彭斐;郑许;梁洪铭;饶庆东
【摘 要】对5052铝合金的铸造显微疏松组织的检验方法及产生疏松的因素进行分析.采用不同的氢含量、冷却速度及铸造速度进行铸造试验,使用定量金相法评定样品的显微疏松.结果表明:当熔体的氢含量控制在0.10 mL/(100 gAl)以下时,能有效地控制铸造组织中的显微疏松程度;采用较大的冷却水压力配合较慢的铸造速度可以形成更良好的液穴形状.更均匀的温度场和成分场,能有效地减少铸造组织中的显微疏松. 【期刊名称】《轻合金加工技术》
【年(卷),期】2019(047)001
【总页数】4页(P19-22)
【关键词】5052铝合金;铸造组织;显微疏松;预防措施
【作 者】彭斐;郑许;梁洪铭;饶庆东
【作者单位】广西南南铝加工有限公司,广西南宁530031;广西南南铝加工有限公司,广西南宁530031;广西南南铝加工有限公司,广西南宁530031;广西南南铝加工有限公司,广西南宁530031
【正文语种】中 文
【中图分类】TG292
5052铝合金是5×××系合金中使用最广泛的合金之一，属于低镁、不可热处理强化铝合金，具有中等强度、良好的焊接性、易于加工成形、耐海洋大气腐蚀性好以及优良的低温稳定性等特点[1]，广泛应用于制造飞机、车辆、船舶、集装箱等。随着现代工业的发展，扩大了对铝合金制品的需求，同时对铝合金铸锭的质量及可靠性提出了更高要求。 铝合金凝固时铸锭中容易形成显微疏松[2]，铝合金铸锭中的显微疏松包括收缩疏松和气体疏松两类。疏松的存在会破坏金属微观结构的连续性，显著降低铸锭的强度和塑性，并能遗传给加工制品，对加工工艺和制品的性能有不良影响。
本课题主要对5052铝合金铸锭显微疏松的检验方法及产生疏松的因素进行分析，并制定了
减少5052铝合金铸锭显微疏松的措施。
1 试验方案及试样制备
1.1 试验方案
显微疏松的形成原因有两种：一种是由于铝合金熔体铸造结晶时，从液态凝固至固态时体积收缩，在树枝晶枝杈间液体金属补缩不足而形成空腔，铝合金凝固时体积会收缩约6%，收缩过程中在铸锭中的气体如不能及时排出则会形成显微疏松。另一种与熔体中氢含量有关，如果熔体中未除去的氢气含量较高，铸造时氢气隐藏在树枝晶枝杈间隙而形成空腔。铝合金熔体中的氢的来源可能是潮湿的空气或是熔炼炉、保温炉的废气等。
综合考虑显微疏松的形成的原因，本研究主要从降低氢气含量及加大冷却速度并配合较慢的铸造速度方面开展试验，随后从铸锭边部及心部取样进行显微疏松检验，分析氢气含量、冷却速度及铸造速度对5052铝合金铸锭疏松组织的影响，结合实验数据优化熔铸工艺参数，以减少显微疏松，提高铸锭质量。
1.2 试样制备
试验材料为5052铝合金铸锭，化学成分如表1所示，符合GB/T 3190要求。生产工艺流程为：熔炼→精炼→除气、除渣→铸造→均匀化→显微疏松检验。
表1 5052铝合金化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical compositions of 5052 aluminum alloy (wt/%)项目SiFeCuMnMgZnCr其他杂质单个合计Al标准值0.250.400.10.102.2～2.80.100.15～0.350.050.10余量实测值0.090.260.010.082.340.010.250.050.10余量
从5052铝合金铸锭上按图1所示位置切取20 mm×20 mm×25 mm的多个样品进行显微疏松检验，金相试样制备流程如下：砂纸粗磨(280#、400#、800#)-砂纸细磨(1000#、3000#)-机械抛光(W7、W3.5、W2.5、W1)-使用多孔氯丁(二烯)橡胶抛光布配合0.04 μm胶状硅(SiO2)悬浮液进行精细抛光，直至显微镜下能清晰观察到疏松组织。通常在未浸蚀的试样上观察铸锭疏松缺陷，使用蔡司金相显微镜及EVO18型扫描电子显微镜对显微疏松进行观察。
图1 铸锭横截面取样位置示意图Fig.1 Sampling diagram on the cross section of the ingot
2 显微疏松评定
2.1 显微疏松评定方法
目前评定铸锭显微疏松的检验方法主要有比较法和定量金相法，比较法评定显微疏松是将选取视场下的显微疏松图像与标准评级图进行比较，选取与检测图像最接近的标准图片并记录其级别数，显微疏松评定结果以级数表示。
定量金相法评定显微疏松是选取视场下显微疏松的面积与计算视场面积之比来评定显微疏松，评定结果以百分数表示 [3]。由于定量金相法能更直接、准确评定铸锭的显微疏松，因此，在本试验采用定量金相法进行评定。
2.2 显微疏松评定过程
显微疏松评定流程如下：
取样→粗磨(砂纸280#、400#、800#)→精磨(砂纸1000#、3000#)→抛光(W7、W3.5、W2.5、W1胶状硅悬浮液)→显微镜及扫描电镜拍照→二值化提取→软件分析显微疏松。
随机拍摄3个代表性视场的样品显微疏松检测图像，放大倍数为100倍。打开金相显微镜图
像分析软件，导入拍摄好的显微疏松检测图像。对图像进行二值化处理，选择合适的阈值范围，确保绝大部分图像中灰度较高的疏松组织均已包括在选择好的阈值范围内。打开金相显微镜中的分析程序，计算视场下显微疏松面积与计算视场面积之比。重复以上步骤，得到第二及第三个视场数据后，生成三个视场的平均值。
在显微镜图像中，第二相及存在的疏松灰度相差不大，在提取过程中存在同时提取到第二相及疏松组织，导致孔隙率检测结果偏大。采用扫描电镜背散射电子拍摄的图像中，能清晰区分相组织及疏松组织，将扫描电镜图像二值化(图2)，只提取灰度较大的疏松组织，再将其导入分析软件中，测定结果更能反映铸锭显微疏松情况。
图2 二值化充分提取疏松组织Fig.2 Microporosity structure fully extracted with Binarization
3 试验结果及分析
3.1 氢气含量对铸锭显微疏松的影响
调节惰性气体的吹入量，控制熔体中氢含量分别为0.20 mL/(100 g Al)、0.10 mL/(100 g Al)及0.08 mL/(100 g Al)，对不同氢气含量的铸锭取样进行显微疏松检测，图3中a、b、c分别
为不同氢含量下的背散射电子图片，图片放大倍数为100倍。从图片中清晰地看到分布有白的金属化合物相，并不规则分布有带棱角的黑疏松组织，采用定量金相法评定疏松组织在整个检测面上的面积占比。
不同氢含量铸锭试样的显微疏松检测结果如表2所示。表2检验结果表明，当铝液中的氢含量从0.20 mL/(100 g Al)降低到0.10 mL/(100 g Al)时，试样的显微疏松明显降低，而当铝液的氢含量小于0.10 mL/(100 g Al)时，显微疏松下降不明显。
表2 不同氢含量下铸锭试样的显微疏松(孔隙率/%)检测结果Table 2 Test results of microporosity with different H2 contents(porosity/%)图1中位置氢含量/mL·(100 g Al)-10.200.100.08X10.340.180.16X30.370.150.14B0.330.160.16C0.420.210.18
氢是唯一大量溶解于铝液中的气体，在影响显微疏松的众多因素中，氢含量是最重要的因素[2]。如果熔体中未除去的气体含量较高，气体隐藏在树枝晶枝杈间隙内而形成空腔。当铝熔体的气体含量低于0.14 mL/(100 g Al)时，产生的疏松是由于补缩不足而造成；当气体含量较高时，产生的疏松主要是气体疏松，若气体含量再高时，则形成气泡[4]。
图3 不同氢含量的5052铝合金铸锭试样的SEM图片Fig.3 SEM photos of 5052 aluminum ingot samples with different H2 contents
充分使用氮气和氩气惰性气体吹铝合金熔体，让惰性混合气体通过石墨转子，形成分散细小的气泡进入熔体。气泡在上浮的过程中可以自动吸附熔体中的氢和其他杂质将它们带出。使用在线式测氢仪测量流槽中铝熔体的氢含量，可以有效地判断熔体的净化质量。当熔体的氢含量控制在0.1 mL/(100 g Al)以下时，能有效地控制铝合金铸造组织中显微疏松程度。
3.2 凝固条件对铸锭显微疏松的影响
分别在冷却水流量170 m3/h、铸造速度45 mm/min以及冷却水流量180 m3/h、铸造速度40 mm/min这两种条件下进行铸造，并在铸锭边部及心部取样分析，统计铸锭的显微疏松检测结果如表3所示。表3表明，采用更大的水流量并配合较慢的铸造速度，与较小的水流量配合较快的铸造速度相比，前者能有效减少5052铝合金铸锭的显微疏松。
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