AlSi_%2813%29CuMgNiFe材料夹渣缺陷分析与改进措施.pdf

山东工业技术2 0 2 3年第4期（总第312 期）AlSi3CuMgNiFe材料夹渣缺陷分析与改进措施石景岩1，吴桂春，谢磊1，王红1（1.临沂利信铝业有限公司，2.理工雷科智途（泰安）汽车科技有限公司，山东泰安2 7 10 2 5）山东临沂2 7 6 0 2 2;【摘要】AISi13CuMgNiFe材料由于其优良的强度及耐磨损性能，广泛应用于高速汽车转子材料的生产。但在合成ASi13CuMgNiFe材料的机边炉内，发生严重沉降进而形成大块聚集异物的现象时有发生，导致相关批次产品在机加工时出现刀具严重磨损甚至崩刀报废现象以及产品裂纹等问题。本研究对上述聚集异物取样后，进行化学成分分析、金相检验、扫描电镜分析和能谱分析等系统检测。结果表明：由于AISii3CuMgNiFe材料成分设计不合理、原料使用不当及工艺设计不合理等问题，导致了沉降异物、夹渣的形成，并且不合理的使用温度加剧了缺陷的聚集，从而导致崩刀现象与产品裂纹的出现。采取工艺细节管控、综合成分配比、铸造温度优化等措施可以有效地解决上述问题，提高产品合格率。【关键词】AISi3CuMgNiFe；沉降；缺陷；检验中图分类号】TG245-D0I:10.16640/ki.37-1222/t.2023.04.018【文献标识码】A【文章编号】10 0 6-7 52 3（2 0 2 3）0 4-0 10 3-0 5加工时出现了较多的硬质点 2，打刀频率增加，引言导致了刀具报废 3、产品报废等问题的发生，为随着铝合金压铸行业的发展，越来越多的零部件被压铸件所替代，最具有里程碑代表意义的为特斯拉一体化压铸工艺。AISisCuMgNiFe材料是在AISi3的基础上进行了成分上的设计改良，提高了材料的强度、韧性的同时，耐高温磨损性能得以保证。AISi3CuMgNiFe材料的生产是采用铝锭直接机边熔化的工艺进行生产，其工艺流程为：铝锭装炉熔化扒渣铸造（6 40）一机加工一检验。正常生产阶段，铝液表面有轻微浮渣，通过打渣即可，本批物料生产期间，机边炉底出现严重的沉降现象，严重时候出现大块异物，如图1（2）所示，本阶段生产的产品经过机了分析该缺陷的产生原因，先后采用了成分分析、金相检验、扫描电镜分析和能谱分析等方法，最终提出了相应的预防改进措施。一、理化检验对机边炉内异常的异物进行取样，图1中样品分别来着机边炉内熔体停留不同时期的样本取样，图1（1）为生产了近2 4h炉底的沉降物，类似淤泥状态、粘稠；图1（2）为生产了近48 h炉底的异物，异常呈现不规则块状，重量大于铝的密度，在3.1g/cm3.9g/cm左右，硬度很高；图1（3）为生产了近7 2 h炉底异物，异物表面收稿日期】2 0 2 2-12-2 1【作者简介】石景岩（19 8 8 一），男，临沂利信铝业有限公司，高级工程师；吴桂春（19 9 0 一），女，理工雷科智途（泰安）汽车科技有限公司，助理工程师；谢磊（19 8 9 一），男，临沂利信铝业有限公司，工程师；王红（19 9 0 一），女，临沂利信铝业有限公司。-103-AISi13CuMgNiFe材料夹渣缺陷分析与改进措施呈现规则晶体状，炉底有大面积硬块异物聚集，(1）已影响了炉子的升温熔化效果，且异物极难清理。图1沉降不同时期状态1.光谱检测表1化学成分分析元素Si含量10.34将图1异物进行取样分析，对比材料正常成分与表1分析结果可知，样品中的Fe、M n、Cr、Pb 等元素含量远大于正常铝锭成分，分析主要原因是Fe、M n、Cr 等元素形成了高密度的AIFeMnCrl4I硬质点相并沉积于炉底；成分分析中的Pb元素主要是因为Pb金属密度大，静置时间单位：%FeCu12.001.15Mn5.480.464Mg0.65长重金属沉积于炉底所致。2.金相分析为了查清问题原因，在缺陷上从原有大渣块上取一小块样，制作镶嵌样并进行抛光处理，采用金相显微镜观察（图2）。ZnCr0.35Ni0.22Ca0.04Pb1.15Sr0.1320m图2 金相检测由图2 分析可知，经抛光处理后的样品，其3.缺陷形貌及能谱分析微观组织呈现明暗分明的两色区域，一种是偏白色区域，所占比例较大，如图2（3）所示；另一种是灰色区域，所占比例较小。其中，灰色区域放大之后观察，与亚共晶Al-Si合金组织类似，既有-Al晶粒，也有Al-Si共晶组织，而且还夹杂有其它不明金属化合物或相，推断可能是含铁相。-104-由图3分析可知，缺陷组成大体上分为两种区域，一种是相对平滑的大面区域，所占比例较大，另一种是大量细小韧窝的起伏区域，所占比例较小。能谱分析表2 结果表明，断口区域含有较多的Fe、M n、Cr 元素，可推断缺陷组成中含有较多的AIFeMnCr相沉积物 5。山东工业技术2023年第4期（总第312 期）表2 原子百分比单位：%SpectrumSiSpectrumlSpectrum2Spectrum3Spectrum4Spectrum5Spectrum6Spectrum7Spectrum8Spetrum1图3缺陷形貌4.扫描电镜及能谱分析由图4、图5和表3分析结果可知，缺陷样品抛光样的白色区域主要为富含AIMnFeCr相的沉淀FeMnCr3.322.0117.232.863.293.122.033.221.893.572.15一3.283.382.001.28Spectum2Spectum4Spectrum3Spoctrum5:Spectrum6AI1.2493.431.681.051.981.310.941.151.341.971.23物，灰黑色区域主要有Al-Si共晶组织、-Al以及含铁相(Pb)等。此分析结果与金相分析判断相符。77.18表3原子百分比93.42Spectrum93.91Spectrum193.74Spectrum292.94Spectrum393.51Spectrum593.35Spectrum6Spectrum7Spectrum8Spectrum1oSpectrum5Spectrum6SpectrumiSpectrumt2灰色区图4扫描电镜单位：%SiFeMnCr24.422.880.634.08一27.01一Spectrufna3Spectrum.4,白色区100umAI72.7097.971.1495.57100.0072.993.292.043.552.003.352.18Pb1.3093.371.3993.061.2193.26SpectrumgSpectrum10SEBSEMn图5能谱面扫描等元素，可以推测该渣块中的主要物质是大量的5.小结AIFeMnCrl相沉积物及重金属聚合物，同时混有从化学成分、微观形貌以及能谱分析结果判断，机边炉炉底渣块中含有大量的Fe、M n、Cr少量的Al-Si共晶组织。-105-依然很差。所以再生铝在生产的时候，要考虑到AISi13CuMgNiFe材料夹渣缺陷分析与改进措施二、分析与讨论AIFeMnCr相沉积物形成的原因与原材料成分配比有直接的关系，很多铝锭生产单位，为了降底生产成本，不考虑合金元素的有效配比，盲目生产将所有杂质元素尽可能上限控制，使用的废铝更是五花八门。在铸造铝合金如ADCi2、A 38 0、A ISi 3等常见产品成分设计时，未考虑到各个元素的综合作用，对于沉降物的产生未关注Fe、M n、Cr 元素的配比。一般控制SF=1Fe+2Mn+3Cr1.8%，即淤泥或烂泥指数在1.8%以上时，其熔化生产环境将有益于沉降物的生长。当然，淤泥指数并不是固定不变的，有研究表面，合金淤泥指数的大小与铸造温度有直接关系，温度越高，淤泥指数也应适当放宽，温度低的时候，要加强淤泥指数的控制。沉降物的产生与铝锭供应商的工艺管控有直接关系，铝锭生产过程中精炼不到位，无法及时使材料充分完成合金化。部分铝锭生产在工艺细节的管控不足，在精炼过程只使用少量的精炼剂、除气剂，无法达到一级针孔、一级致密度的要求，盲目放水铸造，尤其在一些小型企业中，甚至不使用过滤板进行铸造，导致产品夹渣后很难找到原因。部分企业在生产的简单压铸件时使用非标牌号进行生产，只要求产品成型即可，使用者不考虑供应商的生产工艺，不考虑成分细节的管控，只要求好用和价格低廉，致使部分产品供应质量千差万别。由于再生铝企业竞争压力，有的企业以10 0%使用废铝生产成品作为企业管理的指标，成本降底的同时也降底了产品的使用质量。沉降物的产生与供应商生产铝锭使用废料的组成有直接关系。有学者表明，由于再生铝行业废料种类繁多，尤其是铝渣的使用，来自诸多压铸企业生产过程沉降物与浮渣的捞出，这些铝渣的质量更是难以识别保证，当铝渣中的沉降物多时，进入炉内再熔炼时，即使经过充分的精炼，沉降物也会很快再次生成，因为这些沉降物的组成一旦形成便是一个不可逆的过程。部分再生铝企业在生产过程使用高低炉搭配生产，每月清炉时，高炉炉底都会有大量的沉降物，这些沉降物在严重的时候即使将温度升高至9 0 0，流动性-106-铝渣的使用比例。在重点产品压铸时，更要考虑铝锭供应商的资质与生产能力，一般大型企业铝锭的生产和工艺管控较为有保证。当然，一些只有机边熔化炉的企业是更应该慎重选择铝锭供应商。当然，铝渣的使用并不能一刀切，在部分有集中熔化再次精炼的企业是可以减轻沉降物的产生。减少沉降物的产生如果有条件可以选择铝液直供8，行业中大多企业由于生产工艺的限制，只能将外买的铝合金锭进行熔化，增加了单耗成本。新的压铸企业在选择建厂时便选择在有合金液生产能力的企业附近，选择了铝液直供技术，不但节省了二次熔化单耗的消耗，同时有合金液车间负责熔体的质量保证。合金液车间在生产完成后由熔炼炉转至保温炉内保温，当客户需要时，进行灌包供液，进人转液包的铝液再经二次精炼、检测，合格后转运至使用车间。铝液直供的益处很多，在人员方面减少了自身工人熔化铝锭的劳动强度及人员配制；在设备方面无需配制二次精炼、除气装置及集中熔化炉、转液包等诸多设备；物料方面由供液方提供稳定、优质的铝液原材料替代了铝锭原材料；生产工艺方面减少了铝锭熔化的工艺需求；环境方面更减少了因熔化铝锭产生的废气及废渣；检测方面由供液方提供定期的质量检测。据初步估算，铝液直供的技术优势将减少压铸企业生产运营管理成本至少8 0 0 元/吨1000元吨，具有极高的价格优势，真正做到了企业管理上质量与运营的双赢。沉降物的产生跟产品变质要求也有一定关系，经过一段时间的摸索，部分压铸企业在使用经过变质处理的铝锭，会加剧沉降物的产生，而使用未变质的铝锭，沉降物会减轻至少50%80%。对产生的原因现有的理论推想是变质剂不单单对粗晶硅、共晶硅的转变有变质作用，同时对-Fe相与-Fe相的转变也有促进作用18，-Fe相在向-Fe相转变过程，变质剂起到了加剧效果，促进了降底物的生长9。变质剂的使用不只有晶粒细化的作用，压铸企业要根据自己产品的性能及指标要求，对产品的变质做出要求。山东工业技术2 0 2 3年第4期（总第312 期）温度的不同不易太高。在重点产品生产前，要三、结论及建议考虑产品是否有变质的需求，变质剂起到了晶粒根据缺陷的各项检测分析，已确定此缺陷和细化、提升产品性能的同时也促进降底物形成的沉降物为AIFeMnCr相沉积导致，依据分析与讨不利影响。合理的选择铸造温度及设备配制，论，在质量提升方面对铝锭使用及后续的生产建随着硅元素含量的增加，依据Al-Si合金相图可议如下：在选择铝锭供应商时，在考虑供应商知，在共晶点左侧（亚共晶区），Al-Si合金的生产能力与资质的同时，也要关注材料生产过程初晶温度随着Si含量增加而降低；在共晶点右侧的的细节管控，一些大型铝锭的生产单位其过程（过共晶区），Al-Si合金的初晶温度随着Si含管理及工艺细节的管控更为严格。在采购过程，量增加而增加。随着压铸行业的发展，铝液对成分标准要考虑合金成分中Fe、M n、C r 总量直供技术应用前进十分广泛，综合各项利弊，从超标或者其搭配比例，即淤泥指数根据产品使用根本上可以做到质量和管理上的双赢。【参考文献1陶永亮，张明怡，向科军，张宏，