不同投料結構對高鎂鋁合金性能的影響

吳曉旭，才 智，馬月，孫海波，王 影

（東北輕合金有限責任公司，哈爾濱150060）

不同投料結構對高鎂鋁合金性能的影響

吳曉旭，才 智，馬月，孫海波，王 影

（東北輕合金有限責任公司，哈爾濱150060）

介紹了在高鎂合金方鑄錠中使用銑床三級屑的工藝流程，并對采用三級屑所生產的高鎂合金鑄錠進行質量全分析，通過和普通生產工藝對比研究，確定出使用這兩種方法生產的高鎂合金鑄錠在微觀組織及力學性能等方面并無明顯差異，板材力學性能滿足標準，鑄錠質量優良。

高鎂鋁合金；三級屑；全分析

0 前言

廢料又稱回爐料，是在熔煉鑄造、壓力加工及機械加工等生產過程中所產生的幾何加工余料、工藝廢品和工藝廢料。廢料具有成分復雜、外形不一、污染嚴重、表面積大、價格便宜等特點。為了合理利用資源，降低生產成本，在熔煉時通常使用一定比例的廢料。我廠產生的廢料分為三個等級，即一級廢料、二級廢料、三級廢料。傳統意義的三級屑廢料具有污染重、顆粒小的特點，直接投入使用會對鋁熔體造成不良影響，必須復化或嚴格控制使用。銑床所產生的三級屑廢料具有成分單一、顆粒大、無其他夾雜等優點，同時目前國內的熔鑄生產線均具有爐外在線除氣凈化等手段，這些都為三級屑廢料的直接使用創造了有利條件，直接投入三級屑還可有效避免復化過程攪拌不均勻、扒渣不徹底造成的質量隱患，同時還可降低生產成本。為此，決定選擇批量大控制手段齊全的合金為研究對象，在高鎂鋁合金中直接投入三級屑進行試驗，在保證產品質量的前提下，確定合理投料方式、投料比例。

1 試驗過程

1.1 化學成分及配料

試驗合金采用GTB5083，其化學成分見表1。

表1 GTB5083合金化學成分（質量分數／%）

方案1：新鋁錠額20%～80%，不允許使用三級料及復化錠。

方案2：新鋁錠額20%～80%，不允許使用復化錠，使用三級料量為20%。其余為一級廢料。

1.2 熔煉工藝

熔煉溫度700～750℃，使用2號熔劑進行熔體覆蓋，出爐前加0.005%的Ti（Al-Ti絲）。

鑄造時采用2#熔劑，走雙在線凈化裝置，雙級過濾，鑄造每根鑄錠雙點入Al-Ti-0.2B絲250mm/min，擋板前溫700～730℃。

GTB5083合金420mm×1620mm鑄錠均火制度如表2所示。

表2 GTB5083合金420mm×1620mm鑄錠均火制度

2 試驗結果

對兩種配料方式生產的GTB5083合金鑄錠分別切取試片進行質量全分析，取樣位置如圖1所示。

圖1 試片取樣位置

兩種配料方式生產的GTB5083合金在試片上的取樣位置相同。圖1中，試樣1、3、5、7、9為化學成分分析試樣，試樣2、4、6、8、10用作高倍組織觀察，試樣11～15用作力學性能試驗，試樣18做低倍組織觀察。

2.1 表面質量

采用上述兩種不同配料生產工藝生產的GTB5083合金鑄錠外觀質量沒有明顯差別，表面無裂紋、拉裂等明顯缺陷，鑄錠表面質量符合檢查工藝操作規程的要求。

2.2 最終化學成分

GTB5083合金鑄錠中主要元素Mg、Mn、Cr的化學成分偏析情況如圖2、圖3、圖4所示。

從以上3張圖表可以看出GTB5083合金中主要元素Mg、Mn、Cr的化學成分偏析情況，主元素Mg含量偏析較大，但兩種方式生產的鑄錠Mg含量均符合國標要求，其余雜質元素由于控制含量低，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 GTB5083合金Mg元素偏析情況

圖3 GTB5083合金Mn元素偏析情況

圖4 GTB5083合金Cr元素偏析情況

2.3 鑄錠低倍及高倍組織觀察

采用不同工藝生產的GTB5083鑄錠，在低倍組織中均沒有發現裂紋、氣孔、疏松、化合物、白斑、夾渣等冶金缺陷。

GTB5083合金鑄錠高倍組織觀察結果如圖5所示。

圖5 GTB5083合金高倍組織

從圖5高倍組織照片可以看出，在兩種工藝生產的GTB5083合金鑄錠高倍組織中，從鑄錠中心至邊部，枝晶間距逐漸變小并且較均勻，枝晶臂變厚，符合鋁合金熔煉過程中的結晶規律。

2.4 鑄錠的力學性能

沿試片中心至邊部取樣（圖中11→17同時代表使用三級屑與不使用三級屑生產的GTB5083合金鑄錠相對應的取樣位置），檢測鑄錠力學性能，結果如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 GTB5083合金規定非比例伸長應力RP0.2

圖7 GTB5083合金抗拉強度檢測結果

圖8 GTB5083合金斷后伸長率檢測結果

從圖6、圖7和圖8可以看出不同配料方式生產的GTB5083合金鑄錠力學性能的差異，其中使用三級屑生產的GTB5083合金鑄錠與不使用三級屑生產的GTB5083合金鑄錠相比：抗拉強度略低，規定非比例伸長應力相當，斷后伸長率低一些，整體差異不大。

使用三級屑生產的GTB5083鑄錠軋制成板材后經探傷反饋，與不使用三級屑鑄錠板材探傷無明顯差異。

3 分析與討論

3.1 化學成分對高鎂合金性能的影響

GTB5083合金屬于高鎂鋁合金，具有較高的力學性能和機械加工性能及良好的耐腐蝕性能。由于GTB5083合金化學成分的范圍較大，當化學成分的取值不同，會得到不同的材質特性，致使材料的綜合性能不易控制，所以結合實際生產總結出化學成分對GTB5083合金力學性能及腐蝕性能的影響，尋找出力學性能及腐蝕性能滿足國家標準要求的最佳合金化學成分組成。

3.1.1 Mg的作用和影響

高鎂鋁合金中的GTB5083合金為熱處理不可強化合金，Mg是GTB5083合金的主要組成元素，起著主要強化作用，合金的主要強化相為β（Mg2Al3）相。Mg作為GTB5083合金中的主要強化元素，具有一定的固溶強化作用。隨著Mg含量的增加，合金中β相也隨著增加。因為β相在共晶組織中呈骨骼狀，硬度較大，β相的增加必然導致合金強度升高。Mg含量對GTB5083合金力學性能的影響見圖9。

圖9 Mg含量對GTB5083合金力學性能的影響

從圖9中可以看出，隨著Mg含量的增加，抗拉強度和屈服強度也逐漸升高，而伸長率則呈先降后升的趨勢。根據資料顯示每增加1%的Mg，抗拉強度就提高30～35N/mm2，Mg含量對屈服強度影響最大，含Mg量高的合金材料，屈服強度也高，Mg含量每增加0.3%，屈服強度提高17.5MPa。當Mg含量低于4%時，合金的抗拉強度低于250N/mm2,當Mg含量位于4%～5%之間，合金的抗拉強度可以達到250～280N/mm2。由于GTB5083合金基本上處于單相固溶體區，所以合金具有良好的耐腐蝕性能。因此Mg含量應控制在上限，能保證得到屈服強度指標較好、性能穩定的GTB5083合金材料。又由于Mg是易燃金屬，熔煉操作時會有燒損，在確定Mg的控制范圍時要考慮燒損所帶來的誤差，但不能放得太寬，以免合金性能失控。

3.1.2 Mn的作用和影響

高鎂合金中添加Mn元素不但有利于合金的抗蝕性，而且還能使合金的強度提高。隨著Mn含量增加，合金強度有所提高，合金元素Mn能夠起到補充強化的作用，每增加0.1%Mn，抗拉強度就提高5～7MPa，比等量的Mg效果更好。另外，合金中加入Mn還可以降低熱裂紋傾向，改善合金的抗腐蝕性能和焊接性能。同時，實踐表明，鋁鎂合金通常應含有低于1%的Mn。其原因在于Mn提高了合金的再結晶溫度。Al-Mg二元合金退火時晶粒容易長大，添加少量的Mn具有抑制晶粒粗化的作用，并使合金強度略有提高，尤其對屈服強度更為明顯。Mn還能改善鋁鎂合金的耐蝕性能，特別是可提高耐應力腐蝕性能。因此，Mn可以控制在中限。

3.1.3 Cr的作用和影響

Cr對高鎂合金性能的影響與Mn相似。固溶于鋁中的Cr對鋁的腐蝕電位幾乎沒有影響，Cr是鋁合金中的一個微量元素，能提高Al-Mg合金的抗腐蝕能力，提高腐蝕性能。

因此，為了保證足夠的細化作用和使合金具有較高的耐腐蝕性能，可以在合金中加入Cr。因為在GTB5083合金中Cr與Mn有相似的作用效果，而且同時加入兩元素時強化效果比單一加入更好。同樣為避免降低合金的壓力加工能力和使力學性能惡化，Cr含量應以接近內標上限為宜。一般Cr含量控制在0.08%～0.10%之間。

3.1.4 Ti的作用和影響

Ti的主要作用是細化晶粒。在GTB5083合金中添加Ti有利于得到具有細晶組織的鑄錠，并能改善板材的耐腐蝕性能和可焊性，通常鑄造時采用在靜置爐加10～15kg的Al-Ti絲進行晶粒細化，同時在GTB5083合金中加入Ti還有助于消除合金鑄造過程中的熱裂紋傾向。

3.2 配料時加入廢料對鑄錠的影響

3.2.1 對組織狀態的影響

變形鋁合金在鑄造過程中有時會產生粗大柱狀晶、粗大等軸晶、晶層分裂和羽毛晶等缺陷，這些缺陷的產生與熔體中非自發形核的數量不足有關。為了增加非自發形核數量，通常采用的方法是向熔體中加入Al-Ti中間合金，增加廢料的使用量和降低所用新鋁的品位。

3.2.2 對熔體純凈度的影響

廢料對熔體純凈度的影響主要有以下幾方面：（1）廢料本身純潔度的高低會影響其熔化后熔體中氧化鋁含量的多少，因此對生產要求嚴格的合金制品，應選擇金屬純潔度較高的廢料；（2）鋁合金易氧化吸氣，所有暴露在空氣中的鋁表面都覆蓋有氧化鋁膜，并吸附有水分，若所用廢料的比表面很大，則帶入爐內的氧化鋁和水分增加，因而污染熔體的程度增加，因而應選擇比表面較小的廢料使用；（3）廢料表面被乳液和潤滑油污染的程度很大時，帶入爐內的碳氫化合物增加，熔煉過程中爐氣的水分壓增加，自然使鋁合金氧化或吸氣的程度增加。廢料表面的泥土本身就是非金屬夾雜物，同時這些泥土中還容易吸附較多的水分，增加金屬的吸氣和氧化。因此生產金屬純潔度要求嚴格的制品時，應選擇被油污和泥土弄臟程度較小的爐料。

3.2.3 對加工工藝塑性的影響

影響加工工藝塑性的因素很多，如爐料的組成、化學成分、鑄錠的組織狀態、均火效果以及加工工藝本身等等。就廢料的影響而言，影響加工塑性的主要因素是氧化鋁含量。因此，在配料時要避免集中使用氧化鋁含量高的廢料。

4 結論

通過以上試驗及分析結果可以得出結論：

（1）使用三級屑和不使用三級屑生產的GTB5083合金鑄錠的微觀組織及力學性能等方面并無明顯差異，而使用三級屑的生產的GTB5083合金成分偏析程度更小，板材探傷后的性能均可以滿足用戶要求。

（2）為保證高鎂合金的熔體純凈度，鑄造時走在線、雙級過濾。

CNKI推出《中國高被引圖書年報》

日前，中國知網（CNKI）中國科學文獻計量評價研究中心推出了一套《中國高被引圖書年報》，該報告基于中國大陸建國以來出版的422萬余本圖書被近3年國內期刊、博碩、會議論文的引用頻次，分學科、分時段遴選高被引優秀學術圖書予以發布。據研制方介紹，他們統計并分析了2013-2015年中國學術期刊813萬余篇、中國博碩士學位論文101萬余篇、中國重要會議論文39萬余篇，累計引文達1451萬條。根據統計數據，422萬本圖書至少被引1次的圖書達72萬本。研制方根據中國圖書館分類法，將72萬本圖書劃分為105個學科，分1949-2009年和2010-2014年兩個時間段，分別遴選被引最高的TOP 10%圖書，共計選出70911本優秀圖書收入《中國高被引圖書年報》。統計數據顯示，這7萬本高被引優秀圖書雖然只占全部圖書的1.68%，卻獲得67.4%的總被引頻次，可見這些圖書質量上乘，在同類圖書中發揮了更加重要的作用。該報告還首次發布各學科“學科h指數”排名前20的出版單位的評價指標，對客觀評價出版社的社會效益——特別是學術出版物的社會效益具有重要的參考價值。

該報告從圖書被引用的角度出發，評價圖書的學術影響力，彌補了以銷量和借閱等指標無法準確評價學術圖書的缺憾，科學、客觀地評價了圖書、圖書作者以及出版單位對各學科發展的貢獻。

《中國高被引圖書年報》把建國以來出版圖書全部納入評價范圍屬國內首創，是全面、客觀評價圖書學術影響力的工具，填補了目前圖書學術水平定量評價的空白，在幫助圖書館建設特色館藏和提高服務水平、幫助出版管理部門了解我國學術出版物現狀、幫助科研機構科研管理、幫助讀者購買和閱讀圖書等方面，均具有較強的參考價值，也為出版社評估出版業績、決策再版圖書、策劃學科選題提供有用的信息。

《中國高被引圖書年報》由《中國學術期刊（光盤版）》電子雜志社有限公司出版。該產品的形式為光盤電子出版物，分為理學、工學、農學、醫學、人文科學和社會科學6個分卷，隨盤贈送圖書，歡迎您咨詢、訂購。咨詢電話：010-82710850 82895056轉8599，email：aspt@cnki.net

Influenceof Different Feeding Structureon High M agnesium Alum inum Alloy

WU Xiao-xu，CAIZhi，MA Yue，SUN Hai-bo，WANG Ying
（Northeast Light Alloy Co.,Ltd.,Harbin 150060,China）

The process flow of high magnesium alum inum alloy using three-level chips aremainly introduced,and quality of high magnesium alum inum alloy w ith using three-level chipsproduction isanalyzed.Through comparative study w ith generalproduction process,it is confirmed that there is no obvious difference on m icrostructure w ith these two production,mechanical properties of platemeetstandard requirement.

highmagnesium alum inum alloy;three-levelchips;fullanalysis

TG146.21

：A

：1005-4898（2017）04-0059-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.04.14

吳曉旭（1984－），女，黑龍江省哈爾濱市人，工程師。

2017－02－06