电磁搅拌铸造技术在大规格圆锭上的应用

2022-09-14孙自鹏汪永红张欢欢

铝加工 2022年4期

孙自鹏，汪永红，张欢欢

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

0 前言

铝合金圆铸锭常用于具有高质量要求的锻件和挤压材坯料。在传统的同水平热顶铸造中，随着铸锭直径增加，铸锭横截面上化学成分偏析增大，甚至出现严重的宏观偏析带。另外随着规格增加，铸锭中心冷却强度减小，铸锭显微疏松尺寸增加，微观组织不均匀性增加，严重降低铸锭冶金质量。因此，选择新的半连续铸造技术，提高大规格铸锭冶金质量势在必行。

目前，电磁场应用于铝合金铸造的常见方式有三种[1-2]，分别为电磁铸造、电磁软接触细晶铸造（CREM）和低频电磁铸造（LFEC）。低频电磁铸造是在结晶器外设置一个能激发磁场的感应器，感应器产生的磁场作用于结晶器内熔融的金属液，并与金属液有相对运动，而金属液又是导电体，因此，就在其中产生感应电流。该电流与感应器产生的磁场相互作用而产生电磁力，推动金属液流动，再通过控制磁场方向、输出电流等参数，使结晶的流态金属按一定的方向、连续有规律地运动，形成搅拌[3-4]。简单来说，低频电磁搅拌铸造就是通过低频电磁干预，搅拌结晶器内的熔融金属，从而改变结晶过程的温度场和成分偏聚现象[5]，使铸锭表面及内部质量得到改善。

1 实验方案及试样制备

实验采用2A12、2219、7075、4032四种铝合金作为研究对象，化学成分均采用国标范围中限控制。在规格为ϕ630 mm的同水平热顶工具上，选择两个工位加装低频电磁感应器，该感应器及控制系统由爱迪尔电气有限公司提供（如图1所示）。影响搅拌流场强度的因素主要有两个，一个是行波磁场的磁场强度（即电磁力的大小、频率），另一个是熔体的黏度（即黏滞力的大小）[6-8]。因此本次实验采用相同的铸造速度、冷却水量和细化参数进行铸造，以对比不同电磁搅拌参数下的铸造组织变化情况。

图1 电磁搅拌铸造实验工装

左玉波等人对直径200 mm以下小规格电磁搅拌铸造进行了多轮研究[9-11]。研究表明低频电磁场对7×××系铝合金铸态晶粒尺寸和组织形貌的影响显著：施加磁场后铸锭组织变得非常均匀、细小，平均晶粒尺寸明显降低。但本次实验铸锭直径为630 mm，电磁场强度和穿透距离存在不确定性，因此实验方案采用不同频率相同电压、相同频率不同电压以及过程中间隔性改变磁场方向的方案进行验证，具体方案如表1所示。

表1 电磁搅拌铸造实验参数

按实验方案铸造结束后，在各铸锭对应参数区域取1/4试片做低倍晶粒度和表层缺陷分析；在样品沿直径方向距表层1/4直径、1/2直径部位取高倍试样进行显微疏松尺寸分析；同时在铸锭横截面中心到边部等间距取6处成分试样进行成分偏析检测。

2 实验结果与分析

2.1 电磁搅拌对铸锭组织的影响

在生产2A12、7075铸锭时，通过对实验铸锭外观的观察发现，采用电磁搅拌技术铸造的铸锭，其浇口部最后凝固的区域没有微裂纹产生；而用传统DC热顶铸造法生产的铸锭，其浇口部均有微裂纹产生。这说明在传统热顶铸造过程中，浇口部属于最后凝固区域，熔体从外到内逐层凝固，容易表现出微裂纹；而采用电磁搅拌技术时，其产生的电磁力强制驱动浇口部熔体流动，使得浇口部最后剩余熔体的温差很小，剩余熔体的温度场比传统热顶铸造方式更加均匀，故铸锭的致密程度好、强度高，氧化膜不易破裂，表层不易产生微裂纹。

通过对实验铸锭低倍宏观组织的分析，可以得出以下结论：（1）在电压稳定不变的情况下，降低频率可以提升输出电流，提高搅拌力和穿透力，而提高频率会使铸锭中心区域的搅拌大幅减弱；（2）随着输出电流的增加，铸锭宏观晶粒度有明显的细化趋势，2A12可以降低0.5级，2219可以控制在1级，4032可以控制在3级；（3）采用电磁搅拌铸造的铸锭表面壳层厚度比正常DC铸造高2～4 mm；在电流换向工艺中，换向时间间隔10 s、15 s对铸锭低倍晶粒度基本无影响，即铸造过程中打断搅拌方向并不能进一步改善晶粒大小。以2219为例典型低倍宏观组织如图2所示。

图2 2219合金宏观晶粒度对比照片

造成传统热顶与电磁搅拌铸造技术这两种铸造方式晶粒度差异的主要原因在于：对于ϕ630 mm大规格铸锭而言，传统热顶铸造方式使得铸锭同一横截面不同位置（外层→内层）的冷却强度差异大、温差大、温度场极不均匀，从而表现出从铸锭边部到心部的晶粒尺寸逐渐变大，且同一截面上的宏观晶粒度相差（边部与心部相比）0.5级；另外液穴熔体未受到强制流动，大部分热量集中在心部，致使心部晶粒度更高。而在电磁搅拌技术中，由于电磁搅拌强迫熔体流动，熔体内的枝晶在生长过程中产生熔断、颈缩和游离现象，最终增加了熔体形核核心，使得晶粒组织细小、均匀。

2.2 电磁搅拌对显微组织的影响

在对高倍显微组织分析时发现，无论传统热顶铸造，还是电磁搅拌铸造，2A12、7075合金各样品疏松尺寸均细小，改善并不明显。电磁搅拌技术与传统热顶技术生产的铸锭相比：前者晶界残留化合物偏少且在截面上分布较均匀；而后者残留化合物更多地容易聚集在铸锭心部且分布不均匀；前者组织更均匀是由于熔体的快速流动旋转，将饱和的溶质及时带走，固液界面前沿不会产生溶质富余，使得熔体中溶质场相对均匀。从不同搅拌方式看，随着输出电流的增强，晶粒细化效果越好，残留化合物偏聚程度越弱（2A12合金典型组织见图3）。对7075合金高倍分析时发现，晶粒尺寸和显微组织改变并不明显，这可能是由于合金铸造过程中液穴太浅、设备受限，电磁场无法充分作用于熔融金属而造成的。另外，个别实验铸次发现当输出电流增大到一定程度后，会在铸锭中出现单点大晶粒的现象，这可能是由于熔体搅动过大，将固液区已形核生长的晶粒再次搅到液相区造成的。

图3 2A12合金高倍组织对比照片

2.3 电磁搅拌对成分偏析的影响

在对成分试样做偏析分析时发现，由于铸锭直径过大，为形成搅拌效果，需要在铸锭截面方向形成两个电磁场，两个电磁场在作用时存在一定不对称性，会影响成分均匀性。就分析结果而言，传统热顶铸造工艺下的2A12合金中Cu含量的分布表现为中心高，依次向边部逐渐降低，偏析在11.7%左右；而电磁搅拌铸造的铸锭成分并未呈现从中心到边部依次递减的现象，且宏观上成分更加均匀，偏析在7%以下。7075合金的成分偏析最大值出现在距边部50～100 mm范围，最小值靠近中心。在输出电流为460 A时偏析最大，输出电流为280 A时偏析最小，且其余各位置分布较为均匀，较正常铸造也都有改善（如图4所示）；4032合金成分偏析得到了明显改善，Si偏析在合适的电磁搅拌参数下相对偏析值可以控制在1.5%以下，但随着输出电流的增加成分偏析反而更加严重。