CN112410592B

CN112410592B - 一种铝合金焊材铸锭的制备方法

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Publication number: CN112410592B
Application number: CN202011126381.XA
Authority: CN
Inventors: 郎玉婧; 周古昕; 毛华; 王生; 杜秀征; 李金宝; 乔丽; 韩峰
Original assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Current assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Priority date: 2020-10-20
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2040-10-20
Also published as: CN112410592A

Abstract

本发明公开了一种铝合金焊材铸锭的制备方法，该焊材质量百分比组成为Mg：4.5～7.5％、Mn：0.1～1％、Zn：0.2～1.2％、Ti：0.01～0.12％、Sc：0.02～0.6％、Zr：0.02～0.35％，Fe≤0.2％，Si≤0.15％，余量为Al；其特征在于：焊材铸锭的制备包括以下步骤：1)按照目标成分进行配料。本发明熔铸方案通过采用在熔体温度大于800℃的条件下逐量添加Al‑Sc、Al‑Zr中间合金的工艺路线，避免了在合金熔体中形成大量大尺寸Al₃Sc、Al₃Zr、Al₃Ti、Al₃(Sc、Zr)、Al₃(Sc、Zr、Ti)初生相的情况，减小初生相在低于800℃熔体中聚集长大的时间。

Description

一种铝合金焊材铸锭的制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种铝合金焊材铸锭的制备方法。

背景技术

铝由于其在地球中储存丰富，铝合金具有一系列优良特征，铝合金加工产品在机械制造、航空航天、兵器舰船等领域得到大量应用，与此同时，铝合金连接技术也日新月异得到巨大推动。工程应用中铝合金的连接除了铆接、螺栓等方法外，焊材填充焊接也是一种重要的连接方法，铝合金可焊性和焊接接头综合性能成为工程应用选材的重要指标。

铝合金可焊性和接头性能主要取决于填充材料成分设计合理性和焊材品质高低，焊丝铸锭中气、渣含量以及合金晶粒、强化相析出特征等最终都将影响焊材的加工性能和焊接接头性能。传统方法熔铸的铝合金中铸锭中含有Al₃Zr、Al₃Ti等初生相，如果熔铸工艺控制不当，此类初生相将聚集、长大形成大量大尺寸第二相，不利于焊丝材料的加工与焊接性能。经过几十年发展，我国铝合金焊材技术得到长足进步，然而，由于国外多年技术沉淀和对焊材精细的品质控制，我国在涉及对焊缝高要求的应用领域仍倾向于选用优质进口焊材。

如一申请号为CN201610350519.1(公告号为CN105772981A)的中国发明专利《高速列车用铝合金焊丝及其制备方法》披露了一种化学组分按质量百分比为：Mg:4.0-6.5％、Ti:0.06-0.2％、Cr:0.1-0.3％、Mn:0.05-0.2％、La:0.05-0.2％、Te:0.05-0.2％、Bi:0.01-0.05％、Si≤0.25％、Fe≤0.2％、Zn≤0.20％，其它杂质元素单个含量≤0.05％，其它杂质元素总含量≤0.15％，余量为Al；该高速列车用铝合金焊丝的制备方法，其特征在于：包括熔炼、精炼、铸造、均匀化、挤压、拉制和表面处理，步骤如下：(1)熔炼：将铝锭及中间合金投入熔炼炉在进行熔炼，按铝合金总量的0.05-0.1％均匀地往熔炼炉内加入精炼剂，并采用铁笼将镁锭投放入熔炼炉中，在熔炼过程中用电磁搅拌加速熔炼速度，铝液温度达到700-730℃后，用扒渣车对熔炼炉内的铝液夹渣进行扒渣，控制扒渣时间为30-40分钟，铝液熔炼时间为6-8h；(2)精炼：经熔炼的铝液转至保温炉保温，然后进行炉内精炼，将旋转喷吹除气装置的吹头伸入至保温炉的铝液中，由旋转吹头向铝液通入氯气和氩气进行精炼，精炼时采用在线测氢仪测定铝液的液态氢含量，精炼完成后将铝液静置5-10min后过滤除渣，经过除渣的铝液可以直接进行浇铸；(3)铸造：采用直径为110mm或120mm的圆结晶器进行连续铸造，将铝液浇铸成棒状铝合金铸坯，浇铸控制温度为700-730℃，铸造速度为110-130mm/min，冷却水水压为0.04-0.10MPa。该焊丝中含有Ti，在700-730℃下熔炼Al₃Ti易聚集、粗大，在后续的挤压或者拉拔过程中也难以消除，导致焊材的可焊性和接头性能降低。

铝合金焊材的可焊性和接头性能最关键在于对铸锭质量的控制，因此，针对高性能铝合金焊材铸锭的熔铸工艺仍需要进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种基体晶粒细小、第二相尺寸小的铝合金焊材铸锭的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种铝合金焊材铸锭的制备方法，该焊材质量百分比组成为Mg：4.5～7.5％、Mn：0.1～1％、Zn：0.2～1.2％、Ti：0.01～0.12％、Sc：0.02～0.6％、Zr：0.02～0.35％，Fe≤0.2％，Si≤0.15％，余量为Al；其特征在于：焊材铸锭的制备包括以下步骤：

1)按照目标成分进行配料；

2)在电阻炉或中频炉中进行熔炼，先将Al锭以及Al-Mn、Al-Ti中间合金投入坩埚中升温熔化，待合金全部熔化且温度达到680～720℃后，使用钛合金钟罩将Mg、Zn锭压入熔池底部使其熔化，并将熔体搅拌均匀；

3)继续升温，温度到达至800～850℃后，往熔体中逐量添加Al-Sc、Al-Zr中间合金，确保加料过程熔体温度维持在800～850℃；

4)中间合金添加完后，使用铝合金精炼剂进行精炼；

5)精炼完成后，维持熔体温度800～850℃，使用钛合金导气管往熔体底部通入高纯惰性气体，同时进行机械搅拌，时间维持5～15min，搅拌结束后进行扒渣；

6)扒渣完成后开始浇铸得到铝合金铸锭。

作为优选，所述步骤1)中Al纯度≥99.95％、Mg纯度≥99.98％、Zn纯度≥99.995％，Mn、Ti、Sc、Zr元素使用Al-(5～15)％Mn、Al-(5～15)％Ti、Al-(1～5)％Sc、Al-(1～10)％Zr中间合金添加。

作为优选，所述焊材铸锭包括以Al为基的基体相和分散在基体相中的第二相，所述的第二相包括Al₃Sc、Al₃Zr、Al₃Ti、Al₃(Sc、Zr)、Al₃(Sc、Zr、Ti)。

作为优选，所述基体相的晶粒度≥4级。

作为优选，所述铸锭组织中第二相尺寸≤20μm。

作为优选，所述焊材铸锭中氢含量≤0.18ml/100gAl。

本发明的优点在于：

1)本发明铸锭制备方法Al-Sc和Al-Zr中间合金在熔体800～850℃时逐量添加，并且在整个添加过程中维持熔体温度800～850℃。Al-Sc和Al-Zr中间合金中含有大量大尺寸高熔点第二相，在铝合金熔炼过程中需要高熔炼温度才能将其熔化，而铝合金常规熔炼温度(＜800℃)不足以将其熔化，为此，本发明针对焊丝化学成分，控制Al-Sc和Al-Zr中间合金添加温度大于800℃；本发明铸锭熔铸在大气环境中进行，当铝合金熔体温度高于850℃时，会造成Al、Mg、Zn低熔点元素的烧损，同时熔体吸氢速率显著提升，因此，控制最高熔炼温度低于850℃。维持熔体温度800℃～850℃，并通过往熔体底部通惰性气体和机械搅拌的方式，分散、细化组织第二相，可实现控制基体中第二相尺寸≤20μm。

2)本发明针对的焊材成分中含有Sc、Zr、Ti元素，在常规熔炼过程中易形成大量高熔点、高密度、易沉降、易聚集、大尺寸的Al₃Sc、Al₃Zr、Al₃Ti、Al₃(Sc、Zr)、Al₃(Sc、Zr、Ti)初生第二相，尺寸通常大于20μm，在焊材拉拔过程中易形成裂纹导致断裂，增加了焊材的加工难度，降低成品率，且易聚集沉降的特点造成铸锭严重的成分偏析，影响焊材成品的成分均匀性和性能稳定。本发明熔铸方案通过采用在熔体温度大于800℃的条件下逐量添加Al-Sc、Al-Zr中间合金的工艺路线，避免了在合金熔体中形成大量大尺寸Al₃Sc、Al₃Zr、Al₃Ti、Al₃(Sc、Zr)、Al₃(Sc、Zr、Ti)初生相的情况，减小初生相在低于800℃熔体中聚集长大的时间，同时，熔炼过程熔池底部通入惰性气体并机械搅拌，阻止高密度初生第二相的聚集和沉降，获得基体晶粒细小和第二相尺寸小的组织，保证铸锭成分和组织的均匀性。

3)铝合金常规熔炼工艺在浇铸前需要静置10～30min，而本发明熔铸工艺扒渣后立即进行浇铸，不需要静置，该工艺控制很大程度避免了Al₃Sc、Al₃Zr、Al₃Ti、Al₃(Sc、Zr)、Al₃(Sc、Zr、Ti)初生相聚集、粗化和沉降。

附图说明

图1为本发明实施例1的铝合金焊材铸锭金相照片；

图2为本发明实施例2的铝合金焊材铸锭金相照片；

图3为本发明实施例3的铝合金焊材铸锭金相照片；

图4为对比例的铝合金焊材铸锭金相照片。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例铝合金焊材的质量百分比为Mg：4.5％、Mn：1％、Zn：1.2％、Ti：0.12％、Sc：0.02％、Zr：0.35％，Fe≤0.2％，Si≤0.15％，余量为Al。

铸锭的制备工艺流程如下：

1)按照目标成分进行配料，其中Al纯度≥99.95％、Mg纯度≥99.98％、Zn纯度≥99.995％，Mn、Ti、Sc、Zr元素分别使用Al-10％Mn、Al-10％Ti、Al-2％Sc、Al-5％Zr中间合金。

2)使用电阻炉进行熔炼，先将Al锭和Al-10％Mn、Al-10％Ti中间合金放入坩埚中，合金全部熔化后升温至680℃，使用钛合金钟罩将Mg、Zn锭压入熔池底部使其熔化，并将熔体搅拌均匀。

3)继续升温至800℃后，逐量往熔体中加入Al-2％Sc、Al-5％Zr中间合金，维持熔体温度不低于800℃。

4)中间合金添加完后，使用铝合金精炼剂进行精炼。

5)精炼完成后维持熔体温度800℃，使用钛合金导气管往坩埚内熔体底部通入高纯Ar气，同时进行机械搅拌，搅拌时间5min，搅拌结束后立即进行扒渣。

6)扒渣完成后进行浇铸，得到直径规格Φ152mm圆铸锭。

实施例2：

本实施例铝合金焊材的质量百分比为Mg：5.5％、Mn：0.8％、Zn：0.8％、Ti：0.08％、Sc：0.2％、Zr：0.2％，Fe≤0.2％，Si≤0.15％，余量为Al。

铸锭的制备工艺流程如下：

1)按照目标成分进行配料，其中Al纯度≥99.95％、Mg纯度≥99.98％、Zn纯度≥99.995％，Mn、Ti、Sc、Zr元素分别使用Al-5％Mn、Al-10％Ti、Al-1％Sc、Al-5％Zr中间合金。

2)使用中频炉进行熔炼，先将Al锭和Al-5％Mn、Al-10％Ti中间合金投入坩埚中，合金全部熔化后升温至700℃，使用钛合金钟罩将Mg、Zn锭压入熔池底部使其熔化，并将熔体搅拌均匀。

3)继续升温至820℃，逐量往熔体中添加Al-1％Sc、Al-5％Zr中间合金，维持熔体温度不低于820℃。

4)中间合金添加完后，使用铝合金精炼剂进行精炼。

5)中间合金全部添加完后维持熔体温度820℃，使用钛合金导气管往坩埚内熔体底部通入高纯惰性Ar气，同时进行机械搅拌，搅拌时间15min，搅拌结束后立即进行扒渣。

6)扒渣完后进行浇铸，得到直径Φ248mm圆铸锭。

实施例3

本实施例铝合金焊材的质量百分比为：Mg：7.5％、Mn：0.1％、Zn：0.2％、Ti：0.01％、Sc：0.6％、Zr：0.02％，Fe≤0.2％，Si≤0.15％，余量为Al。

铸锭的制备工艺流程如下：

1)按照目标成分进行配料，其中Al纯度≥99.95％、Mg纯度≥99.98％、Zn纯度≥99.995％，Mn、Ti、Sc、Zr元素分别使用Al-10％Mn、Al-5％Ti、Al-2％Sc、Al-5％Zr中间合金。

2)使用中频炉进行熔炼，先将Al锭和Al-10％Mn、Al-5％Ti中间合金投入坩埚中，合金全部熔化后升温至720℃，使用钛合金钟罩将Mg、Zn锭压入熔池底部使其熔化，并将熔体搅拌均匀。

3)继续升温至850℃，逐量往熔体中添加Al-2％Sc、Al-5％Zr中间合金，维持熔体温度不低于850℃。

4)中间合金添加完后，使用铝合金精炼剂进行精炼；

5)中间合金全部添加完后维持熔体温度850℃，使用钛合金导气管往坩埚内熔体底部通入高纯惰性Ar气，同时进行机械搅拌，搅拌时间15min，搅拌结束后立即进行扒渣。

6)扒渣完后进行浇铸，得到直径Φ160mm圆铸锭。

对比例

对比例铝合金焊丝的成分与实施例1相同。

2)使用中频炉进行熔炼，先将Al锭和Al-10％Mn、Al-10％Ti、Al-2％Sc、Al-5％Zr中间合金投入坩埚中，合金全部熔化后升温至720℃，使用钛合金钟罩将Mg、Zn锭压入熔池底部使其熔化，并将熔体搅拌均匀。

3)Mg、Zn添加完后，使用铝合金精炼剂进行精炼；

4)精炼完成后，维持熔体温度750℃，使用钛合金导气管往坩埚内熔体底部通入高纯惰性Ar气，同时进行机械搅拌，搅拌时间15min，搅拌结束后立即进行扒渣。

5)扒渣完后静置20min后进行浇铸，得到直径Φ160mm圆铸锭。

对实施例1至实施例3和对比例1的焊丝铸锭质量进行检测，晶粒度按照《GB/T6394-2017金属平均晶粒度测试方法》进行测试；氢含量按照《GJB5909-2006铝及铝合金中氢的测定加热提取法热导法》进行测试。具体测试结果见表1。

表1实施例、对比例的焊材铸锭的微观组织

从图1至图3可以看出，灰白色为以Al为基的基体相，细小黑色颗粒为Al₃Sc、Al₃Zr、Al₃Ti，相对大块的深灰色颗粒为Al₃(Sc、Zr)、Al₃(Sc、Zr、Ti)，对比例使用常规熔铸方法制备本发明中的铝合金焊丝，图4中组织晶粒和尺寸大于20μm的第二相分布密度明显增大，且第二相呈明显聚集倾向，表1为具体的测试数据。

Claims

1.一种铝合金焊材铸锭的制备方法，该焊材质量百分比组成为Mg：4.5~7.5%、Mn：0.1~1%、Zn：0.2~1.2%、Ti：0.01~0.12%、Sc：0.02~0.6%、Zr：0.02~0.35%，Fe≤0.2%，Si≤0.15%，余量为Al；其特征在于：焊材铸锭的制备包括以下步骤：

1）按照目标成分进行配料；所述步骤1）中Al纯度≥99.95%、Mg纯度≥99.98%、Zn纯度≥99.995%，Mn、Ti、Sc、Zr元素使用Al-(5~15)%Mn、Al-(5~15)%Ti、Al-(1~5)%Sc、Al-(1~10)%Zr中间合金添加；

2）在电阻炉或中频炉中进行熔炼，先将Al锭以及Al-Mn、Al-Ti中间合金投入坩埚中升温熔化，待合金全部熔化且温度达到680~720℃后，使用钛合金钟罩将Mg、Zn锭压入熔池底部使其熔化，并将熔体搅拌均匀；

3）继续升温，温度到达至820~850℃后，往熔体中逐量添加Al-Sc、Al-Zr中间合金，确保加料过程熔体温度维持在820~850℃；

4）中间合金添加完后，使用铝合金精炼剂进行精炼；

5）精炼完成后，维持熔体温度820~850℃，使用钛合金导气管往熔体底部通入高纯惰性气体，同时进行机械搅拌，时间维持5~15min，搅拌结束后进行扒渣；

6）扒渣完成后开始浇铸得到铝合金铸锭。

2.根据权利要求1所述的铝合金焊材铸锭的制备方法，其特征在于：所述焊材铸锭包括以Al为基的基体相和分散在基体相中的第二相，所述的第二相包括Al₃Sc、Al₃Zr、Al₃Ti、Al₃(Sc、Zr)、Al₃(Sc、Zr、Ti)。

3.根据权利要求2所述的铝合金焊材铸锭的制备方法，其特征在于：所述基体相的晶粒度≥4级。

4.根据权利要求2所述的铝合金焊材铸锭的制备方法，其特征在于：所述铸锭组织中第二相尺寸≤20μm。

5.根据权利要求2所述的铝合金焊材铸锭的制备方法，其特征在于：所述焊材铸锭中氢含量≤0.18ml/100gAl。