大直徑低變形抗力易切削的鋁合金鑄錠制備及其性能表征★

羅濤濤，劉 歡，朱世安，程炳靈

（1廣東精美特種型材有限公司，廣東 清遠，511500；2.廣東豪美新材股份有限公司，廣東 清遠，511500）

1 易切削鋁合金概述

易切削鋁合金是指含有鉛、鉍和錫等低熔點元素，且切屑易斷、不粘刀、不纏刀的鋁合金。由于這種鋁合金具有優(yōu)良的切削加工性能，因此可以采用更高速度或者更大的進刀量進行切削加工，并可以顯著提高鋁合金零部件切削加工的生產效率，獲得表面更光潔、尺寸精度更高的精密鋁合金零部件。易切削鋁合金被廣泛用于汽車、電子、電器、機械裝備等領域，并應用于對表面光潔度、加工精度和零件強度要求高的主缸制動活塞、充氣閥體、各類連接件以及壓力、儀表等部件[1-2]的制造生產中。

對于直徑超過400 mm的大直徑易切削鋁合金鑄錠而言，由于其元素合金化程度高，且為提高其切削性能，還加入一定量的低熔點合金組元，這就造成合金的凝固結晶溫度范圍變寬，使得元素偏析嚴重，鑄造應力高，第二相尺寸化合物尺寸粗大，特別是在制備大直徑鑄錠時，往往會造成徑向化學成分差異大，使其易產生中心冷裂紋或表面裂紋，且在后續(xù)擠壓加工時變形抗力高，對工模具的損傷大，嚴重影響擠壓生產效率。

針對直徑超過400 mm的大直徑易切削鋁合金鑄錠，現采用某溫度下長時間保溫的方法來進行均勻化處理，這種均勻化處理方法雖然操作簡單，但難以完全消除元素偏析及溶解粗大第二相化合物，鑄錠的變形抗力仍然較大，擠壓性能仍然較差，難以滿足生產需要[3]。此外，現有大直徑易切削鋁合金鑄錠的均勻化處理方法還存在加熱保溫時間長、能源消耗巨大、生產成本高的問題。并且采用傳統(tǒng)工藝生產的大直徑易切削合金鑄錠，邊部偏析層缺陷在10～20 mm，經變形加工過程，偏析層會流入產品，易造成組織廢品。

因此，降低大直徑易切削的鋁合金鑄錠在生產過程中的變形抗力，以獲得化學成分均勻、組織彌散致密以及變形抗力低的大直徑易切削鋁合金鑄錠，是鋁合金生產中重要研究課題之一。

2 制備方法

2.1 鋁合金鑄錠配方

所開發(fā)的鋁合金鑄錠其配方如表1所示。

表1 鋁合金鑄錠配方 %

2.2 鋁合金鑄錠鑄造工藝[5]

鋁合金鑄錠的鑄造工藝流程圖如下頁圖1所示。

圖1 鋁合金鑄錠的鑄造工藝流程

其鑄造的主要工藝控制點和過程如下：

1）將鋁錠置于矩形反射爐內，熔化升溫至760～780℃，加入合金材料，電磁攪拌20～30 min后，一次精煉15～30 min，取樣分析化學成分，根據分析結果進行補料。

2）二次精煉15～30min，繼續(xù)升溫至760～780℃，得到化學成分均勻、內部純凈的鋁熔體。一次精煉和二次精煉均采用純度99.999%以上的氮氣噴粉精煉，精煉劑用w（Al）為2～3 kg/t；補料精煉時將純度99.999%以上的氮氣吹入CCl4，w（Al）為0.1～0.3kg/t。

3）將鋁熔體經流槽、在線除氣、雙級過濾后引入結晶器平臺進行鑄造，鑄造保持時間在20～50 s，鑄造長度在0~50 mm內的鑄造速度為25～30 mm/min，鑄造長度在50～150mm內的鑄造速度為35～45 mm/min，鑄造長度大于150 mm的鑄造速度為45～50 mm/min。

4）在線加入晶粒細化劑，冷卻水流量為60～200 t/h，在鑄造收尾階段，鑄錠剛脫離石墨環(huán)后，停止鑄機下行，將冷卻水流量調整為40～60 t/h，并保持30～40 min；在線加入晶粒細化劑為鋁鈦碳晶粒細化劑。

5）鑄錠經水浸超聲探傷后，進行高溫擴散處理，包括升溫、保溫和冷卻過程。

3 結果與討論

將采用現有傳統(tǒng)制備方法獲得的鑄錠作為對照樣，再取上述工藝方法得到的鑄錠試驗樣進行相關性能測試和檢驗。

3.1 化學成分均勻性檢驗

取2～3 mm鑄錠試片，對其表面車光后進行光譜分析，從邊部往中心每隔30 mm激發(fā)一次，檢測化學成分的均勻性，檢測結果如表2所示。

表2 化學成分的均勻性

從表2可看出，試驗樣鋁合金鑄錠Cu元素徑向分布的均勻性明顯要優(yōu)于對照樣。

3.2 偏析層厚度檢驗

通過低倍組織檢驗獲得偏析層厚度，分別在鑄造開始端切除500 mm、澆口部切除200 mm，以作為試樣并進行檢驗，偏析層厚度結果如表3所示。數據表明，試驗樣的鋁合金鑄錠偏析層厚度遠小于對比樣。

表3 鋁合金鑄錠偏析層厚度 mm

3.3 斷面硬度檢驗

鑄錠經高溫擴散處理后，使用便攜式里氏硬度計檢驗鑄錠端面硬度。結果顯示試驗樣鋁合金鑄錠的鑄錠硬度（HB）為54～61，對照樣鋁合金鑄錠的鑄錠硬度（HB）為74～79，經過對比得出，鋁合金鑄錠硬度比對照樣硬度下降了18%～31%，說明試驗樣的鑄造應力消除更充分。

3.4 變形抗力檢驗

從試驗樣鑄錠中選取測試樣品，連同對照樣共同測試變形抗力，共測試6個平行樣。鑄錠的變形抗力采用擠壓過程中金屬流通過?？椎耐黄茐毫砗饬?，在其他工藝條件相同的情況下，通過在90 MN擠壓機上生產的Φ145 mm實心棒材來對其進行檢驗，測試結果如表4所示。

表4 變形抗力測試

由表4可知，所開發(fā)的鋁合金鑄錠較傳統(tǒng)工藝下的鋁合金鑄錠具有更低變形抗力。

3.5 顯微組織檢驗

觀察鋁合金鑄錠的顯微組織（見圖2），發(fā)現試驗樣鋁合金鑄錠枝晶網絡已基本消除，第二相粒子尺寸細小且彌散分布，而對照樣制備的鑄錠仍明顯可見枝晶網。進一步說明硬合金鑄錠偏析層厚、易產生裂紋和成分均勻性差問題已經達到明顯的改善。

圖2 鋁合金鑄錠顯微組織圖

4 結論

1）工藝優(yōu)化后，所獲得的鋁合金鑄錠克服了傳統(tǒng)工藝生產出的直徑400 mm以上硬合金鑄錠偏析層厚、易產生裂紋和成分均勻性差等問題。

2）在變形加工前進行高溫擴散處理，可獲得成分分布均勻、組織彌散致密、易于變形加工的優(yōu)質鑄錠。