2A12铝合金扁铸锭缺陷分析及工艺优化

2A12铝合金扁铸锭缺陷分析及工艺优化
黄淑萍;何克准;胡海辉;张航;张江斌
【摘要】对机加工、探伤后的2A12铝合金扁锭缺陷样品进行显微组织、扫描电镜及能谱分析,结果表明,2A12铝合金扁锭内部缺陷为氧化物夹杂,对其形成的机制进行分析,并提出了相应的改善措施,对指导2A12铝合金铸锭的生产具有借鉴意义.【期刊名称】《轻合金加工技术》
【年(卷),期】2019(047)002
【总页数】5页(P20-23,40)
【关键词】2A12合金扁锭;氧化夹杂物;能谱分析
【作者】黄淑萍;何克准;胡海辉;张航;张江斌
【作者单位】广西南南铝加工有限公司,广西铝合金材料与加工重点实验室,广西南宁530031;广西南南铝加工有限公司,广西铝合金材料与加工重点实验室,广西南宁530031;中国人民解放军95034部队,广西百色533600;广西南南铝加工有限公司,广西铝合金材料与加工重点实验室,广西南宁530031;广西南南铝加工有限公司,广西铝合金材料与加工重点实验室,广西南宁530031
【正文语种】中文
【中图分类】TG292
2A12铝合金属于典型的Al-Cu-Mg系合金，具有较高的强度、断裂韧性和疲劳性能，以及良好的加工性能，广泛应用于航空航天及轨道交通等工业领域[1-3]。

铝
合金加工过程中，铸锭内部质量问题会对后续热轧或冷轧工序产生影响，大部分缺陷将表现在最终制品上，降低材料各项性能及表面质量，影响最终成品的使用寿命。

因此一般航空用铝合金扁锭要求超声波探伤A级合格[4-6]。

某公司生产的520 mm×1 620 mm的2A12铝合金扁锭，经过锯切→铣面→探伤后，在100块铸锭中发现有4～5块铸锭在距离底部250 mm处出现A级探伤不合格。

本课题以
2A12铝合金扁锭为研究对象，综合分析了2A12扁锭中缺陷的特性及产生原因，进而提出优化工艺措施，为2A12铝合金扁锭工业化生产提供技术支持。

1 扁锭的生产工艺
熔炼的原料有：纯度为质量分数99.7%的原铝锭，99.92%的原镁锭、99.99%的
原铜锭，Al-75Mn和Al-50Cu中间合金，并采用Al-Ti-B晶粒细化剂。

为了提高铸锭质量，减少铸锭中的氢含量和夹杂，在保温炉内吹精炼剂和氩气对熔体进行精炼，后续对其吹氩除气，采用30 ppi～50 ppi的陶瓷板进行过滤(ppi是1英寸长度上的孔数)。

铸锭化学成分如表1示。

表1 2A12铝合金扁锭化学成分(质量分数/%)Table 1 Compositions of 2A12 Al alloy flat ingot(wt/%)项目FeSiCuMnMgZnTiAlGB/T3190标准≤0.5≤0.53.8～4.90.3～0.91.2～1.8≤0.25≤0.15其余实测0.250.094.650.631.690.140.03其余
铸锭在均热炉中经440℃～470℃、15 h～30 h均匀化处理后，经过以下工序：
锯切→铣面→超声波探伤→锯切坯锭→转热轧车间进行轧制。

经超声波探伤发现扁锭距底部250 mm处出现A级探伤不合格，其不合格超声波波形为有坡度的馒头峰，馒头峰的中心波形较尖锐，如图1所示。

图1 2A12扁锭缺陷部位探伤波形图Fig.1 Ultrasonic graph of the defective position of 2A12 Al alloy flat ingot
2 试验结果
2.1 低倍组织检查
在铸锭探伤不合格部位取样，加工成50 mm×300 mm的小块试样，将试样在80 g/L～120 g/L氢氧化钠溶液中浸泡15 min～20 min，快速水洗后放入体积分数
为20%～30%的HNO3水溶液中出光，然后水洗、吹干。

用肉眼观察其低倍组织，如图2所示，在缺陷部位发现一部分分散性细小黑点。

2.2 显微组织
在样品缺陷部位与正常部位切取金相试样，用800#，1000#，2000#，3000#水磨砂纸对金相试样进行预磨、机械抛光，按2.5% HNO3+1.5% HCl+1.0%
HF+95% H2O体积分数配制腐蚀剂，对样品进行腐蚀，腐蚀时间为10 s～18 s。

通过光学显微镜(OM)进行金相观察，其显微组织如图3所示。

由图3可以看出，样品缺陷部位在晶界处有大量黑色粗大物，呈线状和扁平块状，与基体组织色差较明显，呈典型的氧化物夹杂组织，如图3a、3b所示。

图3c、
3d为无缺陷部位的显微组织，呈典型铸态组织、组织均匀，晶粒大小与缺陷部位
的相当。

图2 2A12铝合金扁锭缺陷部位的低倍组织Fig.2 Macrostructure of the defective position of 2A12 Al alloy flat ingot
2.3 能谱分析
为了进一步确定缺陷的性质，对样品缺陷部位进行扫描电镜的能谱分析，图4a为样品缺陷形貌，黑色粗大物的EDS结果如图4b所示。

扫描电镜中铸锭缺陷部位
的晶界处有一些黑色粗大相(异物)，呈薄片状，与显微组织结果相一致。

结合图
4b中EDS结果分析可知，黑色粗大相的主要元素为C、O、Al，还有少量的Mg、Ca、Si、S，且根据Al与O的摩尔分数比约为2/3，可初步确认此黑色粗大物主
要为Al2O3。

图5为样品缺陷部位背散射像及Al、O元素面扫描。

从图5中可以看出，缺陷部
位晶界处分布有粗大物，其主元素Al均匀分布于整个截面，晶界处含量有所减少；
O元素在晶界处富集，且分布位置与粗大物形状保持一致，其他位置的含量较少。

这进一步证实晶界处黑色粗大物为氧化物。

综上所述，铸锭探伤不合格的缺陷为氧化物夹杂。

图3 2A12铝合金扁锭的金相组织Fig.3 Microstructure of the defective position of 2A12 Al alloy flat ingot
图4 2A12铝合金扁锭缺陷部位SEM形貌及能谱分析Fig.4 SEM morphology and EDS of the defective position of 2A12 Al alloy flat ingot
3 分析与讨论
3.1 氧化夹杂形成原因
铸锭中氧化物夹杂产生于整个熔炼和铸造过程中，是由于炉料、熔剂、细化剂与氧气、水蒸气等相互作用发生一系列复杂反应，而形成的一类氧化夹杂物[7]。

在低
倍组织试片上用肉眼可见粗大氧化物质点，在显微组织呈现黑色、褐色的块状或点状物。

金属氧化夹杂物主要有以下几种形式：
1)主体金属在熔化和保温过程中被氧化[8]，4Al+3O2=2Al2O3。

此类金属氧化物主要为液体表面形成的氧化膜，在搅拌及转注过程中被卷入熔体中，以及导流过程中熔体冲击被空气氧化后卷入熔体。

图5 2A12铝合金扁锭缺陷部位面扫描Fig.5 Surface scan of the defective position of 2A12 Al alloy flat ingot
2)主体金属在熔化和保温过程中与水气发生反应[8]：2Al+3H2O=Al2O3+6H↑。

此类反应生成的氢多数以原子或离子状态游离于熔体中，可以通过除气精炼的方式去除，而形成的氧化物因精炼不彻底而留在熔体中。

3)由于原辅材料清洁不到位，熔化过程中受各种污染形成夹杂，且净化处理不当，保留在熔体中。

3.2 工艺优化措施
氧化夹杂物破坏了金属的连续性，作为铸锭的缺陷遗传给轧制产品，影响最终产品的力学性能，并且是制品形成分层和潜在裂纹源的主要原因[9]。

根据氧化物夹杂
的形成原因及其种类，制定以下预防措施：
1)保持原辅材料(铝锭、中间合金及返回料)清洁干燥无油污，熔铸前将炉子、流槽及铸造工具等处理干净。

2)搅拌过程中保持搅拌的平稳，杜绝浪打浪而使氧化物卷入熔体中，建立好转注条件，尽量缩短转注距离(从炉眼到结晶器的距离)，减少熔体的冲击、翻滚。

另外，用覆盖剂覆盖流槽中的熔体，减少它与空气接触，让铝液在氧化膜下平稳地流动。

3)保证较高的精炼温度，尽量高于铸造温度10℃～15℃，防止夹渣物与熔体分离不好，并使用Ar-Cl2混合气体进精炼10 min～25 min；在保温炉内精炼20 min～35 min，静置20 min以上再进行铸造，采用中上限铸造温度、降低金属黏度、提高铸造速度，使夹杂渣物能自由上浮。

4)采用30 ppi～50 ppi的陶瓷板过滤，通过流体动力和直接截取作用机械分离熔
体中的夹杂物，并且对熔体中夹杂物吸附、沉积。

使用过滤板前对其进行预热，否则容易造成铸造之初供流时间过长，影响过滤效果。

5)铸造开始和结束时，注意打渣，防止熔体液面翻滚，避免浮渣及潮气进入熔体。

另外，适当增加铸锭头、尾的锯切量，根据实际生产经验，切头250 mm～300 mm，切尾150 mm～200 mm后，铸锭夹杂缺陷会明显减少。

4 结论
1)2A12铝合金扁锭探伤不合格的部位是内部组织中有氧化夹杂物。

这类缺陷主要是由铝合金熔体与氧气、水蒸气发生复杂反应形成的。

2)通过分析得出氧化夹杂物的形成机制，提出了相应的预防措施，并应用于实际的工业生产中，使520 mm×1 620 mm规格的2A12铝合金扁锭探伤夹渣废品减少，
铸锭质量得以改善。

【相关文献】
[1] 杨鑫,徐崇义,谢延翠，等.2A12ME铝合金板材的深冲性能研究[J].轻合金加工技
术,2010,38(9):18-20.
[2] 王蕾,吴光英. 2024.7075铝合金热处理的工艺及设备[J]. 热处理技术及装备，2010，31(6):51-55．
[3] 马英义,杜传慧,张辉玲. 2024-O铝合金薄板规定非比例延伸强度性能研究[J].轻合金加工技术，2013,14(7):25-27．
[4] 金龙兵,陈丽君.2A12-T451板材超声波检验不合格的原因分析[J].铝加工，2010，194(3):42-43．
[5] 唐剑,牟大强,黄平，等.防止7B04合金铸锭氧化膜缺陷的研究[J].铝加工，2004，157(4):41-44．
[6] 王理.2A12铝合金加工件黑点缺陷原因分析[J].铝加工，2017，237(4):4-6．
[7] 温庆红,冯旺,史贵山.2A12合金板材加工件样品缺陷分析[J].铝加工，2015，227(6):9-12．
[8] 李滨.φ200 mm以下2A12合金铸锭夹渣缺陷研究[A].第五届铝型材技术(国际)论坛文集
[C].2013：320-323．
[9] 李永春.2A02铝合金铸锭氧化膜缺陷生成原因及预防[J].轻合金加工技术，2005，33(7):20-22．。