CN109913711A - 铸造铝合金成型装置及成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铸造铝合金成型装置及成型方法，包括：坩埚、坩埚盖和熔炼炉，浇包、搅拌装置和机械臂，浇注模具，机械臂位于熔炼炉与浇注模具之间合适位置，通过机械臂将浇包从熔炼炉内搬移至浇注模具的浇口部位；坩埚盖上设置有内盖和进气口，进气口连接惰性气体供应系统，内盖移除后可供浇包出入熔炼炉；在浇包底壁设置有通孔，在机械臂的末轴上设置有可密封配合通孔的塞杆。该铝合金成型方法包括干燥氩气环境中熔化、熔体旋转喷吹除气处理、浇注、固溶时效处理等步骤。采用本发明方法制得的铸造铝合金屈服强度高、断后伸长率高、冲击韧性好。
Description
技术领域
本发明涉及铸造铝合金铸造技术，具体涉及多元强化铸造铝合金成型装置及成型方法。
背景技术
在多元强化(至少两元强化相)铸造铝合金的高质量熔炼与定量浇注工艺技术领域，由于某些合金强化元素之间的物理性质与化学性质差异很大，批量熔化和长时间浇注过程中，易造成合金氧化和偏聚，影响铸件成分均匀性；当使用磷、锶、镝、钪等变质剂时，长时间的浇注作业可能会造成产品性能稳定性差和成本飙升的严重后果。
文献CN107570693A公开的高温铝液过滤及定量浇注装置，该装置采用PLC控制的旋转轮盘浇注通道与匹配运动的成形模具相配合，实现铝合金熔体的定量高效浇注；该装置通过控制浇注通道的痛断时常来控制浇注材料的多少。采用该装置进行含有磷、稀土、铜等易氧化元素和大比重元素时，缺乏适当的熔体氧化防护手段和熔体成分均化手段，难以保证熔体纯净度与成分均匀性；另外该技术方案通过轮盘旋转速度来控制熔体浇注量的方法，难以与进水口固定的金属铸件成形模具进行匹配作业，不能形成定点连续的充型压力，对于铸件充型能力损伤较大，通常只适合于生产铸造铝合金锭材料。文献CN108800928A公开的铝棒生产用铝水定量加料装置，该装置通过带刻度的管状加料装置控制铝合金熔体中加入物料的精确控制，并可实现螺旋搅拌和浇注功能。但是，该装置难以实现多阶段定量通断浇注成型，不适合用于含有多种合金元素的铝合金铸件浇注。基于此，有必要开发一种“能实现定量浇注，并在长时间循环浇注作业条件下，保证合金成分稳定性、产品力学性能稳定”的浇注成型装置及浇注成型方法。
发明内容
本发明目的之一在于提供一种铸造铝合金成型装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种铸造铝合金成型装置，包括：坩埚、坩埚盖和用于加热坩埚的熔炼炉，浇包、用于搅拌浇包内熔体的搅拌装置和用于搬移浇包的机械臂，浇注模具，机械臂位于熔炼炉与浇注模具之间合适位置，通过机械臂将浇包从熔炼炉内搬移至浇注模具的浇口部位；其中，坩埚盖上设置有内盖和进气口，进气口连接惰性气体供应系统，内盖移除后可供浇包出入熔炼炉；在浇包底壁设置有通孔，在机械臂的末轴上设置有可密封配合通孔的塞杆，在浇包外壁设置有两组液位探针，第一组液位探针的探测端比浇包内壁顶面低20-80mm，第二组液位探针的探测端比浇包内壁底面低1-3mm。
作为优选，通孔采用锥形孔，塞杆采用与锥形孔相配合的锥形塞杆。
作为优选，搅拌装置的搅拌部竖直设置于浇包顶壁，进气口设置于坩埚盖侧壁。
作为优选，第一组液位探针的探测端比浇包内壁顶面低50mm，第二组液位探针的探测端比浇包内壁底面低2mm。
本发明目的之二在于采用前述铸造铝合金成型装置，提供一种铸造铝合金成型方法。
一种铸造铝合金成型方法，步骤包括：
步骤1：将99.98wt％的高纯铝锭、铝10钛中间合金、铝30硅中间合金、99.8wt％纯镁锭分别进行干喷砂处理后预热至300～340℃，将预热后的高纯铝锭、铝10钛中间合金、铝30硅中间合金按合适比例(所述合适比例根据铸造铝合金成分占比计算而得)加入坩埚中，并在干燥氩气环境中升温熔化，得熔体A，熔体A温度控制在690～700℃；
步骤2：搅拌熔体A，将预热至300～340℃的99.8wt％纯镁锭加入熔体A中，并在干燥氩气环境中升温熔化，得熔体B，当熔体B温度达730～740℃时，保温16-20分钟；
步骤3：采用气体精炼机对熔体B进行高纯氩气旋转喷吹除气处理；其中，氩气纯度不低于99.99％，氩气流量为0.16-0.22m3/h，转速为500-540转/分钟，氩气压力为0.3-0.32MPa，处理时间为23-26分钟；
步骤4：将熔体B升温至780～790℃，保温10-13分钟；当熔体B开始保温时，将在真空条件下浇铸成形的Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体(预制体各元素含量根据铸造铝合金成分占比计算而得)置于浇包中，使预制体小端与浇包下表面的通孔对齐；预热浇包，直至浇包内表面温度达到420～460℃；
步骤5：将浇包没入熔体B表面，缓慢下沉浇包使熔体B由浇包下表面的通孔部位进入浇包内，熔体B进入浇包逐渐熔化Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体，得熔体C；在浇包内外的铝合金熔体表面重合前的0.3-0.5秒时段内，采用塞杆密封浇包下表面的通孔；
步骤6：采用机械臂提升浇包，使浇包底部脱离熔体C上表面，并与熔体C上表面保持10～15mm的距离；搅拌熔体C，搅拌时间10-20分钟；
步骤7：转移浇包至浇注成形工位，使浇包下部通孔部位与浇口配合，并以40-60mm/s的速度提升塞杆，使熔体C进入模具型腔，完成浇注成型；
步骤8：对浇注成形的型体进行固溶时效处理，固溶时效处理完成后的型体先在45～55℃的环境中放置28～32h，然后在170～180℃的时效炉中保温6.5～7.5h，保温结束后，在10～40℃空气中自然冷却；作为优选，固溶处理温度为530～538℃，固溶处理时间为140～165分钟，时效处理过程中的淬火介质为80～86℃的自来水。
作为优选，步骤5中，浇包下沉时，当第一组液位探针接触熔体前，浇包的下沉速度为10-20mm/s，当第一组液位探针接触熔体后，浇包的下沉速度为5-9mm/s。
作为优选，前述铸造铝合金的成分包括：Si：7.5～8.5％、Cu：2.5～2.7％、Dy(镝)：0.35～0.45％、P：0.02～0.04％、Sc(钪)：0.1～0.2％、Ti：0.15～0.19％、Mg：0.4～0.8％、Fe≤0.2％、Mn≤0.1％、Zn≤0.1％、Ni≤0.1％，余量为Al，所述百分比为重量百分比。
有益效果：采用本发明成型装置及成型方法能够在浇包内进行易烧损和高价值元素的合金化，避免多元合金元素分层聚集现象，提高合金元素利用效率；采用本发明成型装置及成型方法能有效控制已进入浇包并完成合金化的熔体不反向流入坩埚，有利于精确控制合金成分含量，能在无熔体飞溅的情况下搅拌；采用本发明成型装置及成型方法制得的铸造铝合金元素成分偏差率小，经检测，铸件不同部位的Si元素成分偏差率不大于0.2wt％、Cu、Mg元素成分偏差率不大于0.05wt％，Dy、Sc元素成分偏差率不大于0.02wt％，Ti元素成分偏差率不大于0.01wt％，P元素成分偏差率不大于0.005wt％，Fe、Mn、Zn、Ni元素成分偏差率均小于0.005wt％；采用本发明成型装置及成型方法还能够缩短固溶处理时间，固溶处理时间仅需140～165分钟，相比于国标规定的8小时固溶处理时间，固溶处理时间缩短了65.63-70.83％；采用本发明成型方法不仅能够在铝合金内部形成二元或三元强化相，阻碍Mg2Si相的长大和聚集，而且能够对铝合金基体和晶界达到双效增强作用；采用本发明成型装置及成型方法制得的铸造铝合金屈服强度高、断后伸长率高、冲击韧性好，其抗拉强度达482MPa、屈服强度达387MPa、断后伸长率达16.5％，所测部位的常温抗拉强度差值不大于8MPa，断后伸长率最大值与最小值之差小于3％，内部圆形针孔度1-2级，夹杂物符合1级标准要求，内部无裂纹；按照GB 229-1994金属夏氏比缺口冲击试验方法进行测试，其Akv值达15.6J/cm2。
附图说明
图1是本发明铸造铝合金成型装置的示意图一；
图2是图1中A部位的放大图；
图3是图1中B部位的放大图；
图4是本发明铸造铝合金成型装置的示意图二(浇包内外的铝合金熔体表面重合前)；
图5是本发明铸造铝合金成型装置的示意图三(浇注状态)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，在此指出以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域普通技术人员根据本发明的内容作出一些简单的替换或调整，均在本发明的保护范围之内。
实施例1
一种铸造铝合金成型装置，如图1、图2和图3所示，包括：坩埚1、坩埚盖2和用于加热坩埚1的熔炼炉3，浇包4、用于搅拌浇包4内熔体的搅拌装置和用于搬移浇包4的机械臂6，浇注模具7，机械臂6位于熔炼炉3与浇注模具7之间合适位置，通过机械臂6将浇包4从熔炼炉3内搬移至浇注模具7的浇口8部位；其中，坩埚盖2上设置有内盖9和进气口10，进气口10连接惰性气体供应系统，内盖9移除后可供浇包4出入熔炼炉3；在浇包4底壁设置有通孔15，在机械臂6的末轴上设置有可密封配合通孔15的塞杆11，在浇包4外壁设置有两组液位探针，第一组液位探针13的探测端比浇包4内壁顶面低20-80mm，第二组液位探针12的探测端比浇包4内壁底面低1-3mm。
其中，通孔15采用锥形孔，锥形孔两端尺寸分别为Φ44mm-Φ40mm、Φ34mm-Φ20mm，塞杆11采用与锥形孔相配合的锥形杆，锥形杆的锥段大端尺寸为60-50mm,小端尺寸为Φ40mm-Φ36mm，塞杆直段直径为36-40mm。
其中，搅拌装置的搅拌部5竖直设置于浇包4顶壁，进气口10设置于坩埚盖2侧壁。
其中，第一组液位探针13的探测端比浇包4内壁顶面低50mm，第二组液位探针12的探测端比浇包4内壁底面低2mm。
如图1和图3所示，塞杆11和搅拌装置的搅拌部5通过固定部21连接成一整体，并通过机械臂6控制塞杆11和搅拌部5同步升降。往浇包4内放置预制体时，先通过机械臂6同步提升塞杆11和搅拌部5，然后往浇包4内放置预制体，再通过机械臂6同步下降塞杆11和搅拌部5至合适位置。
其中，坩埚1采用碳化硅坩埚，熔炼炉3采用电阻熔炼炉，浇包4钢制浇包，钢制浇包内壁喷涂有石墨基防护涂料，钢质浇包底板厚度为25-30mm，惰性气体供应系统用于供应符合要求的氩气。
其中，搅拌装置采用超声搅拌装置，超声搅拌装置的超声工具头材质为TC4或TC6钛合金，超声工具头直径为Φ30-34mm，搅拌时插入熔体的深度为40-60mm，超声波发生器的频率为20kHz，功率为500-1000W。
实施例2
一种铸造铝合金成型方法，该铸造铝合金由以下成分组成：Si：7.5％、Cu：2.7％、Dy：0.45％、P：0.02％、Sc：0.15％、Ti：0.15％、Mg：0.4％、Fe：0.1％、Mn：0.06％、Zn：0.03％、Ni：0.02％，余量为Al，所述百分比为重量百分比。该方法采用实施例1中的铸造铝合金成型装置，结合图1至图5所示，步骤包括：
步骤1：将99.98wt％的高纯铝锭、铝10钛中间合金、铝30硅中间合金、99.8wt％纯镁锭分别进行干喷砂处理，并分别预热至300℃，将按合适比例(所述合适比例根据铸造铝合金成分占比计算而得)配制的全部高纯铝锭、铝30硅中间合金、铝10钛中间合金加入电阻熔炼炉3中的碳化硅坩埚1中进行升温，通过进气口10向坩埚1内通入纯度为99.8％、流量为1m3/h的干燥氩气，直至坩埚1内炉料熔化，得熔体A，熔体A温度控制在690℃；
步骤2：将坩埚盖2从坩埚1上移开，断开熔炼炉3的加热电源，使用石墨材质的搅拌工具对熔体A进行自上而下的圆周搅拌，搅拌时间为3min；然后使用铁钳将预热至300℃的纯镁锭加入熔体A中，将坩埚盖2扣在熔炼炉3上方，向坩埚1内通入纯度为99.8％、流量为1.8m3/h的干燥氩气，并通电加热，得熔体B，当熔体B温度达到740℃后，保温20分钟；
步骤3：熔体B保温结束后，移除坩埚盖2中部的内盖9，采用气体精炼机对熔体B进行高纯氩气旋转喷吹除气处理；其中，氩气纯度不低于99.99％，氩气流量为0.2m3/h，转速为520转/分钟，氩气压力为0.3MPa，处理时间为25分钟；
步骤4：旋转喷吹除气结束后，将内盖9放回到坩埚盖2上，将熔体B升温至780℃，保温10分钟；当熔体B开始保温时，将在真空条件下浇铸成形的Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体20置于喷涂有石墨基防护涂料的钢质浇包4中，使预制体20小端与浇包4下表面的通孔15对齐；采用煤气火焰预热浇包4，直至浇包4内表面温度达到460℃；本步骤中，Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体20小端外表面为球面，球面尺寸为SR60-SR70mm；
步骤5：当熔体B在780℃完成保温处理，并且浇包4预热完成后，移除坩埚盖2中部的内盖9，通过机械臂6将浇包4垂直缓慢没入熔体B表面，下沉浇包4使熔体B由浇包4下表面的通孔15进入浇包4内(随着浇包4的下降，坩埚1内的熔体B由浇包4下表面的通孔15进入浇包4内)，熔体B进入浇包4并逐渐熔化Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体20(如图4所示)，得熔体C；本步骤中，浇包4下沉过程中，当第一组液位探针13接触熔体前，浇包4的下沉速度为15mm/s，当第一组液位探针13接触熔体后，浇包4的下沉速度为7mm/s，当第二组液位探针12接触熔体后，浇包4停止下沉，在浇包4内外铝合金熔体表面重合前的0.3至0.5s时段内，采用塞杆11密封浇包4底壁的通孔15；
步骤6：当塞杆11与浇包4底壁的通孔15形成紧密配合(密封)后，通过机械臂6垂直提升浇包4，使浇包4底部脱离熔体C表面，并与熔体C表面保持15mm的距离；随后启动浇包4上盖两侧的超声均匀化搅拌装置，搅拌熔体C，搅拌时间为10min；
步骤7：超声搅拌完成后，移出浇包4盖，转移浇包4至浇注工具7的浇注成形工位(如图5所示)，使浇包4下部通孔15与浇口8贴合，使浇包4下部通孔7中心与浇口8中心对齐，提升塞杆11，使熔体C进入模具型腔，直至完成浇注成型；
步骤8：对浇注成形的型体进行固溶时效处理，固溶处理温度为538℃，固溶处理时间为140min，时效处理的淬火介质为84℃的自来水；固溶时效处理完成后的型体先在45℃的环境中放置32h，然后在170℃的时效炉中保温7.5h，保温结束后，在10℃空气中自然冷却，取出铝合金型体。
选用本实施例制得的铸造铝合金样品，按照GB228.1-2010金属材料拉伸试验,第一部分：室温试验方法进行常温力学性能测试，测得样品抗拉强度为482MPa，屈服强度为387MPa，断后伸长率为16.5％，所测部位的常温抗拉强度差值不大于7.2MPa，断后伸长率最大值与最小值之差小于2.53％，内部圆形针孔度1-2级，夹杂物为1级，内部无裂纹；按照GB229-1994金属夏氏比缺口冲击试验方法进行测试，样品Akv值为15.6J/cm2。
选用本实施例制得的铸造铝合金样品，根据“GB/T 7999-2015铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法”和“GB/T9438-2013铝合金铸件”等标准对本实施例中所制备的多元强化铸造铝合金铸件进行化学成分偏差率检测，常温力学性能偏差量检测和内部质量检测。经检测，铸件样品所测部位的Si元素成分偏差率不大于0.18wt％、Cu、Mg元素成分偏差率不大于0.04wt％，Dy、Sc元素成分偏差率不大于0.017wt％，Ti元素成分偏差率不大于0.01wt％，P元素成分偏差率不大于0.005wt％，Fe、Mn、Zn、Ni元素成分偏差率均小于0.004wt％。
本发明试样取样方法：在铝合金铸件最大轮廓尺寸方向(即高度、长度或宽度尺寸最大的方向)，沿着该方向将铸件平均分为3个区域，在不同区域内分别切取3组试样进行检测。
实施例3
一种铸造铝合金成型方法，该铸造铝合金由以下成分组成：Si：8.5％、Cu：2.5％、Dy：0.45％、P：0.04％、Sc：0.2％、Ti：0.19％、Mg：0.8％、Fe：0.2％、Mn：0.1％、Zn：0.1％、Ni：0.1％，余量为Al，所述百分比为重量百分比。该方法采用实施例1中的铸造铝合金成型装置，结合图1至图5所示，步骤包括：
本实施例中铸造铝合金的制备方法如下：
步骤1：将99.98wt％的高纯铝锭、铝10钛中间合金、铝30硅中间合金、99.8wt％纯镁锭分别进行干喷砂处理，并分别预热至340℃，将按合适比例配制的全部高纯铝锭、铝30硅中间合金、铝10钛中间合金加入电阻熔炼炉中的碳化硅坩埚中进行升温，通过进气口向坩埚内通入纯度为99.8％、流量为1.3m3/h的干燥氩气，直至坩埚内炉料熔化，得熔体A，熔体A温度控制在700℃；
步骤2：将坩埚盖从坩埚上移开，断开熔炼炉的加热电源，使用石墨材质的搅拌工具对熔体A进行自上而下的圆周搅拌，搅拌时间为4min；然后使用铁钳将预热至340℃的纯镁锭加入熔体A中，将坩埚盖扣在熔炼炉上方，向坩埚内通入纯度为99.8％、流量为1.5m3/h的干燥氩气，并通电加热，得熔体B，当熔体B温度达到730℃后，保温16分钟；
步骤3：熔体B保温结束后，移除坩埚盖中部的内盖，采用气体精炼机对熔体B进行高纯氩气旋转喷吹除气处理；其中，氩气纯度不低于99.99％，氩气流量为0.16m3/h，转速为500转/分钟，氩气压力为0.3MPa，处理时间为23分钟；
步骤4：旋转喷吹除气结束后，将内盖放回到坩埚盖上，将熔体B升温至790℃，保温13分钟；当熔体B开始保温时，将在真空条件下浇铸成形的Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体置于喷涂有石墨基防护涂料的钢质浇包中，使预制体小端与浇包下壁的通孔部位对齐；预热浇包，直至浇包内表面温度达到420℃；
步骤5：当熔体B在790℃完成保温处理，并且浇包预热完成后，移除坩埚盖中部的内盖，将浇包垂直缓慢没入熔体B表面，下沉浇包使熔体B由浇包下壁的通孔部位进入浇包内(随着浇包的下降，坩埚内的熔体B由浇包下壁的通孔部位进入浇包内)，熔体B进入浇包并逐渐熔化Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体，得熔体C；本步骤中，浇包4下沉过程中，当第一组液位探针13接触熔体前，浇包4的下沉速度为10mm/s，当第一组液位探针13接触熔体后，浇包4的下沉速度为5mm/s，当第二组液位探针12接触熔体后，浇包4停止下沉，在浇包4内外铝合金熔体表面重合前的0.3至0.5s时段内，采用塞杆11密封浇包4底壁的通孔15；
步骤6：当塞杆与浇包底部形成紧密配合(密封)后，垂直提升浇包，使浇包底部脱离熔体C表面，并与熔体C表面保持10mm的距离；随后启动浇包上盖两侧的超声均匀化搅拌装置，搅拌熔体C，搅拌时间为20min；
步骤7：超声搅拌完成后，移出浇包盖，转移浇包至浇注成形工位，使浇包下部通孔部位与浇口贴合，使浇包下部通孔中心与浇口中心对齐，提升塞杆，使熔体C进入模具型腔，直至完成浇注成型；
步骤8：对浇注成形的型体进行固溶时效处理，固溶处理温度为530℃，固溶处理时间为165min，时效处理的淬火介质为80℃的自来水；固溶时效处理完成后的型体先在55℃的环境中放置28h，然后在176℃的时效炉中保温6.5h，保温结束后，在20℃空气中自然冷却，取出铝合金型体。
选用本实施例制得的铸造铝合金样品，按照GB228.1-2010金属材料拉伸试验,第一部分：室温试验方法进行常温力学性能测试，测得样品抗拉强度为476MPa，屈服强度为381MPa，断后伸长率为15％，所测部位的常温抗拉强度差值不大于7.5MPa，断后伸长率最大值与最小值之差小于2.67％，内部圆形针孔度1-2级，夹杂物为1级，内部无裂纹；按照GB229-1994金属夏氏比缺口冲击试验方法进行测试，样品Akv值为14.9J/cm2。
选用本实施例制得的铸造铝合金样品，根据“GB/T 7999-2015铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法”和“GB/T9438-2013铝合金铸件”等标准对本实施例中所制备的多元强化铸造铝合金铸件进行化学成分偏差率检测，常温力学性能偏差量检测和内部质量检测。经检测，铸件样品所测部位的Si元素成分偏差率不大于0.2wt％、Cu、Mg元素成分偏差率不大于0.04wt％，Dy、Sc元素成分偏差率不大于0.02wt％，Ti元素成分偏差率不大于0.01wt％，P元素成分偏差率不大于0.005wt％，Fe、Mn、Zn、Ni元素成分偏差率均小于0.003wt％。
实施例4
一种铸造铝合金成型方法，该铸造铝合金由以下成分组成：Si：7.8％、Cu：2.6％、Dy：0.42％、P：0.035％、Sc：0.1％、Ti：0.17％、Mg：0.65％、Fe：0.11％、Mn：0.08％、Zn：0.06％、Ni：0.04％，余量为Al，所述百分比为重量百分比。该方法采用实施例1中的铸造铝合金成型装置，结合图1至图5所示，步骤包括：
步骤1：将99.98wt％的高纯铝锭、铝10钛中间合金、铝30硅中间合金、99.8wt％纯镁锭分别进行干喷砂处理，并分别预热至320℃，将按合适比例配制的全部高纯铝锭、铝30硅中间合金、铝10钛中间合金加入电阻熔炼炉中的碳化硅坩埚中进行升温，通过进气口向坩埚内通入纯度为99.8％、流量为1.2m3/h的干燥氩气，直至坩埚内炉料熔化，得熔体A，熔体A温度控制在694℃；
步骤2：将坩埚盖从坩埚上移开，断开熔炼炉的加热电源，使用石墨材质的搅拌工具对熔体A进行自上而下的圆周搅拌，搅拌时间为5min；然后使用铁钳将预热至320℃的纯镁锭加入熔体A中，将坩埚盖扣在熔炼炉上方，向坩埚内通入纯度为99.8％、流量为1.7m3/h的干燥氩气，并通电加热，得熔体B，当熔体B温度达到733℃后，保温18分钟；
步骤3：熔体B保温结束后，移除坩埚盖中部的内盖，采用气体精炼机对熔体B进行高纯氩气旋转喷吹除气处理；其中，氩气纯度不低于99.99％，氩气流量为0.22m3/h，转速为540转/分钟，氩气压力为0.32MPa，处理时间为26分钟；
步骤4：旋转喷吹除气结束后，将内盖放回到坩埚盖上，将熔体B升温至786℃，保温12分钟；当熔体B开始保温时，将在真空条件下浇铸成形的Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体置于喷涂有石墨基防护涂料的钢质浇包中，使预制体小端与浇包下壁的通孔部位对齐；预热浇包，直至浇包内表面温度达到450℃；
步骤5：当熔体B在786℃完成保温处理，并且浇包预热完成后，移除坩埚盖中部的内盖，将浇包垂直缓慢没入熔体B表面，下沉浇包使熔体B由浇包下壁的通孔部位进入浇包内(随着浇包的下降，坩埚内的熔体B由浇包下壁的通孔部位进入浇包内)，熔体B进入浇包并逐渐熔化Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体，得熔体C；本步骤中，浇包4下沉过程中，当第一组液位探针13接触熔体前，浇包4的下沉速度为20mm/s，当第一组液位探针13接触熔体后，浇包4的下沉速度为9mm/s，当第二组液位探针12接触熔体后，浇包4停止下沉，在浇包4内外铝合金熔体表面重合前的0.3至0.5s时段内，采用塞杆11密封浇包4底壁的通孔15；
步骤6：当塞杆与浇包底部形成紧密配合(密封)后，垂直提升浇包，使浇包底部脱离熔体C表面，并与熔体C表面保持13.5mm的距离；随后启动浇包上盖两侧的超声均匀化搅拌装置，搅拌熔体C，搅拌时间为14min；
步骤7：超声搅拌完成后，移出浇包盖，转移浇包至浇注成形工位，使浇包下部通孔部位与浇口贴合，使浇包下部通孔中心与浇口中心对齐，提升塞杆，使熔体C进入模具型腔，直至完成浇注成型；
步骤8：对浇注成形的型体进行固溶时效处理，固溶处理温度为535℃，固溶处理时间为160min，时效处理的淬火介质为86℃的自来水；固溶时效处理完成后的型体先在40℃的环境中放置31h，然后在180℃的时效炉中保温6.8h，保温结束后，在40℃空气中自然冷却，取出铝合金型体。
选用本实施例制得的铸造铝合金样品，按照GB228.1-2010金属材料拉伸试验,第一部分：室温试验方法进行常温力学性能测试，测得样品抗拉强度为480MPa，屈服强度为383MPa，断后伸长率为14.5％，所测部位的常温抗拉强度差值不大于8MPa，断后伸长率最大值与最小值之差小于3％，内部圆形针孔度1-2级，夹杂物为1级，内部无裂纹；按照GB229-1994金属夏氏比缺口冲击试验方法进行测试，样品Akv值为15.3J/cm2。
选用本实施例制得的铸造铝合金样品，根据“GB/T 7999-2015铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法”和“GB/T9438-2013铝合金铸件”等标准对本实施例中所制备的多元强化铸造铝合金铸件进行化学成分偏差率检测，常温力学性能偏差量检测和内部质量检测。经检测，铸件样品所测部位的Si元素成分偏差率不大于0.2wt％、Cu、Mg元素成分偏差率不大于0.05wt％，Dy、Sc元素成分偏差率不大于0.02wt％，Ti元素成分偏差率不大于0.01wt％，P元素成分偏差率不大于0.005wt％，Fe、Mn、Zn、Ni元素成分偏差率均小于0.005wt％。
Claims (8)
1.一种铸造铝合金成型装置，包括：坩埚(1)、坩埚盖(2)和用于加热坩埚(1)的熔炼炉(3)，浇包(4)、用于搅拌浇包(4)内熔体的搅拌装置和用于搬移浇包(4)的机械臂(6)，浇注模具(7)，机械臂(6)位于熔炼炉(3)与浇注模具(7)之间合适位置，通过机械臂(6)将浇包(4)从熔炼炉(3)内搬移至浇注模具(7)的浇口(8)部位；其特征在于：坩埚盖(2)上设置有内盖(9)和进气口(10)，进气口(10)连接惰性气体供应系统，内盖(9)移除后可供浇包(4)出入熔炼炉(3)；在浇包(4)底壁设置有通孔，在机械臂(6)的末轴上设置有可密封配合通孔的塞杆(11)，在浇包(4)外壁设置有两组液位探针，第一组液位探针(13)的探测端比浇包(4)内壁顶面低20-80mm，第二组液位探针(12)的探测端比浇包(4)内壁底面低1-3mm。
2.根据权利要求1所述的铸造铝合金成型装置，其特征在于：所述通孔采用锥形孔，所述塞杆(11)采用与锥形孔相配合的锥形塞杆(11)。
3.根据权利要求2所述的铸造铝合金成型装置，其特征在于：所述搅拌装置的搅拌部(5)竖直设置于浇包(4)顶壁，进气口(10)设置于坩埚盖(2)侧壁。
4.根据权利要求1、2或3所述的铸造铝合金成型装置，其特征在于：所述第一组液位探针(13)的探测端比浇包(4)内壁顶面低50mm，所第二组液位探针(12)的探测端比浇包(4)内壁底面低2mm。
5.一种铸造铝合金成型方法，其特征在于采用如权利要求1-4任一项所述的铸造铝合金成型装置，步骤包括：
步骤1：将99.98wt％的高纯铝锭、铝10钛中间合金、铝30硅中间合金、99.8wt％纯镁锭分别进行干喷砂处理后预热至300～340℃，将预热后的高纯铝锭、铝10钛中间合金、铝30硅中间合金按合适比例加入坩埚(1)中，并在干燥氩气环境中升温熔化，得熔体A，熔体A温度控制在690～700℃；
步骤2：搅拌熔体A，将预热至300～340℃的99.8wt％纯镁锭加入熔体A中，并在干燥氩气环境中升温熔化，得熔体B，当熔体B温度达730～740℃时，保温16-20分钟；
步骤3：采用气体精炼机对熔体B进行高纯氩气旋转喷吹除气处理；其中，氩气纯度不低于99.99％，氩气流量为0.16-0.22m3/h，转速为500-540转/分钟，氩气压力为0.3-0.32MPa，处理时间为23-26分钟；
步骤4：将熔体B升温至780～790℃，保温10-13分钟；当熔体B开始保温时，将在真空条件下浇铸成形的Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体(20)置于浇包(4)中，使预制体(20)小端与浇包(4)下表面的通孔对齐；预热浇包(4)，直至浇包(4)内表面温度达到420～460℃；
步骤5：将浇包(4)没入熔体B表面，缓慢下沉浇包(4)使熔体B由浇包(4)下表面的通孔部位进入浇包(4)内，熔体B进入浇包(4)逐渐熔化Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体(20)，得熔体C；在浇包(4)内外的铝合金熔体表面重合前的0.3-0.5秒时段内，采用塞杆(11)密封浇包(4)下表面的通孔；
步骤6：采用机械臂(6)提升浇包(4)，使浇包(4)底部脱离熔体C上表面，并与熔体C上表面保持10～15mm的距离；搅拌熔体C，搅拌时间10-20分钟；
步骤7：转移浇包(4)至浇注成形工位，使浇包(4)下部通孔部位与浇口(8)配合，并以40-60mm/s的速度提升塞杆(11)，使熔体C进入模具型腔，完成浇注成型；
步骤8：对浇注成形的型体进行固溶时效处理，固溶时效处理完成后的型体先在45～55℃的环境中放置28～32h，然后在170～180℃的时效炉中保温6.5～7.5h，保温结束后，在10～40℃空气中自然冷却。
6.根据权利要求5所述的铸造铝合金成型方法，其特征在于：步骤8中，固溶处理温度为530～538℃，固溶处理时间为140～165分钟，时效处理过程中的淬火介质为80～86℃的自来水。
7.根据权利要求6所述的铸造铝合金成型方法，其特征在于：步骤5中，浇包(4)下沉时，当第一组液位探针(13)接触溶体前，浇包(4)的下沉速度为10-20mm/s，当第一组液位探针(13)接触溶体后，浇包(4)的下沉速度为5-9mm/s。
8.根据权利要求7所述的铸造铝合金成型方法，其特征在于：所述铸造铝合金的成分包括：Si：7.5～8.5％、Cu：2.5～2.7％、Dy：0.35～0.45％、P：0.02～0.04％、Sc：0.1～0.2％、Ti：0.15～0.19％、Mg：0.4～0.8％、Fe≤0.2％、Mn≤0.1％、Zn≤0.1％、Ni≤0.1％，余量为Al，所述百分比为重量百分比。
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