4032合金棒材生產工藝研究

馮永平， 章 偉

(中鋁西北鋁加工分公司， 甘肅 隴西 748111)

隨著我國鐵路運輸業的發展，內燃機車已替代了蒸汽機車。內燃機車活塞在工作中承受高溫、高壓和高速往復運動的摩擦，因此要求活塞具有較好的耐磨性、抗磨蝕性，導熱系數和熱膨脹系數小，疲勞性能好，使用壽命長等特點。目前，4032合金是制造內燃機車活塞裙鍛件的理想材料，為了滿足用戶的需求，我們對4032合金擠壓棒材工藝進行研究。

1 4032合金棒材的技術要求

1．1 合金化學成分

合金化學成分應符合表1的要求。

表1 4032合金化學成分(%)

1.2 組織要求

YS/T493-2005《活塞用4A11、4032合金擠壓棒材》標準要求：成品棒材的低倍試片上不允許有偏析聚集、非金屬夾渣、粗晶、裂紋、縮尾等缺陷，晶粒度不大于2級。棒材的顯微組織允許有少量初晶硅存在，但分布應均勻，不得成簇分布，初晶硅最大尺寸不大于0.08mm。

2 試驗內容

4032合金屬于共晶型高硅變形鋁合金，它的密度和熱膨脹系數小，耐磨性和耐熱性好。主要組成相為α、Si、S相、FeNiAL9、Mg2Si、β(AL5FeSi)等,Mg、Si、Cu產生強化相Mg2Si、CuAL2和S相，Si還能改善鑄造性能。Fe、Ni提高高溫性能[1]。

盡管4032合金有很多優點，如不進行變質處理，4032合金會產生粗大的多角形塊狀初生硅和片狀、或針條狀共晶硅， 其組織如圖1所示。 可顯著降低合金的力學性能、 耐蝕性和切削加工性能。 因此，必須對4032合金進行變質處理。

圖1 Al-20%Si 中間合金錠 鑄態 鑄錠未經變質處理 ×80

2.1 熔鑄工藝研究

① 熔煉工藝

配料：Si、Ni、Fe以中間合金方式加入，Cu、Mg以純金屬形式加入，選用AL99.60及以上牌號原鋁錠，也可使用本身及相關的一級廢料。

熔煉：采用中頻爐或電爐熔煉，熔煉溫度定在高于液相線50—100℃，即700--750℃，投料前必須認真清爐。在電爐熔煉取樣時需進行不少于4次的攪拌，取樣溫度不低于720℃，采用中頻爐時導爐溫度按760℃控制。

② 熔體凈化和變質處理

熔體導入靜置爐后，用N-CL2精煉15分鐘，然后扒渣，用噴粉精煉或撒入攪拌方式加入變質劑，然后用精煉氣體精煉8—10分鐘，扒渣靜置后溫度合適即可鑄造。

在熔煉過程中減輕或消除初生硅主要靠變質劑，試驗時選用1#鈉鹽、2#鈉鹽、磷鹽、4#、5#鈉鹽作為變質劑進行變質。

精煉劑選用N-CL2、高純氮、高純氬，在線流槽除氣采用透氣磚和精煉管兩種方式。鑄造方法采用鋁結晶器普通鑄造和隔熱膜鑄造法。

③ 均勻化處理

用半連續鑄造方法生產的鑄錠，由于冷卻速度快，會產生不平衡結晶和內應力，為了消除成分和組織的不均勻性，改善鑄錠的加工性能，并獲得良好的最終力學性能，要對鑄錠進行均勻化處理，均勻化溫度為500—515℃[2]，并隨爐冷卻。

2.2 擠壓及熱處理工藝研究

① 擠壓工藝

擠壓工藝流程：鑄錠加熱—擠壓—取樣—實驗室熱處理、檢驗—檢查切成品—交貨。

4032合金變形抗力高、塑性較差，為保證制品的最佳力學性能和表面質量，考慮在試制中采用提高擠壓溫度和降低擠壓速度的工藝以提高該合金的可擠壓性，為此制定了以下的工藝制度(見表2 )。

表2 擠壓工藝參數

② 熱處理工藝

對于T6狀態的材料來說，固溶溫度、時效溫度和時效時間是影響力學性能的主要因素。根據4032合金的特點對熱處理工藝優選以下三重方案進行試驗，試樣在鹽浴爐內進行固溶處理，保溫時間為30min，淬火介質為水，轉移時間小于15s，待人工時效后出爐空冷。

3 試驗結果分析

3.1 不同變質劑對4032合金鑄錠變質處理的結果

用1#鈉鹽、2#鈉鹽、磷鹽、4#鈉鹽、5#鈉鹽、Sr變質劑對4032合金進行變質處理，結果如表3所示。

表3 不同變質劑對 4032合金變質處理的結果

3.2 變質劑用量和氣孔之間的關系

通過對以上試片進行金相檢驗，其低倍試片上均有氣孔，其中2#、4#鈉鹽變質后的氣孔較少，5#鈉鹽最嚴重。選用同種變質劑，調整不同加入量，其中變質劑用量和氣孔對應趨勢示意圖如圖2所示(約10公斤/噸，否則過變質)。

圖2 變質劑用量和氣孔的關系

從圖2中可以看出，隨著變質劑加入量的增多，產生氣孔的程度也相應的增加，當變質劑用量超過一定量時，產生氣孔的程度將隨之大幅度上升。所以要減少氣孔的產生，在保證變質劑用量的前提下，應盡量少加，否則將產生過變質，影響到鑄錠質量。

3.3 熱處理試驗結果(見表4)

表4 4032合金熱處理試驗結果

3.4 試驗結果分析

① 從表3的數據可以看出，采用4#鈉鹽變質得到的鑄錠邊部組織和中心部位組織均無初生硅，而共晶硅呈粒狀分布，α枝晶間距小。鑄錠中心部位共晶硅相對于鑄錠邊部和1/2半徑處較大，共晶硅在枝晶的周邊分布，共晶硅尺寸由邊部到中心逐漸增大，粗大枝晶網的中部屬于α.AL,會降低材料的最終強度[3]。4032合金采用4#鈉鹽變質一般無初生硅出現，而且共晶硅組織也比較細，主要是鈉變質劑中的NaF與AL反應生成Na和ALF3，被還原出來的鈉進入鋁熔體中，對共晶硅起到了良好的變質作用。但在使用鈉鹽變質過程中，合金的粘度加大，流動性下降，使氣體上升的速度降低，極易出現氣孔及少量的夾渣物。

② 從熱處理試驗結果看，方案2的結果較優，其力學性能指標較高,試驗中發現，擠壓頭端的力學性能尤其是延伸率較低，分析主要是制品頭端變形不充分有關，隨著時效溫度的提高，強化相的彌散析出增加，強度逐漸升高，但塑性明顯下降，所以時效溫度不宜過高以防止塑性下降。

4 結論

① 采用帶有隔熱膜的鋁結晶器進行鑄造，可提高鑄錠的冷卻速度，有利于金屬的結晶及組織細化；

② 選用4#鈉鹽作為變質劑，其變質效果最好，可保證無初晶硅，共晶硅組織較細??；

③ 擠壓鑄錠溫度為470℃，擠壓筒溫度為450℃，擠壓速度280-360 mm/min;

④ 淬火溫度為510+5℃，保溫30min；

⑤ 時效溫度為155+5℃，保溫3h。

①王祝堂，田榮璋.鋁合金及其加工手冊[M].長沙：中南大學出版社，2005:1203-1205.

②《輕合金材料加工手冊》編寫組.輕金屬材料加工手冊(上冊)[M].北京：冶金工業出版社，1979:66-68.

② 西北鋁《4032合金試制總結 》[M].2006.