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高性能鋁合金鑄錠制備的關鍵技術 當前以美、日、德等鋁加工發(fā)達國家為代表，引導世界鋁加工向著高精尖方向發(fā)展，產品品種不斷增加，產品質量更加精益求精，產品附加值更高，更加節(jié)能環(huán)保' 。國內的鋁工業(yè)發(fā)展起步較晚，工藝技術水平和整體裝備水平與歡美發(fā)達國家相比還存在比較明顯的差距，因此一些高技術含量的產品還需大量進口，我國一直大量進口精密鋁板帶材，2007年仍進口高達49.7萬t。為進一步提高國內企業(yè)的產品質量，需要加大企業(yè)的技術改進力度，獲得高性能的鋁合金加工產品。而熔鑄是鋁加工的第一道工序，為軋制、鍛造、擠壓等生產提供合格的錠坯。鑄錠質量的高低直接與鋁合金產品的加工成材率和使用性能密切相關，所以不斷優(yōu)化與完善生產工藝,提高鑄錠質量成為關鍵。 1、鋁合金鑄錠的常見缺陷及其對產品質量的影響 由于國內鋁加工企業(yè)的裝備水平參差不齊，在鋁合金鑄錠中經常出現成分偏析等情況,特別是在高合金含量的條件下。由于化學成分的不均勻性，鑄錠在凝固過程中的結晶特性不均勻性增加，使鑄錠內部產生明顯的鑄造應力，容易造成鑄錠的熱裂”。同時鑄錠性能不均勻也會促使變形過程產生過大的內應力和裂紋等；晶內偏析是由于凝固過程中的非平衡結晶造成的，因合金的不同而偏析程度不同。晶內偏析使鑄錠組織不均勻，不僅對鑄錠性能有不良影響，也增加了鑄錠產生熱裂紋的傾向，同時對后續(xù)熱處理工藝和產品的最終性能也會產生不利的影響。 晶粒粗大是鋁合金鑄錠過程中經常出現的缺陷。造成晶粒粗大的原因主要是熔體中的結晶核心少，以及鑄造工藝制度不合理。粗晶間常存在氣體和非金屬夾渣物，構成組織缺陷。羽毛狀晶也是一種粗晶組織，其晶粒尺寸是正常晶粒的幾十倍，有明顯的方向性。由于粗晶組織的存在，晶界上的夾雜物較多，原子排列更加不規(guī)則，承受外力的能力減弱，增大了鑄錠的裂紋傾向，降低了加工工藝塑性和組織的均勻性。 鑄錠中的疏松缺陷包括收縮疏松和氣體疏松兩類二者的組織特征基本相同，宏觀上表現為黑色針孔微觀特征為有棱角形黑色孔洞，斷口特征為組織不致密、粗糙，疏松嚴重時斷口上有白亮點。收縮疏松產生原因是鑄造時補縮不足，氣體疏松產生原因是熔體中氣體含量、主要是氫氣含量過高所致。疏松的存在會在很大程度上降低鑄錠的強度、塑性同時也降低鑄錠的加工性能特別是在軋制和鍛造過程中可使金屬表面?zhèn)冗厵M截面等產生裂紋嚴重時使加工材成批報廢。 夾雜以及金屬間化合物。非金屬夾雜主要來自于熔劑爐渣爐襯以及氧化夾渣等”，這些大顆粒夾雜物的存在破壞了金屬的連續(xù)性。嚴重影響金屬制品的物理性能和力學性能它的存在是鑄錠過程，以及后續(xù)變形過程的裂紋源，危害極大；粗大金屬化合物的形成原因主要為化學成分選擇不當和鑄造工藝控制不當，添加元素達到了生成初晶化合物的成分范圍，澆注溫度高冷卻速度慢等為初晶化合物的形成提供了充足的生長時間，元素的局部富集導致熔體的成分不均勻，這些均為初晶化合物的形成創(chuàng)造了條件。 2、影響鋁合金鑄錠的工藝與技術問題 鑄錠是鋁合金加工的重要I藝過程之一，鑄錠品質在很大程度上影響鋁合金的加工過程和產品品質。在鑄錠生產過程中應重點注意以下幾個問題。 2.1 合金成分的均習性 對于高合金化鋁合金，由于加入合金元素含里比較高規(guī)模生產過程容易造成成分的不均勻性，影響鑄錠的質里及變形加工工藝。為了進一步提高濤錠質里防止鑄錠裂紋的產生采取必要的技術手段控制化學成分的均勻性，以及包括主要成分雜質含里及其相互關系，以增強合金在凝固過程中保持相對平衡的結晶特性。 為提高鋁合金熔煉過程的成分均勻性，目前采用的工藝方法為人工攬拌和電磁攪拌。人工攪拌受到人為因素的影響更大由于工作環(huán)境惡劣，勞動強度大人工攪拌往往達不到使化學成分均勻的目的；電磁攪拌是目前采用較多的一種工藝方法，它是依靠電磁力對金屬液體進行非接觸攪拌，當感應器線圈內通以交變電流時，就會產生一個行波磁場磁場和熔地中的金屬液體相互作用產生感應電勢和感生電流,這感生電流又和磁場作用產生電磁力，從而推動金屬液體做定向運動起到攪拌的作用。電磁攬拌是非接觸攪拌.不會污染鋁熔液”。一般感應器置于鋁熔爐底部熔體底部的鋁熔液獲得的攪拌力較大，頂部的攪拌力較小，合理設置攪拌強度可獲得充分均勻的攪拌效果獲得高質里的熔體。 2.2 氣體與元親物的控制 由于鋁錠等原材料不可避免地存在著氧化夾雜物氣體雜質元素等熔煉過程中鋁合金又極易氧化與吸氣，使得鋁熔體的冶金質里不高，從而直接影響到產品的最終質里和加工使用性能。若熔鑄過程中不及時排除這些缺陷其后，系列加工工序{如軋制擠壓、熱處理表面處理等)，也難以消除夾雜、氣體等的影響從而直接影響到材料的加工成形性等，難以保證各種高成形性鋁產品的質里。隨著輕里化、薄壁化趨勢的發(fā)展”，冶金缺陷的影響將更為突出。因此提高鋁合金熔鑄i尤其是凈化變質和晶粒細化等熔體處理)技術水平至關重要對提高各種鋁材的冶金質里和變形性能起著關鍵作用。 利用電解鋁液直接鑄造扁錠(或圓錠是一種節(jié)能降耗的工藝方法IX ，是當前鋁加工行業(yè)技術發(fā)展與研究的熱點之一。由于鋁的電解過程通常在950~970 e 溫度下進行這樣高的溫度造成鋁液的結晶核心少，且吸氣嚴重；電解過程激烈的攪拌與循環(huán)，使鋁在陽極空間發(fā)生再次氧化使鋁液中的各種夾雜物相對較高。在電解過程中電解析出的鈉將嚴重惡化鋁合金的鑄造性能，尤其在生產流動性差的鋁合金或小規(guī)格圓錠時拉裂傾向非常大游離出的Na在晶界上形成不連續(xù)的脆性球狀質點，造成晶界的不連續(xù)增加了合金的熱脆性”。所以加強熔體處理降低氣體與夾雜物特別是鈉的含里，是電解鋁液直接鑄錠過程中需要重點開展的工藝技術，也是獲得高性能鑄錠的基礎。 2.3鑄錠的組織控制 在實際生產中有時會不同程度地出現異常晶粒組織.如粗大晶粒、羽毛狀晶、粗大金屬間化合物等。提高鑄錠質里.控制合理的微觀組織形態(tài)是至關重要的。特別是高合金含里的鋁合金如2xX、7XXX系合金，在半連續(xù)鑄造過程中產生的熱應力大，由于不平衡結晶和偏析使得有少里低熔點殘留液和雜質分布在晶間形成液膜。減弱了晶界強度收縮受阻或線收縮伸長里超過液膜的最大伸長率，極易發(fā)生熱裂進而引發(fā)冷裂紋。 3、提高鑄錠質量的關鍵技術及其發(fā)展 對鋁合金鑄定的質里要求主要有含氫和夾渣少，晶粒細小。金相組織均勻.元素偏析少，無裂紋和疏松、鑄錠的塑性好。便于后續(xù)的加工與變形。結合鋁合金的生產特點提高鑄錠質里的關鍵技術主要在以下幾點。 3.1 化學成分的合理設計 為進一步提高合金的力學性能,滿足不同使用條件下的使用要求通常在鋁合金中添加不同的合金元素以改善微觀組織形態(tài)，獲得理想的產品性能。由于合金元素間相互作用，形成不同的金屬間化合物，它們大部分作為合金的強化相提高合金的力學性能，但也可能形成脆性的粗大的雜質相。如何合理地選擇元素間的相互比例；達到析出相的最佳匹配對減少鑄錠缺陷提高濤錠性能是至關重要的。而這一點是企業(yè)生產過程中經常忽略的。 如Felsi比對濤錠熱裂紋的產生起著關鍵作用。由于Fe> si 時主要生成AFesSiAlk，而Fe< Si時主要生成BFesiAl，有效結晶區(qū)間是Fe> si比Fe 3.2 熔體化學成分的均勻性控制 對于合金元素含里比較高的鋁合金，很容易出現合金元素的分布不均勻，而成分的不均勻性造成鑄錠凝固過程組織的不均勻性，使鑄錠內應力增大；同時析出物容易產生偏聚成為鑄造過程的裂紋源。 大部分生產企業(yè)采用人工攪拌的方法來促進熔體化學成分的均勻，但由于工作環(huán)境惡劣，勞動強度大人工攪拌的效果往往難以實現成分均勻；一些大型企業(yè)采取了爐底電磁攪拌裝置，通過電磁力的作用促使鋁熔體處于流動狀態(tài)提高了合金元素的溶解增加了成分的均勻性，收到了良好的效果，但能耗較大。最近有企業(yè)推出永磁攪拌技術，可放置于爐底或則面工作原理與電磁攪拌類似，但能耗卻大大降低僅相當于電磁攪拌的1/ 10”。 3.3熔體凈化技術 熔體處理的主要作用在于消除熔體中的氫含里和夾雜物含里，氣體|HI在鑄錠中形成氣泡隔離了晶粒間的相互作用降低了晶粒間的結合強度而夾雜物的存在同樣破壞金屬的連續(xù)性，增加了鑄錠熱裂的可能性；因此做好熔體處理特別是電解鋁液直接鑄錠工藝顯得更為重要。 目前，國內外對鋁合金的熔體處理技術非常重視，對鋁熔體凈化處理技術已進行了大里的研究，并形成了一些較先進的凈化方法與裝置如SNIF、MINT、ALPUR法等”，對凈化技術的發(fā)展起了推動作用。但這些方法大多以除氫凈化為主，而對于各種高技術、高成形性的產品排雜除氫凈化的程度要求很高這些精煉除氣方法均存在著一定的局限性，除氫效率有限對排雜作用也不明顯。以排雜為主的凈化方法主要是： 過濾法和熔劑法但受原材料以及凈化工藝條件的影響較大特別是過濾板的質里不穩(wěn)定，大大影響了過濾效果。近些年出現的噴射熔劑法，對熔劑凈化工藝條件已有明顯改善起到了排雜除氣的復合凈化作用.但需專用設備，增加了成本操作工藝的控制也不穩(wěn)定，使其推廣應用受限。此外，最近也出現了利用鋁熔體與夾雜物之間存在很大的導電性差異而提出的電磁分離夾雜物的新方法' ”。盡管該方法是一種無污染的清潔型凈化方法，但目前主要仍處于實驗室階段且處理的鋁液里及處理速度等與工業(yè)化應用的要求還存在一定的差距。 因此世界各國都特別重視鑄造過程I藝控制水平的提高。除了完成工藝制度的優(yōu)化外，還不斷探索新的鑄造控制技術，如液位測試技術脈沖水技術、低液位鑄造、氣幕鑄造技術氣滑鑄造技術電磁鑄造技術等。國內企業(yè)應結合自身的設備條件和產品結構，深入探討鑄造過程的工藝控制技術，不斷提高鑄錠質量，滿足不同用戶的使用要求。 4、結語
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