CN110218884B - 一种铝锌合金熔体流变制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝锌合金熔体流变制备方法，涉及金属熔体加工领域，其适用于锌含量1‑30wt%的二元或者多元Al‑Zn系合金的制备，包括前制程的熔炼工艺工序和后制程的流变熔体加工工序，熔炼工艺工序包括如下步骤，母料熔化、混合搅拌、静置、精炼、除渣静置；流变熔体加工工序包括如下步骤，优选固液两相温度区间、机械搅拌作业。优选流变加工温度区间，并对树枝晶进行有效机械破碎，以使得树枝晶重新形核并增殖，同时使得初生相在熔体微观涨动作用下启动晶粒的熟化机制，以形成球状颗粒，从而达到提高铝锌合金铸造性能的目的，进而解决Al‑Zn合金应用范围受限，生产成本高的技术难点。

Description

一种铝锌合金熔体流变制备方法

技术领域

本发明涉及金属熔体加工领域，尤其是涉及一种铝锌合金熔体流变制备方法。

背景技术

进入21世纪以来，随着国家对节能环保、减重减排发展理念的不断深化，航空航天、交通运输等行业逐渐对材料及构件轻量化提出更高要求。铝合金因其密度低、比强度高、导热导电性好以及易于提炼加工的优点，在航空航天、汽车、电子等领域广泛应用。

铝锌合金（Al-Zn合金）是铝合金中重要的一大类，从Al-Zn合金二元相图可知Zn在Al中具有较大的固溶度，其最大的特点是具有自然时效特性，即铸造后不需要进行热处理，而是通过自然时效就能得到较高的强度，但不足之处在于其铸造性能差，容易产生热裂。因此，Al-Zn合金多用于制造仪表壳体等对精度要求较高的检测零件，导致目前的Al-Zn合金的应用范围受限且生产成本较高，现有Al-Zn合金的制备工艺存在可改进之处。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种铝锌合金熔体流变制备方法，采用流变加工技术对铝锌合金进行熔体处理，以制备树枝晶破碎、成型性良好的铝锌半固态流变浆料，从而达到提高铝锌合金铸造性能的目的，进而提高铝锌合金应用范围，降低铝锌合金生产成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种铝锌合金熔体流变制备方法，用于制备Zn含量1-30wt%的二元或多元Al-Zn系合金，其特征在于：包括前制程的熔炼工艺工序和后制程的流变熔体加工工序，熔炼工艺工序包括如下步骤，S1.熔化各合金母料；S2.待各合金母料熔化后，于650-750℃温度条件下混合搅拌；S3.静置10-20min；S4.将合金熔体温度降至600-700℃，并精炼10-20min；S5.搅拌除渣后静置10-20min；流变熔体加工工序包括如下步骤，S-1.将合金熔体温度设定于540-620℃；S-2.将机械搅拌装置浸入合金熔体内，机械搅拌装置的旋转构件转速设定于1-3000r/min,且机械搅拌装置的搅拌时间设定于1-50000s。

通过采用上述技术方案，各合金母料经由熔化、搅拌、精炼、除渣以及静置作业，即完成熔炼工艺工序后，制备得到铝锌合金熔体，再通过控制固液温度区间（优选固液两相温度区间）的方式对合金熔体进行外场处理（机械搅拌作业），即通过流变熔体加工工序，制备得到于液态金属母液中悬浮一定固相组分的固液混合浆料。一方面，在合金形核生长的初期，通过优选流变加工温度区间并对树枝晶进行有效机械破碎的方式，使得初生相依附于破碎的树枝晶并实现重新形核增殖；另一方面，在固液两相温度区间内对合金熔体进行高温机械搅拌作业，使得初生相在熔体微观涨动下启动晶粒的熟化机制，从而形成球状颗粒，进而达到提高铝锌合金铸造性能的目的。制备得到树枝晶破碎、能良好成型的Al-Zn半固态流变浆料（铝锌合金熔体），以解决Al-Zn合金应用范围受限，生产成本高的技术难点。

本发明进一步设置为：Al-Zn系合金设置为Al-2Si-1Zn合金，且合金母料于680℃温度条件下搅拌均匀后静置15min，并于660℃温度条件下精炼10min。

通过采用上述技术方案，在Al-2Si-1Zn（质量分数）合金的制备中，采用短时（10min）精炼的熔炼方式完成合金熔体母料的制备，以获得除去合金熔体内非金属夹杂物、有害元素和气体的最佳效果，同时降低浮渣含量，进而达到提高合金熔体纯净度，减少后续铝锌合金裂纹、疏松、夹杂等缺陷。

本发明进一步设置为：合金熔体温度设定为620℃；机械搅拌装置的旋转构件转速设定为3000r/min，且搅拌时间设定为100s。

通过采用上述技术方案，选取较高的温度620℃作为Al-2Si-1Zn合金制备的最佳固液两相温度，并选择高转速低转时的机械搅拌方式完成熔体的搅拌作业，以充分发挥晶粒的熟化效应，进而获得彼此分割独立的尺寸细小的近球形组织。

本发明进一步设置为：Al-Zn系合金设置为Al-5Si-30Zn合金，且合金母料于680℃温度条件下搅拌均匀后静置20min，并于660℃温度条件下精炼15min。

通过采用上述技术方案，在Al-5Si-30Zn（质量分数）合金的制备中，采用短暂静止精炼的熔炼方式完成合金熔体母料的制备，以获得除去合金熔体内非金属夹杂物、有害元素和气体的最佳效果，同时降低浮渣含量，进而达到提高合金熔体纯净度，减少后续铝锌合金裂纹、疏松、夹杂等缺陷。

本发明进一步设置为：合金熔体温度设定为540℃；机械搅拌装置的旋转构件转速设定为100r/min，且搅拌时间设定为50000s。

通过采用上述技术方案，选取较低的温度540℃作为Al-5Si-30Zn合金制备的最佳固液两相温度，并选择低转速高转时的机械搅拌方式完成熔体的搅拌作业，以充分发挥晶粒的熟化效应，进而获得圆整度极高的近球形微观组织。

本发明进一步设置为：Al-Zn系合金设置为Al-6Si-20Zn合金，且合金母料于680℃温度条件下搅拌均匀后静置10min，并于660℃温度条件下精炼20min。

通过采用上述技术方案，在Al-6Si-20Zn（质量分数）合金的制备中，采用短暂静止精炼的熔炼方式完成合金熔体母料的制备，以获得去除合金熔体内非金属夹杂物、有害元素和气体的最佳效果，同时降低浮渣含量，进而提高合金熔体纯净度，减少后续铝锌合金裂纹、疏松、夹杂等缺陷。

本发明进一步设置为：合金熔体温度设定为600℃；机械搅拌装置的旋转构件转速设定为1000r/min，且搅拌时间设定为12000s。

通过采用上述技术方案，选取中间温度600℃作为Al-6Si-20Zn合金制备的最佳固液两相温度，并选择中转速中转时的机械搅拌方式完成熔体的搅拌作业，以充分发挥晶粒的熟化效应，进而获得初生相完全破碎、圆整化、近球形的微观组织。

本发明进一步设置为：采用坩埚电阻炉熔化各合金母料。

通过采用上述技术方案，坩埚电阻炉本身的结构设计，应便于机械搅拌装置的使用，同时便于使用者根据实际作业需求选定合适的加热温度和加热时间，即有利于提高铝锌合金熔体成分的精准性。

本发明进一步设置为：在熔化各合金母料之前，预热各合金母料，预热温度100-200℃，预热时间2h以上。

通过采用上述技术方案，预热作业既有利于降低合金母料融化作业的能耗，又有利于提高合金母料熔化作业效率，以提高铝锌合金熔体制备的效率，并降低成本。

本发明进一步设置为：经熔炼工艺工序和流变熔体加工工序制备得到的合金熔体浇铸成型或触变成型。

通过采用上述技术方案，熔体混合浆料既可直接用于后续铸件的铸造成型，也可以用于制作触变成型所需要的合金铸锭，具有较好的实用性和较大的应用范围和应用灵活性。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

其一：对合金凝固初期阶段的树枝晶孕育生长温度区间进行优选，得到流变处理的最佳温度区间，同时利用机械搅拌引进外加机械场对树枝晶形核过程进行扰动，从而达到破碎树枝晶的目的，再通过合适的熔体温度热效应，使铝锌合金熔体内部形成近球状的微观组织，从而达到提高铝锌合金铸造性能的目的，进而解决铝锌合金应用范围受限、生产成本高的技术难点；

其二：铝锌合金熔体经流变加工工序，得到的熔体浆料既可直接用于后续铸件的铸造成型，也可用于制作合金铸锭，合金铸锭再用于触变成型，具有较好的实用性；

其三：铝锌合金熔体流变加工技术制备混合浆料的制备效率高，且可大规模生产，具有较大的生产应用价值；

其四：铝锌合金熔体流变加工技术具有近净成型、获得近球形微观组织、充型平稳、流动性好的优点。

附图说明

图1是铝锌合金熔体流变制备方法的流程框图；

图2a是Al-2Si-1Zn合金在传统铸造条件下典型的微观组织示意图；

图2b是Al-2Si-1Zn合金在流变加工条件下典型的微观组织示意图；

图3a是Al-5Si-30Zn合金在传统铸造条件下典型的微观组织示意图；

图3b是Al-5Si-30Zn合金在流变加工条件下典型的微观组织示意图；

图4a是Al-6Si-20Zn合金在传统铸造条件下典型的微观组织示意图；

图4b是Al-6Si-20Zn合金在流变加工条件下典型的微观组织示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

如图1所示，一种铝锌合金熔体流变制备方法，适用于Zn含量1-30wt%的二元或多元Al-Zn系合金，在本实施例中为Al-2Si-1Zn（质量分数）合金，其包括前制程的熔炼工艺工序和后制程的流变熔体加工工序，熔炼工艺工序将各合金母料熔化并均匀搅拌得到合金熔体，合金熔体再经过流变熔体加工工序，可制备得到树枝晶破碎为近球形微观组织，并具有一定固相率的熔体浆料。熔体浆料初生相圆整、均匀，能最大程度发挥半固态加工技术的优点，提高铝锌合金的铸造性能和力学性能，既可直接用于后续铸件的铸造成型，也可以用于触变成型合金铸锭。

在熔炼工艺工序中，首先在100-200℃的温度范围内对各合金母料进行预热，预热时间在两小时以上，然后采用坩埚电阻炉或其它工业电炉熔化各合金母料，待各合金母料熔化后，在680℃的温度条件下搅拌均匀并静置15min，再向合金熔体中加入精炼剂，并于660℃的温度条件下精炼10min，最后清理去除合金熔体中的废渣（即扒渣）并静置20min，从而完成铝锌合金熔体流变制备过程中的前制程作业。

在流变熔体加工工序中，首先将前制程中制备得到的铝锌合金熔体降温至620℃的温度条件下，然后机械搅拌装置送入坩埚电阻炉中，且机械搅拌装置的旋转构件以3000r/min的转速搅拌1s，随即快速将合金熔体浇铸至铸锭模内，即可制备得到树枝晶破碎的Al-2Si-1Zn合金铸锭。

结合图2a和图2b所示，在传统铸造条件下制备得到的铝锌合金的初生相以粗大的树枝晶形态存在，而在流变加工条件下制备得到的铝锌合金中，可以看到树枝晶已经破碎，取而代之的是彼此分割独立的尺寸细小的近球形组织，即制备得到理想的流变熔体。

Al-Zn合金铸造性能较差的主要原因是其凝固区间大，初生相以树枝晶形态生长并直接影响熔体的流动和补缩，最终在合金内部形成疏松缩孔等缺陷。由此可见，Al-Zn合金的流变加工技术，通过控制凝固过程中金属的固-液态温度区间、对凝固过程中的金属进行外场处理，实现破碎初生树枝晶，获得具有一定固相组分的混合浆料。

在Al-Zn合金中，Zn含量在30wt%以内的合金具有约一百摄氏度固液温度区间，具有良好的流变加工条件。因此，本发明所涉及到的铝锌合金熔体流变制备方法适用于制备Zn含量1-30wt%的Al-Zn系合金；一方面在合金凝固过程中树枝晶形核生长的关键节点，即在合金形核生长初期，优选流变处理的最佳温度区间，并通过机械搅拌引进外加机械场的方式对树枝晶形核过程进行扰动，使得树枝晶破碎；另一方面，在固液两相温度区间内进行高温机械搅拌，并优化流变加工时间，即通过合适的熔体温度热效应，充分发挥晶粒的熟化效应（或熟化机制），使得破碎的树枝晶晶粒转变为近球状颗粒。在实现树枝晶破碎、得到近球状微观组织的同时提高了熔体后续成形的流动性和质量，是一种有效的Al-Zn合金熔体加工方法。

实施例二：

一种铝锌合金熔体流变制备方法，与实施例一的区别在于：熔炼工艺工序的时间因素变化以及流变熔体加工工序的优选温度、机械搅拌条件的不同。

在熔炼工艺工序中，首先在100-200℃的温度范围内对各合金母料进行预热，预热时间在两小时以上，然后采用坩埚电阻炉或其它工业电炉熔化各合金母料，待各合金母料熔化后，在680℃的温度条件下搅拌均匀并静置20min，再向合金熔体中加入精炼剂，并于660℃的温度条件下精炼15min，最后清理合金熔体中的废渣（即扒渣）并静置20min，从而完成铝锌合金熔体流变制备过程中的前制程作业。在流变熔体加工工序中，首先将前制程中制备得到的铝锌合金熔体降温至540℃，然后将机械搅拌装置送入坩埚电阻炉中，且机械搅拌装置的旋转构件以100r/min的转速搅拌50000s，随即快速将合金熔体浇铸至铸锭模内，即可制备得到树枝晶破碎的Al-5Si-30Zn（质量分数）合金铸锭。

结合图3a和图3b所示，在传统铸造条件下制备得到的铝锌合金的初生相以粗大的树枝晶形态存在，而在流变加工条件下制备得到的铝锌合金中，可以看到树枝晶初生相已完全破碎为圆整度极高的近球形组织，即制备得到理想的半固态浆料。

实施例三：

一种铝锌合金熔体流变制备方法，与实施例一的区别在于：熔炼工艺工序的时间变化以及流变熔体加工工序的优选温度、机械搅拌条件的不同。

在熔炼工艺工序中，首先在100-200℃的温度范围内对各合金母料进行预热，预热时间在两小时以上，然后采用坩埚电阻炉或其它工业电炉熔化各合金母料，待各合金母料熔化后，在680℃的温度条件下搅拌均匀并静置10min，再向合金熔体中加入精炼剂，并于660℃的温度条件下精炼20min，最后清理去除合金熔体中的废渣（即扒渣）并静置20min，从而完成铝锌合金熔体流变制备过程中的前制程工序。在流变熔体加工工序中，首先将前制程中制备得到的铝锌合金熔体降温至600℃的温度条件下，然后机械搅拌装置送入坩埚电阻炉中，且机械搅拌装置的旋转构件以1000r/min的转速搅拌12000s，随即快速将合金熔体浇铸至铸锭模内，即可制备得到树枝晶破碎的Al-6Si-20Zn（质量分数）合金铸锭。

结合图4a和图4b所示，在传统铸造条件下制备得到的铝锌合金的初生相以粗大的树枝晶形态存在，而在流变加工条件下制备得到的铝锌合金中，可以看到树枝晶完全破碎，并在剧烈的熔体处理下实现圆整化和近球化，即制备得到具有优异铸造成型性能的流变浆料。

下面结合工艺流程对本发明作进一步阐述：

熔炼工艺工序包括有如下步骤，

S0.在100-200℃的温度条件下对各合金母料进行预热，且预热时间大于2h；

S1.采用坩埚电阻炉或其它工业电炉熔化各合金母料；

S2.待各合金母料熔化后，于650-750℃温度条件下混合搅拌均匀；

S3.静置10-20min；

S4.待合金温度降至600-700℃，精炼10-20min；

S5.搅拌除渣后静置10-20min；

流变熔体加工工序包括有如下步骤，

S-1.将合金熔体温度设定于540-620℃；

S-2.将机械搅拌装置浸入合金熔体内，机械搅拌装置的旋转构件转速设定于1-3000r/min,且机械搅拌装置的搅拌时间设定于1-50000s；

S-3.混合浆料直接用于后续铸件的铸造成型，或者制作用于触变成型的合金铸锭。

本具体实施方式仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种铝锌合金熔体流变制备方法，用于制备Al-2Si-1Zn或Al-5Si-30Zn或Al-6Si-20Zn合金，其特征在于：包括前制程的熔炼工艺工序和后制程的流变熔体加工工序，

熔炼工艺工序包括如下步骤，

S1.熔化各合金母料；

S2.待各合金母料熔化后，于650-750℃温度条件下混合搅拌；

S3.静置10-20min；

S4.将合金熔体温度降至600-700℃，并精炼10-20min；

S5.搅拌除渣后静置10-20min；

流变熔体加工工序包括如下步骤，

S-1.将合金熔体温度设定于540-620℃；

S-2.将机械搅拌装置浸入合金熔体内，机械搅拌装置的旋转构件转速设定于1-3000r/min,且机械搅拌装置的搅拌时间设定于1-50000s。

2.根据权利要求1所述的一种铝锌合金熔体流变制备方法，其特征在于：Al-Zn系合金设置为Al-2Si-1Zn合金，且合金母料于680℃温度条件下搅拌均匀后静置15min，并于660℃温度条件下精炼10min。

3.根据权利要求2所述的一种铝锌合金熔体流变制备方法，其特征在于：合金熔体温度设定为620℃；机械搅拌装置的旋转构件转速设定为3000r/min，且搅拌时间设定为100s。

4.根据权利要求1所述的一种铝锌合金熔体流变制备方法，其特征在于：Al-Zn系合金设置为Al-5Si-30Zn合金，且合金母料于680℃温度条件下搅拌均匀后静置20min，并于660℃温度条件下精炼15min。

5.根据权利要求4所述的一种铝锌合金熔体流变制备方法，其特征在于：合金熔体温度设定为540℃；机械搅拌装置的旋转构件转速设定为200r/min，且搅拌时间设定为50000s。

6.根据权利要求1所述的一种铝锌合金熔体流变制备方法，其特征在于：Al-Zn系合金设置为Al-6Si-20Zn合金，且合金母料于680℃温度条件下搅拌均匀后静置10min，并于660℃温度条件下精炼20min。

7.根据权利要求6所述的一种铝锌合金熔体流变制备方法，其特征在于：合金熔体温度设定为600℃；机械搅拌装置的旋转构件转速设定为1000r/min，且搅拌时间设定为12000s。

8.根据权利要求1所述的一种铝锌合金熔体流变制备方法，其特征在于：采用坩埚电阻炉熔化各合金母料。

9.根据权利要求1或8所述的一种铝锌合金熔体流变制备方法，其特征在于：在熔化各合金母料之前，预热各合金母料，预热温度100-200℃，预热时间2h以上。

10.根据权利要求1所述的一种铝锌合金熔体流变制备方法，其特征在于：经熔炼工艺工序和流变熔体加工工序制备得到的合金熔体浇铸成型或触变成型。

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