細化劑加入量對6063鋁型材組織條紋的影響

2021-04-17 02:46:28劉才興周晶哲李天原譚興元

材料研究與應用 2021年1期

劉才興, 周晶哲，李天原，向耀，譚興元

廣東澳美鋁業有限公司，廣東佛山 528100

6063合金因其優良的可擠壓性和可焊接性、良好的耐蝕性，以及陽極氧化后色澤亮麗等一系列優點，是建筑型材的首選材料．近年來，宜家家居(IKEA)等公司對供貨商產品環保和可持續回收利用提出更高要求，其中鋁合金產品要求廢料重熔利用占比50%～80%．廢料再生不僅符合客戶理念，且提高材料循環利用率、保護環境及降低生產成本．但由于鋁廢料中的雜質含量高，在6063鋁型材的擠壓生產過程中造成表面形成明暗差異明顯的條紋缺陷，表面經氧化處理后形成黑色或白色帶狀條紋，影響型材美觀，表面質量不符合客戶要求．

近年來，研究人員通過實踐提出了一些改善條紋缺陷的措施，郭加林等人[3]分析驗證了擠壓溫度和擠壓速度對組織條紋的影響，表明擠壓溫度過高或擠壓速度過快均會導致壁厚變化部位金屬流動的不均勻，從而引發其組織分布不均勻．許栩達等人[4]分析了模具因素對擠壓型材組織條紋的影響，通過模具設計、擴大死區范圍、采用淺導流孔及優化關鍵位置的金屬流動等措施，可減少組織條紋的產生．按照此方法對組織條紋缺陷有一定的改善，但未徹底解決這一問題．通過調整Al-Ti-B晶粒細化劑的加入量，分析對型材表面的影響，最終達到缺陷改善的目的，為實際生產提供指導．

1 實驗部分

1.1 合金成分

實驗對象為廣東某鋁材廠生產的6063鋁合金圓鑄錠，鑄錠直徑為127 mm，其合金成分控制范圍列于表1．

1.2 方法

鑄錠主要生產流程為：配料→熔煉與凈化→水冷半連續熱頂鑄造．

表1 6063鋁合金化學成分

1.2.1 配料

爐料為重熔用鋁錠(占比40%～45%)和6xxx系鋁合金二、三級回收廢料(占比55%～60%)，主要合金元素Mg以純金屬形式加入，Si以Al-12Si中間合金形式加入，Ti以晶粒細化劑形式加入，使用Al-5Ti-1B絲桿在鑄造過程在線加入，其余合金成分為原料成分，不再人為添加．

1.2.2 熔化與凈化

原料經稱重后裝入熔煉爐，采用火焰熱輻射方式熔化爐料，熔煉過程不添加覆蓋劑，熔煉溫度為700～730 ℃，待固體原料徹底熔化為液態后進行精煉．精煉使用顆粒精煉劑凈化除雜，精煉劑使用量為2.8 kg/t，精煉劑使用氬氣噴吹法加入，共兩次精煉，每次精煉間隔時間約10～15 min，精煉溫度710～720 ℃，精煉時間為10～15 min，精煉過程中人工扒渣，扒渣量約為200～300 kg，每次精煉時取樣化驗鋁液成分，第一次精煉后根據爐前成分進行合金化作業．

1.2.3 鑄造

鑄造采用直接水冷半連續熱頂鑄造方式生產．首先鋁液由流槽導流經過在線除氣箱，再經過濾箱，然后流至鑄造模盤，最后冷卻凝固為直徑127 mm的圓鑄錠．Al-5Ti-1B晶粒細化劑在過濾箱前單點在線添加，在線除氣參數為轉子轉速600 r/min，氬氣流量40 L/min，過濾箱使用50 ppi陶瓷過濾板在線過濾，鑄造溫度為700～710℃，鑄造速度160 mm/min，冷卻水壓為150 kPa．

生產每爐次鑄錠加入回爐廢料比例是固定的為55%～60%，可視為原材料鈦含量基礎值固定，晶粒細化劑相關參數列于表2．

表2 晶粒細化劑組成成分參數

晶粒細化劑的加入量由加入速度決定，加入量=加入速度×鑄造時間×線密度．連續生產四個爐次鑄錠，分別設置四種不同加入速度并編號，其余參數均不變，加入速度設置及編號列于表3．

表3 加入速度設置

1.3 檢測

將鑄造完成后的鑄錠鋸切頭尾廢料并取樣，鑄錠取樣位置為棒頭，即鑄造凝固末端部分，樣品經車削表面后進行合金成分檢測和低倍組織檢測，化學成分采用Spectrolab M9直讀光譜儀得出，低倍組織肉眼直接觀察．實驗用鑄錠經均勻化處理后，在10MN擠壓機擠壓，經強風冷在線淬火后觀察型材表面．

2 結果與分析

2.1 合金化學成分

通過Spectrolab M9直讀光譜儀分析鑄錠化學成分，其含量列于表4．由表4可知，鑄錠的主要組成元素為Mg，Si及Ti，Ti(基礎值)為未加晶粒細化劑時鋁液中的含量，由于其含量低，不會對合金組織和實驗結果產生明顯影響，而其余元素含量均符合表1中化學成分要求．

表4 鑄錠主要合金元素含量

2.2 低倍組織檢測

四個樣品低倍組織測試方法參照GB/T 3246.2-2012標準[9]，低倍組織檢測結果如圖1所示．從圖1可見，四個不同爐次鑄錠均未發現氣孔、裂紋、羽毛晶、光亮晶缺陷，其中A爐次鑄錠低倍組織發現兩點夾渣缺陷，單點面積小于0.5 mm，疏松等級接近可視為對實驗無影響，四個樣品低倍組織無其他缺陷．

圖1 晶粒細化劑不同加入量的鑄錠低倍組織形貌(a) 2.33 kg/t；(b) 2.0 kg/t；(c) 1.33 kg/t；(d) 0.67 kg/tFig.1 Macrostructures of ingots with different additions of grain refiner in low-magnification

2.3 型材表面

在10MN擠壓機上擠壓鑄錠，擠壓溫度440 ℃、擠壓速度6.8 mm/s、在線淬火方式為強風冷，型材表面質量如圖2所示．從圖2可見：不同編號鑄錠使用同一個模具和相同擠壓工藝生產，A爐次鑄錠(加入量2.33 kg/t)的組織條紋明顯，型材表面明暗差異較大；隨著鑄錠晶粒細化劑加入量的減少，組織條紋缺陷逐漸減少；D爐次鑄錠(加入量0.67 kg/t)組織的條紋完全消失，型材表面顏色均勻，無明暗差異，表面質量符合客戶要求．

分別選取四種加入量鑄錠生產的型材，在型材同一位置取組織條紋缺陷樣品，經磨拋后陽極覆膜，使用奧林巴斯GX53顯微鏡100倍放大倍數觀察金相組織，圖3為Al-5Ti-1B不同加入量型材金相組織形貌．從圖3可看出，A爐次鑄錠邊部晶粒尺寸較大，從邊部到心部晶粒大小不一；隨著鑄錠晶粒細化劑加入量的減少，相同位置的型材晶粒尺寸逐漸減小；D爐次鑄錠型材晶粒度較小，從邊部到心部晶粒大小均勻．

圖2 細化劑不同加入量的型材表面(a) 2.33 kg/t；(b) 2.0 kg/t；(c) 1.33 kg/t ；(d) 0.67 kg/tFig.2 Surface of profiles with different amount of refiner additions

圖3 Al-5Ti-1B不同加入量型材的金相組織(a) 2.33 kg/t；(b) 2.0 kg/t；(c) 1.33 kg/t；(d) 0.67 kg/tFig.3 Metallographic structure of profiles with different amount of Al-5Ti-1B additions

根據鋁鈦硼晶粒細化機理[5]，當Al-5Ti-1B細化劑添加到鋁合金熔體中，在凝固結晶時主要促進鋁晶粒形核，細化劑添加量越多，鑄錠中TiAl3相和TiB2相粒子也越多，從而影響晶粒的再結晶．由于在線加入的方式會導致含Ti相在材料內分布不均勻，造成局部發生團聚，加入量越多不均勻性越大，從而導致型材表面晶粒大小不一致，形成明暗差異明顯條紋，即組織條紋缺陷．