大直径铝合金空心圆铸锭热顶铸造工艺研究

大直径铝合金空心圆铸锭热顶铸造工艺研究
马月;田野;姜德俊;寇明珠
【摘要】The paper studied the hot top casing for casting molds of large diameter round hol ow ingot through the experiment;it identified hot top casting parameters of ingots in different designation and specification;it analyzed the quality of hot top casting ingot and it presented a detailed analysis in comparison with common casting ingot.%通过实验掌握了大直径空心圆铸锭热顶工具的使用方法，成功摸索了不同合金、不同规格铸锭的热顶铸造工艺参数，通过对铸锭质量的全分析了解热顶铸锭的质量，并与普通模铸锭进行全面对比。

【期刊名称】《有色金属加工》
【年(卷),期】2016(045)004
【总页数】7页(P28-34)
【关键词】大直径;空心圆铸锭;热顶铸造;普通模铸锭
【作者】马月;田野;姜德俊;寇明珠
【作者单位】东北轻合金有限责任公司，黑龙江哈尔滨150060;东北轻合金有限责任公司，黑龙江哈尔滨150060;东北轻合金有限责任公司，黑龙江哈尔滨150060;东北轻合金有限责任公司，黑龙江哈尔滨150060
【正文语种】中文
【中图分类】TG244
随着铝加工业的不断发展，市场对铝加工产品的质量要求越来越高。

作为我公司铝产品加工的源头，铸锭品质是影响铝加工终端产品质量、成材率、综合成本与效益的重要因素。

目前我公司空心圆锭铸造大多采用普通模铸造方式。

这种铸造方式因工具精度不高、有效结晶区过长、液流分配方式不稳且复杂等问题，在铸造过程中经常出现拉裂、成层、冷隔、化合物、偏析瘤等缺陷，造成几何废品过多，且有的缺陷无法通过机械加工处理掉而使整炉铸锭报废。

空心铸造方式采用“月牙式”漏斗进行两点浇注供流，熔体转注时存在落差，结晶器内液面水平忽高忽低，无法实现稳定控制液流，极易产生熔体的二次污染。

且熔体由两点注入结晶器，易造成局部温度过高，结晶温度场失去平衡，产生裂纹缺陷废品。

热顶铸造是在矮结晶器的上面安装一个用耐火绝热材料制造的贮槽(即热顶)，铸造时，不使用传统的浮漂漏斗，贮槽内的熔体至少与分配流盘内的熔体保持在同一水平，这样的连续铸造法称为热顶铸造。

热顶部分的作用是使熔体保温，并使铸锭上部始终维持一个液柱，保持一定的铝液静压力，同时降低熔体在结晶器中的凝固位置。

冷却部分的高度很小，通常只有15～40mm，其作用是使铸锭成形[1]。

热顶铸造结晶器示意图如图1所示。

热顶结晶器的有效结晶区很小，有效防止了凝壳的二次重熔，从而抑制了内外表面偏析瘤的生成。

且有效结晶区小，铸锭的冷却速度提高，使铸锭的晶内结构更为细薄，因而铸锭致密度提高。

同时，热顶铸造取消了漏斗，实现了同水平供流，温度场平衡，结晶器内液面氧化膜稳定，不发生搅动，因而有效地防止了裂纹的产生及熔体的二次污染。

鉴于热顶工艺的多重优点，本公司采用热顶铸造工具，开展了熔铸工艺研究。

2.1 试验材料
本试验选用2A12合金Φ360/130mm、Φ360/106mm规格铸锭，7A04合金
Φ360/130mm、Φ360/106mm规格铸锭进行试验，其化学成分符合表1、表2
的规定。

2.2 生产过程
配料→熔炼与净化→铸造→均匀化处理。

(1)配料采用固体料投料，不使用三级废料及复化料；
(2)熔化炉加入固体料，合金熔炼温度控制在720～780℃，并在熔炼温度范围内
取样、调整化学成分、精炼。

熔炼过程中使用相应的熔剂覆盖。

电炉出炉前采用
Ar气精炼10min，出炉加0.01%的Ti；
(3)静置炉采用Ar气体精炼，铸造时采用Alpur进行在线除气，40ppi陶瓷板进行单级过滤。

各铸锭的铸造工艺参数见表3。

2.3 检测项目
将所有铸锭锯切头尾后选择一端各切取一片厚20～30mm的试片，进行化学成分、低倍组织、显微组织和力学性能检测。

3.1 化学成分
从铸锭中心向边部取样，分析铸锭中化学成分偏析程度，并与原生产线普通模铸锭进行对比，各合金元素含量及最大偏差如表4、表5所示。

由表4数据显示，热顶铸造铸锭主元素Cu、Mg的偏析程度略高于普通模铸锭，
成分分布相对不均匀。

由表5可以看出，热顶铸造铸锭主元素Zn、Mg的偏析程度均小于普通模铸造，
且化学成分偏析程度很小。

3.2 低倍组织
对热顶铸锭进行低倍组织检查，并与普通模铸锭进行对比，如图2所示。

低倍组
织均无肉眼可见缺陷，热顶铸锭与普通模铸锭低倍组织无明显差异。

3.3 显微组织
对部分热顶铸锭进行显微组织检查，并与普通模铸锭进行对比，如表6、表7所示。

采用铸态铸锭观察2A12合金、7A04合金的枝晶网分布情况。

从表6、表7可以看出，热顶铸锭与普通模铸锭均无缺陷，热顶铸锭的枝晶网明显比普通模铸锭的枝晶网密集。

3.4 力学性能
沿试片中心至边部取样，检测铸锭力学性能，结果如表8、表9所示。

从表8、表9可以看出，2A12合金热顶空心铸锭规定非比例伸长应力明显低于普通模，其余两项力学性能略高于普通模；7A04合金热顶空心铸锭规定非比例伸长应力高于普通模铸造，相对伸长率略高于普通模铸锭，抗拉强度与普通模铸锭相当。

对挤压后的热顶和普通模管材进行对比分析，低倍组织、显微组织均未发现缺陷，力学性能指标相差不大，均能满足供货要求。

热顶铸锭7A04合金厚壁管的探伤成品率显著高于普通模铸锭。

5.1 铸造参数的确定
5.1.1 速度参数
铸造速度直接影响铸锭结晶速度、液穴深度及过渡带宽窄，是决定铸锭质量的重要参数。

热顶铸造有效结晶区窄，铸锭结晶速度提高，进而可以提高铸造速度来适应热顶铸造的窄结晶区。

试铸过程中，曾采用普通模铸造速度近两倍的速度参数
(2A12合金为100mm/min，7A04合金为80mm/min)进行试验，试验铸锭表面成型良好，但锯切时均发现铸造中心裂纹。

空心圆铸锭中心裂纹的产生多因液穴太深，铸造过程中，铸锭中心的液体金属凝固和冷却收缩时，受周边优先凝固金属的阻碍，在铸锭中部出现拉应力，铸造速度越快，液穴越深，所受拉应力越大。

随后的试铸过程中，逐步降低铸造速度，进行多次试铸，最终确定现有速度参数。

5.1.2 水流量参数
普通模铸造采用水压表监测水流量，热顶铸造取消了水压表，由铸造机操作面板直
接显示水流量，二者的度量单位也不一致，因此，水流量方面相对普通模无参考性。

本试验水流量的摸索采用生产前看水、试水的方法，依据以往该合金该规格铸锭的生产经验和水帘的状态，并在生产过程中根据铸锭表面的形态及时调整。

5.1.3 温度参数
对于空心圆铸锭，铸锭裂纹倾向性和铸造温度的关系不太敏感，而转注过程中，空心圆铸锭速度较慢，熔体流量一般较小，热量散失大。

为了加强铸锭结晶时析气补缩的能力，创造顺序结晶的条件，提高铸锭致密度，铸造温度多偏高选取。

热顶铸造转注过程中，热量损失相比普通模铸造小些，温度控制可比该合金该规格铸锭普通模铸造略低些。

5.2 试验结果的分析
5.2.1 化学成分偏析情况
在半连续铸造过程中，由于存在过冷，熔体进行不平衡结晶，当合金结晶范围较宽，溶质原子在熔体中的扩散速度小于晶体生长速度时，先结晶晶体含高熔点的成分多，后结晶晶体含低熔点的成分多，结晶后形成从晶粒或枝晶边缘到晶内化学成分的不均匀。

晶内偏析因合金而异，虽然不可避免但可以控制其变轻。

试验的热顶铸锭最终化学成分均能满足国标要求，7A04合金铸锭化学成分偏析程度小于普通模铸锭，2A12合金铸锭化学成分偏析程度大于普通模铸锭，存在不一致性，这可能与合金种类和铸造参数的匹配性有关。

仅从本次试验无法明确说明热顶和普通模两种铸造方式对化学成分偏析程度的影响。

在今后的生产中，随着工艺参数的不断优化，合金品种的不断增多，将进一步摸索热顶铸锭的化学成分偏析情况，并与普通模铸锭相对比。

5.2.2 显微组织分析
与普通结晶器相比，热顶结晶器的有效结晶高度很小，铸锭的冷却速度提高，铸锭的晶内结构更为细薄，枝晶网更加密集，晶粒尺寸更加细小，铸锭致密度高，整个
铸锭组织更加均匀，非平衡结晶相更加细小，且分布均匀。

与表6、表7所示的
2A12、7A04合金铸态空心铸锭显微组织对比图片结果吻合。

因此，由显微组织对比结果可以看出，热顶铸锭组织更加细小、均匀。

5.2.3 力学性能
影响铸锭力学性能的主要因素有晶粒度、组织均匀性、化学成分偏析程度等。

从显微组织图片可以看出，热顶铸锭的晶粒尺寸比普通模铸锭细小，但反映在力学性能上却没有绝对的优势，可能是铸锭内部组织与化学成分偏析共同作用的结果。

铸锭的力学性能仅作为铸锭质量的一个参考值，与最终成品的力学性能无直接对应关系。

由于力学性能主要受晶粒尺寸、化学成分偏析程度的影响，所以优化铸锭力学性能仍需从上述影响因素入手。

(1)热顶铸造实心铸锭和空心铸锭熔铸成型工艺已摸索成功，工艺参数见表3，后
续将继续逐步优化工艺参数，提高铸锭质量；
(2)热顶铸锭显微组织晶粒尺寸明显小于普通模铸锭，但化学成分偏析程度和力学
性能方面，热顶铸锭未展现出明显优势；
(3)热顶铸锭后续加工产品的检测结果与普通模相比差别不大，能满足用户供货要求；
(4)热顶铸锭探伤成品率明显高于普通模铸锭。

【相关文献】
[1] 周家荣.铝合金熔铸生产技术问答[M].北京:冶金工业出版社,2008：。