g g l o m e r a t ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s ；F o r m a t i o n 7 A 5 2 铝合金是2 0 世纪8 0 年代我国研制的中强 可焊铝合金，具有较高的比强度、较好的断裂韧性和 抗低周疲劳性能。合金在熔炼过程中需要加人C u 、 M n 、M g 、C r 、Z n 、T i 、Z r 等元素。铸造采用半连续直接 水冷铸造 即I X ；法 ，铸造温度一般为7 5 0 ～8 0 0 ℃。 铸锭时，让铝液经流槽流入浮于铝液表面的花键型漏 斗，流进结晶器中结晶、冷却，进行铸锭。 作者简介高家诚 1 9 4 7 一 ，男，重庆市人，教授，博士生导师 在实际的生产过程中，随铸造时间的延长，供流 漏斗底部会逐渐粘附一层底结物，并逐渐长大，使漏 斗逐渐下沉，操作者必须不断用渣刀刮漏斗底部，减 轻底结物重量，否则漏斗下沉，失去均匀平衡供流作 用，铸造失败。图1 是铸造时漏斗底结物产生示意图 和实物照片。因此，探讨漏斗底结物的形成原因，对 指导7 A 5 2 铝合金铸锭生产具有十分重要的意义。 万方数据 4 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年4 期 图17 A 5 2 铸锭漏斗底结物形成示意图和实物照 F i g ．1 T h ed i a g r a mo fa g g l o m e r a t ec o m p o u n d sf o r m a t i o no f7 A 5 2i n g o ti nf u n n e l 1试验 试验样品取自西南铝业公司熔铸厂现场，为直 径4 5 0m m 圆锭底结物。在底结物上分别选取了具 有代表性的试样分别进行了化学分析、金相分析、 X R D 分析、S E M E D S 分析。 2试验结果 2 ．1 底结物的成份及物相分析 从表1 中可以看出在铸锭的过程中，漏斗底部 与熔体接触的区域内出现了元素浓度的起伏，即局 部区域合金元素浓度可以达到很高的数值时，其中 M n 是正常值的5 倍，C r 是正常值的1 0 倍，T i 是正 常值的1 5 倍0 作为7 X X X 系合金，7 A 5 2 合金的主要元素是 C u 、M g 、Z n ，而M n 、C r 、T i 、Z r 等组元均是为了细化 铸锭组织，提高铝合金加工性能或使用性能，作为添 加剂加入的。合金中M n 含量过多，会形成粗大、硬 脆的A 1 。M n 化合物[ 1 ] 。如果C r 含量过高则会形成 一次化合物A 1 ，C r 相，资料介绍在A 1 一C u M g Z n 系 合金中当锰铁及3 倍铬含量之和高于1 ．2 ％时则形 成A l ，C r 相，实践证明当F e 含量在0 ．1 5 ％以上时， 即使上述三元素之和仅为1 ．0 ％时，7 A 5 2 合金中仍 会产生A l ，C r 相。在半连续铸造时当合金中的T i 含量超过0 ．1 5 ％时会导致晶粒粗化。实践发现当 T i 元素的加入量超过0 ．1 0 ％时，铸锭中的T i A l 。化 合物一次晶大量产生。合金元素含量的多少，对形 成化合物一次晶起着决定性的作用口一3 ] 。X 射线的 分析结果表明，底结物中形成的金属闻化合物主要 为A l 和T i 、M n 、C r 三种元素形成的二元化合物。 它们是A l ，C r 、M n A l 6 、T i A l 。，可能存在的是 A 1 2 Z n Z r 、A 1 F e 。、A l 。F e 、A 1 C u 2 等微量成分。图2 是 底结物X - R a y 衍射图。 表17 A 5 2 底结物部分成分 T a b l e l C o m p o n e n t so fp a r t i c a lc o m p o u n d si n7 A 5 2a g g l o m e r a t ec o m p o u n d s／％ * - A l ★一A I C r B - M n A l { 气 譬▲。n A 】3 6 。薹． 12 基‘l7 啪O L l ．l 朝4 图2 底结物试样X R D 衍射谱图 F i g ．2 X R Dp a t t e r n so fa g g l o m e r a t e c o m p o u n d ss a m p l e 2 ．2 底结物微观组织 底结物金相分析如图3 所示。可以看出，底结 物试样的组织中明显存在大量光亮且凸于基体表面 的块状物。块状物的尺寸粗大，甚至在某些视场中 块状物占据了比基体更大的面积。经能谱分析，除 A l 外，基体主要成分为Z n 和M g ，块状物主要成分 图3 底结物显微组织 F i g ．3O p t i c a lm i c r o g r a p ho fa g g l o m e r a t e c o m p o u n d s 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年4 期 4 1 为C r 、M n 。合金中微量的M n 、C r 、T i 、Z r 等元素形 成金属间化合物，一部分以弥散质点形式存在，另一 部分以粗大化合物形式存在。 2 ．3 铸造工艺参数对底结物形成的影晌 在铸造结晶过程中，铸造工艺对铸造漏斗底结 物的形成主要影响是合金铸造时漏斗内熔体温度、 液穴内熔体温度分布、液穴的深度、液穴的形状、过 渡带的温度范围等。铸造速度对底结物形成的影响 是通过影响液穴的深度、液穴熔体温度来体现的。 不同规格的铸锭，在其相匹配的铸造参数下，有不同 液穴尺寸和液穴温度场。通过便携式热电偶实测不 同铸造速度和不同铸造规格的圆锭液穴温度分布情 况如表2 和表3 所示。 表27 A 5 2 合金圆锭 直径4 0 5m m 液穴内主要参数 T a b l e2M a i np a r a m e t e r si nt h es u m po f0 4 0 5m m7 A 5 2a l l o y 表3 不同规格圆锭铸造断面液穴内主要参数 V - - - - 3 8m m ／m i n T a b l e3M a i np a r a m e t e ri ns u m po fd i f f e r e n ts p e c i f i c a t i o n sb a ri n g o t s V 3 8m m ／m i n 实测表明，在V 一2 5r a m ／r a i n 时，结晶前沿的 过冷区扩展到了漏斗边部，促使底结物在漏斗底部 快速形核和长大。特别是工艺条件差时将更有利于 底结合物在漏斗边的生成，从实物上可以看出漏斗 底结物在漏斗边部较其它部位厚。西4 0 5m m 圆锭 采用2 5m m ／m i n 的铸造速度时，大约在铸锭长 2 0 0 0m m 时，漏斗就因底结物原因负重下沉，必须 采用非正常办法处理，才能继续铸造。在V 一3 8 m m ／m i n 时，最直接的变化是液穴深度明显加深，漏 斗底部以下温度也提高2 ℃，达到6 4 1 ℃，延缓了漏 斗底部特别是漏斗边部底结物的生长。 3 底结物形成及影口向因素分析 3 ．1 底结物晶粒形核及长大机理 分配漏斗上底结物产生，即是铝合金晶体在分 配漏斗底部形核并长大。7 A 5 2 合金实际熔体中，存 在着剧烈的成分、相结构和能量起伏，通过前面的分 析可以看出局部区域合金元素浓度可以达到很高的 数值。因此在实际液态合金熔体半连续铸造中，凝 固过程是十分复杂的，各种凝固机理都是存在 的[ 4 矗5 ] ，它们的相对作用取决于凝固的实际条件。 另外，与熔体结触的各种界面、熔体中的高温合金 相，也可作为异质形核的基底[ 6 ] 。但合金凝固必须 克服热力学能障和动力学能障凝固过程才能顺利完 成。 在实际凝固过程中形核驱动力是通过合金液过 冷获得的。合金开始结晶时所需的过冷是结晶器提 供的温度过冷，一旦晶核生成，就会产生浓度过冷。 液态金属在一定过冷度下，临界核心由相起伏和 或 结构起伏提供，临界生核功由能量起伏提供。 实际生产中，将分配漏斗放进结晶槽时，则形成了一 个接触表面，即造成了一个分界面。如果分液漏斗 离结晶前沿较近，处于过冷带内，结晶便很容易在界 面处发生。同时，由于分配漏斗表面粗糙，凹凸不 平，细微缝隙较多。凝固时，在粗糙的凹界面或其微 缝隙处也容易满足不均匀形核条件，晶核继续长大， 最终导致底结物的产生和形成。 同时，合金中C r 、M n 、T i 、Z r 等元素对铝熔体的 凝固过程也产生了重要影响[ 7 ] 。分界面附近区域的 T i 、C r 、M n 三种元素的含量高出熔体平均浓度许多 倍，这种浓度起伏必然引起能量起伏，导致产生较大 的过冷度，从而存在形成大量晶核的条件。董杰[ 9 ] 等通过铝合金7 0 7 5 进行热力学计算，发现润湿角一 定，过冷度增加，形核率急剧增加。 这样，由于这个分界面的存在，熔液中某些合金 元素便依附在漏斗底部形成晶核，合金元素就易于 在其表面上形成一次晶，并且逐渐长大，成为所谓的 底结物。 。 3 ．2 分配漏斗材质的影响 7 A 5 2 合金使用分配漏斗材质是石墨。在生产 实践中发现，进行其它牌号的铝合金铸锭时使用粘 土或金属等其它材质分配漏斗，不产生底结物或产 万方数据 4 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年4 期 生现象不严重，可以说明分配漏斗的材质是影响底 结物形成的一个因素。 虽然在铸造时，熔体中的杂质已进行了深度去 除，但仍会有一些存在，且铝熔体在高温下表面极易 氧化而在表面形成一层氧化膜。分配漏斗位于结晶 器的中央位置，并占有一定的面积，因此，在漏斗与 熔体接触面，杂质也易富集。因有夹杂的存在，将使 铝液的黏度增加，降低了扩散系数[ 8 ] 。孙民华等[ 9 ] 对铝熔体黏度研究表明，在7 5 0 。C 时铝熔体黏度存 在异常变化，而实际铸造温度一般为7 5 0 ～8 0 0 ℃， 这样漏斗与熔体的界面处因铝液的黏度变化，使合 金流动性降低，这就加剧了底结物的形成。 3 ．3 分配漏斗与液穴底间距的影响 在进行7 A 5 2 合金不同规格铸造时，发现分配 漏斗与液穴底间距对底结物产生情况不同，间距越 短，产生底结的现象越严重。当间距大于4 0 0m m 时，产生底结的现象就比较轻微了。 铸造时杯形液穴底是铸锭结晶时的强烈过冷 区，进入液穴内的铝合金熔体，受结晶前沿强烈过冷 区冷却场的影响，其温度明显下降，而且随着与液穴 底部的距离越小，熔体的温降幅度越大。显然，结晶 过冷度越大，处于亚稳态的熔体越不稳定，相变驱动 力越大，液固界面稳定性也就越差。 7 A 5 2 合金化学成分中M n 、C r 、T i 、Z r 为高熔点 元素，这些元素在温度较低的液穴内，特别是在接近 过渡带区域，容易借助粗糙的漏斗底部，生成 M n A l 。、C r A l ，、T i A l 。、Z r A l 。等化合物一次晶，由于 液穴内金属不断更新，液穴内温度波动小，给化合物 一次晶的生成及长大提供了足够的时间，随着铸造 时间的推移，粘附在漏斗底部缓慢向温度较低的液 穴深处生长并逐渐长大形成漏斗底结物。 3 ．4 其他工艺条件的影响 使用漏斗铸造时，如果漏斗预热温度较低，且漏 斗底部深入到等温区中，就会在漏斗底部形成悬挂 的d 固溶体初晶[ 1 ] 。随着漏斗底部熔体不断更新，“ 固溶体初晶得以充分长大，成为底结物产生的原因 之一。特别是当铸造温度偏低时，或者使用的漏斗 表面粗糙；或者漏斗表面虽然光滑，但是铸造前预热 不够充分；或者预热较好，但在空气中停留时间较 长，使漏斗温度大大降低，则在漏斗底部极易形成底 结物或化合物一次晶偏析。 根据上述分析，我们采取以下措施，基本解决了 7 A 5 2 合金铸造时的底结物产生的问题 1 在满足成分标准范围内，尽量降低合金中 T i 、M n 、C r 的含量； 2 适当提高铸造速度，合理的铸造速度以分配 漏斗底部离开液穴内两相区为宜； 3 改变分配漏斗尺寸，使底部减薄，从而扩大漏 斗底部与结晶前沿的距离； 4 对分配漏斗进行喷涂，使其表面光滑，从而减 少合金在表面形核和长大的可能性； 5 分配漏斗在使用前进行充分预热，确保使用 时漏斗温度高于7 A 5 2 合金起始结晶温度，从而使 分配漏斗和熔体接触界面处的晶核因温度高而重新 熔化而无法形核。 4结论 1 在铸锭的过程中，漏斗底部与熔体接触的区 域内出现了M n 、C r 、T i 元素浓度的起伏，元素浓度 分别超正常值约5 倍、1 0 倍、1 5 倍； 2 底结物中物相主要为A 1 和T i 、M n 、C r 三种 元素形成的二元化合物A l ，C r 、M n A l 。、T i A l 。； 3 底结物的产生和形成主要与分配漏斗的材 质、铝熔体中的杂质、分配漏斗与液穴底的间距等因 素有关，同时也与铸造温度、分配漏斗是否恰当预 热、漏斗的沉入深度等工艺操作条件有关。 参考文献 [ 1 ] 王祝堂，田荣璋．铝合金及其加工手册[ M ] ．长沙中南大 学出版社，2 0 0 4 2 2 1 2 2 2 ；4 1 7 4 1 8 ． [ 2 ] 刘丹超，唐剑，韦志宏，等．7 A 5 2 合金中化合物的形成及 防止[ J ] ．铝加工，2 0 0 5 3 5 3 5 6 ． [ 3 ] M a j e dJ a r a d e h ，T o r b j o r nC a r l b e r g ．E f f e c to ft i t a n i u ma d d i t i o n so nt h em i c r o s t r u c t u r eo fD C c a s ta l u m i n i u ma l l o y s E J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA ，2 0 0 5 4 1 3 4 1 4 2 7 7 2 8 2 ． [ 4 ] 周尧和，胡壮麒，介万奇．凝固技术[ M ] ．北京机械工业 出版社，1 9 9 8 2 1 3 0 ． [ 5 ] L iP i e j i e ，Z e n gD a b e n ，J i aJ u n ，e ta 1 ．T h e r m o d y n a m i c s A n a l y s i so fH e r e d i t y P h e n o m e n ai nA l l o yM e l t [ J ] ． F o u n d r y ，1 9 9 9 1 0 1 2 1 5 ． [ 6 ] 董杰，路贵民，任栖锋，等．液相线铸造法非枝晶半固态组 织形成机理探讨[ J ] ．金属学报，2 0 0 2 2 2 0 3 2 0 7 ． [ 7 3 贺水东，张新明．微量C r 、M n 、T i 、Z r 细化7 A 5 5 铝合金 铸锭组织的效果与机理[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 5 1 0 1 5 9 4 1 6 0 1 ． [ 8 ] 蒙多尔福LF ．铝合金相的组织与性能[ M ] ．王祝堂，张 振录，郑璇，等译．北京冶金工业出版社，1 9 8 8 5 5 5 6 ． [ 9 - 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