大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭制备及其性能表征★

罗涛涛，刘 欢，朱世安，程炳灵

（1广东精美特种型材有限公司，广东 清远，511500；2.广东豪美新材股份有限公司，广东 清远，511500）

1 易切削铝合金概述

易切削铝合金是指含有铅、铋和锡等低熔点元素，且切屑易断、不粘刀、不缠刀的铝合金。由于这种铝合金具有优良的切削加工性能，因此可以采用更高速度或者更大的进刀量进行切削加工，并可以显著提高铝合金零部件切削加工的生产效率，获得表面更光洁、尺寸精度更高的精密铝合金零部件。易切削铝合金被广泛用于汽车、电子、电器、机械装备等领域，并应用于对表面光洁度、加工精度和零件强度要求高的主缸制动活塞、充气阀体、各类连接件以及压力、仪表等部件[1-2]的制造生产中。

对于直径超过400 mm的大直径易切削铝合金铸锭而言，由于其元素合金化程度高，且为提高其切削性能，还加入一定量的低熔点合金组元，这就造成合金的凝固结晶温度范围变宽，使得元素偏析严重，铸造应力高，第二相尺寸化合物尺寸粗大，特别是在制备大直径铸锭时，往往会造成径向化学成分差异大，使其易产生中心冷裂纹或表面裂纹，且在后续挤压加工时变形抗力高，对工模具的损伤大，严重影响挤压生产效率。

针对直径超过400 mm的大直径易切削铝合金铸锭，现采用某温度下长时间保温的方法来进行均匀化处理，这种均匀化处理方法虽然操作简单，但难以完全消除元素偏析及溶解粗大第二相化合物，铸锭的变形抗力仍然较大，挤压性能仍然较差，难以满足生产需要[3]。此外，现有大直径易切削铝合金铸锭的均匀化处理方法还存在加热保温时间长、能源消耗巨大、生产成本高的问题。并且采用传统工艺生产的大直径易切削合金铸锭，边部偏析层缺陷在10～20 mm，经变形加工过程，偏析层会流入产品，易造成组织废品。

因此，降低大直径易切削的铝合金铸锭在生产过程中的变形抗力，以获得化学成分均匀、组织弥散致密以及变形抗力低的大直径易切削铝合金铸锭，是铝合金生产中重要研究课题之一。

2 制备方法

2.1 铝合金铸锭配方

所开发的铝合金铸锭其配方如表1所示。

表1 铝合金铸锭配方 %

2.2 铝合金铸锭铸造工艺[5]

铝合金铸锭的铸造工艺流程图如下页图1所示。

图1 铝合金铸锭的铸造工艺流程

其铸造的主要工艺控制点和过程如下：

1）将铝锭置于矩形反射炉内，熔化升温至760～780℃，加入合金材料，电磁搅拌20～30 min后，一次精炼15～30 min，取样分析化学成分，根据分析结果进行补料。

2）二次精炼15～30min，继续升温至760～780℃，得到化学成分均匀、内部纯净的铝熔体。一次精炼和二次精炼均采用纯度99.999%以上的氮气喷粉精炼，精炼剂用w（Al）为2～3 kg/t；补料精炼时将纯度99.999%以上的氮气吹入CCl4，w（Al）为0.1～0.3kg/t。

3）将铝熔体经流槽、在线除气、双级过滤后引入结晶器平台进行铸造，铸造保持时间在20～50 s，铸造长度在0~50 mm内的铸造速度为25～30 mm/min，铸造长度在50～150mm内的铸造速度为35～45 mm/min，铸造长度大于150 mm的铸造速度为45～50 mm/min。

4）在线加入晶粒细化剂，冷却水流量为60～200 t/h，在铸造收尾阶段，铸锭刚脱离石墨环后，停止铸机下行，将冷却水流量调整为40～60 t/h，并保持30～40 min；在线加入晶粒细化剂为铝钛碳晶粒细化剂。

5）铸锭经水浸超声探伤后，进行高温扩散处理，包括升温、保温和冷却过程。

3 结果与讨论

将采用现有传统制备方法获得的铸锭作为对照样，再取上述工艺方法得到的铸锭试验样进行相关性能测试和检验。

3.1 化学成分均匀性检验

取2～3 mm铸锭试片，对其表面车光后进行光谱分析，从边部往中心每隔30 mm激发一次，检测化学成分的均匀性，检测结果如表2所示。

表2 化学成分的均匀性

从表2可看出，试验样铝合金铸锭Cu元素径向分布的均匀性明显要优于对照样。

3.2 偏析层厚度检验

通过低倍组织检验获得偏析层厚度，分别在铸造开始端切除500 mm、浇口部切除200 mm，以作为试样并进行检验，偏析层厚度结果如表3所示。数据表明，试验样的铝合金铸锭偏析层厚度远小于对比样。

表3 铝合金铸锭偏析层厚度 mm

3.3 断面硬度检验

铸锭经高温扩散处理后，使用便携式里氏硬度计检验铸锭端面硬度。结果显示试验样铝合金铸锭的铸锭硬度（HB）为54～61，对照样铝合金铸锭的铸锭硬度（HB）为74～79，经过对比得出，铝合金铸锭硬度比对照样硬度下降了18%～31%，说明试验样的铸造应力消除更充分。

3.4 变形抗力检验

从试验样铸锭中选取测试样品，连同对照样共同测试变形抗力，共测试6个平行样。铸锭的变形抗力采用挤压过程中金属流通过模孔的突破压力来衡量，在其他工艺条件相同的情况下，通过在90 MN挤压机上生产的Φ145 mm实心棒材来对其进行检验，测试结果如表4所示。

表4 变形抗力测试

由表4可知，所开发的铝合金铸锭较传统工艺下的铝合金铸锭具有更低变形抗力。

3.5 显微组织检验

观察铝合金铸锭的显微组织（见图2），发现试验样铝合金铸锭枝晶网络已基本消除，第二相粒子尺寸细小且弥散分布，而对照样制备的铸锭仍明显可见枝晶网。进一步说明硬合金铸锭偏析层厚、易产生裂纹和成分均匀性差问题已经达到明显的改善。

图2 铝合金铸锭显微组织图

4 结论

1）工艺优化后，所获得的铝合金铸锭克服了传统工艺生产出的直径400 mm以上硬合金铸锭偏析层厚、易产生裂纹和成分均匀性差等问题。

2）在变形加工前进行高温扩散处理，可获得成分分布均匀、组织弥散致密、易于变形加工的优质铸锭。