陳仁桂，楊 浩，藍(lán)東華,黃金寧,朱玉濤

(廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧 530031)

7075鋁合金由于具有高的強(qiáng)度性能、易加工等優(yōu)點(diǎn)，已成為常用的高等強(qiáng)度可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。隨著航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展，寬幅板材(寬度大于2 300 mm)的需求越來越大。傳統(tǒng)裝備工藝生產(chǎn)的7075鋁合金鑄錠規(guī)格普遍較小，目前鑄錠寬度一般小于2 000 mm，受限于此，只能用橫軋+縱軋方式生產(chǎn)寬幅板材，但這種生產(chǎn)方式會(huì)出現(xiàn)成品率低、生產(chǎn)困難、成本高等各種問題。

寬度大于2 000 mm的大規(guī)格7075鋁合金扁鑄錠在國內(nèi)非常少有。使用大規(guī)格鑄錠生產(chǎn)寬幅板材將具有明顯優(yōu)勢，其無須寬展直接縱向軋制，能減少寬展軋制道次，保證軋制過程中鑄錠溫降，提高成品率，降低生產(chǎn)成本。但7075鋁合金由于合金化程度高、成分復(fù)雜、結(jié)晶溫度區(qū)間寬、鑄態(tài)組織塑性低，鑄造時(shí)裂紋傾向非常大。特別是隨著鑄造寬厚比及鑄造截面的增大，鑄造時(shí)還容易出現(xiàn)如錠尾塌裂、小面漏鋁、鑄錠懸掛、大面漏鋁、過渡區(qū)熱裂等問題，使鑄造成功率很難保證[2-3]。因此需要探討7075鋁合金大規(guī)格扁錠鑄造工藝以滿足軋制生產(chǎn)要求。

1 試驗(yàn)材料及方案

生產(chǎn)7075鋁合金大扁錠的主要工序包括配料、熔煉、保溫、精煉、過濾、鑄造、去應(yīng)力等。本試驗(yàn)用7075鋁合金的化學(xué)成分見表1。

表1 7075鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Compositions of 7075 aluminum alloy(wt/%)

1.1 配料

根據(jù)表1所示成分計(jì)算純度99.80%以上的重熔鋁錠和7075鋁合金返回料、鋅錠、紫銅等的用量。重熔鋁錠中w(Si)≤0.03%，7075鋁合金返回料占比為20%～60%。

1.2 熔煉

將鋁錠、鋅錠、紫銅及7075鋁合金返回料投入55 t熔煉爐，當(dāng)爐料熔化1/3時(shí)開啟電磁攪拌器。熔體溫度達(dá)到720℃后加入Al-Cr、Al-Ti、Al-Mn中間合金及鎂錠，達(dá)到目標(biāo)合金成分時(shí)，得到化學(xué)成分合格的鋁合金熔體。

1.3 保溫、爐內(nèi)精煉

將鋁合金熔體轉(zhuǎn)注到保溫爐。用氬氣與氯氣混合氣體精煉，通入氬氣與氯氣流量的比例為20∶1，精煉時(shí)間為60 min，精煉2次，間隔60 min。

1.4 在線精煉、晶粒細(xì)化、過濾

爐內(nèi)精煉完成后傾動(dòng)保溫爐使熔體流經(jīng)在線精煉除氣裝置，通入氬氣與氯氣流量的體積比為9∶1，控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速580 r/min。在線添加Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑，添加速度為320 cm/min，熔體流過30ppi(每英寸長度上的孔數(shù))陶瓷過濾板進(jìn)行過濾除渣。

1.5 鑄造

采用Wagstaff鑄造機(jī)自動(dòng)化控制鑄造系統(tǒng)，對(duì)鑄造冷卻水流量、鑄造速度、結(jié)晶器液位高度、起始填充時(shí)間等自動(dòng)化控制。

采用軟起鑄方式，先將軟起料通過主流槽填充到結(jié)晶器中，填充時(shí)間98 s，填充完成后進(jìn)行自動(dòng)鑄造，鑄造速度為22 mm/min～40 mm/min，鑄造溫度為670℃～680℃，冷卻水溫度為35℃～40℃，冷卻水流量為30 m3/h～40 m3/h，冷卻水壓為0.2 MPa～0.35 MPa，結(jié)晶器液位高度為60 mm～80 mm，待軟起鑄造長度到100 mm后，停止軟起料的添加，迅速切換到正常料繼續(xù)鑄造。鑄造速度為40 mm/min～50 mm/min，鑄造溫度為675℃～685℃，冷卻水溫度為35℃～40℃，冷卻水流量為40 m3/h～70 m3/h，冷卻水壓為0.4 MPa～0.55 MPa，結(jié)晶器液位高度60 mm～100 mm，鑄造完成后獲得2 540 mm×550 mm規(guī)格的7075鋁合金扁錠，如圖1所示。

1.6 去應(yīng)力

鑄造結(jié)束后對(duì)扁鑄錠進(jìn)行去應(yīng)力退火，退火制度為300℃10 h，避免鑄錠產(chǎn)生炸裂。

2 試驗(yàn)結(jié)果

將鑄錠切除底部450 mm后，取試樣進(jìn)行化學(xué)成分、高低倍組織分析，取樣位置如圖2所示。

2.1 化學(xué)成分

化學(xué)成分分析取樣位置如圖2所示的上部，取點(diǎn)為10個(gè)點(diǎn)，分析結(jié)果見表2。由表2可知，鑄錠成分分布均勻，均在控制范圍內(nèi)，成分偏差小于10%。

表2 主要成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 2 Analysis results of the main element contents(wt/%)

2.2 低倍組織

將低倍試樣在濃度為150 g/L的NaOH溶液中浸泡5 min后觀察低倍組織情況，結(jié)果見表3。

表3 低倍組織分析結(jié)果Table 3 Analysis results of macrostructures

2.3 高倍組織

鑄錠去應(yīng)力后，分別取鑄錠芯部、1/4對(duì)角線位置、邊部處試樣進(jìn)行高倍組織分析(參見圖3)，晶粒平均尺寸分析結(jié)果見表4。

表4 鑄錠晶粒尺寸分析結(jié)果Table 4 Analysis results of the grain size

2.4 氫含量

氫含量對(duì)最終產(chǎn)品的綜合性能(尤其是裂紋擴(kuò)展速率)有重要影響。所用測氫設(shè)備為西南鋁生產(chǎn)的ELH-IV型測氫儀，經(jīng)除氣箱除氣后，熔體氫含量為0.08 mL/(100 g Al)。

2.5 水浸法超聲探傷

對(duì)試驗(yàn)鑄錠進(jìn)行水浸探傷，根據(jù)波形特點(diǎn)、分布情況、傳播時(shí)間等信息可以對(duì)缺陷進(jìn)行檢測和定位分析。7075鋁合金扁錠超聲探傷結(jié)果顯示，鑄錠頂、底部存在較多缺陷，通過切頭、尾后可以去除。其余部分未檢測到鑄錠內(nèi)部的夾雜、氣孔、裂紋和組織粗大等宏觀缺陷，檢測結(jié)果等級(jí)為A級(jí)。

3 分析與討論

3.1 熔體純凈度的控制

氣孔和夾雜二者相互影響，相伴相生。在熔體中加入一定量的熔劑，通過一系列的物理化學(xué)反應(yīng)可以達(dá)到除氣除雜的目的。但使用熔劑后會(huì)造成一定量的殘留，對(duì)于大規(guī)格高品質(zhì)鑄錠危害極大。因此在不使用熔劑的情況下使用氯氣、氬氣混合氣體進(jìn)行多級(jí)精煉，混合氣體通過轉(zhuǎn)子注入熔融金屬中，以細(xì)小的分散氣泡的形式存在于熔融金屬中。加入的氯氣和堿金屬反應(yīng)并生成氯化物，靠浮力或依附在氣泡表面上帶動(dòng)夾雜物、氣體和鹽等雜質(zhì)上浮，達(dá)到凈化熔融金屬液體的作用。使熔體氫含量不大于0.10 mL/(100 g Al)，可有效改善鑄錠質(zhì)量及提高鑄造成功率。

3.2 硅、鐵元素的控制

當(dāng)鐵和硅比例不當(dāng)時(shí)，對(duì)大規(guī)格7075鋁合金鑄造裂紋有明顯的影響。硅與鎂形成Mg2Si相，當(dāng)鎂過剩時(shí)，降低了Mg2Si在基體中的溶解度，降低合金的塑性。因此盡可能降低硅含量，同時(shí)確保w(Fe)/w(Si)>2.0，避免形成Mg2Si相。

3.3 鈹元素的添加

7075鋁合金大規(guī)格鑄錠容易在鑄造中產(chǎn)生皺褶，太深的溝槽會(huì)導(dǎo)致鑄造裂紋。因此鑄造大規(guī)格7075鋁合金扁錠時(shí)，往合金中加入w(Be)=20×10-6～50×10-6的鈹，鈹在氧化表面積聚，降低氧化速率，減少鑄錠中夾雜物含量，降低鑄錠表面拉裂風(fēng)險(xiǎn)，提高鑄造成功率。

3.4 鑄造工藝優(yōu)化

大規(guī)格7075鋁合金扁錠鑄造失敗一般是因開頭塌裂、漏鋁原因?qū)е碌?。針?duì)不同的規(guī)格以及不同的合金，可有針對(duì)性的調(diào)整軟起料的成分來抑制起鑄階段的開裂。在鑄造開頭采用軟起鑄可以有效的避免鑄錠成型困難問題。使用軟起鑄方式不僅可以降低刮水環(huán)帶來的生產(chǎn)成本提高，而且可以增加鑄錠冷卻強(qiáng)度，極大的細(xì)化內(nèi)部鑄造組織，減小成分偏析。

3.5 結(jié)晶器設(shè)計(jì)

結(jié)晶器采用多級(jí)可控強(qiáng)冷結(jié)晶器，有上下兩排出水孔，由6根進(jìn)水管控制，冷卻水流量由Wagstaff系統(tǒng)精準(zhǔn)控制。一次冷卻水噴射至結(jié)晶器圍裙位置形成一次緩冷，起到形成殼的作用。然后順著圍裙流至鑄錠上，通過一次間接式緩冷對(duì)冷卻水進(jìn)行加熱，減小一次間接冷卻跟二次直冷的溫度梯度差，可明顯減少鑄錠激冷和冷卻梯度差，從而使鑄錠應(yīng)力分布均衡。當(dāng)鑄錠達(dá)到一定長度后直接接觸三次冷卻水進(jìn)行三次增強(qiáng)冷卻，極大細(xì)化內(nèi)部晶粒，減小芯表晶粒尺寸差別，同時(shí)保證鑄造成品率。

為了避免鑄錠邊角冷卻強(qiáng)度過大引起開裂，結(jié)晶器大小面圓弧半徑采用100 mm。結(jié)晶器大面邊角水孔和結(jié)晶器小面邊角水孔至少堵塞4～8個(gè)?？刂畦T錠邊角的冷卻強(qiáng)度，降低了鑄造過程中的應(yīng)力，使得最終制造的7075鋁合金大扁鑄錠無裂紋、無冷隔等缺陷。

4 結(jié) 論

通過對(duì)7075鋁合金2 540 mm×550 mm規(guī)格扁錠鑄造工藝試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1)7075鋁合金2 540 mm×550 mm扁錠解決了航空貨運(yùn)用成品寬度超過2 300 mm的寬幅鋁板材必須橫軋的問題，板材成品率提高30個(gè)百分點(diǎn)，有效地降低了生產(chǎn)成本。

2)不使用熔劑并且采用多級(jí)高效除氣、除渣技術(shù)獲得高純凈化熔體。使熔體氫含量不大于0.10 mL/(100 g Al)，可有效改善鑄錠質(zhì)量，提高鑄造成功率。

3)采用軟起鑄方式，在鑄造速度為40 mm/min～50 mm/min、鑄造溫度為675℃～685℃、冷卻水溫度為35℃～40℃、冷卻水流量為40 m3/h～70 m3/h、冷卻水壓為0.4 MPa～0.55 MPa、結(jié)晶器液位高度60 mm～100 mm的條件下，鑄造出2 540 mm×550 mm規(guī)格的7075鋁合金扁錠。該扁錠無裂紋、錠尾塌陷、皺褶等表面缺陷，內(nèi)部組織無裂紋、氣孔、夾雜、羽毛晶、光亮晶等冶金缺陷，成分均勻，晶粒度細(xì)小。