关于6061铝合金圆铸棒晶粒细化问题探讨

关于 6061铝合金圆铸棒晶粒细化问题探讨

蔡振斌 杨海军 刘志国 杨明娟 王宏峰 陈敬超

秦皇岛开发区美铝合金有限公司 河北省车轮新材料与测试技术创新中心 河北省秦皇岛市 066004

摘要:本文分别从6061铝合金铸棒的化学成分份，炉料组成，熔炼过程的温度控制，熔体在炉内的保温时间，人工播晶种，以及铸造过程工艺参数等方面阐述了对铸棒晶粒的影响，提出了晶粒细化的一些方法。

关键词：6061铝合金 铝棒 晶粒细化 晶粒度

在铝合金熔铸生产中，晶粒度一直是大家关注的热门话题。尤其是变形铝合金中的圆铸棒晶粒度，它不仅关系到铸棒在铸造环节能否顺利进行，更关系到后续进一步压力加工，以及最终产品的力学性能，以至于使用性能。

影响6061铝合金圆铸棒晶粒有多方面因素，主要有

1.化学成分因素

合金元素对铝合金基体金属纯铝来说是外来质点。他们的熔点、金晶结构与纯铝有一定差别，特别是形成金属化合物以后，对合金结晶有一定影响。6061铝合金主要合金元素有Si、Mg、Cu，还有对合金工艺性能有一定影响的Fe、Mn、Cr、Ti等元素。这些元素约占合金含量的2.5%（Wt）左右。其形成的金属化合物有的熔点与基体金属有差别，有的结晶结构与基体金属有一定的相似性。在合金结晶时，会产生先后期结晶，先期结晶对后序结晶形核有产生促进作用。另外占合金总量的2.5%（Wt）的合金元素在合金铸造时，会产生成分过冷，对细化合金组织也有一定促进作用。

2.炉料组成因素

铝合金铸棒生产企业，根据原料，特别是基体金属纯铝来源，以及废旧金属形状，多少都有各自的配料方案。本文研究的配料方案是重熔原铝锭，以及本企业加工生产的厚度≥15mm边角废料和铸造后切除棒头、棒尾的工艺废料，作为回炉料配入炉料中。在6061合金中炉料中还要加入相应合金元素的中间合金如Al-Fe、Al-Cu、Al-Cr等。

在炉料中，加或不加回炉料对合金晶粒度有一定影响。产生上述晶粒度差异原因，据分析：相同重量的回炉料与相同重量的原铝锭比较，其表面积相差悬殊，前者是后者的数倍，甚至上百倍，也就是说前者的氧化物数量比后者大很多。铝的氧化物在结晶体结构上与原铝相似，而其熔点近2050℃，这种高熔点质点能起到异质晶核作用，促进晶粒细化。另外，为数众多及细小的氧化物质点吸附在晶核和生产的晶粒周围，也使晶粒生长受阻，从而得到细晶粒。

3.熔炼温度因素

铝合金熔炼就在对加入炉中的炉料进行加热，使金属由固态逐渐变成液态的过程。在金属熔炼过程中发生一些的物理化学变化。其中包括晶体结构的变化 。固态时，金属原子排列有序，而液态时，呈原子集团，这些原子集团忽聚忽散，形成“近程有序，远程无序”看似无规则的原子排列。这些近程有序的原子集团在熔体铸造时可能是结晶核心即晶核。在同体积（或同重量）中，晶核越多，晶粒越细。而“近程有序，远程无序”的原子集团忽聚忽散的动力是熔体温度，温度越高，原子从熔炼系统中获得的能量越大，则扩散的几率越高，聚集长大的机会减少、“近程有序”的数目减少，同时原子集团体积也变小，达不到晶核要求的临界尺寸。因而熔炼时应严格控制熔体温度，严防金属过热。6061铝合金熔体温度一般控制在740℃±5℃为当。

4.熔体保温时间因素

铝合金熔铸生产受到多种因素影响。可能不会按原计划顺利进行，那么，已经投入炉中的炉料尽可能固态保温。这是因为若液态保温，不但熔体会吸气氧化，而且本来可以作晶核的原子集团，由于原子在液态中有利于扩散，扩散与时间有函数关系，即时间越长原子集团中因扩散作用减少的原子越多，使可作晶核的原子集团越来越少，小到晶核临界尺寸。即所谓“晶核钝化”，这种晶核在铸造过程中不起晶核作用，使铸造组织粗化。

对于6061铝合金熔体不超过740℃前提下，建议熔体保温应低于5小时，若熔体温度越高，则保温时间应相对缩短。否则，晶粒会粗大

5.人工播晶种因素

在6061铝合金生产中，为了保证材料的综合力学性能。往往选择含杂质较少，品质较高的原铝锭，这类材料中自发晶核较少。所以，一般采用人工播晶种的方法来细化晶粒。

目前，人工播晶种一般采用具有较高熔点，晶体性质和基体金属的晶体性质相似的铝基中间合金，其中包括Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C和Al-Zr等。

人工播晶种能使晶粒细化的原因是多方面的。其中包括：人工播晶种后，熔体在过冷度仅有几度的情况下就可以开始结晶；其次，人工晶核的共核性，还可以降低表面张力作用等，使熔体原子吸附在其上生长；另外，人工播的晶种表面会呈现凹凸不平，甚至有微裂纹。当熔体温度不太高是，存在于这些晶种高低不平几何面中的难溶物质，其饱和蒸气压比在同一温度下光滑平面金属的饱和蒸气压小。因此，这些在凹孔及裂纹中的金属熔化温度要高一些，所以，它可能还未熔化，在这种情况下，这些在凹孔和裂纹中残存有未被熔化的金属周围，造成较大的浓度过冷，使晶粒细化。

在正常生产条件下，使用含Ti量4%左右的Al-Ti中间合金，按0.2-0.3%Al-Ti 中间合金。如果使用Al -5%Ti -1%B中间合金效果增加。使用量为0.15-0.20%即可。如果用Al-5%Ti—0.5%C效果会更好一些。在6061铝合金生产中不建议使用Al-Zr。

6.冷却强度因素

6061铝合金铸棒生产一般采用半连续铸造法，此法冷却强度大，使铝液获得较大的温度过冷和成分过冷。在非平衡条件下结晶利于形核，获得满意的晶粒度。

铝棒在半连续铸造时，主要工艺参数分别是：熔体温度、铸造速度、冷却水量（水压），冷却水温度。就晶粒度而言，希望铸造冷却强度越大，晶粒越细。但是衡量铸棒质量优劣，不光只有晶粒度单项指标，还包括裂纹（含中心裂纹、表皮裂纹、环状裂纹、放射状裂纹）、冷隔、偏析瘤、化学成分偏析、气孔、疏松、甚至夹杂等缺陷，都与铸造工艺参数控制不当有关，一般说来，在保证铸棒不出现可控废品的情况下，尽量提高铸造时的冷却强度，以便获得较理想的过冷度，使铸造组织细化。

铝合金铸棒铸造，其铸造速度与铸棒直径成反比关系，这种关系虽不完全呈线性，但关系密切。铸棒是在非平衡条件下结晶、其横断面上的晶粒形状和大小不一致。为尽量降低不一致性，减少铸棒中心粗大的高轴晶所占面积，调整铸造速度，使铸造时的液穴底部控制在结晶器下缘。

铝合金铸造用冷却水温度控制在25℃左右比较理想。冷却水量，在正常铸造情况下，按每吨铝液10吨左右冷却水可以满足冷却需要。

铝合金铸造用冷却水温控制在25℃左右为宜，冷却水温在在正常铸造情况下，按每吨铝液10吨左右冷却水量可以满足冷却水需要，经过探讨与分析，制定了细化晶粒的措施并在6061铝合金铸棒生产中应用，取得了较满意的效果，现在生产的φ370mm铸棒显微晶粒度5级以上已达 100%。其中φ370mm 6061铝合金工艺改进前后晶粒度对比请见下图：

工
艺改进前显微晶粒度4.1级 工艺改进后的显微晶粒度5.6级Φ370mm 6061铝合金工艺改进前后晶粒度对比图

由此可见，只要工艺措施得当，可以获得较细的晶粒度，从而提高合金的力学性能。

参考文献

1.马宏声《金属及合金的熔炼与铸锭》 东北工学院，1983年第2-1-14-14页

2.铸造有色合金及熔炼编写组，《铸造有色合金及熔炼》 国防工业出版社，1980年第69-103页

3.《铝合金及其加工手册》 中南工业大学出版社 1989年，373-395

李广18733450269河北省秦皇岛市经济技术开发区金山北路15号（2本）