（材料科学与工程专业论文）7a52合金铸锭粗大化合物研究及控制.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 铸锭粗大化合物实质是铸锭中存在的一次品偏析化合物，它一旦形成，就很 难消除，并将遗传至锻件、板材等最终制品中，破坏制品组织的均匀性，降低其 力学性能。 本文以7 a 5 2 合金生产过程中出现的铸造供流漏斗底结物、铸锭粗大化合物、 锻件5 撑偏析、板材点条状缺陷为研究对象，采用化学成分分析、金相组织观察、 显微硬度测试、x 射线衍射、扫描电镜分析、热分析等实验分析手段，确立了漏 斗底结物和铸锭粗大化合物形成的关系：圆锭粗大化合物是漏斗底结物的必然结 果，漏斗底结物是圆锭粗大化合物产生的重要原因：方锭通常不产生漏斗底结物， 粗大化合物的产生和漏斗有无底结物无关。揭示了合金锻件5 群偏析、板材点条状 缺陷实为铸锭遗传的粗大化合物的本质。确定了粗大化合物是由m n 、c r 、t i 等元 素偏聚并形成m n a l 6 、c r a l 7 、t i 舢3 等物相组成的混合组织。 研究表明，7 a 5 2 合金中m n 、c r 、t i 含量、a 1 b i n 、a i c r 、a l m 中间合金质 量、熔炼工艺、铸造温度、铸造速度、铸锭规格、漏斗、铸造方法等因素影响铸 锭粗大化合物的形成和尺寸。根据影响因素制定控制铸锭粗大化合物的措施并应 用于实际生产。实践证明，m n 、c r 、t i 按标准下限控制、延长熔炼时间、提高熔 铸过程熔体温度、合理选择和用好漏斗、优选热顶铸造方法、减小炉料中本身废 料比及减小中间合金化合物尺寸等措施能较好地解决圆锭铸造过程中形成漏斗底 结物的问题，有效地控制铸锭粗大化合物，使圆锭粗大化合物缺陷发生率大幅度 地下降，明显地提高了制品探伤合格率。和圆锭相比，方锭租大化合物的形成和 尺寸受原材料遗传性影响更大。 关键词：7 a 5 2 合金，铸锭，粗大化合物，影响因素，控制措施 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h en a t u r eo f b u l k yc o m p o u n di sp r i m a r yc r y s t a ls e g r e g a t i o nc o m p o u n di ni n g o t s o n c ef o r m i n g ，i ti sh a r dt oe l i m i n a t et h e np a s s e st of i n i s h e dp r o d u c t ss u c ha sf o r g i n g p i e c e sa n dp l a t e s ，w h i c hd a m a g e st h eu n i f o r m i t yo f p r o d u c ts t r u c t u r ea n dd e c r e a s e st h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h em a t e r i a l s a c c u m u l a t i o nu n d e rc a s t i n gs e p a r a t i n gf u n n e l ，b u l k yc o m p o u n d so fi n g o t s ， s e g r e g a t i o no ff o r g i n gp i e e e 5 # a n dp o i n t - l i n e - s h a p e dd e f e c t so fp l a t e sw e r em a n i l y i n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea c c u m u l a t i o nu n d e rc a s t i n g s e p a r a t i n gf u n n e la n dt h eb u l k yc o m p o u n d so fi n g o t si s d e t e r m i n e db ym a n y e x p e r i m e n t a la n a l y s i sm e t h o d ss u c h 嬲c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n a l y s i s o p t i c a l m i c r o s c o p y ，m i c r o h a r d n e s st e s t i n g ，x - r a yd i f f r a c t i o n ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ， t h e r m a l a n a l y s i s t h eb u l k yc o m p o u n d so fb a ri n g o t s a r et h eg u r er e s u l t so f a c c u m u l a t i o nu n d e rc a s t i n gs e p a r a t i n gf u n n e l a c c u m u l a t i o nu n d e rc a s t i n gs e p a r a t i n g f u n n e li st h em a i n l yr e a s o no ft h eb u l k yc o m p o u n d so fb a ri n g o t s b u tf o rr e c t a n g l e i n g o t s ，t h e r ei su s u a l l yn oa c c u m u l a t i o nu n d e rc a s t i n gs e p a r a t i n gf u n n e la n d1 1 0 r e l a t i o n s h i pb e 俯e e nt h eb u l k yc o m p o u n d so f b a ri n g o t sa n da c c u m u l a t i o nu n d e rc a s t i n g s e p a r a t i n gf u n n e l a n dm o r e ，i ti sd i s c l o s e dt h a ts e g r e g a t i o no ff o r g l n gp i e c e 5 # a n d p o i n t - l i n e - s h a p e dd e f e c t so fp l a t e s a r e t h eh e r e d i t yb u l k yc o m p o u n d so fi n g o t s m a t e r i a l l y l a s t l y ，t h a tt h eb u l k yc o m p o u n d sa r em i x e d s t r u c t u r eo f t h ep h a s e ss u c ha s m n a l 6 ，c r a b ，t t a l 3e t c w h i c ha r ef o r m e db yt h es e g r e g a t i o no f e l e m e n t ss u c ha sm n ， c r ，t i i th a sd e m o n s t r a t e dt h a t ，f a c t o r ss u c h 嬲t h ec o n t e n t so f m n ，c r ，t ii n7 a 5 2a l l o y ， t h eq u a l i t i e so f i n t e r m e d i a t ea i m n ，a i - c r ，a i - t ia l l o y , t h em e l t i n gp r o c e s s ，t h ec a s t i n g t e m p e r a t u r e ，t h ec a s t i n gr a t e ，t h ei n g o ts p e c i f i c a t i o n ，t h ef u n n e la n dt h ec a s t i n gm e t h o d h a v ee f f e c t so nt h ef o r m a t i o na n ds i z eo f b u l k yc o m p o u n d s a c c o r d i n gt oe f f e c tf a c t o r s ， t h em e t h o d st oc o n t r o lb u l k yc o m p o u n d sa r ed e t e r m i n e da n da p p l i e di n t op r a c t i c e t h e p r a n c es h o w st h a t ，t h em e t h o d sl i k et h el o w e rr a n g ec o n t r o lo fm a x ，c r ，t ia s s t a n d a r d ，e l o n g a t i o no fm e l t i n gt i m e ，i m p r o v i n gt h em e l tt e m p e r a t u r ei nc a s t i n g ， c h o o s i n ga n du s i n gf u n n e lp r o p e r l y ，o p t i m i z a t i o no f h o tt o pc a s t i n gm e t h o d ，d e c r e a s i n g t h es c r a pr a t ei nc h a r g em a t e r i a la n dd e c r e a s i n gt h es i z eo f i n t e r m e d i a t ea l l o ya r ea b l et o s o l v et h ep r o b l e m so f a c c u m u l a t i o nf o r m a t i o nu n d e rc a s t i n gs e p a r a t i n gf u n n e l ，c o n t r o l t h eb u l k yc o m p o u n d so f i n g o t s ，d e c r e a s et h ei n c i d e n c er a t eo f b u l k yc o m p o u n dd e f e c t s 重庆大学硕士学位论文英文摘要 i nb a ri n g o t sa tw i d er a n g e ，i n c r e a s et h ep e r c e n to fp a s si np r o d u c td e t e c t i n g m a g n i f i c e n t l y ，c o m p a r e dt ob a ri n g o t s ，t h ef o r m a t i o na n ds i z eo fb u l k yc o m p o u n d s a f f e c tb yt h eh e r e d i t yo f o r i g i n a lm a t e r i a l sm o r ei nr e c t a n g l e i n g o t s k e yw o r d s - 7 a 5 2a l l o y ，i n g o t ，b u l k yc o m p o u n d ，i n f l u e n c i n gf a c t o r ， c o n t r o lm e a s u r e s i l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：榴妇签字吼形即月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂 有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名初曼刍 签字日期：二d p ；年f p 月多。日 、 ， 铷签筋翔 签字目期：勘。年f d 月2 堋 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 铸锭粗大化合物介绍 工业上使用的合金大多是复相或多相合金，其显微组织为在固溶体基体上分 布着第二相【“。第二相大都是硬脆、晶体结构复杂、熔点较高的金属化合物，对合 金主要起弥散强化作用。但如果熔铸工艺控制不当，一些金属化合物会在合金中 生成大量分散或聚集的粗大相，对制品性能产生不良影响。 1 1 1 铸锭粗大化合物形成的基本原理 铸锭粗大化合物实质是铸锭中存在的一次晶偏析化合物。它是在铸造过程中， 合金元素在流槽或液穴熔体中，互相之间反应生成的具有比较规则外形的化合物结 晶体【2 1 。这种化合物结晶体长大到一定尺寸后，便从液穴中向结晶面上飘移，当众 多的此类化合物结晶体在结晶面某一区域发生聚集长大现象，或者呈分散密集形式 存在于结晶面上时，即形成了一种铸锭组织缺陷，影响合金制品的性能。 1 1 2 铸锭粗大化合物对制品性能的影响 合金中绝大多数化合物一次晶偏析的熔点比铝基体熔点高，其显微硬度值也比 铝基体显微硬度值高若干倍。铸锭经过均匀化热处理后，化合物一次晶偏析体的大 小、形态和数量都没有发生显著变化，即化合物一次晶偏析几乎不能固溶在基体中。 在压力加工过程中，化合物一次晶体在应力作用下，被破碎成若干小晶体块，加工 制品经过淬火或者退火后，这些粗大化合物的尺寸及数量都没发生明显变化。由于 它们坚硬而脆，破坏了制品组织的均匀性，降低合金的力学性能。当制品表面有粗 大金属化合物时，还使腐蚀寿命大大降低。 1 1 3 铸锭粗大化合物组织特征及低倍评级标准 ( 1 ) 宏观特征 化合物一次晶偏析物呈分散的针状、点状或聚集的大小不等的块状晶体偏析分 布在铸锭横向宏观试样上，从边部向中心尺寸逐渐增大，数量逐渐增多。其边界轮 廓清晰，凸出于基体，对光线有明显的选择性，改变观察角度会呈现不同的色泽。 尺寸比二次晶大几倍以上，甚至在铸锭加工变形后，粗大的化合物一次晶破碎成小 块后，小块尺寸仍比二次晶大得多p 】。 ( 2 ) 断口组织 一类是化合物一次晶偏析在铸锭断口上呈银灰色闪光的针状或条带状，它们以 分散的形式存在于铸锭中。另一类是化合物一次晶偏析在铸锭断口上呈银白色、灰 色的分散点状，或者呈聚集的块状。 如果化合物一次晶与夹杂物共存，其点状或聚集的块状偏析物呈暗灰色、暗褐 重庆大学硕士学位论文1 绪论 色，有的呈红土色，这要视夹杂物的多少及夹杂物的性质而定。 在铸锭中心部位的化合物一次晶偏析数量多而且体积大，越往铸锭边部化合物 一次晶偏析就越小，数量也越来越少。 ( 3 ) 显微组织 化合物一次晶偏析物未经腐蚀时，其显微组织呈自亮色针状、条状、骨骼状、 多边形或其它不定形状。经过侵蚀后，由于化合物一次晶的种类不同，或者侵蚀剂 不同，它们所受的侵蚀程度也各不相同，在显微镜下则呈现出各不相同的颜色。 化合物一次晶的形态随生成条件的改变而变化。较小的化合物一次晶可能存在 于一个晶粒内，粗大的化合物一次晶可能贯穿几个晶粒。 ( 4 ) 评级标准 化合物一次晶偏析在一般铸锭中的评级标准如表1 1 所示： 表1 1 铸锭中化合物偏析评级标准 ! ! ! ! ! ! ：! 墅! 竺! ! ! 竺2 1 竺塑! ! 兰竺! i ! 等级1 2 34 注：按习惯，本文把金属问化合物、化合物一次晶等不同称呼统一为( 铸锭) 粗大化合物 1 2 课题背景 1 2 17 x x x 系变形铝合金概述 变形铝合金按照加入的主要合金元素不同分为9 大牌号系列，各合金组别分类 标准如表1 2 所示。 表1 2 变形铝合金牌号分类 曼生! ：! ：坐! 竺! 娈! ! 型! 坐竺竺! 竺璺里! 苎皇竺! ! 业堂垒! ! 竺! ! 坚垒! ! ! 芝 合金系组别 纯铝( 铝含量不小于9 9 o o ) 以c u 为主要合金元素的铝合金 以m n 为主要合金元素的铝合金 以s i 为主要合金元素的铝合金 以m g 为主要合金元素的铝合金 以m g 和s i 为主要合金元素并以m 9 2 s i 相为强化相的铝合金 以z n 为主要合金元素的铝合金 以其它合金元素为主要合金元素的铝合金 备用合金组 2 篓三= 黑艘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 重庆大学硕士学位论文i 绪论 7 x x x 系合金是以z n 为主要合金元素的变形铝合金，属于热处理可强化合金。 在变形条件下，z i l j c 寸提高铝强度的作用是微不足道的，必须在其它合金元素的作用 下才有良好的性能【4 】。7 x x x 系合金的发展可以追溯到2 0 世纪2 0 年代，德国科学家 s a n d e rw 和m e i s s n e rk l 发现a 1 - z n - m g 合金经淬火、时效后具有强烈的时效硬化效 应和极高的强度。以此为基础，发展出了后来的7 x x x 系铝合剑”。但由于m g m n 2 降低 了抗应力腐蚀能力，增加剥落腐蚀倾向，在工业中一直没有得到应用，到2 0 世纪4 0 年代才有比较成型的合金在航空工业中试用( 比如美国开发的7 0 7 5 合金) ，2 0 世纪5 0 年代以后才大量使用。 7 x x x 系合金可分为含q l 和不含c u 的两个合金支系： ( 1 ) 含c i l 的a i z n m g 系合金 1 p a i - z n - m g - c u 系合金，它是在a i z n - m g 合金基础上通过添加c u 发展起来的， 一般称为高强铝合金。合金中主要元素含量通常为z n 4 - 8 、c u l 2 、m 9 1 3 。这 类合金主要强化相是l l ( m g z n 2 ) 和t ( a 1 2 m 9 3 z n 3 ) 相，0 ( c u a l 2 ) 和s ( c u m g a l 2 ) 相次之。该 系合金的强度随z n 、m g 、c u 等三个合金化元素的增加而提高，但不完全取决于这 些元素的总和，在很大程度还决定于z n m g 比。一般性能比较好的合金，z n 为6 左 右、m g 为2 左右、z n m g 比为3 左右。合金中加入c u 的主要目的是提高强度性能和 抗应力腐蚀性能，但c 耐抗一般应力腐蚀性能不利并有产生晶间腐蚀和点腐蚀的倾 向。另有资料介绍，c u x 寸断裂韧性的影响与z n m g 比值有关，当比值小时，c u 含量 愈高韧性愈差；当比值大对，即使c u 含量较高，韧性仍然很好。 对a l l z n - m g - c u 系高强度或超高强度合金的的研发和应用主要沿着 7 0 7 5 7 0 5 0 一7 0 5 5 合金的途径发展，7 0 5 5 合金因具有高强度的同时又具有优良的综 合性能而被称为王牌铝合金。目前7 0 5 5 2 t 7 7 己用于波音7 7 7 客机的上翼蒙皮、机翼 桁条【锚】。 ( 2 ) 不含c l l 的m z n m g 系合金 a i z n - m g 系合金不含c u 是指c u 作为微量添加元素加入或按杂质控制。这类 合金又分为两类，一类是低成分的，m g 、z n 都相对较低，z n 含量在5 以下、 m g 含量在1 5 以下；另一类是高成分的，m g 、z n 都相对较高，z n 含量在6 以 上、m g 含量为2 左右。不含c u 的 j z n m g 系合金的强化相为1 1 相和t 相。其 主要性能特点是有良好的热变形能力，焊接性能好，具有很好的淬火效应。 a l o z n m g 系合金由于具有中等强度和良好的抗一般腐蚀性能，但容易在温度 升高时发生软化，产生应力腐蚀和分层腐蚀，因此必须联合加入m n 、c r 、z r 、t i 甚至微量c u 等 9 1 。比较典型的a i - z n m g 系合金如：美国的7 0 3 9 、7 0 0 5 ，前苏联 的1 9 1 5 ，中国的7 a 5 2 等，这几种合金化学成分如表1 3 所示。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 表1 3 几种a i - z n - m g 系合金的化学成分 t a b l e1 3 c o m p o s i t i o n sf o rs e v e r a l a i - z n - m g a l l o y s m n 、c r 、t i 、z r 、c u 在a 1 z n - m g 系合金中的含量都比较低，对热处理强化 效果的影响不大。这些元素在结晶时几乎全部进入固溶体中，在高温下加热时， 一部分以弥散的金属问化合物形式从固溶体中析出( c u 除外) ，一部分留在过饱和 固溶体中，它们对再结晶过程和分解产物的分布影响很大，因此也影响到变形半 成品的最终组织和性能。 m n 、c r ：m n 和c r 元素可在铸锭均匀化退火时产生弥散的质点，阻止热变形 过程中位错及晶界的迁移，提高再结晶温度，阻止晶粒长大，并保证组织在热加 工及热处理后保持未再结晶或部分再结晶状态，使材料在强度提高的同时具有较 好的抗应力腐蚀性能。0 2 0 4 的m n 可显著提高合金的抗应力腐蚀性能，在提高 抗应力腐蚀性能方面，加c r 比加m n 效果好，舢z n m g 系合金中c f 的最佳加入 量为o 1 0 2 。m n 和c r 对焊接部位的强度有不利影响，因为它们加速z n 、m g 在固溶体中的分解，使热影响区软化。 口和n ：z r 和啊是铝合金中非常有效的变质剂，它们能显著细化铸态晶粒， 从而减少铸造时和焊接时的裂纹倾向。z r 能显著提高a i - z n - m g 系合金热变形和冷 变形后的再结晶温度，使材料热处理后可得到完全未再结晶或部分再结晶组织， 因而具有较高的强度性能。厅和面对加速z n 、m g 在铝中固溶体分解过程的作用 比m n 和c r 小，在含m n 的a 1 - z n m g 系合金中加入0 1 - o 2 z r 可以大大减小应 力腐蚀倾向，但效果不如c r 。压还可提高合金的淬透性、可焊性、断裂韧性、抗 应力腐蚀性能等，是a 1 z n - m g - c u 系合金中很有发展前途的微量添加元素。t i 和 b 形成t f 1 3 2 质点成为a 1 t i b 晶粒细化剂的主要形核基底，细化合金在铸态时的晶 粒，并提高合金的再结晶温度【l 们。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 c u 在a 1 一z n - m g 系合金中的含量增加，合金强度和抗应力腐蚀性能随之增加， 但使抗一般腐蚀的性能变坏，并增加焊接时的热裂纹倾向，但添加0 1 - 0 2 c u 具 有很大的实际意义，这样的c u 含量使合金抗一般腐蚀的性能变坏和焊接时的热裂 纹倾向增加的作用都不太明显，却使合金抗应力腐蚀性能大大提高。 f e 和s i ：f e 和s i 在7 x x x 系合金中是不可避免存在的有害杂质，其主要来 自原材料，以及熔炼、铸造中使用的工具和设备。这些杂质主要以硬而脆的f e a l 3 和游离的s i 形式存在，f e 和s i 还会与m n 、c r 形成( f e m n ) a 1 6 、( f e m n ) s i 2a 1 5 、 a i ( f e m n c r ) 等粗大不溶相。f e a l 3 有细化晶粒的作用，但对抗腐蚀性能影响较大。 随着粗大不溶相含量的增加，不溶相的体积分数也在增加，这些难溶的第二相在 变形时会破碎并拉长，在部分颗粒基体边界上发生孔隙，产生微细裂纹，成为宏 观裂纹的发源地，同时也促使裂纹的过早发展。此外，粗大不溶相也对疲劳裂纹 的成长速度有较大的影响。因此，新型合金在设计及生产时，对f e 、s i 的含量控 制比较严，除采取高纯金属原料外，在熔铸过程中也采取一些措施，避免这两种 元素混入合金中。 1 2 27 a 5 2 合金国内外研究现状 7 a 5 2 铝合金是我国2 0 世纪8 0 年代研制的中强可焊铝合金，曾用名l c 5 2 、 5 2 1 0 。其成分与性能和美国的7 0 3 9 合金、前苏联1 9 1 1 合金相当( 成分见表1 3 ) 。 具有比重小、抗腐蚀性能好、较好的断裂韧性和抗低周疲劳性能以及优良的焊接 性能，广泛用于车体结构件，特别是装甲兵器结构件。 国内对7 a 5 2 合金的研究文献不多，内容也基本集中在研究7 a 5 2 合金焊接性 能、力学性能和抗应力腐蚀性能方面【1 1 1 ”。西南铝业集团公司对7 a 5 2 合金铸造特 性做了初步探讨。国外有少量文献论及7 a 5 2 合金相似合金7 0 3 9 的性斛1 9 - 2 0 1 。对 粗大化合物的研究主要集中在通过强化均匀化和强化组元固溶使组织中粗大的第 二相和非平衡结晶析出的共晶相溶解更彻底、共晶相的尺寸更小、数量更少【2 l - 2 6 。 但对铸锭中、锻件或板材中尺寸接近毫米级的粗大化合物一次晶尚未系统研究。 1 37 a 5 2 合金生产标准和质量现状 1 3 1 化学成分控制 ( 1 ) 采用炉前快速分析，调整各成分达到目标值。 ( 2 ) 铸造开始和铸造终了分别在供流流槽内取样，做合金最终成分确定，并以 此作为产品出厂成分最终依据。 其中：元素z n 、m g 含量采用化学分析法确定，其余元素采用原子发射光谱分 析确定。 7 a 5 2 合金炉前成分控制如表1 4 所示。 重庆大学硕七学位论文1 绪论 1 3 2 铸坯准备主要工艺 圆锭铸坯规格为： 平2 5 0 m m x 4 0 0r f l n l 、币2 7 0 m m 4 5 0m i l l 、m 3 6 0m m x 7 5 0n l l n 、中4 0 5 m m x 8 3 0n l r l l 、 币4 8 2 m m x 9 0 0 - 1 0 0 0n l l n 、p 6 3 0 m m x 7 0 0n l n l 方锭铸坯规格为：4 0 0 m m x l l 2 0 m m x 2 5 0 0n l l l l 、4 0 0 m m x l 3 2 0 m m x 2 5 0 0 m m 、 4 0 0 m m x l 6 2 0 m m x l 7 0 0 m m 铸坯准备工艺路线如图1 1 所示： 配料一熔化一炉前分折一成分调整一倒炉一炉内精炼和静置一添加晶粒细 化剂一在线除气和过滤( 在线液态测氢) 一铸造一均匀化一铸坯加工( 低倍及氧化 膜等质量检验) 一发送至锻造或压延 图1 1 铸坯准备工艺路线 f i g 1 1p r o c e s sr o u t ef o rp r e p a r a t i o no f i n g o t s ( 1 ) 熔炼设备及参数： 熔炼炉型：采用天然气炉或电阻反射炉。 熔炼方式：半分批熔炼法 温度控制：电阻反射炉炉膛9 0 0 | 1 2 ，天然气熔炼炉炉膛l 1 0 0 c ；熔体温度 均为7 3 0 7 7 0 c 。 熔化效率：电阻反射炉1 炉l o 小时( 按标准容量9 吨炉) ；天然气熔炼炉： 1 炉8 小时( 按标准容量2 5 吨炉) 。 主要工艺： 7 a 5 2 合金在熔炼过程中需要加入c u 、m n 、m g 、c r 、z n 、t i 、z r 等元素。其 中，在熔炼前装炉时加入：a l - 4 0 c u 、a 1 1 5 m n 、a 1 4 c r 、a 1 - 4 t i 、a 1 4 z r ， 并且加在炉料的最上层；z n 锭等炉料熔化到有一层液体金属时均匀加入；m g 锭 等炉料全部熔化完毕时均匀快速加入。 ( 2 ) 铸造设备及参数： 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 保温炉型：电阻反射炉 铸造机：钢丝绳式铸造机 铸造方式：半连续直接水冷铸造( 即d c 法) 。 结晶工具： 方锭：紫铜结晶器+ 灰铸铁底座；厨锭：铝质结晶器或热顶铸造工具 熔体净化：d f u 旋转喷头+ 泡沫陶瓷板 晶粒细化：在线加入a 1 - t i b 丝 铸造参数： 圆锭铸造温度：7 4 0 7 7 0 ，铸造速度：2 5 7 0m r n m i n ，冷却水强度： 0 0 3 - o 1 5 m p a 。 方锭铸造温度：7 1 0 7 6 0 * ( 2 ，铸造速度：4 0 - 6 0r a m r a i n ，冷却水强度： 0 i o 0 2 5 m p a 。 ( 3 ) 铸坯加工：均匀化后的铸锭需要进行机加工以达到后序加工对铸坯的表面 质量和尺寸要求。 切头尾、切试片 圆锭和方锭锯切分别按图1 2 和图1 3 所示顺序进行。圆锭浇口部切 1 0 0 - 1 5 0 r a m ，底部切1 2 0 3 0 0 m m ；方锭浇口部切4 0 1 0 0 m m ，底部切1 5 0 - 2 0 0 r a m 。 锯切从浇口部开始，顺序向底部进行，同时切取低倍或氧化膜试片。 浇 口 锯切顺序- 图1 2 圆锭毛坯低倍试片锯切图 f i g 1 2f i g u r eo f s a m p l e - s a w i n gp o s i t i o nf o rb a ri n g o t s 锯切方向一 图1 3 方锭毛坯低倍试片锯切图 f i g 1 3f i g u r eo f s a m p l e - s a w i n gp o s i t i o nf o rr e c t a n g l ei n g o t s 7 重庆大学硕士学位论文l 绪论 车皮：所有圆锭需要车皮，车皮后铸锭尺寸如表1 5 所示。 表1 5 车皮后铸坯直径偏差 t a b l e1 5d i a m e t e rd i v a t i o nf o ri n g o t sa f t e rs h a v i n g 刀痕深度：翊5 m m 刨边：方锭小面需要刨边，刨边深度为5 1 0 m m ，刀痕深度 _ 0 4 、t i _ o 1 2 ，必须在不良的铸造工艺或介质作用下才有可能产生。 7 a 5 2 合金中c r 和髓控制含量比较接近产生初晶化合物的成分要求，对漏斗底 结物成分分析也表明在铸造条件不良时c r 和n 形成初晶化合物的趋势异常活跃，因 此应把c r 和n 含量控制在较低水平。 m n 更容易在漏斗等介质上偏聚，形成粗大的化合物，因此应对铸造过程中接触 熔体的漏斗、流盘等介质加强处理，如提高其温度或刷上一层涂料。 实践表明，成分为a 1 z n - m g c u - 0 3 5 m n - 0 3 f e - 0 1 5 c r - 0 0 3 t i 的7 a 0 4 合金以及成 分为a 1 - z n - m g - c u - ( 0 1 0 m n ) 0 3 5 f e 0 2 3 c r 0 0 3 t i 的7 a 0 9 合金均出现粗大化合物， 图4 2 、4 3 所示分别是7 a 0 4 和7 a 0 9 合金锻件粗大化合物) 。证明借助于f e 的作用， 当m n + f e + 3 c r _ 1 时，会出现m n 、c r 、t i 的偏聚，形成( f e m n ) a 1 6 、c r a l 7 、t i a l 3 等 聚集在一起的粗大化合物。因此，对7 4 5 2 合金而言，还应控制m n 、c r ，f e 的总量。 z r 不参与粗大化合物的形成原因很可能和合金中z r 含量相对较低以及a 1 z r 中 z r a l 3 的组织形态有关。 图4 27 a 0 4 合金锻件中粗天钯否蕴r f i g a 2b u l k yc o m p o u d si nf o r g i n go f 7 a 0 4a l l o y 幽4 37 a 0 9 合金锻件中粗人化合物 f i g 4 3b u l k yc o m p o u d s i nf o r g i n go f 7 a 0 9a l l o y 4 2 合金熔炼的影响 熔体质量对铸锭质量的影响已越来越被人们重视，例如，在汽车工业方面， 已经有人认为当前铝材进一步在下一代汽车中应用面临的主要问题是铝熔体质量 缺乏控制【2 8 1 。而熔炼所用原材料组织的遗传性是熔体质量影响铸锭组织的一个重 重庆大学硕士学位论文 4 租大化合物形成的影响因素 要方面。 早在2 0 世纪2 0 年代，法国学者l e v i 即己发现f c - c 系合金组织中石墨片的大 小往往与炉料中石墨片的尺寸有关，首次提出了金属遗传性概念【2 9 】。随后的研究 表明，在相同生产条件下，合金的组织和性能取决于原材料的微观组织和质量等 原始状态对合金熔体及最终产品微观结构的特殊影响，即遗传效应埘3 0 洲。 金属和合金的组织遗传性在很大程度上受到熔化工艺( 熔化温度、保温时间 等) 、熔体处理工艺( 变质、晶粒细化处理等) 和其它工艺因素的影响。这些工艺条 件通过改变结晶条件，改变了凝固后铸锭或铸件的组织和性能【3 ”。 生产中总是要求金属炉料能快速熔化，以适应自动化、大批量的生产方式。 并且希望熔体停留时间不要太长，以免熔体质量恶化。这对合金中加入的熔点较 高的中间合金的充分熔化、溶解带来困难( 特别是当中间合金成分不均匀时，高于 名义含量的中间合金熔点将更高) 。7 a 5 2 合金含m n 、c r 、t i 、z r 等高熔点过渡族 元素，熔炼时m n 、c r 、t i 、z r 分别以a 1 1 5 m n 、a 1 - 4 c r 、a l - 4 r i 、a l - 4 z r 等中间合金形式加入，炉前成分调整时也以中间合金形式补入。表4 1 列出了这几 种中间合金的熔点，从表4 1 可见，a 1 1 5 m n 、a l 一4 c r 、a l - 4 ，n 、a l - 4 z r 的 熔点接近或高于熔炼熔体温度。因此，装料时要求把中间合金加在炉料的表层， 借助于火焰或热辐射的高温以及温度 9 5 0 c 的炉膛温度进行熔化，希望能获得成 分微观均匀的熔体。 表4 1 部分中间合金的熔点 t a b l e4 1m e l t i n gp o i n to f p a r t i a li n t e r m e d i a t ea l l o y 但在7 a 5 2 合金实际生产中，存在下列几个因素影响中间合金的充分熔化、溶 解： ( 1 ) 加料时操作者不能保证中间合金都在炉料表面，事实上实际操作中要做到 这一点很难。熔炼过程中炉料软化下塌时，熔点比较高的这几种中问合金很容易 随炉料跨塌，掉入炉底，而炉底是整个炉内温度最低的区域，延缓了中间合金的 熔化、溶解。 ( 2 ) 因m n 、c r 、t i 、z r 比重都高于铝，、a 1 c r 、a 1 m n 、a 1 z r 中间合 金均比铝熔体重，炉料化平后，残余的中间合金或者已熔化的但呈组元富集的仍 保持原中间合金组织特征的的“胶状粒子 1 将会分布在炉底。在熔体充分搅拌前 重庆大学硕士学位论文 4 粗大化合物形成的影响因素 炉底熔体温度比熔体表面要低1 0 0 - 2 0 0 一即炉底熔体温度约为6 5 0 c 左右，要把 中间合金充分溶解没有较长的时间是很困难的。 ( 3 ) 图4 4 、表4 2 所示是生产中正在使用的一批a i 1 5 m n 、a i - 4 c r 、舢- 4 、 a 1 4 z r 等中间合金的组织特征和化合物尺寸。总的说来，几种中间合金中金属化 合物的尺寸都偏大。其中，a t - 1 5 m n 中的m n a l 6 、a 1 - 4 c r 中的c r a l 7 、4 弧 中的t t a l 3 的块度( 面积) 明显大于呈细条型的z r a l 3 。在熔炼过程中，熔点较高的 m n a l 6 、c r a l 7 、m 1 3 溶解缓慢，其小晶块将会长期存活。 ( 1 ) a 1 4 9 m ( 2 ) a l - 4 c r (3)ai一15mn(4)ai-4zr 图4 4a l - f i 、a i - c r ，a 1 - m n 、a i - z r 中间合金组织 f i g 4 4m i c r o s t r u c t u r ef o ra i - t i , a i - c r , a i m n , a i - z ri n t e r m e d i a t ea l l o y 表4 2a i t i 、a 1 - c r 、a i - m n 、a i - z r 中间合金化合物尺寸 t a b l e4 2s i z eo f c o m p o u n d sf o ra 1 币，a i - c r , a 1 - m n ，a i - z ri n t e r m e d i a t ea l l o y 重庆大学硕士学位论文 4 粗大化合物形成的影响因素 ( 4 ) 熔炼调整成分时，需要补入舢、a 1 c r 、a i - m n 、a i z r 等中间合金，补 完料后熔体停留时间很短，距铸造时间不到1 0 0 分钟。这时熔体温度只有7 5 0 左 右( 生产圆锭时高于7 5 0 ，生产方锭时远低于7 5 0 ( 2 ) ，补入a l - 4 t i 、a 1 - 4 c r 、 a 1 1 5 m n 、a 1 _ 4 z r 等中间合金充分溶解的时间和温度都难以保证。 由于7 a 5 2 合金m n 、c r 、t i 、z r 高熔点元素添加过程中存在上述缺陷，使 m n a l 6 、c r a l 7 、t i a l 3 、z r a l 3 等化合物在熔体中呈粗大的小晶块或在搅拌不够充分 时呈富含合金组元的“胶状粒子”态。在铸造结晶过程中将成为形成粗大化合物的 天然晶核或提供晶核所需的浓度过冷，如在不良的铸造条件下，对铸锭组织将产 生严重影响。 由于研究对象的复杂性及实验手段尚不完善，使得用组织遗传理论来解释熔 体处理、控制途径和实际应用等方面的研究还很不够【3 5 1 。在变形铝合金熔体质量 控制方面，研究熔炼金属炉料组织遗传性还主要集中在a 1 t i b 晶粒细化剂组织遗 传性上【3 9 1 。但对7 a 5 2 合金铸锭粗大化合物中只有m n 、c r 、t i 元素，几乎没有 z r 的现象可以作如下解释：中间合金中m n a l 6 、c r a l 7 、t i a l 3 、z r a l 3 四种化合物 面积从大到小的顺序是：m n a l 6 c r a l 7 t 1 a 1 3 z r a l 3 。z r a l 3 比较细长，加入量 也比较低，溶解相对要完全些，在熔体中分布也更弥散。 t i 在漏斗底部严重偏聚并形成t i a l 3 粗大化合物，而的晶粒细化效果应该受到 抑制，但低倍检查表明晶粒未出现粗化现象，证明主要是髓中间合金中t i 参 与粗大化合物的形成。在7 a 5 2 合金目前的生产工艺下，在线加入的a 1 5 t i - i b 丝 晶粒细化剂对铸锭粗大化合物的产生影响不明显。对这现象比较合理的解释是， a i 5 t i 1 b 丝质量检验标准要求其中9 0 以上t i a j 3 的尺寸必须5 1 0 0 u m ，并且t t a l 3 形态应为块状或杆状，而a 1 t i 中间合金锭未做具体质量要求，后者t i a l 3 尺寸大 于前者。 随着生产中废料使用的增加，探伤报废的7 a 5 2 合金废料用于7 a 5 2 合金生产， 也存在7 a 5 2 合金废料中粗大化合物的熔化、溶解问题，并最终影响铸锭组织。 表4 3 、表4 4 分别反映了炉前补入中间合金和7 a 5 2 合金废料使用率对租大 化合物形成的影响。 表4 3 炉前补入中间合金对探伤结果的影响 t a b l e 4 3e f f e c t so f h a w d e t e c t i n g r e s u l t s b y a d d i t i o n o f i n t e r m e d i a t e a l l o y b e f o r e c a s t i n g 重庆大学硕七学位论文4 粗大化合物形成的影响因素 表4 47 a 5 2 合金废料使用率对探伤结果的影响 t a b l e4 4e f f e c t so f f l a wd e t e c t i n gr e s u l t sb y7 a 5 2a l l o ys c r a p sa v a i l a b i l i t yr a t i o 4 3 合金铸造工艺的影晌 半连续铸造时，7 a 5 2 合金铸锭中粗大化合物的形成和长大存在如下特点： 因为使用的7 a 5 2 合金本身废料或者中问合金组织的遗传性，熔体本身存在 的化合物小晶块或“胶状粒子懈成为形成粗大化合物一次晶核心。 在流槽或液穴中熔体因温度损失造成温度偏