柯長奮, 周天國, 趙加鈺, 胡 靜, 徐 瑞, 陳田田

(1. 沈陽大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044;2. 長江師范學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 重慶 408100;3. 常州市億和鋁合金焊材有限公司, 江蘇 常州 213200)

隨著交通運(yùn)輸工具輕量化和高速化的發(fā)展,鋁合金因具有重量輕、良好的塑性、斷裂韌度、疲勞強(qiáng)度、耐蝕性、成形工藝性和焊接性,成為21世紀(jì)的交通運(yùn)輸輕量化結(jié)構(gòu)材料的首選[1-2].交通運(yùn)輸車體的焊接成形加工比鉚接成形具有更高的效率和較低的成本優(yōu)勢,且焊材的性能對整體構(gòu)件的質(zhì)量至關(guān)重要.目前,5356鋁合金焊絲因與鋁基合金具有良好的兼容性,已在軍工、造船、壓力容器、航空、地鐵、高鐵等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用.

目前高端鋁合金焊絲制備技術(shù),如高鐵等所需的焊絲制造技術(shù)主要掌握在美國阿克泰克(Alcotec)、意大利SAFRA、德國亞歷山大(Elisental)、加拿大INDALCO、日本KOK等[3]幾家國際企業(yè)手中,這些高品質(zhì)的鋁鎂合金焊絲桿,幾乎壟斷了高品質(zhì)鋁焊絲的生產(chǎn),導(dǎo)致我國高品質(zhì)鋁合金焊絲大量的依靠進(jìn)口,現(xiàn)如今高速列車車體焊接用鋁合金焊絲,其90%的市場份額仍被國外焊絲廠家占有[4].由于我國鋁合金焊絲加工業(yè)起步晚,高端鋁合金焊絲制備技術(shù)與國外知名焊絲企業(yè)存在較大差距.國內(nèi)企業(yè)采用連鑄連軋工藝生產(chǎn)5356鋁合金焊絲用線桿才剛剛起步,制備的鋁合金焊絲存在氧化夾雜、氫含量較高,晶粒粗大,成分不均勻等缺陷.特別是成分分布不均導(dǎo)致焊接產(chǎn)品質(zhì)量差,不能滿足國內(nèi)高鐵等行業(yè)對高品質(zhì)焊絲的要求.

為制備成分均勻的5356鋁合金梯形鑄錠,按照直徑為1 800 mm、橫截面積為2 300 mm2的連鑄機(jī)H型結(jié)晶銅輪尺寸取2～4點(diǎn)鐘的區(qū)間段來制作鑄造結(jié)晶器,結(jié)晶器沿著長度方向的4個面上設(shè)置冷卻水噴射裝置對結(jié)晶器冷卻,結(jié)晶器形狀如圖1所示.

圖1 結(jié)晶器形狀Fig.1 The shape of the crystallizer

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.70%的工業(yè)純鋁,工業(yè)純鎂,Al-10%Cr、Al-10%Mn、Al-5%Ti-1%B中間合金來制備5356梯形鑄錠.

首先,將石墨坩堝加熱到740 ℃預(yù)熱,加入按配比準(zhǔn)備好的鋁錠,待鋁錠熔化后依次加入Al-10%Cr、Al-10%Mn和Al-5%Ti-1%B中間合金,并進(jìn)行充分?jǐn)嚢?其次,將鋁箔包裹的Mg用鐘罩子壓入鋁液面以下,待其完全熔化后用C2Cl6對鋁液進(jìn)行除氣、除雜、精煉、扒渣.最后,鋁液在710 ℃保溫靜置15 min,然后將鋁液澆入結(jié)晶器,鋁液在結(jié)晶器四面冷卻作用下快速凝固為梯形實(shí)驗(yàn)鑄錠.

在鑄錠1/2位置處取厚度為10 mm的梯形試樣, 將梯形試樣用線切割機(jī)床切割成16塊并編號, 編號如圖2所示. 將編號為1到16的試樣經(jīng)過研磨、拋光、腐蝕、超聲波清洗等處理后借助掃描電鏡(SEM)對試樣表面進(jìn)行能量色散光譜(EDS)分析、線掃描分析來研究Mg元素在梯形鑄錠橫斷面上的分布情況.

圖2梯形橫斷面試樣編號

Fig.2 Numbering samples on trapezoidal cross section

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微觀成分分布

圖3a～圖3d分別為晶界樣點(diǎn)1及其能譜分析和晶粒內(nèi)部樣點(diǎn)2及其能譜分析,由能譜分析結(jié)果可以看出,晶粒內(nèi)部樣點(diǎn)2的Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.65%,晶界樣點(diǎn)1的Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.86%,Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在晶界樣點(diǎn)1處高于晶粒內(nèi)樣點(diǎn)2處.從EDS成分分析可以看出:基體的溶質(zhì)元素含量較低,晶界溶質(zhì)元素富集,這主要是合金在快冷過程中生成了非平衡共晶組織α-Al+Al3Mg2,分布在晶界處,造成了Mg的晶界偏析,而大部分的Mg固溶到α-Al 基體中[5].晶界偏析是由于鋁液結(jié)晶時2個晶粒相對生長,在固/液界面處溶質(zhì)Mg被排出(K0<0)而大量富集在2個晶粒之間,兩個晶粒相遇時形成晶界,最后凝固的晶界部分將含有較多的溶質(zhì)Mg,當(dāng)Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3.5%時,沿晶界、亞晶界析出第二相β(Al8Mg5、Al3Mg2)[6].在合金結(jié)晶的過程中不僅形成晶界偏析還發(fā)生了晶內(nèi)偏析,由于合金快速凝固,固相中的溶質(zhì)還未充分?jǐn)U散液,體溫度便降低,固/液界面向前推移又結(jié)晶出新成分的晶粒外層,致使每個晶粒內(nèi)部成分存在差異.

圖3 5356鋁合金晶界和晶內(nèi)能譜分析Fig.3 Energy spectrum analysis of grain boundary and inner grain of 5356 aluminum alloy

偏析屬于遺傳性鑄造缺陷,引起鑄件成分不均勻造成組織上的差別,降低晶界結(jié)合強(qiáng)度,影響鑄件的強(qiáng)度、塑性及耐腐蝕性.鑄錠在后續(xù)軋制工藝中因塑性較差而導(dǎo)致所需軋制力變大,軋制過程鑄錠容易出現(xiàn)軋制裂紋,焊桿在拉絲過程頻繁出現(xiàn)晶間斷裂現(xiàn)象.

鋁合金在鑄造時影響晶內(nèi)、晶界偏析的主要因素有合金的冷卻速度、偏析元素的擴(kuò)散能力、溶質(zhì)平衡分配系數(shù),合金的結(jié)晶溫度范圍,合金澆注溫度[7]等.5356鋁合金結(jié)晶溫度范圍較寬,連續(xù)鑄造時冷卻水分4區(qū)、16段、4面噴向H型結(jié)晶輪,合金冷卻速度較快,溶質(zhì)原子擴(kuò)散時間較短,所以很容易發(fā)生偏析.在其他條件不可變的情況下為減少晶內(nèi)、晶界偏析獲得成分均勻的5356梯形鑄錠應(yīng)適當(dāng)提高鋁液的澆注溫度,澆注溫度可以影響到溶質(zhì)元素的外排時間,直接影響高濃度殘余液相的存在時間,隨著澆注溫度的提高,偏析的程度減小[8].

2.2 宏觀成分分布

圖2為試樣取樣編號,圖4為試樣橫斷面Mg元素線掃描分析;表1、表2為梯形錠四角邊部及中心Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù).由此可以看出,鑄錠中心Mg元素貧瘠, 邊部Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高,形成梯形橫斷面上Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)四角邊部高于中心的現(xiàn)象,在梯形鑄錠橫截面上存在宏觀反偏析.反偏析是鋁合金連續(xù)鑄錠凝固過程中的一種伴生現(xiàn)象,無法完全避免,表現(xiàn)為表面和底部溶質(zhì)元素比中心部位的多,它的存在使Mg元素分布不均勻,降低鋁合金鑄錠塑性.

圖4 試樣橫斷面Mg元素線掃描分析Fig.4 Linear scanning analysis of Mg element of cross-section sample(a)—試樣1左邊; (b)—試樣1上邊; (c)—試樣1中間; (d)—試樣4上邊; (e)—試樣4右邊; (f)—試樣4中間; (g)—試樣6、7、10、11中間; (h)—試樣13左邊; (i)—試樣16下邊; (j)—試樣16右邊.

表2 梯形橫斷面中心部位Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Mg mass fraction in the center of trapezoid cross section

這可能是結(jié)晶器橫截面積過大使鑄件過厚,鑄件靠近結(jié)晶器壁部分冷卻強(qiáng)度大,最先結(jié)晶,而鑄件中心冷卻強(qiáng)度小,后結(jié)晶,鑄件中心低熔點(diǎn)元素濃度較高的液體在鑄件凝固收縮力或氣體壓力等外力作用下沿著枝晶間隙流到鑄件的外層加重反偏析.為減輕宏觀偏析獲得成分均勻的5356鋁合金梯形鑄錠可將H型結(jié)晶輪的直徑、橫截面積變小來減小鑄件厚度,減小凝固過程溫度分布的不均勻性.

2.3 試樣表面連續(xù)網(wǎng)狀組織能譜分析

借助SEM對試樣表面放大觀察,發(fā)現(xiàn)如圖5所示試樣編號為2、3的試樣上邊出現(xiàn)厚度為0～1 mm的連續(xù)網(wǎng)狀組織.圖5a、圖5b為連續(xù)網(wǎng)狀組織放大30倍、200倍微觀組織圖;圖5c、圖5d為連續(xù)網(wǎng)狀組織取樣點(diǎn)8及其能譜分析.由圖5可以看出,呈連續(xù)網(wǎng)狀分布的組織為Al8Mg5,這種連續(xù)網(wǎng)狀組織的出現(xiàn)是由于偏析導(dǎo)致局部Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高,在晶界處富集溶質(zhì)元素Mg從而晶界析出Al8Mg5相.這種在晶界上析出的呈不均性連續(xù)分布的網(wǎng)狀組織會降低鑄錠的塑形,惡化鑄錠在后續(xù)工藝的加工性能[9],應(yīng)該采取有效措施將其除去.

圖5 連續(xù)網(wǎng)狀組織能譜分析Fig.5 Energy spectrum analysis of continuous net structure

3 結(jié) 論

5356鋁合金連續(xù)鑄造梯形鑄錠橫斷面上存在成分偏析從而鑄錠成分不均勻,梯形鑄錠邊部Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于中心.為制備成分均勻的梯形鑄錠,應(yīng)該改善鑄造工藝和設(shè)備.梯形鑄錠存在Al8Mg5高M(jìn)g含量的網(wǎng)狀組織,該組織會降低鑄錠的塑形,惡化鑄錠在后續(xù)工藝的加工性能.本研究對連鑄連軋制備5356鋁合金焊絲桿具有一定的指導(dǎo)意義.