關于熱頂鑄造6082合金圓鑄錠表層成分偏析的研究

沈國新，劉金輝，周桂山，張 迪，曹 威

（廣東興發鋁業（河南）有限公司，焦作454550）

關鍵字：熱頂鑄造；6082合金；圓鑄錠；表層；成分偏析

0 前言

6082合金屬于Al-Mg-Si系熱處理可強化鋁合金，具有中等強度、良好的焊接性能和耐腐蝕性，主要用于交通運輸和結構工程工業，如橋梁、起重機、屋頂構架和冷藏集裝箱等。近年來，隨著國家提倡節能減排，6082合金在集裝箱、車輛輕量化、代替鋼鐵部件的工業應用中迅速發展。

姜慶、李群對Al-Mg系5052合金表層成分偏析進行的研究表明，鑄錠表面成分Mg偏析嚴重，表層1mm處Mg的含量為正常基體的2倍左右，從表皮到中心方向逐步下降至基體成分，屬于典型逆偏析[1]。

朱光磊等人對Al-Si系4032合金表層成分偏析進行研究。結果表明，鑄錠表層Si成分先降后升，當檢測厚度達2.5mm時趨近基體的固定值。整體成分偏析規律呈正偏析[2]。

4032、5052是典型的工業材，合金成分較高，4032合金Si含量12%，5052合金Mg含量2.5%，合金成分高偏析現象明顯，對最終產品性能的影響更為明顯，故研究比較充分。6082合金中Si、Mg元素含量都不到1%，偏析范圍小不明顯，對型材力學性能的影響也是時隱時現，常常被人忽略，誤以為是熱處理工藝問題。經過長期跟蹤和大量數據的積累，發現大規格直徑6082表層化學成分存在一層不同于正逆偏析的特殊宏觀偏析層。

1 實驗方法

實驗材料6082圓鑄錠規格為φ292mm×6800mm；均質棒、白棒各一組。基體成分測量采用斯派克直讀光譜儀直接測量，徑向取12點取平均值，作為基體成分。為了克服能譜掃描區域激發范圍不足，我們采用的是分光度化學分析的方法，逐層車削取樣，逐層檢測。化學分析的優點是可以測出整個區域的平均成分，避免組織不均勻引起的成分偏析帶來的影響。對表層鋁棒取樣做金相檢測，分析金屬內部組織結構，分析形成機理。

2 實驗結果

2.1 圓鑄錠徑向成分分布光譜分析結果

光譜分析結果見表1所示。

從表1中可看出均質棒、白棒的成分在誤差內基本一致，誤差范圍很小。生產實際中，我們積累的大量光譜分析數據表明，合金成分在徑向分布是基本均勻的，不存在明顯偏析規律。

表1圓鑄錠徑向成分（質量分數/%）

2.2 圓鑄錠表層化學分析結果

6082的Si、Mg、Mn是根據分光度化學分析來檢測的。由于光電直讀光譜的激發孔徑為12mm，有效區域直徑為9mm。光譜儀無法檢測表層化學成分，故只能通過化學手段檢測。6082合金的基體成分為光譜檢測結果。檢測結果如表2、表3所示。其分布情況如圖1、圖2所示。

表2φ292-6082白棒表層主要成分

表3φ292-6082均質棒表層主要成分

圖1φ292-6082白棒表層主要成分分布

圖2φ292-6082均質棒表層主要成分分布

從上述檢測結果可得出：

（1）φ292-6082圓鑄錠表層存在明顯有規律的偏析層。該偏析層屬于宏觀偏析，不能通過成分均勻化熱處理消除，均質棒與白棒分布規律相同，不屬于逆偏析的范疇。

（2）偏析層中Si、Mg元素偏析規律及程度存在高度一致的正相關，變化曲線呈“勺子”形狀分布，先高后低再上升到基體成分。表層偏析層1mm厚度偏析最為嚴重，Si、Mg含量約為基體成分含量的2倍，其中Si含量更高；然后元素含量快速下降，一直下降到低于基體成分16%，保持一定的范圍，然后逐漸回升到與基體成分接近；Mn的偏析規律相似，但偏析程度相對很微小。

（3）圓鑄錠偏析層厚度約為6mm。在距離邊緣0～1mm的厚度層，Si、Mg成分含量非常高，約為正常基體成分的2倍。在1～2mm厚度處，成分偏析迅速減少，與基體成分接近而略高；在2～4mm處，成分偏析出現了反轉的現象，Si、Mg含量要明顯低于基體成分，下降了約16%；在4～5mm厚度處，Si、Mg成分開始回升，接近基體成分；在5～6mm處，成分與基體成分基本一致；6mm之外，由于可以通過光譜儀直接分析化學成分，結果沒有發現偏析現象。

（4）大量實驗證實，φ292-6082圓鑄錠表層偏析層是有規律性的、可重復出現的偏析現象。

3 表層成分偏析的形成機理

為了研究6082圓鑄錠表層成分偏析的形成機理，我們將圓鑄錠（未均質）表層取樣做金相分析并對熱頂鑄造結晶凝固過程進行了深入分析。

3.1 金相檢驗結果

將金相樣品測試面經磨光拋光+電解拋光后，進行金相顯微組織分析，得到圖3、圖4和圖5金相圖。

圖3細晶區（未均質）

圖4過渡晶區（未均質）

圖5正常晶區（未均質）

分析上述各金相圖后可知：

（1）圖3是鑄錠最表層的金相圖，可看出在鑄錠最表面約0～2mm區間存在一層晶粒非常細小的區域，區域內有大量豐富的樹枝晶網絡結構，呈骨骼樹枝狀生長。晶界大量分布聚集著Mg2Si及其他雜質相，偏析區共晶的體積比例遠高于正常基體組織。晶界間還含有大量空隙和較大的空洞。

（2）圖4是過渡晶區，細小的樹枝晶過渡到粗大的等軸晶，與正常晶粒一致，晶界網絡明顯減少，晶界第二相及其他相明顯減少。圖5是正常基體的金相組織。

將金相樣品測試面經磨光拋光+電解拋光/堿液腐蝕后進行體視鏡觀察。觀察結果如圖6～圖9所示。

由于細晶區已覆蓋整個100倍視場，偏析層厚度無法正常測出，故改用放大倍數較低的體視鏡進行測量，整個偏析層的原貌可以很直觀呈現出來。

正如圖6～圖9所示，可以很清晰表現出圓鑄錠偏析層各層之間的原貌。0～1mm厚度處是密集的細晶區，溶質成分要遠高于基體化學成分。約2mm處為細晶區過渡區，所以化學成分迅速下降，與基體接近但略高出。在2～4mm厚度層內，Si、Mg元素含量明顯低于基體成分。從圖中可以明顯看出，在相同的腐蝕條件下無論是電解拋光還是堿蝕，該厚度層腐蝕程度明顯高于表層及正常基體。到6mm處，腐蝕情況與基體相同。

圖6電解拋光

圖7拋光后堿液腐蝕

圖8電解拋光

圖9拋光后堿液腐蝕

3.2 圓鑄錠結晶凝固鑄造過程

6082圓鑄錠采用熱頂鑄造方式生產（見圖10）。鑄錠結晶凝固時熱交換分為3個階段：第一階段，液態金屬進入結晶器與石墨環接觸，迅速進行熱交換，快速凝固，形成硬殼；第二階段，由于結晶器使鑄錠快速凝固，而導致鑄錠在徑向產生收縮，鑄錠與石墨環之間產生氣隙，因為空氣導熱率減少，導致熱交換急劇下降到最低；第三階段，當鑄錠從結晶器出來，受到噴水冷卻時，熱交換又劇烈進行，鑄錠迅速凝固[3]。

圖10熱頂鑄造示意圖

在實際生產中，由于結晶器的冷卻作用，靠近結晶器石墨環的鑄錠首先凝固。由于凝固而產生的鑄錠收縮，鑄錠外殼離開石墨環，產生氣隙使鑄錠冷卻速度減緩，導致液穴溫度回升，凝固外殼產生局部軟化和重熔現象，此時填充在枝晶間的和晶界的低熔點相，在金屬液穴金屬靜壓力的作用下，沿著枝晶間和晶粒間隙流到鑄錠表面，形成偏析層[4]。當鑄錠從結晶器出來，受到噴水冷卻時，熱交換又劇烈進行，鑄錠迅速凝固。

圓鑄錠模具結晶器的石墨環高度為30mm，到水孔位置10mm，水孔以一定傾角強傾向鑄錠，使得鑄錠在離開結晶器后，還要經過10mm距離才與冷卻水直接接觸。所以，從結晶器石墨環頂部到直接噴水冷卻位置距離達50mm。在實際生產中，根據觀察石墨環的痕跡，可以基本確定，在石墨環約10mm處，鑄錠外殼就已經凝固收縮，形成氣隙，鑄錠第一階段熱交換結束。第二階段熱交換開始，從石墨環頂端10mm到距離直接噴水冷卻位置約為40mm。按照φ292-6082鑄錠速度為68mm/min，可以計算出第一階段熱交換時間約為8s，第二階段熱交換時間為35s，第三階段熱交換從水冷開始到鑄造結束。

3.3 6082圓鑄錠表層偏析的形成機理

從6082熱頂鑄造的結晶凝固過程可推導出鑄錠表層偏析的形成過程：

（1）第一階段冷卻是從鑄錠邊緣向中心急劇冷卻，形成細小晶粒，晶界間因為沒有鋁液及時補縮，出現微小縮孔。縮孔內部屬于負壓，重熔時會形成吸力，吸引晶界間的液體沿晶界網絡向邊緣移動。

（2）第二階段熱交換急劇下降導致液穴中鋁液開始加熱鑄錠邊緣，從中心到邊緣殼層逐步出現軟化及重熔。第二階段時間長達35s，重熔過程有充分的時間進行。

（3）根據Al-Mg2Si二元平衡相圖可看出，Al-Mg2Si共晶在595℃就熔化成液態，溫度繼續上升，晶粒溶解縮小，晶界擴大變寬。當晶界網絡連通時，表層晶界上的顯微縮孔的負壓及液態金屬靜壓力充當吸力及壓力，將表層附近高溶質鋁液推送到表面附近，造成表層0～2mm厚度成分偏高。從圖3中可看出表層晶粒雖細小，但晶界寬大，網絡發達，遠超正常基體。

（4）表層2～4mm厚度層，由于冷卻較邊緣表層慢，結晶時有相對多溶質排出到晶界造成晶界溶質富集，晶粒內部溶質貧乏。當第二階段熱交換開始時，該區域晶界溶質富集區由于熔點低首先熔化，并逐步移動到鑄錠表層附近，而晶界間則被基體鋁液替代。該區域由溶質貧乏的晶粒加基體鋁液組成。

（5）第三階段冷卻開始時，晶界間鋁液重新凝固，晶粒長大，晶界縮小，但溶質富集的晶界間化合物轉移到表層，替代的是基體成分，結果必然造成此區域成分低于基體成分。

（6）在6082合金中，Si、Mg元素以Mg2Si金屬間化合物形式存在，并且Si元素相對過量，并在晶界會形成Al-Mg2Si共晶。

通過上述分析可以推斷出，Si、Mg元素偏析規律及偏析程度會保持高度一致，而Si元素因為過量會導致偏析程度稍高，圖1、圖2中的實驗結果與推斷完全吻合。

4 結論

（1）熱頂鑄造方式生產的6082圓鑄錠表層存宏觀偏析層，Si、Mg、Mn主要合金元素都存在偏析，Si、Mg偏析規律及程度高度一致。偏析規律表現呈“勺子”形狀分布，表層0～1mm高出基體成分約2倍；2～4mm則低于基體成分約16%；5mm之后逐漸接近基體成分。

（2）圓鑄錠表層的偏析層不屬于逆偏析的范疇，它是由熱頂鑄造的生產方式造成的。鑄造過程存在不同冷卻階段，導致結晶凝固過程反復，最后形成有特殊偏析規律的偏析層。

（3）熱頂鑄造6082圓鑄錠偏析層的形成機理是：鑄錠在凝固結晶過程中，表層經歷了急劇冷卻凝固-晶界重熔-溶質在晶界網絡流動-再凝固過程。晶界重熔引起溶質流動，溶質流動導致表層不同區域出現成分偏析，最終形成“勺子”形狀、先高后低再回升到基體成分的偏析層。