CN107779704A - 一种2系铝合金及其熔炼铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属冶炼领域，涉及一种高Fe、Ni含量的2系铝合金及其熔炼铸造方法，包括以下质量百分含量的组分：Si：0.15～0.2％、Fe：1.4～1.6％、Ni：1.4～1.6％、Cu：2.6～2.8％、Mg：1.7～1.9％、Zn≤0.1％、Ti：0.06～0.09％、Mn≤0.1％、Cr≤0.1％，余量为Al，然后经熔炼、精炼、除气、除渣、铸造后采用半连续铸造工艺进行铸造，精炼过程中加入1.0～2.0％的钇铝中间合金，控制铸造温度为690℃～700℃，铸造速度为20～30mm/min，单支水流量为15～16m3/h，得到2系铝合金铸锭。通过本发明的2系铝合金熔炼铸造方法生产的高Fe、Ni含量的2系铝合金铸棒缺陷少，材料耐热性好，成品率得到提升，减少能耗，降低生产成本，具有良好的经济效益。

Description

一种2系铝合金及其熔炼铸造方法
技术领域
本发明属于金属冶炼领域，涉及一种高Fe、Ni含量的2系铝合金及其熔炼铸造方法。
背景技术
铝合金是一种以铝为基的合金，主要合金元素有铜、硅、镁、锌和锰。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料。目前，铝合金是铝合金型材中较为主要的一种，其生产方法是通过铝合金直接冷铸成锭块，或者连续浇铸成厚带材，接着热轧成预定厚度，再用一道单独的工序将带材冷轧至最终厚度后，进行热处理工艺，以提高铝合金的力学性能，耐腐蚀性能，并改善其加工性能，获得尺寸的稳定性。
随着经济的快速发展，铝合金在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用，尤其是近些年，伴随着全球经济一体化，航空物流快速发展，而航空业带动航天制造业的蓬勃发展，基于国内、国际飞机市场需求，作为飞机制造业的主要材料之一的铝合金，下游厂家对其需求量和质量要求一直在逐步提升。飞机用铝合金板要求采用密度小、强度高、加工性能好铝合金材料。在众多铝合金的牌号中，飞机用铝合金大多为2xxx合金，但由于国外技术保密、国内飞机用铝合金产品研究缺乏系统性造成差距，国内制造的2xxx系铝合金的性能、品种规格、生产水平尚不能完全满足机体材料使用要求，其力学性能还有待进一步的提高，需要在传统2xxx系合金基础上研究出能够满足机身使用的新型合金。并且普通的2系铝合金在耐热性方面存在明显的劣势，因此需要优化普通2系铝合金成分，并发明一种适宜的铸造方法来减少铸锭的缺陷，提高2系铝合金的耐热性能，稳定合金性能。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决普通的2系铝合金耐热性差的问题，提供一种2系铝合金及其熔炼铸造方法。
为达到上述目的，本发明提供一种2系铝合金，包括以下质量百分含量的组分：Si：0.15～0.2％、Fe：1.4～1.6％、Ni：1.4～1.6％、Cu：2.6～2.8％、Mg：1.7～1.9％、Zn≤0.1％、Ti：0.06～0.09％、Mn≤0.1％、Cr≤0.1％，余量为Al。
进一步，包括以下质量百分含量的组分：Si：0.18％、Fe：1.5％、Ni：1.5％、Cu：2.7％、Mg：1.8％、Zn：0.1％、Ti：0.08％、Mn：0.1％、Cr：0.1％，余量为Al。
一种2系铝合金的熔炼铸造方法，包括如下步骤：
A、配料：计算铝合金原料用量并按照配比准备铝合金原料；
B、熔炼：将步骤A配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼，熔炼温度为740～760℃，熔炼炉内铝合金原料完全熔化后进行电磁搅拌；
C、精炼：将熔炼炉中加入精炼剂进行精炼，精炼温度为730±5℃，精炼时间为5～8min，精炼后的铝液静置10min，精炼过程中同时通过电磁搅拌装置均匀搅拌；
D、除气：从熔炼炉的底部通入高纯惰性气体，利用惰性气体除去铝液中的杂质气体；
E、除渣：将除气后的铝液通过带陶瓷过滤板的流槽过滤铝液中的杂质，其中陶瓷过滤板提前进行烘烤；
F、铸造：将除渣后的铝液置于熔铸静置炉中，对静置炉中的铝液采用半连续铸造法进行铸造，铸造温度为690～700℃，铸造速度为20～30mm/min，单支水流量15～16m3/h，其中铝液铸造前所使用的引锭头上铺纯铝屑，铸造开始时先放少量铝液进入结晶器，当纯铝屑与铝液呈现半凝固状态时开始铸造。
进一步，步骤B中在铝合金熔炼过程中依次将高纯铝锭、纯锌锭、铝铜中间合金、铝铁中间合金投入熔炼炉中待炉料熔化后投入纯镁锭。
进一步，步骤C中精炼剂为铝钛硼细化剂。
进一步，步骤C铝合金精炼过程中加入1.0～2.0％的钇铝中间合金。
进一步，步骤E铝液中杂质的去除采用双级陶瓷配合管式过滤。
进一步，步骤F中半连续铸造法采用立式半连续铸造机。
进一步，步骤F中在引锭头上铺纯铝屑，铝屑的厚度以不超过引锭头最底层为宜，且不低于20mm厚。
进一步，步骤F中铸造开始前将少量铝屑铺在引锭头上，铸造开始时先放少量铝液进入结晶器，当铝液温度低于660℃，纯铝屑与铝液呈现半凝固状态时开始铸造铝合金。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的2系铝合金熔炼铸造方法，在铝合金铸棒铸造前对陶瓷过滤板和流槽进行烘烤，可以烘干过滤板和流槽中的水分，减少氢气的引入，提高过滤板和流槽温度，减小铝液出炉口后的温度降，保证铝液温度维持在铸造温度范围之内。
2、本发明的2系铝合金熔炼铸造方法，铝合金在熔炼过程中加入了大量的铝铁中间合金，因此，熔炼温度较高，这就使熔体更容易吸气，因此，按照1.0～2.0％的加入量加入钇铝中间合金，除气效果更好，钇的引入可以减少铁相的偏聚，改善晶界强度，提高铝合金塑性，另外钇还能与铝液中的硫、氧、氮等形成难熔化合物，以残渣的形式排出，因此不影响最终的合金成分。
3、本发明的2系铝合金熔炼铸造方法，在铝合金铸棒铸造前采用假底预凝固技术，在引锭头上铺纯铝屑，铝屑的厚度以不超过引锭头最底层为宜，且不低于20mm厚，因为纯铝屑塑性好、线收缩系数大、敏感性低，能有效进行变形以减少底部的拉应力，避免因应力集中而产生的起始裂纹。铸造开始时先放少量铝液进入结晶器，当铝液温度低于660℃时，碎铝屑与铝液呈现半凝固状态时开始铸造，采用该技术得到的铝合金铸棒表面质量良好，无底部裂纹产生。
4、通过本发明的2系铝合金熔炼铸造方法生产的高Fe、Ni含量的2系铝合金铸棒缺陷少，材料耐热性好，成品率得到提升，减少能耗，降低生产成本，具有良好的经济效益。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明2系铝合金的熔炼铸造流程示意图。
具体实施方式
下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1
如图1所示的一种2系铝合金的熔炼铸造方法，包括如下步骤：
A、配料：铝合金铸锭原料中各元素质量百分数配比如下：
元素 Si Fe Ni Cu Mg Zn Ti Mn Cr Al
含量 0.15 1.4 1.4 2.6 1.7 0.1 0.06 0.1 0.1 余量
按照以上配比准备铝合金原料；
B、熔炼：将步骤A配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼，熔炼过程中依次将高纯铝锭、纯锌锭、铝铜中间合金、铝铁中间合金投入熔炼炉中待炉料熔化后投入纯镁锭，熔炼温度为740℃，熔炼炉内铝合金原料完全熔化后进行电磁搅拌，使得熔炼炉中的铝液搅拌均匀；
C、精炼：将熔炼炉中加入铝钛硼细化剂进行精炼，精炼温度为725℃，精炼时间为5min，精炼后的铝液静置10min，精炼过程中加入1％的钇铝中间合金，同时通过电磁搅拌装置均匀搅拌，电磁搅拌技术能够使得熔液中的悬浮物、气泡快速上浮，有效减少铝合金铸棒气孔、夹杂等质量问题；
D、除气：从熔炼炉的底部通入高纯惰性气体，利用惰性气体除去铝液中的杂质气体；
E、除渣：将除气后的铝液通过带陶瓷过滤板的流槽过滤铝液中的杂质，其中陶瓷过滤板要提前进行烘烤，烘烤后的陶瓷过滤板可以烘干过滤板和流槽中的水分，减少氢气的引入，提高过滤板和流槽的温度，减小铝液出炉口后的温度，保证铝液温度在铸造温度范围之内；
F、铸造：将除渣后的铝液置于熔铸静置炉中，对静置炉中的铝液采用半连续铸造法进行铸造，铸造温度为690℃，铸造过程中测温表时刻监测铝液温度，保证铝液在制定的铸造温度范围之内，铸造速度为20mm/min，由人工调节、程序控制，单支水流量15m3/h，由水流量表控制。其中铝液铸造前采用假底预凝固技术，在引锭头上铺纯铝屑，铝屑的厚度以不超过引锭头最底层为宜，且不低于20mm厚，因为纯铝屑塑性好、线收缩系数大、敏感性低，能有效进行变形以减少底部的拉应力，避免因应力集中而产生的起始裂纹。铸造开始时先放少量铝液进入结晶器，当铝液温度低于660℃时，纯铝屑与铝液呈现半凝固状态时开始铸造，铸造快结束，液面接近水孔时关闭水阀门，避免水飞溅到铸棒表面引起开裂，采用该技术得到的2系铝合金铸棒表面质量良好，无底部裂纹产生。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，步骤A中铝合金铸锭原料各元素质量百分数配比如下：
元素 Si Fe Ni Cu Mg Zn Ti Mn Cr Al
含量 0.18 1.5 1.5 2.7 1.8 0.1 0.08 0.1 0.1 余量
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于，步骤A中铝合金铸锭原料各元素质量百分数配比如下：
元素 Si Fe Ni Cu Mg Zn Ti Mn Cr Al
含量 0.2 1.6 1.6 2.8 1.9 0.1 0.09 0.1 0.1 余量
实施例4
实施例4与实施例2的区别在于，步骤B熔炼炉中铝合金原料的熔炼温度为760℃。
实施例5
实施例5与实施例2的区别在于，步骤C精炼过程中加入2％的钇铝中间合金，铝液精炼温度为735℃，精炼时间为8min。
实施例6
实施例6与实施例2的区别在于，步骤F熔铸静置炉中的铝液铸造温度为700℃，铸造速度为30mm/min，单支水流量16m3/h。
对比例
对比例为常规2024铝合金铸棒，其中铝合金原料各元素质量百分数配比如下：
将上述配比的铝合金原料进行常规的熔炼、精炼、除气除渣后铸造得到的铝合金铸棒。
对实施例1～6和对比例所制备的铝合金铸棒100℃的力学性能进行了测试，测试结果见表一：
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 对比例
屈服强度(MPa) 378 380 381 376 379 382 365
抗拉强度(MPa) 445 450 449 443 447 451 435
伸长率(％) 12.2 12.5 12.2 12.3 12.4 12.5 12
对实施例1～6和对比例所制备的铝合金铸棒150℃的力学性能进行了测试，测试结果见表二：
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 对比例
屈服强度(MPa) 338 340 341 346 339 342 315
抗拉强度(MPa) 415 420 419 423 417 421 400
伸长率(％) 14 14.5 14.1 14.3 13.9 13.8 14
通过对表一和表二的数据的分析，可以看到通过该熔炼铸造方法制备的铝合金铸棒，力学性能得到了很大提高，100℃下的测试结果表明，通过该熔炼铸造方法制备的铝合金铸棒，屈服强度和拉伸强度基本提高了15MPa，150℃下的测试结果表明，通过该熔炼铸造方法制备的铝合金铸棒，屈服强度和拉伸强度基本提高了20MPa。
对实施例1～6和对比例所制备的铝合金铸棒的成材率进行了统计，统计结果见表三：
表三
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 实施例7
成材率(％) 96 98 97 98 96 97 96
经检测，发现通过熔炼铸造方法制备的2系铝合金铸锭，成材率达到95％以上，且铸棒内部没有疏松、气孔、夹渣等缺陷。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种2系铝合金，其特征在于，包括以下质量百分含量的组分：Si：0.15～0.2％、Fe：1.4～1.6％、Ni：1.4～1.6％、Cu：2.6～2.8％、Mg：1.7～1.9％、Zn≤0.1％、Ti：0.06～0.09％、Mn≤0.1％、Cr≤0.1％，余量为Al。
2.如权利要求1所述的2系铝合金，其特征在于，包括以下质量百分含量的组分：Si：0.18％、Fe：1.5％、Ni：1.5％、Cu：2.7％、Mg：1.8％、Zn：0.1％、Ti：0.08％、Mn：0.1％、Cr：0.1％，余量为Al。
3.如权利要求1或2所述的2系铝合金的熔炼铸造方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、配料：计算铝合金原料用量并按照配比准备铝合金原料；
B、熔炼：将步骤A配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼，熔炼温度为740～760℃，熔炼炉内铝合金原料完全熔化后进行电磁搅拌；
C、精炼：将熔炼炉中加入精炼剂进行精炼，精炼温度为730±5℃，精炼时间为5～8min，精炼后的铝液静置10min，精炼过程中同时通过电磁搅拌装置均匀搅拌；
D、除气：从熔炼炉的底部通入高纯惰性气体，利用惰性气体除去铝液中的杂质气体；
E、除渣：将除气后的铝液通过带陶瓷过滤板的流槽过滤铝液中的杂质，其中陶瓷过滤板提前进行烘烤；
F、铸造：将除渣后的铝液置于熔铸静置炉中，对静置炉中的铝液采用半连续铸造法进行铸造，铸造温度为690～700℃，铸造速度为20～30mm/min，单支水流量15～16m3/h，其中铝液铸造前所使用的引锭头上铺纯铝屑，铸造开始时先放少量铝液进入结晶器，当纯铝屑与铝液呈现半凝固状态时开始铸造。
4.如权利要求3所述的2系铝合金的熔炼铸造方法，其特征在于，步骤B在铝合金熔炼过程中依次将高纯铝锭、纯锌锭、铝铜中间合金、铝铁中间合金投入熔炼炉中待炉料熔化后投入纯镁锭。
5.如权利要求3所述的2系铝合金的熔炼铸造方法，其特征在于，步骤C中精炼剂为铝钛硼细化剂。
6.如权利要求4或5所述的2系铝合金的熔炼铸造方法，其特征在于，步骤C铝合金精炼过程中加入1.0～2.0％的钇铝中间合金。
7.如权利要求6所述的2系铝合金的熔炼铸造方法，其特征在于，步骤E铝液中杂质的去除采用双级陶瓷配合管式过滤。
8.如权利要求7所述的2系铝合金的熔炼铸造方法，其特征在于，步骤F中半连续铸造法采用立式半连续铸造机。
9.如权利要求7所述的2系铝合金的熔炼铸造方法，其特征在于，步骤F中在引锭头上铺纯铝屑，铝屑的厚度以不超过引锭头最底层为宜，且不低于20mm厚。
10.如权利要求7所述的2系铝合金的熔炼铸造方法，其特征在于，步骤F中铸造开始前将少量铝屑铺在引锭头上，铸造开始时先放少量铝液进入结晶器，当铝液温度低于660℃，纯铝屑与铝液呈现半凝固状态时开始铸造铝合金。
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