CN104372216A - 一种7a04铝合金的热顶铸造工艺及其铝合金 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种7A04铝合金的热顶铸造工艺，包括以下步骤：A)将Cu源、Mn源、Mg源、Cr源、Zn源、Ti源、Be源和Al源进行熔炼，得到熔炼物；B)将所述步骤A)得到的熔炼物依次进行在线除气、在线过滤和在线细化，得到在线处理产物；C)将所述步骤B)得到的在线处理产物进行铸造，得到7A04铝合金；所述铸造的速度为15～25mm/min；所述7A04铝合金包括以下质量分数的组分：1.4～2.0％的Cu，0.2～0.6％的Mn，1.8～2.8％的Mg，0.1～0.25％的Cr元素，5.0～7.0％的Zn，0～0.1％的Ti、0-0.0009％的Be和余量的Al。本发明提供一种7A04铝合金。

Description

一种7A04铝合金的热顶铸造工艺及其铝合金

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，尤其涉及一种7A04铝合金的热顶铸造工艺及其铝合金。

背景技术

铝合金是以铝为基体元素的合金总成，主要包括的合金元素由铜、硅、镁、锌、锰，还包括镍、铁、钛、铬、锂等合金元素。铝合金的密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，是在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中应用最广泛的一类有色金属材料，其使用量仅次于钢。

通常屈服强度500MPa以上的铝合金被称为超高强度铝合金，他们是以AL-Zn-Mg-Cu系和Al-Zn-Mg系为主的可热处理强化的铝合金，自上世纪中叶以来，为了提高Al-Zn-Mg系铝合金的力学性能，并解决高锌、高镁铝合金中严重存在的应力腐蚀问题，国外在该类铝合金中添加Cu、Cr、Mn等元素，由此产生了一系列的新型AL-Zn-Mg-Cu超硬铝合金。由于它具有高的比强度和硬度、良好的热加工性、优良的焊接性能、高断裂韧度，以及高抗应力腐蚀能力等优点而广泛应用于航空航天领域，并成为这个领域中重要的材料之一。

但是，现有的7A04铝合金普通铸造锭坯的探伤合格率较低，仅为80％左右，致使整体的生产成本提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种7A04铝合金的热顶铸造工艺及其铝合金，本发明提供的热顶铸造工艺制造的7A04铝合金的铸造锭坯的探伤合格率较高，能够达到97～99％。

本发明提供一种7A04铝合金的热顶铸造工艺，包括以下步骤：

A)将Cu源，Mn源，Mg源，Cr源，Zn源，Ti源、Be源和Al源进行熔炼，得到熔炼物；

B)将所述步骤A)得到的熔炼物依次进行在线除气、在线过滤和在线细化，得到在线处理产物；

C)将所述步骤B)得到的在线处理产物进行铸造，得到7A04铝合金；所述铸造的速度为15～25mm/min；

所述7A04铝合金包括以下质量分数的组分1.4～2.0％的Cu，0.2～0.6％的Mn，1.8～2.8％的Mg，0.1～0.25％的Cr元素，5.0～7.0％的Zn，0～0.1％的Ti、0-0.0009％的Be和余量的Al。

优选的，所述熔炼炉气的温度为800～1050℃。

优选的，所述步骤A)具体包括以下步骤：

将Cu源，Mn源，Cr源，Zn源，Ti源和Al源进行熔炼，待熔体全部融化后，加入Mg源和Be源，进行熔炼，得到熔炼物。

优选的，所述在线除气的温度为715～725℃；

所述在线除气的气体流速为25～35L/min。

优选的，所述在线细化采用Al-5Ti-B丝进行。

优选的，所述铸造的速度为18～22mm/min。

优选的，所述铸造的温度为730～760℃。

优选的，所述铸造过程中冷却水的流量为14～30m³/h。

优选的，当所述铸造的长度在0mm～300mm之间时，所述铸造过程中冷却水的流量为14～16m³/h；

当所述铸造的长度＞300mm时，将所述铸造过程中冷却水的流量以(1m³/h)/50mm的速度增加，直到所述冷却水的流量达到28～30m³/h。

本发明还提供如上述技术方案所述的热顶铸造工艺制得的7A04铝合金。

本发明提供了一种7A04铝合金的热顶铸造工艺，包括以下步骤：A)将Cu源、Mn源、Mg源、Cr源、Zn源、Ti源、Be源和Al源进行熔炼，得到熔炼物；B)将所述步骤A)得到的熔炼物依次进行在线除气、在线过滤和在线细化，得到在线处理产物；C)将所述步骤B)得到的在线处理产物进行铸造，得到7A04铝合金；所述铸造的速度为15～25mm/min；所述7A04铝合金包括以下质量分数的组分：1.4～2.0％的Cu，0.2～0.6％的Mn，1.8～2.8％的Mg，0.1～0.25％的Cr元素，5.0～7.0％的Zn，0～0.1％的Ti、0-0.0009％的Be和余量的Al。本发明提供的热顶铸造工艺采用了较低的铸造速度，以减小铸锭的中心裂纹倾向，而且，铸锭也不会出现严重冷隔产生横向裂纹，提高了铸锭成型率，并且，本发明在铸造前对合金进行了细化，提高了铸锭内部冶金质量，结果表明，采用本发明提供的热顶铸造工艺得到的7A04铝合金的探伤合格率在97～99％，铸锭晶粒度为Ⅰ级。

具体实施方式

本发明提供了一种7A04铝合金的热顶铸造工艺，包括以下步骤：A)将Cu源、Mn源、Mg源、Cr源、Zn源、Ti源、Be源和Al源进行熔炼，得到熔炼物；B)将所述步骤A)得到的熔炼物依次进行在线除气、在线过滤和在线细化，得到在线处理产物；C)将所述步骤B)得到的在线处理产物进行铸造，得到7A04铝合金；所述铸造的速度为15～25mm/min；所述7A04铝合金包括以下质量分数的组分：1.4～2.0％的Cu，0.2～0.6％的Mn，1.8～2.8％的Mg，0.1～0.25％的Cr元素，5.0～7.0％的Zn，0～0.1％的Ti、0-0.0009％的Be和余量的Al。

本发明提供的热顶铸造工艺得到的7A04铝合金的探伤合格率较高，能够达到97～99％。

本发明将Cu源、Mn源、Mg源、Cr源、Zn源、Ti源、Be源和Al源进行熔炼，得到熔炼物；本发明优选将在熔炼炉中进行所述熔炼，本发明优选在装炉前先在所述熔炼炉中撒入二号溶剂将Cu源，Mn源，Cr源，Zn源，Ti源和Al源装入熔炼炉中，进行熔炼，当熔体软化下榻化平后，向炉内撒入二号溶剂粉，待上述炉料全部熔化，熔体温度达到720～740℃时，加入Mg源和Be源，加完后采用二号溶剂粉进行覆盖，搅拌后熔炼，得到熔炼物。

在装炉时，原则上应按从小到大的顺序进行，即将先装小块料，再装大块料，同时将熔点高的中间合金装在中上层，易烧损的金属装在中层。

在本发明中，所述Cu在所用的原料中的质量分数为1.4～2.0％，更优选为1.5～1.9％，最优选为1.7％；本发明优选采用纯Cu板进行所述熔炼，所述纯Cu板中Cu的质量分数≥99.95％。

在本发明中，所述Mn在所用的原料中的质量分数0.2～0.6％，更优选为0.3～0.5％，最优选为0.5％；本发明优选采用Al-Mn中间合金进行所述熔炼，所述Al-Mn中间合金中Mn的质量分数优选为14～16％，更优选为15％。

在本发明中，所述Cr在所用的原料中的质量分数为0.1～0.25％，优选为0.15％；本发明优选采用Al-Cr中间合金进行所述熔炼，所述Al-Cr中间合金中Cr的质量分数优选为3～5％，更优选为4％。

在本发明中，所述Zn在所用的原料中的质量分数为5.0～7.0％，优选为5.5～6.5％，更优选为6.0％；本发明优选采用纯锌锭进行所述熔炼，所述纯锌锭中Zn的质量分数优选≥99.99％。

在本发明中，所述Ti在所用的原料中的质量分数为0～0.1％，优选为0.02％；所述Ti可以细化晶粒和防止铸锭裂纹，本发明优选采用Al-Ti中间合金进行所述熔炼，所述Al-Ti中间合金中Ti的质量分数优选为3～5％，更优选为4％。

在本发明中，所述Mg在所用的原料中的质量分数为1.8～2.8％，优选为2.0～2.5％，最优选为2.3％；本发明优选采用纯Mg锭进行所述熔炼，所述纯Mg锭中Mg的质量分数优选≥99.95％。

在本发明中，所述Be的质量分数为0-0.0009％

在本发明中，所述Al在所用的原料中的质量分数与其他组分的质量分数之和为100％，本发明优选采用纯Al锭进行所述熔炼，所述纯Al锭中，Al的质量分数优选≥99.7％。

在本发明中，所述二号溶剂粉为市售产品，每次的使用量优选为上述原料总量的0.5～2％，更优选为1％。

在本发明中，所述熔炼过程中熔炼的炉膛温度优选为800～1050℃，更优选为900～1000℃，所述熔炼中熔体的温度优选为600～770℃，更优选为650～750℃；所述熔炼的时间优选为20～60min，更优选为30～50min。

完成所述熔炼后，本发明优选对得到的熔体进行取样，以便对熔体成分进行分析，然后根据上述各成分的含量要求进行相应的成分调整，所述调整的方法为本领域技术人员熟知的方法。具体的，根据送检结果决定是否冲淡或者补料，冲淡或者补料按量按以下公式进行：

若生产7A04铝合金铸锭长度4200mm，1次铸造4根，考虑氧化烧损5％，铸锭规格Φ650，该合金密度为2800kg/m³，则计算出总的投料量＝π×0.652/4×4.2×4×(1+5％)×2800≈17400kg。

以Cu元素为例，如果Cu元素炉前分析值为1.3％，需补到1.6％，

则需补含量40％的Al-Cu中间合金重量＝17400×(1.6％-1.3％)/40％≈130kg

如果Cu元素炉前分析值2.1％，需冲淡到1.9％，

则需冲淡用的AL99.70锭总量＝17400×(2.1％-1.9％)/1.9％≈180kg

注意补料或者冲淡前，应适当提高熔体温度至750℃以上，且加入的金属或者中间合金应干燥，防止放炮等事故。

本发明优选在炉门中间熔体进行取样，并在取样后采用所述二号溶剂粉进行覆盖。

完成成分调整后，本发明优选采用精炼管进行炉内氩气精炼，所述精炼的时间优选为15～30min，更优选为20min，所述精炼的温度优选为730～750℃，更优选为740℃；所述精炼时气泡的高度不应超过80mm。

完成所述精炼后，本发明优选将熔体进行静置，得到熔炼物，所述静置的时间优选≥25min。

得到熔炼物后，本发明将所述熔炼物依次进行在线除气、在线过滤和在线细化，得到在线处理产物。在本发明中，所述在线除气优选采用双转子除气精炼装置，所述精炼用气的流量优选为25～35L/min，更优选为30L/min；所述精炼的温度优选为715～725℃，更优选为720℃；所述转子的转速优选为290～310rpm，更优选为295～305rpm。

在本发明中，所述在线过滤优选采用单级30ppi陶瓷过滤板进行过滤；所述在线细化优选采用Al-5Ti-B丝。

完成在线处理后，本发明将得到的在线处理产物进行铸造，得到7A04铝合金，在本发明中，所述铸造的速度为14～25mm/min，优选为15～24mm/min；因为有适当高度的保温帽保温，因此，本发明可以采用很低的铸造速度进行铸造，以减小中心裂纹倾向，铸锭也不会出现严重冷隔产生横向裂纹。所述铸造的温度优选为730～760℃，更优选为740～750℃；所述铸造过程中冷却水的流量优选为15～30m³/h。在本发明中，所述铸造开始的时候，所述铸造速度优选为14～16mm/min，更优选为15mm/min，所述冷却水流量优选为14～16m³/h，更优选为15m³/h；当铸造长度达到300mm后，将所述铸造速度以(1mm/min)/50mm的速度增加，直至所述铸造速度达到24～26mm/min，更优选为25mm/min；所述冷却水的流量以(1m³/h)/50mm的速度增加((即铸造的长度达到300mm后，铸造长度每增加50mm，水流量增加1m³/h))，直到所述冷却水的流量达到28～30m³/h。本发明采用逐渐加强的水冷方法，由于一次水冷较弱，液穴较浅，不容易产生中心裂纹铸锭，二次水冷相对加强，冷却速度大大提高，使得得到的铝合金铸锭内部组织致密，提高了铸锭成型率和内部冶金质量。

本发明优选在浇口部液体尚有1/3时停水，当浇口部马上要脱离结晶器时停车，完成所述铸造。

完成所述铸造后，本发明优选对得到的铸锭进行退火，以去除应力，所述退火的温度优选为350～450℃，更优选为380～420℃；所述退火的时间优选为6～10小时，更优选为7～9小时。

完成退火后，本发明优选对所述退火得到的铝合金铸锭进行后处理，所述后处理包括铸锭锯切、加工和检测，所述后处理可根据实际的生产需要进行处理，本发明不做特殊的限定。

本发明还提供了一种7A04铝合金，按照上述技术方案所述的热顶铸造工艺制备得到。具体的，本发明可按照上述技术方案所述的工艺制备得到规格为φ650的7A04铝合金。

本发明按照GB/T 6519-2013变形铝、镁合金产品超声波检验方法对本发明得到的7A04铝合金进行了探伤检测，结果表明，本发明提供的7A04铝合金的探伤合格率为97～99％。

本发明按照GB/T 3246.1-2000变形铝及铝合金制品显微组织检验方法本发明得到的7A04铝合金进行了晶粒度检测，结果表明，本发明提供的7A04铝合金的晶粒度为Ⅰ级。

本发明提供了一种7A04铝合金的热顶铸造工艺，包括以下步骤：A)将Cu源、Mn源、Mg源、Cr源、Zn源、Ti源、Be源和Al源进行熔炼，得到熔炼物；B)将所述步骤A)得到的熔炼物依次进行在线除气、在线过滤和在线细化，得到在线处理产物；C)将所述步骤B)得到的在线处理产物进行铸造，得到7A04铝合金；所述铸造的速度为15～25mm/min；所述7A04铝合金包括以下质量分数的组分：1.4～2.0％的Cu，0.2～0.6％的Mn，1.8～2.8％的Mg，0.1～0.25％的Cr元素，5.0～7.0％的Zn，0～0.1％的Ti、0-0.0009％的Be和余量的Al。本发明提供的热顶铸造工艺采用了较低的铸造速度，以减小铸锭的中心裂纹倾向，而且，铸锭也不会出现严重冷隔产生横向裂纹，提高了铸锭成型率，并且，本发明在铸造前对合金进行了细化，提高了铸锭内部冶金质量，结果表明，采用本发明提供的热顶铸造工艺得到的7A04铝合金的探伤合格率在97～99％，铸锭晶粒度为Ⅰ级。

另外，由于本发明采用了逐渐加强的水冷方法，一次水冷较弱，液穴较浅，不容易产生中心裂纹铸锭，二次水冷相对加强，冷却速度大大提高，内部组织致密；由于取消了浮漂漏斗实现了同水平铸造，大大减少了氧化膜夹渣、光晶、化合物等低倍缺陷，从而极大地提高了本发明热顶铸造工艺铸锭成型率和内部冶金质量。

根据公司合金锻件生产数据统计，西南铝熔铸生产线7A04合金锻件圆锭坯年产量3000吨。若全采用热顶铸造方式生产，夹渣、光晶、化合物等低倍冶金缺陷废品将大为减少；生产有氧化膜、疏松特殊要求制品时在在线净化设备配置合理且净化工艺正常条件下，其氧化膜试片检测合格率可达99％以上；生产有探伤要求的特殊制品时探伤合格率可达到90％以上。

1、直接创效，降低成本：

按7A04合金热顶圆锭生产A类锻件A级探伤合格率97％计算，采用7A04合金热顶圆锭生产A类A级探伤锻件多产出7A04合金成品锻件＝7A04合金A类A探热顶圆锭坯投锻件产量×(7A04合金热顶铸造A类A探锻件探伤合格率-年7A04合金普通铸造A类A探锻件探伤合格率)

＝222.557吨×(97％-79.44％)＝222.557×17.56％＝39.081吨

锻造厂7A04合金A类A探锻件加工成本1.2万元/吨，锭坯成品原材料成本价14560+5000元/吨，废品折原材料成本价12860元/吨，则7A04合金Ф650圆锭热顶铸造技术推广应用降低成本、直接创效为：

＝多产出的锻件×(锻造加工成本+原材料投料成本损失)

＝39.081吨×(12000+14560+5000-12860)元/吨

＝730814元≈73万元

2、间接增效创利

随着国内航空业的发展，合金锻件市场需求大，供不应求，因此，7A04合金Ф650圆锭热顶铸造技术推广应用，预计每年可多产出7A04合金合格锻件＝3000吨×(97％-84.31％)＝380.7吨，间接增加了公司经济效益，7A04合金A级探伤锻件价格按市场均价6万元/吨计算，公司毛利润按2.8万元/吨(未冲减公司管理费用)计算，间接增效创利为：

＝380.7吨×2.8万元/吨＝1065.96万元

3、社会效益

本发明提供的7A04系合金圆铸锭热顶铸造工艺，将进一步缩短我国在熔铸技术方面与发达国家的差距，可在西南铝锻件锭坯熔铸机组中推广，推广应用到中铝西南铝圆铸锭熔铸生产线，生产出的高质量铸锭，将满足国内对大飞机材料的急切需要，有望实现航空材料7A04系大部分合金制品国产化，降低7A04系航空材料高价国外采购生产成本，有助于增强国内大飞公司产品市场竞争力。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种7A04铝合金的热顶铸造工艺进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。

在以下实施例中，所用的原材料符合以下要求：

重熔铝锭：Al≥99.7％；重熔镁锭：Mg≥99.95％；电解铜：Cu≥99.95％；锌锭：Zn≥99.99％；中间合金：Al-15Mn，Al-4Cr，Al-4Ti，Al-4Zr，Al-3Be：上述合金中，Fe、Si≤0.6％，其他≤0.1％。Al-10Fe：Si≤0.6％，其他≤0.1％。在线细化：Al-5Ti-BΦ9.5mm丝。

所用的辅助材料符合以下要求：

液氩：纯度≥99.98％，H₂O≤10ppm，[H₂]≤5ppm，[O₂]≤10ppm；2#熔剂：工业级；在线过滤：30ppi陶瓷过滤板。

合金配料时应合理搭配使用低铁硅铝锭和本身一级废料，高精铝锭用量≥50％，一级废料用量要求≤30％，配料时要求原材料表面清洁干净，铜、镁、锌元素直接以纯金属配料，其他以中间合金配料。

实施例1

生产铸锭长度4200mm、铸锭规格为Φ650的7A04铝合金。1次铸造4根，考虑氧化烧损5％，该合金密度为2800kg/m³，则计算出总的投料量＝π×0.652/4×4.2×4×(1+5％)×2800≈17400kg。

在熔炼炉中均匀撒入40kg的2#溶剂粉，然后将296kg纯Cu板、464kgAl-Mn中间合金、653kgAl-Cr中间合金、1044kg纯Zn锭、87kgAl-Ti中间合金和14457kgAL锭按从小到大的顺序进行装炉，即将先装小块料，再装大块料，同时将熔点高的中间合金装在中上层，易烧损的金属装在中层。熔炼炉的炉膛温度控制在≤1050℃，熔体温度控制在≤770℃，当熔体软化下塌及化平后，向炉内均匀撒入80kg的2#熔剂粉，并适时搅拌金属。

炉料全部熔化完后，熔体温度达到730℃左右时加入400kg Mg锭和5.2kg的Al-Be中间合金。加入过程及加完后用2#熔剂粉54kg覆盖，使用量以完全覆盖住为准。加完后应进行彻底搅拌，并将温度调整稳定在740℃左右，约过20分钟后进行炉前取样。

取样必须在炉门中间熔体进行，根据炉前快速分析结果和上述技术方案中的控制要求进行成分调整。

成分调整完成后，采用精炼管进行炉内氩气精炼，精炼时间20分钟，精炼温度740℃左右，精炼时气泡高度不应超过80mm。

精炼完成后应进行静置，静置时间至少25分钟。

将静置后的熔体采用双转子除气精炼装置进行在线除气，精炼用气量为30L/min，精炼温度为720±5℃，转子转速为300±5rpm；然后采用单级30ppi陶瓷过滤板进行在线过滤，更换过滤板时要求检查过滤板的完整性，并保证安装到位，小心放上配重物，并进行适当烘烤；然后按照1.5kg/t的量加入Al-5Ti-B丝，进行在线细化。

完成在线处理后，将熔体进行铸造，铸造温度为730℃，铸造开始时，铸造起车速度为15mm/min，冷却水流量为15m³/h，待铸造长度达到300mm以后，将铸造速度以(1mm/min)/50mm的增量调整至25mm/min，将冷却水流量以(1m³/h)/50mm的增量调整至30m³/h。

铸造收尾时当浇口部液体尚有1/3时停水，当浇口部马上要脱离结晶器时停车，严禁将水滴到浇口部。

铸造完成后，在360℃下退火8小时，然后对铸锭进行相应的进行锯切，锯切浇口部和底部均约350mm，得到7A04铝合金。

本发明按照上述技术方案对本发明得到的7A04铝合金进行探伤检测，结果表明，本实施例得到的7A04铝合金的探伤合格率为99％。

由以上实施例可以看出，本发明提供的7A04系铝合金的热顶铸造工艺能够提高合金的铸锭成型率和探伤合格率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种7A04铝合金的热顶铸造工艺，包括以下步骤：

A)将Cu源、Mn源、Mg源、Cr源、Zn源、Ti源、Be源和Al源进行熔炼，得到熔炼物；

B)将所述步骤A)得到的熔炼物依次进行在线除气、在线过滤和在线细化，得到在线处理产物；

C)将所述步骤B)得到的在线处理产物进行铸造，得到7A04铝合金；所述铸造的速度为15～25mm/min；

所述7A04铝合金包括以下质量分数的组分：1.4～2.0％的Cu，0.2～0.6％的Mn，1.8～2.8％的Mg，0.1～0.25％的Cr元素，5.0～7.0％的Zn，0～0.1％的Ti、0-0.0009％的Be和余量的Al。

2.根据权利要求1所述的热顶铸造工艺，其特征在于，所述熔炼的炉气温度为800～1050℃。

3.根据权利要求1所述的热顶铸造工艺，其特征在于，所述步骤A)具体包括以下步骤：

将Cu源，Mn源，Cr源，Zn源，Ti源和Al源进行熔炼，待炉料全部融化后，加入Mg源和Be源，进行熔炼，得到熔炼物。

4.根据权利要求1所述的热顶铸造工艺，其特征在于，所述在线除气的温度为715～725℃；

所述在线除气的气体流速为25～35L/min。

5.根据权利要求1所述的热顶铸造工艺，其特征在于，所述在线细化采用Al-5Ti-B丝进行。

6.根据权利要求1所述的热顶铸造工艺，其特征在于，所述铸造的速度为18～22mm/min。

7.根据权利要求1所述的热顶铸造工艺，其特征在于，所述铸造的温度为730～760℃。

8.根据权利要求1所述的热顶铸造工艺，其特征在于，所述铸造过程中冷却水的流量为14～30m³/h。

9.根据权利要求1所述的热顶铸造工艺，其特征在于，当所述铸造的长度在0mm～300mm之间时，所述铸造过程中冷却水的流量为14～16m³/h；

当所述铸造的长度＞300mm时，将所述铸造过程中冷却水的流量以(1m³/h)/50mm的速度增加，直到所述冷却水的流量达到28～30m³/h。

10.如权利要求1～9任意一项所述的热顶铸造工艺制得的7A04铝合金。