三种变质剂对铸轧4045铝合金变质效果对比

田国建，吴保剑，徐红轩，刘航宇，川崎拓

(江苏鼎胜新能源材料股份有限公司，江苏 镇江 212141)

随着汽车工业的蓬勃发展，对轻量化提出了更高要求。钎焊用铝合金复合板以其轻质优点在钎焊热传输领域得到广泛应用。铝硅合金是目前使用最广泛的钎焊复合板的包覆层皮材，如CAB钎焊用4343、4045铝合金，VB钎焊用4004、4104等铝合金。钎焊复合板多采用半连续铸造+热轧复合的工艺生产，因此其皮材均采用半连续铸造生产铸坯。但近年来随着行业内“连续铸轧+冷轧复合”新型复合工艺[1-2]的产生，4×××系高硅铝合金逐步采用连续铸轧法生产。由于4×××系高硅铝合金结晶区温度跨度大，易产生中心层偏析，连续铸造过程中硅相会以粗大的长针状或块状结晶，使其在后续冷轧过程中产生开裂断带等问题，复合板由于皮材中粗大初晶硅的存在会产生钎焊局部溶蚀甚至熔穿等缺陷。因此，对连续铸轧过程组织提出了更高要求。国内外研究者在传统半连续铸造方面已进行了各种变质剂和变质方法的尝试，并取得较好结果[3]，但变质剂运用于连续铸轧4×××系高硅铝合金的生产并未见报道[4]。本试验以连续铸轧法生产4045铝合金卷材为例，对不同变质剂的变质效果进行对比试验探究。

1 试验材料与方法

4045铝合金的化学成分如表1所示。

表1 4045铝合金化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of 4045 aluminium alloy(wt/%)

借鉴现有变质研究结果[5-7]，采用连续铸轧法生产4045铝合金坯料卷规格为6.4 mm×1 420 mm，熔炼配料中废料比例不超过30%，采用不同变质剂进行变质处理，每种变质方案试制坯料卷3 t，铸轧工艺参数及变质方案如表2所示。

表2 试验使用的变质剂及关键工艺参数Table 2 Experimental modifiers and key process parameters

参照JB/T 7946.1-4铸造铝硅合金变质的分级原则和评价方法对不同变质剂变质效果进行评价。试验流程: 按照合金成分比例配料→熔化(含变质)→精炼、静置(含变质)→除气、过滤→连续铸轧→取样测试→变质效果金相评价。金相试样经金相砂纸粗磨、细磨后进行机械抛光，经抛光后的试样用0.5%氢氟酸溶液在室温下进行浸蚀5 s～10 s，采用CM-33金相显微镜按照GB/T 3246.1-2000要求进行检测。

2 试验结果与分析

2.1 铸轧卷坯料化学成分

分别对不同变质剂变质后铸轧坯卷头尾部取样,按照边中边不同位置进行成分分析，结果如表3。

表3 不同变质剂变质后铸轧卷成分分析(质量分数/%)Table 3 Chemical composition of cast-rolled coils modified with different modifiers(wt/%)

由表3可见，经AlP4.5变质后，坯料卷头、尾部成分较为接近，下边、中心、上边位置w(Si)存在较大偏差，最大相差0.936%，坯料卷从头至尾均伴有较为明显的中心偏析；经钠盐变质后，坯料从头至尾成分差距较大，头部下边、中心、上边位置的w(Si)差别较小，尾部边、中、边位置的w(Si)差别较大，最大差别为1.2%，坯料卷在尾部存在明显的中心层偏析缺陷；经AlSr10变质后，坯料卷从头到尾成分较为接近，且边部与中心位置的w(Si)也无明显差别，坯料卷从头到尾均无明显的中心层偏析缺陷。

2.2 铸轧卷显微组织

未变质坯料以及经AlP4.5、45%NaF+40%NaCl+15%KCl(钠盐)、AlSr10变质剂变质后的铸轧卷坯料的显微组织如图1所示。

图1 经不同变质剂变质处理后4045铝合金铸轧卷的显微组织Fig.1 Microstructure of 4045 aluminum alloy cast-rolled coils modified with different modifiers

参照铝硅铸造合金变质效果评级标准，可见未经变质处理的坯料卷，头、尾部检测均有块状或长方形状初晶硅和长针状共晶硅存在。经AlP4.5变质的依然存在块状初晶硅和针状共晶硅，说明无明显变质效果[8-9]。经钠盐变质的坯料卷材头部已无粗大块状初晶硅，长针状共晶硅变短棒状，表明具有变质效果，但尾部检测出块状初晶硅和长针状共晶硅，判定无变质效果，表明铸轧坯料卷的钠盐变质效果由头至尾部逐渐削弱，变质效果与半连续铸造的相似，同样具有时效性。根据铸轧速度及坯料卷重量推算，本次试验卷材的头、尾铸轧生产间隔时间约3.7 h,即初步判定钠盐变质在连续铸轧生产过程中的变质有效期低于3.7 h。经AlSr10变质后，坯料卷材的头、尾组织中α(Al)变为树枝状，无块状初晶硅，长针状共晶硅变为短棒状，变质效果最佳，铸轧坯料卷头尾变质效果均匀，表明AlSr10变质剂在连续铸轧生产4045铝合金卷材的过程中具有长效性。其变质机制为杂质诱导孪晶理论[10]，该理论认为：变质元素吸附在硅的生长台阶上，阻碍硅以台阶生长机制长成片状，而且变质原子在硅相表面的吸附改变了硅原子的堆积次序，从而在硅晶体中造成大量孪晶的产生，共晶硅相转而以孪晶凹谷机制生长。

2.3 复合板显微组织

选取未经变质处理以及经AlSr10变质剂变质处理的4045铝合金作为皮材，与芯材复合冷轧成0.3 mm厚复合板，皮材层复合比率为10%。对复合板包覆层中硅颗粒进行微观形貌检测，结果如图2所示。由图2可见，未经变质的4045铝合金皮材在复合板包覆层中有大尺寸硅颗粒残留，边长约30 μm。这是由于未经变质的4045铝合金铸轧坯料组织中存在较多大颗粒的初晶硅颗粒，而初晶硅颗粒硬度极高，经多道次连续冷轧也未能将其轧碎进而保留至成品组织包覆层中；经AlSr10变质处理的4045铝合金作为皮材，复合板包覆层中硅颗粒细小均匀弥散分布，未见有粗大初晶硅颗粒残留，有利于后续钎焊过程中皮材的均匀铺展和填充焊缝。

图2 不同变质状态4045铝合金皮材与芯材复合冷轧成复合板后的显微组织Fig.2 Microstructures of final products cold rolled with 4045 aluminum alloy clad and core materials at different modified status

3 结 论

使用三种不同变质剂生产4045铸轧铝合金卷材的变质效果如下：

1)AlP4.5变质剂无变质效果，铸轧坯料依然存在块状初晶硅和长针状共晶硅。

2)45%NaF+40%NaCl+15%KCl变质剂的变质效果较好，但变质具有时效性，铸轧坯料卷材从头至尾变质效果逐渐削弱。

3)使用AlSr10变质剂变质后，铸轧坯料中无块状初晶硅，长针状共晶硅变为短棒状，效果好且具有长效性。

4)将AlSr10变质后的4045铝合金皮材加工至复合成品，包覆层中硅颗粒细小均匀，可推广用于连续铸轧法铝硅合金的生产。