CN111394601B - 一种大尺寸无铅易切削铝合金铸棒的铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大尺寸无铅易切削铝合金铸棒的铸造方法，属于铝合金铸造技术领域，该方法依次包括：按照铝合金的成分组成及质量百分比进行配料、电磁搅拌熔炼铝合金液、炉内喷粉精炼除气除杂、在线晶粒细化处理、在线除气过滤处理、超声波振动半连续铸造。本发明采用电磁搅拌熔炼铝合金液和超声波振动半连续铸造，通过优化设计熔炼铸造工艺及参数，解决Sn、Bi等元素的比重偏析和凝固偏析问题，消除铸棒内部的热裂纹，细化α‑Al晶粒和第二相化合物的尺寸，提高大尺寸无铅易切削铝合金铸棒的组织成分均匀性和挤压加工性能。
Description
技术领域
本发明属于铝合金铸造技术领域，具体涉及一种大尺寸无铅易切削铝合金铸棒的铸造方法。
背景技术
铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、导热导电性能好、易加工成形、可回收利用等优点，广泛用于建筑、汽车、电子、电器、机械装备等领域。在众多铝合金零部件的生产制造过程中都需要经过大量的车、铣、钻孔、攻丝等切削加工。
易切削铝合金通常是指切屑易断、不粘刀、不缠刀的铝合金。易切削铝合金可以采用更高的速度或者更大的进刀量进行切削加工，因而可以显著提高铝合金零部件切削加工的生产效率，有利于获得表面更光洁、尺寸精度更高的精密铝合金零部件。
传统易切削铝合金主要在铝铜合金基础上添加低熔点金属元素铅来提高其切削加工性能，在高速切削过程中，由于摩擦生热使铝合金温度升高，当与切削刀具接触点附件的铝合金切屑的温度接近或达到低熔点金属元素铅及其组成物的熔点时，低熔点金属元素铅及其组成物发生软化或熔化，铝合金切屑断裂，达到切屑不粘刀、不缠刀、排屑方便的目的。
低熔点金属元素铅属于重金属元素，会对人体健康和生态环境带来危害。随着人们生活水平的提高和环境保护意识的增强，含铅的易切削铝合金逐渐开始遭到禁止生产和使用。
在直径300毫米以上的大尺寸无铅易切削Al-Cu系铝合金铸棒的铸造生产实践中发现，当采用低熔点金属元素锡、铋来替代铅时，由于锡、铋的密度大，铸棒内部极易产生锡、铋元素的偏析，而锡、铋的偏析会严重降低铝合金的切屑加工性能。另外，由于铝合金的元素含量高，结晶温度范围宽，导致大尺寸铝合金铸棒内部容易产生热裂纹、成分偏析和α-Al晶粒和第二相化合物粗大，这将直接会降低易切削铝合金铸棒的挤压加工性能差，恶化易切削铝合金的力学性能，甚至直接导致铝合金铸棒报废，严重影响铝合金铸棒的成材率。因此，现有无铅易切削铝合金铸棒的铸造方法仍有待改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种大尺寸无铅易切削铝合金铸棒的铸造方法，通过优化设计铸造的方法和工艺参数，抑制锡、铋等元素的偏析和热裂纹的产生，细化α-Al晶粒及第二相化合物的尺寸，提高易切削铝合金铸棒的组织成分均匀性和挤压加工性能。
本发明是通过如下技术方案得以实现的：
本发明第一方面提供了一种大尺寸无铅易切削铝合金铸棒的铸造方法，包括如下步骤：
（1）按铝合金的成分组成及质量百分比，选择原材料进行配料，所述原材料包括铝锭、镁锭、锡锭、铋锭、Al-50Cu合金、Al-20S i合金、Al-10Mn合金、Al-10Ba合金和Al-5Zr-1C合金丝；
（2）将铝锭加入至炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉中加热熔化，随后加入除Al-5Zr-1C合金丝以外的其他原材料，在电磁场的搅拌作用下熔化成铝合金液；
（3）采用氩气和六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼进行除气除杂处理，扒渣后再静置；
（4）将铝合金液导入流槽，然后加入Al-5Zr-1C合金丝进行在线晶粒细化处理；
（5）将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气机和泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
（6）将铝合金液在超声波振动下半连续铸造成铝合金铸棒，得到所述大尺寸无铅易切削铝合金铸棒。
作为优选地，步骤（1）中所述铝锭的铝含量为99.85%，镁锭的镁含量为99.9%，锡锭的锡含量为99.9%，铋锭的铋含量为99.9%。
为了保证铝合金铸棒的纯净度，避免金属杂质元素含量太高而恶化铝合金铸棒的质量，应尽量选择纯度高的原材料进行配料，以避免其他杂质元素影响铝合金铸棒的性能。但要强调的是，原材料的纯度越高，价格也会越贵，会使铝合金铸棒的生产成本升高。
作为优选地，步骤（2）中所述铝锭的熔化温度为780-790℃，最优选为785℃；电磁场的功率为60-80kW，最优选为70kW；电磁场的频率为25-35Hz，最优选为30kHz。
由于易切削铝合金铸棒的元素较多、含量较高，特别是锡、铋的密度大，锡的密度为7.3克/立方厘米，铋的密度为9.84克/立方厘米，而铝的密度为2.73克/立方厘米，由于锡、铋的密度与铝的密度相差很大，在加上锡、铋与铝互补相溶解，锡、铋在铝合金液中极易产生比重偏析而沉降于炉底。为了防止熔炼过程发生锡、铋等元素比重偏析，因此需要在熔炼过程加强搅拌。
发明人的通过大量实验研究发现，通过提高熔炼温度有利于降低铝合金液的粘度，提高铝合金液的流动性，既有利于铝合金液的成分均匀化，也有利于炉内喷粉精炼时气的溢出和杂的浮出，提高炉内喷粉精炼除气除杂的效率。实验研究还发现，使用炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉进行熔炼铝合金液，采用大功率、高频电磁场对铝合金液的搅拌渗透能力强，有利防止元素偏析，在780-790℃加热熔化铝锭，在功率为60-80kW、频率为25-35kHz的磁场搅拌作用下熔化成铝合金液，可以有效防止元素比重偏析，获得成分均匀的铝合金液。
作为优选地，步骤（3）中所述氩气的纯度为99.9%，六氯乙烷精炼剂占原材料总重量0.6%。
作为优选地，步骤（3）中所述铝合金液喷粉精炼时间为20-30分钟，最优选为25分钟；扒渣后再静置的时间为60-90分钟，最优选为75分钟。
为了消除气孔、非金属夹杂物的存在而恶化铝合金铸棒的性能，首先必须在炉内对铝合金液进行喷粉精炼除气除杂处理，使用纯度99.99%的氩气和占原材料总重量0.6%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼20-30分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置60-90分钟，通过延长喷粉精炼时间和静置时间，可有效除去铝合金液中大部分的气体氢和大尺寸的非金属夹杂物，再配合后续在线除气过滤处理，最后可获得高纯净的铝合金液。
作为优选地，步骤（4）中Al-5Zr-1C合金丝的添加量为占原材料总重量0.2-0.4%，最优选为0.3%；铝合金铸棒中含有0.01-0.02%的Zr，0.002-0.004%的C，最优选为铝合金铸棒中含有0.015%的Zr，0.003%的C。
为了改善铝合金铸棒的组织均匀性，提高铝合金铸棒的挤压性能，必须对铝合金液进行晶粒细化处理。发明人通过大量实验研究发现，Al-5Zr-1C合金丝中含有大量ZrC粒子，在铝合金液可起到异质形核作用，有效避免Mn等元素的中毒问题，添加Al-5Zr-1C合金丝，铝合金液中含有的ZrC粒子，能显著细化铝合金铸棒的α-Al晶粒组织，有利于改善铝合金铸棒的组织均匀性，提高铝合金铸棒的挤压性能。
作为优选地，步骤（5）中所述除气机中的石墨转子旋转速度为580-620转/分钟，最优选为600转/分钟，除气机内氩气流量为4-5立方米/小时，最优选为4.5立方米/小时。
作为优选地，步骤（5）中所述泡沫陶瓷过滤板的孔隙率为80ppi。
为了进一步除去铝合金液中的气孔和非金属夹杂物，获得高洁净度的铝合金液，除了前面炉内喷粉精炼外，还必须再采用在线除气过滤处理。发明人通过大量实验研究发现，为了有效进一步除去铝合金液中的气孔和非金属夹杂物，采用高转速和大气流量，通过石墨转子的高速转动，将气泡打碎，使气泡与铝合金液充分接触，有利于提高除气效率。同时采用高孔隙率的泡沫陶瓷板，有利于彻底除去铝合金液中的细小非金属夹杂物。经过大量实验研究和参数优化，将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为580-620转/分钟、氩气流量为4-5立方米/小时的除气机和孔隙率为80ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理，可将铝合金液中气体氢含量降低到0.1mL/100Al以下，2微米以上尺寸的非金属夹杂物去除率达到99%以上，获得高洁净度的铝合金液。
作为优选地，步骤（6）中所述超声波振动条件为：超声波频率为30-40kHz、超声波功率为40-50kW、铸造温度为750-760℃、铸造速度为140-150毫米/分钟，冷却水压力为3-4MPa；最优选为：超声波频率为35kHz、超声波功率为45kW、铸造温度为755℃、铸造速度为145毫米/分钟，冷却水压力为3.5MPa。
作为优选地，步骤（6）中所述大尺寸无铅易切削铝合金铸棒的直径≥300毫米。
在传统常规的半连续铸造过程中，由于铝合金液的非平衡凝固原因，再加上铸造速度较低，容易导致元素发生宏微观偏析，特别是在直径≥300毫米的大尺寸铝合金铸棒的铸造中。由于本发明易切削铝合金铸棒的元素较多、含量较高，特别是锡、铋的密度大，锡的密度为7.3克/立方厘米，铋的密度为9.84克/立方厘米，而铝的密度为2.73克/立方厘米，由于锡、铋的密度与铝的密度相差很大，在加上锡、铋与铝互补相溶解，锡、铋在铝合金液半连续铸造非平衡凝固过程中极易产生比重偏析，使铸棒周边的锡、铋含量低，心部含量高。
另外，由于本发明易切削铝合金的元素含量高，结晶温度范围宽，铝合金液非平衡凝固极易导致大尺寸铝合金铸棒内部容易产生热裂纹、成分偏析和α-Al晶粒和第二相化合物粗大。为了防止铝合金液在铸造凝固过程发生元素的偏析，细化铝合金铸棒的晶粒组织，提高铝合金铸棒的组织成分均匀和挤压性能，发明人通过大量实验研究后发现，采用大功率、高频超声波振动半连续铸造，再结合快速铸造和冷却水强冷工艺，在超声波频率为30-40kHz、超声波功率为40-50kW、铸造温度为750-760℃、铸造速度为140-150毫米/分钟，冷却水压力为3-4MPa条件下，将铝合金液在超声波振动下半连续铸造成铝合金铸棒，能有效提高铝合金液铸造凝固过程溶质和温度场的均匀性，从而效抑制锡、铋等元素的偏析和热裂纹的产生，同时细化铝合金铸棒的晶粒组织，显著改提高铝合金铸棒的组织均匀性和挤压性能。
作为优选地，所述大尺寸无铅易切削铝合金铸棒包括如下质量百分比的成分：Cu4.78-4.86%，Mg 1.39-1.47%，Si 1.14-1.22%，Sn 0.65-0.75%，Bi 0.15-0.25%，Mn 0.15-0.18%，Zr 0.01-0.02%，C 0.002-0.004%，Ba 0.08-0.12%，Fe 0.11-0.14%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
作为优选地，所述大尺寸无铅易切削铝合金铸棒包括如下质量百分比的成分：Cu4.82%，Mg 1.43%，Si 1.18%，Sn 0.71%，Bi 0.19%，Mn 0.17%，Zr 0.015%，C 0.003%，Ba0.1%，Fe 0.13%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
本发明第二方面提供了一种由上述方法制备得到的大尺寸无铅易切削铝合金铸棒。
作为优选地，所述大尺寸无铅易切削铝合金铸棒包括如下质量百分比的成分：Cu4.78-4.86%，Mg 1.39-1.47%，Si 1.14-1.22%，Sn 0.65-0.75%，Bi 0.15-0.25%，Mn 0.15-0.18%，Zr 0.01-0.02%，C 0.002-0.004%，Ba 0.08-0.12%，Fe 0.11-0.14%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
作为优选地，所述大尺寸无铅易切削铝合金铸棒包括如下质量百分比的成分：Cu4.82%，Mg 1.43%，Si 1.18%，Sn 0.71%，Bi 0.19%，Mn 0.17%，Zr 0.015%，C 0.003%，Ba0.1%，Fe 0.13%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
其中，Cu、Mg、Si是铝合金铸棒的强化元素，Cu与Al可形成Al2Cu强化相，M g与Si可形成Mg2Si强化相，提高铝合金铸棒的强度。Cu、Mg、Si的含量越高，铝合金铸棒的强度也越高，但铝合金铸棒的塑形及挤压性能也会逐渐下降。
发明人通过大量实验研究后发现，Cu含量选择为4.78-4.86%，Mg含量选择为1.39-1.47%，Si含量选择为1.14-1.22%，铝合金铸棒兼具强度高、塑性好和挤压性能优异的特性，满足实际应用需要。
Sn和Bi的作用是提高铝合金的切削加工性能。Sn和Bi均属于低熔点金属元素，Sn元素的熔点为231.89℃，Bi元素的熔点为271.3℃，在高速切削加工过程中，铝合金与刀具之间的发生高速摩擦，机械能转变成热能，使铝合金的温度升高，当与刀具接触点附近的铝合金切屑温度达到或接近低熔点金属元素Sn和Bi的熔点时，这些低熔点金属元素发生熔化，从而使铝合金的切屑发生断裂，达到切屑不粘刀、不缠刀、排屑方便的效果。
发明人通过大量的实验研究发现，Sn和Bi的含量对切屑加工性能有着重要的影响，当添加0.65-0.75%的Sn和0.15-0.25%的Bi时，铝合金可获得优良的切削加工性能。
Mn在铝合金中可形成MnAl6化合物，通过弥散强化提高铝合金强度，抑制铝合金在塑性过程发生再结晶晶粒的长大。Mn在铝合金中还可以溶解部分杂质元素Fe，消除部分杂质元素Fe对铝合金强度和塑性的危害。
发明人通过大量实验研究后发现，Mn含量低于0.15%，Mn的作用不明显，而Mn含量高于0.18%，又容易形成粗大的MnAl6化合物，反而会恶化铝合金的性能，因此，Mn含量选择0.15-0.18%。
Zr和C是以Al-5Zr-1C合金丝的形式在线加入到铝合金液中，用于细化铝合金铸棒的α-Al晶粒。传统铝钛类晶粒细化剂在遇到Mn等元素时容易产生中毒问题，而导致铝钛类细化剂失效。
发明人通过大量实验研究发现，Al-5Zr-1C合金丝中含有大量ZrC粒子，在铝合金液可起到异质形核作用，有效避免Mn等元素的中毒问题，添加占原材料总重量0.2-0.4%的Al-5Zr-1C合金丝，铝合金液中含有大量ZrC粒子，能显著细化铝合金铸棒的α-Al晶粒组织，有利于改善铝合金铸棒的组织均匀性，提高铝合金铸棒的挤压性能，铝合金铸棒中含有0.01-0.02%的Zr，0.002-0.004%的C。
Ba在铝合金的作用主要是细化变质粗大针状富Fe相。Fe是铝合金中不可避免的杂质元素，通常以粗大针状的FeAl3、FeSiAl3等富Fe相形式存在于铝合金中，会严重割裂铝合金的基体，恶化铝合金的强度和塑性。
发明人通过大量实验研究发现，Ba对粗大针状富Fe相都有细化变质作用，添加0.08-0.12%的Ba，可细化变质粗大针状富Fe相，使粗大针状富Fe相转变为细小颗粒状弥散分布在铝合金基体上，消除粗大针状富Fe相对强度和塑形的危害。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
（1）本发明采用炉底带有电磁搅拌功能的熔铝炉进行熔化铝合金液，通过大功率、高频率的电磁搅拌作用，防止炉内铝合金液发生锡、铋、铜、镁等元素产生比重偏析，获得成分均匀的铝合金液。
（2）本发明采用780-790℃的高温熔炼铝合金液，降低铝合金液的粘度，提高铝合金液的流动性，既有利于铝合金液的成分均匀化，也有利于炉内喷粉精炼时气的溢出和杂的浮出，提高炉内喷粉精炼除气除杂的效率，同时合理设计喷粉精炼的工艺参数，提高炉内铝合金液的纯净度。
（3）本发明采用Al-5Zr-1C合金丝进行在线晶粒细化处理，避免了传统铝钛类晶粒细化剂与Mn元素中毒的问题，有利于细化铝合金铸棒的晶粒组织。
（4）本发明通过增加在线除气过滤的深度净化工艺，通过合理设计除气机的转速和气流量，进一步提高铝合金液的纯净度，确保获得高纯净度的铝合金液，提高铝合金铸棒的质量。
（5）本发明通过采用超声波振动半连续铸造，利用大功率、高频超声波的声空化效应，提高凝固过程溶质和温度场的均匀性，防止锡、铋等元素发生凝固偏析，细化晶粒组织，消除热裂纹，提高铝合金铸棒的组织成分均匀性和挤压加工性能。
附图说明
图1为实施例1无铅易切削铝合金铸棒的显微组织。
图2为实施例2无铅易切削铝合金铸棒的显微组织。
图3为对比例1无铅易切削铝合金铸棒的显微组织。
图4为对比例2无铅易切削铝合金铸棒的显微组织。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种无铅易切削铝合金铸棒，由以下质量百分比的成分组成：Cu 4.82%，Mg1.43%，Si 1.18%，Sn 0.71%，Bi 0.19%，Mn 0.17%，Zr 0.015%，C 0.003%，Ba 0.1%，Fe0.13%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
所述无铅易切削铝合金铸棒铸造方法包括如下步骤：
（1）按照铝合金铸棒的成分组成及质量百分比，选用铝含量为99.85%的铝锭、镁含量为99.9%的镁锭、锡含量为99.9%的锡锭、铋含量为99.9%的铋锭、Al-50Cu合金、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-10Ba合金和Al-5Zr-1C合金丝为原材料进行配料；
（2）采用炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉在785℃加热熔化铝锭，然后加入镁锭、锡锭、铋锭、Al-50Cu合金、Al-20Si合金、Al-10Mn合金和Al-10Ba合金，在功率为70kW、频率为30kHz的磁场搅拌作用下熔化成铝合金液；
（3）用纯度99.9%的氩气和占原材料总重量0.6%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼25分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置75分钟；
（4）将铝合金液导入流槽，然后加入Al-5Zr-1C合金丝进行在线晶粒细化处理；
（5）将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为600转/分钟、氩气流量为4.5立方米/小时的除气机和孔隙率为80ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
（7）在超声波频率为35kHz、超声波功率为45kW、铸造温度为755℃、铸造速度为145毫米/分钟，冷却水压力为3.5MPa条件下，将铝合金液在超声波振动下半连续铸造成直径为300毫米的无铅易切削铝合金铸棒。
实施例2
一种无铅易切削铝合金铸棒，由以下质量百分比的成分组成：Cu 4.78%，Mg1.47%，Si 1.14%，Sn 0.75%，Bi 0.15%，Mn 0.15%，Zr 0.01%，C 0.002%，Ba 0.12%，Fe0.14%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
所述无铅易切削铝合金铸棒铸造方法包括如下步骤：
（1）按照铝合金铸棒的成分组成及质量百分比，选用铝含量为99.85%的铝锭、镁含量为99.9%的镁锭、锡含量为99.9%的锡锭、铋含量为99.9%的铋锭、Al-50Cu合金、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-10Ba合金和Al-5Zr-1C合金丝为原材料进行配料；
（2）采用炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉在780℃加热熔化铝锭，然后加入镁锭、锡锭、铋锭、Al-50Cu合金、Al-20Si合金、Al-10Mn合金和Al-10Ba合金，在功率为80kW、频率为25kHz的磁场搅拌作用下熔化成铝合金液；
（3）用纯度99.9%的氩气和占原材料总重量0.6%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼30分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置60分钟；
（4）将铝合金液导入流槽，然后加入Al-5Zr-1C合金丝进行在线晶粒细化处理；
（5）将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为580转/分钟、氩气流量为5立方米/小时的除气机和孔隙率为80ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
（6）在超声波频率为40kHz、超声波功率为40kW、铸造温度为760℃、铸造速度为150毫米/分钟，冷却水压力为4MPa条件下，将铝合金液在超声波振动下半连续铸造成直径为400毫米的无铅易切削铝合金铸棒。
实施例3
一种无铅易切削铝合金铸棒，由以下质量百分比的成分组成：Cu 4.86%，Mg1.39%，Si 1.22%，Sn 0.65%，Bi 0.25%，Mn 0.18%，Zr 0.02%，C 0.004%，Ba 0.08%，Fe0.11%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
所述无铅易切削铝合金铸棒铸造方法包括如下步骤：
（1）按照铝合金铸棒的成分组成及质量百分比，选用铝含量为99.85%的铝锭、镁含量为99.9%的镁锭、锡含量为99.9%的锡锭、铋含量为99.9%的铋锭、Al-50Cu合金、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-10Ba合金和Al-5Zr-1C合金丝为原材料进行配料；
（2）采用炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉在790℃加热熔化铝锭，然后加入镁锭、锡锭、铋锭、Al-50Cu合金、Al-20Si合金、Al-10Mn合金和Al-10Ba合金，在功率为60kW、频率为35kHz的磁场搅拌作用下熔化成铝合金液；
（3）用纯度99.9%的氩气和占原材料总重量0.6%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼20分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置90分钟；
（4）将铝合金液导入流槽，然后加入Al-5Zr-1C合金丝进行在线晶粒细化处理；
（5）将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为620转/分钟、氩气流量为4立方米/小时的除气机和孔隙率为80ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
（6）在超声波频率为30kHz、超声波功率为50kW、铸造温度为750℃、铸造速度为140毫米/分钟，冷却水压力为3MPa条件下，将铝合金液在超声波振动下半连续铸造成直径为350毫米的无铅易切削铝合金铸棒。
对比例1
一种无铅铝合金铸棒，由以下质量百分比的成分组成：Cu 4.82%，Mg 1.43%，Si1.18%，Sn 0.71%，Bi 0.19%，Mn 0.17%，Zr 0.015%，C 0.003%，Ba 0.1%，Fe 0.13%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
所述无铅铝合金铸棒铸造方法包括如下步骤：
（1）按照铝合金铸棒的成分组成及质量百分比，选用铝含量为99.85%的铝锭、镁含量为99.9%的镁锭、锡含量为99.9%的锡锭、铋含量为99.9%的铋锭、Al-50Cu合金、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-10Ba合金和Al-5Zr-1C合金丝为原材料进行配料；
（2）采用炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉在785℃加热熔化铝锭，然后加入镁锭、锡锭、铋锭、Al-50Cu合金、Al-20Si合金、Al-10Mn合金和Al-10Ba合金，在功率为70kW、频率为30kHz的磁场搅拌作用下熔化成铝合金液；
（3）用纯度99.9%的氩气和占原材料总重量0.6%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼25分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置75分钟；
（4）将铝合金液导入流槽，然后加入Al-5Zr-1C合金丝进行在线晶粒细化处理；
（5）将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为600转/分钟、氩气流量为4.5立方米/小时的除气机和孔隙率为80ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
（6）在铸造温度为755℃、铸造速度为145毫米/分钟，冷却水压力为3.5MPa条件下，将铝合金液半连续铸造成直径为300毫米的无铅铝合金铸棒。
对比例2
一种无铅铝合金铸棒，由以下质量百分比的成分组成：Cu 4.78%，Mg 1.47%，Si1.14%，Sn 0.75%，Bi 0.15%，Mn 0.15%，Zr 0.01%，C 0.002%，Ba 0.12%，Fe 0.14%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
所述无铅铝合金铸棒铸造方法包括如下步骤：
（1）按照铝合金铸棒的成分组成及质量百分比，选用铝含量为99.85%的铝锭、镁含量为99.9%的镁锭、锡含量为99.9%的锡锭、铋含量为99.9%的铋锭、Al-50Cu合金、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-10Ba合金和Al-5Zr-1C合金丝为原材料进行配料；
（2）采用炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉在780℃加热熔化铝锭，然后加入镁锭、锡锭、铋锭、Al-50Cu合金、Al-20Si合金、Al-10Mn合金和Al-10Ba合金，在功率为80kW、频率为25kHz的磁场搅拌作用下熔化成铝合金液；
（3）用纯度99.9%的氩气和占原材料总重量0.6%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼30分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置60分钟；
（4）将铝合金液导入流槽，然后加入Al-5Zr-1C合金丝进行在线晶粒细化处理；
（5）将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为580转/分钟、氩气流量为5立方米/小时的除气机和孔隙率为80ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
（6）在铸造温度为760℃、铸造速度为150毫米/分钟，冷却水压力为4MPa条件下，将铝合金液半连续铸造成直径为400毫米的无铅铝合金铸棒。
对比例3
一种无铅铝合金铸棒，由以下质量百分比的成分组成：Cu 4.86%，Mg 1.39%，Si1.22%，Sn 0.65%，Bi 0.25%，Mn 0.18%，Zr 0.02%，C 0.004%，Ba 0.08%，Fe 0.11%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
所述无铅铝合金铸棒铸造方法包括如下步骤：
（1）按照铝合金铸棒的成分组成及质量百分比，选用铝含量为99.85%的铝锭、镁含量为99.9%的镁锭、锡含量为99.9%的锡锭、铋含量为99.9%的铋锭、Al-50Cu合金、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-10Ba合金和Al-5Zr-1C合金丝为原材料进行配料；
（2）采用熔铝炉在790℃加热熔化铝锭，然后加入镁锭、锡锭、铋锭、Al-50Cu合金、Al-20Si合金、Al-10Mn合金和Al-10Ba合金，熔化成铝合金液；
（3）用纯度99.9%的氩气和占原材料总重量0.6%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼20分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置90分钟；
（4）将铝合金液导入流槽，然后加入Al-5Zr-1C合金丝进行在线晶粒细化处理；
（5）将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为620转/分钟、氩气流量为4立方米/小时的除气机和孔隙率为80ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
（6）在超声波频率为30kHz、超声波功率为50kW、铸造温度为750℃、铸造速度为140毫米/分钟，冷却水压力为3MPa条件下，将铝合金液在超声波振动下半连续铸造成直径为350毫米的无铅铝合金铸棒。
验证例1
为了检验无铅易切削铝合金铸棒横截面上元素分布的均匀性，在实施例1-3和对比例1-3的铝合金铸棒横截面的中心和边部分别取样，在ARL4460型光电直读光谱仪上分析Cu、Sn、Bi元素的含量，检测结果如表1所示。
表1无铅易切削铝合金铸棒横截面中心和边部的主要元素含量
从表1可看到，实施例1-3无铅易切削铝合金挤压棒材横截面中心和边部Cu、Sn、Bi元素的含量都与实施例铝合金铸棒的目标成分元素的含量基本一致，并且中心和边部Cu、Sn、Bi元素的含量相差小于0.05%。对比例1和对比例2由于未施加超声波振动，导致无铅易切削铝合金挤压棒材横截面中心位置Cu、Sn、Bi元素的含量明显高于边部位置Cu、Sn、Bi元素的含量，中心和边部Cu、Sn、Bi元素的含量相差超过0.1%。对比例3由于在熔炼过程未施加电磁场搅拌，导致对比例3铝合金铸棒横截面中心和边部Cu、Sn、Bi元素含量都低于铝合金铸棒目标成分的元素含量。通过比较可看到，本发明通过施加超声波振动半连续铸造，可明显改善无铅易切削铝合金挤压棒材横截面上的元素分布均匀性，这将有利于提高无铅易切削铝合金铸棒的组织性能均匀性。
验证例2
为了检验无铅易切削铝合金铸棒的显微组织，在实施例1-2和对比例1-2的铝合金铸棒横截面的二分之一半径位置上取试样，试样经磨制、抛光和腐蚀后，在LEICA2500型金相显微镜上进行组织观察，图1-2分别为实施例1-2无铅易切削铝合金铸棒放大100倍后的金相显微组织，图3-4分别为对比例1-2无铅易切削铝合金铸棒放大100倍后的金相显微组织。
从图1-2可看到，实施例1-2无铅易切削铝合金铸棒显微组织为细小均匀的等轴状α-Al晶粒组织，晶粒细小均匀。从图3-4可看到，对比例1-2由于未采用超声波振动半连续铸造，使对比例1-2的无铅易切削铝合金铸棒的晶粒组织明显粗大，呈粗大枝晶组织。通过比较可以看到，本发明通过在半连续铸造过程中施加大功率、高频超声波振动，能够显著细化无铅易切削铝合金铸棒的晶粒组织，这将有利于提高无铅易切削铝合金铸棒的组织性能均匀性，提高无铅易切削铝合金铸棒的塑性和挤压加工性能。
以上具体实施方式部分对本发明所涉及的分析方法进行了具体的介绍。应当注意的是，上述介绍仅是为了帮助本领域技术人员更好地理解本发明的方法及思路，而不是对相关内容的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域技术人员还可以对本发明进行适当的调整或修改，上述调整和修改也应当属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种大尺寸无铅易切削铝合金铸棒的铸造方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）按铝合金的成分组成及质量百分比，选择原材料进行配料，所述原材料包括铝锭、镁锭、锡锭、铋锭、Al-50Cu合金、Al-20S i合金、Al-10Mn合金、Al-10Ba合金和Al-5Zr-1C合金丝；
（2）将铝锭加入至炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉中，在780-790℃加热熔化铝锭，随后加入除Al-5Zr-1C合金丝以外的其他原材料，在功率为60-80kW、频率为25-35Hz的电磁场搅拌作用下熔化成铝合金液；
（3）采用纯度为99.9%的氩气和占原材料总重量0.6%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼20-30分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置60-90分钟；
（4）将铝合金液导入流槽，然后加入Al-5Zr-1C合金丝进行在线晶粒细化处理；
（5）将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为580-620转/分钟、氩气流量为4-5立方米/小时的除气机和孔隙率为80ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
（6）在超声波频率为30-40kHz、超声波功率为40-50kW、铸造温度为750-760℃、铸造速度为140-150毫米/分钟，冷却水压力为3-4MPa条件下，将铝合金液在超声波振动下半连续铸造成铝合金铸棒，得到直径≥300毫米的所述大尺寸无铅易切削铝合金铸棒，所述大尺寸无铅易切削铝合金铸棒包括如下质量百分比的成分：Cu 4.78-4.86%，Mg 1.39-1.47%，Si1.14-1.22%，Sn 0.65-0.75%，Bi 0.15-0.25%，Mn 0.15-0.18%，Zr 0.01-0.02%，C 0.002-0.004%，Ba 0.08-0.12%，Fe 0.11-0.14%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
2.根据权利要求1所述铸造方法制备得到的大尺寸无铅易切削铝合金铸棒，其特征在于，所述大尺寸无铅易切削铝合金铸棒包括如下质量百分比的成分：Cu 4.78-4.86%，Mg1.39-1.47%，Si 1.14-1.22%，Sn 0.65-0.75%，Bi 0.15-0.25%，Mn 0.15-0.18%，Zr 0.01-0.02%，C 0.002-0.004%，Ba 0.08-0.12%，Fe 0.11-0.14%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
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