一種含Er的Al-Mg-Mn系合金大規格扁鑄錠熔鑄工藝研究

李海仙，胥健秋，李欣斌，宋亮亮，康廣泛，李愛華

（東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060）

一種含Er的Al-Mg-Mn系合金大規格扁鑄錠熔鑄工藝研究

李海仙，胥健秋，李欣斌，宋亮亮，康廣泛，李愛華

（東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060）

對現場生產含Er的Al-Mg-Mn系合金420mm×1620mm大規格鑄錠進行全面分析，最終確定了該含Er鋁合金大規格扁鑄錠熔鑄工藝參數。通過與不含Er元素的Al-Mg-Mn系合金進行了對比分析，并對存在的問題提出了改善措施。

Er元素；羽毛晶；強化作用

0 前言

5×××系 Al-Mg合金由于密度小、比強度較高以及良好的耐腐蝕性和可焊性，而被廣泛應用于艦船行業。為了提高艦船的載重比和快速反應能力，在不損失耐蝕性的基礎上，進一步提高其強度是非常關鍵的需求和問題。微合金化可以有效提高鋁合金的強度，同時不降低其抗蝕性能。

在所有微合金化元素中，現有研究表明：Sc微合金化效果顯著[1]，但是，其價格非常昂貴，使得含Sc鋁合金價格大幅增加，難于在工業領域獲得廣泛的應用，因此，必須尋找與Sc有類似作用的、廉價而有效的微合金化元素。

通過不斷試驗發現Er具有與Sc類似的微合金化作用，采用常規鑄錠冶金方法在不同鋁合金體系中添加微量Er元素，研究發明了系列含鉺鋁合金，其強度提高20%以上，熱穩定性提高50℃左右[2～4]。Er元素在鋁合金中可形成納米級 Al3Er 強化相，比 Al3Sc 相具有更好的熱穩定性，可明顯細化鋁合金的組織、提高鋁合金的再結晶溫度、促進主強化相的析出，大幅度提高鋁合金的強度或塑性，并通過形成復合強化相等多層次作用機理，有效地提高鋁合金耐熱性能、抗疲勞性能和耐腐蝕性能等綜合性能。Er的價格僅為Sc的1/80～1/100，相對于Sc來說非常低廉，Er的添加使合金材料成本降低，這使得發展新型工業規模含鉺高性能鋁合金成為可能。

目前，含鉺鋁合金已經成為通過微合金化方法來提高鋁合金綜合性能的一個重要方向，國內外研究者在這方面開展了大量研究工作，為了滿足市場需求，我廠對含Er鋁合金420mm×1620mm大規格鑄錠的熔鑄工藝進行了摸索和研究。

2 試驗方案

2.1 試驗方法及鑄造工藝

該含Er元素Al-Mg-Mn系合金的化學成分見表1。

表1 含Er鋁合金化學成分(質量分數/%)

該含Er元素Al-Mg-Mn系合金鑄錠的規格為420mm×1620mm。

使用不大于30%的一級廢料，其余以鋁錠、Al-Mn中間合金、Al-Zr中間合金、Al-Er中間合金及金屬Mg的形式加入。加Al-Be中間合金進行熔體保護。

采用鍛件工藝，熔煉溫度750～800℃，2#熔劑，工具涂料。熔體溫度780℃以上加Al-Er中間合金，加入Al-Er中間合金后每20min攪拌一次，共攪拌3次，攪拌期間保持熔體溫度在780℃。然后加Mg錠和Al-Be中間合金攪拌、取樣。電爐出爐前采用Ar-Cl2混合氣體精煉10min。靜置爐加10kgAl-Ti絲進行晶粒細化，鑄造點0.005%的Ti以Al-Ti絲的形式加入。

用干燥的2#熔劑塊疊壩，滿管流動，鍛件工藝，使用Ar-Cl2精煉8～15min，靜置15～30min。走在線除氣設備，雙級30+50目陶瓷片過濾，過濾箱出口溫度不低于710～730℃。為了獲得良好的鑄態組織，降低鑄造產生裂紋的傾向性，使用Ti絲播種機，播種Al-Ti絲對含Er鋁合金熔體進行細化，播種速度250mm/min ～350mm/min。主要的鑄造工藝參數見表2。

表2 含Er鋁合金420mm×1620mm規格主要鑄造參數

2.2 分析與檢驗

將該含Er的Al-Mg-Mn系合金420mm×1620mm鑄錠鋸切頭尾后選擇一端切取一片厚20mm的試片，沿厚度方向將試片打斷，取一半進行各項試驗檢測（1～3分別為鑄錠厚度方向，由邊部到中心）。

鑄錠各項檢測用試樣的位置見圖1。

圖1 含Er鋁合金試片取樣位置圖

3 試驗結果

3.1 化學成分

按照圖1所示，由邊部向中心(1～3)取樣，分析化學成分偏析程度，其主要合金元素Mg、Mn、Er化學成分變化趨勢如圖2、圖3和圖4所示，其余雜質元素均符合含Er鋁合金標準化學成分要求，由于控制含量低，基本不會產生偏析，也不會對合金組織與性能產生明顯影響。

圖2 含Er鋁合金Mg的偏析情況

圖3 含Er鋁合金Mn的偏析情況

圖4 含Er鋁合金Er的偏析情況

從圖2、圖3、圖4可以看出，Mg元素平均值為6.02%，最大差值為0.05%，偏析程度較小；Mn元素平均值為0.91%，最大差值為0.04%，中心部最大，符合Mn元素化學成分偏析情況；Er元素平均值0.19%，最大差值為0.02%。

該含Er元素Al-Mg-Mn系合金成分均勻，有利于鑄錠力學性能與加工產品力學性能的均勻性，也有利于軋制過程的控制。

3.2 低倍組織

通過對試片進行低倍組織分析發現，鑄錠表層受到冷卻水降溫，過冷度最大，形成晶粒細小的細晶區，鑄錠中心為等軸晶區，柱狀晶區存在羽毛晶缺陷，如圖5所示。

圖5 含Er鋁合金低倍組織

3.3 顯微組織

按照圖1所示，由邊部向中心(4～6)取樣，其高倍組織結果如圖6所示。

圖6 含Er鋁合金不同位置的顯微組織

從圖6可以看出：從鑄錠邊部到中心晶粒越來越細大，符合結晶規律。

3.4 力學性能

分別對含Er元素制得的Al-Mg-Mn系合金和不含Er元素制得的Al-Mg-Mn系合金大規格扁鑄錠沿厚度方向由邊部至中心檢測鑄錠力學性能，結果如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 兩種合金屈服強度對比

圖8 兩種合金抗拉強度對比

圖9 兩種合金伸長率對比

綜合分析可以看出，鑄錠從邊部到中心，不論是抗拉強度、屈服強度還是相對伸長率，均為下降的變化趨勢，這與高倍檢查的結果一致，說明由于中心比邊部的水冷效果弱，在結晶的時候形成的晶粒尺寸較大，力學性能較差。從圖7、圖8、圖9比較可以看出，含Er鋁合金的性能差別較小，各部位組織比較均勻，屈服強度、抗拉強度及伸長率明顯高于不含Er元素的Al-Mg-Mn系合金的性能。

4 分析和討論

4.1 Er在Al-Mg合金中的強化作用

微量的稀土元素Er加入Al-Mg合金中，能夠增加合金熱穩定性，使其再結晶溫度提高50℃左右。在Al-Mg合金中一般主要以Al3Er的形式存在，同時還可能存在極其少量的Al、Mg和Er之間的金屬化合物，除此之外，Er并不與Mg元素之間形成金屬間化合物。這就大大提高了微量Er在鋁鎂合金中的作用效果。根據現有的文獻，Al3Er相的結構屬于L12型(AuCu3型)結構，點陣常數為0.4215nm，與基體Al的結構與點陣常數(面心立方結構，a=0.4049nm)較為接近，易于與基體保持共格或半共格的取向關系。由此推斷，細小顆粒的Al3Er相是可以提高鋁鎂合金的強度、高溫力學性能等綜合性能。

4.2 Er在Al-Mg合金中的細化作用

Er加入Al-Mg系合金中可有效細化合金的鑄態晶粒，晶粒細化的可能原因是一方面初生的Al3Er粒子在凝固時作為非均質形核核心來提高形核率，因而使晶粒細化；另一方面Er在晶界偏聚形成初生Al3Er相，也能夠阻礙晶粒長大。在隨后的熱處理過程中，固溶在合金基體中的Er析出Al3Er或者Al3(ZrxEr1-x)粒子，這種粒子與基體共格或半共格，具有熔點高、穩定性好等特點，而且能夠產生強化效應。由于細化晶粒所產生的細晶強化效應、析出相產生彌散強化效應以及在形變及熱處理過程中形成的亞結構強化效應使得合金強度和硬度提高。同時，彌散分布的細小Al3Er質點對位錯和亞晶界具有釘扎作用，能有效抑制再結晶晶粒長大，因此，添加Er還能夠顯著提高再結晶溫度。

4.3 該含Er元素Al-Mg合金的羽毛晶缺陷

在鑄錠宏觀組織中存在類似羽毛狀的金屬組織稱為羽毛狀晶。羽毛晶多呈扇形的羽毛狀分布。鑄錠上的羽毛晶組織是由許多羽毛晶群組成的，同一晶群內的所有羽毛晶大體上是相互平行的，多數羽毛晶群的方向與鑄錠的表面是有一定傾角的。羽毛晶的樹枝晶晶軸平直，枝晶近似平行，一邊呈直線，另一邊多為鋸齒狀。在偏振光下觀察，直線為孿晶晶軸。由于各羽毛晶彼此平行，枝晶排列得很整齊。鑄錠加工變形后，仍保持羽毛晶形態，只是由亞晶粒組成。

羽毛晶組織具有遺傳性，一旦鑄造過程中形成，不能在后續的均質、擠壓過程中消除，最終保留在擠壓制品中。又因其在常溫下拉伸性能有較強的各向異性，故羽毛晶組織的存在對成品的力學性能和表面質量都將產生不利影響。在鑄造過程中，應當盡量避免羽毛晶的產生。

4.4 防止羽毛晶的措施

抑制羽毛晶的產生，可采用以下幾種方法。

（1）控制爐料組成，適當降低原鋁錠比例。生產實踐表明，合金中使用的廢料少，熔體中的非自發形核質點少，生成羽毛晶的傾向就會增大。而當爐料中有一定比例廢料時，這種傾向就會減少。

（2）避免液體金屬停留時間過長。如果熔體金屬在爐內停留的時間過長，變質失效，結晶組織粗化，引起鑄錠晶粒粗大，增大了羽毛晶生成傾向。因此盡量減少不必要的液體停留時間。

（3）點入Al-Ti絲對熔體進行細化處理。開始結晶時，若結晶核心多、晶粒細小，就會對羽毛晶的生長形成阻礙。為保證細化效果，細化劑在鑄造前在線播入。

5 結論

（1）熔體溫度780℃以上加Al-Er中間合金，加入Al-Er中間合金后每20min攪拌一次，共攪拌3次，攪拌期間保持熔體溫度在780℃。所制備的鑄錠Er元素成分均勻，吸收率較好。

（2）在Al-Mg系合金中添加微量元素Er，在熔體中主要是以Al3Er的形式存在，Al3Er相與基體之間存在共格或半共格的取向關系，所以添加微量的Er所形成彌散分布的Al3Er相能夠提高Al-Mg合金的力學性能。

（3）生產含Er鋁合金時將對一級廢料用量、熔煉溫度及停留時間進行控制，避免造成羽毛晶缺陷。

（4）該含Er元素Al-Mg合金420mm×1620mm規格鑄造工藝參數為：鑄造速度30～50mm/min，鑄造溫度715～740℃，冷卻水壓0.03～0.1MPa。

（5）通過在Al-Mg合金中加入0.1%～0.3%的Er元素能夠明顯提高合金的力學性能。

[1] ROYSETJ，RYUMN.Scandiuminaluminium[J].International Materials Reviews，2005，50(1)∶19-44

[2] 聶祚仁.鋁材中合金元素的作用與發展[J].中國有色金屬，2009，22∶56-57

[3] WENSP，GAOKY,HUANGH，NIEZR.Synergetic effect of Er and Zr on the precipitation hardening of Al-Er-Zr alloy[J]. Scripta Materialia，2011，65∶592-595

[4] WENSP，XINGZB，HUANGH，LIBL，WANGW，NIEZR.The effect of erbium on the microstructure and mechanical properties of Al-Mg-Mn-Zr alloy[J].Materials Science and Engineering A，2009，516：42-49

Research on Casting Process for Large-sized Flat Ingot of Al-Mg-Mn System with Er

LI Hai-xian，XU Jian-qiu，LI Xin-bin，SONG Liang-liang，KANG Guang-fan，LI Ai-hua
（Northeast Light Alloy Co.，Ltd.，Harbin 150060，China）

Large-sized flat ingot casting process of Al-Mg-Mn alloy containing Er was researched in the paper. Comprehensive analysis of production on site for Al-Mg-Mn alloy ingot containing Er with specifications of 420mm×1620mm was implemented. The process parameters of the flat ingot casting related to aluminum alloy containing Er element was determined finally. Through comparing with Al-Mg-Mn series alloy without Er element, some improvement measures were put forward for the existing problems.

Er element；feather crystals；strengthening effect

TG292

B

1005-4898（2017）01-0021-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.01.04

李海仙（1978-），女，山西平遙人，高級工程師。

2016-10-25