CN109666831A - 一种大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭及其制备工艺，其包括如下质量分数的化学成分：Si 0.30～0.80％、Fe 0.10～0.60％、Cu 3.4～4.4％、Mn 0.50～0.90％、Mg 0.50～1.3％、Cr 0.01～0.08％、Zn 0.05～0.40％、Bi 0.40～1.0％、Ti 0.03～0.10％、Sn≤0.02％，余量为Al和不可避免的其它杂质，且不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。本发明旨在提供铝合金大直径铸锭的制备工艺，克服了传统工艺生产直径400mm以上硬合金铸锭偏析层厚、易产生裂纹和成分均匀性差等问题，且在变形加工前进行高温扩散处理，获得成分分布均匀、组织弥散致密、易于变形加工的优质铸锭。
Description
技术领域
本发明属铝合金制备技术领域，涉及一种大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭及其制备工艺。
背景技术
易切削铝合金以其优良的切削加工性能、高效的加工效率以及加工后可获得表面光洁度高的制品，在国内外被广泛用于汽车、电子产品、液压设备等领域，制造对表面光洁度、加工精度和零件强度要求高的主缸制动活塞、充气阀体、各类连接件以及压力、仪表等部件。
对于高强度易切削合金而言，合金化程度高，同时为提高其切削性能，还加入一定量Bi、Sn等低熔点组元，造成合金结晶温度范围宽，铸造应力高，变形抗力大。特别是制备大直径铸锭时，往往造成径向化学成分差异大，易产生中心冷裂纹或表面裂纹，且在后续挤压加工时变形抗力高，对工模具的损伤大，生产效率低下。另外，采用传统工艺生产的大直径易切削合金铸锭，边部偏析层缺陷10～20mm，经变形加工过程中，偏析层流入产品中，造成组织废品。
发明内容
为了解决上述问题之一，本发明的目的在于提供一种大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭及其制备工艺，以获得化学成分均匀、组织弥散致密以及变形抗力低的大直径易切削铝合金铸锭。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭，按质量百分比包括如下元素：Si0.30～0.80％、Fe 0.10～0.60％、Cu 3.4～4.4％、Mn 0.50～0.90％、Mg 0.50～1.3％、Cr0.01～0.08％、Zn 0.05～0.40％、Bi 0.40～1.0％、Ti 0.03～0.10％、Sn≤0.02％，余量为Al和不可避免的其它杂质，且不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。
一种大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭的制备工艺，包括以下步骤：将铝锭置于矩形反射炉内，熔化升温至760～780℃，加入合金材料，电磁搅拌20～30min后，一次精炼15～30min，取样分析化学成分，根据分析结果进行补料，二次精炼15～30min，继续升温至760～780℃，得到化学成分均匀、内部纯净的铝熔体；将铝熔体经流槽、在线除气、双级过滤后引入结晶器平台进行铸造，铸造保持时间20～50s，铸造长度0～50mm内的铸造速度25～30mm/min，铸造长度50～150mm内的铸造速度35～45mm/min，铸造长度大于150mm的铸造速度45～50mm/min，并在线加入晶粒细化剂，冷却水流量为60～200t/h，在铸造收尾阶段，铸锭刚脱离石墨环后，停止铸机下行，冷却水流量调整为40～60t/h，保持30～40min；铸锭经水浸超声探伤后，进行高温扩散处理，包括升温、保温和冷却过程。
优选地，所述的一次精炼和二次精炼采用纯度99.999％以上的氮气喷粉精炼，精炼剂用量为2～3kg/t的Al，补料精炼采用纯度99.999％以上的氮气吹入CCl4，用量为0.1～0.3kg/t的Al。
优选地，所述的在线除气为真空在线除气装置，气源为纯度99.999％的氩气，转子速度400～600rpm。
优选地，所述的双级过滤采用泡沫陶瓷过滤板，一级过滤为50ppi，二级过滤为80ppi。
优选地，所述的结晶器平台为油气滑铸造平台，铸锭直径为486mm。
优选地，所述的铸造过程中使用超声波发生器在每个结晶器上方的保温帽处插入液面以下30～100mm以产生高频震动，超声波频率0.5～3MHz。
优选地，所述的在线加入晶粒细化剂为铝钛碳晶粒细化剂。
优选地，所述的水浸超声探伤采用横波和纵波综合扫查，横波探头规格2.5M NF，纵波探头规格2.5M NF，探伤小车扫查速度3～15m/min。
优选地，所述的高温扩散处理的升温过程为三段式，包括一段以40～60℃/h，从室温升至250℃；二段以50～75℃/h，从250℃升至400℃；三段以40～60℃/h，从400℃升至500℃。
优选地，所述的高温扩散处理保温温度460～550℃，保温时间18～20h。
优选地，所述的高温扩散处理的冷却过程为三段式，包括一段在热处理炉内以8～20℃/h冷至400～420℃，二段转入保温炉内以15～30℃/h冷却至250～280℃，三段转出保温炉外空冷。
优选地，所述的保温炉为密闭炉体，炉气可实现内循环。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
(1)本发明制备的大直径易切削铝合金铸锭成分均匀，径向分布差异小。
(2)采用油气滑铸造，结合超声波震动，使得铝合金铸锭偏析层薄，边缘仅1.5～3mm。
(3)采用三段式缓慢升温，高温长时保温以及三段式缓慢冷却的扩散处理工艺，充分消除铸锭的铸造应力，非平衡相溶解彻底，硬质第二相粒子球化完全，经挤压变形时抗力低，工模具使用寿命长，生产效率高。
附图说明
图1为铝合金铸锭显微组织图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的内容作进一步的详细说明。
一种大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭，按质量百分比包括如下元素：Si0.30～0.80％、Fe 0.10～0.60％、Cu 3.4～4.4％、Mn 0.50～0.90％、Mg 0.50～1.3％、Cr0.01～0.08％、Zn 0.05～0.40％、Bi 0.40～1.0％、Ti 0.03～0.10％、Sn≤0.02％，余量为Al和不可避免的其它杂质，且不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。
另外，一种大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭的制备工艺，包括以下步骤：将铝锭置于矩形反射炉内，熔化升温至760～780℃，加入合金材料，电磁搅拌20～30min后，一次精炼15～30min，取样分析化学成分，根据分析结果进行补料，二次精炼15～30min，继续升温至760～780℃，得到化学成分均匀、内部纯净的铝熔体；将铝熔体经流槽、在线除气、双级过滤后引入结晶器平台进行铸造，铸造保持时间20～50s，铸造长度0～50mm内的铸造速度25～30mm/min，铸造长度50～150mm内的铸造速度35～45mm/min，铸造长度大于150mm的铸造速度45～50mm/min，并在线加入晶粒细化剂，冷却水流量为60～200t/h，在铸造收尾阶段，铸锭刚脱离石墨环后，停止铸机下行，冷却水流量调整为40～60t/h，保持30～40min；铸锭经水浸超声探伤后，进行高温扩散处理，包括升温、保温和冷却过程。
其中，所述的一次精炼和二次精炼采用纯度99.999％以上的氮气喷粉精炼，精炼剂用量为2～3kg/t的Al，补料精炼采用纯度99.999％以上的氮气吹入CCl4，用量为0.1～0.3kg/t的Al；所述的在线除气为真空在线除气装置，气源为纯度99.999％的氩气，转子速度400～600rpm；所述的双级过滤采用泡沫陶瓷过滤板，一级过滤为50ppi，二级过滤为80ppi；所述的结晶器平台为油气滑铸造平台，铸锭直径为486mm；所述的铸造过程中使用超声波发生器在每个结晶器上方的保温帽处插入液面以下30～100mm以产生高频震动，超声波频率0.5～3MHz；所述的在线加入晶粒细化剂为铝钛碳晶粒细化剂；所述的水浸超声探伤采用横波和纵波综合扫查，横波探头规格2.5M NF，纵波探头规格2.5M NF，探伤小车扫查速度3～15m/min；所述的高温扩散处理的升温过程为三段式，包括一段以40～60℃/h，从室温升至250℃；二段以50～75℃/h，从250℃升至400℃；三段以40～60℃/h，从400℃升至500℃；所述的高温扩散处理保温温度460～550℃，保温时间18～20h；所述的高温扩散处理的冷却过程为三段式，包括一段在热处理炉内以8～20℃/h冷至400～420℃，二段转入保温炉内以15～30℃/h冷却至250～280℃，三段转出保温炉外空冷；所述的保温炉为密闭炉体，炉气可实现内循环。
提供如下实施例1～3的铝合金铸锭中铬元素的质量百分含量如下表1。
表1
需要注意的是：不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。
制备工艺包括如下步骤：根据以上各元素的质量百分含量，计算所需的铝锭、速溶硅、铁添加剂、铝铜合金、铝锰添加剂、铝铬添加剂、镁锭、锌锭和铋锭的用量，经装炉、熔化、搅拌、扒渣、合金化、一次精炼、扒渣、二次精炼、扒渣、静置、在线除气、双级过滤、铸造、水浸超声探伤、锯切、高温扩散处理等步骤即可制备。以下就本实施例中铸造和高温扩散处理作详细说明。
铸造步骤采用油气滑工装，脉冲式注油，其中一个周期内注油时间12s,停止注油时间18s。铝熔体经流槽进入真空在线除气箱体，抽取除气箱内空气，形成负压，除气箱内液面升高，底置转子高速旋转并将通入的纯度为99.999％的氩气切割成无数细小气泡，铝熔体内的气体和杂质吸附于气泡表面，并随之浮于熔体表面，达到除气除杂的目的，其中转子转速600rpm。熔体流至结晶器平台，液面升至保温帽1/4高度时，启动铸造，保持时间45s,铸造长度0～50mm内的铸造速度25～26mm/min，铸造长度50～150mm内的铸造速度42～44mm/min，铸造长度150mm后的铸造速度47～48mm/min，同时在线加入铝钛碳线杆状晶粒细化剂，直径9.5mm，加入速度3.2m/min。冷却水流量160～180t/h。铸造过程中使用超声波发生器在每个结晶器上方的保温帽处插入液面以下50～60mm以产生高频震动，超声波频率1.5MHz铸造收尾阶段，在铸锭刚脱离石墨环后，停止铸机下行，冷却水流量调整为50～55t/h，保持30min。
高温扩散处理的升温过程为三段式，一段以40～50℃/h，从室温升至250℃；二段以50～55℃/h，从250℃升至400℃；三段以40～50℃/h，从400℃升至500℃。保温温度500℃，保温时间20h。高温扩散处理的冷却过程为三段式，包括一段在热处理炉内以8～20℃/h冷至400～420℃，二段转入保温炉内以15～30℃/h冷却至250～280℃，三段转出保温炉外空冷。其中保温炉为密闭炉体，炉气可实现内循环。
实施例4
本实施例4与实施例2的区别在于铸造步骤，具体为：
铸造步骤采用油气滑工装，脉冲式注油，其中一个周期内注油时间12s,停止注油时间18s。铝熔体经流槽进入真空在线除气箱体，抽取除气箱内空气，形成负压，除气箱内液面升高，底置转子高速旋转并将通入的纯度为99.999％的氩气切割成无数细小气泡，铝熔体内的气体和杂质吸附于气泡表面，并随之浮于熔体表面，达到除气除杂的目的，其中转子转速450rpm。熔体流至结晶器平台，液面升至保温帽1/4高度时，启动铸造，保持时间50s,铸造长度0～50mm内的铸造速度27～30mm/min，铸造长度50～150mm内的铸造速度35～38mm/min，铸造长度150mm后的铸造速度45～46mm/min，同时在线加入铝钛碳线杆状晶粒细化剂，直径9.5mm，加入速度3.2m/min。冷却水流量100～130t/h。铸造过程中使用超声波发生器在每个结晶器上方的保温帽处插入液面以下50～60mm以产生高频震动，超声波频率1MHz铸造收尾阶段，在铸锭刚脱离石墨环后，停止铸机下行，冷却水流量调整为40～45t/h，保持30min。
实施例5
本实施例5与实施例2的区别在于铸造步骤，具体为：
铸造步骤采用油气滑工装，脉冲式注油，其中一个周期内注油时间12s,停止注油时间18s。铝熔体经流槽进入真空在线除气箱体，抽取除气箱内空气，形成负压，除气箱内液面升高，底置转子高速旋转并将通入的纯度为99.999％的氩气切割成无数细小气泡，铝熔体内的气体和杂质吸附于气泡表面，并随之浮于熔体表面，达到除气除杂的目的，其中转子转速500pm。熔体流至结晶器平台，液面升至保温帽1/4高度时，启动铸造，保持时间25s,铸造长度0～50mm内的铸造速度25～26mm/min，铸造长度50～150mm内的铸造速度39～40mm/min，铸造长度150mm后的铸造速度49～50mm/min，同时在线加入铝钛碳线杆状晶粒细化剂，直径9.5mm，加入速度3.2m/min。冷却水流量80～100t/h。铸造过程中使用超声波发生器在每个结晶器上方的保温帽处插入液面以下50～60mm以产生高频震动，超声波频率2MHz。铸造收尾阶段，在铸锭刚脱离石墨环后，停止铸机下行，冷却水流量调整为45～50t/h，保持30min。
实施例6
本实施例6与实施例2的区别在于高温扩散处理步骤，具体为：
高温扩散处理的升温过程为三段式，一段以50～60℃/h，从室温升至250℃；二段以65～75℃/h，从250℃升至400℃；三段以50～60℃/h，从400℃升至500℃。保温温度500℃，保温时间20h。高温扩散处理的冷却过程为三段式，包括一段在热处理炉内以15～20℃/h冷至420℃，二段转入保温炉内以20～30℃/h冷却至250℃，三段转出保温炉外空冷。其中保温炉为密闭炉体，炉气可实现内循环。
对比例
将采用现有的传统制备方法作为对比例，对照对比例及本发明上述实施例得到的铸锭进行相关性能测试和检验，结果如下：
(1)化学成分均匀性
取2～3mm铸锭试片，表面车光后进行光谱分析，从边部往中心每隔30mm激发一次，检验结果如下表2：
表2
从上表2可看出，实施例1～4制备的铝合金铸锭Cu元素径向分布的均匀性优于对比例。
(2)偏析层厚度
偏析层厚度通过低倍组织检验获得，分别在铸造开始端切除500mm长度后和浇口部切除200mm后取样检验，结果如下表3：
表3
| 偏析层厚度(mm) | 铸造开始端 | 浇口部 |
| 实施例1 | 2.5 | 2 |
| 实施例2 | 2.5 | 2 |
| 实施例3 | 2.5 | 2 |
| 实施例4 | 2.5 | 2 |
| 实施例5 | 3 | 2 |
| 实施例6 | 3 | 1.5 |
| 对比例 | 15 | 11 |
从上表可知，实施例1～6制备的铝合金铸锭偏析层厚度远小于对比例。
(3)铸锭硬度
铸锭经高温扩散处理后，使用便携式里氏硬度计检验铸锭端面硬度，检验结果如下表4：
表4
| 组别 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例4 | 实施例6 | 对比例 |
| 铸锭硬度(HB) | 55～62 | 55～61 | 55～62 | 57～63 | 53～59 | 56～60 | 72～78 |
从上表4可看出，实施例1～6制备的铝合金铸锭硬度相比对比例下降14～32％，铸造应力消除更充分。
(4)变形抗力
由实施例1～6与对比例中制备得到的铸锭中选取样品1～6作为测试样品，并分别记为铸锭1～6，铸锭1～6的变形抗力采用挤压过程中金属流通过模孔的突破压力来衡量其他工艺条件相同的情况下，通过在90MN挤压机上生产直径150mm实心棒材来检验，测试结果如下表5：
表5
由上表5可知，本发明的铝合金铸锭较对比例具有低变形抗力。
另外，结合图1，实施例1～6和对比例所述的制备方法制备的铝合金铸锭的显微组织可知，实施例1～6制备的铝合金铸锭枝晶网络已基本消除，第二相粒子尺寸细小且弥散分布，而对比例制备的铸锭仍明显可见枝晶网。
综合上，本发明所述的一种大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭及其制备工艺，主要通过铸造工艺和高温扩散处理工艺的优化设计，结合油气滑铸造工装和超声波搅拌震动等方法，可获得径向化学成分均匀、偏析层厚度薄以及变形抗力低的大直径铝合金铸锭。
以上实施例仅说明本发明的实施方案，并没有对本发明有任何形式上的限制；任何从事本专业的技术人员，都有能力利用揭示的技术内容作出一些更动或修饰，成为等同变化的等效实施例，根据本发明技术实质，对本发明进行简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭，其特征在于，按质量百分比包括如下元素：Si 0.30～0.80％、Fe 0.10～0.60％、Cu 3.4～4.4％、Mn 0.50～0.90％、Mg 0.50～1.3％、Cr 0.01～0.08％、Zn 0.05～0.40％、Bi 0.40～1.0％、Ti 0.03～0.10％、Sn≤0.02％，余量为Al和不可避免的其它杂质，且不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。
2.一种大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：将铝锭置于矩形反射炉内，熔化升温至760～780℃，加入各类合金材料，电磁搅拌20～30min后，一次精炼15～30min，取样分析化学成分，根据分析结果进行补料和补料精炼，二次精炼15～30min，继续升温至760～780℃，得到化学成分均匀、内部纯净的铝熔体；将铝熔体经流槽、在线除气、双级过滤后引入结晶器平台进行铸造，铸造保持时间20～50s，铸造长度0～50mm内的铸造速度25～30mm/min，铸造长度50～150mm的铸造速度35～45mm/min，铸造长度大于150mm的铸造速度45～50mm/min，并在线加入晶粒细化剂，冷却水流量为60～200t/h，在铸造收尾阶段，铸锭刚脱离石墨环后，停止铸机下行，冷却水流量调整为40～60t/h，保持30～40min；铸锭经水浸超声探伤后，进行高温扩散处理，包括升温、保温和冷却过程。
3.根据权利2所述的大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭的制备工艺，其特征在于，所述的一次精炼和二次精炼采用纯度99.999％以上的氮气喷粉精炼，精炼剂为用量2～3kg/t的Al，所述的补料精炼采用纯度99.999％以上的氮气吹入CCl4，精炼剂用量为0.1～0.3kg/t的Al。
4.根据权利2所述的大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭的制备工艺，其特征在于，在线除气为真空在线除气装置。
5.根据权利2所述的大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭的制备工艺，其特征在于，所述的双级过滤采用泡沫陶瓷过滤板，一级过滤为50ppi，二级过滤为80ppi。
6.根据权利2所述的大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭的制备工艺，其特征在于，所述的结晶器平台上方的保温帽处插入液面以下30～100mm，使用超声波发生器且超声波频率为0.5～3MHz。
7.根据权利2所述的大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭的制备工艺，其特征在于，所述的在线加入晶粒细化剂为铝钛碳晶粒细化剂。
8.根据权利2所述的大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭的制备工艺，其特征在于，所述的高温扩散处理的升温过程为三段式，包括一段以40～60℃/h，从室温升至250℃；二段以50～75℃/h，从250℃升至400℃；三段以40～60℃/h，从400℃升至500℃。
9.根据权利2所述的大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭的制备工艺，其特征在于，所述的高温扩散处理保温温度460～550℃，保温时间18～20h。
10.根据权利2所述的大直径低变形抗力易切削的铝合金铸锭的制备工艺，其特征在于，所述的高温扩散处理的冷却过程为三段式，包括一段在热处理炉内以8～20℃/h冷至400～420℃，二段转入保温炉内以15～30℃/h冷却至250～280℃，三段转出保温炉外空冷。
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