当前以美、日、德等铝加工发达国家为代表,引导世界铝加工向着高精尖方向发展,产品品种不断增加，产品质量更加精益求精,产品附加值更高，更加节能环保" 。国内的铝工业发展起步较晚，工艺技术水平和整体装备水平与欢美发达国家相比还存在比较明显的差距，因此一些高技术含量的产品还需大量进口，我国一直大量进口精密铝板带材，2007年仍进口高达49.7万t。为进一步提高国内企业的产品质量，需要加大企业的技术改进力度，获得高性能的铝合金加工产品。而熔铸是铝加工的第一道工序,为轧制、锻造、挤压等生产提供合格的锭坯。铸锭质量的高低直接与铝合金产品的加工成材率和使用性能密切相关,所以不断优化与完善生产工艺,提高铸锭质量成为关键。
一、铝合金铸锭的常见缺陷及其对产品质量的影响
由于国内铝加工企业的装备水平参差不齐，在铝合金铸锭中经常出现成分偏析等情况,特别是在高合金含量的条件下。由于化学成分的不均匀性,铸锭在凝固过程中的结晶特性不均匀性增加，使铸锭内部产
生明显的铸造应力，容易造成铸锭的热裂”。同时铸锭性能不均匀也会促使变形过程产生过大的内应力和裂纹等;晶内偏析是由于凝固过程中的非平衡结晶造成的，因合金的不同而偏析程度不同。晶内偏析使铸锭组织不均匀，不仅对铸锭性能有不良影响,也增加了铸锭产生热裂纹的倾向，同时对后续热处理工艺和产品的最终性能也会产生不利的影响。
晶粒粗大是铝合金铸锭过程中经常出现的缺陷。造成晶粒粗大的原因主要是熔体中的结晶核心少，以及铸造工艺制度不合理。粗晶间常存在气体和非金属夹渣物，构成组织缺陷。羽毛状晶也是一种粗晶组织，其晶粒尺寸是正常晶粒的几十倍.有明显的方向性。由于粗晶组织的存在，晶界上的夹杂物较多，原子排列更加不规则，承受外力的能力减弱,增大了铸锭的裂纹倾向，降低了加工工艺塑性和组织的均匀性。
铸锭中的疏松缺陷包括收缩疏松和气体疏松两类二者的组织特征基本相同,宏观上表现为黑色针孔微观特征为有棱角形黑色孔洞，断口特征为组织不致密、粗糙，疏松严重时断口上有白亮点。收缩疏松产生原因是铸造时补缩不足，气体疏松产生原因是熔体中气体含量、主要是氢气含量过高所致。疏松的存在
会在很大程度上降低铸锭的强度、塑性同时也降低铸锭的加工性能特别是在轧制和锻造过程中可使金属表面侧边横截面等产生裂纹严重时使加工材成批报废。
夹杂以及金属间化合物。非金属夹杂主要来自于熔剂炉渣炉衬以及氧化夹渣等”，这 些大颗粒夹杂物的存在破坏了金属的连续性。严重影响金属制品的物理性能和力学性能它的存在是铸锭过程,以及后续变形过程的裂纹源。危害极大:粗大金属化合物的形成原因主要为化学成分选择不当和铸造工艺控制不当，添加元素达到了生成初晶化合物的成分范围浇注温度高冷却速度慢等为初晶化合物的形成提供了充足的生长时间元素的局部富集导致熔体的成分不均匀，这些均为初晶化合物的形成创造了条件。
二、影响铝合金铸锭的工艺与技术问题
铸锭是铝合金加工的重要I艺过程之一，铸锭品质在很大程度上影响铝合金的加工过程和产品品质。在铸锭生产过程中应重点注意以下几个问题。
2.1 合金成分的均习性
对于高合金化铝合金.由于加入合金元素含里比较高规模生产过程容易造成成分的不均匀性.影响铸锭的质里及变形加工工艺。为了进一步提高涛锭质里防止铸锭裂纹的产生采取必要的技术手段控制化学成分的均匀性.以及包括主要成分杂质含里及其相互关系，以增强合金在凝固过程中保持相对平衡的结晶特性。
为提高铝合金熔炼过程的成分均匀性,目前采用的工艺方法为人工揽拌和电磁搅拌。人工搅拌受到人为因素的影响更大由于工作环境恶劣.劳动强度大人工搅拌往往达不到使化学成分均匀的目的:电磁搅拌是目前采用较多的一种工艺方法，它是依靠电磁力对金属液体进行非接触搅拌.当感应器线圈内通以交变电流时.就会产生一个行波磁 场磁场和熔地中的金属液体相互作用产生感应电势和感生电流,这感生电流又和磁场作用产生电磁力.从而推动金属液体做定向运动起到搅拌的作用。电磁揽拌是非接触搅拌.不会污染铝熔液”。一般感应器置于铝熔炉底部熔体底部的铝熔液获得的搅拌力较大，顶部的搅拌力较小，合理设置搅拌强度可获得充分均匀的搅拌效果获得高质里的熔体。
2.2 气体与元亲物的控制
由于铝锭等原材料不可避免地存在着氧化夹杂物气体杂质元素等熔炼过程中铝合金又极易氧化与吸气，使得铝熔体的冶金质里不高.从而直接影响到产品的最终质里和加工使用性能。若熔铸过程中不及
时排除这些缺陷其后-系列加工工序{如轧制挤压、热处理表面处理等).也难以消除夹杂、气体等的影响从而直接影响到材料的加工成形性等,难以保证各种高成形性铝产品的质里。随着轻里化、薄壁化趋势的发展”,冶金缺陷的影响将更为突出。因此提高铝合金熔铸i尤其是净化变质和晶粒细化等熔体处理)技术水平至关重要对提高各种铝材的冶金质里和变形性能起着关键作用。
利用电解铝液直接铸造扁锭(或圆锭是一种节能降耗的工艺方法IX ,是当前铝加工行业技术发展与研究的热点之一。由于铝的电解过程通常在950~970 e 温度下进行这样高的温度造成铝液的结晶核心少，且吸气严重:电解过程激烈的搅拌与循环.使铝在阳极空间发生再次氧化使铝液中的各种夹杂物相对较高。在电解过程中电解析出的钠将严重恶化铝合金的铸造性能.尤其在生产流动性差的铝合金或小规格圆锭时拉裂倾向非常大游离出的Na在晶界上形成不连续的脆性球状质点.造成晶界的不连续增加了合金的热脆性1”。所以加强熔体处理降低气体与夹杂物特别是钠的含里，是电解铝液直接铸锭过程中需要重点开展的工艺技术，也是获得高性能铸锭的基础。
2.3铸锭的组 织控制
在实际生产中有时会不同程度地出现异常晶粒组织.如粗大晶粒、羽毛状晶、粗大金属间化合物等。提高铸锭质里.控制合理的微观组织形态是至关重要的。特别是高合金含里的铝合金如2xX、7XXX系合金,在半连续铸造过程中产生的热应力大，由于不平衡结晶和偏析使得有少里低熔点残留液和杂质分布在晶间形成液膜。减弱了晶界强度收缩受阻或线收缩伸长里超过液膜的最大伸长率,极易发生热裂进而引发冷裂纹。
三、提高铸锭质量的关键技术及其发展
对铝合金铸定的质里要求主要有含氢和夹渣少，晶粒细小。金相组织均匀.元素偏析少.无裂纹和疏松、铸锭的塑性好。便于后续的加工与变形。结合铝合金的生产特点提高铸锭质里的关键技术主要在以下几点。
3.1化学成分的合理设计
为进一步提高合金的力学性能,满足不同使用条件下的使用要求通常在铝合金中添加不同的合金元素以改善微观组织形态，获得理想的产品性能。由于合金元素间相互作用.形成不同的金属间化合物，它们大部分作为合金的强化相提高合金的力学性能.但也可能形成脆性的粗大的杂质相。如何合理地选择元
素间的相互比例:达到析出相的最佳匹配对减少铸锭缺陷提高涛锭性能是至关重要的。而这一点是企业生产过程中经常忽略的。
如Felsi比对涛锭热裂纹的产生起着关键作用。由于Fe> si 时主要生成AFesSiAlk,而Fe< Si时主要生成BFesiAl.有效结晶区间是Fe> si比Fe<s缩小了51e.因此Fe>si有利于流动性的改善这对于防止铸锭热裂纹和显微缩松有利.且生成的A相较B相变形性能好，使得材料较容易加工成形:而Fe<si时往往使铝铸锭易于产生热裂纹和显微缩松,加工成形时易于产生裂断。另外,6XXX合金中Mg/ si比的选择对铸锭的影响也很明显。因此对化学成分进行优化获得理想的析出状态是获得良好铸锭的关键技术"。但目前国内对合金化学成分变化对铸造性能的影响研究不多.更多的精力放在了铸造工艺与技术上。
3.2 熔体化学成分的均匀性控制
对于合金元素含里比较高的铝合金,很容易出现合金元素的分布不均匀,而成分的不均匀性造成铸锭凝固过程组织的不均匀性,使铸锭内应力增大:同时析出物容易产生偏聚成为铸造过程的裂纹源。
大部分生产企业采用人工搅拌的方法来促进熔体化学成分的均匀.但由于工作环境恶劣.劳动强度大人工搅拌的效果往往难以实现成分均匀;一些大型企业采取了炉底电磁搅拌装置.通过电磁力的作用促使铝熔体处于流动状态提高了合金元素的溶解增加了成分的均匀性,收到了良好的效果，但能耗较大。最近有企业推出永磁搅拌技术，可放置于炉底或则面工作原理与电磁搅拌类似,但能耗却大大降低仅相当于电磁搅拌的1/ 10”。
3.3熔体净化技术
熔体处理的主要作用在于消除熔体中的氢含里和夹杂物含里.气体| HI在铸锭中形成气泡隔离了晶粒间的相互作用降低了晶粒间的结合强度而夹杂物的存在同样破坏金属的连续性.增加了铸锭热裂的可能性:因此做好熔体处理特别是电解铝液直接铸锭工艺显得更为重要。
目前国内外对铝合金的熔体处理技术非常重视对铝熔体净化处理技术已进行了大里的研究.并形成了一些较先进的净化方法与装置如SNIF、MINT、ALPUR法等”,对净化技术的发展起了推动作用。但这些方法大多以除氢净化为主，而对于各种高技术、高成形性的产品排杂除氢净化的程度要求很高这些精炼除气方法均存在着一定的局限性 .除氢效率有限对排杂作用也不明显。以排杂为主的净化方法主要是;
过滤法和熔剂法但受原材料以及净化工艺条件的影响较大特别是过滤板的质里不稳定，大大影响了过滤效果。近些年出现的喷射熔剂法.对熔剂净化工艺条件已有明显改善起到了排杂除气的复合净化作用.但需专用设备，增加了成本操作工艺的控制也不稳定.使其推广应用受限。此外，最近也出现了利用铝熔体与夹杂物之间存在很大的导电性差异而提出的电磁分离夹杂物的新方法' ”。尽管该方法是一种无污染的清洁型净化方法.但目前主要仍处于实验室阶段且处理的铝液里及处理速度等与工业化应用的要求还存在一定的差距。
3.4铸造工艺及铸过过程的控制水平
在直接水冷半连续铸造中.影响铸锭质里的主要因素为冷却强度铸造速度铸造温度结晶器高度.以及夜面稳定性等同。随着令却强度的增加铸锭令却速度快有利于晶粒细化但增加了铸锭内外层的温度梯度，使铸锭中的热应力增大.提高了铸锭的裂纹倾向:铸造速度增加使夜穴变深，结晶组织粗化-同时区域偏析加剧组织和成分的不均匀性增加热裂纹的倾向增加:铸造温度提高的响与增加铸造速度的影响大致相同裂纹倾向变大同时容易造成拉裂等缺陷:结晶器高度降低的作用与提高铸造速度的影响相似，但可以改善铸锭的表面质里:液面高度的稳定性对铸锭表面质里的景响不是特別明显。但对铸锭的疑固过程产生较明显的作用，液面的波动容易造成组织的不均匀性造成铸定内应力增大.增加了裂纹倾向。
因此世界各国都特别重视铸造过程I艺控制水平的提高。除了完成工艺制度的优化外,还不断探索新的铸造控制技术，如液位测试技术脉冲水技术、低液位铸造、 气幕铸造技术气滑铸造技术电磁铸造技术等。国内企业应结合自身的设备条件和产品结构.深入探讨铸造过程的工艺控制技术，不断提高铸锭质里.满足不同用户的使用要求。
四、结语
铸锭质里决定了最终的产品质里。因此,通过材料研究与工艺优化等措施提高铝合金铸锭质里.是获得高性能铝合金产品的基础。目前国内的高性能铝合金产品很多还需要进口，如包装铝箔、PS版基罐料，以及电子箔等.除了设备条件的限制外,国内与西方发达国家的差距主要体现在铸锭质里.以及变形过程的工艺控制等方面。为了尽快缩小铝合金产品在质里方面的差距应重点从材料设计熔体处理,以及铸造工艺尤化等方面开展广泛的技术研发工作.同时消化吸收国外同行业的先进技术，全面提高铝合金铸锭质里，为痛性能骗会金产的生产打下良好的基础。
来源：常熟理工学院机械工程学院 作者：孙德勤
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