5 ×××铝合金加工过程中的冶金缺陷及防止措施

2011—2012学年材料加工理论与基础课程论文5×××铝合金加工过程中的冶金缺陷及防止措施学号：S201109074姓名：齐文刚5×××铝合金加工过程中的冶金缺陷及防止措施摘要：全面论述了5×××系铝合金中添加元素Mg、Mn及有益微量元素稀土和Ti、B等对合金微观组织与铸造性能的影响，Fe、Si、Na、H等杂质元素产生的危害。阐述了5×××合金半连续铸造的熔体净化、精炼、杂质控制及影响。简介了5×××系铝合金加工过程中产生的冶金缺陷及防止措施。关键词：5×××铝合金；添加元素；冶金缺陷；防止措施5×××系铝合金属于变形铝合金中的铝—镁合金，是热处理不可强化的合金，应用较广。该系合金具有中等强度，耐蚀性、加工性能与焊接性能好15×××系铝合金中合金元素及其作用1.1主要合金元素镁的作用共晶温度下Mg在Al中的最大溶解度为17.4%,随温度降低，溶解度迅速减少。因冷却速度不同，室温下Mg在Al中的固溶度差别很大,缓慢冷却时，溶解度小于1.0%，在半连续铸造的快速冷却条件下，溶解度为3%～6%。虽然合金中Mg的溶解度随温度降低而迅速减少，但由于析出相形核困难，核心少，析出颗粒大，因而合金的时效强化效果差。5×××系铝合金中Mg含量范围较宽，含Mg最低的5A43合金中Mg含量为0.6%～1.4%，最高的5A13合金中的Mg含量达到9.2%～10.5%。世界上常用变形铝2镁合金中Mg的含量为0.8%～5.2%。Mg在Al中可形成β(Mg2Al3)相，起弥散强化作用。随着Mg含量的提高，合金强度提高、塑性下降。当Mg含量大于3.5%时，第二相β(Mg5Al8、Mg2Al3)可能沿晶界、亚晶界析出，第二相β相对基体α(Al)来说是阳极，优先发生腐蚀，使合金具有很大的晶间腐蚀和应力腐蚀敏感性。镁对铝的强化是恨明显的，每增加1%的镁，抗拉强度大约升高34MPa。图一是镁元素对对伸长率和屈服强度的影响，屈服强度随镁含量的增加而增加，但镁含量过高，ß相（Mg5Al8）优先在晶界和滑移带沉淀，因而可能导致晶间腐蚀和应力腐蚀。所以大部分工业用地变形铝合金中，镁的含量均小于6%。图一镁元素对伸长率和屈服强度的影响1.2主要合金元素锰的作用加入锰元素，主要是起固溶作用，加锰后可降低镁的含量，同时降低热裂倾向，但锰的含量应控制在1%以下。锰还能阻止铝合金的再结晶过程，抑制晶粒长大。下图是锰对再结晶温度、抗拉强度和延伸率的影响。从图上看出，再结晶温度和抗拉强度随着锰含量的增加而增加，但是延伸率当锰含量超过0.8%时呈现下降趋势，所以工业上一般控制锰含量在1%以下。图二锰对再结晶温度的影响图三锰对抗拉强度的影响图四锰对伸长率的影响1.3有益微量元素的作用1.3.1Ti和B的作用钛是铝合金中常用的添加元素，以Al—Ti—B中间合金的形式加入。钛和铝形成TiAl3相，成为结晶时的非自发核心，起细化铸造组织的作用。1.3.2稀土元素的作用在铝合金中加入微量稀土元素，可以显著改善铝合金的金相组织,细化晶粒，去除铝合金中气体和有害杂质，减少铝合金的裂纹源，从而提高铝合金的强度，改善加工性能，还能改善铝合金的耐热性和韧性。稀土元素的加入使得稀土铝合金成为一种性能优良、用途广泛的新型材料。研究表明，稀土含量为0.15%～0.25%时，它不仅能细化晶粒，而且能有效地控制枝晶组织的粗化，对后续加工有利。稀土对铝合金晶粒细化机理可以从以下几点得到解释：一是稀土可作为铝合金的精炼剂，对熔体具有除气作用，大大减少了针孔率；二是稀土的加入明显降低了铝合金的杂质含量，加强了合金化程度。目前铝合金中常加入的稀土元素为Ce、Er、Sc等。稀土Ce的加入使铝—镁合金的晶粒细化，晶界面积增加，宏观韧性增强，合金的疲劳寿命大大增加(1倍多)，切裂纹扩展速度减缓，试样裂纹更多地穿晶扩展。在5A03合金中添加微量Er，其铸态显微组织中枝晶网胞尺寸明显减小，网胞间共晶化合物也更稀薄，而且在晶粒内部可见细点状第二相Al3Er、Al3Er对合金基体有变质作用。Al3Er相与基体有较好的匹配关系，能成为非均质形核核心。稀土Er的存在使合金凝固时固液界面溶质再分配而增大过冷度，使铝—镁合金的共晶化合物更细小，分布更均匀。1.4有害杂质的控制1.4.1Fe和Si的控制Fe和Si是合金中得有害杂质元素，从加工性能考虑，往往要求Fe大于Si的含量，当Fe和Si的比例不当时，铸造过程中会引起铸锭裂纹。图六是Al—Mg合金中Fe、Si含量与裂纹倾向的关系。图中数字表示裂纹率，曲线右下方裂纹倾向大。工业上一般加入锰减少Fe的危害，因为锰可与铁形成MnAl6而沉淀析出。图五Fe、Si含量与裂纹倾向的关系1.4.2有害杂质Na的控制微量杂质Na使铝合金熔体粘度变大,铸造拉裂倾向增大。而且当Na含量较高时，铝—镁合金铸造组织晶界处球状质点多、密集，第二相体积分数变大。Na能强烈损害合金的热变形性能，出现“钠脆性”，在高Mg铝合金中尤为突出。在含Na0.0013%的5083合金热轧和室温拉伸时会发生脆性断裂，呈解理和沿晶的混合状断口。微量元素Na会导致铝—镁合金发生脆性断裂。钠脆性是由于熔点低、不溶于铝中的游离Na富集于晶界造成的。1.4.3有害元素H在铝—镁合金中，由于Mg的存在，进入熔体中的H2O在高温下更易与Mg反应生成H，由于H不能与Al、Mg反应,一部分结合成H2分子，形成气泡，另一部分H溶于铝熔体中。H在铝熔体中的溶解度很大，在结晶过程中随温度下降溶解度急剧降低，H在液体铝和固体铝中的溶解度分别为0.65cm3/(100gAl)和0.10～0.034cm3/(100gAl)。因此，在结晶过程中由熔体析出的H形成H2可能以气泡的形式由结晶的液穴表面放出。但是,在半连续铸造的结晶条件下，能由液穴表面放出的H2很少，大部分被包裹在处于粘塑状的熔体中，在随后的铸造中形成气孔、疏松等铸造缺陷。25×××合金的熔炼控制铸锭生产的基本任务是获得成分、组织性能、表面质量和尺寸形状符合要求的锭坯。铸锭生产是金属材料生产工艺的第一道工序，在这一工序中产生的冶金缺陷，如偏析、晶粒粗大、氧化物及金属间氧化物、气泡等，都给后续带来很多不利的影响。因此，熔铸过程中必须严格控制。铸锭生产包括熔炼和铸造，即熔铸过程，它包括备料、熔化、精炼、调整成分、温度、浇注等工序。为保证铸锭的化学成分符合要求，必须了解合金成分在熔铸过程中得变化情况，要得到气体、夹渣少、流动性好的熔体，必须了解气体和氧化夹渣的物化性质，气体与金属相互作用的规律，掌握去气、去渣的精炼工艺等等。所以要得到组织细密、性能均一、没有气孔、缩孔、疏松和裂纹等缺陷的合格铸锭，必须了解铸锭成形过程及影响铸锭结晶组织的各种因素，掌握铸锭工艺等。2.1熔体成分控制以下主要讨论合金成分在熔炼过程中发生变化的一般规律，如金属氧化烧损、夹渣。2.1.1金属镁的氧化烧损在熔炼时应避免形成疏松的氧化膜。五系合金中主要元素是镁，镁熔点低，易被氧化烧损，合金中镁含量越高，表面氧化膜的致密性就越低，抗氧化能力就越低。氧化膜致密度差会造成以下危害：氧化膜失去保护作用，合金烧损严重，吸气性增加，易形成氧化夹渣、疏松，降低铸锭质量，导致裂纹倾向性增加。因此加镁时，将镁放在特定的加料器内，迅速侵入铝液中，往复搅动，使镁锭逐渐熔化于铝液中，切加镁后立即撒一层覆盖剂防止氧化。同时在加镁后的熔体中加入少量的铍，改善氧化膜的性质，提高抗氧化能力。2.1.2杂质的吸收和积累在熔炼过程中，一方面因氧化造成一些元素的含量减少，另一方面从炉衬、炉气中吸收杂质，或者由于氧化、挥发性小的元素积累，合金某些成分或杂质允许量超标，造成化学废品。杂质的吸收和积累，主要是由于金属液与炉衬、炉渣、炉气的相互作用，或因混料造成的结果，它与合金和炉衬的性质、炉料的纯度及熔炼工艺有关。2.1.2.1杂质的来源（1）从炉衬中吸收杂质。金属与炉衬相互作用不仅降低了炉子的使用寿命，而且还会使某些杂质进入金属。如：（3FeO）+(2Al)=（Al2O3）+（3Fe）污染金属。熔炼温度越高，金属在炉内运动温度越剧烈，这种液—固相间的反应进行的越剧烈。（2）从炉气中吸收杂质。使用煤气炉熔炼铝合金是，煤气中的水蒸气会与Al发生化学反应：Al+H2O（蒸汽）→H2+Al2O3。产生Al2O3夹渣，同时增加吸气性。（3）从其它炉料及炉渣中吸收杂质。同一熔炉先后熔炼两种成分不同的合金时，由于合金中主要成分及杂质含量不同，若前一种合金成分正好是后一炉的杂质，此时，若不洗炉就直接熔炼，则前一炉存在炉衬及炉渣中得部分合金，将会使后者某一成分或杂质增多，以致造成严重的化学废品。2.1.2.2减少杂质污染的途径熔体的纯净化是提高材料性能的重要途径，因此，现在对材料的纯度的要求越来越高。为了防止杂质的吸收和积累，可采用下列措施：（1）先用化学稳定的耐火材料。（2）才可能的条件下，采用纯度较高的纯金属，合格返回料不超过炉料的50%，以保证合金纯度的要求。（3）所有的与金属液接触的工具，尽可能采用不会带入杂质的材料或用涂料保护好。（4）换炉熔炼含有元素不同的合金或成分，需要洗炉。2．2合金成分控制方法合金成分控制室熔炼的关键环节，除了采取控制烧损以外，还要做好以下准备：备料、配料、制订合理的加料顺序、做好炉前的成分分析和调整等。2.2.1炉料选择在保证性能和降低成本的条件下，尽量少用纯度高的金属，合理使用旧料，旧料一般占炉料的40～60%。旧料过多易造成化学成分超标和铸锭夹渣。2.2.2炉料处理使用前要处理干净，不应含有水分、泥土、油污等，避免产生气体造成疏松。大尺寸废料应先锯断，小而薄的边角料须先打捆。锯末废料要清洗、烘干、打包、重熔、分析成分及杂质后才能配入炉料。2.3熔炉准备熔炉的正确选择与合理使用是保证获得优质、高产、低成本金属熔体及制品的重要条件之一。2.3.1洗炉目的是将残留在熔池内各处的金属和炉渣清除炉外，以免污染另一种金属，确保产品的化学成分。清除大量非金属夹杂物。（1）新修、中修和大修后的炉子生产前进行洗炉。（2）长期停歇的炉子根据实际情况决定是否洗炉。（3）前一炉的合金为后一炉的杂质时洗炉。（4）杂质高的合金转纯度高的合金时需要洗炉。2.3.2清炉将炉内结存的残渣彻底清除炉外，避免成分不合，防止产生氧化夹杂。纯铝是20炉清一次，合金时10炉请一次。2.3.3换炉换炉的顺序应根据下列原则安排：1）前一炉合金元素不是下一炉合金的杂质；2）前一炉合金的杂质量低于下一炉的杂质量。2.4成分调整熔炼过程中，由于各种原因会使陈分发生改变，因而需要炉料熔化后，取样快速分析，根据分析结果确定是否要进行成分调整。要求成分调整要快和准，保证成分符合要求，主要方法有两种：补料和冲淡。2.5熔体精炼熔体精炼的任务在于去气去渣，其实质就是与金属的氧化、吸气和其他杂质作斗争。2.5.1除渣精炼金属中非金属夹杂物的含量与分布，是反映金属熔体冶金质量的重要指标。它们的存在会破坏金属熔体的连续性，降低金属的塑性、韧性和耐蚀性，恶化金属的工艺性能和表面质量。2.5.1.1非金属夹杂物的种类和来源铝液中的非金属化合物，主要是氧化物和少量的氮化物，都是以独立形式存在，一般称为夹杂或夹渣。夹杂物的来源可分为外来夹杂和内生夹杂。外来夹杂是由原材料或熔炼过程中卷入金属的耐火材料、熔剂、锈蚀产物，炉气中得灰尘以及工具上得污染物等。内生夹杂是在金属加热及熔炼过程中，金属与炉气、熔剂以及其他物质反应而生成的化合物。2.5.1.2除渣原理（1）密度差作用金属液静置时，非金属夹杂和金属熔体密度不同，因而产生上浮或下沉。（2）吸附作用向金属熔体中导入惰性气体或氮气，在气泡上浮过程中，与悬浮状态的夹杂相遇时，夹杂便可能吸附在气泡的表面而被带出熔体。（3）机械过滤在浇注过程中，金属熔体通过过滤介质，对非金属夹杂物的机械阻挡作用。2.5.2金属中得气体及脱气精炼加热与熔炼过程中，液态金属吸附H2、O2、N2，致使铸锭中产生气孔、疏松、板带材起泡及分层，甚至发生氢脆。铝合金熔体主要吸收的的气体是H2。因此，除气也就是除氢