高Mg合金扁鑄錠電磁鑄造工具設(shè)計及工藝研究

王英軍

摘要：本文介紹了420mm以上大規(guī)格鑄錠試驗電磁鑄造的生產(chǎn)工藝流程，并對使用電磁鑄造的鑄錠進行了化學(xué)成分和晶粒度分析，通過分析電磁鑄造對不同列別合金系的影響，按照現(xiàn)行實驗的幾個批次結(jié)果進行階段性小結(jié)。

關(guān)鍵詞：電磁鑄造；成分偏析；晶粒度；

Abstract： The electromagnetic casting experiment was conducted on the high Mg alloy slabs with the thickness of over 420 mm， and the production process was introduced. The chemical compositions and grain sizes were analyzed for the slabs cast with the electromagnetic process. The periodical summary was drawn according to the batches of results of the current experiment through analyzing the influence of electromagnetic casting on several series of alloys.

Key words： electromagnetic casting； composition segregation； grain size

1前言

近年來，電磁場在鑄錠成型及改良鑄錠內(nèi)部組織中的應(yīng)用得到業(yè)內(nèi)的廣泛的關(guān)注，其主要包括中高頻電磁鑄造和低頻電磁鑄造等。其中低頻電磁鑄造采用更低的電磁場頻率，獲得了更大的磁場滲透深度，有利于提高鑄錠組織均勻性和獲得更好的組織細化效果，在國內(nèi)發(fā)展迅速。目前，扁鑄錠低頻電磁鑄造已經(jīng)在大學(xué)科研機構(gòu)中試鑄成功，實驗研究表明，低頻電磁鑄造對鑄錠具有顯著的晶粒細化作用。

隨著鋁加工制品不斷發(fā)展，扁鑄錠的規(guī)格和內(nèi)部組織要求不斷增加，超大規(guī)格扁鑄錠的熔鑄工藝研究工作顯得格外重要，但傳統(tǒng)鑄造方式難以有效解決大規(guī)格扁鑄錠心部晶粒粗大及偏析較重的問題，制約著鋁加工市場的發(fā)展。為良好控制大規(guī)格扁鑄錠晶粒度、減少鑄錠宏觀偏析，儲備電磁鑄造技術(shù)在工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用技術(shù)，特制定此項工藝研究。

2 試驗方案

2.1 試驗合金、規(guī)格

高Mg合金420mm厚以上扁錠。

2.2 工裝方案設(shè)計

2.2.1電磁感應(yīng)線圈位置的確定

為了保證電磁場對鑄錠結(jié)晶時的充分干預(yù)，根據(jù)傳統(tǒng)鑄造參數(shù)，確定鑄錠結(jié)晶區(qū)間形狀，擬定在距結(jié)晶器下沿150～300mm高度加裝電磁感應(yīng)線圈。

2.2.2電磁感應(yīng)線圈數(shù)量的確定

電磁感應(yīng)線圈的數(shù)量直接決定電磁力的大小，影響對結(jié)晶區(qū)間的束縛力和攪拌力。束縛力過大將改變扁錠角部幾何形狀，攪拌力過大將導(dǎo)致液面翻滾。根據(jù)生產(chǎn)規(guī)格的不同加裝2組或2組以上線圈，通過線圈分控控制電磁力。

2.3 工藝方案設(shè)計

（1）配料

本次生產(chǎn)采用固體料投料，Mg以純金屬形式加入，Mn和Cr以添加劑的形式加入，Be以中間合金的形式加入。

（2）熔煉工藝及成分控制

本試驗采用半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)的5083合金鑄錠，其化學(xué)成分如表1所示。

熔煉溫度720℃～760℃，720℃以上加Mn劑、Cr劑和Mg錠，F(xiàn)e>Si0.1%，熔煉爐加0.005%的Ti（Ti以Al-Ti絲的形式加入），并在熔煉溫度范圍內(nèi)導(dǎo)爐、取樣、調(diào)整化學(xué)成分、精煉、靜置。

（3）鑄造工藝

鑄造采用Ar氣精煉20分鐘，靜置20分鐘，采用Alpur進行在線除氣，采用30+50PPi陶瓷片進行過濾。

5083合金420mm厚鑄錠鑄造工藝參數(shù)見表2。

由于電磁場的加入，鑄錠結(jié)晶區(qū)間將發(fā)生變化，擬定先施加較弱的電磁力，按原工藝參數(shù)鑄造，然后根據(jù)鑄錠情況調(diào)整電磁力及工藝參數(shù)。

3試驗過程

通過試驗，研究電磁場對扁鑄錠成型及鑄錠內(nèi)部組織的影響，同時為今后工業(yè)化應(yīng)用電磁鑄造技術(shù)積累經(jīng)驗。

取頭、尾試片，從試片寬度方向中心打斷，其中試樣A檢測化學(xué)成分，分析鑄錠截面寬度方向和厚度方向化學(xué)成分的偏析程度，試樣B檢測低倍，包括晶粒度、顯微疏松，B1另檢測皮下偏析層厚度。

鑄錠各項檢測用試樣的位置見圖1。

4高Mg系合金質(zhì)量分析

4.1寬度方向化學(xué)成分

4.1.1鑄錠底部Mg元素偏析情況

（1）鑄錠底部化學(xué)成分及試驗方案見表1。

（2）鑄錠底部化學(xué)成分偏析趨勢圖見圖2。

4.1.2鑄錠澆口Mg元素偏析情況

（1）鑄錠澆口化學(xué)成分及試驗方案見表2。

（2）鑄錠澆口化學(xué)成分偏析趨勢圖見圖3。

4.2厚度方向化學(xué)成分

4.2.1鑄錠底部Mg元素偏析情況

（1）鑄錠底部化學(xué)成分及試驗方案見表3。

（2）鑄錠底部化學(xué)成分偏析趨勢圖見圖4。

4.2.2鑄錠澆口Mg元素偏析情況

（1）鑄錠澆口化學(xué)成分及試驗方案見表4。

（2）鑄錠澆口化學(xué)成分偏析趨勢圖見圖5。

4.3對比分析

4.3.1寬度方向

（1）底部

方案2成分偏析明顯小于其他3條未使用電磁攪拌設(shè)備的曲線，即電磁攪拌設(shè)備與結(jié)晶器間距100mm，強度30%，攪拌方向雙循環(huán)，方向60s切換。

（2）澆口

方案2、3、6、7相對偏析程度較小，其中方案7最大偏析值最小，但與其他所有方案趨勢不同，懷疑為壞值；方案6中心部位成分偏低，綜合比較方案2、3相對較好，即電磁攪拌設(shè)備與結(jié)晶器間距100mm，強度70%，攪拌方向雙循環(huán)。

4.3.2厚度方向

（1）底部

同寬度方向一致趨勢一致。

（2）澆口

方案5、7相對偏析程度較小，即電磁攪拌設(shè)備與結(jié)晶器間距50mm，強度70%，攪拌方向雙循環(huán)。

4.4初步結(jié)論

4.4.1寬度方向距離100mm，強度70%，攪拌方向雙循環(huán)，化學(xué)成分相對偏析較小。

4.4.2厚度方向距離50mm，強度70%，攪拌方向雙循環(huán)，化學(xué)成分相對偏析較小。

4.4.3電磁攪拌強度相對較低時對鑄錠底部化學(xué)成分偏析改善明顯，下一步試驗澆口部位低強度電磁攪拌的作用效果。

4.5低倍結(jié)果

低倍檢測結(jié)果見表5。

4.6對比分析

4.6.1底部使用電磁攪拌設(shè)備采用距離100mm，強度30%，雙循環(huán)，方向60s切換方案與不使用電磁攪拌設(shè)備相比，最大晶粒區(qū)域直徑中心、寬度邊部基本無變化，厚度邊部則減小29%；最小晶粒區(qū)域直徑寬度邊部基本無變化，中心、厚度邊部則減小27%。

4.6.2澆口使用電磁攪拌設(shè)備采用距離100mm，強度70%，雙循環(huán)方案與不使用電磁攪拌設(shè)備相比，最大晶粒區(qū)域直徑、最小晶粒區(qū)域直徑各位置基本無變化。但攪拌方向不切換厚度邊部皮下偏析層厚度明顯增大。

4.7初步結(jié)論

4.7.1底部強度30%對晶粒度尺寸有一定改善作用。

4.7.2澆口強度70%對晶粒度改善作用不明顯。

4.7.3下一步試驗澆口低強度電磁攪拌的作用效果。

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