5182鋁合金扁錠質(zhì)量缺陷的分析與控制

梁魯清

（青海橋頭鋁電股份有限公司，青海 西寧 810100）

0 前 言

5182合金屬5xxx系鋁合金系列，是以鎂為主要合金元素的鋁合金，屬于不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性、耐蝕性、沖壓性能等綜合加工性能，在船艦、航空航天等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。目前已成為制造全鋁易拉罐和馬口鐵易拉罐罐蓋、拉環(huán)及其封裝組件的最佳鋁合金材料。

公司于2013年底開始研究開發(fā)罐蓋（拉環(huán)）用5182鋁合金扁鑄熱軋坯料，試生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)較多的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷問(wèn)題。本文就試生產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量缺陷進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并探討相應(yīng)的控制措施。

1 5182合金扁錠存在的主要問(wèn)題

1.1 氫含量超標(biāo)

5182合金扁錠的質(zhì)量缺陷問(wèn)題最主要體現(xiàn)在氫含量超標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 扁錠實(shí)測(cè)氫含量

1.2 堿金屬嚴(yán)重超標(biāo)

扁錠堿金屬實(shí)測(cè)情況見(jiàn)表2。

表2 扁錠實(shí)測(cè)Ca含量

1.3 內(nèi)部組織

晶粒度超標(biāo)，產(chǎn)生羽毛狀晶，見(jiàn)表3。

表3 扁錠內(nèi)部組織檢測(cè)結(jié)果

1.4 表面主要質(zhì)量缺陷

表面主要質(zhì)量缺陷包括以下幾種：①鑄錠大面皺褶嚴(yán)重；②鑄錠表面裂紋：小面底部產(chǎn)生橫向裂紋；大、小面縱向通裂；③鑄錠鋪底處產(chǎn)生不同程度的漏鋁瘤。

2 5182合金扁錠存在的主要缺陷分析

2.1 氫超標(biāo)的原因

（1）電解鋁液中氣體含量較高(主要是H2)。公司用電解鋁液生產(chǎn)5182合金扁錠，由于鋁電解生產(chǎn)的特殊性，特別是倒入熔煉爐時(shí)，鋁液與空氣中的水分發(fā)生反應(yīng)，使其H含量進(jìn)一步升高。經(jīng)測(cè)量分析，高溫電解鋁液倒入熔煉爐后的H含量均在0.34～0.45ml/100gAl。

（2）在鋁鎂合金中，由于鎂的存在，進(jìn)入熔體中的H2O在高溫下更易與Mg反應(yīng)生成H，H又不能與Al、Mg反應(yīng)，結(jié)合成H2分子，形成氣泡，溶于鋁熔體中。

（3）5182合金屬于高鎂鋁合金，合金熔體粘度大，合金熔體的流動(dòng)性差，不利于H的析出；同時(shí)表面氧化膜不能阻止Mg的繼續(xù)氧化和水汽的吸入。

（4）合金熔體在爐內(nèi)置放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易造成吸氫。

（5）澆鑄過(guò)程周圍環(huán)境濕度大，易造成熔體吸氫。

2.2 堿金屬Ca超標(biāo)的原因

（1）原輔材料中的Ca含量：①通過(guò)對(duì)電解鋁液的檢測(cè)分析，Ca含量最高為5.8ppm，最低為1.2ppm，≥3ppm的占到24%；②配料及凈化用金屬添加劑（中間合金）和金屬溶劑含Ca高，見(jiàn)表4；③鋁熔體精煉用粘土磚中CaO較高。

表4 生產(chǎn)5182合金各種添加劑的Ca含量分析結(jié)果

（2）爐內(nèi)襯、流槽內(nèi)襯等破損造成Ca進(jìn)入鋁熔體。

（3）無(wú)除鈣措施。

2.3 晶粒度超標(biāo)、產(chǎn)生羽毛狀晶缺陷的原因

晶粒粗大是鑄錠內(nèi)部晶粒組織局部或全部晶粒變大超出要求的晶粒組織，羽毛晶是鑄錠晶粒組織柱狀晶的變種，兩種缺陷都屬于鑄錠內(nèi)部異常組織，通常是由于熔體過(guò)熱等原因造成，Al-Mg系合金更易產(chǎn)生羽毛狀晶。

（1）向結(jié)晶器導(dǎo)入高溫熔體和導(dǎo)入熔體方式不當(dāng)時(shí)，在半連續(xù)鑄造時(shí)易生成孿晶，即為羽毛狀晶。由于液穴內(nèi)溫度不均勻，在溫度高的地方晶粒長(zhǎng)大得快，在鑄錠中出現(xiàn)局部大晶粒或大晶區(qū)。

（2）鋁熔體過(guò)熱或在爐內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，熔體有效活性質(zhì)點(diǎn)極少極易產(chǎn)生粗大晶粒及羽毛狀晶的傾向，再加之澆鑄時(shí)鑄錠的冷卻速度極快，在結(jié)晶前沿液體中的溫度梯度十分陡峭，過(guò)冷帶極為窄小的情況下就會(huì)生成羽毛狀晶組織。

2.4 鑄錠表面產(chǎn)生皺褶缺陷的原因

（1）合金熔體的粘度。影響熔體粘度的因素有合金的化學(xué)成分、熔體的溫度和熔體中的夾雜物含量等。A1-Mg系變形鋁合金中，隨著Mg含量增加，熔體的粘度增加[1]，漏斗（分流袋）兩側(cè)敞露液體滯留時(shí)間長(zhǎng)，氧化膜增厚。金屬氧化物的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)比金屬的低，相當(dāng)于結(jié)晶器壁的一次冷卻強(qiáng)度減弱，同等條件下形成的液穴壁變薄，易導(dǎo)致皺褶缺陷的產(chǎn)生。

（2）添加A1-Ti-B細(xì)化劑的影響。A1-Ti-B合金中的主要質(zhì)點(diǎn)是TiA13和TiB2，其中TiB2質(zhì)點(diǎn)很小(約1.5μm)，但熔點(diǎn)很高(2000℃以上)[2]，在熔鑄條件下不溶解，分散于鋁熔體中，與夾雜物對(duì)鋁熔體的影響一樣，使其粘度增加，表面張力增大，增大合金皺褶缺陷產(chǎn)生的幾率。

2.5 鑄錠底部小面產(chǎn)生橫向裂紋

鑄錠小面尾部沒(méi)有充分固化未達(dá)到足夠強(qiáng)度便開始鑄造而引起的缺陷。產(chǎn)生原因：① 鑄造開始水流量太低；②鑄造開始速度太快；③鑄造開始的金屬溫度太高；④水冷卻能力改變；⑤水分布狀況不良；⑥鋁液填充時(shí)間太短。

2.6 鑄錠大、小面縱向通裂的原因

（1）大面氧化渣引起的裂紋產(chǎn)生原因：因5182合金氧化性大，在熔體表面易生成不致密的、疏松多孔的氧化膜和氧化渣，漂浮在鑄錠的液面上，被熔融金屬上氧化層的移動(dòng)而推到液面邊緣懸掛在鑄錠表面上。氧化物是絕熱體，在鑄錠外殼上造成熱點(diǎn)和應(yīng)力集中上升，引起開裂，形成裂紋源[3]。

（2）小面裂紋產(chǎn)生的原因:連續(xù)鑄造時(shí)，扁鑄錠小面受三面冷卻，而大面中心部位受兩面冷卻，小面沿鑄錠軸向的溫度梯度和冷卻速度大大超過(guò)大面中心部位沿鑄錠軸向的溫度梯度和冷卻速度，因而使鑄錠小面產(chǎn)生沿高度方向作用的拉應(yīng)力。在剛開始的時(shí)候，因小面底部產(chǎn)生橫向裂紋或非金屬夾雜物起了應(yīng)力集中的作用，使之在小面區(qū)便形成了原始裂紋源。

（3）大、小面縱向通裂原因:在鑄錠產(chǎn)生大小面裂紋源的前提下，隨著鑄錠的逐漸冷卻，鑄錠內(nèi)的殘余應(yīng)力在原始裂紋處發(fā)生局部集中，當(dāng)超過(guò)金屬?gòu)?qiáng)度所允許的程度時(shí)，便引發(fā)裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致縱向通裂缺陷。

2.7 鑄錠底部產(chǎn)生不同程度的漏鋁瘤缺陷的原因

（1）過(guò)冷狀態(tài)。澆鑄時(shí)金屬溫度和金屬液位高度配置不合理，導(dǎo)致鑄錠底部過(guò)渡區(qū)間的沸騰膜不均勻，部分區(qū)域產(chǎn)生過(guò)冷狀態(tài)，產(chǎn)生金屬溢漏，形成漏鋁瘤。

（2）金屬分配袋破損或不良的金屬分配。這樣會(huì)導(dǎo)致金屬分流不均勻，鑄錠凝殼內(nèi)層處溫度有高有低，高的區(qū)域易產(chǎn)生二次重熔，沖破凝殼形成漏鋁瘤。

（3）鑄造速度提升斜率過(guò)慢或冷卻水斜率提升速度過(guò)快。澆鑄過(guò)渡區(qū)期間，鑄造速度提升過(guò)慢，易產(chǎn)生鑄錠凝殼處的高溫熔體二次重熔沖破凝殼形成漏鋁瘤。冷卻水提升速度過(guò)快，底部收縮大，易產(chǎn)生金屬溢漏，形成漏鋁瘤。

（4）圓弧角里冷卻量太大。結(jié)晶器圓弧角冷卻水量大，鑄錠圓弧角部收縮大，易產(chǎn)生金屬溢漏，形成漏鋁瘤。

3 5182合金扁錠質(zhì)量缺陷控制措施

3.1 氫含量

（1）電解鋁液入爐前的除氣預(yù)處理：高溫電解鋁液用真空包從電解車間到鑄造車間轉(zhuǎn)入準(zhǔn)備好的敞口包中，采用CCl4進(jìn)行原鋁精煉脫氣處理，電解原鋁中的H含量可從0.40ml/100gAl降至0.20ml/100g Al以下。

（2）為避免鋁熔體長(zhǎng)時(shí)間置放爐內(nèi)吸氫的危害，盡量縮短爐內(nèi)配料時(shí)間，縮短合金熔體在兩爐（熔煉爐、靜置爐）中的置放時(shí)間，對(duì)高鎂合金在熔煉爐中的時(shí)間應(yīng)控制在6h之內(nèi)，靜置爐內(nèi)時(shí)間控制在2h之內(nèi)。

（3）為降低5182合金熔體的粘度，提高熔體流動(dòng)性，有利于H的析出，熔體精煉介質(zhì)采用高純氬氣，不用氮?dú)猓粷茶T過(guò)程，適當(dāng)提高澆鑄溫度（700～710℃）。

（4）改善澆鑄平臺(tái)周圍環(huán)境。澆鑄過(guò)程封閉豎井周圍或在鑄造平臺(tái)四周安裝流風(fēng)機(jī)，生產(chǎn)時(shí)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽氣處理，預(yù)防水蒸氣進(jìn)入鋁熔體造成H升高。

3.2 堿金屬

（1）嚴(yán)格控制原輔材料的質(zhì)量；（2）不用耐火磚作為熔體精煉介質(zhì)；（3）合金轉(zhuǎn)組生產(chǎn)時(shí)，爐子、流槽、除氣箱、過(guò)濾箱等載流工器具必須清理干凈、修補(bǔ)完善；并預(yù)防生產(chǎn)過(guò)程中破損；（4）采用合適的無(wú)鈉除鈣劑進(jìn)行除鈣處理。

3.3 粗大晶粒、羽毛狀晶

（1）縮短熔體在爐內(nèi)的置放時(shí)間。

（2）提高熔體溫度均勻性，防止熔體局部過(guò)熱。充分發(fā)揮熔煉爐電磁攪拌對(duì)鋁熔體溫度均勻的作用性能；加強(qiáng)保溫爐中熔體的攪拌作用，同時(shí)合理調(diào)整爐內(nèi)透氣塞的運(yùn)行模式。

（3）合理調(diào)整配料固液比，提高金屬冶金活性，增加金屬非自發(fā)性形核的幾率。

（4）適當(dāng)提高澆鑄時(shí)的冷卻強(qiáng)度，降低結(jié)晶液穴寬度與高度，提高結(jié)晶過(guò)冷度，提高結(jié)晶形核率。

（5）適當(dāng)延長(zhǎng)向結(jié)晶器充液的時(shí)間，有利于液穴內(nèi)溫度均勻，避免鑄錠中出現(xiàn)局部大晶粒或大晶區(qū)。提高液面及液位的穩(wěn)定性，避免鑄造時(shí)液流直接沖擊結(jié)晶前沿，有利于抑制羽毛晶缺陷的產(chǎn)生。

3.4 鑄錠表面皺褶

（1）盡可能使用含B較低的原輔材料（包括細(xì)化劑）。

（2）適當(dāng)提高鑄造溫度，降低熔體的粘度，增加熔體的流動(dòng)性，改善分流袋兩側(cè)熔體的更新條件。表面的氧化膜厚度降低，影響導(dǎo)熱的表層氧化膜厚度變薄，可使液穴壁厚度增加降低扁錠寬面液穴壁的二次加熱程度，減少皺褶缺陷的產(chǎn)生。

3.5 鑄錠小面底部橫向裂紋

（1）適當(dāng)增加鑄造開始的小面第一道水流量。

（2）降低鑄造開始速度。

（3）檢查水質(zhì)，及時(shí)做好水質(zhì)的處理，保障金屬結(jié)晶過(guò)程中的熱平衡。

（4）檢查水出口和水分布狀況，保障冷卻水分布及均勻性。

（5）適當(dāng)延長(zhǎng)鋁液填充時(shí)間。

3.6 鑄錠大小面縱向通裂

（1）控制高鎂合金不致密氧化膜的產(chǎn)生。熔體中可加入適量Be元素保護(hù)熔體；澆鑄過(guò)程保溫爐內(nèi)熔體表面撒蓋一層無(wú)堿金屬覆蓋劑進(jìn)行熔體保護(hù)；生產(chǎn)中流槽、結(jié)晶器內(nèi)等的金屬熔體液位、液面要保持穩(wěn)定，沒(méi)有特殊情況不允許人為破壞液面氧化層；鑄造開頭時(shí)結(jié)晶器液面打渣處理要及時(shí)、速度要快，并要求從結(jié)晶器四邊逐步向液面中心撇渣處理，避免斷開的氧化膜（氧化渣）隨熔體分流帶到鑄錠的表面。

（2）避免鑄造開頭時(shí)因控制造成的底部橫向裂紋而引起的縱向開裂；對(duì)于寬厚比較大尺寸的扁錠，應(yīng)考慮在冷卻控制方面適當(dāng)堵塞靠小面兩側(cè)大面的部分冷卻水孔，盡量降低鑄錠小面受到的三面冷卻而導(dǎo)致的小面冷卻不均勻造成的應(yīng)力不平衡形成的小面縱向裂紋。

3.7 鑄錠底部漏鋁瘤

（1）調(diào)整結(jié)晶器中的液位不能過(guò)低，熔體溫度不能過(guò)高，預(yù)防鑄造開頭至過(guò)渡區(qū)由于沸騰膜不均勻，部分區(qū)域產(chǎn)生過(guò)冷狀態(tài)，產(chǎn)生金屬溢漏。

（2）鑄造前仔細(xì)檢查分流袋的質(zhì)量及安裝質(zhì)量，確保金屬分流均勻，防止二次重熔形成漏鋁瘤。

（3）調(diào)整二次冷卻水量，預(yù)防由于二次冷卻水過(guò)大產(chǎn)生的鑄錠二次快速翹曲造成的鋁漏。

（4）堵塞結(jié)晶器四角部相應(yīng)的出水孔，避免鑄錠圓弧角處因冷卻量過(guò)大產(chǎn)生的金屬溢漏。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)罐蓋料用5182鋁合金扁錠坯料試生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷原因分析，針對(duì)生產(chǎn)設(shè)備工裝技術(shù)、工藝技術(shù)、原輔材料、操作方法等實(shí)際運(yùn)行條件，探討并提出預(yù)防以上質(zhì)量缺陷的相應(yīng)措施，望能對(duì)生產(chǎn)有所參考。

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