7075铝合金2 540 mm×550 mm规格扁锭铸造工艺研究

陈仁桂，杨 浩，蓝东华,黄金宁,朱玉涛

(广西南南铝加工有限公司，广西 南宁 530031)

7075铝合金由于具有高的强度性能、易加工等优点，已成为常用的高等强度可热处理强化的铝合金，被广泛应用于航空航天领域[1]。随着航空航天工业的不断发展，宽幅板材(宽度大于2 300 mm)的需求越来越大。传统装备工艺生产的7075铝合金铸锭规格普遍较小，目前铸锭宽度一般小于2 000 mm，受限于此，只能用横轧+纵轧方式生产宽幅板材，但这种生产方式会出现成品率低、生产困难、成本高等各种问题。

宽度大于2 000 mm的大规格7075铝合金扁铸锭在国内非常少有。使用大规格铸锭生产宽幅板材将具有明显优势，其无须宽展直接纵向轧制，能减少宽展轧制道次，保证轧制过程中铸锭温降，提高成品率，降低生产成本。但7075铝合金由于合金化程度高、成分复杂、结晶温度区间宽、铸态组织塑性低，铸造时裂纹倾向非常大。特别是随着铸造宽厚比及铸造截面的增大，铸造时还容易出现如锭尾塌裂、小面漏铝、铸锭悬挂、大面漏铝、过渡区热裂等问题，使铸造成功率很难保证[2-3]。因此需要探讨7075铝合金大规格扁锭铸造工艺以满足轧制生产要求。

1 试验材料及方案

生产7075铝合金大扁锭的主要工序包括配料、熔炼、保温、精炼、过滤、铸造、去应力等。本试验用7075铝合金的化学成分见表1。

表1 7075铝合金化学成分(质量分数/%)Table 1 Compositions of 7075 aluminum alloy(wt/%)

1.1 配料

根据表1所示成分计算纯度99.80%以上的重熔铝锭和7075铝合金返回料、锌锭、紫铜等的用量。重熔铝锭中w(Si)≤0.03%，7075铝合金返回料占比为20%～60%。

1.2 熔炼

将铝锭、锌锭、紫铜及7075铝合金返回料投入55 t熔炼炉，当炉料熔化1/3时开启电磁搅拌器。熔体温度达到720℃后加入Al-Cr、Al-Ti、Al-Mn中间合金及镁锭，达到目标合金成分时，得到化学成分合格的铝合金熔体。

1.3 保温、炉内精炼

将铝合金熔体转注到保温炉。用氩气与氯气混合气体精炼，通入氩气与氯气流量的比例为20∶1，精炼时间为60 min，精炼2次，间隔60 min。

1.4 在线精炼、晶粒细化、过滤

炉内精炼完成后倾动保温炉使熔体流经在线精炼除气装置，通入氩气与氯气流量的体积比为9∶1，控制转子转速580 r/min。在线添加Al-Ti-B晶粒细化剂，添加速度为320 cm/min，熔体流过30ppi(每英寸长度上的孔数)陶瓷过滤板进行过滤除渣。

1.5 铸造

采用Wagstaff铸造机自动化控制铸造系统，对铸造冷却水流量、铸造速度、结晶器液位高度、起始填充时间等自动化控制。

采用软起铸方式，先将软起料通过主流槽填充到结晶器中，填充时间98 s，填充完成后进行自动铸造，铸造速度为22 mm/min～40 mm/min，铸造温度为670℃～680℃，冷却水温度为35℃～40℃，冷却水流量为30 m3/h～40 m3/h，冷却水压为0.2 MPa～0.35 MPa，结晶器液位高度为60 mm～80 mm，待软起铸造长度到100 mm后，停止软起料的添加，迅速切换到正常料继续铸造。铸造速度为40 mm/min～50 mm/min，铸造温度为675℃～685℃，冷却水温度为35℃～40℃，冷却水流量为40 m3/h～70 m3/h，冷却水压为0.4 MPa～0.55 MPa，结晶器液位高度60 mm～100 mm，铸造完成后获得2 540 mm×550 mm规格的7075铝合金扁锭，如图1所示。

1.6 去应力

铸造结束后对扁铸锭进行去应力退火，退火制度为300℃10 h，避免铸锭产生炸裂。

2 试验结果

将铸锭切除底部450 mm后，取试样进行化学成分、高低倍组织分析，取样位置如图2所示。

2.1 化学成分

化学成分分析取样位置如图2所示的上部，取点为10个点，分析结果见表2。由表2可知，铸锭成分分布均匀，均在控制范围内，成分偏差小于10%。

表2 主要成分分析结果(质量分数/%)Table 2 Analysis results of the main element contents(wt/%)

2.2 低倍组织

将低倍试样在浓度为150 g/L的NaOH溶液中浸泡5 min后观察低倍组织情况，结果见表3。

表3 低倍组织分析结果Table 3 Analysis results of macrostructures

2.3 高倍组织

铸锭去应力后，分别取铸锭芯部、1/4对角线位置、边部处试样进行高倍组织分析(参见图3)，晶粒平均尺寸分析结果见表4。

表4 铸锭晶粒尺寸分析结果Table 4 Analysis results of the grain size

2.4 氢含量

氢含量对最终产品的综合性能(尤其是裂纹扩展速率)有重要影响。所用测氢设备为西南铝生产的ELH-IV型测氢仪，经除气箱除气后，熔体氢含量为0.08 mL/(100 g Al)。

2.5 水浸法超声探伤

对试验铸锭进行水浸探伤，根据波形特点、分布情况、传播时间等信息可以对缺陷进行检测和定位分析。7075铝合金扁锭超声探伤结果显示，铸锭顶、底部存在较多缺陷，通过切头、尾后可以去除。其余部分未检测到铸锭内部的夹杂、气孔、裂纹和组织粗大等宏观缺陷，检测结果等级为A级。

3 分析与讨论

3.1 熔体纯净度的控制

气孔和夹杂二者相互影响，相伴相生。在熔体中加入一定量的熔剂，通过一系列的物理化学反应可以达到除气除杂的目的。但使用熔剂后会造成一定量的残留，对于大规格高品质铸锭危害极大。因此在不使用熔剂的情况下使用氯气、氩气混合气体进行多级精炼，混合气体通过转子注入熔融金属中，以细小的分散气泡的形式存在于熔融金属中。加入的氯气和碱金属反应并生成氯化物，靠浮力或依附在气泡表面上带动夹杂物、气体和盐等杂质上浮，达到净化熔融金属液体的作用。使熔体氢含量不大于0.10 mL/(100 g Al)，可有效改善铸锭质量及提高铸造成功率。

3.2 硅、铁元素的控制

当铁和硅比例不当时，对大规格7075铝合金铸造裂纹有明显的影响。硅与镁形成Mg2Si相，当镁过剩时，降低了Mg2Si在基体中的溶解度，降低合金的塑性。因此尽可能降低硅含量，同时确保w(Fe)/w(Si)>2.0，避免形成Mg2Si相。

3.3 铍元素的添加

7075铝合金大规格铸锭容易在铸造中产生皱褶，太深的沟槽会导致铸造裂纹。因此铸造大规格7075铝合金扁锭时，往合金中加入w(Be)=20×10-6～50×10-6的铍，铍在氧化表面积聚，降低氧化速率，减少铸锭中夹杂物含量，降低铸锭表面拉裂风险，提高铸造成功率。

3.4 铸造工艺优化

大规格7075铝合金扁锭铸造失败一般是因开头塌裂、漏铝原因导致的。针对不同的规格以及不同的合金，可有针对性的调整软起料的成分来抑制起铸阶段的开裂。在铸造开头采用软起铸可以有效的避免铸锭成型困难问题。使用软起铸方式不仅可以降低刮水环带来的生产成本提高，而且可以增加铸锭冷却强度，极大的细化内部铸造组织，减小成分偏析。

3.5 结晶器设计

结晶器采用多级可控强冷结晶器，有上下两排出水孔，由6根进水管控制，冷却水流量由Wagstaff系统精准控制。一次冷却水喷射至结晶器围裙位置形成一次缓冷，起到形成壳的作用。然后顺着围裙流至铸锭上，通过一次间接式缓冷对冷却水进行加热，减小一次间接冷却跟二次直冷的温度梯度差，可明显减少铸锭激冷和冷却梯度差，从而使铸锭应力分布均衡。当铸锭达到一定长度后直接接触三次冷却水进行三次增强冷却，极大细化内部晶粒，减小芯表晶粒尺寸差别，同时保证铸造成品率。

为了避免铸锭边角冷却强度过大引起开裂，结晶器大小面圆弧半径采用100 mm。结晶器大面边角水孔和结晶器小面边角水孔至少堵塞4～8个。控制铸锭边角的冷却强度，降低了铸造过程中的应力，使得最终制造的7075铝合金大扁铸锭无裂纹、无冷隔等缺陷。

4 结 论

通过对7075铝合金2 540 mm×550 mm规格扁锭铸造工艺试验研究，得出以下结论：

1)7075铝合金2 540 mm×550 mm扁锭解决了航空货运用成品宽度超过2 300 mm的宽幅铝板材必须横轧的问题，板材成品率提高30个百分点，有效地降低了生产成本。

2)不使用熔剂并且采用多级高效除气、除渣技术获得高纯净化熔体。使熔体氢含量不大于0.10 mL/(100 g Al)，可有效改善铸锭质量，提高铸造成功率。

3)采用软起铸方式，在铸造速度为40 mm/min～50 mm/min、铸造温度为675℃～685℃、冷却水温度为35℃～40℃、冷却水流量为40 m3/h～70 m3/h、冷却水压为0.4 MPa～0.55 MPa、结晶器液位高度60 mm～100 mm的条件下，铸造出2 540 mm×550 mm规格的7075铝合金扁锭。该扁锭无裂纹、锭尾塌陷、皱褶等表面缺陷，内部组织无裂纹、气孔、夹杂、羽毛晶、光亮晶等冶金缺陷，成分均匀，晶粒度细小。