CN111471878A - 一种4004铝合金铸锭的熔铸工艺 - Google Patents

一种4004铝合金铸锭的熔铸工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种4004铝合金铸锭的熔铸工艺。本发明提供的熔铸工艺包括：a)将Al锭、Al‑Si合金和Al‑Ti合金装炉熔化，升温至第一温度加入Mg锭熔炼，继续升温至第二温度加入Al‑B合金和Al‑Sr合金进行熔炼，得到原料溶液；b)将所述原料溶液进行在线除气和在线过滤后，得到合金熔体；c)对所述合金熔体进行在线细化，得到细化熔体；d)对所述细化熔体进行铸造，得到4004铝合金铸锭；所述铸造采用带电磁搅拌装置的结晶器，电磁搅拌条件：频率20～30Hz，电流400～500A，换向时间5～10s。本发明按一定比例和顺序引入Al‑B和Al‑Sr，最后在电磁搅拌下铸造，前后配合来有效细化4004合金。

Description

一种4004铝合金铸锭的熔铸工艺
技术领域
本发明涉及金属材料领域，特别涉及一种4004铝合金铸锭的熔铸工艺。
背景技术
4004合金属于高硅铝合金，对高Si铝合金的细化包括基体组织细化和Si相组织细化，两者有共同的促进作用。在4004合金的常规凝固组织中，硅以初晶硅和共晶硅形式存在。在未变质处理的4004合金中，初晶硅一般呈粗大的板片状、多角形块状，共晶硅则呈粗大针片状，均对基体性能有削弱作用。因此，工业生产4004铝合金必须对其硅相进行变质处理，以提高其产品力学性能。
目前，对4004合金常用的细化方式是加入Al-Sr合金和Al-Ti-B细化剂。其中，加入Al-Sr中间合金通常对共晶硅的细化有效果，而Al-Ti-B在线细化剂对高硅铝合金的细化作用是微乎其微的。上述细化方式均不能对4004合金有效细化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种4004铝合金铸锭的熔铸工艺。本发明提供的熔铸工艺能够有效细化4004合金，得到细小均匀的4004合金组织。
本发明提供了一种4004铝合金铸锭的熔铸工艺，包括以下步骤：
a)将Al锭、Al-Si合金和Al-Ti合金装炉熔化，升温至第一温度加入Mg锭熔炼，继续升温至第二温度加入Al-B合金和Al-Sr合金进行熔炼，得到原料溶液；
b)将所述原料溶液进行在线除气和在线过滤后，得到合金熔体；
c)对所述合金熔体进行在线细化，得到细化熔体；
d)对所述细化熔体进行铸造，得到4004铝合金铸锭；
所述铸造采用带电磁搅拌装置的结晶器，电磁搅拌条件为：频率20～30Hz，电流400～500A，换向时间5～10s。
优选的，所述步骤a)中：
所述第一温度为730～750℃；
所述第二温度为750～770℃；
所述第一温度＜第二温度。
优选的，所述步骤a)中：
所述Al-B合金为AlB3合金；
所述Al-Sr合金为AlSr10合金。
优选的，所述步骤a)中：
所述Al-Si合金为AlSi20合金；
所述Al-Ti合金为AlTi4合金。
优选的，所述步骤a)中，以质量比计，各原料的配料比为：
Al-Si合金 50％，Mg锭 1.6％，Al-Ti合金 0.5％，Al-B合金 0.5％，Al-Sr合金0.5％，其余为Al锭。
优选的，所述步骤a)中：加入Al-B合金和Al-Sr合金后搅拌10min以上。
优选的，所述步骤b)中：
所述在线除气的气体为惰性气体；
所述在线除气的熔体温度为720～740℃；
所述在线除气的惰性气体流量为3.5～5.5m3/h。
优选的，所述步骤b)中：
控制除气后的熔体氢含量≤0.15mL/100gAl；
所述在线过滤的滤板目数为40～50ppi。
优选的，所述步骤c)中：
所述细化采用的细化剂为丝状细化剂；
所述细化剂为Al-3Ti-1B细化剂和/或Al-5Ti-1B细化剂；
所述细化剂的加入量为1.4～2.0Kg/tAl。
优选的，所述步骤d)中：
所述铸造的温度为740～760℃；
所述铸造的速度为45～60mm/min；
所述铸造的冷却水流量为40～50m3/h。
本发明提供的熔铸工艺中，在铸造前，按一定比例和先后顺序将Al-B合金和Al-Sr合金加入熔体中，对基体组织和硅相组织达到较好的细化效果，最后使用带有电磁感应线圈的结晶器在一定的电磁搅拌条件下进行铸造，通过外场对合金凝固前进行搅拌，能够很好的破碎定向凝固的粗大相结晶组织，同时起到很好的促进成分均匀的作用，从配料种类及加入顺序方面和铸造操作方面共同配合，从而有效细化4004合金，得到细小均匀的4004合金组织。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为对比例1所得样品的金相组织图；
图2为实施例1所得样品的金相组织图；
图3为实施例2所得样品的金相组织图；
图4为实施例3所得样品的金相组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种4004铝合金铸锭的熔铸工艺，包括以下步骤：
a)将Al锭、Al-Si合金和Al-Ti合金装炉熔化，升温至第一温度时加入Mg锭熔炼，继续升温至第二温度时加入Al-B合金和Al-Sr合金进行熔炼，得到原料溶液；
b)将所述原料溶液进行在线除气和在线过滤后，得到合金熔体；
c)对所述合金熔体进行在线细化，得到细化熔体；
d)对所述细化熔体进行铸造，得到4004铝合金铸锭；
所述铸造采用带电磁搅拌装置的结晶器，电磁搅拌条件为：频率20～30Hz，电流400～500A，换向时间5～10s。
高硅铝合金(通常指硅含量在5％以上的合金)的Si一般以共晶硅和粗晶Si存在，硅相的细小和均匀分布是合金的使用性能所需要的。硅相细化(或称“变质”)就是通过对高硅合金添加变质剂或进行其它处理使合金组织(含Si相)细化，从而提高合金的最终产品性能。本发明提供的熔铸工艺中，在铸造前，按一定比例和先后顺序将Al-B合金和Al-Sr合金加入熔体中，对基体组织和硅相组织达到较好的细化效果，最后使用带有电磁感应线圈的结晶器在一定的电磁搅拌条件下进行铸造，通过外场对合金凝固前进行搅拌，能够很好的破碎定向凝固的粗大相结晶组织，同时起到很好的促进成分均匀的作用，从配料种类、加入顺序及比例方面和铸造操作方面共同配合，从而有效细化4004合金，得到细小均匀的4004合金组织。
按照本发明，先将Al锭、Al-Si合金和Al-Ti合金装炉熔化，升温至第一温度时加入Mg锭熔炼，继续升温至第二温度时加入Al-B合金和Al-Sr合金进行熔炼，得到原料溶液。
本发明中，所述Al锭优选为Al99.70铝锭，即Al含量为99.70wt％的铝锭。
本发明中，所述Al-Si合金优选为AlSi20合金。本发明中，各合金中字母后的数字代表铝中间合金名义百分含量，如AlSi20合金表示Si含量为20％的铝中间合金，下文中其它各合金同理。
本发明中，所述Al-Ti合金优选为AlTi4合金。
本发明中，先将Al锭、Al-Si合金和Al-Ti合金装炉(其余合金暂不加入)熔化，所述熔化的温度优选为710～730℃。待上述3种原料充分熔化后，再进行后续升温-加料-熔炼处理。
本发明中，待上述3种原料充分熔化后，先升温至第一温度加入Mg锭进行熔炼。其中，所述第一温度优选为730～750℃；在本发明的一些实施例中，具体为730℃、740℃或750℃。所述Mg锭优选为Mg9990镁锭，即Mg含量为99.90wt％的镁锭。所述熔炼的时间优选为5～10min。
在Mg锭熔炼后，继续升温至第二温度加入Al-B合金和Al-Sr合金进行熔炼。其中，所述第二温度优选为750～770℃，且第二温度＞第一温度；在本发明的一些实施例中，第二温度具体为750℃、760℃或770℃。所述Al-B合金优选为AlB3合金；所述Al-Sr合金优选为AlSr10合金。在加入Al-B合金和Al-Sr合金时优选伴随搅拌；所述搅拌的方式没有特殊限制，可以为人工搅拌或机械搅拌；所述搅拌的时间优选为10min以上。经熔炼后，得到原料溶液。
本发明中，以质量比计，上述各原料的配料比优选为：
Al-Si合金 50％，Mg锭 1.6％，Al-Ti合金 0.5％，Al-B合金 0.5％，Al-Sr合金0.5％，其余为Al锭。
本发明中，目标样4004合金的化学成分组成(质量分数)参见下表1：
表1 4004合金的化学组成
成分 Si Fe Cu Mn Mg Zn 其它单个杂质 杂质合计 Al
含量 9.0％～10.5％ ≤0.8％ ≤0.25％ ≤0.10％ 1.0％～2.0％ ≤0.20％ ≤0.05％ ≤0.15％ 余量
本发明中，在所有物料全部加入后进行熔炼的过程中，取样进行炉前分析，分析合格后准备后续铸造；上述整个熔炼过程不适用任何熔剂。
按照本发明，在得到原料溶液后，将所述原料溶液进行在线除气和在线过滤后，得到合金熔体。
本发明中，所述在线除气采用的气体为惰性气体(不使用氯气)；所述惰性气体优选为氩气。所述在线除气的熔体温度优选为720～740℃。所述在线除气的惰性气体流量优选为3.5～5.5m3/h。通过上述除气处理控制熔体氢含量≤0.15mL/100gAl。
经上述除气处理后，进行在线过滤。本发明中，所述在线过滤采用的滤板目数优选为40～50ppi。在本发明的一些实施例中，采用40ppi过滤板或50ppi过滤板进行过滤。经过滤后，得到合金熔体。
按照本发明，在得到合金熔体后，对所述合金熔体进行在线细化，得到细化熔体。
本发明中，所述细化采用的细化剂优选为丝状细化剂。所述细化剂优选为Al-3Ti-1B细化剂和/或Al-5Ti-1B细化剂；其中，各字母前的数字与上文中合金中数字的含义相同，代表合金中相应元素在合金中的质量百分含量，如Al-3Ti-1B代表合金中Ti的含量为3％，B的含量为1％。本发明中，所述细化剂的加入量优选为1.4～2.0Kg/tAl。在本发明的一些实施例中，所述加入量为1.4Kg/tAl、1.7Kg/tAl或2.0Kg/tAl。经细化后，得到细化熔体。
按照本发明，在得到细化熔体后，对所述细化熔体进行铸造，得到4004铝合金铸锭。
本发明中，所述铸造在带电磁搅拌装置的结晶器中进行，其电磁搅拌条件为：频率20～30Hz，电流400～500A，换向时间5～10s；其中，换向时间是指更换搅拌方向的时间，即正向搅拌5～10s后，再反向搅拌5～10s，依此反复进行搅拌。在本发明的一些实施例中，电磁搅拌频率为20Hz、25Hz或30Hz；电流为400A、450A或500A；换向时间为5s、7s或10s。在铸造过程中，伴随上述电磁搅拌处理，能够通过外场对对合金凝固前进行搅拌，能够很好的破碎定向凝固的粗大相结晶组织，同时起到很好的促进成分均匀的作用。
本发明中，所述铸造的温度优选为740～760℃；在本发明的一些实施例中，具体为740℃、750℃或760℃。所述铸造的速度优选为45～60mm/min(每根)，其中，每根是指每熔次可同时铸造几根/块铸锭的其中一根/块；在本发明的一些实施例中，具体为45mm/min、53mm/min或60mm/min。所述铸造的冷却水流量优选为40～50m3/h(每根)；在本发明的一些实施例中，具体为40m3/h、45m3/h或50m3/h。所述铸造的铸锭优选为方型铸锭；所述方型铸锭的厚度优选为400～520mm。经上述铸造后，得到4004铝合金铸锭。
本发明提供的熔铸工艺中，在铸造前，按一定比例和先后顺序将Al-B合金和Al-Sr合金加入熔体中，对基体组织和硅相组织达到较好的细化效果，最后使用带有电磁感应线圈的结晶器在一定的电磁搅拌条件下进行铸造，通过外场对合金凝固前进行搅拌，能够很好的破碎定向凝固的粗大相结晶组织，同时起到很好的促进成分均匀的作用，从配料种类、加入顺序及比例方面和铸造操作方面共同配合，从而有效细化4004合金，得到细小均匀的4004合金组织，有利于提升合金产品性能。小试研究中已经试验过，若不加入Al-B合金、或者改变其加入顺序或用量，则不能有效细化4004合金。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
对比例1
1.1配料：
AlSi20 50％；Mg锭 1.6％；AlTi4 0.5％；AlSr10 0.5％；其余为Al99.70铝锭。
1.2制备：
S1、加料熔炼：
将Al99.70铝锭、AlSi20合金、AlTi4合金随炉加入熔化(温度为710℃)；待物料充分熔化后，升温至730℃加入Mg锭，熔炼10min，然后继续升温至750℃加入AlSr10合金，同时伴随搅拌10min；取样进行炉前分析，分析合格后准备进行后续工艺。
S2、在线处理：
①除气：使用除气设备进行除气，所用气体为氩气，除气的氩气流量为3.5m3/h，熔体温度为720℃，除气后控制熔体氢含量≤0.15mL/100gAl。
②过滤：使用40ppi过滤板进行过滤。
③细化：加入Al-3Ti-1B丝对熔体进行在线细化，加入量为1.4Kg/tAl。
S3、铸造：
规格：方型铸锭，长5000×宽1320×厚400mm；
使用上述规格的结晶器进行铸造，温度控制在740℃，铸造速度为45mm/min，冷却水流量为40m3/h(每根)。经铸造后，得到4004合金铸锭。
经检测，4004合金的化学组成参见表2：
表2对比例1所得4004合金的化学组成
成分 Si Fe Cu Mn Mg Zn 其它单个杂质 杂质合计 Al
含量 9.5 0.25 0.02 0.01 1.5 0.01 ≤0.05％ ≤0.15％ 余量
实施例1
1.1配料：
AlSi20 50％；Mg锭 1.6％；AlB3 0.5％；AlTi4 0.5％；AlSr10 0.5％；其余为Al99.70铝锭。
1.2制备：
S1、加料熔炼：
将Al99.70铝锭、AlSi20合金、AlTi4合金随炉加入熔化(温度为710℃)；待物料充分熔化后，升温至730℃加入Mg锭，熔炼10min，然后继续升温至750℃加入AlB3合金和AlSr10合金，同时伴随搅拌10min；取样进行炉前分析，分析合格后准备进行后续工艺。
S2、在线处理：
①除气：使用除气设备进行除气，所用气体为氩气，除气的氩气流量为4.5m3/h，熔体温度为720℃，除气后控制熔体氢含量≤0.15mL/100gAl。
②过滤：使用40ppi过滤板进行过滤。
③细化：加入Al-3Ti-1B丝对熔体进行在线细化，加入量为1.4Kg/tAl。
S3、铸造：
规格：方型铸锭，长5000×宽1320×厚400mm；
使用上述规格的带电磁搅拌装置的结晶器进行铸造，温度控制在740℃，铸造速度为45mm/min，冷却水流量为40m3/h(每根)。电磁搅拌条件为：频率20Hz，电流400A，换向时间为5秒。经铸造后，得到4004合金铸锭。
经检测，4004合金的化学组成参见表2：
表2实施例1所得4004合金的化学组成
成分 Si Fe Cu Mn Mg Zn 其它单个杂质 杂质合计 Al
含量 9.6％ 0.23％ 0.02％ 0.01％ 1.4％ 0.01％ ≤0.05％ ≤0.15％ 余量
1.3测试
将对比例1和实施例1所得4004合金进行同部位取样，进行高倍(50倍)组织检测(具体为光学显微镜金相组织检测)，结果分别如图1和图2所示，图1为对比例1所得样品的金相组织图，图2为实施例1所得样品的金相组织图。可以看出，与对比例1相比，本发明实施例1制得的4004合金的组织明显较为细小和均匀。
实施例2
1.1配料：
AlSi20 50％；Mg锭 1.6％；AlB3 0.5％；AlTi4 0.5％；AlSr10 0.5％；其余为Al99.70铝锭。
1.2制备：
S1、加料熔炼：
将Al99.70铝锭、AlSi20合金、AlTi4合金随炉加入熔化(温度为720℃)；待物料充分熔化后，升温至740℃加入Mg锭，熔炼7min，然后继续升温至760℃加入AlB3合金和AlSr10合金，同时伴随搅拌10min；取样进行炉前分析，分析合格后准备进行后续工艺。
S2、在线处理：
①除气：使用除气设备进行除气，所用气体为氩气，除气的氩气流量为4.5m3/h，熔体温度为730℃，除气后控制熔体氢含量≤0.15mL/100gAl。
②过滤：使用50ppi过滤板进行过滤。
③细化：加入Al-3Ti-1B丝对熔体进行在线细化，加入量为1.7Kg/tAl。
S3、铸造：
规格：方型铸锭，长5000×宽1320×厚400mm；
使用上述规格的带电磁搅拌装置的结晶器进行铸造，温度控制在750℃，铸造速度为53mm/min，冷却水流量为45m3/h。电磁搅拌条件为：频率25Hz，电流450A，换向时间为7秒。经铸造后，得到4004合金铸锭。
经检测，4004合金的化学组成参见表3：
表3实施例2所得4004合金的化学组成
成分 Si Fe Cu Mn Mg Zn 其它单个杂质 杂质合计 Al
含量 9.5％ 0.20％ 0.01％ 0.01％ 1.5％ 0.01％ ≤0.05％ ≤0.15％ 余量
1.3测试
按照实施例1的测试方法对实施例2所得4004合金进行高倍(50倍)组织检测，结果如图3所示，图3为实施例2所得样品的金相组织图。可以看出，本发明实施例2制得的4004合金的组织细小、均匀。
实施例3
1.1配料：
AlSi20 50％；Mg锭 1.6％；AlB3 0.5％；AlTi4 0.5％；AlSr10 0.5％；其余为Al99.70铝锭。
1.2制备：
S1、加料熔炼：
将Al99.70铝锭、AlSi20合金、AlTi4合金随炉加入熔化(温度为730℃)；待物料充分熔化后，升温至750℃加入Mg锭，熔炼10min，然后继续升温至770℃加入AlB3合金和AlSr10合金，同时伴随搅拌10min；取样进行炉前分析，分析合格后准备进行后续工艺。
S2、在线处理：
①除气：使用除气设备进行除气，所用气体为氩气，除气的氩气流量为5.5m3/h，熔体温度为740℃，除气后控制熔体氢含量≤0.15mL/100gAl。
②过滤：使用50ppi过滤板进行过滤。
③细化：加入Al-5Ti-1B丝对熔体进行在线细化，加入量为2.0Kg/tAl。
S3、铸造：
规格：方型铸锭，长5000×宽1320×厚400mm；
使用上述规格的带电磁搅拌装置的结晶器进行铸造，温度控制在760℃，铸造速度为60mm/min，冷却水流量为50m3/h。电磁搅拌条件为：频率30Hz，电流500A，换向时间为10秒。经铸造后，得到4004合金铸锭。
经检测，4004合金的化学组成参见表4：
表4实施例3所得4004合金的化学组成
成分 Si Fe Cu Mn Mg Zn 其它单个杂质 杂质合计 Al
含量 9.5％ 0.21％ 0.01％ 0.01％ 1.5％ 0.01％ ≤0.05％ ≤0.15％ 余量
1.3测试
按照实施例1的测试方法对实施例3所得4004合金进行高倍(50倍)组织检测，结果如图4所示，图4为实施例3所得样品的金相组织图。可以看出，本发明实施例3制得的4004合金的组织细小、均匀。
实施例4
分别对实施例1～3和对比例1进行铸态样力学性能检测，结果参见表5：
表5实施例1～3及对比例1的铸态样力学性能检测
抗拉强度σ<sub>b</sub>，MPa 延伸率δ，％
对比例1 205 1.7
实施例1 230 3.0
实施例2 225 3.5
实施例3 215 3.5
可以看出，与对比例1相比，实施例1～3所得4004合金的力学性能明显提升。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种4004铝合金铸锭的熔铸工艺，其特征在于，包括以下步骤：
a)将Al锭、Al-Si合金和Al-Ti合金装炉熔化，升温至第一温度加入Mg锭熔炼，继续升温至第二温度加入Al-B合金和Al-Sr合金进行熔炼，得到原料溶液；
b)将所述原料溶液进行在线除气和在线过滤后，得到合金熔体；
c)对所述合金熔体进行在线细化，得到细化熔体；
d)对所述细化熔体进行铸造，得到4004铝合金铸锭；
所述铸造采用带电磁搅拌装置的结晶器，电磁搅拌条件为：频率20～30Hz，电流400～500A，换向时间5～10s。
2.根据权利要求1所述的铸造工艺，其特征在于，所述步骤a)中：
所述第一温度为730～750℃；
所述第二温度为750～770℃；
所述第一温度＜第二温度。
3.根据权利要求1所述的铸造工艺，其特征在于，所述步骤a)中：
所述Al-B合金为AlB3合金；
所述Al-Sr合金为AlSr10合金。
4.根据权利要求1所述的铸造工艺，其特征在于，所述步骤a)中：
所述Al-Si合金为AlSi20合金；
所述Al-Ti合金为AlTi4合金。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的铸造工艺，其特征在于，所述步骤a)中，以质量比计，各原料的配料比为：
Al-Si合金50％，Mg锭1.6％，Al-Ti合金0.5％，Al-B合金0.5％，Al-Sr合金0.5％，其余为Al锭。
6.根据权利要求1所述的铸造工艺，其特征在于，所述步骤a)中：加入Al-B合金和Al-Sr合金后搅拌10min以上。
7.根据权利要求1所述的铸造工艺，其特征在于，所述步骤b)中：
所述在线除气的气体为惰性气体；
所述在线除气的熔体温度为720～740℃；
所述在线除气的惰性气体流量为3.5～5.5m3/h。
8.根据权利要求1或7所述的铸造工艺，其特征在于，所述步骤b)中：
控制除气后的熔体氢含量≤0.15mL/100gAl；
所述在线过滤的滤板目数为40～50ppi。
9.根据权利要求1所述的铸造工艺，其特征在于，所述步骤c)中：
所述细化采用的细化剂为丝状细化剂；
所述细化剂为Al-3Ti-1B细化剂和/或Al-5Ti-1B细化剂；
所述细化剂的加入量为1.4～2.0Kg/tAl。
10.根据权利要求1所述的铸造工艺，其特征在于，所述步骤d)中：
所述铸造的温度为740～760℃；
所述铸造的速度为45～60mm/min；
所述铸造的冷却水流量为40～50m3/h。
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