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有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年2 期 4 5 降低A l S i M g 铸造铝合金S i 偏析的措施 袁崇胜1 ，杨钢2 ，刘惠军1 ，郑兴贵1 1 ．云南铝业股份有限公司，昆明6 5 0 5 0 2 ；2 ．云南冶金集团总公司，昆明6 5 0 0 5 1 摘要介绍～一S i M g 铸造铝合金S i 偏析产生的原因，分析了电磁搅拌和水冷浇铸对铸造铝合金S i 偏析 的影响，提出了降低A l _ S i M g 铸造铝合金s i 偏析的生产工艺措施。 关键词A I S i M g 合金；S i 偏析；电磁搅拌；水冷浇铸 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 0 2 0 0 4 5 0 3 M e a s u r e m e n tt oR e d u c eS iS e g r e g a t i o ni nA l - S i - M gC a s t i n gA l l o y Y U A NC h o n g s h e n 9 1 ，r A N GG a n 9 2 ，L I UH u i j u n l ，Z H E N GX i n g g u i l 1 ．Y u n n a nA l u m i n i u mC o ．L t d ．，K u n m i n g6 5 0 5 0 2 ，C h i n a ； 2 ．Y u n n a nM e t a l l u r g i c a lG r o u p ，K u n m i n g6 5 0 0 5 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h er e a s o no fc r e a t i n gS is e g r e g a t i o ni nA 1 一S i M gc a s t i n ga l l o ya r ei n t r o d u c e d ，t h ei n f l u e n c e so fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n ga n dw a t e r c o o l i n gc a s tt e c h n o l o g yo nS is e g r e g a t i o ni nA 1 一S i M ga l l o ya r ea l s oa n a l y z e d ．T h e m e a s u r e m e n t st or e d u c eS is e g r e g a t i o ni nA I ～S i M gc a s t i n ga l l o ya r ep r e s e n t e d ． K e y w o r d s A 1 一S i M ga l l o y ；S is e g r e g a t i o n ；E l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ；W a t e r c o o l i n gc a s t A l S i M g 合金具有优良的铸造性能，经过变质 和热处理之后，表现出良好的力学性能、物理性能、 抗蚀性能和工艺性能⋯，而且质量轻、比强度高，是 铝制汽车、摩托车轮毅的首选材料【2 | 。 目前，生产A l S i M g 合金一般采用电解铝液与 工业S i 和其它元素对掺合金化工艺。其中S i 的密 度和线膨胀系数均比A l 小，同为面心立方晶体，S i 作为合金中的主要合金元素加入到A 1 基体中，可提 高合金的流动性，降低合金的收缩量和热裂倾向，减 少疏松、缩孔和热裂等缺陷，并提高气密性，从而获 得致密的优质铸件。 但在砧一S i M g 合金生产过程中，合金易产生S i 偏析，严重时会影响铝合金的使用性能。随着汽车 技术水平和安全性能的不断提高，对汽车轮毂用A l S i M g 合金的质量提出更高的要求。降低A 1 ．S i M g 合金的S i 偏析，满足用户要求，已势在必行。 1 常规法生产A I S i M g 合金中S i 偏 析的程度 汽车轮毂用A 1 一S i M g 合金，S i 含量7 ％左右， 基金项目云南省科技攻关项目 2 0 0 4 G G 0 7 作者简介袁崇胜 1 9 6 7 一 ，男，云南大理人，工程师 其组织是以亚共晶成分为主体。常规法生产舢一S i M g 合金的工艺是合金化熔炼一人工搅拌一金属铸 模水平铸造一自然冷却。 连续7 天对常规法生产A 1 一S i M g 合金进行S i 偏析分析。在合金锭长度方向1 ／3 处切取样片，每 个样片的断面上按相同位置取五个点用直读光谱仪 进行分析，结果表明S i 偏析一般在0 ．4 ％～0 ．5 ％。 2电磁搅拌对S i 偏析的影响 常规工艺采用人工搅拌，当熔炉容量不大 1 2 t 时，缺点不太明显，但熔炉容量较大 ≥1 2t 时，人 工搅拌的缺点就显现出来 1 人工搅拌劳动强度 大，人为因素直接影响搅拌效果，会出现搅拌不均 匀，存在死角。 2 搅拌力度和时间不足时，合金元 素不能充分溶解和扩散。致使化学成份不均匀，尤 其是S i 偏析现象明显，不利于产品质量控制。为克 服人工搅拌的不足。我们采用电磁搅拌进行对比试 验，在电磁搅拌时，电磁搅拌系统置于熔炉底部，每 隔5m i n 铸一批炉样，进行S i 偏析分析。结果表明 S i 偏析一般在0 ．3 ％～0 ．4 ％。 万方数据 4 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年2 期 3冷却速度对S i 偏析的影响 浇铸过程中的冷却速度，对A l S i M g 合金的组 织形态影响极大。冷却速度快，过冷度增加，临界晶 核半径和形核功都随之减小，形核率增加，合金组织 的晶粒度细小，可以限制S i 的偏析。 我们采用竖井水冷垂直浇铸，利用水冷结晶器 进行首次水冷，使合金铸棒表面凝固，然后将合金铸 棒浸入竖井水池中再次冷却铸棒，从而缩短了凝固 时间。由于采用快速冷却，提高冷却强度，增大了形 核率，因而减小了A l S i M g 合金组织中初生a A l 相 和共晶硅相的尺寸，硅相不能长得很大，使得S i 的 偏析减少，化学成份更加均匀。试验时，浇铸温度 7 0 0 ～7 2 0 ℃，浇铸速度1 0 ～2 0c m ／m i n ，冷却水温度 3 0 ℃。浇铸速度每隔2c m ／m i n 铸一批炉样，进行S i 偏析分析。结果表明 1 当浇铸速度低于1 0 c m ／m i n 时，S i 的偏析在0 ．0 8 ％左右； 2 当浇铸速度 在1 8c m ／m i n 以上时，S i 的偏析在0 ．0 5 ％左右，进 一步增大浇铸速度对偏析的影响不明显。 4 电磁搅拌 水冷浇铸 电磁搅拌 水冷浇铸工艺熔炼 7 8 0 ～8 2 0 ℃ 一 合金化 7 5 07 8 0 ℃ 一电磁搅拌 1 5m i n 一静置 7 2 0 - - 7 5 0 ℃、2 0 - - 2 5 “n 一水冷热顶铸造 6 8 0 - - 7 2 0 ℃ 。 4 ．1 晶相组织 常规工艺铸造～一S i M g 合金经过切割研磨，晶 相组织照片上可看到旺一A l 晶粒较粗大 图1 。晶界 A l S i 共晶清晰可见，共晶硅呈粗大针状。 图1常规铸造A l - S i - M g 合金的显微组织 F i g ．1 T h em i c r o s t r u c t u r eo fc o n v e n t i o n a lc a s tA l - S i - M ga l l o y 电磁搅拌 水冷浇铸工艺试样的显微组织除枝 晶主轴依稀能看见外，分枝较短，并且可以看到有些 d 枝晶呈小涡流状 图2 。由于S i 含量不是很高， 所以共晶体较少。4 0 0 倍显微组织可以看到a 枝晶 晶界有少量的 a S i 共晶体。 图2 电磁搅拌A l - S i - M g 合金的显微组织 F i g ．2 T h em i c r o s t r u c t u r eo fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r e dA l - S i - M ga l l o y 4 ．2S i 偏析结果 连续进行1 4 天的S i 偏析测试，结果见表1 。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年2 期 4 7 日期l234567891 01 11 21 31 4 X l 6 ．9 0 7 ．0 8 7 ．0 47 ．2 7 6 ．9 4 7 ．0 4 7 ．0 77 ．0 76 ．9 16 ．9 56 ．9 37 ．0 96 ．9 76 ．8 3 X 2 6 ．8 97 ．0 77 ．0 47 ．0 56 ．9 37 ．0 27 ．0 37 ．0 76 ．9 16 ．9 2 6 ．9 0 7 ．0 36 ．9 2 6 ．8 1 S0 ．0 10 ．0 100 ．2 20 ．0 10 ．0 20 ．0 4000 ．0 3O ．0 30 ．0 60 ．0 50 ．0 2 平均偏差S 0 ．5 0 1 4 0 ．0 3 6 注本表数字为同一个炉次，x 。表示中部测点成分，X 2 表示边部测点成分，s 表示偏析程度。 5讨论 汽车轮毂用灿一S i M g 合金的组织是以越一S i 亚 共晶成分为主体。常规凝固组织是由初生a 一～相 和 Q S i 共晶体组成，初晶生长的a A l 相形貌 为树枝状晶，共晶相中硅呈针状析出，分布在a 一舢 相枝状晶之间。 合金化过程采用先将块状工业硅按比例投入熔 炉中，再加入铝液，利用铝液的高温熔化工业硅，然 后均匀搅拌。若搅拌的程度不够，合金成份不均匀， 或浇铸时凝固速率慢，都会出现较严重的S i 偏析现 象。 电磁搅拌避免了人为因素，缩短熔炼时间，搅拌 时炉内铝液表面不产生大面积翻腾，减少了二次污 染和氧化烧损bJ 。电磁场所引起的强迫流动可确 保合金元素充分溶解和扩散，令铝合金熔体的温度 及成份更加均匀，促使铸造时晶核在熔体中各处趋 向于同时形核，因此电磁搅拌不仅使形核率提高，而 且使晶粒尺寸也趋向于均匀化HJ ，改善S i 偏析程 度。电磁搅拌对S i 偏析的影响与搅拌时间有对应 关系，从本实验的结果中可以看出，电磁搅拌在1 0 m i n 内对S i 偏析的影响较大，超过3 0m i n ，则影响 较小。这表明经过3 0m i n 的电磁搅拌已将合金铝 液搅拌均匀，因此，工业生产时搅拌时间一般选择 1 0 ～3 0m i n 较为经济合理。 亚共晶的越一S i M g 合金凝固时口一A 1 首先形核 长大，一部分硅原子在快速凝固过程中被a ．A 1 相捕 获形成固溶体，另一部分离开液固界面进入液相，使 液相中硅富集、浓度升高。当共晶 Q S i 相开始生 长时，硅相生长受a ．A 1 相生长的制约以及液相中硅 浓度的扰动。 提高冷却速度，增大过冷度，可减小临界晶核半 径和形核功，是增加形核率的关键条件。采用水冷 浇铸，增大冷却强度，过冷的合金熔体中会产生大量 晶核，在随后的长大过程中、晶核间彼此抑制，难以 长大[ 5 】，使熔体瞬间凝固。因而减小了合金组织中 初生a A 1 相和硅相的尺寸，使硅相没有富集长大的 空间的条件，减少了晶间偏析的出现，化学成份更加 均匀，使得s i 的偏析减少。 电磁搅拌 竖井水冷垂直浇铸工艺从成分均匀 和快速凝固两个方面改善舢一S i M g 合金的结晶条 件，使合金的具有细小均匀的等轴晶组织，从而明显 降低了合金的S i 偏析。 6结论 1 电磁搅拌使S i 在～一S i M g 熔体中的分布 更加均匀，是控制S i 偏析的前提； 2 水冷浇铸增大过冷度，减小了A l S i M g 合 金组织中初生a A 1 相和硅相的尺寸，是控制S i 偏 析的关键因素； 3 电磁搅拌 竖井水冷垂直浇铸工艺，通过 加强炉内搅拌操作和采用更快的冷却方式等工艺创 新，使铸造铝合金棒的化学成分更加均匀，S i 偏析 降至0 ．3 ％以下，力学性能显著改善。所生产的～一 S i M g 铸造合金棒完全满足国际著名汽车轮毂生产 厂对质量的严格要求。 参考文献 [ 1 ] 罗启全．铝合金熔炼与铸造[ M ] ．广州广东科技出版 社，2 0 0 2 ． [ 2 ] 刘忠侠，宋天福，李继文，等．原位钛合金化铝合金摩托 车车轮的微观组织和力学性能E J ] ．轻金属，2 0 0 5 2 5 1 5 4 ． [ 3 ] 杨洪良，A n d e r sT H R U M ．用于熔铝炉和静置炉的电磁 搅拌器[ J ] ．轻合金加工技术，2 0 0 3 1 1 9 1 2 ． [ 4 ] 王学东，时海芳，张伟强．电磁搅拌A l s i 合金宏观组织 细化机理[ J ] ．辽宁工程技术大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 0 4 4 3 0 4 3 2 ． [ 5 ] 吴夜明，姚留枋．电磁搅拌对铸坯化学成分偏析影响机 理[ J ] ．特殊钢，1 9 9 9 ，2 0 3 2 4 ． 万方数据
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