CN101624671A - 一种大直径7005铝合金圆铸锭及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝合金制备技术领域，具体涉及一种大直径7005铝合金圆铸锭及其制备方法。本发明为克服现有铸锭存在的裂纹倾向高、成分偏析严重、尺寸规格较小的缺陷，提供一种大直径7005铝合金圆铸锭及其制备方法。本发明制备铝合金圆铸锭的方法包括熔体处理工艺、气幕铸造工艺、均匀化退火工艺。本发明提高了铝合金的综合性能，可以节约能耗，减少污染物的排放，从而达到节能减排的目的，具有显著的社会效益和环境效益；同时可满足我国工业部门的重大需求，为国家节约大量的7005铝合金圆铸锭采购外汇。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金制备技术领域，具体涉及一种大直径7005铝合金圆铸锭及其制备方法。
背景技术
7005铝合金属于Al-Zn-Mg系可焊和热处理可强化合金，近年来国内外各工业部门，如建筑、自行车、汽车、火箭制造业等大量使用该合金。铝合金圆铸锭的气幕铸造工艺是当今世界上最先进的技术之一，以其具有生产效率高、劳动强度低、铸锭质量好、成品率高等优点，得到广泛应用和迅速发展，但是用现有的气幕铸造工艺生产出的产品仍存在合金锭裂纹倾向高、成分偏析严重、氢含量高、渣含量高、温度高等问题。另外，采用电解铝液直接铸造生产铝加工用的铸锭，是一项短流程、低能耗、绿色环保的先进生产技术，它避免了传统铝加工厂二次重熔铝锭带来的能源消耗和金属烧损。目前国内生产7005铝合金铸锭均采用重熔铝锭，且铸锭尺寸规格较小，满足不了国家对7005铝合金大型型材的需求，而电解原铝直接气幕铸造大直径7005铝合金圆锭的生产在国内处于空白。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有铸锭存在的裂纹倾向高、成分偏析严重、尺寸规格较小的缺陷，而提供一种大直径7005铝合金圆铸锭，实现产业化生产，满足国家对7005铝合金大型型材的需求。
本发明的另一目的在于，提供一种大直径7005铝合金圆铸锭的制备方法，以克服现有铝合金铸锭的制备工艺中氢含量高、渣含量高、温度高的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种大直径7005铝合金圆铸锭，按重量百分比由0～0.30％Fe、0～0.30％Si、0～0.10％Cu、0.20～0.40％Mn、1.3～1.8％Mg、4.0～4.50％Zn、0.08～0.20％Cr、0～0.06％Ti、0.10～0.20％Zr和余量Al制成。
上述大直径7005铝合金圆铸锭的制备方法为下述生产工艺流程：
(1)熔体处理工艺
在高湿度环境下，将电解原铝与冷材、中间合金在熔炼炉内通过熔炼、添加变质剂、永磁搅拌处理，在保温炉经过氮气喷粉精炼+保温炉炉底吹气进行精炼，然后通过过滤装置进行过滤，最后通过在线保护浇铸装置，得到高质量的7005铝合金熔体；
(2)气幕铸造工艺
浇铸过程中，在保温炉出口离除气炉2～3m处向铝合金熔体中喂入Al--5Ti-1B合金线，保证熔体Ti含量在0.006％以下，控制浇铸温度690±10℃，浇铸速度46～52mm/min，冷却水量1700l/min，油量为220ml/min，运用不铺底工艺进行直接气幕铸造，得到铝合金铸坯；
(3)均匀化退火工艺
在均热温度465±5℃、保温时间16h、冷却速度＞200℃/h的均热制度下得到380mm直径的7005铝合金圆铸锭。
上述步骤(1)中熔体由70～75％的电解原铝、20～30％的冷材和中加合金组成。
上述步骤(1)中永磁搅拌熔炼中变质剂用量为0.7kg/t，永磁搅拌频率为46Hz，搅拌电流为30A，搅拌时间为20min。
上述步骤(1)中保温炉炉底吹气和氮气喷粉精炼，炉底吹气10min，氮气量为25L/min，氮气喷粉量为每吨炉料1kg，精炼时间为15min，炉底静置时间为10min，氮气纯度为99.99％，精炼过程中的铝液温度为740～750℃。
上述步骤(1)中的陶瓷过滤装置包括在初级过滤处设置的15目陶瓷过滤板和在过滤箱内设置的30目陶瓷过滤板。
上述步骤(1)中的在线保护浇铸装置内通入氮气，气压保持在0.01～0.02MPa。
上述步骤(1)中氮气喷粉精炼使用的精炼剂为无钠精炼剂。
上述步骤(2)中喂入Al-5Ti-1B合金线的送丝速度为220cm/min，即在一分钟之内向铝合金熔体中匀速添加直径为9.5mm，长度为220cm的Al-5Ti-1B合金线。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果：
本发明研究了气幕铸造工艺制度对铸锭成型性能的影响规律，并研究了电解铝液直接铸造熔体处理技术对H含量、Na含量、夹杂物含量及尺寸的影响，同时采取先进的晶粒细化措施，控制晶粒的尺寸和形状，提高了合金的综合性能，解决了电解原铝直接铸造高性能铝合金带来的氢含量高、渣含量高、温度高问题，成功开发了电解原铝直接气幕铸造大直径7005合金圆锭熔铸技术，可满足我国工业部门的重大需求，为国家节约大量的7005铝合金锭坯采购外汇。
同时，采用电解铝液直接铸造铝加工用铸锭，是一项短流程、低能耗、绿色环保的先进生产技术。该技术的成功运用，不但可以提高电解铝液直接铸造铝加工用铸锭的质量，而且可以节约能耗，减少污染物的排放，从而达到节能减排的目的，具有显著的社会效益和环境效益。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为7005铸态显微组织。
图3为7005铸态显微组织。
图4为7005铝合金470℃/12h均匀化后显微组织。
图5为7005合金铸态能谱分析。
图6为7005铝合金470℃/12h均匀化后能谱分析。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种大直径7005铝合金圆铸锭及其制备方法详细说明。
一种大直径7005铝合金圆铸锭，按重量百分比由0～0.30％Fe、0～0.30％Si、0～0.10％Cu、0.20～0.40％Mn、1.3～1.8％Mg、4.0～4.50％Zn、0.08～0.20％Cr、0～0.06％Ti、0.10～0.20％Zr和余量Al制成。详细见下表：
在美国标准中Zn的重量百分数为4.0～5.1，通过理论研究，并结合多次试验进行的金相分析可知：对于Zn含量为中限、Zn/Mg值较小的时候，铸锭的冶金质量较好；而当Zn含量接近上限时，铸锭内部疏松，孔数量较多，晶粒较粗大，铸锭的冶金质量较差。
为降低铝合金铸造和焊接的裂纹倾向性，提高合金塑性，必须严格控制Si和Fe的含量。
对于元素Mn和Cr，试验表明：适中的含量对形成细密晶粒有好处。
一种大直径7005铝合金圆铸锭的制备方法的生产工艺流程为：
(1)熔体处理工艺
在高湿度环境下，将原料永磁搅拌熔炼，经过炉底透气和氮气喷粉精炼进行精炼处理，然后通过除气炉和过滤装置进行除气除渣，最后通过在线保护浇铸装置，得到高质量铝合金熔体，在线精炼中使用无钠精炼剂，以降低熔体氢含量、钠含量。
使用引进的法国彼施涅TS35在线除氢成套装备，通过控制转子转速、氮气流量、氮气压力等关键参数，进行了熔体的在线除气净化处理。除气效率达到了50％。
熔体处理工艺相关参数见下表：
(2)气幕铸造工艺
7005合金的液相线温度为643℃，固相线温度为604℃，冷却过程中凝固温度区间不大，因此具有较好的铸造性能；但由于其合金含量比较高，凝固过程中析出相的比例较其它系列的铝合金要高些，因此，为实现析出相的均匀分布，须保证在铸锭截面上凝固的相对均匀性，以防止由于析出不均匀而产生裂纹。在铸造工艺方面，要求铸造速度较小，而且配合合理的冷却强度变化，并采用不铺底工艺，实现铸锭半连续铸造过程中的气幕铸造。
由于铸锭直径大，铸锭芯部和表层的温差大，冷却过程中应力增大，裂纹倾向增加。因此我们通过适当降低铸造速度，并增加Al-5Ti-1B线杆用量以细化晶粒，防止铸锭裂纹。根据气幕铸造结晶器的特点，铸造速度控制在46～52mm/min，油量控制在220ml/min，气压控制在1600～2100Pa，水流量控制在1700l/min，冷却水温低于30℃，进入结晶器时的铝液温度控制在690±10℃；在气幕铸造过程中，要确保空气流量、空气压力、润滑油流量供应的稳定性。综合工艺参数如下表所示。
(3)均匀化退火工艺
对于大规格铸锭，由于铸锭结晶过程的不均匀性，造成铸锭内部残余应力较大，同时存在成分偏析的情况，会对后续加工过程带来不利的影响。因此通过均匀化退火消除铸造应力，提高铸锭塑性，减小变形抗力，改善加工产品组织和性能。
选取四组不同的最高保持温度和保持时间，进行试验。如图2、图3所示，通过金相观察，7005铸态组织为均匀的等轴晶组织，并有大量的非平衡结晶相形成。经均匀化退火处理后，7005合金铸态组织发生演变，非平衡相开始溶解，且随着均匀化温度升高，有更多的非平衡相溶入基体。但当进行485℃/12h均匀化退火时，有局部部位出现过烧现象，500℃/12h均匀化退火时，有明显过烧现象。DSC研究结果表明，7005合金铸锭均匀化的过烧温度为491℃，所以一般均匀化温度上限在过烧温度以下10℃左右，即温度上限为480℃。因此，本试验中485℃、500℃均匀化退火出现了不同程度的过烧现象，由图4可知470℃/12h均匀化退火后没有发现过烧。图5、图6所示为铸态7005合金及经过470℃/12h均匀化之后的SEM能谱分析及元素分布图。从图5和图6中可以看出，7005合金铸态组织中存在非平衡MgZn2相，而在470℃/12h均匀化之后并没有发现η(MgZn2)相和T(Al2Mg3Zn3)相等非平衡结晶相，均匀化之后的过剩相为AlFeMnSi相，AlFeMnSi相为难溶相，一般均匀化后难以消除，说明这种制度下均匀化效果较好。
通过进行金相组织观察及扫描电镜分析，铸锭晶粒大小均匀，均为等轴晶组织，未见羽毛状晶、裂纹、气孔、夹渣、光亮等铸造组织缺陷。
圆锭的晶粒较细小，平均晶粒尺寸在150～160μm之间，且高倍组织中无明显夹杂物存在。
因此得出7005铝合金铸锭适宜的均匀化制度见下表：
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1、一种大直径7005铝合金圆铸锭，其特征在于：按重量百分比由0～0.30％Fe、0～0.30％Si、0～0.10％Cu、0.20～0.40％Mn、1.3～1.8％Mg、4.0～4.50％Zn、0.08～0.20％Cr、0～0.06％Ti、0.10～0.20％Zr和余量Al制成。
2、根据权利要求1所述的一种大直径7005铝合金圆铸锭的制备方法，其特征在于：大直径7005铝合金圆铸锭的生产工艺步骤如下：
(1)熔体处理工艺
在高湿度环境下，将电解原铝与冷材、中间合金在熔炼炉内通过熔炼、添加变质剂、永磁搅拌处理，在保温炉经过保温炉炉底吹气和氮气喷粉精炼进行精炼处理，然后通过过滤装置进行过滤，最后通过在线保护浇铸装置，得到高质量的7005铝合金熔体；
(2)气幕铸造工艺
浇铸过程中，在保温炉出口离除气炉2～3m处向铝合金熔体中喂入Al--5Ti-1B合金线，保证熔体Ti含量在0.006％以下，控制浇铸温度690±10℃，浇铸速度46～52mm/min，冷却水量1700l/min，油量为220ml/min，运用不铺底工艺进行直接气幕铸造，得到铝合金铸坯；
(3)均匀化退火工艺
在均热温度465±5℃、保温时间16h、冷却速度＞200℃/h的均热制度下得到380mm直径的7005铝合金圆铸锭。
3、根据权利要求2所述的一种大直径7005铝合金圆铸锭的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的铝合金熔体是由70～75％的电解原铝、20～30％的冷材和中加合金组成。
4、根据权利要求2所述的一种大直径7005铝合金圆铸锭的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中永磁搅拌熔炼中变质剂用量为0.7kg/t，永磁搅拌频率为46Hz，搅拌电流为30A，搅拌时间为20min。
5、根据权利要求2所述的一种大直径7005铝合金圆铸锭的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中保温炉炉底吹气和氮气喷粉精炼，炉底吹气10min，氮气量为25L/min，氮气喷粉量为每吨炉料1kg，精炼时间为15min，炉底静置时间为10min，氮气纯度为99.99％，精炼过程中的铝液温度为740～750℃。
6、根据权利要求2所述的一种大直径7005铝合金圆铸锭的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的过滤装置包括在初级过滤处设置的15目陶瓷过滤板和在过滤箱内设置的30目陶瓷过滤板。
7、根据权利要求2所述的一种大直径7005铝合金圆铸锭的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的保护浇铸装置内通入氮气，气压保持在0.01～0.02MPa。
8、根据权利要求4所述的一种大直径7005铝合金圆铸锭的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中氮气喷粉精炼使用的精炼剂为无钠精炼剂。
9、根据权利要求2所述的一种大直径7005铝合金圆铸锭的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中喂入Al-5Ti-1B合金线的送丝速度为220cm/min，即在一分钟之内向铝合金熔体中匀速添加直径为9.5mm，长度为220cm的Al--5Ti-1B合金线。
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