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26
2024
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07
连续铸造2xxx系合金锭的化学成分控制
连续铸造2xxx系合金锭的化学成分控制
GB/T3190标准包含的52个2xxx系合金中,AI-Cu系3个、AI-Cu-Mn系3个、AI- Cu-Mg系3个、AI-Cu-Mg-Fe-Ni系10个,其余除了2个含锂合金和1个含银合金外,均为 Al-Cu-Mg-Mn系合金。由AI-Cu二元相图可知,3个AI-Cu系合金(2004、2011、2A20)的成分正处于极限溶解度附近,结晶温度范围宽(约100℃),凝固收缩率大,而共晶体中θ(CuAl2)相在熔点附近的塑性也较低,因此,形成热裂纹的倾向性应该较大。但在半连续铸造过程中,因冷却速度大,造成非平衡结晶,使非平衡固相线向左偏离平衡固相线很远,使合金的有效结晶区间和线收缩得以减小,使热脆性有所下降。从图1(b)反映的实际情况看,合金处于热脆性下降区间,因此从防止热裂纹的角度出发,在成分上应该进行以下控制:①将铜控制在中上限,但这会造成合金力学性能和耐蚀性的下降;②控制铁含量大于硅含量0.05%-0.10%,并尽可能将硅含量降到最低;③根据标准要求,加入0.05%-0.15%钛,以进一步改善合金抗热裂纹的能力。
图1 AI-Cu二元合金相图及钛对铝铜合金热裂影响Al-Cu-Mn系合金是高强耐热合金,其成分与裂纹倾向性的关系见图2，2219、2A16、2B16三个合金中的最低铜含量都大于5.8%,因此在成分控制上,只要将铜含量偏中上限选取,同时采取加钛和控制铁含量大于硅的措施,一般都会得到较好的铸造效果。
图2 AI-Cu-Mn系合金成分与裂纹倾向性的关系图AI-Cu-Mg系合金成分与裂纹倾向性的关系见图3。从成分上看,2117、2A01、2A13这三种合金都处于裂纹频发区,具有较大形成热裂纹的倾向性,由于这三种合金都位于“硅含量-热脆性”曲线的下降部分,因此在成分上应控制硅含量大于铁含量。但作为杂质存在的硅,含量太多将对合金的加工工艺和使用性能带来不利影响,故正确的控制办法应该是在硅不大于0.50%的前提下,使硅含量大于铁0.03%~0.06%,并采取加钛的办法弥补。
图3 AI-Cu-Mg系合金成分与裂纹倾向性的关系图GB/T 3190 标准包含10个AI-Cu-Mg-Fe-Ni系合金。化学成分对铸造性能的影响具有下列规律性:(1)铁、镍含量宜控制在标准范围的中下限,否则会恶化铸锭性能,一是在铸造过程中容易产生FeNiAl9金属间化合物一次晶,并可能发展到超出被允许的含量,使铸锭报废;二是在铁、镍含量较高时,合金塑性降低,使铸锭产生裂纹的倾向性增大。(2)镍含量、铜含量较高的2A90、2A21和2218合金由于导热性好，热收缩系数小,铸造时没有产生热裂纹或冷裂纹的倾向。(3)提高合金中的铜含量和硅含量,并在合金中加钛,可使合金产生裂纹的倾向性下降(图4)。
图4 化学成分对铝-铜-镁-铁-镍系合金裂纹倾向性的影响(4)合金中的锰与合金中的铁生成FeMnAl6化合物一次晶的倾向性较大。根据上述规律,实际生产中建议按下述要求控制化学成分:(1)2A90、2218、2A21、2A49合金具有较好的铸造性能,在生产条件下,只要遵循指定的工艺操作,铸锭的裂纹废品率实际上可以降为零。(2)2A80合金中含有较多的硅(0.5%~1.2%)和铜(1.9%-2.5%),不平衡易熔共晶量较多,在生产中又通常加入0.03%-0.08% 的钛,所以,合金形成裂纹的倾向性极微。但该合金形成FeNiAL,金属间化合物一次晶的倾向性比2A70合金大,因此,铁和镍含量应按下限控制,且应将杂质镁含量控制在0.1%以下。(3)2A70、2618及2618A合金,虽然硅含量较低,但合金结晶温度区间较窄,加之合金本身含有0.02%-0.1%的钛,因而形成裂纹的倾向性也很小。当然,由于2A70合金位于热脆性曲线的上升部分,从提高铸造工艺稳定性的角度出发,将硅含量尽可能控制在较低的水平是合理的。(4)在连续铸造2A70和2A80合金锭时,通常总是将合金中的铁和镍含量控制在下限(1.0%~1.2%),并力求使合金中铁和镍的含量大体相等。因为在连续铸造的条件下,当这两个合金中的铁和镍含量各大于1.25%时,铸锭中就有可能产生粗大的FeNiAl9金属间化合物的一次晶,降低铸锭的性能。另外,这两个合金的性能在很大程度上取决于铁和镍之比,当合金中铁大于镍或镍大于铁时,将会导致合金中出现Cu2FeAl7或Cu3NiAl6相,从而使固溶体贫化,强化相减少,合金的强度和塑性都降低。只有控制铁和镍的含量相等,使它们全部形成FeNiAl9二次相的细小晶体,才有可能使合金具有最佳的性能。GB/T3190标准中含有30种AI-Cu-Mg-Mn系合金,2014、2014A、2214、2017、2017A、2A14、2A50、2B50八种合金中含有0.5%-1.2%不等的硅,结晶组织中共晶量较多,流动性增加,加强了合金的补缩及焊合能力,铸造性能较好。其余22个合金中,2A11、2B11、2A10、2A17、2519、2A40六种合金在平均成分时位于“硅含量-热脆性”曲线的下降部分,应控制硅含量大于铁;包括2A12、2024、2A06、2A04、2A02在内的其他16种合金位于“硅含量-热脆性"曲线的上升部分,应控制铁含量大于硅。本系合金中,2A11和2A12两个合金的成分与裂纹倾向性的关系比较典型。2A11合金具有形成热裂纹的较大倾向,其中,对热裂纹影响最大的是杂质硅和铁的含量。为了提高2A11合金锭连续铸造时的工艺稳定性,消除裂纹废品,生产现场有两种完全相反的成分控制方法。一是在合金中铁含量不高的情况下,控制硅含量大于铁含量;二是在铁含量较高的情况下,控制铁含量大于硅含量,但在任何情况下,均应保持硅含量不小于0.4%（图6）。机理不详,估计是由于低熔点共晶量变化,导致热脆性区域发生偏移而致。两种方法中,采用第二种方法时由于铁生成Cu2FeAI7相会导致合金力学性能下降，因此，如果不是配料中含有较多的废料或是其他含铁较高的炉料,一般情况下,应优先采用第一种方法进行控制。实际生产中建议按下图5控制合金中的铁、硅含量。
图5 铁硅含量对含锰1.25%的3A21合金裂纹倾向性的影响
图6 铁含量和铁硅比对2A11合金铸锭裂纹倾向影响合金中锰的含量对2A11合金形成裂纹的倾向性也有较大影响。成批生产直径360 mm的 2A11合金铸锭时发现，采用62 mm/min的速度铸造含锰较高的2A11合金和含锰较低的2A11合金铸锭时,含锰较高的合金通常都会产生裂纹,并发出响声,当把铸造速度降至55mm/min时,将不再产生裂纹。这说明含锰较高的2A11合金倾向于产生冷裂纹。2A12 合金对热裂纹的敏感性比2A11合金低,而形成冷裂纹的倾向较大。在生产中发现,影响该合金裂纹倾向性最大的因素是杂质铁和硅的含量,其次是锰和镁含量。为了消除铸锭裂纹,在成分上应当控制硅含量小于0.35%,并保证铁含量大于硅含量0.05%~0.10%。从提高最终制品的塑性和降低裂纹倾向出发,对于重要用途的大直径铸锭,最好将硅含量控制在0.25%以下,并使铁硅总量不超过0.5%（图7）。
图7 铁硅总量对直径360mm的2A12合金铸锭塑性的影响
具有平均成分的2A12合金处于热脆性曲线的上升部分,合金形成热裂纹的倾向随硅含量增大而增大。同时,合金中杂质铁和硅的量愈多,合金的铸态塑性愈低,形成冷裂纹的倾向也愈大。所以,为了消除2A12合金锭形成热裂纹和冷裂纹的倾向性,应该尽量降低硅含量,并保证铁含量大于硅含量。
表1 锰含量对2A12合金铸锭裂纹倾向影响合金中锰和镁的含量应当适当控制得低一些。因为随锰含量的提高,合金中铜、镁、硅在铝中的溶解度降低,易熔共晶数量增加,而锰的化合物又促使形成新的易熔共晶生成,所以使合金铸态塑性降低,导致裂纹废品增加（表1）。而在合金中镁的含量增加时,则不仅使合金的塑性下降,而且提高了合金对缺口的敏感性,从而使铸锭产生裂纹的倾向性增大。相反,2A11合金中的镁含量低于0.50%时,形成表面热裂纹的倾向性较大。此外,2A12合金当Cu+Mg总量超过6.3%时,铸锭的裂纹有增加的趋势,这可能是随着合金化程度的提高,硬脆相的体积分数增加造成的。
本文来源：铝高端制造 九俞
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