CN109530853B - 一种铝合金熔炼用工具的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于有色金属熔炼领域，具体是涉及一种铝合金熔炼用工具的制备方法。本发明使用耐高温金属材质焊接包覆在普通材质的铝合金熔炼用工具表面，制作成复合钢，经过后续的工艺处理与加工，从而提高铝合金熔炼用工具的耐腐蚀性、硬度和高温下能保持良好力学性，同时降低材料成本，实现用普通的钢材性能达到耐热钢的使用效果。

Description

一种铝合金熔炼用工具的制备方法

技术领域

本发明属于有色金属熔炼领域，具体是涉及一种铝合金熔炼用工具的制备方法。

背景技术

目前铝合金熔炼通常使用的工具各式各样种类繁多，比如有打渣勺、舀铝勺、漏勺、炉塞、地炉、铁饼、钟罩等，这些工具通常采用普通钢材，再好一点质量的则采用201高温钢材质，但这些材质通常不能在高温下持续工作，抗氧化和耐腐蚀性能很差，即使工具表面做涂层，但在高温受力的工作环境中，涂层很容易受到破坏,使用寿命还是很短；尤其是大型熔炼用工具，因自身比较笨重，经常浸泡在铝液或在800℃高温下，经常扒、耙、顶等一些受力性动作，在这种温度下工作，材料本身很容易软化，许用应力持续降低，工具经常会遭到损坏；通常损坏后，又难以恢复，给企业生产造成较大浪费；若采用高温不锈钢材质310S或者耐高温钢则工具成本很高，企业都不愿意采用昂贵的耐热材料去制作工具。为了提高工具的使用寿命，缩小工具制造成本，我们需要一种新的制造工艺去满足现状。

发明内容

本发明的主要目的是：提供一种耐高温、耐腐蚀的铝合金熔炼用工具的制备方法，从而提高铝合金熔炼用工具的耐腐蚀性和高温下能保持良好力学性，同时降低材料成本，实现用普通的钢材性能达到耐热钢的使用效果。

本发明原理是：使用耐高温金属材质焊接包覆在普通材质的铝合金熔炼用工具表面，制作成复合钢，经过后续的工艺处理与加工，从而达到一种新的耐热材料，使复合钢板在高温下具有很高的强度和蠕变强度。本发明制备的复合钢板力学性能如下：硬度(HB):≤180；抗拉强度(бb)(Mpa):≥520；屈服强度(σs)(Mpa):≥275；伸长率(δ)％:≥35；面积缩减(ψ)％:≥50。

本发明是通过如下技术方案实现上述目的的，一种铝合金熔炼用工具的制备方法，包括如下步骤：

1)将铝合金熔炼用工具和焊条用喷枪火焰烘焙，加热温度约200～250℃，加热时间1小时左右；

2)用电焊机对铝合金熔炼用工具受力面和浸泡铝液面进行包裹式焊接，焊接属于满焊，受力面焊接较厚，浸泡铝液面焊接较浅，焊接的关键就是包覆型焊接；在焊接过程中尽可能采用直流电源，焊接时需用小电流快速不摆动焊接，尽量保证焊接层厚度厚薄均匀，焊接表面平整光滑；

3)对包裹式焊接的铝合金熔炼用进行热处理固溶处理，固溶处理的目的是获得过饱和固溶体，为随后的时效处理作组织准备；将奥氏体高温钢加热到900℃左右，使碳化物相全部或基本溶解，碳固溶于奥氏体中，然后快速冷却至室温，使碳达到过饱和状态。

4)对工具进行高温时效硬化处理，高温时效温度不宜过高，时效硬化的作用是把经过固溶处理或冷加工的金属材料进行时效处理，以提高硬度和强度的现象和工艺，即沉淀硬化。时效目的是增强焊接材料与基体材质的结合性，同时消除因焊接时产出的热应力；

5)对高温时效处理后的工具进行机械加工，机械加工目前主要是提高工具表面的光洁度，减小铝液对工具的附着力，因为高温钢焊接材质比较硬，熔炼工具不属于精密工具，故从成本考虑，打磨是成本最低的处理方式；

6)刷涂层，经过机械加工的工具，通常采用刷被覆剂的方式减小铝液对工具的润湿性；具体操作为，将工具加热到200摄氏度，开始将油性被覆剂均匀涂抹在工具表面，涂抹后，进行烘烤直至烘干；

优选的，步骤2)所述用电焊机对铝合金熔炼用工具受力面和浸泡铝液面进行包裹式焊接前对铝合金熔炼用工具焊接处钢板表面进行S型凹坑打磨，打磨的目的增加焊接的牢靠型；先将钢板平整表面进行凹坑打磨，打磨采用电动磨头机使用合金磨头进行手工打磨，打磨形状为S型，打磨宽度约5mm左右，打磨深度为2～3mm，打磨间距为10～20mm，使钢板平整表面增加S型凹坑，产生凹坑的目的在于后期增加焊接的牢固性，在焊接时，焊接金属液会填满打磨凹坑，增加焊接金属与钢板之间的抱紧力，保证焊疤不容易脱落；

优选的，所述焊条为钛钙型药皮的Cr26Ni21纯奥氏体高温钢焊条；所述钛钙型药皮的Cr26Ni21纯奥氏体高温钢焊条中元素重量比为：Ni 20.0-22.5，Cr 25.0-28.0，C0.08-0.20，Si≤0.75，S≤0.030，Mo≤0.75，Cu≤0.75。

优选的，所述高温时效温度值为450～500℃；

优选的，根据工具使用情况的不同，可对工具进行针对性焊接，有些部位选用全部覆盖式焊接，比如浸泡在炉子内部的扒渣耙需要全部覆盖性焊接，比如清理废料的清炉铲，没有浸泡在铝液没，但是使用温度很高，同时底部经常会接触炉底，又要硬度高，又要韧性好同时还要耐热，则需要对铲子底部进行采用加强式焊接；有些部件如炉塞，一部分浸泡在铝液内，一部分裸露在空气中不受力，则需要对接触铝液部分进行部分覆盖性焊接；

优选的，所述机械加工是指采用打磨的方式进行表面处理，打磨目的是提高表面平整度，减小铝液对工具的附着力；

本发明所述用电焊机对工具受力面和浸泡铝液面进行包裹式焊,所述工具受力面一般为刃口处，工作时基本上整个工具都会浸泡在铝液内，多层焊接位置为工件刃口部位，其余部位为单侧焊接；工具的受力面是扒渣时与炉膛摩擦面，浸泡铝液面是指整个工具浸泡在高温铝汤里面。

以不锈钢201为例，201不锈钢钢材质是美国的AISI标准钢，含锰高，容易生锈，价格便宜。这种材质抗拉强度极限在520MPa左右，屈服强度275MPa左右，它的应用很广泛，在铝合金铸造行业被选用为大型熔炼工具材质，它低温时，韧性向脆性转变，但低温冲击值较高，且有一定抗温度急变性和耐蚀性，通常用于熔炼扒渣耙、清炉铲等工具；这类工具体积庞大，比较笨重，但通常又在高温环境下做受力工作，这些工具长时间浸泡在铝液里，经常会腐蚀并且受力变形；我们可以采用高温钢焊条焊接包裹碳素钢的方式提高工具的寿命；A402不锈钢焊条是钛钙型药皮的Cr26Ni21纯奥氏体高温钢焊条。因镍(Ni)、铬(Cr)含量高，具有良好耐氧化、耐腐蚀、耐酸碱、耐高温性能；熔敷金属900～1100℃高温条件下具有优良的抗氧化性。交直流两用，有良好的焊接工艺性能。我们采取的方式为在大型工具的受力部位，全部堆焊一层A402不锈钢材质，将裸露在外面的碳素钢金属全部焊接包裹起来，尤其是工具的刃口部位，堆焊厚度应该保证在3mm以上；为了提高焊接后不同金属融合性和焊接后的表面应力，我们通常会对工具整体做热处理中高温时效处理，高温时效温度参考值550～650℃，时效温度应严格控制，过时效温度则出现材料内部析出相开始生长，影响材料的强度和硬度。最后我们需要根据实际情况对经过热处理的工具再做机械一次加工，机械加工以打磨为主，目的是提高工具表面的粗糙度，减小铝液对工具的附着力。

本发明具有如下优点：

(1)本发明制备方法制备出的铝合金熔炼用工具耐高温、耐腐蚀、硬度高等性能优异。

(2)本发明提高了铝合金熔炼用工具的使用寿命，降低了工具制造成本。

(3)本发明针对铝合金熔炼用工具使用位置的不同，做出针对性处理。

附图说明

图1为铝合金熔炼工具的制备方法流程示意图；

图2为本发明制备的熔铝用50X50清炉铲；序号1-1为铲柄，序号1-2为铲板，序号1-3为清炉铲焊接材料；

图3为本发明制备的熔铝用50X50扒渣耙；序号2-1为耙柄，序号2-2为耙板，序号2-3为扒渣耙焊接材料。

图4为熔炼炉炉塞150。

具体实施方式

实施例1

以扒渣耙为例，按附图1的工艺流程图制备铝合金熔炼工具。

第一步现将扒渣耙和钛钙型药皮的Cr26Ni21纯奥氏体高温钢焊条用喷枪火焰烘焙，加热温度约200～250℃，加热时间1小时左右；

第二步用电焊机对扒渣耙受力面和工具浸泡铝液面进行包裹式焊接，焊接属于满焊，受力面焊接较厚，浸泡面焊接较浅，焊接的关键就是包覆型焊接；在焊接过程中尽可能采用直流电源，焊接时需用小电流快速不摆动焊接，尽量保证焊接层厚度厚薄均匀，焊接表面平整光滑。

第三步对扒渣耙进行热处理固溶处理与高温时效处理，以50x50扒渣耙为例材质为普通45#钢板，热处理规范操作为：温度880～900℃，保温时间4～6h，以50～100℃/h的冷速，随炉降至温度≤600℃，出炉空冷，处理前硬度≤197HBS，处理后硬度≤156HBS。将扒渣耙温度加热保持的温度为550℃～650℃之间进行高温时效，保持温度4个小时，经过长期反复研究，时效强化的实质是从过饱和固溶体中析出许多非常细小的沉淀颗粒(一般为金属化合物，也可能是过饱和固溶体中的溶质原子在许多微小地区聚集)，形成一些体积很小的溶质原子富集区。从过饱和固溶体中析出微小颗粒是时效硬化的关键；把经过固溶处理金属材料进行时效处理，以提高硬度和强度。高温时效温度不宜过高，时效另一个目的是增强焊接材料与基体材质的结合性，同时消除因焊接时产出的热应力；

第四步对扒渣耙进行机械加工，机械加工目前主要是提高扒渣耙表面的光洁度，因为高温钢焊接材质比较硬，熔炼工具不属于精密工具，在机械加工方面，通常采用打磨的方式进行表面处理，打磨目的是提高表面平整度，减小铝液对工具的附着力；

第五步刷涂层，经过打磨后的扒渣耙，我们通常采用刷被覆剂的方式减小铝液对工具的润湿性；

附图2和3分别为按本发明制备方法制备出的熔铝用50X50清炉铲和扒渣耙；清炉铲为大型熔炼工具，以钢板焊接居多，在正常使用中，清炉铲重达几百公斤，铲板位置在清理炉子过程中，需要深入集中熔炼炉内，来回扒铲，普通材质在高温下受力很容易软化变形，力学性能很差，经过对铲板刃口部位采用高温合金焊条包覆式焊接，直接提高了高温下铲板受力性能和耐腐蚀性，使用工具寿命更加延长。

熔炼炉炉塞的使用场合为：熔炼炉底放铝汤用的出料口，此位置最高温度大约900～1000摄氏度。普通炉塞采用的材料为Q235A碳素结构钢(16mm厚)，按照本发明方法制备的熔炼炉炉塞(以Q235A碳素结构钢为基体材料，采用A402不锈钢焊条焊接而成，16mm厚)，结构如附图4所示；二者做力学性能及使用温度做对比，如表1所示：表2为普通熔炼炉炉塞(A)与本发明制备的熔炼炉炉塞(B)使用不同次数后的状况；

表1普通熔炼炉炉塞(A)与本发明制备的熔炼炉炉塞(B)的力学性能及使用温度表

表2普通熔炼炉炉塞(A)与本发明制备的熔炼炉炉塞(B)的耐用性表

名称	第5炉	第10炉	第15炉	第20炉	第25炉
						A	完好	轻微损坏	损坏无法使用	——	——
B	完好	完好	轻微损坏	轻微损坏	无法使用

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种铝合金熔炼用工具的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将铝合金熔炼用工具和焊条用喷枪火焰烘焙；

2)用电焊机对铝合金熔炼用工具受力面和浸泡铝液面进行包裹式焊接，焊接属于满焊，受力面焊接厚度大于浸泡铝液面焊接厚度；在焊接过程中采用直流电源，保证焊接层厚度厚薄均匀，焊接表面平整光滑；

3)对包裹式焊接的铝合金熔炼用工具 进行热处理固溶处理；

4)进行热处理高温时效处理；

5)对高温时效处理后的工具进行机械加工；

6)对经过机械加工的工具刷涂层；具体操作为，将工具加热，开始将油性被覆剂均匀涂抹在工具表面，涂抹后，进行烘烤直至烘干；

所述热处理固溶处理是指在温度880～900℃，保温时间4～6h；以50～100℃/h的冷速，随炉降至温度≤600℃，出炉空冷；

所述高温时效温度值为450～650℃；

所述焊条为钛钙型药皮的Cr26Ni21纯奥氏体高温钢焊条；所述钛钙型药皮的Cr26Ni21纯奥氏体高温钢焊条中元素重量比为：Ni20.0-22.5，Cr 25.0-28.0，C 0.08-0.20，Si≤0.75，S≤0.030，Mo≤0.75，Cu≤0.75。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述用电焊机对铝合金熔炼用工具受力面和浸泡铝液面进行包裹式焊接前对铝合金熔炼用工具焊接处钢板表面进行S型凹坑打磨；所述S型凹坑的打磨宽度5mm，打磨深度为2～3mm，打磨间距为10～20mm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述机械加工是指采用打磨的方式进行表面处理。

4.一种权利要求1所述的制备方法制备的铝合金熔炼用工具，其特征在于：所述铝合金熔炼用工具为熔铝用清炉铲、熔铝用扒渣耙或熔炼炉炉塞。

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