CN109609790A - 一种铝合金及其铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铝合金及其铸造方法。本发明中，先利用向熔融的铝液中添加纯硅获得铝合金硅锭，再将制得的硅锭作为中间合金，添加到熔融的铝液中获得铝合金铸锭。本发明还增加了对纯硅的净化处理，均匀化工序，不仅减少了铝液中杂质含量，而且由于铝合金硅锭属于中间合金，熔点低，调整成分时Si元素扩散更加均匀，极大的消除了Si元素偏析，获得的铸锭更加成分均匀。

Description

一种铝合金及其铸造方法
技术领域
本发明涉及铝合金材料领域，具体涉及一种铝合金及其铸造方法。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。其中，6系铝合金又称“铝镁硅合金”，是热处理型的耐腐蚀性铝合金，强度和耐腐蚀性能较高，均匀性较好，是目前市场上较为流通的产品，在工程应用尤为重要，主要用于挤压型材。
在6系铝合金产品中，铝型材外壳是通常是在铝合金型材上加工出的外壳，灵活性高，且可以任意切剖。一般内部都有电路板卡槽，只要把电路板直接插入即可，无须再行固定，便捷性是其他种类的外壳无法比拟的。这种6系铝合金的外壳通常由铝合金圆铸锭一次压铸成型。
现有的常规6系铝合金外壳的生产过程中，通常都涉及对铝合金型材的表面进行相应的化学处理，然后抛光处理；其中磨砂的表面效果还需要进行喷砂处理；在此之后，为保证铝合金稳定，不被外界因素所干扰，还必须要进行阳极腐蚀处理，通过阳极腐蚀使表面被氧化，形成致密、坚硬的氧化膜，更加耐磨且不易沾污。这一过程，要求在最初的铝合金铸锭生产过程中，Si，Mg比例合理，杂质含量低，并且其中的添加元素，尤其是硅元素的分布要均匀，从而在阳极腐蚀过程中不出现黑丝黑线，得到表面色泽均匀的产品。
另一方面，在6系铝合金的生产过程中，需要向熔化后的铝液中添加硅元素。目前，添加硅元素的方式主要是纯硅(441等级，含硅90％)或速熔硅。由于纯硅元素熔点高(1414℃)，不易在铝液中扩散，在铝液中难以混合均匀，导致元素偏析；而且，直接使用纯硅或速溶硅，由于其杂质含量高，会导致铝液中的杂质含量升高，为后续的成分调整增加麻烦；并且，直接添加纯硅或速溶硅，铝液中容易产生Mg2Si及Al10Mn2Si等副产物，导致固溶析出和元素偏析。这样生产出来的铝合金铸锭，经过后续加工制成型材，在阳极腐蚀之后，会在铝合金型材表面产生黑丝黑线，导致产品质量下降甚至报废。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种铝合金及其铸造方法。本发明中，先利用向熔融的铝液中添加纯硅获得铝合金硅锭，再将制得的硅锭作为中间合金，添加到熔融的铝液中获得铝合金铸锭。本发明还增加了对纯硅的净化处理，均匀化工序，不仅减少了铝液中杂质含量，而且由于铝合金硅锭属于中间合金，熔点低，调整成分时Si元素扩散更加均匀，极大的消除了Si元素偏析，获得的铸锭更加成分均匀。
本发明提供一种铝合金及其铸造方法，包括以下步骤：
(1)制备铝合金硅锭：将纯硅加入到熔化的第一铝合金原料中熔炼，经过铸造制得所述铝合金硅锭；
(2)熔化：将第二铝合金原料加入到熔炼炉的上炉中进行熔化，得到铝液；
(3)精炼：加入精炼剂，对熔炼炉的上炉中的液体进行精炼，去除铝液中的杂质；
(4)转炉：将铝液由上炉转移到下炉；
(5)成分分析：分析下炉中铝液的化学成分；
(6)成分调整：根据步骤(5)中的成分分析结果，与预设的铝合金中各元素的含量相比较，计算获得各种元素的差量，并补足不足量的元素；其中，根据硅元素的差量，称取步骤(1)所得的铝合金硅锭，加入下炉中补足硅元素；
(7)净化铝液：对获得的铝液进行在线除气除渣和过滤处理；
(8)铸造：采用热顶工艺铸造获得所需铝合金铸锭。
优选地，步骤(1)制备铝合金硅锭包括以下步骤：
(11)熔化：将第一铝合金原料加入到熔炼炉的上炉中进行熔化，得到铝液；
(12)加硅：向步骤(11)得到的铝液中加入纯硅；
(13)精炼：添加精炼剂，对熔炼炉中的液体进行精炼，去除残渣；
(14)成分分析：分析熔炼炉中液体的化学成分；
(15)成分调整：根据步骤(14)中的成分分析结果，与预设的铝合金硅锭中各元素的含量相比较，计算获得各种元素的差量，并补足不足量的元素；
(16)净化铝液：对获得的铝液进行在线除气除渣和过滤处理；
(17)铸造：采用热顶工艺铸造获得所需铝合金铸锭。
优选地，步骤(2)中的熔炼温度为720-780℃。
优选地，步骤(3)中的精炼剂用量为0.2-1.2kg/吨铝液，精炼条件为0.15-0.45mpa的氮气压，精炼时间为15-30min。
优选地，上述铸造方法还包括，转炉后，重复M次精炼、M次成分分析和M-1次成分调整的步骤，直至铝液中各元素的含量达到预设的铝合金中各元素的含量，其中M＞0。
优选地，净化铝液前，重复N次精炼、N次成分分析和N-1次成分调整的步骤，直至铝液中各元素的含量达到预设的铝合金硅锭中各元素的含量，其中N＞0。
优选地，上述铸造方法中，净化铝液的步骤中，在线除气除渣的条件为：采用双转子在线除气系统，其中，气氛为≥99.990％高纯氩气体，气体压力为0.15-0.45Mpa，气体流量为30-80L/min，转子转速为330-500r/min；过滤处理的条件为：控制气氛温度750-850℃，铝液温度700-730℃，采用管式过滤器和/或过滤箱单桶单级陶瓷过滤板和/或陶瓷泡沫过滤技术和/或深床过滤器进行过滤。
优选地，上述铸造方法中，铸造步骤包括：
(81)烘烤模盘；
(82)热顶结晶器做模准备：制作滑石粉膏和填补石墨环；
(83)模盘处理：喷涂氮化硼浆料，清洁表面；
(84)铸造；
(85)高温均匀化退火。
优选地，上述铸造方法中，步骤(82)热顶结晶器做模准备的步骤包括，
(821)清洗结晶器吹水口；
(822)氮化硼与水按照1:3-1:10的比例混合，获得氮化硼浆料喷涂热顶结晶器的流槽、过滤箱、模盘；
(823)滑石粉与水按照2:1-4:1的比例混合，获得滑石粉膏填补石墨环；
(824)在滑石粉膏上刷涂食用油。
优选地，上述铸造方法中，步骤(84)铸造的条件为，铸造前炉内温度：725-740℃；模盘盘头温度：685-715℃；模盘盘尾温度：680-705℃；铸造速度：45-80mm/min；冷却水流量：2000-2800L/min，水压：5-7Mpa；结晶器有效高度为80-120mm。
优选地，上述铸造方法中，步骤(86)高温均匀化退火的条件：采用炉气控温方式退火，其中，在炉温≤100℃时装炉，1-1.5h内将炉温升温到470-500℃，保温1-2h，再0.5-1h将炉温升温到550-580℃，保温10-14h，后出炉风冷以及水雾冷，冷却速率≥250℃/h。
优选地，上述铸造方法中，所述第一铝合金原料或者第二铝合金原料包括铝锭和/或铝合金废料，其中，废料的总投入量≤30％，原铝锭≥70％。
优选地，上述铸造方法中，步骤(1)中制得的所述铝合金硅锭包括以下组分：
Si：10％～15％；
Fe：≤0.10％；
Cu：≤0.10％；
Mn：≤0.10％；
Mg：≤0.10％；
Zn：≤0.10％；
Ti：≤0.10％；
余量为铝。
优选地，上述铸造方法中，所述铝合金铸锭包括以下组分：
Si：0.40％～0.70％；
Fe：≤0.18％；
Cu：≤0.05％；
Mn：≤0.10％；
Mg：0.45％-0.80％；
Cr：≤0.05％
Zn：≤0.05％；
Ti：≤0.05％；
余量为铝。
本发明的另一方面还在于，提供一种根据上述的铸造方法所铸造的铝合金。
与现有技术相比较，本发明的优势在于：
1、合金成分的创新：在6063合金基础上，将Si元素的质量分数调整到0.40～0.70％，Mg元素的质量分数调整到0.45～0.80％，合理的Si，Mg比例，减少了Mg2Si及Al10Mn2Si相固溶析出和元素偏析的形成；
2、中间合金添加的创新：先利用纯硅411等级(含硅质量百分数90％以上)制作铝合金硅锭，(代替纯硅作为中间合金添加)由于增加了一道对纯硅的净化处理，均匀化工序，不仅减少了铝液中杂质含量，而且铝合金硅锭属于中间合金，熔点低，调整成分时Si元素扩散更加均匀，极大的消除了Si元素偏析；
3、6系铝合金铸造工艺的创新：提供一种新型的6系铝合金圆铸锭生产方法，采用连续转水铸造工艺，实现连续化、自动化，使液态金属一次成坯或成材，缩短了生产流程，有利于精益管理和改善劳动生产条件。其设备简单、集中，节省了大量的设备投资和能源消耗。采用高精度过滤，良好的铸造工艺，极大的降低了冶金缺陷和铸造缺陷，生产出高纯净，含杂质少的铝合金圆铸锭；
4、本发明制备的铝合金铸锭，在后续铝合金阳极腐蚀后，铝表面色泽均匀，无明显组织条纹，无腐蚀黑丝黑线，显著的提高了下游客户产品良品率。
附图说明
图1为采用常规6系铝合金铸造方法铸造的低倍试片腐蚀后的金相图；
图2为根据本发明实施例X的铸造方法铸造的铝合金低倍试片腐蚀后的金相图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明的具体实施方式进行进一步描述。
本发明所用原料，对其来源没有特别限制，可以是市售原料，或者是按照本领域技术人员的常规技术制备的原料。
本发明所用原料，涉及的牌号和简称均属于本领域常规牌号和简称，每个牌号和简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据牌号、简称以及相应的用途，能够从市售中购买得到或常规方法制备得到。
本发明涉及的工艺，其简称均属于本领域常规简称，每个简称的具体步骤和常规参数在其相关领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据简称，能够以常规方法进行实现。
实施例1
(一)制备铝合金硅锭：
表1中为预设制备的铝合金硅锭的元素含量表。
表1.铝合金硅锭中各元素含量％
具体制备步骤如下：
1、原料熔化：将铝锭(70％)和废料(1级废料，6系铝合金棒头尾/排汤/压余废料)(30％)一次装入熔炼炉熔化；
2、纯硅熔炼：待原料熔化后，控制铝液温度为750℃，加入纯硅(441等级)；
3、精炼：进行第一次精炼，精炼剂用量0.2kg/吨铝，氮气压力为0.15mpa，氮气纯度≥99.96％，精炼时间15min/次；
4、成分分析：对精炼后的铝液进行扒渣，然后取样进行光谱分析；
5、成分调整：根据光谱分析结果，计算铝液中各元素的含量，将其与表1中的铝合金硅锭具体化学成分表进行比较，计算获得各种元素的差量，然后补足不足量的元素，或者添加铝元素进行冲淡；
补料计算公式为：
X＝[(a-b)Q+(c1+c2+…)a]/(d-a)
式中：
X-补料量，kg；
a-某元素的要求含量，％；
b-该元素的炉前分析值，％；
Q-熔体总重，kg；
c1,c2,…-新补充炉料的加入量，kg；
d-补料用中间合金或新金属中该元素的含量，％。
冲淡计算公式如下：
X＝(b-a)Q/a
式中：
X-补料量，kg；
a-该元素的要求含量，％；
b-某元素的炉前分析值，％；
Q-熔体总重，kg。
6、重复3次精炼、3次成分分析和2次成分调整的步骤，使铝液中各元素含量与表1中铝合金硅锭具体化学成分相同；
7、静置：保持铝液温度750℃，同时，保证从纯硅熔炼过程开始到静置结束，铝液在炉内停留的中间间隔时间不得少于4小时；
8、净化铝液：将静置处理后的铝液转入双转子在线除气系统进行除气处理，其中，系统气氛为≥99.990％高纯氩气体，气体压力为0.15Mpa，气体流量为30L/min，转子转速为330r/min；随后，控制气氛温度750℃，铝液温度720℃，采用陶瓷泡沫过滤板，在线对铝液进行过滤处理；
10、铸造：控制铸造前炉内温度：725℃；模盘盘头温度：700℃；模盘盘尾温度：690℃；铸造速度：150mm/min；冷却水流量：4000L/min；将净化后所得的洁净铝液流转到模盘内，经过热顶工艺铸造成铝合金硅锭。
二、铝合金铸锭的铸造方法
表2.铝合金铸锭中具体化学成份(质量分数)％
1、熔炉准备：生产投料前进行清炉、烘炉，中长期停炉烘炉时间不少240h，短期停炉烘炉时间不少于48h，最终炉膛温度需达到700℃以上，方可装炉投料；
2、原料熔化：将铝锭(70％)和废料(1级废料，6系铝合金棒头尾/排汤/压余废料)(30％)一次装入熔炼炉熔化；
2、精炼：管控熔炼温度为720℃；之后采用精炼剂氮气混合精炼，精炼剂用量为0.2kg/吨铝液，氮气压力为0.15mpa，氮气纯度为≥99.96％，精炼时间为15min/次。精炼完成后，将铝液表面浮渣扒出炉外；
3、转炉：将铝液由上炉转移到下炉。采用上下炉转水生产，可以提高生产连续性以及生产效率，同时降低了天然气的消耗；
4、再次精炼：管控熔炼温度为720℃，进行精炼：向铝液中加入精炼剂和氩气，精炼剂用量0.2kg/吨铝液，氩气压力为0.15mpa，氩气纯度≥99.990％，精炼时间15min，精炼路线沿“Z”和“N”执行；
5、成分分析：对精炼后的铝液进行扒渣操作，随后，从扒渣后的铝液中取样，样品经直读光谱仪进行成分分析；
6、成分调整：将成分分析的结果与表2中的6系铝合金的成分表进行比较，计算获得各种元素的差量，并补足不足量的元素，或加入铝元素添加剂进行冲淡，其中，补料前，铝液温度控制在730℃。
补料计算公式为：
X＝[(a-b)Q+(c1+c2+…)a]/(d-a)
式中：
X-补料量，kg；
a-某元素的要求含量，％；
b-该元素的炉前分析值，％；
Q-熔体总重，kg；
c1,c2,…-新补充炉料的加入量，kg；
d-补料用中间合金或新金属中该元素的含量，％。
冲淡计算公式如下：
X＝(b-a)Q/a
式中：
X-补料量，kg；
a-该元素的要求含量，％；
b-某元素的炉前分析值，％；
Q-熔体总重，kg。
Si元素添加使用步骤(一)中获得的铝合金硅锭(Si元素质量百分数10％)，并根据计算需要的重量，一次性均匀分散添加至炉内；
Mg元素添加使用Mg锭(Mg元素质量百分数100％)，添加方式为，放入加镁笼添加，Mg锭须没入铝液中，保持1min，减少烧损；
添加合金后，保持铝液静置20min，以便中间合金快速扩散均匀。
7、依次重复3次精炼、3次成分分析和2次成分调整的步骤，使铝液中各元素的含量达到表2中的铝合金中各元素的含量；
8、静置：将铝液静置20min；
9、净化铝液：对获得的铝液进行在线除气除渣和过滤处理；其中，采用双转子在线除气系统进行在线除气除渣，采用≥99.990％高纯氩气体气氛，气体压力为0.15Mpa，转子转速为330r/min，气体流量为30L/min。采用本方法除气，除气后，系统中氢含量可以有效控制在0.10ml/100gAl以下，除气效率≥90％；随后，采用过滤箱单通单级陶瓷30ppi或50ppi过滤板和管式过滤系统配合过滤除渣，其中，过滤系统使用前进行预热处理，过滤时气氛温度控制在750℃；本实施例中采用管式过滤系统相配合的过滤方式，管式过滤器有效的过滤表面积和过滤杂质的量至少是陶瓷泡沫过滤器的20-50倍，从而，可以实现优异的出渣效果，有效提高成品的纯度；
10、铸造：采用热顶工艺铸造：
1)烘烤模盘：采用特制的模盘烘烤架，对模盘进行烘烤预热，温度控制在45℃。
2)准备热顶结晶器做模：清理结晶器出水口；按照氮化硼与水比例1:3调制氮化硼浆液涂料，滑石粉与水比例2:1调制滑石粉膏；将流槽、过滤箱、模盘等部位喷满氮化硼浆液涂料；用滑石粉膏涂抹石墨环1/3部分，保持石墨环另外2/3的下口整齐、圆滑；涂抹完滑石粉膏后，将食用油涂于滑石粉膏上；
3)模盘处理：清理完模盘后，喷上氮化硼浆液涂料，并用吸尘器将模盘表面尘土吸附干净，待用；
4)将过滤除渣后所的洁净铝液流转到模盘内，经过热顶工艺铸造成6系铝合金圆铸锭；铸造条件为：
铸造前炉内温度：725℃；模盘盘头温度：685℃；模盘盘尾温度：680℃；铸造速度：45mm/min；冷却水流量：2000L/min，入口水温15℃，出口水温32℃，水压：5Mpa；结晶器有效高度为80mm，模盘液面高度根据生产实际要求严密监控。
5)炉后晶粒细化：采用Al-Ti5-B0.2炉后晶粒细化剂，其中，流槽添加量控制在0.01％。
6)高温均匀化退火：炉温≤100℃装炉，1h内将炉温升温到470℃，保温1h，在0.5h内将炉温升温到550℃，保温10h后出炉，采用风冷和水雾冷方式进行冷却，冷却强度≥250℃/h，获得铝合金铸锭。其中，第一阶段均匀化快速升温至470℃，使固溶体内Si、Mg含量快速大量均匀析出，保温1h促进炉内气氛的均匀性；第二阶段高温均匀化，配以慢速升温，使再结晶形核均匀，固溶体重新溶解分散，弥散第二相析出均匀；550℃均匀化退火，消除枝晶偏析，使非平衡相溶解和过饱和的过渡元素相沉淀，溶质的浓度逐渐均匀化，获得细密晶粒，保证成品的均匀性。
7)锯切：将铝合金铸锭的头部和尾部易产生缺陷的部位进行切除，获得铝合金铸锭成品。
实施例2
表1.铝合金硅锭中各元素含量
(一)制备铝合金硅锭：
1、原料熔化：将铝锭(80％)和废料(1级废料，6系铝合金棒头尾/排汤/压余废料)(20％)一次装入熔炼炉熔化；
2、纯硅熔炼：待原料熔化后，控制铝液温度为800℃，加入纯硅(441等级)；
3、精炼：进行第一次精炼，精炼剂用量1.2kg/吨铝，氮气压力为0.45mpa，氮气纯度≥99.96％，精炼时间30min/次；
4、成分分析：对精炼后的铝液进行扒渣，然后取样进行光谱分析；
5、成分调整：根据光谱分析结果，计算铝液中各元素的含量，将其与表1中的铝合金硅锭具体化学成分表进行比较，计算获得各种元素的差量，然后补足不足量的元素；
6、重复3次精炼、3次成分分析和2次成分调整的步骤，使铝液中各元素含量与表1中铝合金硅锭具体化学成分相同；
7、静置：保持铝液温度780℃，同时，保证从纯硅熔炼过程开始到静置结束，铝液在炉内停留的中间间隔时间不得少于4小时；
8、净化铝液：将静置处理后的铝液转入双转子在线除气系统进行除气处理，其中，系统气氛为≥99.990％高纯氩气体，气体压力为0.45Mpa，气体流量为80L/min，转子转速为500r/min；随后，控制气氛温度850℃，铝液温度740℃，采用陶瓷泡沫过滤板，在线对铝液进行过滤处理；
10、铸造：控制铸造前炉内温度：735℃；模盘盘头温度：720℃；模盘盘尾温度：715℃；铸造速度：170mm/min；冷却水流量：4500L/min；将净化后所得的洁净铝液流转到模盘内，经过热顶工艺铸造成铝合金硅锭A。
二、铝合金铸锭的铸造方法
表2.铝合金铸锭中具体化学成份(质量分数)％
1、熔炉准备：生产投料前进行清炉、烘炉，中长期停炉烘炉时间不少240h，短期停炉烘炉时间不少于48h，最终炉膛温度需达到700℃以上，方可装炉投料；
2、原料熔化：将铝锭(80％)和废料(1级废料，6系铝合金棒头尾/排汤/压余废料)(20％)一次装入熔炼炉熔化；
2、精炼：管控熔炼温度780℃；之后采用精炼剂氮气混合精炼，精炼剂用量为1.2kg/吨铝液，氮气压力为0.45mpa，氮气纯度为≥99.96％，精炼时间为30min/次。精炼完成后，将铝液表面浮渣扒出炉外；
3、转炉：将铝液由上炉转移到下炉。采用上下炉转水生产，可以提高生产连续性以及生产效率，同时降低了天然气的消耗；
4、再次精炼：管控熔炼温度为780℃，进行精炼：向铝液中加入精炼剂和氩气，精炼剂用量1.2kg/吨铝液，氩气压力为0.45mpa，氩气纯度≥99.990％，精炼时间30min，精炼路线沿“Z”和“N”执行；
5、成分分析：对精炼后的铝液进行扒渣操作，随后，从扒渣后的铝液中取样，样品经直读光谱仪进行成分分析；
6、成分调整：将成分分析的结果与表2中的6系铝合金的成分表进行比较，计算获得各种元素的差量，并根据实施例1中的公式，补足不足量的元素，或加入铝元素添加剂进行冲淡，其中，补料前，铝液温度控制在770℃。
Si元素添加使用步骤(一)中获得的铝合金硅锭(Si元素质量百分数10％-15％)，并根据计算需要的重量，一次性均匀分散添加至炉内；
Mg元素添加使用Mg锭(Mg元素质量百分数100％)，添加方式为，放入加镁笼添加，Mg锭须没入铝液中，保持5min，减少烧损；
添加合金后，保持铝液静置50min，以便中间合金快速扩散均匀。
7、依次重复4次精炼、4次成分分析和3次成分调整的步骤，直至铝液中各元素的含量达到表2中的铝合金中各元素的含量；
8、静置：将铝液静置50min；
8、净化铝液：对获得的铝液进行在线除气除渣和过滤处理；其中，采用双转子在线除气系统进行在线除气除渣，采用≥99.990％高纯氩气体气氛，气体压力为0.45Mpa，转子转速为500r/min，气体流量为80L/min。采用本方法除气，除气后，系统中氢含量可以有效控制在0.10ml/100gAl以下，除气效率≥90％；随后，采用过滤箱单通单级陶瓷30ppi或50ppi过滤板和管式过滤系统配合过滤除渣，其中，过滤系统使用前进行预热处理，过滤时气氛温度控制在850℃；本实施例中采用管式过滤系统相配合的过滤方式，管式过滤器有效的过滤表面积和过滤杂质的量至少是陶瓷泡沫过滤器的20-50倍，从而，可以实现优异的出渣效果，有效提高成品的纯度；
10、铸造：采用热顶工艺铸造：
1)烘烤模盘：采用特制的模盘烘烤架，对模盘进行烘烤预热，温度控制在100℃。
2)准备热顶结晶器做模：清理结晶器出水口；按照氮化硼与水比例1:5调制氮化硼浆液涂料，滑石粉与水比例3:1调制滑石粉膏；将流槽、过滤箱、模盘等部位喷满氮化硼浆液涂料；用滑石粉膏涂抹石墨环1/3部分，保持石墨环另外2/3的下口整齐、圆滑；涂抹完滑石粉膏后，将食用油涂于滑石粉膏上；
3)模盘处理：清理完模盘后，喷上氮化硼浆液涂料，并用吸尘器将模盘表面尘土吸附干净，待用；
4)将过滤除渣后所的洁净铝液流转到模盘内，经过热顶工艺铸造成6系铝合金圆铸锭；铸造条件为：
铸造前炉内温度：740℃；模盘盘头温度：715℃；模盘盘尾温度：705℃；铸造速度：80mm/min；冷却水流量：2800L/min，入口水温28℃，出口水温40℃，水压：7Mpa；结晶器有效高度为120mm，模盘液面高度根据生产实际要求严密监控。
5)炉后晶粒细化：采用Al-Ti5-B0.2炉后晶粒细化剂，其中，流槽添加量控制在0.03％。
6)高温均匀化退火：炉温≤100℃装炉，1.5h内将炉温升温到500℃，保温2h，在1h内将炉温升温到580℃，保温14h后出炉，采用风冷和水雾冷方式进行冷却，冷却强度≥250℃/h，获得铝合金铸锭。其中，第一阶段均匀化快速升温至500℃，使固溶体内Si、Mg含量快速大量均匀析出，保温2h促进炉内气氛的均匀性；第二阶段高温均匀化，配以慢速升温，使再结晶形核均匀，固溶体重新溶解分散，弥散第二相析出均匀；580℃均匀化退火，消除枝晶偏析，使非平衡相溶解和过饱和的过渡元素相沉淀，溶质的浓度逐渐均匀化，获得细密晶粒，保证成品的均匀性。
7)锯切：将铝合金铸锭的头部和尾部易产生缺陷的部位进行切除，获得铝合金铸锭成品B。
实施例3：
一、制备铝合金硅锭
表1.铝合金硅锭中各元素含量
铝合金硅锭具体制备步骤如下：
1、原料熔化：将铝锭(80％)和废料(1级废料，6系铝合金棒头尾/排汤/压余废料)(20％)一次装入熔炼炉熔化；
2、纯硅熔炼：待原料熔化后，控制铝液温度为780℃，加入纯硅(441等级)；
3、精炼：进行第一次精炼，精炼剂用量0.8kg/吨铝，氮气压力为0.35mpa，氮气纯度≥99.96％，精炼时间25min/次；
4、成分分析：对精炼后的铝液进行扒渣，然后取样进行光谱分析；
5、成分调整：根据光谱分析结果，计算铝液中各元素的含量，将其与表1中的铝合金硅锭具体化学成分表进行比较，计算获得各种元素的差量，然后补足不足量的元素；
6、重复进行成分分析和成分调整，直至获得其中各元素含量与表1中铝合金硅锭具体化学成分相同；
7、静置：保持铝液温度760℃，同时，保证从纯硅熔炼过程开始到静置结束，铝液在炉内停留的中间间隔时间不得少于4小时；
8、净化铝液：将静置处理后的铝液转入双转子在线除气系统进行除气处理，其中，系统气氛为≥99.990％高纯氩气体，气体压力为0.3Mpa，气体流量为50L/min，转子转速为400r/min；随后，控制气氛温度780℃，铝液温度730℃，采用陶瓷泡沫过滤板，在线对铝液进行过滤处理；
10、铸造：控制铸造前炉内温度：730℃；模盘盘头温度：710℃；模盘盘尾温度：700℃；铸造速度：160mm/min；冷却水流量：4200L/min；将净化后所得的洁净铝液流转到模盘内，经过热顶工艺铸造成铝合金硅锭。
二、铝合金铸锭的铸造方法
表2.铝合金铸锭中具体化学成份(质量分数)％
1、熔炉准备：生产投料前进行清炉、烘炉，中长期停炉烘炉时间不少240h，短期停炉烘炉时间不少于48h，最终炉膛温度需达到700℃以上，方可装炉投料；
2、原料熔化：将铝锭(90％)和废料(1级废料，6系铝合金棒头尾/排汤/压余废料)(10％)一次装入熔炼炉熔化；
2、精炼：管控熔炼温度为750℃；之后采用精炼剂氮气混合精炼，精炼剂用量为0.8kg/吨铝液，氮气压力为0.3mpa，氮气纯度为≥99.96％，精炼时间为25min/次。精炼完成后，将铝液表面浮渣扒出炉外；
3、转炉：将铝液由上炉转移到下炉。采用上下炉转水生产，可以提高生产连续性以及生产效率，同时降低了天然气的消耗；
4、再次精炼：管控熔炼温度为750℃，进行精炼：向铝液中加入精炼剂和氩气，精炼剂用量0.8/吨铝液，氩气压力为0.3mpa，氩气纯度≥99.990％，精炼时间25min，精炼路线沿“Z”和“N”执行；
5、成分分析：对精炼后的铝液进行扒渣操作，随后，从扒渣后的铝液中取样，样品经直读光谱仪进行成分分析；
6、成分调整：将成分分析的结果与表2中的6系铝合金的成分表进行比较，计算获得各种元素的差量，并按照实施例1中的公式，补足不足量的元素，或加入铝元素添加剂进行冲淡，其中，补料前，铝液温度控制在750℃。
其中，Si元素添加使用步骤(一)中获得的铝合金硅锭(Si元素质量百分数10％-15％)，并根据计算需要的重量，一次性均匀分散添加至炉内；
Mg元素添加使用Mg锭(Mg元素质量百分数100％)，添加方式为，放入加镁笼添加，Mg锭须没入铝液中，保持3min，减少烧损；
添加合金后，保持铝液静置30min，以便中间合金快速扩散均匀。
7、依次重复3次精炼、3次成分分析和2次成分调整的步骤，直至铝液中各元素的含量达到表2中的铝合金中各元素的含量；
8、静置：将铝液静置30min；
8、净化铝液：对获得的铝液进行在线除气除渣和过滤处理；其中，采用双转子在线除气系统进行在线除气除渣，采用≥99.990％高纯氩气体气氛，气体压力为0.3Mpa，转子转速为400r/min，气体流量为50L/min。采用本方法除气，除气后，系统中氢含量可以有效控制在0.10ml/100gAl以下，除气效率≥90％；随后，采用过滤箱单通单级陶瓷30ppi或50ppi过滤板和管式过滤系统配合过滤除渣，其中，过滤系统使用前进行预热处理，过滤时气氛温度控制在800℃；本实施例中采用管式过滤系统相配合的过滤方式，管式过滤器有效的过滤表面积和过滤杂质的量至少是陶瓷泡沫过滤器的20-50倍，从而，可以实现优异的出渣效果，有效提高成品的纯度；
10、铸造：采用热顶工艺铸造：
1)烘烤模盘：采用特制的模盘烘烤架，对模盘进行烘烤预热，温度控制在70℃。
2)准备热顶结晶器做模：清理结晶器出水口；按照氮化硼与水比例1:10调制氮化硼浆液涂料，滑石粉与水比例4:1调制滑石粉膏；将流槽、过滤箱、模盘等部位喷满氮化硼浆液涂料；用滑石粉膏涂抹石墨环1/3部分，保持石墨环另外2/3的下口整齐、圆滑；涂抹完滑石粉膏后，将食用油涂于滑石粉膏上；
3)模盘处理：清理完模盘后，喷上氮化硼浆液涂料，并用吸尘器将模盘表面尘土吸附干净，待用；
4)将过滤除渣后所的洁净铝液流转到模盘内，经过热顶工艺铸造成6系铝合金圆铸锭；铸造条件为：
铸造前炉内温度：730℃；模盘盘头温度：710℃；模盘盘尾温度700℃；铸造速度：50mm/min；冷却水流量：2500L/min，入口水温20℃，出口水温36℃，水压：6Mpa；结晶器有效高度为100mm，模盘液面高度根据生产实际要求严密监控。
5)炉后晶粒细化：采用Al-Ti5-B0.2炉后晶粒细化剂，其中，流槽添加量控制在0.01-0.03％。
6)高温均匀化退火：炉温≤100℃装炉，1.2h内将炉温升温到490℃，保温1.5h，在0.8h内将炉温升温到560℃，保温12h后出炉，采用风冷和水雾冷方式进行冷却，冷却强度≥250℃/h，获得铝合金铸锭。其中，第一阶段均匀化快速升温至480℃，使固溶体内Si、Mg含量快速大量均匀析出，保温1.5h促进炉内气氛的均匀性；第二阶段高温均匀化，配以慢速升温，使再结晶形核均匀，固溶体重新溶解分散，弥散第二相析出均匀；560℃均匀化退火，消除枝晶偏析，使非平衡相溶解和过饱和的过渡元素相沉淀，溶质的浓度逐渐均匀化，获得细密晶粒，保证成品的均匀性。
7)锯切：将铝合金铸锭的头部和尾部易产生缺陷的部位进行切除，得到铝合金铸锭成品C。
将上述实施例中获得的铸锭进行光谱分析、含氢量分析、硬度测试、低倍组织测试、高倍平均晶粒尺寸测试、端面切斜度测试、弯曲度测试等，测试结果如表7所示。
表7.实施例1-3所获得的铸锭的性能测试结果
从表7中可以看出，采用本发明的铸造方法铸造得到的铝合金铸锭，其内部成分含量均匀，头尾元素成分差异≤0.0015％；铸锭中氢含量少，颗粒度小，从而表面光滑，且无明显缺陷；同时本发明所铸造的铝合金铸锭，端面切斜度和弯曲度都很小，从而铸锭表面水平，无表面缺陷。
另外，将根据现有技术制备的铝合金铸锭和本发明实施例1铸造的铝合金铸锭进行阳极腐蚀处理，处理后的根据现有技术制备的铝合金铸锭和本发明实施例1铸造的铝合金铸锭的金相图分别如图1和图2所示。从图中可以看出，根据本发明的铸造方法铸造的铝合金铸锭，其整个金相视野区域，固溶体溶解良好，晶界清晰，第二相弥散相析出均匀，元素聚集偏析明显减少，从而，本发明制备的铝合金铸锭，在后续铝合金阳极腐蚀后，铝表面色泽均匀，无明显组织条纹，无腐蚀黑丝黑线，显著的提高了下游客户产品良品率。
应当注意的是，以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种铝合金及其铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备铝合金硅锭：将纯硅加入到熔化的第一铝合金原料中熔炼，经过铸造制得所述铝合金硅锭；
(2)熔化：将第二铝合金原料加入到熔炼炉的上炉中进行熔化，得到铝液；
(3)精炼：加入精炼剂，对熔炼炉的上炉中的液体进行精炼，去除铝液中的杂质；
(4)转炉：将铝液由上炉转移到下炉；
(5)成分分析：分析下炉中铝液的化学成分；
(6)成分调整：根据步骤(5)中的成分分析结果，与预设的铝合金中各元素的含量相比较，计算获得各种元素的差量，并补足不足量的元素；其中，根据硅元素的差量，称取步骤(1)所得的铝合金硅锭，加入下炉中补足硅元素；
(7)净化铝液：对获得的铝液进行在线除气除渣和过滤处理；
(8)铸造：采用热顶工艺铸造获得所需铝合金铸锭。
2.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，
步骤(1)制备铝合金硅锭包括以下步骤：
(11)熔化；将第一铝合金原料加入到熔炼炉的上炉中进行熔化，得到铝液；
(12)加硅：向步骤(11)得到的铝液中加入纯硅；
(13)精炼：添加精炼剂，对熔炼炉中的液体进行精炼，去除残渣；
(14)成分分析：分析熔炼炉中铝液的化学成分；
(15)成分调整：根据步骤(14)中的成分分析结果，与预设的铝合金硅锭中各元素的含量相比较，计算获得各种元素的差量，并补足不足量的元素；
(16)净化铝液：对获得的铝液进行在线除气除渣和过滤处理；
(17)铸造：采用热顶工艺铸造获得所需铝合金硅锭。
3.根据权利要求1或2所述的铸造方法，其特征在于
步骤(2)中的熔温度为720-780℃。
4.根据权利要求1或2所述的铸造方法，其特征在于，
步骤(3)中的精炼剂用量为0.2-1.2kg/吨铝液，精炼条件为0.15-0.45mpa的氮气压，精炼时间为15-30min/次。
5.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，还包括
转炉后，重复M次精炼、M次成分分析和M-1次成分调整的步骤，直至铝液中各元素的含量达到预设的铝合金中各元素的含量，其中M＞0。
6.根据权利要求2所述的铸造方法，其特征在于，
净化铝液前，重复N次精炼、N次成分分析和N-1次成分调整的步骤，直至铝液中各元素的含量达到预设的铝合金硅锭中各元素的含量，其中N＞0。
7.根据权利要求1或2所述的铸造方法，其特征在于，
净化铝液的步骤中，在线除气除渣的条件为：采用双转子在线除气系统，其中，气氛为≥99.990％的高纯氩气体，气体压力为0.15-0.45Mpa，气体流量30-80L/min，转子转速为330-500r/min；
过滤处理的条件为：控制气氛温度750-850℃，铝液温度700-730℃，采用管式过滤器和/或过滤箱单桶单级陶瓷过滤板和/或陶瓷泡沫过滤技术和/或深床过滤器进行过滤。
8.根据权利要求1或2所述的铸造方法，其特征在于，
铸造步骤包括：
(81)烘烤模盘；
(82)热顶结晶器做模准备：制作滑石粉膏和填补石墨环；
(83)模盘处理：喷涂氮化硼浆料，清洁表面；
(84)铸造；
(85)高温均匀化退火；
(86)锯切头尾。
9.根据权利要求8所述的铸造方法，其特征在于，
步骤(82)热顶结晶器做模准备的步骤包括，
(821)清洗结晶器出水口；
(822)氮化硼与水按照1:3-1:10的比例混合，获得氮化硼浆料喷涂热顶结晶器的流槽、过滤箱、模盘；
(823)滑石粉与水按照2:1-4:1的比例混合，获得滑石粉膏填补石墨环；
(824)在滑石粉膏上刷涂食用油。
10.根据权利要求8所述的铸造方法，其特征在于，
步骤(84)铸造的条件为，铸造前炉内温度：725-740℃；模盘盘头温度：685-715℃；模盘盘尾温度：680-705℃；铸造速度：45-80mm/min；冷却水流量：2000-2800L/min，水压：5-7Mpa；结晶器有效高度为80-120mm。
11.根据权利要求8所述的铸造方法，其特征在于，
步骤(86)高温均匀化退火的条件：采用炉气控温方式退火，其中，在炉温≤100℃时装炉，1-1.5h内将炉温升温到470-500℃，保温1-2h，再0.5-1h将炉温升温到550-580℃，保温10-14h，后出炉风冷以及水雾冷，冷却速率≥250℃/h。
12.根据权利要求1或2所述的铸造方法，其特征在于，
所述第一铝合金原料或者第二铝合金原料包括铝锭和/或铝合金废料，其中，废料的总投入量≤30％，铝锭的总投入量≥70％。
13.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，
步骤(1)中制得的所述铝合金硅锭包括以下组分：
Si：10％～15％；
Fe：≤0.10％；
Cu：≤0.10％；
Mn：≤0.10％；
Mg：≤0.10％；
Zn：≤0.10％；
Ti：≤0.10％；
余量为铝。
14.根据权利要求13所述的铸造方法，其特征在于，
所述铝合金包括以下组分：
Si：0.40％～0.70％；
Fe：≤0.18％；
Cu：≤0.05％；
Mn：≤0.10％；
Mg：0.45％-0.80％；
Cr：≤0.05％
Zn：≤0.05％；
Ti：≤0.05％；
余量为铝。
15.一种根据权利要求1-14任一所述的铸造方法所铸造的铝合金。
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