2219 合金熱頂鑄造圓鑄錠羽毛晶缺陷研究

孫海波,孔祥生,殷云霞,姜德俊,洪 宇

(東北輕合金有限責任公司,黑龍江 哈爾濱 150060)

2219 合金為Al-Cu-Mn 系硬鋁合金,具有焊接性能好、斷裂韌性高、優良的耐熱性能、裂紋傾向性低及工作溫度范圍廣等特點,廣泛應用于航空航天領域[1-2]和軌道交通運輸領域等。與普通DC 鑄造相比,熱頂鑄造具有鑄錠內部質量優良、鑄錠表面質量優良、生產操作簡便等優點[3],在生產中被廣泛的推廣使用,但采用熱頂鑄造方式鑄造的鋁合金鑄錠容易出現熱裂紋、羽毛晶等缺陷,羽毛晶的存在,導致鑄錠組織極不均勻,使橫向伸長率顯著下降,在壓延和自由鍛造時經常沿著這些晶體的弱面開裂這種缺陷具有可遺傳性[4]。本文對2219 合金熱頂鑄造Φ405 mm 規格圓鑄錠羽毛晶缺陷進行了研究,從合金本身特性、熔鑄工藝特點及鑄造方式等方面分析了羽毛晶缺陷產生原因,并找到了解決辦法,為今后生產中遇到羽毛晶問題時,消除羽毛晶,獲得細小等軸晶,提高合金力學性能提供解決辦法。

1 羽毛晶產生原因

羽毛晶又稱之為層狀晶,亦稱之為雙晶、孿晶、放射狀晶、玄武巖狀晶等,形狀近似直線狀花邊的羽毛晶亦稱為“花邊狀組織”,俗稱花邊,看起來像羽毛或花邊形狀。羽毛晶是在一定條件下得到的一種鑄造組織,它由許多羽毛晶群組成的。每個羽毛晶呈細長而扁平狀,由取向不同的兩晶粒和一條筆直的雙晶面組成。由于羽毛晶具有強烈的各向異性,并且在壓力加工過程中不易變形和破碎,所以對合金組織和機械性能有一定的影響。羽毛晶是柱狀晶的變種,它是在再結晶前沿液體中的溫度梯度十分陡峭,過冷帶極為窄小的情況下生成的。當熔體的過熱溫度很高,鑄錠的冷卻速度極快,熱流從結晶面向單一方向進行擴散以及熔體中的有效活性質點極少時很容易產生。由于羽毛晶最大生長速度沿著軸向進行,所以與軸向平行的羽毛晶組織具有最強的競爭力,而其他方向的枝晶很容易被抑制。因而,羽毛晶生長方向基本與軸向平行[5-6],2219 合金羽毛晶放大200 倍照片,如圖1 所示。

圖1 2219 合金羽毛晶

1.1 2219 合金本身特性

2219 合金化學成分如表1 所示,由表1 可以看出2219 合金含有Zr 元素,其可強烈抑制熱加工過程中的再結晶過程,提高合金強度,同時加入Zr 也是為了改善合金的焊接性能。但Zr 元素的加入會增加鋁合金鑄造過程中形成羽毛晶缺陷的傾向性,這是由于Zr 會對添加到熔體中的Al-5Ti-1B 絲的細化效果產生一定的不良影響,其會在起細化作用的TiB2表面形成ZrB2或Zr 的包覆層,從而降低了TiB2細化晶粒的效果。另外,Zr 還會置換TiAl3中的一些Ti 形成三元固溶體,改變其晶格常數和TiAl3的形核特征,而且隨著Zr 含量增加而使晶粒粗化,這是由于在形成的三元相中Zr 的摩爾分數增加,而降低了TiAl3的細化能力。因此Zr 的加入量不合適會影響Al-5Ti-1B 絲的細化效果。

表1 2219 合金化學成分

1.2 2219 合金熔鑄工藝特點

1.2.1 配料及熔煉主要工藝

2219 合金配料時允許使用50%一級廢料,熔煉溫度為720～800 ℃,熔體在熔化爐內的停留時間不得超過7 h。

配料時配入一定的廢料比例,可增加熔體中非自發形核質點,有利于防止鑄錠組織粗化,從而有利于抑制羽毛晶的生成。

熔體過熱和熔體在爐內的停留時間過長都會導致形成羽毛晶缺陷的傾向增大。

1.2.2 鑄造工藝

2219 合金熱頂鑄造Φ405 mm 規格鑄錠鑄造時走在線除氣裝置,30ppi +50ppi 雙級陶瓷片過濾裝置,在線播種Al-5Ti-1B 絲,Ti 播種量為熔體總量的0.005%。2219 合金熱頂鑄造Φ405 mm 規格鑄錠鑄造工藝參數,如表2 所示。

表2 2219 合金鑄造工藝參數

由表2 可以看出,2219 合金熱頂鑄造的靜置爐溫度和過濾器出口溫度較高,由此可以看出鑄造溫度較高。鑄造溫度對羽毛晶的形成影響很大,主要由于鑄造溫度較高時,溫度梯度較大,枝晶在局部定向生長,形成發達的羽毛晶。另外,較高的鑄造溫度使熔體的過熱熱量增大,有效形核質點數目減少且凝固時間延長,在較大的溫度梯度作用下,易形成發達的柱狀晶,局部區域就有可能形成羽毛晶。

1.3 熱頂鑄造方式對2219 合金羽毛晶形成的影響

熱頂鑄造結晶器由一個隔熱的熱頂部分和一個未隔熱的冷卻部分組成。熱頂部分的作用使熔體保溫,并使鑄錠上部始終維持一個液柱,保持一定的鋁液靜壓力,同時降低熔體在結晶器中的凝固位置。熱頂部分高度很小,其作用是使鑄錠成型。熱頂鑄造有效結晶區窄,由于結晶前沿熱交換強度加大,溫度梯度大,也增加了羽毛晶形成的傾向性。

2 預防羽毛晶措施

預防羽毛晶主要通過增加熔體中有效形核質點和降低結晶前沿溫度梯度來實現。通過采取以下措施,2219 合金熱頂鑄造Φ405 mm 規格鑄錠羽毛晶缺陷得到了有效抑制,在后續生產時未再出現羽毛晶缺陷。

2.1 配料增加廢料投入比例

生產實踐表明,合金中使用的廢料少,熔體中的非自發形核質點少,生成羽毛晶的傾向就會增大。而當爐料中有一定比例廢料時,這種傾向就會減少。2219 合金使用一級廢料比例為50%。

2.2 控制Zr 含量

在保證2219 合金性能的前提下,合理控制Zr元素含量,以減少Zr 對Al-5Ti-1B 絲細化效果的影響。控制2219 合金Zr 元素含量0.11%～0.15%為宜。

2.3 增加Al-5Ti-1B 絲在線播種量

Al-5Ti-1B 作為重要的工藝添加劑,Ti 在Al中生成TiAl3,B 與Ti 一起加入熔體中,生成大量細小彌散TiB2,TiAl3和TiB2為有效形核質點,有利于形成細小的晶粒,通常細化劑加入越多越好,但細化劑加入過多易使熔體中金屬間化合物增多并聚集,影響熔體質量,同時要求B 與Ti 形成TiB2后有過剩的Ti 存在。TiAl3質點加入熔體10 min 時效果最好,40 min 后細化效果衰退,因此Al-5Ti-1B 不是加入靜置爐內,而是選擇在線播種。通過試驗最終確定在線播種Al-5Ti-1B 絲,且Ti 播種量為熔體總重量的0.01%。

2.4 避免熔體過熱及熔體停留時間過長

如果熔體過熱及爐內停留的時間過長,有效形核質點發生溶解,有效形核質點減少,結晶組織粗化,引起鑄錠晶粒粗大,增大了羽毛晶生成傾向。因此應盡量避免熔體過熱并且減少不必要的熔體停留時間。

2.5 調整鑄造工藝參數

(1)鑄造速度

鑄造速度直接影響鑄錠結晶速度、液穴深度及過渡帶寬窄,是決定鑄錠質量的重要參數。熱頂鑄造有效結晶區窄,鑄錠結晶速度提高,進而可以提高鑄造速度來適應熱頂鑄造的窄結晶區。通過試驗最終確定鑄造速度為35～40 mm/min。

(2)冷卻水流量

冷卻水流量采取生產前看水、試水的方法,觀察水簾的狀態,確定結晶器沒有堵水眼的情況,避免因局部冷卻強度弱、局部溫度高而產生羽毛晶。通過試驗適當降低冷卻水流量,并最終確定冷卻水流量為15～20 t/h。

(3)鑄造溫度

在所有鑄造工藝參數中,鑄造溫度對羽毛晶的出現幾率影響最大,即溫度梯度影響最大,為了降低產生羽毛晶的可能性,鑄造溫度不宜太高。熱頂鑄造轉注過程中熱量損失相比普通模鑄造小些,溫度控制可比該合金該規格鑄錠普通模鑄造略低一些,但也不可為了避免產生羽毛晶將溫度控制的過低,同時要考慮鑄造溫度對化合物和氧化膜缺陷等方面的影響,通過試驗確定靜置爐溫度為750～760 ℃,過濾器出口溫度為720～730 ℃。

3 結論

綜上所述,抑制2219 合金熱頂鑄造Φ405 mm規格鑄錠羽毛晶缺陷的有效措施為:(1)配料時使用50%一級廢料,Zr 元素含量控制為0.11%～0.15%;(2)鑄造時在線播種Al-5Ti-1B 絲,播種量為熔體總重量的0.01%;(3)避免爐內熔體過熱及熔體停留時間過長;(4)鑄造工藝參數為:鑄造速度為35～40 mm/min,冷卻水流量為15～20 t/h,靜置爐溫度為750～760 ℃,過濾器出口溫度為720～730 ℃。