一種Al-Mg-Si-Cu系合金半連續鑄造工藝研究

劉兆偉，陳立超，楊 路，馬龍飛，段英冶，徐 鑫

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003）

Al-Mg-Si-Cu系合金因具有低密度、高比強度、良好的成型性、焊接性和低應力腐蝕敏感性等優點，逐漸替代一些鋼鐵材料成為輕量化汽車主體和部件材料[1]。合金的主要強化相為β（Mg2Si）相和Q（Al5Cu2Mg8Si6和Al4Cu2Mg8Si7）相[2]。

1 試驗方案

1.1 合金成分設計

試驗生產直徑為310mm、長度為1100mm的鋁合金圓鑄錠，設計成分如表1所示。影響合金的鑄造難度主要有成型性能和冶金純凈度兩方面。

在鑄造過程中熱裂紋一般為接近完全凝固時的溫度范圍內形成的，凡是影響溫度范圍內的線收縮、收縮阻礙和合金力學性能(強度和塑性)的因素，都將對熱裂趨向產生影響。本合金由多種合金元素組成，其元素及雜質累計接近4%。合金中含有超過極限溶解度的Zr元素，在合金中形成脆性化合物Al3Zr，使合金應力敏感性升高，導致合金裂紋傾向變大[3]。

1.2 鑄造溫度的工藝設計

對于圓鑄錠，鑄錠裂紋傾向性和鑄造溫度的關系不太敏感，而轉注過程中，熔體流量一般較小，熱量散失大。對于直徑較小的圓鑄錠，由于結晶速度較快，過渡帶尺寸較小，鑄錠性能通常較高，故鑄造溫度僅以滿足流動性和不形成光晶為依據，一般控制在715℃～730℃，根據試驗現場實際情況，控制在比較高的起爐溫度來抵消流槽溫降的損失，本試驗實際控制為750℃～770℃[4]。

1.3 冷卻速度的工藝設計

圖1 鑄造過程JMatPro凝固計算分析

由圖1可以看出，當冷卻速度較大時，二次枝晶壁間距較大，枝晶偏析較為嚴重，裂紋傾向性較大，同時鑄造強度較低，隨著冷卻速度的提高，二次枝晶壁間距降低，鑄造強度提高。Al-Mg-Si-Cu鋁合金的合金化程度較大，本次試驗的鑄造直徑為310mm。要選擇比普通6系合金低的水壓，綜合各種因素考慮，選取冷卻水壓為0.04MPa～0.08MPa，在防止開裂的前提下盡量提高冷卻速度，冷卻水流量控制為9.5 m3/h。

2 試驗結果及分析

2.1 表面質量及尺寸

鑄錠長度2m，彎曲度3mm/m，鑄棒表面平整、光滑，無冷隔、拉痕等缺陷，鑄錠底面、澆口處平整無裂紋。

2.2 組織

對其進行組織檢測，低倍無疏松、氣孔、夾雜、羽毛晶、光亮晶粒、粗大化合物聚集等缺陷，晶粒度1級，優于GB/T3246.2-2012標準要求。高倍晶粒尺寸均勻。

表1 合金化學成分設計（wt%）

表2 Al-Mg-Si-Cu合金試樣成分

2.3 成分偏析

分別在鑄錠橫斷面邊部、R/2處、心部取樣，結果見表2。成分均勻且符合表1要求，其中主要合金元素的成分偏析均未超過0.03%，符合結晶偏析規律。

2.4 斷口情況分析

將Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠進行均勻化處理，均勻化后試樣經過矩形試樣斷口分析，斷口處有韌窩存在，沒有看到有解理面或解理臺階，為靜強度破壞韌性斷裂。

3 結論

經上述工藝設計生產的鑄錠，表面質量及尺寸良好、成分偏析很小、低倍晶粒度1級、低倍檢測無缺陷、高倍晶粒尺寸均勻，經均勻化后，斷口為靜強度破壞韌性斷裂，材料韌性好。

[1]王芝秀,李海等．Cu含量對Al-Mg-Si-Cu合金微觀組織和性能的影響[J]．中南大學材料科學與工程學院,中國有色金屬學報,2012,22(12)：3348～3355．

[2]張新明,周志樂等．Cr元素對Al-Mg-Si-Cu鋁合金組織與性能的影響[J]．中南大學材料科學與工程學院,材料工程,2013(12)：-49～53．

[3]唐劍,王德滿等．鋁合金熔煉與鑄造技術[M]．北京：冶金工業出版社2009．4．

[4]蒙毅,崔建忠,趙志浩,朱遠志．Mg和Si含量對一種低頻電磁鑄造新型高強Al-Mg-Si-Cu合金組織性能的影響[J]．北方工業大學機械與材料工程學院,材料研究學報,2017,10：781～788