大規格3003 鋁合金扁錠的熔鑄工藝及裂紋缺陷控制

(青海橋頭鋁電股份有限公司，青海 西寧 810100)

0 前言

某公司根據用戶需要，生產了一批規格為2 130 mm×630 mm×6 000 mm 的3003 鋁合金扁錠。在生產初期的幾個爐次中，3003 鋁合金扁錠的大面出現了嚴重的裂紋缺陷，甚至出現了通裂缺陷，從而導致合金扁錠成批報廢，給企業造成一定的經濟損失。為此，公司組織技術人員對裂紋缺陷產生的原因進行分析，并采取措施控制裂紋缺陷的產生。經過多次生產試驗，終于解決了裂紋缺陷產生的問題，生產出用戶滿意的大規格3003 鋁合金扁錠。

1 3003 鋁合金扁錠的化學成分

3003 鋁合金扁錠的化學成分見表1。

從表1 可以看出，3003 鋁合金是Al-Mn-Cu 鋁合金。除了Mn 和Cu 是主要合金化元素外，Si、Fe和Zn 元素均以雜質元素的形式存在。

表1 3003 鋁合金的化學成分 %

2 3003 鋁合金扁錠的熔鑄工藝

2.1 3003 鋁合金的化學成分優化

3003 鋁合金中的Mn 含量較高(1.0%～1.5%)，容易導致后續軋制退火板材中出現FeMnAl6金屬間化合物一次晶缺陷；而Fe、Si 的含量及其相對含量(ω(Fe)/ω(Si))則關系到合金凝固過程β-Fe 相、α-Fe相以及游離Si 的產生。Fe、Mn 的含量及Fe +Mn 的總量則影響FeMnAl6金屬間化合物的生成。β-Fe 相、α-Fe 相以及FeMnAl6均為硬脆性金屬間化合物，游離Si 為初生硅，它們對合金凝固過程中裂紋的形成有很大的影響[1]。因此，為避免大規格3003 鋁合金扁錠產生裂紋和通裂缺陷，在配料熔煉之前對3003鋁合金進行化學成分優化很有必要。優化后的3003 鋁合金化學成分見表2。

表2 優化后的3003 鋁合金化學成分 %

2.2 3003 鋁合金熔煉控制

3003 鋁合金的熔煉在安裝有電磁攪拌裝置的25 t 矩形燃氣爐中進行。熔煉用爐料包括電解鋁液、品位為99.70%的重熔鋁錠、3003 合金工藝廢料、電解銅板和Al-Mn 中間合金。裝料順序為:先將剪切尺寸為100 mm×100 mm 的電解銅板鋪于熔煉爐的熔池底部，再將重熔鋁錠和工藝廢料放置在電解銅板上方。由于Al-Mn 中間合金的熔化速度很慢，將其放置于所有固體料的最上方，最后用虹吸管裝置將電解鋁液轉注到熔煉爐內。熔鑄時，采用的固液比為3∶7，熔煉溫度控制在720～740 ℃。在固體料全部熔化后，啟動電磁攪拌裝置對熔體進行攪拌。為確保3003 合金熔體化學成分和溫度的均勻性，攪拌溫度不得低于720 ℃[2]，攪拌時間不得小于15 min。然后靜置10 min，扒去熔體表面浮渣，取樣進行爐前成分分析。成分達到規定要求后，即可將3003 合金熔體轉入安裝有爐底透氣磚精煉裝置的25 t 矩形燃氣保溫爐。

2.3 3003 鋁合金熔體爐內精煉

爐內精煉的目的是去除3003 合金熔體中的溶解氫和夾雜物，因為熔體中的溶解氫和夾雜物在鑄錠凝固過程中會成為氣孔、疏松和夾渣缺陷的起源，增加鑄錠的裂紋產生傾向。爐內精煉分兩步進行。首先，當3003 合金熔體轉入保溫爐內且溫度達到720～730 ℃后，將爐底透氣磚精煉裝置開啟至常開狀態。從保溫爐底部將高純氬氣通入透氣磚，利用透氣磚噴射出的氬氣氣泡對熔體進行精煉。透氣磚精煉裝置不僅可以將熔體中的溶解氫和一部分氧化夾雜物帶出液面，而且還可以通過一直對熔體實施攪拌作用，防止3003 合金熔體中比重較大的金屬元素(如Fe 和Mn)發生沉降，從而改善熔體的化學成分均勻性，防止3003 合金在鑄造后期發生成分偏析。與此同時，采用精煉罐裝置，以高純氬氣為載體將精煉劑通入熔體中，精煉管在熔體不同部位和不同深度游弋，通過調整氬氣的壓力和流量，使精煉劑均勻分布于熔體中，然后利用精煉劑與熔體發生的化學反應與物理反應達到精煉目的。應當注意的是，精煉過程中要盡量控制熔體液面翻騰高度小于80 mm，盡量減少精煉過程中熔體的吸氫量和造渣量。爐內精煉完成后，對熔體進行10～15 min 的靜置處理，然后即可進行放流鑄造。

2.4 3003 鋁合金熔體在線處理

2.4.1 在線添加晶粒細化劑

采用大容量熔煉爐熔煉3003 鋁合金時，需要的時間比較長，在靜置爐內調整熔體溫度和成分也要花費較長的時間，因此，熔體在靜置爐內停留的時間也相對較長，而較長的停留時間必將造成熔體過熱。如果不對合金進行細化處理，那么鑄造成錠后，其結晶組織中的晶粒必然粗大，導致晶粒間結合力減小，在鑄造應力作用下鑄錠的裂紋產生傾向會增大。因此，添加晶粒細化劑是降低3003 鋁合金鑄錠裂紋傾向的重要途徑。

在其他鑄造工藝參數一定的情況下，通過添加晶粒細化劑，可獲得細小、均勻、致密的鑄錠凝固組織，從而增強鑄錠抵抗裂紋產生的能力。由于鑄錠規格很大，鑄造過程需要的時間很長(2 h 左右)，為避免晶粒細化效果減弱，不宜在保溫爐內添加晶粒細化劑。采用在在線除氣箱入口前通過喂絲機將Φ9 mm 的Al-5Ti-1B 絲逆流加入溜槽的方式添加細化劑。要控制Al-5Ti-1B 絲的添加量，通常以ω(Ti)=0.03%為宜。否則，過量添加細化劑可能會造成熔體中TiB2粒子富集，形成TiB2夾雜物，反而增大鑄錠的裂紋產生傾向。

2.4.2 在線除氣

在線除氣是3003 鋁合金扁錠熔鑄過程中的重要工序之一。通過雙石墨轉子在線除氣裝置，利用分壓差原理可以將爐內精煉后的熔體中的殘留溶解氫降至0.15 mL/100 g-Al 以下，同時利用吸附原理可以除去一部分懸浮于熔體中的夾雜物。為確保除氣效果，除氣介質采用高純氬氣，氬氣純度不低于99.996%[3]，氬氣流量為1.5～2 m3/h，工作壓力為0.15 MPa，石墨轉子轉速為340 r/min。如果能夠在氬氣通入之前對其進行預熱處理，則會取得更好的除氣效果[4]。

2.4.3 在線除渣

由于爐內精煉只能除去尺寸大于30 μm 的夾雜物[5]，在鑄造前必須對3003 鋁合金熔體進行在線過濾。選擇30ppi/50ppi 孔目配置的雙級泡沫陶瓷過濾板，可以除去懸浮于熔體50%以上的尺寸為5 μm的夾雜物和吸附在夾雜物上的氫，因為在鋁熔體中，氫和夾雜物存在寄生關系[6]，夾雜物含量減少了，氫含量就會相應降低。

在線處理不僅使鋁合金鑄錠的晶粒組織得到細化，而且大大降低了熔體中的夾雜物含量和氫含量，從而有效降低了大規格3003 鋁合金鑄錠的裂紋產生傾向。

2.5 大規格3003 鋁合金扁錠的鑄造工藝參數研究

大規格3003 鋁合金扁錠在Wagstaff 低液位鑄造機上進行鑄造，其鑄造工藝參數主要包括鑄造溫度、鑄造速度和冷卻強度。在合金種類確定的情況下，只有合理匹配鑄造溫度、鑄造速度和冷卻強度三者，才能獲得外觀質量優良、晶粒尺寸細小、無冶金缺陷和裂紋產生傾向小的3003 合金扁錠。

2.5.1 鑄造溫度

鑄造溫度對大規格3003 合金鑄錠的成形性、晶粒度和裂紋產生傾向都有很大的影響。較低的鑄造溫度有利于形成細小的晶粒組織；而較高的鑄造溫度則容易形成粗大晶粒。晶粒尺寸越大，晶粒間的接觸面積越小，鑄錠的抗裂能力就越低，其裂紋產生傾向就越大。同時，如果鑄造溫度較高，鑄錠內部的溫度梯度增加，會導致鑄錠的抗裂能力降低，裂紋產生傾向增大。但是由于3003 合金中含有約1.4%的Mn，其鑄造溫度也不能過低，否則，會使3003 合金熔體的流動性下降，容易造成夾渣等鑄造缺陷。生產實踐表明，鑄造溫度控制在710～720 ℃時，大規格3003 鋁合金扁錠的裂紋產生傾向極小。

2.5.2 鑄造速度

鑄造速度的快慢直接影響3003 鋁合金扁錠的凝固結晶速度、液穴深度及過渡帶的寬窄，是決定鑄錠質量的重要參數。如果鑄造速度慢，鑄錠的液穴深度小，液穴相對比較平坦，鑄錠自下而上冷卻的方向性就強，易于獲得致密細小的結晶組織；如果鑄造速度快，鑄錠的液穴就會變深，鑄造凝固過程中鑄錠中心部位的溫度相對周邊部位要高得多，會使結晶組織變得粗大，從而導致鑄錠抵抗裂紋的能力大大降低，這對于大規格鑄錠尤為突出。采用Wagstaff低液位鑄造技術可以有效降低鑄錠的液穴深度，從而有效減小大規格3003 鋁合金扁錠的裂紋產生傾向。鑄造速度的控制分為三個階段:1)鑄造初期(啟車階段，鑄造長度200～400 mm)，以相對較小的鑄造速度為宜，速度通常控制在40～45 mm/min；2)正常鑄造階段，鑄造速度相對較高，一般控制在50～60 mm/min；3)鑄造結束前的收尾階段，相比正常鑄造階段，收尾階段的鑄造速度有所下降，通常控制在45～50 mm/min。

2.5.3 冷卻強度

冷卻強度較小時，鑄錠的晶粒度會變大，晶粒間的結合力就會變小，鑄錠的裂紋產生傾向會增大；冷卻強度較高時，凝固過程中鑄錠內外層的熱應力會增大，使鑄錠的裂紋產生傾向增大。正常情況(冷卻水溫控制在25～30 ℃)下，保證大規格3003 鋁合金鑄錠正常成形的冷卻強度應控制在240～320 m3/h，冷卻水壓應控制在0.015～0.035 MPa。由于鑄造過程中冷卻水的水溫處于由低向高的動態變化過程之中(通常，鑄造中后期水溫會升高3～5 ℃)，鑄錠的冷卻強度也會由大變小，最終有所降低，此時應適當加大冷卻水壓和流量。此外，經過一段時間的使用，冷卻水中的雜質(鈣離子、鎂離子及油脂)含量會明顯增加，大大降低冷卻水的冷卻能力，因此，要定期清理冷卻塔的蓄水池，并對冷卻水進行凈化處理或更換冷卻水，以確保達到大規格鋁合金鑄錠所需要的冷卻強度。

3 結束語

通過對3003 合金進行成分優化、熔煉工藝過程控制、爐內精煉處理和在線熔體凈化，以及低液位鑄造工藝參數研究與控制，消除了規格為2 130 mm ×630 mm×6 000 mm 的3003 鋁合金扁錠的裂紋缺陷(尤其是通裂缺陷)，大幅提高鑄錠的表面質量，表面偏析層厚度僅為3～5 mm。經過后續銑面和壓延加工，板材質量優良，獲得用戶好評。