CN107587010A - 一种整铸式铝合金加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整铸式铝合金的加工方法，包括如下步骤：S01：称取原料；S02：选取纯Al、Al‑Si中间合金、Al‑Cu中间合金、Al‑Mn中间合金、Al‑Ti中间合金、Al‑Ni中间合金、Al‑Mg中间合金、Al‑Zr‑Re中间合金、纳米TiC粉作为熔炼原料；S03：将S02中得到的均一合金熔液在710‑720℃温度下保温1‑2h，保温结束后待其自然冷却至680‑700℃时进行除杂步骤；S04：除杂结束后，使用过滤孔径为10‑20ppi的陶瓷过滤器进行熔液的过滤，然后利用过滤后得到的熔液进行铝合金铸造。本发明中提供的整铸式铝合金的加工方法制备出的铝合金材料成型性佳、导热效果好，在其铸造过程中不易产生氧化皮和杂质，能够与钢制件非常好的贴合在一起，利用该材料制备成的电热盘铸造完成后不会产生间隙，从而克服了现有技术中的缺陷。

Description

一种整铸式铝合金加工方法

技术领域

本发明属于铝合金材料加工领域，具体涉及一种整铸式铝合金的加工方法。

背景技术

铝合金是工业中应用最为广泛的一类有色金属结构材料，具有密度低、强度比高、塑性好、导电性好、抗蚀性佳的优点，适合加工成各种型材。正是由于具有热导率高的特点，在加热、冷却方面具有巨大的使用价值，因此许多行业中所应用到的加热器、冷却器均使用铝合金进行制备，如半导体行业内的加热器、汽车散热器、电脑风扇以及各种用途的电热盘等。

随着各行各业的发展需要，对铝制件的要求也越来越高。如家电、化工行业的铝制电热盘，对其加热均匀性、稳定性、加热速率、安全性等多方面的要求越来越高。上述电热盘也被称为加热盘，现有技术中铝制电热盘多采用分体式结构，是将电热丝及其装配槽分开进行机加工，然后装配而成，这样的加工方式存在加工产生装配间隙易造成导热隔膜、加工周期长、成本高、装配工位多的问题，而且传统的铝制电热盘外层需要进行完全性的密封，一旦密封失效则极大影响电热盘的使用寿命。由于上述传统工艺步骤的限制，现有技术中的电热盘当应用于化工、化妆品等需要对加热过程进行精细控制的工业领域时完全无法满足需求。

针对现有技术的电热盘存在的问题，有研究者提出了将电热盘设计为整铸式的结构，即将电热丝直接铸入铝基体盘中，不仅能够缩短电热盘的制造周期降低其制造成本，而且由于采用的是整铸式的结构，就避开了现有技术电热盘中的密封要求以及密封不当所产生的装配间隙的问题，一举两得。在实际加工过程中，尽管整铸式的加工工艺能够为电热盘的构造和加工工艺带来一定程度的改善，但是在整铸式加工过程中铝合金均匀性、气孔缺陷等问题就格外凸显，究其原因在于尽管加工工艺进行了改进，但是由于整铸式的工艺对铸造质量要求更高，否则电热盘的均匀性无法达到要求，同时，在整铸式的工艺中是将电偶直接铸于铸件内，铝合金原材料与电偶之间的接触贴合面应紧密无间，不能存在任何杂质、污垢等缺陷，否则就产生类似于传统的加工方法相同的间隙问题。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本发明从改进整铸式铝合金加工方法的技术路线出发，通过对现有技术中的加工方法进行改良，首先改进了铝合金原料组份，其次改进了熔炼过程中的原料投放形态、形式和顺序，再次，通过对铝合金进行除杂和精炼进一步提升铝合金的组织细化程度、均匀度和流动性，使其熔体表面能提升，更容易填充铸造的整体型腔。本发明中提供的整铸式铝合金的加工方法制备出的铝合金材料成型性佳、导热效果好，在其铸造过程中不易产生氧化皮和杂质，能够与钢制件非常好的贴合在一起，利用该材料制备成的电热盘铸造完成后不会产生间隙，从而克服了现有技术中的缺陷。

本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：

本发明中提供的整铸式铝合金的加工方法，包括如下步骤：

S01：将合金原料按照配方进行称取，所述合金组分及质量百分含量为Si8.4-12.8%，Cu1.6-2.0%，Mn0.3-0.4%，Ti0.6-0.7%，Ni0.2-0.5%，Mg0.6-0.7%，Zr0.3-0.4%，Re0.005-0.008%，TiC0.002-0.006%，余量为Al和不可避免的杂质；

S02：选取纯Al、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Zr-Re中间合金、纳米TiC粉作为熔炼原料；

将所有熔炼原料预热至180-190℃；首先将纯Al投入熔炼炉中进行熔炼，熔炼炉升温速率为5-8℃/min，至温度上升到680-700℃，待纯Al完全熔化后投入Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金，然后在升温速率为2-3℃/min条件下升温至710-720℃，保温，再投入Al-Mn中间合金，待投入的所有合金原料熔化后再投入Al-Ti中间合金，待投入的所有合金原料熔化后再投入Al-Ni中间合金，待投入的所有合金原料熔化后再投入Al-Mg中间合金，待投入的所有合金原料熔化后再投入Al-Zr-Re中间合金，最后投入纳米TiC粉；熔炼过程中持续进行磁力搅拌，使熔化的合金熔液形成均一相；

S03：将S02中得到的均一合金熔液在710-720℃温度下保温1-2h，保温结束后待其自然冷却至680-700℃时进行除杂步骤；

S04：除杂结束后，使用过滤孔径为10-20ppi的陶瓷过滤器进行熔液的过滤，然后利用过滤后得到的熔液进行铝合金铸造。

进一步地，S01中，所述Re组分为Y、Nd、Se、Gd、Er、Pd、Ag、La元素中的一种或者多种的组合。

进一步地，S01中，所述合金原料中Zn≤0.05wt%，Sn≤0.01wt%，P≤100ppm，O≤100ppm。

进一步地，S02中，Al-Zr-Re中间合金中的Zr元素的原料选自制备纯Zr过程中不脱除Hf元素的产物。

进一步地，S02中，纳米TiC粉粒径为1-10nm。

进一步地，S03中，所述除杂步骤指从熔炼炉底部向熔液中吹入除杂气体，所述除杂气体为氩气和氯气的混合气体，其中氩气和氯气的体积比为9-9.5:1。优选地，所述除杂气体的吹入量为0.1-0.3m³/h。

进一步地，S04中，所述铝合金铸造指浇铸工艺或者压铸工艺。优选地，所述铝合金铸造的温度为690-700℃。

进一步地，所述除杂、过滤步骤结束后，还包括铝合金的精炼步骤，具体为：将得到的铝合金熔液转入保温炉内，升温至700-710℃，从熔炼炉底部向熔液中吹入氩气和氯气的体积比为9-9.5:1的混合气体；精炼的时间为0.5-0.8h；精炼结束后使用过滤孔径为10-20ppi的陶瓷过滤器进行熔液的过滤，然后利用过滤后得到的熔液进行铝合金铸造。

本发明具有以下优点：

1、本发明从改进整铸式铝合金加工方法的技术路线出发，通过对现有技术中的加工方法进行改良，首先改进了铝合金原料组份，其次改进了熔炼过程中的原料投放形态、形式和顺序，再次，通过对铝合金进行除杂和精炼进一步提升铝合金的组织细化程度、均匀度和流动性，使其熔体表面能提升，更容易填充铸造的整体型腔。

2、本发明中提供的整铸式铝合金的加工方法制备出的铝合金材料成型性佳、导热效果好，在其铸造过程中不易产生氧化皮和杂质，能够与钢制件非常好的贴合在一起，利用该材料制备成的电热盘铸造完成后不会产生间隙，从而克服了现有技术中的缺陷。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的说明。

1、合金配方及原料的选择

本实施例中的铝合金按照下表中组分及质量百分含量进行配比制造（表格中数据为对应组分的质量百分含量）。下表配方中余量为Al，铝合金中还包括不可避免的杂质，其中Zn≤0.05wt%，Sn≤0.01wt%，P≤100ppm，O≤100ppm。Zn、Sn、P、O是实施例中铝合金制造过程中常见杂质，对铝合金成型性有不良影响，需严格控制杂质含量，究其原因，杂质含量过高容易导致铝合金熔液在熔炼过程中熵值过高，从而影响其成型和结晶。

上表铝合金中的配方为最终成型铝合金中的组分元素之间的质量比。本实施例中所选用的原料为纯Al、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Zr-Re中间合金、纳米TiC粉。

本实施例中的铝合金在熔炼过程中若直接使用纯金属元素进行熔炼，容易产生熔炼不均匀、无法形成均一相的问题，故在本发明中熔炼原料均选择以中间合金的形式进行添加。中间合金作为熔炼原料，一方面能使熔体均匀性佳，另一方面有助于实施例中的铝合金在熔炼过程中逐渐按照需求形成高熵的适合整铸式的铝合金结构。

本发明的铝合金配方中还添加了Zr、Re和纳米TiC组分，有助于铝合金晶粒细化。对于铸造铝和变形铝而言，熔铸是铝合金制品生产的第一道工序，熔铸的结果决定了后续加工的品质。对于整铸加工的铝合金来说，铸造出的铝合金需满足晶粒细小、含气量少和非金属夹杂少的要求，细晶粒可使结晶组织均匀，从宏观上看，使铸造出的铝制品表面外观质量更佳，同时提升其力学性能。从微观结构上看，熔炼过程中的Al-Zr-Re中间合金以及后续生成的Al-Ti-C起到了铝合金细化剂的作用，与普通铝合金相比使铝合金材料的晶粒更小。

本实施例中所采用的Re组分，实施例1-5为Y，实施例6-10为Se，实施例11-15为质量比为1:3的Ag和La。Nd、Gd、Er、Pd可对上述Re元素进行等同替换。

Al-Zr-Re中间合金中的Zr元素的原料选自制备纯Zr过程中不脱除Hf元素的产物，即本实施例中的Zr原料中掺杂有一部分Hf原子。铪元素是锆矿石中常见的元素之一，铪元素是以完全类质同象的形式置换锆矿石中的锆元素形成锆石-铪石固溶体系列。在制备纯锆金属的过程中，往往要分离铪元素，而分离两者非常困难，也造成了高纯锆金属的成本非常高。在本发明中发现，比起采用纯度高的金属锆，采用制备纯锆的加工过程中未分离铪元素的锆原料制备出的铝合金更好，不仅降低了成本，而且对铝合金在熔炼过程中均一性有非常好的促进作用。所添加的辅助元素相互配合形成具有高熵值的熔体，不仅流动性更好，而且熔体表面能更高，使铝合金熔液在整铸过程中更加容易填充满整个型腔，与电偶表面紧密相接。

为统一比较，本实施例中采用的纳米TiC粉粒径均为5nm。

2、铝合金熔炼

准备好熔炼原料以后，将所有熔炼原料预热至190℃。首先将纯Al投入熔炼炉中进行熔炼，熔炼炉升温速率为6℃/min，至温度上升到695℃，待纯Al完全熔化后投入Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金，然后在升温速率为2℃/min条件下升温至710℃，保温，再投入Al-Mn中间合金，待投入的所有合金原料熔化后再投入Al-Ti中间合金，待投入的所有合金原料熔化后再投入Al-Ni中间合金，待投入的所有合金原料熔化后再投入Al-Mg中间合金，待投入的所有合金原料熔化后再投入Al-Zr-Re中间合金，最后投入纳米TiC粉；熔炼过程中持续进行磁力搅拌，使熔化的合金熔液形成均一相。熔炼过程的前期考虑到熔炼效率需快速进行熔炼铝金属，纯Al熔化以后需升温进行后续的熔炼，同时升温速率不宜过快，为掺杂元素提供充足的熔炼时间，易形成稳定的均一相。

3、除杂

将上述步骤中得到的均一合金熔液在710℃温度下保温2h，保温结束后待其自然冷却至695℃时进行除杂步骤。除杂步骤指从熔炼炉底部向熔液中吹入除杂气体，所述除杂气体为氩气和氯气的混合气体，其中氩气和氯气的体积比为9.2:1，除杂气体的吹入量为0.18m³/h。

由于本发明中掺杂元素较多，故容易引入大量的杂质和氧、氮等元素，需将这些杂质元素去除，本发明中采用的方法为气体除杂法，利用除杂气体和铝合金原料中部分稀土元素的氧化反应相配合，使杂质浮出熔体表面或者生成沉淀物，后续利用过滤工艺除去。

4、过滤

除杂结束后，使用过滤孔径为10ppi的陶瓷过滤器进行熔液的过滤，然后利用过滤后得到的熔液进行铝合金铸造。此处使用惰性的陶瓷过滤器进行过滤，在不考虑生产效率的情况下，可使用多层过滤的方法，即多使用几层不同过滤孔径的陶瓷过滤器进行过滤，陶瓷过滤器的材质优选氧化锆陶瓷过滤器。

5、精炼

将过滤得到的铝合金熔液转入保温炉内，升温至700℃，从熔炼炉底部向熔液中吹入氩气和氯气的体积比为9.2:1的混合气体；精炼的时间为0.6h；精炼结束后使用过滤孔径为10ppi的陶瓷过滤器进行熔液的过滤，然后利用过滤后得到的熔液进行铝合金铸造。

6、铝合金铸造

实施例中的铝合金熔炼加工完毕后，采用整体压铸和整体浇铸的工艺将铝合金铸造成完整的2.0kg的电热盘，铸造工艺的温度选为690-700℃之间即可满足要求。

与本发明中的实施例相对比，采用ZL106、ZL114A铝合金利用与实施例相同的整铸工艺制成同样2.0kg的电热盘，分别记为对比例1、对比例2，以下为实施例与对比例之间的比较结果。

从对比结果可以看出，本发明实施例中的整铸式铝合金制成的电热盘均匀性和成型性好，外观观感上更为均匀整洁。而常用的ZL106、ZL114A铝合金则难以进行整铸式电热盘的制备。

从实施例结果可以看出本发明中提供的整铸式铝合金的加工方法制备出的铝合金材料成型性佳、导热效果好，在其铸造过程中不易产生氧化皮和杂质，能够与钢制件非常好的贴合在一起，利用该材料制备成的电热盘铸造完成后不会产生间隙，从而克服了现有技术中的缺陷。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种整铸式铝合金的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：将合金原料按照配方进行称取，所述合金组分及质量百分含量为Si8.4-12.8%，Cu1.6-2.0%，Mn0.3-0.4%，Ti0.6-0.7%，Ni0.2-0.5%，Mg0.6-0.7%，Zr0.3-0.4%，Re0.005-0.008%，TiC0.002-0.006%，余量为Al和不可避免的杂质；

S02：选取纯Al、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Zr-Re中间合金、纳米TiC粉作为熔炼原料；

将所有熔炼原料预热至180-190℃；首先将纯Al投入熔炼炉中进行熔炼，熔炼炉升温速率为5-8℃/min，至温度上升到680-700℃，待纯Al完全熔化后投入Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金，然后在升温速率为2-3℃/min条件下升温至710-720℃，保温，再投入Al-Mn中间合金，待投入的所有合金原料熔化后再投入Al-Ti中间合金，待投入的所有合金原料熔化后再投入Al-Ni中间合金，待投入的所有合金原料熔化后再投入Al-Mg中间合金，待投入的所有合金原料熔化后再投入Al-Zr-Re中间合金，最后投入纳米TiC粉；熔炼过程中持续进行磁力搅拌，使熔化的合金熔液形成均一相；

S03：将S02中得到的均一合金熔液在710-720℃温度下保温1-2h，保温结束后待其自然冷却至680-700℃时进行除杂步骤；

S04：除杂结束后，使用过滤孔径为10-20ppi的陶瓷过滤器进行熔液的过滤，然后利用过滤后得到的熔液进行铝合金铸造。

2.如权利要求1所述整铸式铝合金的加工方法，其特征在于：S01中，所述Re组分为Y、Nd、Se、Gd、Er、Pd、Ag、La元素中的一种或者多种的组合。

3.如权利要求1所述整铸式铝合金的加工方法，其特征在于：S01中，所述合金原料中Zn≤0.05wt%，Sn≤0.01wt%，P≤100ppm，O≤100ppm。

4.如权利要求1所述整铸式铝合金的加工方法，其特征在于：S02中，Al-Zr-Re中间合金中的Zr元素的原料选自制备纯Zr过程中不脱除Hf元素的产物。

5.如权利要求1所述整铸式铝合金的加工方法，其特征在于：S02中，纳米TiC粉粒径为1-10nm。

6.如权利要求1所述整铸式铝合金的加工方法，其特征在于：S03中，所述除杂步骤指从熔炼炉底部向熔液中吹入除杂气体，所述除杂气体为氩气和氯气的混合气体，其中氩气和氯气的体积比为9-9.5:1。

7.如权利要求4所述整铸式铝合金的加工方法，其特征在于：所述除杂气体的吹入量为0.1-0.3m³/h。

8.如权利要求1所述整铸式铝合金的加工方法，其特征在于：S04中，所述铝合金铸造指浇铸工艺或者压铸工艺。

9.如权利要求8所述整铸式铝合金的加工方法，其特征在于：所述铝合金铸造的温度为690-700℃。

10.如权利要求1所述整铸式铝合金的加工方法，其特征在于：所述除杂、过滤步骤结束后，还包括铝合金的精炼步骤，具体为：将得到的铝合金熔液转入保温炉内，升温至700-710℃，从熔炼炉底部向熔液中吹入氩气和氯气的体积比为9-9.5:1的混合气体；精炼的时间为0.5-0.8h；精炼结束后使用过滤孔径为10-20ppi的陶瓷过滤器进行熔液的过滤，然后利用过滤后得到的熔液进行铝合金铸造。