不同合金化方式的5083合金铸锭质量对比研究

殷云霞，李海仙，韩再旭，王 强

（东北轻合金有限责任公司，哈尔滨 150060）

不同合金化方式的5083合金铸锭质量对比研究

殷云霞，李海仙，韩再旭，王 强

（东北轻合金有限责任公司，哈尔滨 150060）

介绍了在5083合金中使用中间合金与使用添加剂的工艺流程，并对两种工艺生产的5083合金铸锭进行质量全分析。通过对比研究，确定出使用中间合金与添加剂生产的5083合金铸锭在成分偏析、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，并确定出合理的成分范围。

中间合金；添加剂；5083合金；生产工艺

0 前言

铝合金合金化的方式有以下几种：以中间合金方式加入；以纯金属形式加入；以熔盐形式加入；以添加剂形式加入。添加剂以其熔点低、易溶解、在熔体中易达到成分均匀、使用方便等优点，在生产中广泛使用。但对于有特殊要求的合金制品，如锻件、探伤级别要求高的合金制一般使用中间合金，而不使用添加剂，以避免添加剂中的熔盐混入熔体造成熔体污染。

但近年来，部分中间合金越来越暴露其不足，如成分不均，导致熔炼中大量补料或冲淡，造成部分或全炉成分废品；组织中残存大量的一次晶化合物，遗传到铸锭中，造成最终制品一次晶化合物聚集缺陷；部分中间合金在熔化时仍然需要很高的熔炼温度和较长的保温时间才能保证金属成分的充分溶解，这样易引起晶粒粗大、吸气、夹渣和增加氧化烧损等[1]。

而使用添加剂则可避免上述不足，且炉内除气除渣净化及在线除气加双级过滤措施完全可以阻挡熔盐进入铸锭，使用添加剂还可以降低生产成本。

下面探讨采用Mn、Cr添加剂加入到需要B级探伤的5083合金中生产产品，与使用中间合金形式生产的同类合金做质量对比，并摸索生产工艺路线的改变对产品质量的影响。

1 试验过程

1.1 化学成分

5083合金化学成分见表1。

表1 5083合金化学成分（质量分数/%）

1.2 配料

方案1：新铝锭占额40%～60%，不允许使用添加剂，Mn、Cr、Ti、Be以中间合金的形式加入，Mg以纯金属的形式加入，Mg和Al-Be在电炉中加入。

方案2：新铝锭占额40%～60%，Mn、Cr以添加剂形式加入，Ti、Be以中间合金的形式加入，Mg以纯金属的形式加入，Mg和Al-Be在电炉中加入。

1.3 熔炼

两种方案均采用天燃气炉供电炉液体料的方式进行生产，熔炼温度720～750℃。方案1中间合金随炉料一同加入，方案2添加剂加入温度为720℃以上，并且保温15min后方可出炉。

按表1中要求进行成分调整，熔炼温度720～750℃，出炉前加Al-Ti丝进行晶粒细化。

1.4 铸造

铸造时用在线净化装置，双级过滤。在线加入Al-Ti丝进行晶粒细化

1.5 板材生产

对均火后的铸锭进行铣面，然后进行热轧生产。

2 试验结果

2.1 不同合金化方式生产5083合金的表面质量

采用上述两种生产工艺生产的5083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。

2.2 最终化学成分

无论使用中间合金还是使用添加剂生产的5083合金扁铸锭，整体来说化学成分偏析相差不大，Mg含量均在4.4%～4.7%之间，Mn含量在0.6%～0.75%之间，Cr含量在0.08%～0.10%之间，偏析规律相似，这可以说明生产5083合金时无论何种合金化方式，最终化学成分都符合成分要求，从中间合金与添加剂的实收率上看，采用两种生产工艺生产的5083合金Mn、Cr元素的实收率相当，均能满足化学成分要求。

2.3 铸锭低倍组织

采用不同合金化方式生产的5083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，铸锭晶粒度小于一级。

2.4 铸锭微观组织

两种生产工艺生产的5083合金铸锭，沿铸锭厚度方向在铸锭中心处、1/8处、边部进行铸锭高倍组织检查，典型金相组织见图1。 其中（a）、（c）、（e）分别为方案1使用中间合金生产5083合金铸锭厚度方向的中心、1/8厚度处、 边部；（b）、（d）、（f）分别为方案2使用添加剂生产5083合金铸锭厚度方向的中心、1/8厚度处、 边部。

图1 5083合金不同方案和不同位置的显微组织

从图1显微组织照片可以看出，两种工艺生产的5083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，基本上符合铝合金熔炼过程中的结晶规律。

2.5 铸锭的力学性能

沿试片中心至边部取样（下图中1→10同时代表使用中间合金与使用添加剂生产的5083合金铸锭相对应的取样位置），检测铸锭力学性能，结果如图2、图3和图4所示。

图2 两种方案5083合金抗拉强度

图3 两种方案5083合金屈服强度

图4 两种方案5083合金断后伸长率

从图2、图3和图4可以看出，不同合金化方式生产的5083合金铸锭，其中使用添加剂生产的5083合金铸锭与使用中间合金生产的5083合金铸锭相比：抗拉强度略低，屈服强度略高一些，断后伸长率相当，整体差异不大。

2.6 板材生产情况跟踪

本轮试验中，对使用添加剂与中间合金生产的同规格5083合金铸锭在轧制车间进行了跟踪，从铸锭加热、轧制到后续的热处理过程使用添加剂生产的5083合金铸锭均未发现异常情况。对其中需要进行B级探伤交货的板材探伤情况进行了详细统计，使用添加剂工艺生产的5083合金铸锭B级探伤后合格率100%，与使用中间合金工艺生产的铸锭B级探伤结果相符。

对所有使用添加剂工艺生产的铸锭成品力学性能情况进行详细统计，两种工艺生产铸锭轧制板材力学性能结果相近，相差不大，说明两种工艺生产铸锭在后续生产的板材力学性能结果相近。

3 分析与讨论

3.1 中间合金存在的问题

生产5083合金时使用Al-Mn和Al-Cr两种中间合金，在熔制和使用这两种中间合金时，存在以下问题：

（1）要求加入金属温度在1000℃以上，熔炼温度高，则需要延长熔炼时间，这就造成合金元素的大量烧损，消耗大量能源。

（2）中间合金含量不稳定，成分不均，在熔炼过程中经常有大量补料或冲淡的现象发生，造成部分或全炉成分废品。

（3）加速了熔炼设备及工具的损坏；造成了恶劣的劳动条件和严重的环境污染。

（4）中间合金组织中残存大量的一次晶化合物，遗传到铸锭中，造成最终制品一次晶化合物聚集缺陷，影响航空航天制品的使用和交货期限，甚至无法使用。

（5）部分中间合金在熔化时仍然需要很高的熔炼温度和较长的保温时间才能保证中间合金的充分溶解，这样易引起晶粒粗大、吸气、夹渣和增加氧化烧损偏析严重，含有粗大的化合物，有可能会遗传到合金中。

（6）主要元素所占的比例很低，大部分是铝，给运输、储存等带来很多麻烦。

3.2 使用添加剂的优点

生产5083合金时使用Mn、Cr两种添加剂，使用添加剂具有以下优点：

（1）Mn、Cr两种添加剂是机械搅拌的混合物，无需高温便可制作完成，减少了能源损耗。

（2）成分含量稳定，用于5083合金中实收率较高，减少了炉前分析的次数。

（3）主要元素所占的比例高，便于运输、储存。

（4）使用添加剂降低了生产成本，创造出经济效益。

3.3 添加剂实收率

Mn添加剂加入温度720℃，实收率曲线见图5。

图5 Mn添加剂实收率曲线

由图5可以看出Mn添加剂加入温度为720℃、保温时间为13min时，Mn添加剂实收率达到最大值为98%，所以当熔体达到720℃时加入添加剂，并且保温15min，这种工艺是添加剂实收率最高的，所以说我们制定的方案可行。

3.4 化学成分对5083合金性能的影响

3.4.1 Mg的作用和影响

5083合金为热处理不可强化合金， Mg含量对5083合金力学性能的影响见图6。

图6 Mg含量对5083合金力学性能的影响

从图6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。含Mg量高的合金材料，屈服强度也高，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5083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5083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。

3.4.2 Mn的作用和影响

Al-Mg系合金中添加Mn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，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。

3.4.3 Cr的作用和影响

Cr对Al-Mg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5083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。

3.4.4 Ti的作用和影响

Ti的主要作用是细化晶粒。在5083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丝或在线加入Al-Ti丝进行晶粒细化，同时在5083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。

4 结 论

通过以上试验及分析结果可以得出结论：

（1）使用中间合金和添加剂生产的5083合金铸锭的铸造性能、化学成分偏析、Mn、Cr元素的实收率、微观组织及力学性能相差都不大，板材的性能均可以满足用户要求。

（2）调整5083合金化学成分时，Mg含量控制在中上限，Mn含量控制在中限，Cr含量控制在0.08%～0.10%之间，铸造时加入适量Al-Ti丝就可以保证力学性能的要求。

[1] 肖亚庆，谢永生，刘静安，等.铝加工技术使用手册[M].北京：冶金工业出版社，2005

（编辑：杨毅）

含Mg和Li等合金元素的铝合金的铸造方法

欧洲专利 EP2398609

本专利涉及一种至少含0.1%Mg和0.1%Li的铝合金铸造方法。该方法的特点是，在金属的凝固过程中，铝合金液表面始终与含有2.0vol%氧和具有水分压低于150Pa的干燥气体接触。本专利的铸造方法适用于最容易氧化的铝合金的铸造，特别是含有Mg、Li，而不含Be、Ca的铝合金铸造，采用该铸造方法所用的装置成本低，可生产出无表面缺陷的铸锭，且安全可靠、无污染。

大型薄壁铝合金件多功能移动磁场铸造装置

中国专利 1513626

本专利涉及一种大型薄壁铝合金件多功能移动磁场铸造装置，这是一种利用电磁压力来铸造大型薄壁铝合金件的装置。本装置包括由铸型和与铸型相固接的浇口杯组成的铸型系统，以及由线圈和磁厄组成的磁场发生系统。磁厄为外表面带槽的矩形体，在磁厄的槽内镶嵌有线圈，线圈与电源连接。磁流铸造法被用于大型铝合金铸件的生产上，效益是非常明显的，铸件的壁厚可最低减至3mm，质量也得到相应的提高，而且铸件的截面结构不只是简单的板状，圆筒、方框、角状、槽状等不同形状都能实现。

提纯Al-Ti-B合金熔体的方法

美国专利 US8167970

本发明公开了一种Al-Ti-B合金熔体的净化方法。本发明的方法包括：在反应炉中加入工业纯铝锭并熔化后，加入高温覆盖剂覆盖，升温至670～900℃，加入K2TiF6和KBF4并搅拌；加入含Mg、Li、Na以及F的络合物，络合物的量为K2TiF6和KBF4质量之和的0.01%～1%，温度保持为670～900℃，均匀搅拌15～60min，除去浮渣，使之凝固并加工成形。在本发明中，通过添加适量的含Mg、Li、Na以及F的络合物，Al-Ti-B合金熔体的净化过程中很好地起到阻止反应产物mKF·nAlF3聚合的效果，从而使其反应后合金产物中杂质含量大幅降低，合金产物中K的含量小于0.01g/kg。

铝合金结构铸件的热处理方法

欧洲专利 WO0123633

本专利提出的铝结构铸件的主要化学成分是（wt%）：2.0～11.5Si, 0.15～0.4Fe, 0.3～5.5Mg，＜0.02Cu，0.4～0.8Mn，0.1～0.2Ti，其余是铝。这种结构铝铸件的热处理规范是：30min内加热到490℃，保温90～120min，空冷到100℃，水淬。又在15min内加热到250℃，保温30～120min，空冷到40℃，最后水淬。

Comparative Study on Quality of 5083 Alloys Ingot with Different Alloying Methods

YIN Yun-xia, LI Hai-xian, HAN Zai-xu, WANG Qiang
（Northeast Light Alloy Co., Ltd., Harbin 150060, China）

Technical process using master alloy and additives in 5083 alloys were introduced. Quality of production process of 5083 aluminium alloy ingot by the two processes were analyzed. Through comparative study, no significant difference was determined in the composition segregation, microstructure and mechanical properties etc. for 5083 alloy ingots produced using master alloy and additives. Mechanical properties of materials can meet the standard. Reasonable composition was determined.

master alloy; additive;5083 alloy; production process

TG146.21，TG243.+1

A

1005-4898（2014）05-0041-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.05.09

殷云霞（1982-），女，黑龙江省克东县人，工程师。

2014-03-17