不同投料结构对高镁铝合金性能的影响

吴晓旭，才 智，马月，孙海波，王 影

（东北轻合金有限责任公司，哈尔滨150060）

不同投料结构对高镁铝合金性能的影响

吴晓旭，才 智，马月，孙海波，王 影

（东北轻合金有限责任公司，哈尔滨150060）

介绍了在高镁合金方铸锭中使用铣床三级屑的工艺流程，并对采用三级屑所生产的高镁合金铸锭进行质量全分析，通过和普通生产工艺对比研究，确定出使用这两种方法生产的高镁合金铸锭在微观组织及力学性能等方面并无明显差异，板材力学性能满足标准，铸锭质量优良。

高镁铝合金；三级屑；全分析

0 前言

废料又称回炉料，是在熔炼铸造、压力加工及机械加工等生产过程中所产生的几何加工余料、工艺废品和工艺废料。废料具有成分复杂、外形不一、污染严重、表面积大、价格便宜等特点。为了合理利用资源，降低生产成本，在熔炼时通常使用一定比例的废料。我厂产生的废料分为三个等级，即一级废料、二级废料、三级废料。传统意义的三级屑废料具有污染重、颗粒小的特点，直接投入使用会对铝熔体造成不良影响，必须复化或严格控制使用。铣床所产生的三级屑废料具有成分单一、颗粒大、无其他夹杂等优点，同时目前国内的熔铸生产线均具有炉外在线除气净化等手段，这些都为三级屑废料的直接使用创造了有利条件，直接投入三级屑还可有效避免复化过程搅拌不均匀、扒渣不彻底造成的质量隐患，同时还可降低生产成本。为此，决定选择批量大控制手段齐全的合金为研究对象，在高镁铝合金中直接投入三级屑进行试验，在保证产品质量的前提下，确定合理投料方式、投料比例。

1 试验过程

1.1 化学成分及配料

试验合金采用GTB5083，其化学成分见表1。

表1 GTB5083合金化学成分（质量分数／%）

方案1：新铝锭额20%～80%，不允许使用三级料及复化锭。

方案2：新铝锭额20%～80%，不允许使用复化锭，使用三级料量为20%。其余为一级废料。

1.2 熔炼工艺

熔炼温度700～750℃，使用2号熔剂进行熔体覆盖，出炉前加0.005%的Ti（Al-Ti丝）。

铸造时采用2#熔剂，走双在线净化装置，双级过滤，铸造每根铸锭双点入Al-Ti-0.2B丝250mm/min，挡板前温700～730℃。

GTB5083合金420mm×1620mm铸锭均火制度如表2所示。

表2 GTB5083合金420mm×1620mm铸锭均火制度

2 试验结果

对两种配料方式生产的GTB5083合金铸锭分别切取试片进行质量全分析，取样位置如图1所示。

图1 试片取样位置

两种配料方式生产的GTB5083合金在试片上的取样位置相同。图1中，试样1、3、5、7、9为化学成分分析试样，试样2、4、6、8、10用作高倍组织观察，试样11～15用作力学性能试验，试样18做低倍组织观察。

2.1 表面质量

采用上述两种不同配料生产工艺生产的GTB5083合金铸锭外观质量没有明显差别，表面无裂纹、拉裂等明显缺陷，铸锭表面质量符合检查工艺操作规程的要求。

2.2 最终化学成分

GTB5083合金铸锭中主要元素Mg、Mn、Cr的化学成分偏析情况如图2、图3、图4所示。

从以上3张图表可以看出GTB5083合金中主要元素Mg、Mn、Cr的化学成分偏析情况，主元素Mg含量偏析较大，但两种方式生产的铸锭Mg含量均符合国标要求，其余杂质元素由于控制含量低，基本不会产生偏析，也不会对合金组织与性能产生明显影响。

图2 GTB5083合金Mg元素偏析情况

图3 GTB5083合金Mn元素偏析情况

图4 GTB5083合金Cr元素偏析情况

2.3 铸锭低倍及高倍组织观察

采用不同工艺生产的GTB5083铸锭，在低倍组织中均没有发现裂纹、气孔、疏松、化合物、白斑、夹渣等冶金缺陷。

GTB5083合金铸锭高倍组织观察结果如图5所示。

图5 GTB5083合金高倍组织

从图5高倍组织照片可以看出，在两种工艺生产的GTB5083合金铸锭高倍组织中，从铸锭中心至边部，枝晶间距逐渐变小并且较均匀，枝晶臂变厚，符合铝合金熔炼过程中的结晶规律。

2.4 铸锭的力学性能

沿试片中心至边部取样（图中11→17同时代表使用三级屑与不使用三级屑生产的GTB5083合金铸锭相对应的取样位置），检测铸锭力学性能，结果如图6、图7和图8所示。

图6 GTB5083合金规定非比例伸长应力RP0.2

图7 GTB5083合金抗拉强度检测结果

图8 GTB5083合金断后伸长率检测结果

从图6、图7和图8可以看出不同配料方式生产的GTB5083合金铸锭力学性能的差异，其中使用三级屑生产的GTB5083合金铸锭与不使用三级屑生产的GTB5083合金铸锭相比：抗拉强度略低，规定非比例伸长应力相当，断后伸长率低一些，整体差异不大。

使用三级屑生产的GTB5083铸锭轧制成板材后经探伤反馈，与不使用三级屑铸锭板材探伤无明显差异。

3 分析与讨论

3.1 化学成分对高镁合金性能的影响

GTB5083合金属于高镁铝合金，具有较高的力学性能和机械加工性能及良好的耐腐蚀性能。由于GTB5083合金化学成分的范围较大，当化学成分的取值不同，会得到不同的材质特性，致使材料的综合性能不易控制，所以结合实际生产总结出化学成分对GTB5083合金力学性能及腐蚀性能的影响，寻找出力学性能及腐蚀性能满足国家标准要求的最佳合金化学成分组成。

3.1.1 Mg的作用和影响

高镁铝合金中的GTB5083合金为热处理不可强化合金，Mg是GTB5083合金的主要组成元素，起着主要强化作用，合金的主要强化相为β（Mg2Al3）相。Mg作为GTB5083合金中的主要强化元素，具有一定的固溶强化作用。随着Mg含量的增加，合金中β相也随着增加。因为β相在共晶组织中呈骨骼状，硬度较大，β相的增加必然导致合金强度升高。Mg含量对GTB5083合金力学性能的影响见图9。

图9 Mg含量对GTB5083合金力学性能的影响

从图9中可以看出，随着Mg含量的增加，抗拉强度和屈服强度也逐渐升高，而伸长率则呈先降后升的趋势。根据资料显示每增加1%的Mg，抗拉强度就提高30～35N/mm2，Mg含量对屈服强度影响最大，含Mg量高的合金材料，屈服强度也高，Mg含量每增加0.3%，屈服强度提高17.5MPa。当Mg含量低于4%时，合金的抗拉强度低于250N/mm2,当Mg含量位于4%～5%之间，合金的抗拉强度可以达到250～280N/mm2。由于GTB5083合金基本上处于单相固溶体区，所以合金具有良好的耐腐蚀性能。因此Mg含量应控制在上限，能保证得到屈服强度指标较好、性能稳定的GTB5083合金材料。又由于Mg是易燃金属，熔炼操作时会有烧损，在确定Mg的控制范围时要考虑烧损所带来的误差，但不能放得太宽，以免合金性能失控。

3.1.2 Mn的作用和影响

高镁合金中添加Mn元素不但有利于合金的抗蚀性，而且还能使合金的强度提高。随着Mn含量增加，合金强度有所提高，合金元素Mn能够起到补充强化的作用，每增加0.1%Mn，抗拉强度就提高5～7MPa，比等量的Mg效果更好。另外，合金中加入Mn还可以降低热裂纹倾向，改善合金的抗腐蚀性能和焊接性能。同时，实践表明，铝镁合金通常应含有低于1%的Mn。其原因在于Mn提高了合金的再结晶温度。Al-Mg二元合金退火时晶粒容易长大，添加少量的Mn具有抑制晶粒粗化的作用，并使合金强度略有提高，尤其对屈服强度更为明显。Mn还能改善铝镁合金的耐蚀性能，特别是可提高耐应力腐蚀性能。因此，Mn可以控制在中限。

3.1.3 Cr的作用和影响

Cr对高镁合金性能的影响与Mn相似。固溶于铝中的Cr对铝的腐蚀电位几乎没有影响，Cr是铝合金中的一个微量元素，能提高Al-Mg合金的抗腐蚀能力，提高腐蚀性能。

因此，为了保证足够的细化作用和使合金具有较高的耐腐蚀性能，可以在合金中加入Cr。因为在GTB5083合金中Cr与Mn有相似的作用效果，而且同时加入两元素时强化效果比单一加入更好。同样为避免降低合金的压力加工能力和使力学性能恶化，Cr含量应以接近内标上限为宜。一般Cr含量控制在0.08%～0.10%之间。

3.1.4 Ti的作用和影响

Ti的主要作用是细化晶粒。在GTB5083合金中添加Ti有利于得到具有细晶组织的铸锭，并能改善板材的耐腐蚀性能和可焊性，通常铸造时采用在静置炉加10～15kg的Al-Ti丝进行晶粒细化，同时在GTB5083合金中加入Ti还有助于消除合金铸造过程中的热裂纹倾向。

3.2 配料时加入废料对铸锭的影响

3.2.1 对组织状态的影响

变形铝合金在铸造过程中有时会产生粗大柱状晶、粗大等轴晶、晶层分裂和羽毛晶等缺陷，这些缺陷的产生与熔体中非自发形核的数量不足有关。为了增加非自发形核数量，通常采用的方法是向熔体中加入Al-Ti中间合金，增加废料的使用量和降低所用新铝的品位。

3.2.2 对熔体纯净度的影响

废料对熔体纯净度的影响主要有以下几方面：（1）废料本身纯洁度的高低会影响其熔化后熔体中氧化铝含量的多少，因此对生产要求严格的合金制品，应选择金属纯洁度较高的废料；（2）铝合金易氧化吸气，所有暴露在空气中的铝表面都覆盖有氧化铝膜，并吸附有水分，若所用废料的比表面很大，则带入炉内的氧化铝和水分增加，因而污染熔体的程度增加，因而应选择比表面较小的废料使用；（3）废料表面被乳液和润滑油污染的程度很大时，带入炉内的碳氢化合物增加，熔炼过程中炉气的水分压增加，自然使铝合金氧化或吸气的程度增加。废料表面的泥土本身就是非金属夹杂物，同时这些泥土中还容易吸附较多的水分，增加金属的吸气和氧化。因此生产金属纯洁度要求严格的制品时，应选择被油污和泥土弄脏程度较小的炉料。

3.2.3 对加工工艺塑性的影响

影响加工工艺塑性的因素很多，如炉料的组成、化学成分、铸锭的组织状态、均火效果以及加工工艺本身等等。就废料的影响而言，影响加工塑性的主要因素是氧化铝含量。因此，在配料时要避免集中使用氧化铝含量高的废料。

4 结论

通过以上试验及分析结果可以得出结论：

（1）使用三级屑和不使用三级屑生产的GTB5083合金铸锭的微观组织及力学性能等方面并无明显差异，而使用三级屑的生产的GTB5083合金成分偏析程度更小，板材探伤后的性能均可以满足用户要求。

（2）为保证高镁合金的熔体纯净度，铸造时走在线、双级过滤。

CNKI推出《中国高被引图书年报》

日前，中国知网（CNKI）中国科学文献计量评价研究中心推出了一套《中国高被引图书年报》，该报告基于中国大陆建国以来出版的422万余本图书被近3年国内期刊、博硕、会议论文的引用频次，分学科、分时段遴选高被引优秀学术图书予以发布。据研制方介绍，他们统计并分析了2013-2015年中国学术期刊813万余篇、中国博硕士学位论文101万余篇、中国重要会议论文39万余篇，累计引文达1451万条。根据统计数据，422万本图书至少被引1次的图书达72万本。研制方根据中国图书馆分类法，将72万本图书划分为105个学科，分1949-2009年和2010-2014年两个时间段，分别遴选被引最高的TOP 10%图书，共计选出70911本优秀图书收入《中国高被引图书年报》。统计数据显示，这7万本高被引优秀图书虽然只占全部图书的1.68%，却获得67.4%的总被引频次，可见这些图书质量上乘，在同类图书中发挥了更加重要的作用。该报告还首次发布各学科“学科h指数”排名前20的出版单位的评价指标，对客观评价出版社的社会效益——特别是学术出版物的社会效益具有重要的参考价值。

该报告从图书被引用的角度出发，评价图书的学术影响力，弥补了以销量和借阅等指标无法准确评价学术图书的缺憾，科学、客观地评价了图书、图书作者以及出版单位对各学科发展的贡献。

《中国高被引图书年报》把建国以来出版图书全部纳入评价范围属国内首创，是全面、客观评价图书学术影响力的工具，填补了目前图书学术水平定量评价的空白，在帮助图书馆建设特色馆藏和提高服务水平、帮助出版管理部门了解我国学术出版物现状、帮助科研机构科研管理、帮助读者购买和阅读图书等方面，均具有较强的参考价值，也为出版社评估出版业绩、决策再版图书、策划学科选题提供有用的信息。

《中国高被引图书年报》由《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司出版。该产品的形式为光盘电子出版物，分为理学、工学、农学、医学、人文科学和社会科学6个分卷，随盘赠送图书，欢迎您咨询、订购。咨询电话：010-82710850 82895056转8599，email：aspt@cnki.net

Influenceof Different Feeding Structureon High M agnesium Alum inum Alloy

WU Xiao-xu，CAIZhi，MA Yue，SUN Hai-bo，WANG Ying
（Northeast Light Alloy Co.,Ltd.,Harbin 150060,China）

The process flow of high magnesium alum inum alloy using three-level chips aremainly introduced,and quality of high magnesium alum inum alloy w ith using three-level chipsproduction isanalyzed.Through comparative study w ith generalproduction process,it is confirmed that there is no obvious difference on m icrostructure w ith these two production,mechanical properties of platemeetstandard requirement.

highmagnesium alum inum alloy;three-levelchips;fullanalysis

TG146.21

：A

：1005-4898（2017）04-0059-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.04.14

吴晓旭（1984－），女，黑龙江省哈尔滨市人，工程师。

2017－02－06