CN112157220A - 一种Al-Cu-Mg-Mn系铝合金铸件制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Al‑Cu‑Mg‑Mn铝合金铸件制备方法，涉及铝合金领域，包括以下成分：Si:≤0.5％、Fe:≤0.5％、Cu:2.0‑6.5％、Mg:0.2‑2.0％、Mn:0.2‑1.5％，余量为铝及不可除杂质。针对目前铝合金砂模铸造组织粗大、容易夹砂以及金属模铸造操作困难的问题，本发明提出采用金属模具作为内模、环绕冷却管，砂型模具作为外模的特殊组合模具，对所配原料进行熔炼、精炼除杂除气、浇注，制备得到高质量、高性能铸件。由于金属内模的导热性能好、冷却速度快，显著降低铝合金成型件的晶粒尺寸，通过冷却水、砂型外模调控熔体凝固速率，所制备的铝合金铸件组织致密、晶粒尺寸小、成分均匀，扩大中心等轴晶区，性能优于砂型模具、金属模具制备的铸件，方法简单，成本低，在铝合金制备领域具有重要的价值。

Description

一种Al-Cu-Mg-Mn系铝合金铸件制备方法

技术领域

本发明提供了一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件制备方法，属于铝合金领域。

背景技术

Al-Cu-Mg-Mn铝合金具有密度低，强度高，塑性优异的特点，同时具备优良导电和导热性能，在工业领域有着广泛的应用，尤其在航天航空领域，是航空飞行器重要的结构材料，飞机机身接头、框架、轮毂等支撑结构零部件均采用了铝合金。

Al-Cu-Mg-Mn铝合金通常采用铸造结合变形加工方式成型。其中，高质量铸件是影响铝合金变形加工件组织、性能的关键因素之一。目前，铝合金的铸造多采用砂型模具或者金属型模具。砂型模具因冷却速度慢，熔体直接与型砂接触，导致铸锭容易产生夹砂，组织粗大等缺陷；金属型模具冷却速度快，但铸件表层与中心部位之间组织均匀性差，为了提高组织均匀性需要加大模具尺寸，导致金属模具成本高、加工难度大。

本发明提供一种Al-Cu-Mg-Mn系铝合金铸件制备方法，采用钢模具配合水冷装置以及砂型模具构成组合铸造装置，通过控制冷却水的温度、流量和流速，结合铸造工艺控制，实现Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸造组织控制，得到高质量的铸件。

发明内容

本发明针对现有Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸造存在的铸件质量控制难题，提供一种铸件制备方法，采用钢模具配合水冷装置以及砂型模具构成的组合铸造装置，结合铸造工艺控制，实现Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸造组织控制，得到高质量的铸件。

本发明提供一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件制备方法，采用钢模具作为内模，环绕水冷却管，再采用砂型模具作为外模构成组合铸造装置；利用金属模具的优势，避免铸锭产生夹砂、组织粗大等缺点，同时利用砂型外模固定水冷却管，通过冷却水的温度、流量和流速控制，与砂型外模协同调节熔体凝固速率，避免采用大型金属模具导致的金属模具加工、使用操作困难等问题。结合铸造工艺控制，实现细化铸件晶粒、调控组织的目的。所制备的铝合金铸件组织致密、晶粒尺寸较小、成分均匀，扩大中心等轴晶区，性能优于砂型模具、金属模具制备的铸件。

本发明提供一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件制备方法，包括以下步骤：

A、配料：将原料按照如下重量百分含量配料，其中Si含量≤0.5％、Fe含量≤0.5％、Cu含量2.0-6.5％、Mg含量0.2-2.0％、Mn含量0.2-1.5％，余量为铝及不可除杂质；

B、熔炼：铝和镁原料以纯金属方式加入，其余以中间合金方式加入；将纯铝(99.99％)加入电阻炉，加热温度800-850℃，熔融为铝熔液；再依次加入铝锰中间合金、铝铜中间合金，加热温度为750-800℃，最后将纯镁锭用加料器加入电阻炉并进行搅拌熔融，加热温度为750±10℃；

C、模具：依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具(壁厚大于30mm)充当内模；从钢模外壁底部向上环绕冷却管，管内通入冷却水，冷却水温度可进行控制，冷却水流量通过压力和冷却管直径控制；采用砂型模具作为外模；其中钢模具与砂型模具厚度比为1：(2-5)，浇注系统采用钢模具浇注系统；

D、精炼、除杂、除气：待金属熔体完全合金化之后，将除渣剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间30-60分钟，利用氩气上浮浮渣、除气，消除熔体中的气体和杂质，然后将铝合金熔体静置，时间大于20分钟；

E、浇注：待步骤D铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持熔体温度720±5℃，浇注到步骤C所设计制备的模具中冷却凝固，得到铸件。

上述方案的进一步改进：铝及镁以纯金属加入，其余以中间合金加入，且原料加入顺序依次为纯铝、铝锰中间合金、铝铜中间合金、纯镁。

上述方案的进一步改进：模具采用钢模具作为内模，并且钢模的尺寸需满足壁厚大于等于30mm；从钢模外壁底部向上环绕冷却管，管内通入冷却水，冷却水的温度可进行控制，冷却水流量通过压力和冷却管直径控制，进而调控冷却速度；采用砂型模具作为外模，其中钢模具与砂型模具厚度比为1：(2-5)。

上述方案的进一步改进：浇注系统采用钢模具浇注系统。

上述方案的进一步改进：在铝合金熔体中加入除渣剂进行聚渣，加入量为铝液1.0-1.5％，同时从底部通入氩气进行精炼，时间30-60分钟。

作为优选方案之一；步骤A中，按重量百分含量配料：铜含量4.6％、镁含量0.6％、锰含量0.8％，余量为纯铝。

作为优选方案之一；步骤B中；铝和镁原料以纯金属方式加入，其余以中间合金方式加入：将纯铝(99.99％)加入电阻炉，加热温度820℃，熔融为铝液；再依次加入铝锰中间合金、铝铜中间合金，加热温度为770℃，最后将纯镁锭用加料器加入电阻炉并进行搅拌熔融，加热温度为760℃。

作为优选方案之一；步骤C中，钢模的壁厚为35mm，其充当内模使用，从钢模外壁底部向上环绕冷却管，管内通入冷却水，水温10℃，流速1m/s，采用砂型模具作为外模，砂型模具壁厚70mm，钢模具与砂型模具厚度比为1：2，浇注系统采用钢模具浇注系统。

作为优选方案之一；步骤D中；将除杂剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间50分钟，精炼过程中利用氩气上浮浮渣、除气，消除铝合金熔体的气体与杂质，然后将铝合金熔体静置20分钟；

步骤E中；待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持铝液温度725℃，浇注到步骤C所设计制备的模具中冷却凝固，得到铸件。

作为优选方案之一；所得铸态产品的抗拉强度为274MPa、延伸率为8.6％。

本发明的优点和积极效果：

1.本发明提供的Al-Cu-Mg-Mn系铝合金铸件制备方法，通过精炼、除杂，除去铝液中的气体以及氧化物等杂质，同时减小空气接触面积，有效防止吸气及氧化，从而提高铝合金铸锭质量。

2.本发明提供的Al-Cu-Mg-Mn系铝合金铸件制备方法，铝合金的铸造模具采用金属型模具作为内模，环绕水冷却管，再采用砂型模具作为外模，既提高冷却速度，细化晶粒，又降低模具制作成本，同时保证了铸锭的质量。通过控制水冷却水温高、水流量，与砂型外模协同调节熔体凝固速率，进而调控铸锭组织，得到组织、成分均匀的铸件。

3.本发明提供的Al-Cu-Mg-Mn系铝合金铸件制备方法，采用金属模具作为内模、环绕冷却管，砂型模具作为外模的特殊组合模具，冷却速度快，显著降低铝合金成型件的晶粒尺寸，通过冷却水、砂型外模调控熔体凝固速率，提高了铸件表层与中心部位的晶粒尺寸均匀性和成分均匀性，所制备的铝合金铸件组织致密、晶粒尺寸小、成分均匀，性能优于砂型模具、金属模具制备的铸件，方法简单，成本低。

4.本发明提供的铝合金铸件制备方法，有效避免了砂型模具因冷却速度慢，熔体直接与型砂接触，导致铸锭容易产生夹砂，组织粗大等缺陷；金属型模具冷却速度快，但铸件表层与中心部位之间组织均匀性差，为了提高组织均匀性需要加大模具尺寸，导致金属模具成本高、加工难度大等问题；本发明相比于采用砂型模具铸造，铸锭力学性能优；相比于金属型铸造，可有效调控中心部位组织，制备的铸件表层与中心部位的组织均匀性和成分均匀性好，利于铝合金塑性加工。工艺操作简单，生产成本低，铸件质量好，组织致密，性能优异。同时本发明实现了铸态产品延伸率和强度的同步提升。

附图说明

为了使本发明的技术方案及有益效果更加清晰，提供如下附图进一步说明：

图1为实施例1制备的2A14铝合金铸锭金相显微组织照片。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：

一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件，具体制备方法、步骤如下：

A、配料：Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸锭将原料按照如下重量百分含量配料：铜含量4.6％、镁含量0.6％、锰含量0.8％，余量为纯铝；

B、熔炼：铝和镁原料以纯金属方式加入，其余以中间合金方式加入：将纯铝(99.99％)加入电阻炉，加热温度820℃，熔融为铝液；再依次加入铝锰中间合金、铝铜中间合金，加热温度为770℃，最后将纯镁锭用加料器加入电阻炉并进行搅拌熔融，加热温度为760℃；

C、模具：依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模(壁厚为35mm)充当内模，从钢模外壁底部向上环绕冷却管，管内通入冷却水，水温10℃，流速1m/s，采用砂型模具作为外模，砂型模具壁厚70mm，钢模具与砂型模具厚度比为1：2，浇注系统采用钢模具浇注系统。

D、精炼、除杂、除气：将除杂剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间50分钟，精炼过程中利用氩气上浮浮渣、除气，消除铝合金熔体的气体与杂质，然后将铝合金熔体静置20分钟；

E、浇注：待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持铝液温度725℃，浇注到步骤C所设计制备的模具中冷却凝固，得到铸件。

本发明提供的铝合金铸件制备方法中，铝合金精炼中加入除杂剂并通入氩气，除去铝液中的气体以及氧化物杂质；因为铝液与空气接触容易吸气，利用除杂剂覆盖熔体表面，避免与空气接触导致铸件产生气孔缺陷。铝合金的铸造模具采用钢模具作为内模，环绕水冷却管，再采用砂型模具作为外模构成的组合铸造装置，实现熔体凝固速率调控，优化组织，提高铝合金铸锭的性能，所制备组件组织见图1。

对比例一：

一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件，具体制备方法、步骤如下：

A、配料：将原料按照如下重量百分含量配料：铜含量4.6％、镁含量0.6％、锰含量0.8％，余量为纯铝。

B、熔炼：铝和镁原料以纯金属方式加入，其余以中间合金方式加入：将纯铝(99.99％)加入电阻炉，加热温度820℃，熔融为铝液；再依次加入铝锰中间合金、铝铜中间合金，加热温度为770℃，最后将纯镁锭用加料器加入电阻炉并进行搅拌熔融，加热温度为760℃；

C、模具：依据铝合金铸锭尺寸设计并制备相应的钢模具；

D、精炼、除杂、除气：将覆盖剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间50分钟，精炼过程中利用氩气上浮浮渣、除气，消除铸锭的气体与杂质，然后铝合金熔体静置20分钟。

E、浇注：待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持铝液温度725℃，浇注到步骤C所设计制备的模具冷却凝固，得到铸件。

对比例二：

一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件，具体制备方法、步骤如下：

A、配料：将原料按照如下重量百分含量配料：铜含量4.6％、镁含量0.6％、锰含量0.8％，余量为纯铝；

B、熔炼：铝和镁原料以纯金属方式加入，其余以中间合金方式加入。将纯铝(99.99％)加入电阻炉，加热温度820℃，熔融为铝液；再依次加入铝锰中间合金、铝铜中间合金，加热温度为770℃，最后将纯镁锭用加料器加入电阻炉并进行搅拌熔融，加热温度为760℃；

C、模具：依据铝合金铸锭尺寸设计并制备相应的砂型模具；

D、精炼、除杂、除气：将覆盖剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间50分钟，精炼过程中利用氩气上浮浮渣、除气，消除铸锭的气体与杂质，然后将铝合金熔体静置20分钟；

E、浇注：待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持铝液温度725℃，浇注到步骤C所设计模具中、冷却，得到铸件。

对比例三:

一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件，具体制备方法、步骤如下：

A、配料：将原料按照如下重量百分含量配料：铜含量4.6％、镁含量0.6％、锰含量0.8％，余量为纯铝。

B、熔炼：铝和镁原料以纯金属方式加入，其余以中间合金方式加入。将纯铝(99.99％)加入电阻炉，加热温度820℃，熔融为铝液；再依次加入铝锰中间合金、铝铜中间合金，加热温度为770℃，最后将纯镁锭用加料器加入电阻炉并进行搅拌熔融，加热温度为760℃；

C、模具：依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具(壁厚为20mm)充当内衬，钢模外部仍采用砂型模具制备(壁厚80mm)，钢模具与砂型模具厚度比为1:4；

D、精炼、除杂、除气：将覆盖剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间50分钟，精炼过程中利用氩气上浮浮渣、除气，消除铸锭的气体与杂质，然后将铝合金熔体静置20分钟；

E、浇注：待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持铝液温度725℃，浇注到步骤C所设计制备模具冷却凝固，得到铸件。

对比例四：

一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件制备方法，包括以下步骤：

A、配料：将原料按照如下重量百分含量配料：铜含量4.6％、镁含量0.6％、锰含量0.8％，余量为纯铝；

B、熔炼：铝和镁原料以纯金属方式加入，其余以中间合金方式加入。将纯铝(99.99％)加入电阻炉，加热温度820℃，熔融为铝液；再依次加入铝锰中间合金、铝铜中间合金，加热温度为770℃，最后将纯镁锭用加料器加入电阻炉并进行搅拌熔融，加热温度为760℃；

C、模具：依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模(壁厚为35mm)充当内模，从钢模外壁底部向上环绕冷却管，管内通入冷却水，水温60℃，流速0.5m/s，采用砂型模具作为外模，砂型模具壁厚70mm，钢模具与砂型模具厚度比为1：2，浇注系统采用钢模具浇注系统；

D、精炼、除杂、除气：将覆盖剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间50分钟，精炼过程中利用氩气上浮浮渣、除气，消除铝合金熔体的气体与杂质，然后将铝合金熔体静置时间为20分钟。

E、浇注：待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持铝液温度725℃，浇注到步骤C所设计制备模具冷却凝固，得到铸件。

性能测试

测试按照GB/T 228.1-2010进行对上述实施例、对比例制备的铝合金铸件采样进行力学性能测试，得到结果如表1：

表1

	实施例一	对比例一	对比例二	对比例三	对比例四
						σ<sub>b</sub>	274MPa	243MPa	210MPa	221MPa	249MPa
δ/％	8.6	7.2	6.8	6.7	7.3

以上仅为本发明较佳实施例并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所做的任何修改、替换等，均包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

A、配料：将原料按照如下重量百分含量配料，其中Si含量≤0.5％、Fe含量≤0.5％、Cu含量2.0-6.5％、Mg含量0.2-2.0％、Mn含量0.2-1.5％，余量为铝及不可除杂质；

B、熔炼：铝和镁原料以纯金属方式加入，其余以中间合金方式加入；将纯铝(99.99％)加入电阻炉，加热温度800-850℃，熔融为铝液；再依次加入铝锰中间合金、铝铜中间合金，加热温度为750-800℃，最后将纯镁锭用加料器加入电阻炉并进行搅拌熔融，加热温度为750±10℃；

C、模具：依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具；钢模具的壁厚大于等于30mm；充当内模，从钢模具外壁底部向上环绕冷却管，管内通入冷却水，冷却水温度可进行控制，冷却水流量通过压力和冷却管直径控制；采用砂型模具作为外模，其中钢模具与砂型模具厚度比为1：(2-5)，浇注系统采用钢模具浇注系统；

D、精炼、除杂、除气：待金属熔体完全合金化之后，将覆盖剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间30-60分钟，精炼过程中利用氩气上浮浮渣、除气，消除合金熔体中的气体与杂质，然后将铝熔体静置，时间大于20分钟。

E、浇注：待步骤D铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持熔体温度720±5℃，浇注到步骤C所设计制备的模具中冷却凝固，得到铸件。

2.根据权利要求1所述的一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件制备方法，其特征在于步骤B:铝及镁以纯金属加入，其余以中间合金加入，且原料加入顺序依次为纯铝、铝锰中间合金、铝铜中间合金、纯镁。

3.根据权利要求1所述的一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件制备方法，其特征在于步骤C：模具采用钢模具作为内模，并且钢模具的尺寸需满足壁厚大于等于30mm；从钢模具外壁底部向上环绕冷却管，管内通入冷却水，冷却水的温度可进行控制，冷却水流量通过压力和冷却管直径控制，进而调控冷却速度；采用砂型模具作为外模，其中钢模具与砂型模具厚度比为1：(2-5)。

4.根据权利要求1所述的一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件制备方法，其特征在于步骤C：浇注系统采用钢模具浇注系统。

5.根据权利要求1所述的一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件制备方法，其特征在于步骤D:加入覆盖剂在铝合金熔体表面进行聚渣，加入量为铝液重量1.0-1.5％，同时从底部通入氩气进行精炼，时间30-60分钟。

6.根据权利要求1所述的一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件制备方法，其特征在具体制备方法，其特征在于：

步骤A中，按重量百分含量配料：铜含量4.6％、镁含量0.6％、锰含量0.8％，余量为纯铝。

7.根据权利要求1所述的一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件制备方法，其特征在于：

步骤B中；铝和镁原料以纯金属方式加入，其余以中间合金方式加入：将纯铝(99.99％)加入电阻炉，加热温度820℃，熔融为铝液；再依次加入铝锰中间合金、铝铜中间合金，加热温度为770℃，最后将纯镁锭用加料器加入电阻炉并进行搅拌熔融，加热温度为760℃。

8.根据权利要求1所述的一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件制备方法，其特征在于：

步骤C中，钢模的壁厚为35mm，其充当内模使用，从钢模外壁底部向上环绕冷却管，管内通入冷却水，水温10℃，流速1m/s，采用砂型模具作为外模，砂型模具壁厚70mm，钢模具与砂型模具厚度比为1：2，浇注系统采用钢模具浇注系统。

9.根据权利要求1所述的一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件制备方法，其特征在于：

步骤D中；将除杂剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间50分钟，精炼过程中利用氩气上浮浮渣、除气，消除铝合金熔体的气体与杂质，然后将铝合金熔体静置20分钟；

步骤E中；待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持铝液温度725℃，浇注到步骤C所设计制备的模具中冷却凝固，得到铸件。

10.根据权利要求6所述的一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸件制备方法，其特征在于：所得铸态产品的抗拉强度为274MPa、延伸率为8.6％。

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