356 A.2合金錠生產(chǎn)工藝控制研究

何建明，周明麗

（中國鋁業(yè)股份有限公司連城分公司， 甘肅 蘭州 730335）

隨著國內(nèi)汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，356 A.2作為鋁合金車輪轂原料生產(chǎn)需求量越來越大，同時對理化指標(biāo)的要求越來越高。各企業(yè)比拼質(zhì)量與成本是保證市場占有率的主要做法[1]。因此更加精益的生產(chǎn)工藝控制成為當(dāng)前迫切需求。本文以采用原鋁液直接生產(chǎn)356 A.2合金時的工藝控制技術(shù)，分析了原料、合金元素配料、鑄造控制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制要點(diǎn)；在低成本條件下，解決了針孔度超標(biāo)、晶粒粗大、成分偏析的生產(chǎn)難題；總結(jié)出在現(xiàn)有設(shè)備條件下可穩(wěn)定生產(chǎn)的鑄造參數(shù)。

1 產(chǎn)品需求分析

356 A.2因主要應(yīng)用于鋁合金車輪轂。近年來半固態(tài)鑄造、擠壓鑄造旋壓成型等方法應(yīng)用增多，為保證輪轂的力學(xué)性能，對原料的金相組織提出了較高的要求。Al-Si合金二元共晶相圖見圖1。

圖1 Al-Si合金二元共晶相圖

在亞共晶范圍內(nèi)，鑄錠最終組織成分為初生Al相和鋁硅共晶相；當(dāng)為共晶合金時，全部為鋁硅共晶相。在此兩種狀態(tài)下A356.2才能具有預(yù)期的力學(xué)性能。在過共晶范圍內(nèi)，金屬液首先析出初生Si相，初晶硅一般比較粗大，呈板條或多角塊狀，對Al基體有很嚴(yán)重的割裂作用，影響力學(xué)性能。過共晶狀態(tài)對后續(xù)加工產(chǎn)生不利影響，為使合金產(chǎn)品獲得較好的客戶認(rèn)同，需要在生產(chǎn)過程中將產(chǎn)品控制在共晶或亞共晶狀態(tài)。

2 工藝過程

356 A.2鑄錠生產(chǎn)工藝過程主要包括：結(jié)晶硅入爐—鋁液入爐—添加其余合金元素—升溫熔煉—成分調(diào)整—精煉—靜置除渣—鑄造前分析—成分調(diào)整（需要時）—鑄造—打包—衡量—包裝。

3 化學(xué)成分控制

3.1 原料控制

1）原鋁液。鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.1%～0.15%時，能夠有效降低鋁硅合金的黏膜傾向，考慮其他添加物中的鐵雜質(zhì)，原鋁液中的鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.08%左右，保證合格并獲得最佳性價比。

2）工業(yè)硅。工業(yè)硅主要控制其含鐵指標(biāo)，優(yōu)選牌號3303或5530，較大的硅塊添加前應(yīng)砸碎。

3）鈦劑。鈦劑是用純金屬粉末和具有一定特性的助熔劑按一定比例均勻混合后經(jīng)壓制而成的塊狀物品。在356 A.2的生產(chǎn)中取代了鈦硼晶粒細(xì)化劑。除了用于調(diào)整不同牌號鋁合金中鈦元素的含量外，同時可降低熔煉溫度。鈦劑儲存時要確保環(huán)境干燥，使用前開箱開封，開封后的鈦劑非常容易氧化失效，從而影響實(shí)收率。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，超過保質(zhì)期或保存不好的鈦劑實(shí)收率約為75%。

4）純鎂。添加純鎂錠牌號為Mg9995A或Mg99 95B，原則上表面氧化嚴(yán)重時不得投入使用。實(shí)際生產(chǎn)中因少采購造成成本增加，多為成批購買，氧化現(xiàn)象很難杜絕。現(xiàn)場操作中用塑料包裝袋包裹，置于干燥避光環(huán)境中來降低氧化速度，三個月內(nèi)使用完畢。

3.2 配料控制

配料順序?qū)Ξa(chǎn)品的化學(xué)成分及晶粒細(xì)化有較大影響。企業(yè)所在地區(qū)夏季時鋁液入爐后溫度約為740℃，冬季可能降至710℃以下，在此條件下按照本文的順序配入合金元素可獲得非常好的效果。

1）按照配料計劃及原鋁液預(yù)分析報告預(yù)先稱量所需材料凈重，不可采用估計方式添加。

2）配入硅塊。爐內(nèi)均勻鋪裝硅塊，將加熱控制溫度設(shè)置為710℃，加熱時間約為20 min，使硅塊的溫度接近爐內(nèi)鋁液溫度，但不可以長產(chǎn)時間加熱，防止硅氧化損失。

3）盡可能在短時間內(nèi)按計劃量灌入鋁液，注意避免帶入電解質(zhì)。

4）配入鎂錠。Mg的含量及均勻性對356 A.2合金產(chǎn)品力學(xué)性能有重大影響，是關(guān)鍵配料指標(biāo)。為了降低鎂燒損，多數(shù)企業(yè)最后配鎂元素，但此種配料方法Mg元素偏析明顯，產(chǎn)品低倍組織晶粒粗大，不得不提高鈦劑的配入量，導(dǎo)致成本增加。在實(shí)踐中創(chuàng)新使用在入鋁口隨鋁液直接沖入熔體的方法配料，使鎂元素均勻分布在金屬液中，可以快速形成金屬化合物,有效解決偏析問題，實(shí)收率保持在95%以上。

5）鋁液、硅、鎂完全入爐后，進(jìn)行第一次熔體凈化。首先攪拌熔體15 min，其次使用氮?dú)獯祾?0 kg精煉劑精煉20 min，最后關(guān)閉爐門靜置30 min后扒渣取樣，檢驗(yàn)硅、鐵、鎂元素含量，如樣品數(shù)據(jù)符合控制范圍且不同樣品間數(shù)據(jù)差值小于最小分辨率的2倍，即可判斷配料適當(dāng)，否則進(jìn)行調(diào)整。配料調(diào)整后必須重新凈化才能取樣。

6）配入鈦劑。鈦劑配入量直接影響針孔度，在標(biāo)準(zhǔn)356A.2中Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.20%以下，但在實(shí)踐中，w（Ti）=0.14%是保證產(chǎn)品質(zhì)量在二級品以上的添加量分界點(diǎn)，其核心在于提供了足夠的細(xì)化核心。低于此配入量，最終產(chǎn)品低倍組織品級不會高于三級。配入鈦劑的最佳溫度為750℃，在此溫度下可保證鈦劑實(shí)收率在95%。冬季升溫效果不佳時優(yōu)先選擇75牌號的鈦劑，利用助燃劑降低熔煉溫度，提升實(shí)收率。直接將鈦劑均勻分撒拋入鋁熔池，待小火焰消失后，使用扒渣車快速攪拌，并根據(jù)實(shí)際情況，保證一定的擴(kuò)散時間，一般控制在20～30 min。

7）所有元素配料完畢后進(jìn)行第二次熔體凈化及取樣，各項(xiàng)指標(biāo)合格，配料完畢；不合格進(jìn)行調(diào)整，直至滿足訂單要求。

8）4 h內(nèi)不能鑄造，熔體吸氣嚴(yán)重，元素偏析增加，常規(guī)攪拌及精煉以不能保證鑄錠內(nèi)部質(zhì)量，需要整爐判廢，后續(xù)生產(chǎn)中作為冷料使用。控制各元素的一次配料合格率，減少配料過程的反復(fù)精煉，可有效減少氣孔和熔體的整體燒損，是配料人員的核心技能。

4 鑄造工藝控制

鑄件凝固結(jié)晶是由液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變的一個必然過程，區(qū)間溫度是指由液態(tài)到固態(tài)變化的開始到終了的時間。鑄件的材質(zhì)成分不同，其區(qū)間也不是一樣的。影響鑄件凝固結(jié)晶的鑄造工藝參數(shù)主要有鑄造溫度、鑄造速度、冷卻強(qiáng)度及環(huán)境條件。

4.1 鑄造溫度

普遍認(rèn)可鑄造溫度過高會導(dǎo)致底部裂紋、拉裂、羽毛晶組織；但實(shí)際上，因鑄造溫度低，液體在結(jié)晶器內(nèi)的氣體來不及上浮逸出液面，造成氣孔、疏松，還可能產(chǎn)生夾渣及冷隔等鑄錠質(zhì)量缺陷。3系鋁合金在鑄造過機(jī)中過渡帶較窄，宜將鑄造溫度設(shè)置在偏高的狀態(tài)，起鑄溫度不能低于710℃，鑄造溫度不可低于650℃。就目前企業(yè)設(shè)備及環(huán)境溫度，選擇鑄造溫度在650～670℃之間最佳。鑄造溫度高于690℃時，鑄錠表面快速形殼，內(nèi)部結(jié)晶速度變慢，從低倍組織樣品中可明顯看到疏松和氣孔缺陷；鑄錠表面出現(xiàn)魚鱗狀裂紋，外觀質(zhì)量不合格。

4.2 鑄造速度

鑄造速度對鑄錠表面質(zhì)量、鑄錠組織和性能有很大影響，一般規(guī)律是鑄造速度加快，鑄錠的組織和成分的不均勻性及疏松程度增加，使其機(jī)械性能有所下降，外觀質(zhì)量缺陷表現(xiàn)為波紋嚴(yán)重；在冷卻速度跟不上的情況下鑄錠表面氧化，形成灰白色的印記或在鑄錠下線完全冷卻后形成表面裂紋。此種狀態(tài)的產(chǎn)品對半固態(tài)鑄造、擠壓鑄造有影響。為保證產(chǎn)量，在質(zhì)量滿足的情況一般采用設(shè)備允許的最高鑄造速度生產(chǎn)。具體的鑄造速度控制值可以采用單因子試驗(yàn)的方法來進(jìn)行總結(jié)。

企業(yè)356 A.2鑄模可生產(chǎn)單塊重7.5 kg的鑄錠，設(shè)備可調(diào)速度為0～1800 r/min。冷卻水開到最大情況下，以200 r為間隔調(diào)整鑄造速度進(jìn)行試驗(yàn)（見下頁表 1）。

由此看出，選擇1200 r/min的鑄造速度進(jìn)行生產(chǎn)。鑄造速度與鑄造設(shè)備有緊密的聯(lián)系，是設(shè)備多種性能的綜合體現(xiàn)，其他企業(yè)的參數(shù)參考意義不大，在產(chǎn)品研發(fā)過程中，應(yīng)至少進(jìn)行一次單因子鑄造速度試驗(yàn)，總結(jié)出適合的參數(shù)設(shè)置。

表1 鑄造速度調(diào)整試驗(yàn)記錄表

4.3 冷卻強(qiáng)度

隨著冷卻強(qiáng)度的增大，鑄錠結(jié)晶速度提高，晶粒更加細(xì)化，鑄錠液穴變淺。冷卻強(qiáng)度的控制核心在于控制有效結(jié)晶溫度區(qū)間。合理的有效結(jié)晶區(qū)間通常需要試驗(yàn)確定。通常情況下，冷卻水溫設(shè)定在17°，但是由于地區(qū)氣候條件、供水設(shè)施等不同導(dǎo)致變化較大，因而出現(xiàn)一段時間內(nèi)發(fā)生質(zhì)量缺陷不明原因突然增加。假設(shè)在冷卻水溫穩(wěn)定的情況下，主要確定冷卻水量及冷卻水壓力。關(guān)系可參照經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：W為冷卻水流量，m3/s；F為管道橫截面積，m2；P 為冷卻水壓，MPa；g為重力加速度，9.8 m/s2。

根據(jù)觀察現(xiàn)場鑄錠冷卻情況，每秒約需要0.02 m3的噴淋冷卻水，計算后將冷卻水壓設(shè)定在0.1MPa。

5 產(chǎn)品包裝

在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，行業(yè)認(rèn)為小型鑄錠多為原料，需重熔后使用，忽視了產(chǎn)品包裝對質(zhì)量的影響。經(jīng)現(xiàn)場觀察，露天強(qiáng)光下無保護(hù)的356 A.2合金錠，在下線20 d左右即出現(xiàn)明顯氧化，用于冷料回爐時，熔體夾渣多于新品回爐。鑄錠表面附著灰塵、銹跡及油污，下游企業(yè)需增加原料處理工序。企業(yè)目前采用塑料包裝袋進(jìn)行保護(hù)，完全冷卻后立即包裝。后續(xù)跟蹤反饋顯示，達(dá)到客戶收貨點(diǎn)時，鑄錠外觀保持光亮。

6 結(jié)語

在356 A.2鑄造控制要點(diǎn)中，溫度為第一控制指標(biāo)。有條件的企業(yè)最好能對溫度測量進(jìn)行測量系統(tǒng)分析。經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證，在本文論述的控制方案下，產(chǎn)品的針孔度全部達(dá)到I級，實(shí)物樣品化學(xué)成分波動控制在±3%范圍，外觀合格率100%。

[1]于勇衡.A356.2合金直接水冷半連續(xù)鑄造法相關(guān)技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.