CN104480359A - 一种超大规格高镁含量铝合金扁锭及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种最大厚度达1000mm、最大宽度达2670mm、最大长度8000mm的超大规格高镁含量铝合金扁锭及其制造方法。按质量百分比由Si＜0.35%,Fe＜0.35%,Cu＜0.15%,Mn=0.20%～1.0%,Mg=4.0%～6.5%,Cr＜0.25%,Zn＜0.25%,Ti＜0.15%,B＜0.005%,及Al等制成。本发明方法消除了扁锭铸造应力，合金微观组织均匀，晶粒细小，铸锭无裂纹，铸锭力学性能良好。该大规格扁锭经过均匀化处理后，通过机加工，将扁锭分切成10~1000mm的厚板或铸块，用于轧制、模具制造及其它机加工零件，广泛应用于工模具、交通、运输航空航天、造船、车辆等领域。

Description

一种超大规格高镁含量铝合金扁锭及其制造方法
技术领域
    本发明涉及一种铝合金加工方法，尤其是一种超大规格高镁含量铝合金扁锭及其制造方法。
背景技术
高镁含量5XXX系铝镁合金具有密度小，比强度高的特性，被广泛应用于航空航天、交通运输、模具制造以及其它民用领域。工业领域对大规格高镁含量5XXX系铝合金扁铸锭的需求相对较大，但是大规格高镁含量5XXX系铝合金扁铸锭铸造非常困难，容易产生各种铸造缺陷和差的铸锭质量，这是因为：
1、随着镁含量的增加，其结晶区间增大，在铸造过程中产生大的铸造应力，极易导致铸锭开裂。
2、高镁5XXX系铝合金熔体的黏度加大，熔体易产生氧化夹渣，其表面氧化膜强度低，因此高镁含量5XXX系铝合金扁随着镁含量的增加其产生表面拉裂缺陷倾向加大。
3、随着镁含量增加，铝液表面氧化膜吸氢的倾向性增大，造成熔体氢含量增加，易使铸锭产生气孔、疏松等缺陷。
4、随着扁锭规格的增大，特别是铸锭厚度增加，易导致扁锭结晶组织不均匀，铸锭存在明显的镁偏析。
由于以上原因，国内目前生产的含镁高于3.5%的5XXX系铝合金扁锭规格普遍较小，厚度多在600mm以下，还不具备生产650mm以上厚度的高镁铝合金扁锭的技术。
现有技术无法克服大规格高镁5XXX系铝镁合金扁铸锭铸造时易产生裂纹，铸锭易产生镁偏析和晶粒粗大、疏松等缺陷的问题，不能生产质量优良的大规格高镁5XXX系铝镁合金扁铸锭。
发明内容
本发明的目的在于解决铸造大规格高镁5XXX系铝镁铝合金扁锭时易开裂，铸锭组织晶粒粗大，表面偏析严重，容易产生疏松缺陷等问题，铸造出无冶金缺陷，晶粒度小于1级的，最大厚度达到1000mm、最大宽度达到2670mm、最大长度可达8000mm的超大规格高镁含量5XXX系铝合金扁锭，扩大应用范围。
本发明采取的技术方案如下：
一种超大规格高镁含量铝合金扁锭，其特征在于：按质量百分比由Si＜0.35%,Fe＜0.35%,Cu＜0.15%,Mn=0.20%～1.0%,Mg=4.0%～6.5%,Cr＜0.25%,Zn＜0.25%,Ti＜0.15%, Be=0.0002%～0.0045%,B＜0.005%,Na＜0.0003%,其余为Al和不可避免的其它杂质制成。
所述不可避免的其它杂质系指每种杂质＜0.05%, 其它杂质总量＜0.15% 。
所述扁锭最大厚度达到1000mm，最大宽度达到2670mm，最大长度达到8000mm。
超大规格高镁含量铝合金扁锭的制造方法，其特征在于按如下步骤进行：
（1）、按权利要求1所确定的合金元素的质量百分比，分别称取重熔用铝锭、铝锰中间合金、纯镁锭、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝铍中间合金，然后将重熔用铝锭、铝锰中间合金、纯镁锭、铝铬中间合金加入到干燥的熔炼炉中进行熔炼成铝液；在熔炼过程中打开电磁搅拌器进行充分搅拌；除了钛元素、铍元素外，其它合金元素成分调整合格后，铝液温度调整到740~750℃之后转到保温炉；
（2）、在保温炉加入铝钛中间合金和铝铍中间合金，进行电磁搅拌和炉内精炼，精炼气体为氩气与氯气的混合气体；氩气与氯气的体积百分比为氩气：氯气=8~9：2~1，精炼时间15~20分钟，保温炉熔体温度调整到685~730℃；
（3）通过3级或3级以上连续在线除气工艺和CFF在线过滤对步骤二得到的熔体进行除气精炼和过滤除渣；精炼气体为氩气和氯气的混合气体，氯气所占体积比为0.5%~3%,氯气流量为15~20L/min；在线过滤装置所用泡沫陶瓷过滤板孔隙率为30ppi；经过在线除气和过滤除渣后，应使铝合金熔体氢含量≤0.11ml/100gAl,碱金属钠的含量降低到Na＜0.0003%；
（4）将步骤3得到的铝液放流到分配流槽，进入到事先准备好的油润滑扁锭结晶器进行铸造；
（5）扁锭均匀化退火处理，均匀化退火工艺为： 420±10℃保温1~5小时＋510±20℃保温8~18小时。
所述采用油润滑扁锭结晶器，在铸造时以脉冲方式向结晶器内表面连续供应润滑油，以减少扁锭表面与结晶器内表面之间的摩擦阻力，防止扁锭表面产生拉裂或拉痕；扁锭结晶器为双排水孔结构，在铸造长度达到200mm以前，只打开二次冷却水冷却，单个结晶器水流量为13~15m3/hr，稳定铸造阶段一次冷却水和二次冷却水同时打开，单个结晶器水流量为58~82 m3/hr，铸造速度为23~45 mm/min；结晶器金属液位高度为70~100mm。
本发明的有益效果：
本发明方法制造的一种最大厚度达到1000mm、最大宽度达到2670mm、最大长度可达8000mm的超大规格高镁含量5XXX系铝合金扁锭，通过严格控制合金成分，使用电磁搅拌器对铝熔体进行充分搅拌，在保温炉内添加铝钛中间合金和铝铍中间合金，不需要在线添加铝钛硼丝晶粒细化剂，并通过在保温炉内通入氩氯混合气体精炼和多级在线除气精炼和泡沫陶瓷过滤板过滤除渣，在铸造过程中制定合理的铸造温度、铸造速度、冷却水流量和精确控制结晶器金属液位高度，制定合理的均匀化处理温度，成功制造出国内最大厚度规格铝合金扁铸锭。本发明的方法消除了扁锭铸造应力，合金微观组织均匀，扁锭心部、四分之一对角线处及边部晶粒度都小于80μm，疏松小于1级，壳层小于1.8mm，铸锭无裂纹，铸锭力学性能良好。
该大规格扁锭经过均匀化处理后，可以通过锯切等机加工方式，将扁锭分切成10~1000mm厚度的厚板或铸块，可用于轧制、模具制造及其它机加工零件，广泛应用于工模具、交通运输（航空航天、造船、车辆）等领域。
附图说明
图1是本发明工艺流程图。
具体实施方法
    以下结合附图给出本发明的具体实施方法，用来对发明的构成做进一步说明。
本发明的一种超大规格高镁含量铝合金扁铸锭及其制造工艺其技术方案如下：
1、按合金元素的质量百分比Si＜0.35%,Fe＜0.35%,Cu＜0.15%,Mn=0.20%～1.0%,Mg=4.0%～6.5%,Cr＜0.25%,Zn＜0.25%,Ti＜0.15%, Be=0.0002%～0.0045%,B＜0.005%,Na＜0.0003%,其余为Al进行配料，将重熔用铝锭、铝锰中间合金、纯镁锭、铝铬中间合金加入到干燥的熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为730~770℃。在熔炼过程中打开电磁搅拌器进行充分搅拌。
2、除了钛元素、铍元素外，其它合金元素成分调整合格后，铝液温度调整到740~750℃之后转到保温炉。在保温炉加入铝钛中间合金和铝铍中间合金，并进行电磁搅拌。
3、为了有效降低熔体氢含量，防止扁锭产生气孔、疏松、夹渣等组织缺陷，采用炉内除气精炼结合多级在线旋转喷头除气精炼方式对铝熔体进行除气精炼。精炼气体为氩气与氯气的混合气体，炉内精炼氩气与氯气的体积百分比为氩气：氯气=8～9：2～1，精炼时间15~20分钟。在线除气精炼为3转子或超过3转子以上连续精炼，在线除气精炼气体中氯气所占体积比为0.5%~3%,氯气流量为15~20L/min。在整个铸造过程中，使用氮气充满除气箱反应室液面以上空间，以减少铝液与空气接触的机会而造成熔体氧化。
4、高镁铝合金熔体易产生氧化夹渣，因此为了获得洁净的铝熔体，除气精炼后，使用30ppi泡沫陶瓷过滤板进行在线过滤除渣处理。经过在线除气和过滤除渣后，使高镁5XXX系铝合金熔体氢含量≤0.11ml/100gAl,碱金属钠的含量降低到Na＜0.0003%。
5、铝熔体经在线除气和过滤后，在685~720℃的铸造温度下，利用DC半连续铸造法铸造成超大规格5XXX系铝合金扁锭。为了解决大规格高镁5XXX系铝合金扁锭铸造时易产生裂纹，铸锭易产生镁偏析和晶粒粗大、疏松缺陷的问题，本发明的一种超大规格的高镁含量5XXX铝合金扁铸锭及其制造工艺，采用油润滑结晶器，在铸造时以脉冲方式向结晶器内表面连续供应润滑油，以减少扁锭表面与结晶器内表面之间的摩擦阻力，防止扁锭表面产生拉裂或拉痕。在保持铸造温度稳定的情况下，本发明通过控制和调整铸锭冷却方式和冷却水流量、铸造速度、结晶器金属液位高度，来达到稳定铸造、防止铸锭裂纹缺陷和减小Mg偏析的目的。扁锭结晶器为双排水孔结构，在铸造长度达到200mm以前，只打开二次冷却水冷却，单个结晶器水流量为13~15m3/hr，稳定铸造阶段一次冷却水和二次冷却水同时打开，单个结晶器水流量为58~82 m3/hr。铸造速度为23~45 mm/min。结晶器金属液位高度为70~100mm。本发明的制造工艺，通过采用双排冷却水孔结晶器且在铸造开始阶段只打开二次冷却水冷却，推迟铸锭见水时间，同时降低铸造开始阶段冷却水流量，有利于减小铸锭底部翘曲程度，防止铸锭底部裂纹的产生，有利于提高铸造成功率和铸造安全性。
6、为了使扁锭内部组织均匀，充分消除铸造应力，提高扁锭性能，本发明的一种超大规格的高镁5XXX系铝合金扁锭及其制造工艺，对铸造出来的扁锭进行双级均匀化退火处理，均热工艺为：420±10℃保温1~5小时＋510±20℃保温8~18小时。
7、可以通过锯切等机加工方式，将扁锭分切成10~1000mm的厚板或铸块，可用于轧制、模具制造成及其它机加工零件。
实施例1：
本实施例中的一种超大规格5XXX系铝合金扁锭按质量百分比由Si＜0.25%,Fe＜0.30%,Cu＜0.10%,Mn=0.60%~1.0%,Mg=4.45%~4.85%,Cr=0.05%~0.22%,Zn＜0.25%,Ti=0.005%~0.10%, Be=0.0002%~0.0015%, B＜0.005%，Na＜0.0003%,其余为Al及其它不可避免的杂质制成（每种杂质＜0.05%,其它杂质总量＜0.15%）。
本实施例按以下步骤进行：
1.按质量百分比Si＜0.25%,Fe＜0.30%,Cu＜0.10%,Mn=0.60%~1.0%,Mg=4.45%~4.85%,Cr=0.05%~0.22%,Zn＜0.25%,Ti=0.005%~0.10%, Be=0.0002%~0.0015%, B＜0.005%，Na＜0.0003%,其余为Al，分别称取重熔用铝锭、铝锰中间合金、纯镁锭、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝铍中间合金等，然后将重熔用铝锭、铝锰中间合金、纯镁锭、铝铬中间合金加入到干燥的熔炼炉中进行熔炼成铝液。在熔炼过程中打开电磁搅拌器进行充分搅拌。
2.除了钛元素、铍元素外，其它合金元素成分调整合格后，铝液温度调整到740~750℃之后转到保温炉。
3.在保温炉加入铝钛中间合金和铝铍中间合金，进行电磁搅拌和炉内精炼。铝液温度调整到685~730℃。本实施方案步骤三的关键是在保温炉加入铝钛中间合金和铝铍中间合金，在加入中间合金的同时进行电磁搅拌并通入工艺气体进行炉内精炼，工艺气体为氩气与氯气的混合气体，氩气与氯气的比例为氩气：氯气=8.0~8.5：2.0~1.5，精炼时间为15~20分钟。
4.待保温炉内熔体成分和温度都调整合格后通过多级连续在线除气处理工艺和CFF在线过滤对铝熔体进行除气精炼和过滤除渣。在线除气装置反应腔通入氩氯混合气体，氯气所占体积比为0.5%~3%,氯气流量为15~20L/min,泡沫陶瓷过滤板的规格为30ppi。在位于在线除气装置最后一个反应腔室出口流槽用ALSCANI测氢仪监测铝熔体氢含量。在分配流槽入口处取金属试样检测化学成分。经过在线除气和过滤除渣后，5XXX系铝合金熔体氢含量≤0.11ml/100gAl,碱金属钠的含量降低到Na＜0.0003%。
5.利用DC半连续铸造法铸造成1000mm厚 x 1750mm宽x7000mm长的超大规格5XXX系铝合金扁锭。主要参数按如下要求控制：保温炉铝液温度690~730℃，分配流槽入口铝液温度：685~720℃，结晶器冷却水流量采取分段控制，单个结晶器水流量为13~60立方米/小时，铸造速度采取分段控制，铸造速度为23mm~25mm/分钟，结晶器金属液位高度100mm。
6.扁锭均匀化退火处理。本实施方式的均匀化退火工艺为： 410~420℃保温2小时＋500~510℃，保温8~12小时。
7.本实施方式所制造的超大规格5XXX系铝合金扁锭，合金微观组织均匀，晶粒度小于1级，铸锭心部、四分之一对角线处及边部晶粒均小于80μm，疏松小于1级，壳层小于1.8mm，铸锭无裂纹，Mg偏析不明显。
实施例2：
本实施例中的一种超大规格5XXX系铝合金扁锭按质量百分比由Si＜0.12%,Fe＜0.20%,Cu＜0.15%,Mn=0.30%~0.45%,Mg=4.0%~4.5%,Cr＜0.08%,Zn＜0.20%,Ti=0.002%~0.008%, Be=0.0002%~0.0008%, B＜0.005%，Na＜0.0003%,其余为Al及其它不可避免的杂质制成（每种杂质＜0.05%,其它杂质总量＜0.15%）。
本实施例按以下步骤进行（除步骤1和5外，其余步骤与具体实施例1相同）：
1.按质量百分比Si＜0.12%,Fe＜0.20%,Cu＜0.15%,Mn=0.30%~0.45%,Mg=4.0%~4.5%,Cr＜0.08%,Zn＜0.20%,Ti=0.002%~0.008%, Be=0.0002%~0.0008%, B＜0.005%，Na＜0.0003%,其余为Al分别称取重熔用铝锭、铝锰中间合金、纯镁锭、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝铍中间合金等，然后将重熔用铝锭、铝锰中间合金、纯镁锭、铝铬中间合金加入到干燥的熔炼炉中进行熔炼成铝液。在熔炼过程中打开电磁搅拌器进行充分搅拌。
5. 利用DC半连续铸造法铸造成650mm厚 x 2670mm宽 x 8000mm长的超大规格5XXX系铝合金扁锭，主要参数按如下要求控制：保温炉铝液温度690~730℃，分配流槽入口铝液温度：685~720℃，结晶器冷却水流量采取分段控制，单个结晶器水流量为15~82立方米/小时，铸造速度采取分段控制，铸造速度为35mm~44mm/分钟，稳定铸造时结晶器金属液位高度73mm。
实施例3：
本实施例中的一种超大规格5XXX系铝合金扁锭按质量百分比由Si＜0.35%,Fe＜0.35%,Cu＜0.09%,Mn=0.60%~0.70%,Mg=6.0%~6.5%, Zn＜0.18%,Ti=0.04%~0.10%, Be=0.0005%~0.0045%, B＜0.005%，Na＜0.0003%,其余为Al及其它不可避免的杂质制成（每种杂质＜0.05%,其它杂质总量＜0.15%）。
本实施例按以下步骤进行（除步骤1和5外，其余步骤与具体实施例1相同）：
1.按质量百分比Si＜0.35%,Fe＜0.35%,Cu＜0.09%,Mn=0.60%~0.70%,Mg=6.0%~6.5%, Zn＜0.18%,Ti=0.04%~0.10%, Be=0.0005%~0.0045%, B＜0.005%，Na＜0.0003%,其余为Al分别称取重熔用铝锭、铝锰中间合金、纯镁锭、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝铍中间合金等，然后将重熔用铝锭、铝锰中间合金、纯镁锭、铝铬中间合金加入到干燥的熔炼炉中进行熔炼成铝液。在熔炼过程中打开电磁搅拌器进行充分搅拌。
5. 利用DC半连续铸造法铸造成650mm厚 x 2670mm宽 x 8000mm长的超大规格5XXX系铝合金扁锭，主要参数按如下要求控制：保温炉铝液温度690~730℃，分配流槽入口铝液温度：685~720℃，结晶器冷却水流量采取分段控制，单个结晶器水流量为15~82立方米/小时，铸造速度采取分段控制，铸造速度为35mm~45mm/分钟，稳定铸造时结晶器金属液位高度70mm。

Claims (4)

1.一种超大规格高镁含量铝合金扁锭，其特征在于：按质量百分比由Si＜0.35%,Fe＜0.35%,Cu＜0.15%,Mn=0.20%～1.0%,Mg=4.0%～6.5%,Cr＜0.25%,Zn＜0.25%,Ti＜0.15%, Be=0.0002%～0.0045%,B＜0.005%,Na＜0.0003%,其余为Al和不可避免的其它杂质制成。
2.根据权利要求1所述的超大规格高镁含量铝合金扁锭，其特征在于：所述扁锭最大厚度达到1000mm，最大宽度达到2670mm，最大长度达到8000mm。
3.根据权利要求1所述的超大规格高镁含量铝合金扁锭的制造方法，其特征在于按如下步骤进行：
（1）、按权利要求1所确定的合金元素的质量百分比，分别称取重熔用铝锭、铝锰中间合金、纯镁锭、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝铍中间合金，然后将重熔用铝锭、铝锰中间合金、纯镁锭、铝铬中间合金加入到干燥的熔炼炉中进行熔炼成铝液；在熔炼过程中打开电磁搅拌器进行充分搅拌；除了钛元素、铍元素外，其它合金元素成分调整合格后，铝液温度调整到740~750℃之后转到保温炉；
（2）、在保温炉加入铝钛中间合金和铝铍中间合金，进行电磁搅拌和炉内精炼，精炼气体为氩气与氯气的混合气体；氩气与氯气的体积百分比为氩气：氯气=8~9：2~1，精炼时间15~20分钟，保温炉熔体温度调整到685~730℃；
（3）通过3级或3级以上连续在线除气工艺和CFF在线过滤对步骤二得到的熔体进行除气精炼和过滤除渣；精炼气体为氩气和氯气的混合气体，氯气所占体积比为0.5%~3%,氯气流量为15~20L/min；在线过滤装置所用泡沫陶瓷过滤板孔隙率为30ppi；经过在线除气和过滤除渣后，应使铝合金熔体氢含量≤0.11ml/100gAl,碱金属钠的含量降低到Na＜0.0003%；
（4）将步骤3得到的铝液放流到分配流槽，进入到事先准备好的油润滑扁锭结晶器进行铸造；
（5）扁锭均匀化退火处理，均匀化退火工艺为： 420±10℃保温1~5小时＋510±20℃保温8~18小时。
4.根据权利要求3所述的超大规格高镁含量铝合金扁锭的制造方法，其特征在于：采用油润滑扁锭结晶器，在铸造时以脉冲方式向结晶器内表面连续供应润滑油，以减少扁锭表面与结晶器内表面之间的摩擦阻力，防止扁锭表面产生拉裂或拉痕；扁锭结晶器为双排水孔结构，在铸造长度达到200mm以前，只打开二次冷却水冷却，单个结晶器水流量为13~15m3/hr，稳定铸造阶段一次冷却水和二次冷却水同时打开，单个结晶器水流量为58~82 m3/hr，铸造速度为23~45 mm/min；结晶器金属液位高度为70~100mm。
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