CN114000020A

CN114000020A - 一种大规格模锻件用铸锭及其制备方法

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Publication number: CN114000020A
Application number: CN202111289716.4A
Authority: CN
Inventors: 朱敏; 张欢欢; 孙自鹏; 王彬; 孙黎明; 曹以恒
Original assignee: Chongqing Guochuang Light Alloy Research Institute Co ltd; Southwest Aluminum Group Co Ltd
Current assignee: Chongqing Guochuang Light Alloy Research Institute Co ltd; Southwest Aluminum Group Co Ltd
Priority date: 2021-11-02
Filing date: 2021-11-02
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2041-11-02
Also published as: CN114000020B

Abstract

本发明提供了一种大规格模锻件用铸锭的制备方法，包括：将合金原料进行熔炼和铸造，得到大规格模锻件用铸锭。本发明的关键在于化学成分精准控制以及铸造工艺参数控制。根据本发明确定的化学成分范围生产出的铸锭Fe、Si含量低，铸锭中难溶相少且弥散分布。根据本发明的铸造工艺参数生产出的铸锭，组织均匀性与稳定性高，铸锭显微疏松等内部冶金缺陷少且尺寸小。本发明还提供了一种大规格模锻件用铸锭。

Description

一种大规格模锻件用铸锭及其制备方法

技术领域

本发明属于铸造技术领域，尤其涉及一种大规格模锻件用铸锭及其制备方法。

背景技术

目前生产的450*1420mm规格铸锭主要用于航空航天用超大型铝合金模锻件，坯料轮廓尺寸达到140×1500×3900mm～140×1370×4750mm，是之前生产锻件的1.6倍，但由于整体框模锻件加强筋与腹板截面变化大，加强筋与腹板的变形程度差异明显，变形程度较大的腹板往往会将原始坯料的缺陷放大数倍，最终导致成品模锻件腹板区域探伤不合格。故如何生产出冶金质量及组织均匀性好的铸锭成为解决超大型模锻件制备的关键技术条件。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大规格模锻件用铸锭及其制备方法，本发明提供的方法制备得到的大规格模锻件用铸锭性能较好。

本发明提供了一种大规格模锻件用铸锭，成分为：

6.1～6.5wt％的Zn；

2.05～2.30wt％的Cu；

2.00～2.25wt％的Mg；

0.09～0.11wt％的Zr；

≤0.06wt％的Fe；

≤0.04wt％的Si；

≤0.02wt％的Mn；

≤0.05wt％的Ti；

≤0.02wt％的Cr；

≤5ppm的Na；

≤5ppm的Ca；

余量为Al。

本发明提供了一种上述技术方案所述的大规格模锻件用铸锭的制备方法，包括：

将合金原料进行熔炼和铸造，得到大规格模锻件用铸锭。

优选的，所述熔炼过程中每熔次搅拌1～3次。

优选的，所述搅拌的时间为5～8分钟。

优选的，所述铸造的速度为40～50mm/min。

优选的，所述铸造过程中的挡水板位置为380±30mm。

优选的，所述铸造过程中的水流量为70～90m³/h。

优选的，所述铸造温度为725～745℃。

优选的，所述熔炼温度为720～760℃。

优选的，所述熔炼过程中加Mg锭、铝锆中间合金的温度为740～760℃。

本发明的关键在于化学成分精准控制以及铸造工艺参数控制。根据本发明确定的化学成分范围生产出的铸锭Fe、Si含量低，铸锭中难溶相少且弥散分布。根据本发明的铸造工艺参数生产出的铸锭，组织均匀性与稳定性高，铸锭显微疏松等内部冶金缺陷少且尺寸小。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的产品的高倍显微疏松图片；

图2为本发明实施例2制备的产品的高倍显微疏松图片；

图3为本发明实施例3制备的产品的高倍显微疏松图片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种大规格模锻件用铸锭，成分为：

6.1～6.5wt％的Zn；

2.05～2.30wt％的Cu；

2.00～2.25wt％的Mg；

0.09～0.11wt％的Zr；

≤0.06wt％的Fe；

≤0.04wt％的Si；

≤0.02wt％的Mn；

≤0.05wt％的Ti；

≤0.02wt％的Cr；

≤5ppm的Na；

≤5ppm的Ca；

余量为Al。

在本发明中，所述Zn的质量含量优选为6.2～6.4％，更优选为6.3％；所述Cu的质量含量优选为2.1～2.25％，更优选为2.15～2.2％；所述Mg的质量含量优选为2.05～2.2％，更优选为2.1～2.15％；所述Zr的质量含量优选为0.1％；所述Fe的质量含量优选为0.03～0.05％，更优选为0.04％；所述Si的质量含量优选为0.01～0.03％，更优选为0.02％；所述Mn的质量含量优选为≤0.01％；所述Ti的质量含量优选为0.02～0.03％；所述Cr的质量含量优选为≤0.01％；所述Na的质量含量优选为0.0001～0.0003％；所述Ca的质量含量优选为0.0001～0.0003％。

在本发明中，7系合金属于Al-Zn-Mg-Cu系，主元素Cu、Mg、Zn及杂质元素Si、Fe影响着材料的各项性能指标，而它们在合金材料中的多少取决于合金的化学成分，尤其是Fe、Si杂质含量。Fe、Si杂质在铸锭凝固过程中，可以产生一些难溶相。这些难溶相较硬且脆，与基体不共格，极易与基体相发生界面剥离，在较低的应力下容易产生间隙位错，形成孔隙成为裂纹扩展的捷径，并起着裂纹源的作用，因而强烈降低合金的断裂韧度；提高合金纯度是减少这类第二相数量和改善合金断裂韧度的有效手段。

将合金原料进行熔炼和铸造，得到大规格模锻件用铸锭。

本发明对所述合金原料没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的原料按照上述技术方案所述的大规格模锻件用铸锭的成分进行配料即可。

在本发明中，所述合金原料中的返炉料的使用比例优选≤60wt％。

在本发明中，所述合金原料优选包括：Al-Ti杆、Al-Be中间合金、Mg锭和铝锆中间合金。

在本发明中，所述熔炼过程中的Mg锭及铝锆中间合金的加入温度优选为740～760℃，更优选为745～755℃，最优选为750℃；Al-Be中间合金的加入温度优选为740～760℃，更优选为745～755℃，最优选为750℃，优选在转炉溜槽中加入。

在本发明中，所述熔炼过程中优选对影响熔体化学成分均匀性的搅拌次数、搅拌时间等加以优化。

在本发明中，所述熔炼过程中优选每熔次搅拌2～4次，更优选为2～3次，最优选为2次；所述搅拌的时间优选为5～8min，更优选为6～7min。

在本发明中，所述熔炼过程熔炼温度优选为720～760℃，更优选为730～750℃，最优选为740℃。

在本发明中，所述熔炼后优选将得到的熔体在静置炉内净化后进行精炼。

在本发明中，所述精炼过程中优选采用炉底透气砖精炼；精炼介质优选为氩气；所述氩气的压力优选为0.25～0.4MPa，更优选为0.3～0.35MPa，最优选为0.32～0.33MPa；所述氩气的流量优选为10～20L/min/块，更优选为13～17L/min/块，最优选为15L/min/块。

在本发明中，所述精炼优选还包括人工精炼，所述人工精炼的次数优选为1～3次，更优选为2次；所述人工精炼的时间优选为30～40分钟，更优选为33～37分钟，最优选为35分钟。

在本发明中，所述精炼的温度优选为725～745℃，更优选为730～740℃，最优选为735℃。

在本发明中，所述精炼完成后优选还包括：

将得到的熔体进行在线净化处理。

在本发明中，所述在线净化处理的气体压力优选为0.1～0.3MPa，更优选为0.15～0.25MPa，最优选为0.2MPa；转子转速优选为230～270rpm，更优选为240～260rpm，最优选为250rpm；所述气体包括Ar气和Cl气；所述Ar气流量优选为3.5～5Nm³/h，更优选为4～4.5Nm³/h，最优选为4.2～4.3Nm³/h；所述Cl气流量优选为0.03～0.045Nm³/h，更优选为0.035～0.04Nm³/h，最优选为0.036～0.038Nm³/h。

在本发明中，所述在线净化处理完成后优选还包括：

将得到的熔体进行过滤。

在本发明中，所述过滤优选为30+50ppi双级过滤。

本发明对7系合金铸锭铸造速度、温度、冷却强度、刮水板高度、液位高度等工艺参数进行模拟分析，重点模拟了铸造速度与挡水板位置对铸锭组织均匀性的影响；研究铸造过程中温度场、应力场的变化，以及工艺参数对宏观偏析、显微组织的影响，结合模拟结果开展大生产试验。

在本发明中，所述铸造的速度范围优选为45～50mm/min，更优选为46～48mm/min；所述铸造过程中挡水板位置优选为350～410mm，更优选为360～400mm，更优选为370～390mm，最优选为380mm；所述铸造过程中的水流量优选为70～90m³/h，更优选为75～85m³/h，最优选为83m³/h；所述铸造的温度优选为725～745℃，更优选为730～740℃，最优选为735℃。

在本发明中，所述铸造过程中优选加入在线晶粒细化剂；所述在线晶粒细化剂的成分优选包括：

Si≤0.10wt％；

Fe≤0.10wt％；

Cu≤0.02wt％；

Mn≤0.02wt％；

Mg≤0.02wt％；

Cr≤0.02wt％；

Ni≤0.02wt％；

Zn≤0.03wt％；

Ca≤0.005wt％；

Na≤0.005wt％；

B 0.8～1.3wt％；

Pb≤0.01wt％；

Sn≤0.01wt％；

V≤0.03wt％；

Ti 2.5～3.5wt％；

余量为Al。

在本发明中，所述B的质量含量优选为0.9～1.2％，更优选为1～1.1％。

在本发明中，所述Ti的质量含量优选为2.8～3.2％，更优选为3％。

在本发明中，所述在线晶粒细化剂中任意1cm²的纵截面中TiB₂质点平均尺寸优选＜2微米，分布均匀、弥散，不存在TiB₂聚集团块；所述在线晶粒细化剂的加入量优选为1.5～3.5kg/t，更优选为2.0～3.0kg/t，最优选为1.8kg/t。

在本发明中，所述铸造后得到的铸锭的尺寸优选为(430～470)*(1400～1450)mm，更优选为(440～460)*(1410～1440)mm，最优选为450*1420mm。本发通过对铸造工艺的优化，改善了450*1420mm规格铸锭的组织均匀性与稳定性，为超大型铝合金模锻件的制备提供必要条件。本发明提供的方法可以获得晶粒较为细化、宏观偏析较小的铸锭，降低铸造速度，铸锭液穴深度可有效变浅，中心糊状区(固-液相区间)宽度也随着减小，从而可提高补缩能力，减小疏松的产生。

目前超大型模锻件坯料用铸锭对组织均匀性、冶金缺陷的质量要求非常高，在现有铸造工艺条件下生产的铸锭难以满足其组织均匀性与稳定性要求。本发明进一步对铸造工艺参数(铸造速度、冷却速度、结晶器液面高度、刮水器位置等)进行调整、优化、精化，以减小铸锭液穴深度，改善铸锭心部枝晶偏析程度，减小心部显微疏松尺寸，提高铸造组织的致密性，为超大型模锻件提供细晶、均质、低偏析铸造组织、质量稳定的合格铸锭。

实施例1

将合金原料按照下述成分含量进行配料：

配料过程中返炉料使用比例：≤60wt％，使用Al-Ti杆在熔炼炉将Ti含量补足0.015wt％；

将合金原料配料后进行熔炼；所述熔炼过程中的熔炼炉熔炼温度720～760℃，加Mg锭及铝锆中间合金的温度为740～760℃；Al-Be中间合金的加入温度及时机：740～760℃，在转炉流槽加入；

将熔炼后的合金液在静置炉内净化后进行精炼，所述精炼过程中为炉底透气砖精炼，精炼介质为氩气，氩气压力0.25～0.4MPa、氩气流量10～20L/min/块，同时辅助人工精炼2次共35分钟；精炼温度730～745℃；

将精炼后的合金液进行在线净化处理：气体压力0.2Mpa，转子转速250rpm；Ar气体流量4.0Nm³/h，Cl气流量0.04Nm³/h；

将净化处理后的合金液进行过滤：采用30+50ppi双级过滤。

将过滤后的合金液进行铸造，得到铝合金铸锭；所述铸造过程中的铸造速度为45mm/min，水流量为83m³/h，铸造温度为725～745℃，刮水器位置为380mm，在线晶粒细化剂(B 0.8～1.3wt％，Ti 2.5～3.5wt％，余量为Al及杂质)加入量3.5kg/t。

按照GB/T20975《铝及铝合金化学成分分析方法》标准，对本发明实施例1制备得到的高强度铝合金铸锭进行成分检测，检测结果如下：

按照ASTM E34《铝合金分析方法》标准，按照实施例1的方法制备多次得到13块铝合金铸锭，每块铸锭中断成2个长度2000mm的毛料，一共26个毛料；进行高倍显微疏松检测，检测结果显微疏松尺寸≤100*40微米：

实施例1制备的产品高倍显微疏松图片如图1所示。

按照GB/T 6519《变形铝、镁合金产品超声波检验方法》标准，按照实施例1的方法制备多次得到26块铝合金铸锭毛料，进行探伤合格率检测，检测结果全部A级合格率100％，AA级合格率88％。按照GB/T3246.2《变形铝及铝合金制品组织检验方法》，按照实施例1的方法制备多次得到26块铝合金铸锭，进行断口氧化膜合格率检测，检测结果合格率为100％。

实施例2

将合金原料按照下表成分进行配料；

配料过程中返炉料使用比例：≤60wt％，使用Al-Ti杆在转炉流槽将Ti含量补足0.02wt％；

将熔炼后的合金液在静置炉内净化后进行精炼，所述精炼过程中为炉底透气砖精炼，精炼介质为氩气，氩气压力0.25～0.4MPa、氩气流量10～20L/min/块，同时辅助人工精炼2次共35分钟；精炼温度725～745℃；

将净化处理后的合金液进行过滤：采用30+50ppi双级过滤。

将过滤后的合金液进行铸造，得到铝合金铸锭；所述铸造过程中的铸造速度为45mm/min，水流量为83m³/h，铸造温度为725～745℃，刮水器位置为380mm，在线晶粒细化剂(B 0.8～1.3wt％，Ti 2.5～3.5wt％，余量为Al及杂质)加入量1.8kg/t。

按照实施例1的检测方法，对本发明实施例2制备的铝合金铸锭进行成分检测，检测结果为：

按照实施例1的方法，按照实施例2的方法制备多次得到10块铝合金铸锭，每块铸锭中断成2个长度2000mm的毛料，共20个毛料，进行高倍显微疏松检测，检测结果显微疏松尺寸≤100*40微米：

实施例2制备的产品高倍显微疏松图片如图2所示。

按照实施例1的检测方法，按照实施例2的方法制备多次得到20块铝合金铸锭毛料，进行探伤合格率检测，A级探伤合格率100％，AA级探伤合格率100％；进行断口氧化膜合格率检测，检测结果合格率为100％。

实施例3

将合金原料按照下述成分含量进行配料：

将合金原料配料后进行熔炼；所述熔炼过程中的熔炼炉熔炼温度720～740℃，加Mg锭及铝锆中间合金的温度为740～750℃；Al-Be中间合金的加入温度及时机：740～760℃，在转炉流槽加入；

将精炼后的合金液进行在线净化处理：气体压力0.2Mpa，转子转速270rpm；Ar气体流量3.5Nm³/h，Cl气流量0.04Nm³/h；

将净化处理后的合金液进行过滤：采用30+50ppi双级过滤。

将过滤后的合金液进行铸造，得到铝合金铸锭；所述铸造过程中的铸造速度为46mm/min，水流量为88m³/h，铸造温度为730～750℃，刮水器位置为360mm，在线晶粒细化剂(B 0.8～1.3wt％，Ti 2.5～3.5wt％，余量为Al及杂质)加入量3.5kg/t。

按照实施例1的方法，对本发明实施例3制备得到的高强度铝合金铸锭进行成分检测，检测结果如下：

按照实施例1的检测方法，按照实施例3的方法制备多次得到9块铝合金铸锭，每块铸锭中断成2个长度2000mm的毛料，共18个毛料。进行高倍显微疏松检测，检测结果显微疏松尺寸≤100*40微米：

实施例3制备的产品高倍显微疏松图片如图3所示。

按照实施例1的检测方法，按照实施例3的方法制备多次得到18块铝合金铸锭毛料，进行探伤合格率检测，A级探伤合格率100％，AA级探伤合格率94％；进行断口氧化膜合格率检测，检测结果合格率为100％。

虽然已参考本发明的特定实施例描述并说明本发明，但是这些描述和说明并不限制本发明。所属领域的技术人员可清晰地理解，在不脱离如由所附权利要求书定义的本发明的真实精神和范围的情况下，可进行各种改变，以使特定情形、材料、物质组成、物质、方法或过程适宜于本申请的目标、精神和范围。所有此类修改都意图在此所附权利要求书的范围内。虽然已参考按特定次序执行的特定操作描述本文中所公开的方法，但应理解，可在不脱离本发明的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序和分组并非本申请的限制。

Claims

1.一种大规格模锻件用铸锭，成分为：

6.1～6.5wt％的Zn；

2.05～2.30wt％的Cu；

2.00～2.25wt％的Mg；

0.09～0.11wt％的Zr；

≤0.06wt％的Fe；

≤0.04wt％的Si；

≤0.02wt％的Mn；

≤0.05wt％的Ti；

≤0.02wt％的Cr；

≤5ppm的Na；

≤5ppm的Ca；

余量为Al。

2.一种权利要求1所述的大规格模锻件用铸锭的制备方法，包括：

将合金原料进行熔炼和铸造，得到大规格模锻件用铸锭。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述熔炼过程中每熔次搅拌1～3次。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述搅拌的时间为5～8分钟。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铸造的速度为40～50mm/min。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铸造过程中的挡水板位置为380±30mm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铸造过程中的水流量为70～90m³/h。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铸造温度为725～745℃。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔炼温度为720～760℃。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔炼过程中加Mg锭、铝锆中间合金的温度为740～760℃。