王贵福，赵 涛，杨海峰

（东北轻合金有限责任公司，黑龙江 哈尔滨150060）

　　摘要：分析了2124铝合金大规格扁锭裂纹倾向大和熔体易被污染的原因，从配料、熔炼、熔体净化等方面提出了保证熔体纯净度的措施。重点分析了不同铸造速度对裂纹倾向的影响。

　　关键词：铸造；铸造应力；熔体纯净度

　　2124铝合金预拉伸板具有强度高、塑性好、加工后不易变形的特点，广泛应用于航空器材的结构件。随着航空工业的发展，对2124铝合金预拉伸板的厚度要求越来越厚，同时要求具有高的强度、韧性和好的抗疲劳、耐腐蚀性能，其最终制品要经过A级探伤检验和断口氧化膜检查。为保证军工需要，我公司进行了2124铝合金厚板用440mm×1500mm规格扁铸锭的熔铸工艺研究。在研究中，除要求保证铸造成型外，还要严格控制主成分，使制品的强度满足要求；要降低杂质含量和提高纯净度，保证制品的韧性、抗疲劳性能和耐腐蚀性能。

　　1 2124铝合金成分及440mm×1500mm扁锭熔铸工艺特点

　　1.1 2124铝合金的成分及各元素的作用

　　2124铝合金的化学成分如表1所示。2124铝合金属于典型的Al-Cu-Mg系合金，含有θ（CuAl₂）、β（Mg₂A1₃ ）、S（A1₂CuMg）、T［Mg₃₂（AlCu）₄₉］相。其中S、θ相是主要强化相。

表1 2124铝合金化学成分（质量分数）　　　 %

Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Zr+Ti	其他杂质		Al
									单个	合计
0.2	0.3	3.8～4.9	0.30～0.9	1.2～1.8	0.1	0.25	0.15	0.2	0.05	0.15	余量

　　1.1.1 Mg、Cu元素的作用

　　从Al-Cu-Mg系合金相图可以看出，在2124铝合金成分范围内（w（Cu）4.2％～4.4％、w（Mg）l.5％～1.6％）的Al-Cu-Mg合金其抗拉强度最大。同时由于该合金位于Al-S伪二元截面附近，因此合金的持久强度大。但Mg能降低Cu在Al中的溶解度，合金在淬火状态下有不溶解的θ和S相，这些相的存在加速了晶间腐蚀。此外，该系合金w（Mg）＞1％时具有很强的热裂和冷裂倾向。

　　1.1.2  Mn的作用

　　该合金中w（Mn）＝0.30％～0.9％。加Mn是为了消除Fe的有害影响，提高合金的耐蚀性。Mn能稍许提高合金的室温强度，但使塑性降低，能迟延和减弱人工时效过程，提高合金的耐热强度。当w（Mn）＞1.0％时，形成粗大的（FeMn）Al₆脆性化合物，降低合金的塑性。因此合金中Mn含量不能过高。

　　1.1.3  Si的作用

　　合金中w（Mg）＞1.5％时，经淬火、时效处理后，合金的强度、耐热性和铆接塑性随着Si含量的增加而下降，因此合金中Si含量要尽可能少。此外，Si含量增加使合金铸造时形成裂纹的倾向增加。这是由于w（Mg）＞1％时，杂质Si与Mg生成Mg₂Si以后，仍有过剩Mg存在，这使Mg₂Si的固溶度降低。如果Si含量很少，则生成的Mg₂Si量较少，在晶界和枝晶界形成不连续的含Mg₂Si的低熔点共晶，对裂纹的产生没有明显影响。当含Si量较多时，在晶界和枝晶界形成较多的含Mg₂Si的低熔点共晶，由于Mg₂Si是一个很脆的相，所以增大了裂纹倾向。

　　1.1.4  Fe含量及Fe、Si的相互关系

　　Fe和Al形成FeAl₃化合物，Fe同时还能溶入Cu、Mn、Si等元素所形成的化合物中，这些不溶于固溶体的粗大化合物，降低合金的塑性，变形时易开裂，降低强化效果。但w（Fe）<0.25％时，对合金性能的不利影响很小，还可以减小铸造焊接时的裂纹倾向。这是因为合金中的Fe与Si生成α（Fe₂SiAl₁₂）相和FeMnSiAl₆相，减少了Mg₂Si相，α（Fe₂SiAl₁₂）相和FeMnSiAl₆相比Mg₂Si的脆性要低很多，从而有利于抑制裂纹。

　　1.2 2124铝合金440mm×1500mm扁锭熔铸工艺特点

　　1.2.1 大规格铸锭的裂纹倾向大

　　如前所述，Al-Cu-Mg系合金w（Mg）＞1％时具有很大的热裂纹和冷裂纹倾向。

　　随着铸锭厚度增加，外层金属冷却成型后内层金属仍然具有很高的热量，在继续冷却收缩散热的过程中，因内外层金属收缩速率不一致，内层金属在收缩过程中，受到外层已凝固金属的阻碍，当这种阻碍超过金属所能承受的极限时，就会产生裂纹。铸锭规格大，这种阻碍力也大，因此铸锭产生裂纹的倾向也越大。此外，随着铸造的进行，铸锭底部优先冷却，在上部金属冷却过程中，冷却水仍然经由下部已凝固部分的金属流入铸造井内（在没有挡水装置的铸造条件下），因此下部金属受到的冷却量大，散热多，上部金属受到的冷却小，导致沿长度方向的上下部金属温差大，上下部分金属冷却收缩不一致，互相制约，当这种制约超过金属所能承受的极限时，也会产生裂纹。

　　1.2.2 金属内部纯净度不高

　　（1）易产生气孔、疏松体缺陷

　　合金熔体中的Al、Mg与炉气中的水蒸气发生反应生成氢，熔体由液态转变成固态时，氢在铝合金中的溶解度下降19倍。因此在铝合金凝固过程中，氢的含量超过了其溶解度即以气泡的形式析出。来不及上浮排出的氢气泡在凝固过程中形成细小、分散的气孔，氧化物和其他夹杂物起气泡核心的作用。

　　（2）夹渣缺陷

　　2124铝合金中Mg含量较高，因φ（MgO）／φ（Mg）<1，因此该合金熔体表面不能形成致密的氧化膜。在非真空熔铸条件下熔铝炉内是氧化性气氛，在熔体氧化膜不致密时氧化可以继续向熔体内部进行。同时由于搅拌、熔体转注等容易造渣的操作，熔体不可避免地会存在夹渣。颗粒大的夹渣一般漂浮于铝液表面或沉积于熔体底部，颗粒小的夹渣一般悬浮于熔体中。对于大于10μm的夹渣可以通过过滤方式去除，而小于10μm的则很难去除。

　　2 试验过程

　　2.1 配料

　　使用本合金的一级废料不超过30％。配料中所需的Cu、Mg以纯金属形式加入，Mn以Al-Mn中间合金形式加入。不使用复化料及添加剂。

　　配料时，控制合金中的w（Si）<0.10％，w（Fe）<0.10％。除所用原材料本身带入的Si、Fe之外，不再行添加Fe。Cu、Mg、Mn加入量按成分控制范围的中限计算。

　　2.2 熔炼

　　采用电炉投固体料熔化。装炉前两次清炉，认真检查电阻丝，如有缺陷更换新电阻丝。熔炼温度700℃～750℃。完全熔化后认真搅拌熔体，取样，取样温度在720℃以上，取样位置在两炉门中间熔体深度一半处。

　　炉前化学成分分析，控制w(Fe)<0.10％，w(Si)<0.10％，其他成分按中限控制，不加Fe。Al-Ti中间合金在流槽冲入。铸造流线播种20kg Al-Ti-B丝。

　　熔体在电炉内用Ar气精炼10min后出炉。

　　2.3  铸造

　　向静置炉导熔体之前要进行两次清炉，再用长流管导入熔体，用干燥的熔剂块叠坝，满管流动。熔体在静置炉用Ar气精炼30min，静置30min。

　　铸造线上采用除气装置进行在线除气，采用双级陶瓷片进行在线过滤，并在线播种A1-5Ti-B丝细化晶粒。铸造工艺参数见表2。

表2  2124铝合金440mm×1500 mm扁锭铸造工艺参数

试验方案	速度/（mm·min-1）	温度/℃	水压/Mpa
方案一	50～60	690～715	0.03～0.12
方案二	45～55	690～715	0.03～0.12

　　3  试验结果

　　3.1  铸锭表面偏析情况

　　由于铸锭侧面的水冷强度要大于宽面的，从宽面上看由两侧向中心冷却强度逐渐降低，所以中心部分的偏析瘤要比两侧的大，如图1所示。

图1  铸锭宽面偏析示意图

　　3.2  两种工艺参数所得铸锭的形状

　　用两种工艺参数铸造的铸锭形状上有差别，见图2。

图2  两种工艺方案所得铸锭截面形状

　　3.3  两种工艺参数所得铸锭的裂纹废品量

　　采用两种工艺，在铸造现场均未发现铸锭大面裂纹(多为热裂纹)和侧面裂纹(多为冷裂纹)。对铸锭进行铣面处理时发现有皮下裂纹。用方案一铸造的铸锭其皮下裂纹废品率为1％；用方案二铸造的铸锭其皮下裂纹废品率为6.8％。

　　3.4  铸锭探伤检查成品率

　　用工艺方案一所得铸锭，经探伤检查其成品率为96.2％；用方案二所得铸锭的成品率为95.8％。两者探伤检查结果基本相同。

　　4  讨论

　　4.1  对铸锭形状不同的原因分析

　　由图2可见，用方案一铸造的铸锭宽面略向内凹陷，而用方案二铸造的铸锭宽面呈平面。这是因为在其他工艺参数相同的情况下，方案一的铸造速度快，其冷却强度不如方案二的(二者的水压相同)，在采用相同结晶器的情况下，方案一的铸锭在空气中放置过程中继续收缩程度比方案二的大，因此形成了略凹陷的截面。

　　4.2  铸造速度与裂纹倾向的关系

　　半连续铸造时，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。二次加热的结果，是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。随着铸造的向下进行，这些流至表面的不平衡共晶在未来得及凝固时就被二次水冷却，因此容易产生淬火裂纹。铸造速度越慢，二次加热的时间越长，产生淬火裂纹的倾向越大。裂纹一经产生，便又成厂应力集中的场所，使之向长度和深度方向发展，其在铸锭长度上的分布可能是连续的，也可能是断续的，裂纹向铸锭内部的扩展深度不等，有时被表面偏析浮出物覆盖，在铣面后才能发现。这种裂纹在铸造过程中或铸造结束可能会导致冷裂，使铸锭完全裂开，有时伴有很大响声，可能会损坏铸造工具甚至伤人。用方案一铸造时，熔体在结晶器内停留时间比方案一的短，被二次加热的程度轻，因此形成淬火裂纹的可能性较小。此外，铸造速度过低时还可能引起铸锭侧面裂纹。但也不能任意增大铸造速度，因为速度过高，液穴变深，形成宽面裂纹的倾向变大。因此在考虑铸造速度对裂纹的影响时，要综合考虑对各种裂纹的影响。从本试验来看，2124铝合金440mm×1500mm扁铸锭合适的铸造速度为50mm／min～60mm／min。

　　5结论

　　2124铝合金440mm×1 500mm规格扁铸锭合理的熔铸工艺为：

　　（1）配料时，使用本合金一级废料不超过30％。炉前化学成分分析控制w（Si）<0.06％，w（Fe）<0.10％。炉前不补Fe。

　　（2）铸造时用除气装置进行在线除气，用双级陶瓷片进行在线过滤，在线播种Al-5Ti-B丝细化晶粒。

　　（3）铸造速度控制在50mm／min～60mm／min，铸造温度控制在690℃～715℃，冷却水压0.03 MPa～0.12 MPa，铸造开头用纯铝铺底，收尾做回火处理。