CN102899540B - 一种超大规格铝合金扁锭及其铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超大规格铝合金扁锭及其铸造方法。先通过将原料按配比配料，然后加入到熔炼炉中熔炼、扒渣；再转到保温炉中在线除气精炼，除气除渣提纯，加入铝钛硼晶粒细化剂进行晶粒细化；然后铸造成铝合金扁锭；最后经过均匀化处理，得到的铝合金扁锭不易开裂且组织细化。该方法生产出650×2750mm的扁锭，同时消除了扁锭晶内偏析和铸造应力，保证了产品质量，其力学性能可满足大型结构件的要求。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金铸造领域，具体地说是涉及一种超大规格铝合金扁锭及其铸造方法。
背景技术
5083属于Al-Mg-Si系合金，使用范围广泛，特别是建筑业离不开此合金，是最有前途的合金。它耐蚀性好，焊接性优良，冷加工性较好，并具有中等强度。5083合金中主要合金元素为Mg。Mg能提高流动性，改善加工性能，可提高强度和屈服极限，提高合金的切削加工性，但加入量大时，铸造性能差，在高温下的强度和塑性都低，冷却时收缩大，易导致热裂和形成疏松并降低伸长率，增大合金的粘性，因此要严格控制含量。Si可增加抗拉强度，提高合金流动性，减小收缩率和热裂倾向性，降低热膨胀系数，提高气密性、耐磨性、耐蚀性和导热性，但加入量大时，会导致切削加工困难。钛（Ti）加入量适当能细化晶粒，防止出现粗晶，而且有抑制羽毛状晶的作用。
由于5083铝合金的化学成分和晶相组成都极为复杂，因此合金中主要元素含量、配比以及杂质含量对铸锭和成品的组织和性能有很大的影响。现有的5083铸态铝合金力学性能如下：
抗拉强度 σb (MPa)：≥110；
屈服强度 σ 0.2 (MPa)：≥110；
伸长率 δ5 (％)：≥12；
5083的主要合金元素为镁，具有良好的成形加工性能、抗蚀性、焊接性，中等强度，用于制造飞机油箱、油管、以及交通车辆、船舶的钣金件，仪表、街灯支架与铆钉、五金制品、电器外壳等。但是目前国内最大的5083铸造铝合金扁锭为600×2200mm，扁锭的规格限制了轧制和锻造成品的规格，使成品的应用范围不够广，在某些大型飞机上无法使用单块中厚板，需要通过焊接或铆接完成。使用现有铸造技术生产的5083大规格铝合金扁锭经常出现粗晶组织，且扁锭表面容易出现拉痕，因此限制其规格及运用范围。因此需要开发新的大规格扁锭以适应市场需求，同时保证其质量。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的5083铝合金力学性能低，铸造出的扁锭规格小，不能适应市场需要及铝合金扁锭易出现粗晶组织、扁锭易开裂和表面拉痕的问题，提供一种利用5083铝合金铸造出650×2750mm的超大规格铝合金扁锭及其铸造方法。
本发明的技术方案：
本发明的超大规格铝合金扁锭的合金成分质量百分比如下：
Si : 0.00～0.40 Fe : 0.00～0.40 Cu : 0.00～0.10
Mn : 0.40～1.00 Mg : 4.00～4.90 Cr : 0.05～0.25
Zn : 0.00～0.25 Ti : 0.00～0.15 余量为Al
各组分质量百分比之和为100%。
本发明的超大规格铝合金扁锭铸造方法包括如下步骤：
（1）配料
根据合金成分计算纯度为99.7%的重熔铝锭和5083铝合金返回料用量，然后进行混合配料，5083铝合金返回料用量占总投入量的百分比为0.1~60％，计算称量好的Mn中间合和AlCr75中间合金备用。
（2）熔炼
a. 将配好的重熔铝锭和5083铝合金返回料投入熔炼炉中加热，再添加AlMn75中间合金、AlCr75中间合金；熔炼炉中加热至炉料融化，则启动炉底的电磁搅拌装置搅拌10min~30min，促进炉内铝液温度和成分的均匀，加速固体原料的融化；
b. 待炉内固态金属全部融化，铝液温度达到735℃~755℃，转入保温炉。
（3）保温
炉料在保温炉内保温，温度控制在735℃~755℃，先铝液成分进行检测，然后先加入AlMn75中间合金进行成分调整，再添加AlTi6，纯镁锭调整成分，成分调整完成后进行初级精炼10min～15min，初级精炼氩气流量50~60L/min，初级精炼过程中保持搅拌，清理浮渣。
（4）在线除气精炼、晶粒细化和过滤
a、启动保温炉倾翻系统，使铝液注入流槽，经过除气装置进行在线除气精炼，除氢气，转子氩气流量150~180L/min，转子转速400 ~ 500rpm/min。
b、晶粒细化是在除气装置之后，进入过滤装置之前，在铝液中加入铝钛硼晶粒细化剂进行晶粒细化，其加入量为1~1.5 kg/t Al。
c、晶粒细化之后进入过滤装置过滤，让铝液经过过滤箱去除更细微的杂质，达到提纯目的。
（5）铸造
a、打开冷却水阀门，确保铸造初始阶段冷却能力充分，流量25~65 m3/hr，水压为0.09~0.11Mpa；
b、将经过滤后的铝液放入扁锭分配流槽内，控制销开启，铝液注入结晶器内；
c、结晶器下方的引锭头缓缓下降，铸造进入正常阶段，铸造速度20mm/min~50mm/min，直至达到预定铸造长度，铸造成650×2750mm的扁锭；
d、停止铸造，关闭冷却水，移开结晶器平台，用专用吊具将扁锭从铸井中吊出。
（6）均匀化处理
a、用吊具将扁锭放置到料盘中，将扁锭和料盘一并送入均热炉中进行均匀化处理；
b、均匀化处理过程分为加热和保温阶段，加热时间为7~9小时，温度达到580~600℃后，保温时间为23~25小时，保温温度为580~600℃；
c、保温完成，将扁锭移出均热炉，送入冷却室进行冷却完成。
本发明中采用的原料重熔铝锭、5083铝合金返回料、AlMn75中间合金、AlMn75中间合金、AlTi6和纯镁锭均可从市场或企业生产获得。
本发明的优点：
1、本发明制造的铝合金扁锭规格为650×2670mm，是现今世界上最大的铸造铝合金扁锭。可用于大型飞机或高性能建筑的结构件和包覆件，并且减少铆接和焊接的次数，提高了稳定性。
2、本发明的方法有效去除铝液内杂质和氢气，通过晶粒细化剂添加量、冷却水流量和铸造速度的配合，消除了晶内偏析和铸造应力，使铝合金微观组织均匀细化，无裂，具有良好的加工性能。合金成分的调整也提高了扁锭的性能，如控制Fe和的质量分数0.40%以下，减少了AlMnFeSi相的形成，使得合金的强度、塑性和耐腐蚀性都有较大提高。
3、延伸率提高，组织细化了。钛硼晶粒细化剂具有优异的细化效果，使铸件得到细小的等轴晶，消除了羽毛晶，为以后的加工提供了良好的内在组织结构，能有效地克服铸造裂纹，改善扁锭外观，减小铸锭冷隔；由于添加剂异质晶核的细化作用，可同时有效地减少气孔与疏松，显著的提高扁锭轧制后的延伸率。
4、扁锭不易开裂，严格控制铸造速度及铸造温度，速度过快或过慢，温度偏高或偏低均会导致扁锭拉裂。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步说明，但本发明并不局限于实施例。
实施例1
超大规格铝合金扁锭的合金成分质量百分比按如下
Si : 0.00～0.40 Fe : 0.00～0.40 Cu : 0.00～0.10
Mn : 0.40～0.70 Mg : 4.00～4.50 Cr : 0.05～0.25
Zn : 0.00～0.25 Ti : 0.00～0.15 余量为Al
铝合金扁锭铸造方法：
（1）配料：根据合金成分计算纯度为99.7%的重熔铝锭和5083铝合金返回料用量，然后进行混合配料，5083铝合金返回料用量占总投入量的百分比为0.1~30％，计算称量好的AlMn75中间合金、AlCr75中间合金备用。
（2）熔炼：按配料计算所得结果，开始投料，先投入重熔铝锭和5083铝合金返回料，然后投入AlMn75中间合金、AlCr75中间合金。熔炼炉中加热至炉料融化，搅拌10min～30min，铝液温度达到735℃～755℃后转入保温炉。
（3）保温：保温炉温度控制在735℃～755℃，先检测保温炉内的铝合金成分，然后加入AlMn75中间合金进行成分调整，然后添加AlTi6，纯镁锭。成分调整完成后进行初级精炼10min～15min，初级精炼氩气流量50~60L/min，初级精炼过程中保持搅拌，清理浮渣。
（4）在线除气精炼：初级精炼结束，铝液转入除气装置进行在线除气精炼，除去氢气，转子氩气流量150~180L/min，转子转速400 ~ 500rpm/min。
（5）晶粒细化和过滤：晶粒细化是在除气装置之后，进入过滤装置之前，在铝液中加入铝钛硼晶粒细化剂进行晶粒细化，其加入量为1.5 kg/t Al。晶粒细化之后进入过滤装置过滤，过滤板使用30ppi等级。
（6） 铸造：先打开冷却水阀门，确保铸造初始阶段冷却能力充分，所述的铸造将过滤后的铝液放入分配流槽，铸造速度20mm/min～30mm/min，在铸造前先开冷却水冷却，流量25~45 m3/hr，压力为0.09～0.11Mpa，铸造出的650×2750mm的扁锭；停止铸造，关闭冷却水，移开结晶器平台，用专用吊具将扁锭从铸井中吊出。
（7）均匀化处理：用吊具将扁锭放置到料盘中，将扁锭和料盘一并送入均热炉中进行均匀化处理；均匀化处理过程分为加热和保温阶段，加热时间为8.5小时，保温时间为25小时，保温温度为590℃；保温完成，将扁锭移出均热炉，进行冷却。
本实施例控制了Mn和Mg的质量百分比，铸造的扁锭抗拉强度大于115MPa，屈服强度大于115MPa，延伸率大于20%，铸锭表面光洁度较好。
实施例2
与实例1中的铝合金扁锭合金成分质量百分比不同，如下
Si : 0.00～0.40 Fe : 0.00～0.40 Cu : 0.00～0.10
Mn : 0.70～1.00 Mg : 4.50～4.90 Cr : 0.05～0.25
Zn : 0.00～0.25 Ti : 0.00～0.15 余量为Al
铝合金扁锭铸造方法：
（1）配料：根据合金成分计算纯度为99.7%的重熔铝锭和5083铝合金返回料用量，然后进行混合配料，5083铝合金返回料用量占总投入量的百分比为30 ~60％，计算称量好的AlMn75中间合金、AlCr75中间合金备用。
（2）熔炼：按配料计算所得结果，开始投料，先投入重熔铝锭和5083铝合金返回料，然后投入AlMn75中间合金、AlCr75中间合金。熔炼炉中加热至炉料融化，搅拌20min～30min，铝液温度达到745℃～755℃后转入保温炉。
（3）保温：保温炉温度控制在745℃～755℃，先检测保温炉内的铝合金成分，然后加入AlMn75中间合金进行成分调整，然后添加AlTi6，纯镁锭。成分调整完成后进行初级精炼10min～15min，初级精炼氩气流量50~60L/min，初级精炼过程中保持搅拌，清理浮渣。
（4）在线除气精炼：初级精炼结束，铝液转入除气装置进行在线除气精炼，除去氢气，转子氩气流量150~180L/min，转子转速400 ~ 500rpm/min。
（5）晶粒细化和过滤：晶粒细化是在除气装置之后，进入过滤装置之前，在铝液中加入铝钛硼晶粒细化剂进行晶粒细化，其加入量为1.0 kg/t Al。晶粒细化之后进入过滤装置过滤，过滤板使用30ppi等级。
（6） 铸造：先打开冷却水阀门，确保铸造初始阶段冷却能力充分，所述的铸造将过滤后的铝液放入分配流槽，铸造速度30mm/min～50mm/min，在铸造前先开冷却水冷却，流量45~65 m3/hr，压力为0.09～0.11Mpa，铸造出的650×2750mm的扁锭；停止铸造，关闭冷却水，移开结晶器平台，用专用吊具将扁锭从铸井中吊出。
（7）均匀化处理：用吊具将扁锭放置到料盘中，将扁锭和料盘一并送入均热炉中进行均匀化处理；均匀化处理过程分为加热和保温阶段，加热时间为8小时，保温时间为24小时，保温温度为590℃；保温完成，将扁锭移出均热炉，进行冷却。
本实施例控制了Mn和Mg的质量百分比，铸造的扁锭抗拉强度大于112MPa，屈服强度大于112MPa，延伸率大于20%，铸锭表面光洁度较好。
实施例3
与实例1中的铝合金扁锭合金成分质量百分比不同，如下
Si : 0.10～0.40 Fe : 0.10～0.40 Cu : 0.10～0.10
Mn : 0.10～0.40 Mg : 4.20～4.70 Cr : 0.05～0.15
Zn : 0.10～0.25 Ti : 0.10～0.15 余量为Al
铝合金扁锭铸造方法：
（1）配料：根据合金成分计算纯度为99.7%的重熔铝锭和5083铝合金返回料用量，然后进行混合配料，5083铝合金返回料用量占总投入量的百分比为25 ~45％，计算称量好的AlMn75中间合金、AlCr75中间合金备用。
（2）熔炼：按配料计算所得结果，开始投料，先投入重熔铝锭和5083铝合金返回料，然后投入AlMn75中间合金、AlCr75中间合金。熔炼炉中加热至炉料融化，搅拌20min～30min，铝液温度达到735℃～745℃后转入保温炉。
（3）保温：先检测保温炉内的铝合金成分，然后加入AlMn75中间合金进行成分调整，然后添加AlTi6，纯镁锭。成分调整完成后进行初级精炼10min～15min，初级精炼氩气流量50~60L/min，初级精炼过程中保持搅拌，清理浮渣。
（4）在线除气精炼：初级精炼结束，铝液转入除气装置进行在线除气精炼，除去氢气，转子氩气流量160~180L/min，转子转速400 ~ 450rpm/min。
（5）晶粒细化和过滤：在除气装置和过滤装置之间加入铝钛硼晶粒细化剂，加入量为1.2kg/t Al。细化之后进行过滤，过滤板使用30ppi等级。
（6） 铸造：先打开冷却水阀门，确保铸造初始阶段冷却能力充分，所述的铸造将过滤后的铝液放入分配流槽，铸造速度20mm/min～40mm/min，在铸造前先开冷却水冷却，流量45~55 m3/hr，压力为0.09～0.11Mpa，铸造出的650×2750mm的扁锭；停止铸造，关闭冷却水，移开结晶器平台，用专用吊具将扁锭从铸井中吊出。
（7）均匀化处理：用吊具将扁锭放置到料盘中，将扁锭和料盘一并送入均热炉中进行均匀化处理；均匀化处理过程分为加热和保温阶段，加热时间为9小时，保温时间为23小时，保温温度为600℃；保温完成，将扁锭移出均热炉，进行冷却。
本实施例铸造的扁锭抗拉强度大于113MPa，屈服强度大于113MPa，延伸率大于20%，铸锭表面光洁度较好。
实施例4
与实例1中的铝合金扁锭合金成分质量百分比不同，如下
Si : 0.20～0.40 Fe : 0.20～0.40 Cu : 0.20～0.10
Mn : 0.70～0.90 Mg : 4.50～4.80 Cr : 0.15～0.25
Zn : 0.20～0.25 Ti : 0.05～0.15 余量为Al
铝合金扁锭铸造方法：
（1）配料：根据合金成分计算纯度为99.7%的重熔铝锭和5083铝合金返回料用量，然后进行混合配料，5083铝合金返回料用量占总投入量的百分比为30 ~60％，计算称量好的AlMn75中间合金、AlCr75中间合金备用。
（2）熔炼：按配料计算所得结果，开始投料，先投入重熔铝锭和5083铝合金返回料，然后投入AlMn75中间合金、AlCr75中间合金。熔炼炉中加热至炉料融化，搅拌20min～30min，铝液温度达到745℃～755℃后转入保温炉。
（3）保温：先检测保温炉内的铝合金成分，然后加入AlMn75中间合金进行成分调整，然后添加AlTi6，纯镁锭。成分调整完成后进行初级精炼10min～15min，初级精炼氩气流量50~60L/min，初级精炼过程中保持搅拌，清理浮渣。
（4）在线除气精炼：初级精炼结束，铝液转入除气装置进行在线除气精炼，除去氢气，转子氩气流量160~180L/min，转子转速450 ~ 500rpm/min。
（5）晶粒细化和过滤：在除气装置和过滤装置之间加入铝钛硼晶粒细化剂，加入量为1.3kg/t Al。细化之后进行过滤，过滤板使用30ppi等级。
（6） 铸造：先打开冷却水阀门，确保铸造初始阶段冷却能力充分，所述的铸造将过滤后的铝液放入分配流槽，铸造速度35mm/min～50mm/min，在铸造前先开冷却水冷却，流量45~65 m3/hr，压力为0.09～0.10Mpa，铸造出的650×2750mm的扁锭；停止铸造，关闭冷却水，移开结晶器平台，用专用吊具将扁锭从铸井中吊出。
（7）均匀化处理：用吊具将扁锭放置到料盘中，将扁锭和料盘一并送入均热炉中进行均匀化处理；均匀化处理过程分为加热和保温阶段，加热时间为7小时，保温时间为25小时，保温温度为580℃；保温完成，将扁锭移出均热炉，进行冷却。
本实施例铸造的扁锭抗拉强度大于112MPa，屈服强度大于112MPa，延伸率大于20%，铸锭表面光洁度较好。
Claims (4)
1.一种超大规格铝合金扁锭的铸造方法，包括配料、熔炼、保温、在线除气精炼、晶粒细化、铸造、均匀化处理，其特征在于：所述配料是根据合金成分计算纯度为99.7%的重熔铝锭和5083铝合金返回料用量，然后进行混合配料，5083铝合金返回料用量占总投入量的百分比为0.1~60％；
所述保温是指铝液在保温炉内保温，温度控制在735℃～755℃，然后先加入AlMn75中间合金进行成分调整，再添加AlTi6，纯镁锭调整成分，成分调整完成后进行初级精炼10min～15min，初级精炼氩气流量50~60L/min，初级精炼过程中保持搅拌，清理浮渣；
所述在线除气精炼是经过初级精炼的铝液流入除气装置进行在线除气精炼，转子氩气流量150~180L/min，转子转速400 ~ 500rpm；
所述晶粒细化是在除气装置之后，进入过滤装置之前，在铝液中加入铝钛硼晶粒细化剂进行晶粒细化，其加入量为1~1.5 kg/t Al，晶粒细化后的铝液进入过滤装置过滤；
所述铝合金扁锭合金成分的质量百分比为：
Si : 0.00～0.40 Fe : 0.00～0.40 Cu : 0.00～0.10
Mn : 0.40～1.00 Mg : 4.00～4.90 Cr : 0.05～0.25
Zn : 0.00～0.25 Ti : 0.00～0.15 余量为Al。
2.根据权利要求1所述的超大规格铝合金扁锭的铸造方法，其特征在于：所述熔炼是先将配料好的重熔铝锭和5083铝合金返回料投入熔炼炉，然后再加入AlMn75中间合金、AlCr75中间合金；炉料在熔炼炉融化后搅拌10min～30min，当铝液温度达到735℃～755℃后转入保温炉。
3.根据权利要求1所述的超大规格铝合金扁锭的铸造方法，其特征在于：所述铸造将过滤后的铝液放入扁锭分流盘，铸造成650×2750mm的扁锭，铸造速度20mm/min～50mm/min，在铸造前先开冷却水冷却，流量25~65 m3/hr，压力为0.09～0.11 MPa。
4.根据权利要求3所述的超大规格铝合金扁锭的铸造方法，其特征在于：所述均匀化处理是指将铸造好的扁锭在均热炉加热7~9小时，温度达到580~600℃后保温23~25小时，最后冷却完成。
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