CN102943193B - 硬质铝合金铸锭的精粒细化加工工艺 - Google Patents

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一种硬质铝合金铸锭的精粒细化加工工艺,属于铝合金加工技术领域,通过配料→熔炼→搅拌→测温→取样→调整成分及温度→倒炉→精炼(一次净化)→静置→在线加入Al-Ti-B丝→在线除气除渣(二次净化)→双级过滤→同水平热顶铸造→铸锭均匀化,完成硬质铝合金铸锭的精粒细化加工。本发明加工出的铝合金铸锭具有良好的热变形性能,挤压时经在线淬火有较高的强度,制品的焊接性能,耐腐蚀性能良好,有一定的耐应力腐蚀性能,特别是具有较强的吸收冲击能力和抗击折叠的性能。

Description

硬质铝合金铸锭的精粒细化加工工艺
技术领域
[0001] 本发明涉及一种金属加工,具体涉及一种硬质铝合金铸锭的精粒细化加工工艺。
背景技术
[0002] 7N01合金是日本铝合金标准中的合金,属于Al-Zn-Mg系合金。用该合金铸锭所生 产的挤压型材一般都是高速铁路车体的受力结构件,如牵引梁、车架枕梁、端面梁等。如何 加工出性能与7N01合金相近或更佳的铝合金铸锭,是目前国内同行业中待解决的问题。目 前加工7N01合金在生产过程中,铸锭经常出现柱状晶、羽毛晶等缺陷。这些缺陷会在随后 的生产中"遗传"给挤压材,降低了制晶的力学性能。羽毛晶具有粗大平直的晶轴,力学性 能有很强的各向导性,不仅破坏了工艺性能而且会大幅的降低力学性能,粗大柱状晶亦会 降低铸锭的性能,特别是横向性,所以铸锭时不允许存在这些缺陷。产生柱状晶、羽毛晶的 主要原因是该合金中含有〇. 1% -0.2%的Zr,合金中加入Zr的目的是为了改善制品的焊 接性能和细化焊缝的组织。但Zr的加入也带来了一些负面影响。Zr会对添加到熔体中的 Al-Ti-B丝的细化效果造成一定的不良影响。会在其起细化作用的TiB 2表面形成一层B 2Zr 或Zr的包复层,从而抑制了 1182细化晶粒的特性。此外Zr还会置换TiAl 3中的一些Ti形 成(Til-XZrx)Al3类型的三元固溶体。改变了其晶格常数和TiAl 3的形核特性,而且随着Zr 含量的增加而使晶粒粗化,这是由于在形成的三元相中Zr的摩尔份额增加,而降低了 TiAl3 的细化能力。因此Zr的加入量不合适时,会导致Al-Ti-B对铸锭的细化效果减弱或失效。 形成了铸锭中产生粗晶、柱状晶的条件。也会形成柱状晶的变种--羽毛状晶的生成条件。 根据金属结晶理论一般冷却度小,所得到的组织是粗大的等轴晶。但在冷却速度较大时,特 别是接近或超过100° /S也会出现柱状晶或羽毛状晶。在铸造速度降低时,会使冷却强度 加大。也能形成柱状晶的生成条件。有时也会出现羽毛晶。熔体过热或局部过热或熔体在 炉内停留时间过长会造成熔体中的自发形核粒子减少或失去活性。如此时铸造工艺调配不 当必然会产生柱状晶或羽毛晶。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种硬质铝合金铸锭的精粒细化加工工艺,加工出的铝合金 铸锭具有良好的热变形性能,挤压时经在线淬火有较高的强度,制品的焊接性能,耐腐蚀性 能良好,有一定的耐应力腐蚀性能,特别是具有较强的吸收冲击能力和抗击折叠的性能。
[0004] 为了实现上述方案,本发明的技术解决方案为:一种硬质铝合金铸锭的精粒细化 加工工艺,其特征在于:包括以下步骤:
[0005] (1)先配料:合金的基体选用铝锭,Mg、Zn元素以纯金属的形式加入,考虑Cu、Cr、 Ti、Zr元素烙点较高,且在合金中含量较低,故以中间合金的形式加入;
[0006] (2)之后采用蓄热式燃气炉熔炼,熔炼温度不超过750°C ;
[0007] (3)在熔炼过程中,取样分析调整完化学成分和温度后即要抓紧倒炉,Si的质 量百分含量控制在〇. 12%,Fe的质量百分含量控制在0. 18%,Mg的质量百分含量控 制在1.30% -1.50%,Mn的质量百分含量控制在0.30 % -0.35%,Cu的质量百分含量 控制在0. 15%,Cr的质量百分含量控制在0.2% -0.23%,Zn的质量百分含量控制在 4. 30 % -4. 60 %,Zr的质量百分含量控制在0. 12 % -0. 15 %,非检测杂质单个质量百分含量 控制在0. 05%,总和控制在0. 15%,尽量缩短熔体在炉内停留的时间,倒炉前对炉内熔体 边倒炉边用永磁搅拌器对炉内的熔体进行三次充分搅拌,每次搅拌10分钟,正反转各5分 钟,取样时温度为720°C以上,且取样前预先对取样勺、试样模充分加热,以防止试样出现偏 析现象,炉前化学成分分析合格后即可倒入静置炉;
[0008] (4)熔体倒入静置炉后,用氩气喷吹无钠精炼剂进行精炼,精炼剂用量1. 5kg/t, 精炼时间为l〇min以上,扒净熔体表面的浮渣,向熔体表面均匀的撒上10kg无钠覆盖剂;
[0009] (5)为细化铸锭的晶粒,铸造时,在静置炉流口处用Al-Ti-B丝机加入Al-Ti-B丝, 加入量小于500mm/min ;
[0010] (6)为进一步提高熔体的纯洁度,用除气机进行第二次净化进一步除气除渣,除气 机转子的转速350r/min,工作时氦气用量1. 8m3/h,采用30ppi和50ppi的双级过滤滤除烙 体中的氧化夹杂物;
[0011] (7)待熔体撒上10kg无钠覆盖剂后20min内,用热顶同水平铸造法铸造铸锭,铸造 温度为700°C -710°C,铸造速度为30mm/min ;
[0012] (8)为消除铸锭的内应力及化学成分、组织的不均匀性,改善铸锭的加工性 能,使最终制品获得良好的力学性能,需对铸锭进行均火,根据该合金的特性,均火温度 540±5°C,均火时升温速度< 80°C /h,保温时间7h,冷却时转入冷却炉先强风冷2h,再水冷 0. 5h,最后出炉。
[0013] 本发明硬质铝合金铸锭的精粒细化加工工艺,其中所述步骤(2)、(3)中,熔体在 熔炼炉、静置炉内的停留时间均不得超过2小时。
[0014] 本发明硬质铝合金铸锭的精粒细化加工工艺,其中所述步骤(5)中在线 添加Al-Ti-B丝,添加量为小于500mm/min,最终使合金达到Ti的质量百分含量为 0• 06% -0• 08%。
[0015] 采用上述方案后,本发明硬质铝合金铸锭的精粒细化加工工艺及其生产工艺, 通过控制非铝合金Zn的质量百分含量为4. 30 % -4. 60 %,Mg为1. 30 % -1. 50 %,在合金 中,Zn、Mg共存时形成了一系列的新相,使合金有强烈的时效硬化效应,通过控制Cu的 质量百分含量在〇. 15%,提高合金的耐应力腐蚀、抗拉强度和塑性,通过控制Zr的质量 百分比为0. 12% -0. 15%,不仅能够显著地提高合金的焊接性能,还能急剧的提高合金 的再结晶终了温度和耐应力腐蚀性能,通过控制Mn的质量百分含量0. 30% -0. 35%,Cr 在0.2% -0.23%,故对合金的断裂性不会带来不良影响,将Fe的质量百分含量控制在 〇. 18%,其与合金中的Si元素形成FeAlSi化合物,使Mg2Si脆性相在晶界和枝晶界呈不连 续状态存在,从而降低合金的热裂纹倾向,通过控制Si的质量百分含量在0. 12%,消除了 合金中产生粗晶、柱状晶的内在原因,通过控制Ti的质量百分含量为0. 06 % -0. 08 %,消 除了粗晶、柱状晶产生的外在条件,能细化合金的铸态晶粒,而且使合金的强度、韧性、耐磨 性、抗疲劳性能及热稳定性均有所提高,通过控制熔炼温度不超过750°C,加强熔体的搅拌, 增加Al-Ti-B丝的添加量,将Ti成分控制在0. 06% -0. 08%,消除了粗晶、柱状晶产生的外 在条件;在熔炼过程中通过水磁搅拌器搅拌,倒炉时边搅拌边倒炉,在静置炉中,加强搅拌 缩短熔体在炉内停留的时间,有效防止Zn、Zr的比重偏析;熔体采取二次净化和,双级过滤 工艺措施对保证铸淀的内部纯洁度,有效提商制品的性能;热顶铸造可以提商铸淀的内、外 部质量,为制品组织和性能的提高奠定了基础条件;根据制品的使用特性要求,采用了双级 时效是正确的,即保证了制品具有较高的强度,又保证了制品有足够的塑性。
[0016] 本发明的进一步有益效果是:在步骤(2)、(3)中,熔体在熔炼炉、静置炉内的停留 时间均不得超过2小时,进一步消除了粗晶、柱状晶产生的外在条件。
[0017] 本发明的进一步有益效果是:步骤(5)中在线添加Al-Ti-B丝,添加量为小于 500mm/min,最终使合金达到Ti的质量百分含量为0. 06% -0. 08%,进一步消除了粗晶、柱 状晶产生的外在条件,能细化合金的铸态晶粒,而且使合金的强度、韧性、耐磨性、抗疲劳性 能及热稳定性均有所提_。
具体实施方式
[0018] 本发明硬质铝合金铸锭的精粒细化加工工艺,包括如下步骤;
[0019] (1)先配料:合金的基体选用99. 85牌号的铝锭,Mg、Zn元素以纯金属的形式加入, 考虑Cu、Cr、Ti、Zr元素熔点较高,且在合金中含量较低,故以中间合金的形式加入;
[0020] (2)之后采用蓄热式燃气炉熔炼,熔炼温度不超过750°C,熔体在熔炼炉内的停留 时间不超过2小时;
[0021] (3)在熔炼过程中,取样分析调整完化学成分和温度后即要抓紧倒炉,Si的质 量百分含量控制在〇. 12%,Fe的质量百分含量控制在0. 18%,Mg的质量百分含量控 制在1.30% -1.50%,Mn的质量百分含量控制在0.30 % -0.35%,Cu的质量百分含量 控制在0. 15%,Cr的质量百分含量控制在0.2% -0.23%,Zn的质量百分含量控制在 4. 30% -4.60%,Zr的质量百分含量控制在0. 12% -0. 15%,非检测杂质单个质量百分含 量控制在0. 05%,总和控制在0. 15%,尽量缩短熔体在炉内停留的时间,倒炉前对炉内熔 体边倒炉边用永磁搅拌器对炉内的熔体进行三次充分搅拌,每次搅拌10分钟,正反转各5 分钟,取样时温度为720°C以上,且取样前预先对取样勺、试样模充分加热,以防止试样出现 偏析现象,炉前化学成分分析合格后即可倒入静置炉,熔体在静置炉内的停留时间不超过2 小时;
[0022] (4)熔体倒入静置炉后,用氩气喷吹无钠精炼剂进行精炼,精炼剂用量1. 5kg/t, 精炼时间为l〇min以上,扒净熔体表面的浮渣,向熔体表面均匀的撒上10kg无钠覆盖剂;
[0023] (5)为细化铸锭的晶粒,铸造时,在静置炉流口处用Al-Ti-B丝机加入Al-Ti-B丝, 加入量小于500mm/min,最终使合金达到Ti的质量百分含量为0. 06% -0. 08% ;
[0024] (6)为进一步提高熔体的纯洁度,用除气机进行第二次净化进一步除气除渣,除气 机转子的转速350r/min,工作时氦气用量1. 8m3/h,采用30ppi和50ppi的双级过滤滤除烙 体中的氧化夹杂物;
[0025] (7)待熔体撒上10kg无钠覆盖剂后20min内,用热顶同水平铸造法铸造铸锭,铸造 温度为700°C -710°C,铸造速度为30mm/min ;
[0026] (8)为消除铸锭的内应力及化学成分、组织的不均匀性,改善铸锭的加工性 能,使最终制品获得良好的力学性能,需对铸锭进行均火,根据该合金的特性,均火温度 540±5°C,均火时升温速度< 80°C /h,保温时间7h,冷却时转入冷却炉先强风冷2h,再水冷 0. 5h,最后出炉。
[0027] 上述熔铸工艺参数:表1
Figure CN102943193BD00061
[0033]
[0032] 铸锭低倍检查结果:表3
Figure CN102943193BD00071
[0034]
[0035] 从表1、表2、表3中可见,随着措施的落实,铸徒的柱状晶、羽毛晶的已完全解决。
[0036] 铸锭中的柱状晶、羽毛晶均会降低铸锭的力学性能,特别是横向的性能。对有无羽 毛晶铸淀横向性能的检验对比见表4
[0037]表 4
[0038]
Figure CN102943193BD00072
[0039] 从表中可见有羽毛晶的铸锭的横向拉伸强度、屈服强度、断面伸长率分别比无羽 毛晶的铸锭低1. 68%、6. 9%、29. 4%。
[0040] 以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围 进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通工程技术人员对本发明的技术 方案作出的各种变形和改进(包括类似材料焊接时,使用镍基合金作为过渡层),均应落入 本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1. 一种硬质铝合金铸锭的晶粒细化加工工艺,其特征在于:包括以下步骤: (1) 先配料:合金的基体选用铝锭,Mg、Zn元素以纯金属的形式加入,考虑Cu、Cr、Ti、 Zr元素熔点较高,且在合金中含量较低,故以中间合金的形式加入; (2) 之后采用蓄热式燃气炉熔炼,熔炼温度不超过750°C; (3) 在熔炼过程中,取样分析调整完化学成分和温度后即要抓紧倒炉,Si的质量 百分含量控制在〇. 12%,Fe的质量百分含量控制在0. 18%,Mg的质量百分含量控制 在1.30% -1.50%,Mn的质量百分含量控制在0.30 % -0.35%,Cu的质量百分含量 控制在0. 15%,Cr的质量百分含量控制在0.2% -0.23%,Zn的质量百分含量控制在 4. 30 % -4. 60 %,Zr的质量百分含量控制在0. 12 % -0. 15 %,非检测杂质单个质量百分含量 控制在0. 05%,总和控制在0. 15%,尽量缩短熔体在炉内停留的时间,倒炉前对炉内熔体 边倒炉边用永磁搅拌器对炉内的熔体进行三次充分搅拌,每次搅拌10分钟,正反转各5分 钟,取样时温度为720°C以上,且取样前预先对取样勺、试样模充分加热,以防止试样出现偏 析现象,炉前化学成分分析合格后即可倒入静置炉; (4) 熔体倒入静置炉后,用氩气喷吹无钠精炼剂进行精炼,精炼剂用量I. 5kg/t,精炼 时间为IOmin以上,扒净熔体表面的浮渔,向熔体表面均匀的撒上IOkg无钠覆盖剂; (5) 为细化铸锭的晶粒,铸造时,在静置炉流口处用Al-Ti-B丝机加入Al-Ti-B丝,加入 量小于 500mm/min; (6) 为进一步提高熔体的纯洁度,用除气机进行第二次净化进一步除气除渣,除气机转 子的转速350r/min,工作时氩气用量I. 8m3/h,采用30ppi和50ppi的双级过滤滤除熔体中 的氧化夹杂物; (7) 待熔体撒上IOkg无钠覆盖剂后20min内,用热顶同水平铸造法铸造铸锭,铸造温度 为 700°C-710°C,铸造速度为 30mm/min; (8) 为消除铸锭的内应力及化学成分、组织的不均匀性,改善铸锭的加工性能,使最终 制品获得良好的力学性能,需对铸锭进行均火,根据该合金的特性,均火温度540±5°C,均 火时升温速度< 80°C/h,保温时间7h,冷却时转入冷却炉先强风冷2h,再水冷0. 5h,最后出 炉。
2. 如权利要求1所述的硬质铝合金铸锭的晶粒细化加工工艺,其特征在于:所述步骤 (2)、(3)中,熔体在熔炼炉、静置炉内的停留时间均不得超过2小时。
3. 如权利要求1所述的硬质铝合金铸锭的晶粒细化加工工艺,其特征在于:所述步骤 (5)中在线添加Al-Ti-B丝,添加量为小于500mm/min,最终使合金达到Ti的质量百分含量 为 0• 06% -0• 08%。
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