CN110724863B - 一种高镁稀土铝合金大规格铸锭及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高镁稀土铝合金大规格铸锭及其制备方法，它属于合金铸锭制造领域。它解决了现有含稀土元素的高镁大规格铸锭存在易出现组织缺陷和冶金缺陷的问题。材料：组成Mg，Mn，Er，Zr，Ti，Be，杂质和余量Al。方法：配料；熔炼；铸造；均匀化退火。本发明彻底解决了工业化条件下高镁铝合金铸锭成型困难、组织粗大、组织缺陷和冶金缺陷等铸锭质量不合格的问题，铸锭的组织均匀，无羽毛晶及粗大晶粒等组织缺陷，可将铸锭的合格率由30％提升至100％。制备成板材，强度性能比俄罗斯进口的同类板材提高约30MPa～50MPa，剥落耐蚀性能由E级提升至N级，能够替代进口板材，可用于制造大型船舶结构件，可有效降低船舶自重。本发明适用于制备高镁稀土铝合金大规格铸锭。

Description

一种高镁稀土铝合金大规格铸锭及其制备方法
技术领域
本发明属于合金铸锭制造领域，具体涉及一种高镁稀土铝合金大规格铸锭及其制备方法。
背景技术
随着时代的进步，航空航天、舰船、轨道交通等行业飞速发展，航天器、大型飞机、大型舰船等的建造，在对材料综合性能要求提高的同时，对材料的尺寸规格也要求越来越大，因此，研制优化大规格结构件，制造所需的大规格铸锭也势在必行，另外铸锭规格的扩大，对于材料制备过程中生产效率的提高和能耗的降低也是有利的。
高镁铝合金材料以其优异的综合性能一直被广泛应用于航空航天、舰船等承力结构件。而高镁合金铸锭的制备，往往由于镁含量高，易产生铸锭铸造开裂、冶金缺陷等铸造废品，另外为进一步提高合金的综合性能，加入的稀土元素饵使得铸锭的熔炼、铸造以及铸锭组织控制更加困难。因此，为解决高镁稀土铝合金大规格铸锭的制备难题，需要对合金铸锭配料、熔炼、净化、铸造、均火等一系列工艺进行优化和匹配。目前工业化条件下高镁铝合金铸锭成型困难、宜出现粗大化合物、羽毛晶、铸态组织粗大等组织缺陷以及氧化膜、气孔等冶金缺陷，铸锭的成品合格率不到30％。
发明内容
本发明的目的是解决现有含稀土元素的高镁大规格铸锭存在易出现组织缺陷和冶金缺陷的问题，而提供一种高镁稀土铝合金大规格铸锭及其制备方法。
一种高镁稀土铝合金大规格铸锭，它按照重量百分比组成为Mg：4.5％～7.0％，Mn：0.8％～1.3％，Er：0.05％～0.25％，Zr：0.02％～0.12％，Ti：0.02％～0.03％，Be：0.0005％～0.005％，杂质和余量Al；所述杂质按照重量百分比组成为Si<0.15％、Fe<0.20％、Na<0.0005％、K<0.0015％和Ca<0.0005％。
上述一种高镁稀土铝合金大规格铸锭的制备方法，它按以下步骤进行：
一、配料：按照高品质高镁稀土铝合金大规格铸锭中各元素质量百分比为Mg：4.5％～7.0％，Mn：0.8％～1.3％，Er：0.05％～0.25％，Zr：0.02％～0.12％，Ti：0.02％～0.03％，Be：0.0005％～0.005％和余量Al的比例称取纯镁锭、铝锰中间合金、铝饵中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金和铝钛硼丝晶粒细化剂、铝铍中间合金、纯铝锭；
二、熔炼：
A、采用电炉添加熔化固体料方式将步骤一称取的纯铝锭和铝锰中间合金加入到熔炼炉中，熔炼温度740～780℃，当熔体温度达到780℃时加入铝饵中间合金总量的一半，并保持熔体温度不低于780℃，保温25min，然后进行搅拌，搅拌后加入另外一半铝饵中间合金，熔体温度回升至780℃，保温25min，然后进行搅拌，保持熔体温度不低于780℃并保温25min后，进行搅拌，搅拌后加入铝锆中间合金，得到熔体；
B、将步骤A所得熔体降温至760℃，加入步骤一称取的纯镁锭、铝铍中间合金和铝钛中间合金，搅拌后得到铝合金熔体；
C、将步骤B所得铝合金熔体用Ar-Cl2混合气体精炼至每100克铝合金熔体中的氢含量≤0.15ml，静置30min，得到铝合金熔液；
三、铸造：将步骤一称取的铝钛硼(Al-5Ti-B)丝晶粒细化剂以500～650mm/min的速度，匀速熔入步骤二所得铝合金熔液中，然后在温度为720～740℃、水压为0.03～0.05MPa、速度为40～45mm/min的条件下进行铸造，得到厚度为520mm、宽度为2120mm、长度为5000～6000mm的合金铸锭；
四、均匀化退火：将步骤三所得合金铸锭在炉气温度为100～200℃时装炉，金属温度达到275～285℃时保温12h，转定温480℃，金属温度到465～475℃，保温32～36h，即完成高镁稀土铝合金大规格铸锭的制备。
本发明中高镁稀土铝合金大规格铸锭的成分及制备，彻底解决了工业化条件下高镁铝合金铸锭成型困难、组织粗大、组织缺陷和冶金缺陷等铸锭质量不合格的问题，制备的高镁稀土铝合金大规格铸锭的组织均匀，无羽毛晶及粗大晶粒等组织缺陷，可将铸锭的合格率由30％提升至100％。铸锭固体氢含量小于0.20μg/mg。
本发明中高镁稀土铝合金大规格铸锭制备成板材，强度性能比俄罗斯进口的同类板材提高约30MPa～50MPa，剥落耐蚀性能由E级提升至N级，能够替代进口板材，可用于制造大型船舶结构件，可有效降低船舶自重。
本发明适用于制备高镁稀土铝合金大规格铸锭。
附图说明
图1为实施例中制备所得高镁稀土铝合金大规格铸锭的实物图；
图2为实施例中制备所得高镁稀土铝合金大规格铸锭的金相组织图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种高镁稀土铝合金大规格铸锭，它按照重量百分比组成为Mg：4.5％～7.0％，Mn：0.8％～1.3％，Er：0.05％～0.25％，Zr：0.02％～0.12％，Ti：0.010％～0.035％，Be：0.0005％～0.005％，杂质和余量Al；所述杂质按照重量百分比组成为Si<0.15％、Fe<0.20％、Na<0.0005％、K<0.0015％和Ca<0.0005％。
本实施方式中杂质元素来源于铝锭；杂质Si﹤0.15％、Fe﹤0.20％、Na<0.0005％、K<0.0015％、Ca<0.0005％，其他单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，此范围内的杂质对铝合金铸锭的成型及冶金质量没有影响。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，它按照重量百分比组成为Mg：5.5％～6.5％，Mn：0.85％～0.10％，Er：0.10％～0.20％，Zr：0.09％～0.11％，Ti：0.02％～0.03％，Be：0.0015％～0.004％，杂质和余量Al。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，它按照重量百分比组成为Mg：6％，Mn：0.9％，Er：0.15％，Zr：0.01％，Ti：0.03％，Be：0.0025％，杂质和余量Al。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，它按照重量百分比组成为Mg：5％，Mn：1.0％，Er：0.15％，Zr：0.05％，Ti：0.025％，Be：0.003％，杂质和余量Al。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是，它按照重量百分比组成为Mg：6.5％，Mn：1.2％，Er：0.20％，Zr：0.10％，Ti：0.02％，Be：0.004％，杂质和余量Al。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式一种高镁稀土铝合金大规格铸锭的制备方法，它按以下步骤进行：
一、配料：按照高品质高镁稀土铝合金大规格铸锭中各元素质量百分比为Mg：4.5％～7.0％，Mn：0.8％～1.3％，Er：0.05％～0.25％，Zr：0.02％～0.12％，Ti：0.010％～0.035％，Be：0.0005％～0.005％和余量Al的比例称取纯镁锭、铝锰中间合金、铝饵中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金和铝钛硼丝晶粒细化剂、铝铍中间合金、纯铝锭；
二、熔炼：
A、采用电炉添加熔化固体料方式将步骤一称取的纯铝锭和铝锰中间合金加入到熔炼炉中，熔炼温度740～780℃，当熔体温度达到780℃时加入铝饵中间合金总量的一半，并保持熔体温度不低于780℃，保温25min，然后进行搅拌，搅拌后加入另外一半铝饵中间合金，熔体温度回升至780℃，保温25min，然后进行搅拌，保持熔体温度不低于780℃并保温25min后，进行搅拌，搅拌后加入铝锆中间合金，得到熔体；
B、将步骤A所得熔体降温至760℃，加入步骤一称取的纯镁锭、铝铍中间合金和铝钛中间合金，搅拌后得到铝合金熔体；
C、将步骤B所得铝合金熔体用Ar-Cl2混合气体精炼至每100克铝合金熔体中的氢含量≤0.15ml，静置30min，得到铝合金熔液；
三、铸造：将步骤一称取的铝钛硼丝晶粒细化剂以500～650mm/min的速度，匀速熔入步骤二所得铝合金熔液中，然后在温度为720～740℃、水压为0.03～0.05MPa、速度为40～45mm/min的条件下进行铸造，得到厚度为520mm、宽度为2120mm、长度为5000～6000mm的合金铸锭；
四、均匀化退火：将步骤三所得合金铸锭在炉气温度为100～200℃时装炉，金属温度达到275～285℃时保温12h，转定温480℃，金属温度到465～475℃，保温32～36h，即完成高镁稀土铝合金大规格铸锭的制备。
本实施方式中Ti：0.010％～0.035％，来源与铝钛中间合金和铝钛硼丝晶粒细化剂。
本实施方式中铝饵中间合金中饵元素含量为4.5％～6.5％。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是，步骤二中所述Ar-Cl2混合气体中Ar和Cl2体积比为(31～33.5):1。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六不同的是，步骤三中铝钛硼丝晶粒细化剂以550mm/min的速度，匀速熔入步骤二所得铝合金熔液中。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六不同的是，步骤三中在温度为730℃、水压为0.04MPa、速度为42mm/min的条件下进行铸造。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六不同的是，步骤四中合金铸锭在炉气温度为150℃时装炉，金属温度达到280℃时保温12h，转定温480℃，金属温度到470℃，保温34h。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例：
一种高镁稀土铝合金大规格铸锭的制备方法，它按以下步骤进行：
一、配料：按照高品质高镁稀土铝合金大规格铸锭中各元素质量百分比为Mg：6.0％，Mn：0.9％，Er：0.15％，Zr：0.1％，Ti：0.03％，Be：0.0025％和余量Al的比例称取纯镁锭、铝锰中间合金、铝饵中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金和铝钛硼丝晶粒细化剂、铝铍中间合金、纯铝锭；
二、熔炼：
A、采用电炉添加熔化固体料方式将步骤一称取的纯铝锭和铝锰中间合金加入到熔炼炉中，熔炼温度760℃，当熔体温度达到780℃时加入铝饵中间合金总量的一半，并保持熔体温度不低于780℃，保温25min，然后进行搅拌，搅拌后加入另外一半铝饵中间合金，熔体温度回升至780℃，保温25min，然后进行搅拌，保持熔体温度不低于780℃并保温25min后，进行搅拌，搅拌后加入铝锆中间合金，得到熔体；
B、将步骤A所得熔体降温至760℃，加入步骤一称取的纯镁锭、铝铍中间合金和铝钛中间合金，搅拌后得到铝合金熔体；
C、将步骤B所得铝合金熔体用Ar-Cl2混合气体精炼至每100克铝合金熔体中的氢含量≤0.15ml，静置30min，得到铝合金熔液；
三、铸造：将步骤一称取的铝钛硼丝晶粒细化剂以550mm/min的速度，匀速熔入步骤二所得铝合金熔液中，然后在温度为720℃、水压为0.04MPa、速度为42mm/min的条件下进行铸造，得到厚度为520mm、宽度为2120mm、长度为6000mm的合金铸锭；
四、均匀化退火：将步骤三所得合金铸锭在炉气温度为150℃时装炉，金属温度达到280℃时保温12h，转定温480℃，金属温度到460℃，保温36h，即完成高镁稀土铝合金大规格铸锭的制备。
本实施例中Ti：0.03％，来源与铝钛中间合金和铝钛硼丝晶粒细化剂。
本实施例中铝饵中间合金中饵元素含量为5.0％。
本实施例步骤三中铝钛硼丝晶粒细化剂在加入前，要将结晶器清理干净，并将铝钛硼丝晶粒细化剂置于过滤箱出口的流槽内，流槽内采用双级陶瓷片过滤(一级过滤炉内的陶瓷过滤片目数为40ppi、二级过滤炉内的陶瓷过滤片目数为50ppi)，浇铸的同时将两根铝钛硼丝(即铝钛硼丝晶粒细化剂)同时插入流槽中，使铝钛硼丝晶粒细化剂中的元素均匀熔入铝合金熔液中；然后开启Alpur双转子在线除气装置，为防止铝合金熔液粘在结晶器底座上，另取纯铝锭熔化后的熔体倒入结晶器底座上进行铺底，然后在温度为720℃、水压为0.04MPa、速度为42mm/min的条件下进行铸造，得到厚度为520mm、宽度为2120mm、长度为6000mm的合金铸锭。
本实施例中制备的高镁稀土铝合金大规格铸锭，在采用半连续铸造过程中，由于镁含量高极易吸氢、氧化造成铸锭冶金缺陷，进而影响后续加工制品的质量；同时本实施例制备的大规格高镁稀土铝合金中含有重稀土元素饵，控制熔体元素的均匀性难度很大，另外本实施例制备的大规格铸锭尺寸厚度达到520mm，宽度达到2120mm，铸造过程中铸锭边部、心部冷却速度差异大，极易造成铸锭开裂，同时铸锭心部冷却速度较慢对避免饵元素一次初生相，充分发挥含Er相的积极作用，难度很大；
以上问题在本实施例中均得到解决，制备的高镁稀土铝合金大规格铸锭，如图1所示，厚度为520mm、宽度为2120mm、长度为6000mm的合金铸锭；如图2所示，制备的高镁稀土铝合金大规格铸锭组织均匀，无羽毛晶及粗大晶粒等组织缺陷；铸锭固体氢含量小于0.20μg/mg；无冶金缺陷；所得大规格铸锭的合格率达到100％，制备成板材后强度性能比俄罗斯进口的同类板材提高约30MPa～50MPa，剥落耐蚀性能由E级提升至N级。采用本实施例中高镁稀土铝合金大规格铸锭制备的板材实现进口替代，可用于制造大型船舶结构件，可有效降低船舶自重。

Claims (1)

1.一种高镁稀土铝合金大规格铸锭的制备方法，其特征在于它按以下步骤进行：
一、配料：按照高品质高镁稀土铝合金大规格铸锭中各元素质量百分比为Mg：6.0％，Mn：0.9％，Er：0.15％，Zr：0.1％，Ti：0.03％，Be：0.0025％和余量Al的比例称取纯镁锭、铝锰中间合金、铝饵中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金和铝钛硼丝晶粒细化剂、铝铍中间合金、纯铝锭；
二、熔炼：
A、采用电炉添加熔化固体料方式将步骤一称取的纯铝锭和铝锰中间合金加入到熔炼炉中，熔炼温度760℃，当熔体温度达到780℃时加入铝饵中间合金总量的一半，并保持熔体温度不低于780℃，保温25min，然后进行搅拌，搅拌后加入另外一半铝饵中间合金，熔体温度回升至780℃，保温25min，然后进行搅拌，保持熔体温度不低于780℃并保温25min后，进行搅拌，搅拌后加入铝锆中间合金，得到熔体；
B、将步骤A所得熔体降温至760℃，加入步骤一称取的纯镁锭、铝铍中间合金和铝钛中间合金，搅拌后得到铝合金熔体；
C、将步骤B所得铝合金熔体用Ar-Cl2混合气体精炼至每100克铝合金熔体中的氢含量≤0.15ml，静置30min，得到铝合金熔液；
三、铸造：将步骤一称取的铝钛硼丝晶粒细化剂以550mm/min的速度，匀速熔入步骤二所得铝合金熔液中，然后在温度为720℃、水压为0.04MPa、速度为42mm/min的条件下进行铸造，得到厚度为520mm、宽度为2120mm、长度为6000mm的合金铸锭；
四、均匀化退火：将步骤三所得合金铸锭在炉气温度为150℃时装炉，金属温度达到280℃时保温12h，转定温480℃，金属温度到460℃，保温36h，即完成高镁稀土铝合金大规格铸锭的制备；
Ti：0.03％，来源于铝钛中间合金和铝钛硼丝晶粒细化剂；铝饵中间合金中饵元素含量为5.0％；
步骤三中铝钛硼丝晶粒细化剂在加入前，要将结晶器清理干净，并将铝钛硼丝晶粒细化剂置于过滤箱出口的流槽内，流槽内采用双级陶瓷片过滤：一级过滤炉内的陶瓷过滤片目数为40ppi、二级过滤炉内的陶瓷过滤片目数为50ppi，浇铸的同时将铝钛硼丝晶粒细化剂插入流槽中，使铝钛硼丝晶粒细化剂中的元素均匀熔入铝合金熔液中；然后开启Alpur双转子在线除气装置，另取纯铝锭熔化后的熔体倒入结晶器底座上进行铺底，然后在温度为720℃、水压为0.04MPa、速度为42mm/min的条件下进行铸造，得到厚度为520mm、宽度为2120mm、长度为6000mm的合金铸锭。
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