6005A鋁合金是歐洲開發(fā)的Al-Mg-Si系變形鋁合金，不僅具有良好的機械性能、抗腐蝕性能和較好的焊接性能，而且具有優(yōu)異的加工成形性，適用于工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)材料。在國外，6005A鋁合金廣泛用作地鐵、高速列車材料，主要用于制造車頂板、車門板、外板、側(cè)墻地板中間型材、底架構(gòu)件。20世紀90年代以后，隨著鋁制列車的迅速發(fā)展，對車輛輕量化的要求越來越高，要求型材更加薄壁化、中空化，加工性能更好的6005A鋁合金成了高速列車車體使用的主體材料。

6005A鋁合金在我國的應(yīng)用時間較晚，目前，6005A鋁合金在我國主要作為生產(chǎn)強度高、斷面復雜的高速列車、地鐵列車、輕軌列車、雙層列車、豪華大巴等現(xiàn)代交通運輸工具的關(guān)鍵材料，用于生產(chǎn)大型車輛的整體外形結(jié)構(gòu)件、重要受力部件和大型裝飾部件。隨著我國高速、輕型鋁合金列車和地鐵列車以及輕型客貨汽車的研制開發(fā)和我國基礎(chǔ)工業(yè)裝備水平的提高，6005A鋁合金的應(yīng)用將會越來越廣泛。

1 6005A鋁合金的熔鑄工藝特點

1.1 6005A鋁合金化學成分

6005A鋁合金是在6005鋁合金的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種中強變形鋁合金，化學成分見表1。它的主要強化相是Mg₂Si，合金中w(Mg)/w( Si)=0. 45~1.4，小于Mg₂Si化合物中Mg與Si的質(zhì)量比(1.73：1)，因此合金中含有較多的過剩Si，一般為0.2%～0.6%，高于6063鋁合金的，與6005鋁合金的接近。該合金中w( Mg₂Si)=0.7%~1.1%，接近常規(guī)成分的6063鋁合金和6005鋁合金的，低于6061鋁合金的。

生產(chǎn)地鐵車體材料用的6005A鋁合金扁錠熔鑄工藝（冶金）982.png

1.2熔鑄工藝特點

1.2.1 強化相Mg2 Si的含量高，導致裂紋傾向性大

Mg₂ Si是6005A鋁合金中的主要強化相，合金中強化相含量高，鑄態(tài)的強度增加，同時在不平衡冷卻條件下，晶界上的強化相增多，塑性降低，因而增大了合金的裂紋傾向性。

1.2.2結(jié)晶溫度范圍寬，導致裂紋傾向性大

6005A鋁合金的結(jié)晶溫度范圍為650℃~580℃，結(jié)晶溫度范圍寬對裂紋傾向性的影響有以下兩個方面：

1)結(jié)晶裂紋形成時所受到的應(yīng)力加大，故使裂紋傾向性增加。

2)凝固末期的補縮、焊合條件惡化，鑄造時的過渡帶尺寸增大，使裂紋傾向性增加。

1.2.3 熔體流動性差、導熱性差，導致裂紋傾向性大

結(jié)晶末期液態(tài)金屬的流動性，是影響結(jié)晶裂紋形成時補縮和焊合能力的重要因素，即流動性好有利于降低合金的裂紋傾向性，反之則增大。

1) Mg的原子半徑較Al的大（Mg為0.16nm，Al為0.143nm），是降低合金流動性的組元。由于6005A鋁合金中鎂含量較高，因而其流動性較低。

2)Mg是降低合金導熱性的組元，導熱性低時將使液穴深度增加、液穴的壁厚相應(yīng)減薄，鑄錠大面的單位拉應(yīng)力增加，從而使裂紋傾向性提高。

1.2.4鑄錠寬厚比大，不利于鑄造成形

本次試制的6005A鋁合金鑄錠規(guī)格為255 mm×1500 mm，寬厚比5.9。鑄錠寬厚比大時，沿鑄錠寬度方向液穴的溫度梯度增大，鑄錠收縮不均衡，應(yīng)力集中在大面液穴處，此時液穴處于固，液脆性區(qū)，增加裂紋傾向性。鑄錠厚度較小時，小面受三面水冷，易產(chǎn)生成層、冷隔等缺陷，且鑄錠小面冷卻強度大，開頭鑄錠變形翹曲大，易出現(xiàn)漏鋁、懸掛等問題，不利于鑄造成形。

1.2.5使用普通模鑄造方式，影響鑄錠成形

由于老生產(chǎn)線工裝工具的限制，本次試制采用普通模鑄造的方式，傳統(tǒng)鑄造工裝工具較粗糙，蓋板、水箱和結(jié)晶器在個別地方有變形，導致鑄造過程中水冷不夠均勻，增大了鑄錠的裂紋傾向；老生產(chǎn)線普通模鑄造過程中是人工手動潤滑，潤滑油量控制不夠精確，過大的油量將會導致鑄錠冷隔缺陷。

2試驗過程

根據(jù)合金特性和熔鑄工藝特點制定以下試驗方案。

2.1配料

配料中不使用三級廢料和復化錠，新鋁用量大于40%，其余為一、二級廢料。合金化元素M n、Cr只控制錳含量，不加入Cr, Si以中間合金的形式加入，M n以添加劑的形式加入，Mg以純金屬的形式加入。

2.2熔煉

本次試驗采用天燃氣爐供液體料的方式進行生產(chǎn)，熔煉溫度控制在720℃～750℃，使用干燥的1#熔劑覆蓋熔體，在電爐中取試樣時的溫度控制在720CC以上。

2.3鑄造工藝

鑄造采用爐外在線除氣裝置對熔體進行在線除氫；采用30 p pi +50 p pi（p pi表示1英寸長度上的孔數(shù)）雙級泡沫陶瓷板進行過濾；在靜置爐加15kgAl-Ti-B絲細化劑。鑄造工藝參數(shù)按表2執(zhí)行。

生產(chǎn)地鐵車體材料用的6005A鋁合金扁錠熔鑄工藝（冶金）2206.png

2.4機加工

用鋸切除鑄錠底部不小于30 mm（除鋪底鋁之外），切除澆口不小于100 mm。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1試驗結(jié)果

按試驗方案中的工藝操作，制得的鑄錠成形狀況良好，任取一塊成品鑄錠，切掉底部切取20 mm厚試片，對鑄錠進行低倍、高倍、化學成分、力學性能等項目檢測分析。

3.1.1 化學成分分析

沿試片寬度方向，從中心到邊部取20 mm×20mm試樣、1#~5#，試樣的分析化學成分見表3。

生產(chǎn)地鐵車體材料用的6005A鋁合金扁錠熔鑄工藝（冶金）2425.png

從表3中可以看出，鑄錠從中心到邊部化學成分幾乎無偏析（微小的偏差值應(yīng)為設(shè)備精度影響造成），最終化學成分都符合標準。鑄錠偏析程度小的主要原因：一是6005A鋁合金的合金化程度較低，易偏析元素鎂含量較低；二是鑄錠規(guī)格較小、厚度較薄，結(jié)晶速度快。

3.1.2高倍組織檢查

沿試片寬度方向，從中心到邊部取20 mm×20mm試樣、編號1#~5#，進行鑄錠高倍組織檢查，各試樣的高倍組織及偏光照片見圖1。

生產(chǎn)地鐵車體材料用的6005A鋁合金扁錠熔鑄工藝（冶金）2633.png

由圖1偏光照片中可見鑄錠從中心到邊部的晶粒尺寸無明顯區(qū)別；在高倍組織照片中也可以看出鑄錠不同位置枝晶間距相差不大且都較小。這與鑄錠規(guī)格小、結(jié)晶速度快關(guān)系密切。由于鑄錠未經(jīng)過均勻化處理，在圖1中可見鑄錠中存在著枝晶偏聚以及大量的非平衡相，這些非平衡相可以通過均勻化處理消除，在下次試制時可增加均勻化處理并對比均勻化處理后的顯微組織。

3.1.3 鑄錠的力學性能

從鑄錠橫截面的中心沿厚度方向至邊部切取20mm×120 mm試樣，進行鑄錠力學性能測試和對比（見圖2）。圖中1~6號試樣為沿鑄錠厚度方向從中心到邊部的試樣，7～11號試樣為沿鑄錠寬度方向從中心到邊部的試樣。

生產(chǎn)地鐵車體材料用的6005A鋁合金扁錠熔鑄工藝（冶金）2929.png

從圖2中可以看出，鑄錠厚度方向從中心到邊部抗拉強度的平均值為170 M Pa，寬度方向從中心到邊部抗拉強度的平均值為175 N/mm^-2，僅相差5 N/mm²；屈服強度均在100 N/mm^-2左右；伸長率的平均值為19.0%、最大差值為3.0%，整體比較均勻。這些說明該鑄錠各部分的組織比較均勻，較具有良好的綜合性能。

3.2分析與討論

3. 2.1 熔體質(zhì)量對鑄錠裂紋傾向性的影響

1)加強熔體凈化處理

6005A鋁合金熔煉時易吸氫和氧化，經(jīng)熔煉后的金屬被氫和夾雜物污染，鑄造時鑄錠受激冷收縮，產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，特別是在扁錠的大面表層的拉應(yīng)力區(qū)，若鑄造前熔體凈化不徹底，在鑄錠拉應(yīng)力區(qū)形成了氣孔、夾渣等易引起應(yīng)力集中的缺陷，將導致鑄錠裂紋。

本次試制的熔煉及鑄造過程中使用1號熔劑進行熔體保護，通過熔劑的浸潤、隔離、轉(zhuǎn)移．分離作用，一方面可以將熔體與爐氣（空氣）隔開，防止爐氣（空氣）和金屬液體接觸，因而減弱了熔體與爐氣（空氣）作用的物理化學過程的強度。另一方面將非金屬夾雜物捕集在熔鹽中，并將其中混雜的金屬液滴分離開來，起到了除渣的作用。

在熔體轉(zhuǎn)注至靜置爐后，通過向熔體中吹人惰性氣體A r氣進行精煉操作，一方面是因為A r氣中水分含量少，可降低介質(zhì)對熔體的污染。另一方面根據(jù)分壓理論，氫氣可隨著A r氣氣泡上浮而逸人大氣，上浮過程中還可以通過浮選作用將懸浮在熔體中的微小分子氫氣泡和夾雜物中的氣體一并帶出界面。

鑄造過程中使用ALPUR進行在線除氣，使用雙級陶瓷片過濾，通過陶瓷片的阻擋、沉積、吸附作用，使渣子停留在陶瓷片表面、孔道等一切可能停留的場所，實現(xiàn)熔體與渣子的分離。

2)適量添加晶粒細化劑

熔煉過程中特別是在天然氣爐熔煉過程中，熔體局部過熱是不可避免的，這將引起熔體內(nèi)非自發(fā)晶核的活性衰退，導致鑄錠粗晶組織的形成。粗晶組織包括粗大等軸晶、柱狀晶和羽毛晶，它們都可增大鑄錠裂紋傾向性。

多年生產(chǎn)實踐證明，向合金中加入微量的晶粒細化劑可以細化組織，對抑制裂紋有明顯的作用。細晶組織的這種效果是由于它不僅降低線收縮開始溫度，減少有效結(jié)晶區(qū)的線收縮值，而且由于細晶利于晶界塑性變形，因而也縮小了脆性區(qū)溫度區(qū)間，提高了脆性溫度區(qū)間的伸長率，使合金的熱脆性下降。當鑄錠中晶粒粗大時，結(jié)晶末期存在于晶界和枝晶界上的低熔點金屬相粗大，而且增大分布不均勻程度，所以塑性低，抵抗拉應(yīng)力的能力降低，裂紋傾向增加。反之，當晶粒和枝晶比較細小時，分布在晶界和枝晶界上的低熔點金屬相分布均勻，塑性提高，抵抗變形能力增強，裂紋傾向減小。因此，加入適量的細化劑，可以改善鑄錠組織，有利于防止裂紋。

晶粒細化的效果取決于細化劑的種類和添加時機。Al-Ti-B中大量細小彌散TiB2質(zhì)點的存在，有利于形成細小的晶粒，其細化效果優(yōu)于Al-Ti的。因此本次試制選擇在靜置爐加Al．Ti-B絲。

3.2.2合理調(diào)整鑄造應(yīng)力

在鑄造過程中，由于各部位的凝固時間和冷卻速度不同，使鑄錠中存在應(yīng)力集中區(qū)域。為達到減小鑄造應(yīng)力、均勻分布應(yīng)力的目的，應(yīng)合理調(diào)整鑄造工藝參數(shù)和制定合理的開頭、收尾工藝。

1)確定合適的鑄造開頭、收尾工藝

6005A鋁合金的合金化程度不高，理論上不需要特別的開頭工藝，但由于試制鑄錠寬厚比大、應(yīng)力集中，為防止鑄錠底部橫裂紋，采用純鋁鋪底的工藝。純鋁鋪底工藝能稀釋開頭時合金成分，降低合金化程度，再加上純鋁本身的塑性優(yōu)良，能有效地抑制底部裂紋產(chǎn)生。

Mg₂ Si是6005A鋁合金中的唯一強化相，Mg₂ Si在300℃~ 400℃時塑性差，如果收尾后停水過早就會導致鑄錠澆口脆性裂紋。為防止?jié)部诹鸭y，收尾后應(yīng)繼續(xù)冷卻鑄錠，待澆口冷透后方可停水。

2)選擇合適的鑄造工藝參數(shù)

鑄造速度、溫度及冷卻水壓都是決定液穴深度的主要參數(shù)，液穴深度與鑄造速度、溫度成正比，與冷卻水壓成反比。扁錠大面表層始終處于拉應(yīng)力狀態(tài)，液穴過深、液穴壁薄，都易導致扁錠鑄錠大面裂紋，液穴過淺及“肩”形液穴易導致小面冷隔缺陷；因此選擇合適的工藝參數(shù)十分重要。結(jié)合合金性質(zhì)和其熔鑄工藝特點，確定鑄造速度為50 mm/min，鑄造溫度為700℃~720℃，冷卻水壓為0.08MPa~0.15M Pa。

4結(jié) 論

采用上述熔鑄工藝生產(chǎn)出滿足要求的鑄錠，可以得出以下結(jié)論：

1)熔煉溫度720℃~ 750℃，在靜置爐取試樣溫度在720℃以上。

2)在靜置爐加入Al-Ti-B絲細化晶粒。

3)鑄造前用A r氣精煉15 min，靜置15 min，鑄造過程中采用在線除氣+雙級過濾對熔體進行熔體凈化處理。

4)鑄造工藝參數(shù)為，鑄造速度V= 50 mm/min，鑄造溫度T= 700℃~720℃，冷卻水壓P=0.08 M Pa~0. 15 M Pa，開頭采用純鋁鋪底，鑄造收尾不回火。

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