CN106893870A - 一种熔融铝合金凝固时缺陷调控方法 - Google Patents

一种熔融铝合金凝固时缺陷调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种熔融铝合金凝固时缺陷调控方法，由熔融工艺控制方法和凝固保温控制方法组成；其中，熔融工艺控制方法包括铝液中含气量控制方法和夹渣控制方法；凝固保温控制方法包括冒口补缩方法、顺序凝固方法和裂纹控制方法。本发明综合利用排气除渣、冒口补缩、顺序冷凝和时效处理方法，能够有效降低铸造铝合金中出现凝固缺陷的概率，提高铸造铝合金的力学性能和适用范围。

Description

一种熔融铝合金凝固时缺陷调控方法
技术领域
本发明涉及铝基合金领域，具体涉及一种熔融铝合金凝固时缺陷调控方法。
背景技术
铸造法是制造铝合金的最为重要的方法之一。铸造铝合金时包括炉料的熔炼和铝液的铸造成型两大步骤。其中炉料熔炼时尤为重要的工艺技术控制手段可以概括为：氢气及杂质气体溶解量排除与控制、铝液精炼控制及氧化物夹杂有效控制。熔化铝液铸造成型时尤为重要的工艺过程则包含有：浇铸控制技术、凝固缺陷控制技术以及热应力控制技术等。
由于铝元素同氢和氧的化学反应活性高，因此在熔化铝液中往往容易溶解部分氢气，并且氧化形成氧化铝夹渣。使用这样未精炼的铝液进行铸造往往容易导致铝合金铸件中形成气孔和夹渣缺陷，严重影响铝合金的使用性能。
熔化铝液在采用金属型模铸造成型时，也必须通过凝固控制技术进行铸造控制，才有利于制造出结构性能优良的铸件。熔化铝液在进行金属型模浇铸时，由于模具设计不合理，容易出现浇不足现象，使铸件形状残缺；浇铸后在铸件凝固过程中，由于补缩不充分不及时，以及凝固次序的影响，在形成的铸件中容易出现明显的中部缩松和广泛分布的缩孔，造成产品残次；而从高温的熔化铝液凝固形成常温铝合金铸件的过程中，由于巨大的温度差导致铸件中残存可观的结构热应力，容易形成热裂，降低铝合金的承载能力。
对于以上提到的气孔、夹渣、浇不足、缩松缩孔以及热裂等铸造缺陷，对铝合金铸件产品质量产生极为不利的影响，它们严重降低了铸造铝合金的使用性能和使用寿命，因此必须通过适当的调控方法避免产生重大缺陷。
中国专利CN201310409391.8公开了一种铝合金铸造成型工艺，通过模具喷涂涂料和低压铸造的方法降低了铸件的凝固缺陷率，但该方法对铸件的要求高，且使用效率偏低，控制水平差。
因此，针对上述问题，需要一种针对熔融铝合金凝固时缺陷的调控方法。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种熔融铝合金凝固时缺陷调控方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种熔融铝合金凝固时缺陷调控方法，由熔融工艺控制方法和凝固保温控制方法组成；其中熔融工艺控制方法包括铝液中含气量控制方法和夹渣控制方法；凝固保温控制方法包括冒口补缩方法、顺序凝固方法和裂纹控制方法。
进一步地，缺陷调控方法处理后的铝合金铸件中：细小气孔的平均粒径≤0.5μm，裂纹缝隙≤5μm，无明显的低密度中心缩松区。
进一步地，含气量控制方法具体为：使用反射炉将铝合金加热至660℃～700℃熔化成液相合金铝液I；按照4.5～5.5：2.8～3.4：2.2～2.6：1.5～2:1：0.8～1.2的体积比，以10L/min～20L/min的流速通入Ar、Ne、N2、CO、Cl2组成的混合气体25min～40min，去除液相合金铝液I中的杂质气体，得到液相合金铝液II。
进一步地，夹渣控制方法具体为：在680℃～700℃时向液相合金铝液II中加入其质量1％～3％的精炼剂，待气泡不再上浮后静置8min～15min，扒去夹渣，随后将液相合金铝液II的温度迅速升高至720℃～730℃，得到液相合金铝液III，准备铸造。
更进一步地，精炼剂由下述质量百分数的原料混合压块而成：ZnCl2 30％～50％，TiCl4 15％～30％，C2Cl6 10％～20％，NaBF4 10％～20％，Na3AlF6 5％～10％。
进一步地，冒口补缩方法具体为：以灰口铸铁制作腔室内部光滑无毛刺尖角的金属型模，将金属型模保温升温至250℃～300℃，在熔化铝液铸造入口处添加明冒口，以2m/s～5m/s的流速将液相合金铝液III浇铸到金属型模中，对冒口及型模连接处进行保温处理，得到铸型后的金属型模。
进一步地，顺序凝固方法具体为：将铸型后的金属型模转移至150℃～200℃的热砂中，保温3h～4h，再在保温热砂外围进行循环水冷却1h～2h，自冒口向下方向分三段逐步撤出循环冷却水，使铝合金铸件顺序凝固，得到铝合金铸件I。
更进一步地，三段逐步撤出循环冷却水的水温和保温时间依次为：第一段：80℃～95℃/1h～3h；第二段：40℃～70℃/2h～4h；第三段：30℃～40℃/3h～4h。
进一步地，裂纹控制方法具体为：将铝合金铸件I加热至380℃～420℃，然后水淬至120℃～150℃，再加热至300℃～330℃，连续处理三次后，自然冷却至室温，消除铝合金铸件I中的热应力。
更进一步地，热应力的残余量≤15MPa。
本发明的优点是：
1.本发明综合利用排气除渣、冒口补缩、顺序冷凝和时效处理方法，能够有效降低铸造铝合金中出现凝固缺陷的概率，提高铸造铝合金的力学性能和适用范围；
2.本发明通过金属型模合理设计和冒口补缩方法综合利用，能够使熔化铝液充分铸满模具，使铸件残缺率显著下降，降低发生缩松的可能性；
3.本发明通过冷却砂和循环水分段作用，能够有效控制铸件成型时的凝固次序，使铸件由上及下、由内至外顺序凝固，提高了铸件产品质量。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
一种熔融铝合金凝固时缺陷调控方法，由熔融工艺控制方法和凝固保温控制方法组成；其中，熔融工艺控制方法包括铝液中含气量控制方法和夹渣控制方法；凝固保温控制方法包括冒口补缩方法、顺序凝固方法和裂纹控制方法；具体包括以下步骤：
步骤S1，含气量控制方法：使用反射炉将铝合金加热至660℃熔化成液相合金铝液I；按照4.5：2.8：2.2：1.5：0.8的体积比，以10L/min的流速通入Ar、Ne、N2、CO、Cl2组成的混合气体25min，去除液相合金铝液I中的杂质气体，得到液相合金铝液II；其中，混合气体中的氧含量为0.02％，水分为0.03g/m3；杂质气体的溶解度在700℃时为0.05mL/(100g)；
步骤S2，夹渣控制方法：在680℃时向液相合金铝液II中加入其质量1％的精炼剂，待气泡不再上浮后静置8min，扒去夹渣，随后将液相合金铝液II的温度迅速升高至720℃，得到液相合金铝液III，准备铸造；其中精炼剂由下述质量百分数的原料混合压块而成：ZnCl2 30％，TiCl4 30％，C2Cl6 20％，NaBF4 10％，Na3AlF6 10％；
步骤S3，冒口补缩方法：以灰口铸铁制作腔室内部光滑无毛刺尖角的金属型模，将金属型模保温升温至250℃，在熔化铝液铸造入口处添加明冒口，以2m/s的流速将液相合金铝液III浇铸到金属型模中，对冒口及型模连接处进行保温处理，得到铸型后的金属型模；其中，金属型模的厚度是铸件最大厚度的1.1倍；明冒口的最大底部直径为90mm，高度为铸件最大直径的的1.05倍；
步骤S4，顺序凝固方法：将铸型后的金属型模转移至150℃的热砂中，保温3h，再在保温热砂外围进行循环水冷却1h，自冒口向下方向分三段逐步撤出循环冷却水，使铝合金铸件顺序凝固，得到铝合金铸件I；其中，三段逐步撤出循环冷却水的水温和保温时间依次为：第一段：80℃/1h；第二段：40℃/2h；第三段：30℃/3h；
步骤S5，裂纹控制方法：将铝合金铸件I加热至380℃，然后水淬至120℃，再加热至300℃，连续处理三次后，自然冷却至室温，消除铝合金铸件I中的热应力；其中，热应力的残余量为15MPa。
经过缺陷调控方法处理后的铝合金铸件中：细小气孔的平均粒径为0.5μm，裂纹缝隙为5μm，无明显的低密度中心缩松区。
实施例2
一种熔融铝合金凝固时缺陷调控方法，由熔融工艺控制方法和凝固保温控制方法组成；其中，熔融工艺控制方法包括铝液中含气量控制方法和夹渣控制方法；凝固保温控制方法包括冒口补缩方法、顺序凝固方法和裂纹控制方法；具体包括以下步骤：
步骤S1，含气量控制方法：使用反射炉将铝合金加热至700℃熔化成液相合金铝液I；按照5.5：3.4：2.6：2:1：1.2的体积比，以20L/min的流速通入Ar、Ne、N2、CO、Cl2组成的混合气体40min，去除液相合金铝液I中的杂质气体，得到液相合金铝液II；其中，混合气体中的氧含量为0.01％，水分为0.02g/m3；杂质气体的溶解度在700℃时为0.04mL/(100g)；
步骤S2，夹渣控制方法：在700℃时向液相合金铝液II中加入其质量3％的精炼剂，待气泡不再上浮后静置15min，扒去夹渣，随后将液相合金铝液II的温度迅速升高至730℃，得到液相合金铝液III，准备铸造；其中精炼剂由下述质量百分数的原料混合压块而成：ZnCl2 50％，TiCl4 15％，C2Cl6 10％，NaBF4 20％，Na3AlF6 5％；
步骤S3，冒口补缩方法：以灰口铸铁制作腔室内部光滑无毛刺尖角的金属型模，将金属型模保温升温至300℃，在熔化铝液铸造入口处添加明冒口，以5m/s的流速将液相合金铝液III浇铸到金属型模中，对冒口及型模连接处进行保温处理，得到铸型后的金属型模；其中，金属型模的厚度是铸件最大厚度的1.3倍；明冒口的最大底部直径为90mm，高度为铸件最大直径的的1.2倍；
步骤S4，顺序凝固方法：将铸型后的金属型模转移至200℃的热砂中，保温4h，再在保温热砂外围进行循环水冷却2h，自冒口向下方向分三段逐步撤出循环冷却水，使铝合金铸件顺序凝固，得到铝合金铸件I；其中，三段逐步撤出循环冷却水的水温和保温时间依次为：第一段：95℃/3h；第二段：70℃/4h；第三段：40℃/4h；
步骤S5，裂纹控制方法：将铝合金铸件I加热至420℃，然后水淬至150℃，再加热至330℃，连续处理三次后，自然冷却至室温，消除铝合金铸件I中的热应力；其中，热应力的残余量为5MPa。
经过缺陷调控方法处理后的铝合金铸件中：细小气孔的平均粒径为0.3μm，裂纹缝隙为3μm，无明显的低密度中心缩松区。
实施例3
一种熔融铝合金凝固时缺陷调控方法，由熔融工艺控制方法和凝固保温控制方法组成；其中，熔融工艺控制方法包括铝液中含气量控制方法和夹渣控制方法；凝固保温控制方法包括冒口补缩方法、顺序凝固方法和裂纹控制方法；具体包括以下步骤：
步骤S1，含气量控制方法：使用反射炉将铝合金加热至680℃熔化成液相合金铝液I；按照5：3.1：2.4：1.8：1.0的体积比，以15L/min的流速通入Ar、Ne、N2、CO、Cl2组成的混合气体32min，去除液相合金铝液I中的杂质气体，得到液相合金铝液II；其中，混合气体中的氧含量为0.005％，水分为0.01g/m3；杂质气体的溶解度在700℃时为0.02mL/(100g)；
步骤S2，夹渣控制方法：在690℃时向液相合金铝液II中加入其质量2％的精炼剂，待气泡不再上浮后静置12min，扒去夹渣，随后将液相合金铝液II的温度迅速升高至725℃，得到液相合金铝液III，准备铸造；其中精炼剂由下述质量百分数的原料混合压块而成：ZnCl2 40％，TiCl4 22％，C2Cl6 15％，NaBF4 15％，Na3AlF6 8％；
步骤S3，冒口补缩方法：以灰口铸铁制作腔室内部光滑无毛刺尖角的金属型模，将金属型模保温升温至280℃，在熔化铝液铸造入口处添加明冒口，以3.5m/s的流速将液相合金铝液III浇铸到金属型模中，对冒口及型模连接处进行保温处理，得到铸型后的金属型模；其中，金属型模的厚度是铸件最大厚度的1.2倍；明冒口的最大底部直径为90mm，高度为铸件最大直径的的1.1倍；
步骤S4，顺序凝固方法：将铸型后的金属型模转移至180℃的热砂中，保温3.5h，再在保温热砂外围进行循环水冷却1.5h，自冒口向下方向分三段逐步撤出循环冷却水，使铝合金铸件顺序凝固，得到铝合金铸件I；其中，三段逐步撤出循环冷却水的水温和保温时间依次为：第一段：88℃/2h；第二段：55℃/3h；第三段：35℃/3.5h；
步骤S5，裂纹控制方法：将铝合金铸件I加热至400℃，然后水淬至135℃，再加热至315℃，连续处理三次后，自然冷却至室温，消除铝合金铸件I中的热应力；其中，热应力的残余量为7MPa。
经过缺陷调控方法处理后的铝合金铸件中：细小气孔的平均粒径为0.3μm，裂纹缝隙为4.5μm，无明显的低密度中心缩松区。
实施例4
一种熔融铝合金凝固时缺陷调控方法，由熔融工艺控制方法和凝固保温控制方法组成；其中，熔融工艺控制方法包括铝液中含气量控制方法和夹渣控制方法；凝固保温控制方法包括冒口补缩方法、顺序凝固方法和裂纹控制方法；具体包括以下步骤：
步骤S1，含气量控制方法：使用反射炉将铝合金加热至670℃熔化成液相合金铝液I；按照5.2：2.9：2.5：2：1.1的体积比，以16L/min的流速通入Ar、Ne、N2、CO、Cl2组成的混合气体35min，去除液相合金铝液I中的杂质气体，得到液相合金铝液II；其中，混合气体中的氧含量为0.02％，水分为0.01g/m3；杂质气体的溶解度在700℃时为0.03mL/(100g)；
步骤S2，夹渣控制方法：在695℃时向液相合金铝液II中加入其质量1.5％的精炼剂，待气泡不再上浮后静置10min，扒去夹渣，随后将液相合金铝液II的温度迅速升高至722℃，得到液相合金铝液III，准备铸造；其中精炼剂由下述质量百分数的原料混合压块而成：ZnCl2 45％，TiCl4 18％，C2Cl6 14％，NaBF4 16％，Na3AlF6 7％；
步骤S3，冒口补缩方法：以灰口铸铁制作腔室内部光滑无毛刺尖角的金属型模，将金属型模保温升温至285℃，在熔化铝液铸造入口处添加明冒口，以4m/s的流速将液相合金铝液III浇铸到金属型模中，对冒口及型模连接处进行保温处理，得到铸型后的金属型模；其中，金属型模的厚度是铸件最大厚度的1.1倍；明冒口的最大底部直径为90mm，高度为铸件最大直径的的1.1倍；
步骤S4，顺序凝固方法：将铸型后的金属型模转移至190℃的热砂中，保温3.2h，再在保温热砂外围进行循环水冷却1.2h，自冒口向下方向分三段逐步撤出循环冷却水，使铝合金铸件顺序凝固，得到铝合金铸件I；其中，三段逐步撤出循环冷却水的水温和保温时间依次为：第一段：85℃/2.5h；第二段：60℃/2.5h；第三段：38℃/3.8h；
步骤S5，裂纹控制方法：将铝合金铸件I加热至410℃，然后水淬至140℃，再加热至310℃，连续处理三次后，自然冷却至室温，消除铝合金铸件I中的热应力；其中，热应力的残余量为4MPa。
经过缺陷调控方法处理后的铝合金铸件中：细小气孔的平均粒径为0.2μm，裂纹缝隙为1μm，无明显的低密度中心缩松区。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种熔融铝合金凝固时缺陷调控方法，其特征在于，所述缺陷调控方法由熔融工艺控制方法和凝固保温控制方法组成；其中所述熔融工艺控制方法包括铝液中含气量控制方法和夹渣控制方法；所述凝固保温控制方法包括冒口补缩方法、顺序凝固方法和裂纹控制方法。
2.根据权利要求1所述的熔融铝合金凝固时缺陷调控方法，其特征在于，所述缺陷调控方法处理后的铝合金铸件中：细小气孔的平均粒径≤0.5μm，裂纹缝隙≤5μm，无明显的低密度中心缩松区。
3.根据权利要求1所述的熔融铝合金凝固时缺陷调控方法，其特征在于，所述含气量控制方法具体为：使用反射炉将铝合金加热至660℃～700℃熔化成液相合金铝液I；按照4.5～5.5：2.8～3.4：2.2～2.6：1.5～2:1：0.8～1.2的体积比，以10L/min～20L/min的流速通入Ar、Ne、N2、CO、Cl2组成的混合气体25min～40min，去除液相合金铝液I中的杂质气体，得到液相合金铝液II。
4.根据权利要求1所述的熔融铝合金凝固时缺陷调控方法，其特征在于，所述夹渣控制方法具体为：在680℃～700℃时向液相合金铝液II中加入其质量1％～3％的精炼剂，待气泡不再上浮后静置8min～15min，扒去夹渣，随后将液相合金铝液II的温度迅速升高至720℃～730℃，得到液相合金铝液III，准备铸造。
5.根据权利要求4所述的熔融铝合金凝固时缺陷调控方法，其特征在于，所述精炼剂由下述质量百分数的原料混合压块而成：ZnCl2 30％～50％，TiCl4 15％～30％，C2Cl6 10％～20％，NaBF4 10％～20％，Na3AlF6 5％～10％。
6.根据权利要求1所述的熔融铝合金凝固时缺陷调控方法，其特征在于，所述冒口补缩方法具体为：以灰口铸铁制作腔室内部光滑无毛刺尖角的金属型模，将金属型模保温升温至250℃～300℃，在熔化铝液铸造入口处添加明冒口，以2m/s～5m/s的流速将液相合金铝液III浇铸到金属型模中，对冒口及型模连接处进行保温处理，得到铸型后的金属型模。
7.根据权利要求1所述的熔融铝合金凝固时缺陷调控方法，其特征在于，所述顺序凝固方法具体为：将铸型后的金属型模转移至150℃～200℃的热砂中，保温3h～4h，再在保温热砂外围进行循环水冷却1h～2h，自冒口向下方向分三段逐步撤出循环冷却水，使铝合金铸件顺序凝固，得到铝合金铸件I。
8.根据权利要求7所述的熔融铝合金凝固时缺陷调控方法，其特征在于，所述三段逐步撤出循环冷却水的水温和保温时间依次为：第一段：80℃～95℃/1h～3h；第二段：40℃～70℃/2h～4h；第三段：30℃～40℃/3h～4h。
9.根据权利要求1所述的熔融铝合金凝固时缺陷调控方法，其特征在于，所述裂纹控制方法具体为：将铝合金铸件I加热至380℃～420℃，然后水淬至120℃～150℃，再加热至300℃～330℃，连续处理三次后，自然冷却至室温，消除铝合金铸件I中的热应力。
10.根据权利要求9所述的熔融铝合金凝固时缺陷调控方法，其特征在于，所述热应力的残余量≤15MPa。
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