普通结晶器铸造与低液位铸造所得5083合金扁锭质量差异比较分析？

5083铝合金以密度小、抗蚀性好、塑性好、具备一定的抗拉强度等特点，得到广泛应用。由于该合金的流动性比较差，潜热较大，因此它的铸造性能很不稳定，在铸造过程中的各个因素都会明显的影响合金的性能。现在国内主要采用传统的普通结晶器半连续铸造方式生产铝合金扁锭。我公司引进25t铝合金熔炼油炉低液位铸造设备后，用它生产5083合金扁锭。将它与普通结晶器铸造的5083合金横向压延扁锭表面质量、内部组织及力学性能方面进行比较，发现低液位铸造的扁锭在各方面都优于普通结晶器铸造的。本文将就新老两条生产线生产的扁锭在性能、内部组织和表面质量方面的差异进行分析。5083铝合金的成分列于表1。表15083合金化学成分(质量分数)%SiFeCuMnMgCrZnTi其他杂质Al单个合计0.40.40.10.40～1.004.0～4.90.05～0.250.250.150.050.15余量1铸造试验1.1老生产线普通结晶器铸造(1)配料。新铝用量50％，Mg以纯金属形式加入，Mn和Cr以添加剂形式加入。其余使用一级废料，每吨炉料加0.15kgA1-Be中间合金。(2)熔炼。在煤气炉内熔化成液体料后转入电炉。在电炉内调整成分：w(Mg)=4.6％，w(Mn)=0.7％，w(Cr)=0.07％。采用2号熔剂覆盖熔体。(3)导炉和熔体净化。炉料导入静置炉后用Ar气精炼10min，静置15min。精炼后用2号熔剂覆盖熔体。（4）铸造。采用普通结晶器水冷半连续铸造方式，结晶器选用侧面带圆弧的铜质结晶器，圆弧处带缺口，结晶器宽面高度为200mm（结晶器形状见图la）。采用自动浮漂漏斗控制液面。铸锭规格为255mm×1500mm，铸造工艺参数为：铸造速度55mm／min～65mm／min，铸造温度700℃～720℃，冷却水压0.08MPa～0.15MPa，液面高度为距结晶器宽面下缘130mm～145mm，开头采用纯铝铺底，收尾不回火。铸造过程中采用人工浇润滑油的方式润滑。１.2新生产线低液位铸造（1）配料和（2）熔炼操作都与老生产线普通结晶器铸造的相同。（3）导炉和熔体净化。炉料导入静置炉后用Ar气精炼20min，静置20min。精炼后采用2号熔剂覆盖熔体。（4）铸造。采用低液位水冷铸造方式，成型工具选用直边的铝质结晶器，侧面不带缺口，结晶器宽面高度为120mm（结晶器形状见图lb）。铸锭规格为300mm×1500mm，铸造工艺参数为：铸造速度55mm／min～68mm／min，铸造温度（保温炉内）715℃～735℃，冷却水量95m3／h～110m3／h，液面高度为距结晶器下缘60mm～80mm，开头不采用纯铝铺底，而采用脉冲水冷却方式，收尾不回火。铸造过程中采用自动润滑。铸造在线播种Al-Ti-B丝细化晶粒，并采用ARPUL除气装置对熔体进行在线除气处理。图1两种结晶器形状2试验结果2.1两种铸造方式的铸锭表面质量对比两种铸造方式所得铸锭表面质量如图2所示。可以看出，采用普通结晶器铸造的铸锭表面偏析瘤为5mm左右，而且铸锭常伴有夹渣、竹节等缺陷；采用低夜位铸造的铸锭表面质量明显好些，铸锭平直，表面光滑，表面偏析瘤小于2mm。图2两种铸造方式所得铸锭表面质量2.2金相组织对比低液位铸锭的晶粒细小，枝晶间距比较小，而且铸锭中心部的与边部的相比差别不大；普通结晶器铸锭边部的晶粒尺寸和枝晶间距较大，而且中心部的与边部的相比差别很大。从平均晶粒尺寸和枝晶间距看，低液位铸造的远远小于普通结晶器铸造的。低液位铸造的铸锭，其晶界和枝晶上低熔点共晶比普通结晶器铸造的要少一些，而且分布得薄而均匀一些。2.3铸锭力学性能对比两种铸造方式铸锭的力学性能对比见表2。可以看出，两种铸造方式铸锭的抗拉强度、屈服强度基本相同；伸长率方面，老线普通结晶器铸造的为13.6％，新线低液位铸造的为16.3％，后者比前者的高出近20％。表2两种铸造方式铸锭的力学性能对比铸造方式Rm/(N·mm-2)Rp0.2/(N·mm-2)A/%普通结晶器275.5141.313.6低液位275.5145.916.33试验结果分析3.1两种铸锭表面质量差异的分析新、老生产线所得铸锭表面的差别主要是铸造方式、生产工具和生产条件的不同而引起的。（1）偏析分析偏析瘤是一种有害的铸锭表面缺陷。在铸造过程中，填充在铸锭和结晶器之间的偏析瘤对结晶器壁产生附加压力，使拉锭阻力增大。偏析瘤程度大的铸锭在铣削加工时铣面量大。偏析瘤是铸锭内部渗出的并在铸锭表面呈瘤状或小球状凝结的易熔析出物。偏析瘤的形成，是由于进入结晶器中的熔体在与结晶器壁接触时受急冷成壳，在收缩的影响下与结晶器壁间形成缝隙，使导热受阻，在液穴内熔融铝加热的作用下，液穴壁的温度升高，发生二次加热现象，结果使液穴壁内晶界和枝晶界的不平衡共晶熔化，这些已熔化的不平衡共晶必将在液穴熔体静压力的作用和收缩挤压力的作用下，沿晶间孔道流向铸锭表面，形成偏析瘤。因此，二次加热的时间长、温度高，铸锭表面质量恶化的程度大。普通结晶器铸造时，因成型工具精度低，铸锭表层与结晶器间隙大，同时有效结晶区高，铸锭被二次加热的程度大，因此铸锭表面偏析程度大。而低液位铸造采用精度高的成型工具，并采用低液位铸造，因此金属熔体受一次水冷时间短，热传导弱，受收缩气隙的影响也小，被二次加热的程度轻，当铸锭被拉出后，其表面受到二次水的直接冷却，有效结晶区小，基本不发生重熔现象，因此铸锭表面偏析程度很小。（2）铸锭光滑度、平直度不同的原因由于5083合金熔体的黏度大，流动性差。在生产中，合金液先在温度很低的结晶器壁上凝固。由于其黏度大，凝固成的固体粘附在结晶器壁上，随着铸造的进行，底座的下降，凝固合金又受到底座向下的拉力和自身的重力。这两个力远大于凝固合金与结晶器中的粘附力，于是凝固合金就从结晶器上下来，液相继续地在结晶器壁上凝固、粘附而后又脱落。因此结晶器内壁的光滑程度、底座下降的平稳性对铸锭的表面质量的影响很大。老线铸造用的铜质结晶器内壁的光滑度比新线铸造用的铝质结晶器的要差得多；在老线上是采用人工定时浇油润滑，而新线上是采用浸油自动润滑方式，后者可以保证合金在铸造过程中润滑的一致性，从而保证铸锭表面质量。此外，在新线上底座升降系统是用液压控制，而在老线上是采用钢丝绳传动方式控制升降，前者的平稳性好得多。所以，新线生产的合金铸锭表面质量优于老线生产的。老线铸造机本身性能差，因此铸锭平直度不好。而新线铸造机是德国洛伊公司生产的单向内导式液压铸造机，结晶器内熔体液面采用先进的激光探测控制系统控制，控制精度高而平稳，因此铸锭平直。3.2两种铸锭组织差异的分析低液位铸造铸锭的晶粒、枝晶尺寸之所以细小，其原因在于：（1）有效结晶区短，冷却速度快，溶质元素来不及扩散，活性质点多，晶内结构细。铸锭成型时，一次冷却区很小，结晶前沿绝大部分处于结晶器外边，直接接受二次冷却水的冷却，可以获得很高的冷却速度。其结晶速度也非常快，因此铸锭的晶粒枝晶非常细小，低熔点共晶物在晶界及枝晶界分布薄而均匀。（2）铸造过程中液穴的形状决定着断面结晶速度变化的性质，因而也决定组织的均匀性。液穴越平，结晶过程中断面各点的力学性能越趋一致，偏析越不明显。液穴的深度受多种因素影响，实际生产中液穴深度的变化主要取决于合金的本性、冷却水、铸造速度和合金液面在结晶器中的高度等。当液面高度为50mm～250mm时，液穴深度按直线法则变化，用方程式表达如下：h＝mvg式中：h—液穴深度；m—系数；vg—铸造速度。m取决于合金的本性，其值随液面水平高度的增加而增加。m＝γ＋βH式中：H—液面高度；γ、β—常数。由上式可知：在低液位铸造条件下，其液穴深度较普通结晶器铸造时的低，因此，铸锭组织较均一，偏析很少。（3）低液位铸造时，采用Al-Ti-B细化剂和在线细化晶粒方式，有利于铸锭形成细晶组织。3.3两种铸锭力学性能差异的分析因为低液位铸造铸锭晶粒细小、枝晶间距小，低熔点共晶物在晶界及枝晶界分布薄而均匀，因此铸锭的塑性好，伸长率高。4结束语由于新生产线低液位铸造在设备、技术上优于老生产线普通结晶器铸造的。因此，新线上铸造的5083合金铸锭不论是表面质量还是内部组织，都优于老线普通结晶器铸造的。