细化剂加入量对6063铝型材组织条纹的影响

2021-04-17刘才兴周晶哲李天原谭兴元

材料研究与应用 2021年1期

刘才兴, 周晶哲，李天原，向耀，谭兴元

广东澳美铝业有限公司，广东佛山 528100

6063合金因其优良的可挤压性和可焊接性、良好的耐蚀性，以及阳极氧化后色泽亮丽等一系列优点，是建筑型材的首选材料．近年来，宜家家居(IKEA)等公司对供货商产品环保和可持续回收利用提出更高要求，其中铝合金产品要求废料重熔利用占比50%～80%．废料再生不仅符合客户理念，且提高材料循环利用率、保护环境及降低生产成本．但由于铝废料中的杂质含量高，在6063铝型材的挤压生产过程中造成表面形成明暗差异明显的条纹缺陷，表面经氧化处理后形成黑色或白色带状条纹，影响型材美观，表面质量不符合客户要求．

近年来，研究人员通过实践提出了一些改善条纹缺陷的措施，郭加林等人[3]分析验证了挤压温度和挤压速度对组织条纹的影响，表明挤压温度过高或挤压速度过快均会导致壁厚变化部位金属流动的不均匀，从而引发其组织分布不均匀．许栩达等人[4]分析了模具因素对挤压型材组织条纹的影响，通过模具设计、扩大死区范围、采用浅导流孔及优化关键位置的金属流动等措施，可减少组织条纹的产生．按照此方法对组织条纹缺陷有一定的改善，但未彻底解决这一问题．通过调整Al-Ti-B晶粒细化剂的加入量，分析对型材表面的影响，最终达到缺陷改善的目的，为实际生产提供指导．

1 实验部分

1.1 合金成分

实验对象为广东某铝材厂生产的6063铝合金圆铸锭，铸锭直径为127 mm，其合金成分控制范围列于表1．

1.2 方法

铸锭主要生产流程为：配料→熔炼与净化→水冷半连续热顶铸造．

表1 6063铝合金化学成分

1.2.1 配料

炉料为重熔用铝锭(占比40%～45%)和6xxx系铝合金二、三级回收废料(占比55%～60%)，主要合金元素Mg以纯金属形式加入，Si以Al-12Si中间合金形式加入，Ti以晶粒细化剂形式加入，使用Al-5Ti-1B丝杆在铸造过程在线加入，其余合金成分为原料成分，不再人为添加．

1.2.2 熔化与净化

原料经称重后装入熔炼炉，采用火焰热辐射方式熔化炉料，熔炼过程不添加覆盖剂，熔炼温度为700～730 ℃，待固体原料彻底熔化为液态后进行精炼．精炼使用颗粒精炼剂净化除杂，精炼剂使用量为2.8 kg/t，精炼剂使用氩气喷吹法加入，共两次精炼，每次精炼间隔时间约10～15 min，精炼温度710～720 ℃，精炼时间为10～15 min，精炼过程中人工扒渣，扒渣量约为200～300 kg，每次精炼时取样化验铝液成分，第一次精炼后根据炉前成分进行合金化作业．

1.2.3 铸造

铸造采用直接水冷半连续热顶铸造方式生产．首先铝液由流槽导流经过在线除气箱，再经过滤箱，然后流至铸造模盘，最后冷却凝固为直径127 mm的圆铸锭．Al-5Ti-1B晶粒细化剂在过滤箱前单点在线添加，在线除气参数为转子转速600 r/min，氩气流量40 L/min，过滤箱使用50 ppi陶瓷过滤板在线过滤，铸造温度为700～710℃，铸造速度160 mm/min，冷却水压为150 kPa．

生产每炉次铸锭加入回炉废料比例是固定的为55%～60%，可视为原材料钛含量基础值固定，晶粒细化剂相关参数列于表2．

表2 晶粒细化剂组成成分参数

晶粒细化剂的加入量由加入速度决定，加入量=加入速度×铸造时间×线密度．连续生产四个炉次铸锭，分别设置四种不同加入速度并编号，其余参数均不变，加入速度设置及编号列于表3．

表3 加入速度设置

1.3 检测

将铸造完成后的铸锭锯切头尾废料并取样，铸锭取样位置为棒头，即铸造凝固末端部分，样品经车削表面后进行合金成分检测和低倍组织检测，化学成分采用Spectrolab M9直读光谱仪得出，低倍组织肉眼直接观察．实验用铸锭经均匀化处理后，在10MN挤压机挤压，经强风冷在线淬火后观察型材表面．

2 结果与分析

2.1 合金化学成分

通过Spectrolab M9直读光谱仪分析铸锭化学成分，其含量列于表4．由表4可知，铸锭的主要组成元素为Mg，Si及Ti，Ti(基础值)为未加晶粒细化剂时铝液中的含量，由于其含量低，不会对合金组织和实验结果产生明显影响，而其余元素含量均符合表1中化学成分要求．

表4 铸锭主要合金元素含量

2.2 低倍组织检测

四个样品低倍组织测试方法参照GB/T 3246.2-2012标准[9]，低倍组织检测结果如图1所示．从图1可见，四个不同炉次铸锭均未发现气孔、裂纹、羽毛晶、光亮晶缺陷，其中A炉次铸锭低倍组织发现两点夹渣缺陷，单点面积小于0.5 mm，疏松等级接近可视为对实验无影响，四个样品低倍组织无其他缺陷．

图1 晶粒细化剂不同加入量的铸锭低倍组织形貌(a) 2.33 kg/t；(b) 2.0 kg/t；(c) 1.33 kg/t；(d) 0.67 kg/tFig.1 Macrostructures of ingots with different additions of grain refiner in low-magnification

2.3 型材表面

在10MN挤压机上挤压铸锭，挤压温度440 ℃、挤压速度6.8 mm/s、在线淬火方式为强风冷，型材表面质量如图2所示．从图2可见：不同编号铸锭使用同一个模具和相同挤压工艺生产，A炉次铸锭(加入量2.33 kg/t)的组织条纹明显，型材表面明暗差异较大；随着铸锭晶粒细化剂加入量的减少，组织条纹缺陷逐渐减少；D炉次铸锭(加入量0.67 kg/t)组织的条纹完全消失，型材表面颜色均匀，无明暗差异，表面质量符合客户要求．

分别选取四种加入量铸锭生产的型材，在型材同一位置取组织条纹缺陷样品，经磨抛后阳极覆膜，使用奥林巴斯GX53显微镜100倍放大倍数观察金相组织，图3为Al-5Ti-1B不同加入量型材金相组织形貌．从图3可看出，A炉次铸锭边部晶粒尺寸较大，从边部到心部晶粒大小不一；随着铸锭晶粒细化剂加入量的减少，相同位置的型材晶粒尺寸逐渐减小；D炉次铸锭型材晶粒度较小，从边部到心部晶粒大小均匀．

图2 细化剂不同加入量的型材表面(a) 2.33 kg/t；(b) 2.0 kg/t；(c) 1.33 kg/t ；(d) 0.67 kg/tFig.2 Surface of profiles with different amount of refiner additions

图3 Al-5Ti-1B不同加入量型材的金相组织(a) 2.33 kg/t；(b) 2.0 kg/t；(c) 1.33 kg/t；(d) 0.67 kg/tFig.3 Metallographic structure of profiles with different amount of Al-5Ti-1B additions

根据铝钛硼晶粒细化机理[5]，当Al-5Ti-1B细化剂添加到铝合金熔体中，在凝固结晶时主要促进铝晶粒形核，细化剂添加量越多，铸锭中TiAl3相和TiB2相粒子也越多，从而影响晶粒的再结晶．由于在线加入的方式会导致含Ti相在材料内分布不均匀，造成局部发生团聚，加入量越多不均匀性越大，从而导致型材表面晶粒大小不一致，形成明暗差异明显条纹，即组织条纹缺陷．