高Mg合金扁铸锭电磁铸造工具设计及工艺研究

王英军

摘要：本文介绍了420mm以上大规格铸锭试验电磁铸造的生产工艺流程，并对使用电磁铸造的铸锭进行了化学成分和晶粒度分析，通过分析电磁铸造对不同列别合金系的影响，按照现行实验的几个批次结果进行阶段性小结。

关键词：电磁铸造；成分偏析；晶粒度；

Abstract： The electromagnetic casting experiment was conducted on the high Mg alloy slabs with the thickness of over 420 mm， and the production process was introduced. The chemical compositions and grain sizes were analyzed for the slabs cast with the electromagnetic process. The periodical summary was drawn according to the batches of results of the current experiment through analyzing the influence of electromagnetic casting on several series of alloys.

Key words： electromagnetic casting； composition segregation； grain size

1前言

近年來，电磁场在铸锭成型及改良铸锭内部组织中的应用得到业内的广泛的关注，其主要包括中高频电磁铸造和低频电磁铸造等。其中低频电磁铸造采用更低的电磁场频率，获得了更大的磁场渗透深度，有利于提高铸锭组织均匀性和获得更好的组织细化效果，在国内发展迅速。目前，扁铸锭低频电磁铸造已经在大学科研机构中试铸成功，实验研究表明，低频电磁铸造对铸锭具有显著的晶粒细化作用。

随着铝加工制品不断发展，扁铸锭的规格和内部组织要求不断增加，超大规格扁铸锭的熔铸工艺研究工作显得格外重要，但传统铸造方式难以有效解决大规格扁铸锭心部晶粒粗大及偏析较重的问题，制约着铝加工市场的发展。为良好控制大规格扁铸锭晶粒度、减少铸锭宏观偏析，储备电磁铸造技术在工业化生产中的应用技术，特制定此项工艺研究。

2 试验方案

2.1 试验合金、规格

高Mg合金420mm厚以上扁锭。

2.2 工装方案设计

2.2.1电磁感应线圈位置的确定

为了保证电磁场对铸锭结晶时的充分干预，根据传统铸造参数，确定铸锭结晶区间形状，拟定在距结晶器下沿150～300mm高度加装电磁感应线圈。

2.2.2电磁感应线圈数量的确定

电磁感应线圈的数量直接决定电磁力的大小，影响对结晶区间的束缚力和搅拌力。束缚力过大将改变扁锭角部几何形状，搅拌力过大将导致液面翻滚。根据生产规格的不同加装2组或2组以上线圈，通过线圈分控控制电磁力。

2.3 工艺方案设计

（1）配料

本次生产采用固体料投料，Mg以纯金属形式加入，Mn和Cr以添加剂的形式加入，Be以中间合金的形式加入。

（2）熔炼工艺及成分控制

本试验采用半连续铸造方法生产的5083合金铸锭，其化学成分如表1所示。

熔炼温度720℃～760℃，720℃以上加Mn剂、Cr剂和Mg锭，Fe>Si0.1%，熔炼炉加0.005%的Ti（Ti以Al-Ti丝的形式加入），并在熔炼温度范围内导炉、取样、调整化学成分、精炼、静置。

（3）铸造工艺

铸造采用Ar气精炼20分钟，静置20分钟，采用Alpur进行在线除气，采用30+50PPi陶瓷片进行过滤。

5083合金420mm厚铸锭铸造工艺参数见表2。

由于电磁场的加入，铸锭结晶区间将发生变化，拟定先施加较弱的电磁力，按原工艺参数铸造，然后根据铸锭情况调整电磁力及工艺参数。

3试验过程

通过试验，研究电磁场对扁铸锭成型及铸锭内部组织的影响，同时为今后工业化应用电磁铸造技术积累经验。

取头、尾试片，从试片宽度方向中心打断，其中试样A检测化学成分，分析铸锭截面宽度方向和厚度方向化学成分的偏析程度，试样B检测低倍，包括晶粒度、显微疏松，B1另检测皮下偏析层厚度。

铸锭各项检测用试样的位置见图1。

4高Mg系合金质量分析

4.1宽度方向化学成分

4.1.1铸锭底部Mg元素偏析情况

（1）铸锭底部化学成分及试验方案见表1。

（2）铸锭底部化学成分偏析趋势图见图2。

4.1.2铸锭浇口Mg元素偏析情况

（1）铸锭浇口化学成分及试验方案见表2。

（2）铸锭浇口化学成分偏析趋势图见图3。

4.2厚度方向化学成分

4.2.1铸锭底部Mg元素偏析情况

（1）铸锭底部化学成分及试验方案见表3。

（2）铸锭底部化学成分偏析趋势图见图4。

4.2.2铸锭浇口Mg元素偏析情况

（1）铸锭浇口化学成分及试验方案见表4。

（2）铸锭浇口化学成分偏析趋势图见图5。

4.3对比分析

4.3.1宽度方向

（1）底部

方案2成分偏析明显小于其他3条未使用电磁搅拌设备的曲线，即电磁搅拌设备与结晶器间距100mm，强度30%，搅拌方向双循环，方向60s切换。

（2）浇口

方案2、3、6、7相对偏析程度较小，其中方案7最大偏析值最小，但与其他所有方案趋势不同，怀疑为坏值；方案6中心部位成分偏低，综合比较方案2、3相对较好，即电磁搅拌设备与结晶器间距100mm，强度70%，搅拌方向双循环。

4.3.2厚度方向

（1）底部

同宽度方向一致趋势一致。

（2）浇口

方案5、7相对偏析程度较小，即电磁搅拌设备与结晶器间距50mm，强度70%，搅拌方向双循环。

4.4初步结论

4.4.1宽度方向距离100mm，强度70%，搅拌方向双循环，化学成分相对偏析较小。

4.4.2厚度方向距离50mm，强度70%，搅拌方向双循环，化学成分相对偏析较小。

4.4.3电磁搅拌强度相对较低时对铸锭底部化学成分偏析改善明显，下一步试验浇口部位低强度电磁搅拌的作用效果。

4.5低倍结果

低倍检测结果见表5。

4.6对比分析

4.6.1底部使用电磁搅拌設备采用距离100mm，强度30%，双循环，方向60s切换方案与不使用电磁搅拌设备相比，最大晶粒区域直径中心、宽度边部基本无变化，厚度边部则减小29%；最小晶粒区域直径宽度边部基本无变化，中心、厚度边部则减小27%。

4.6.2浇口使用电磁搅拌设备采用距离100mm，强度70%，双循环方案与不使用电磁搅拌设备相比，最大晶粒区域直径、最小晶粒区域直径各位置基本无变化。但搅拌方向不切换厚度边部皮下偏析层厚度明显增大。

4.7初步结论

4.7.1底部强度30%对晶粒度尺寸有一定改善作用。

4.7.2浇口强度70%对晶粒度改善作用不明显。

4.7.3下一步试验浇口低强度电磁搅拌的作用效果。

参考文献：

[1]张兴国，何文庆，曲若家等铝合金扁锭热顶电磁铸造技术[J].中国有色金属学报，2004，14（7）：1084-1081。

[2]贾非，金俊泽，曹志强等，电磁铸造对2024铝合金力学性能和组织的影响[J]金属学报，2002，38（4）：393-396。

[3]张北江，崔建忠，路贵民等，电磁场频率对电磁铸造7075铝合金微观组织的影响[J].金属学报，2002，38（2）：215-218.