6061铝合金热顶半连续铸造数值模拟及性能预测

摘要

近十几年来，随着国内铝行业飞速发展，铝制品因其具有轻质、美观，且不容易腐蚀等优点，在很多领域中得到了广泛的应用。本文结合公司在生产过程中遇到的实际问题，为了提高生产效率以及降低生产过程中废品率，并得到性能良好且稳定的6061铝合金制品，对6061铝合金的熔炼过程熔体净化进行分析研究，并使用有限元数值模拟分析铸造工艺对铝合金铸锭生产过程的影响，引入JMatPro软件对6061铝合金相图进行分析，并结合均匀化退火实验、拉伸实验对其结果进行论证。
　　首先，通过JMatPro软件计算实际生产中设计的不同元素含量的4种6061铝合金对相变的影响。随着Mg、Si元素含量增加，其固相线温度下降，而材料的强度会增强；Mn元素增加0.1％时材料强度也会增强，但是效果不明显。且计算得出6061铝合金的性能参数，为后续铸造模拟做准备。然后，经过均匀化退火实验得出：6061铝合金在545℃温度下保温6h，其晶粒内部第二相固溶情况较好，晶内偏析扩散较为均匀，但是均匀化效果较慢；在570℃温度下保温6h，晶粒内部及晶界第二相完全固溶，且扩散均匀，均匀化效率也最快。通过拉伸实验可以知道：Mg、Si含量的增加，6061铝合金T6态抗拉强度、屈服强度有很大的提高，且延伸率也有轻微的提升。
　　最后，通过模拟热顶半连续铸造表明：铸锭规格为Φ178mm的6061铝合金圆铸锭，铸造速度越快液穴越深，越容易产生裂纹；铸造当铸造速度70mm／min时，凝固进入热顶帽，会导致铸锭拉不动的现象；当铸造速度为110mm／min时，铸锭凝壳低于石墨环，会导致铸锭冷隔、漏铝等现象。得出Φ178mm的6061铝合金铸锭最佳铸造工艺为：90mm／min浇注速度，浇注温度680℃。直径为Φ258mm的圆铸锭凝壳形成的位置低于石墨环，铸造实践中通过降低铸造速度或者增加石墨环的高度对这现象进行改进。
　　通过以上研究表明：材料相图的计算可以为热处理工艺提供指导意义，模拟计算可以大致的预测材料的性能。对热顶半连续铸造进行温度场、应力场的耦合计算，模拟结果与实际生产情况基本相符，得出各项铸造工艺参数对铸锭的影响趋势，在一定程度上指导工业生产实践。