CN112430767B

CN112430767B - 一种大规格空心铸锭及铸锭方法

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Publication number: CN112430767B
Application number: CN202011025491.7A
Authority: CN
Inventors: 王鹏; 李永卉; 王明坤; 韩正乾; 吴茂来; 刘博�; 赵吉峰; 冯骥; 张新峰; 孔令均; 周庆涛; 孙文超; 欧庆峰; 杨富波; 傅冰霜; 鞠克江; 王涛; 张寒
Original assignee: SHANDONG YANKUANG LIGHT ALLOY CO Ltd
Current assignee: SHANDONG YANKUANG LIGHT ALLOY CO Ltd
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: CN112430767A

Abstract

本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种大规格空心铸锭及铸锭方法。所述大规格空心铸锭，以质量百分比计，其化学成分为：Si≤0.4%，Fe≤0.4%，Cu≤0.1%，Mn0.7‑1.1%，Mg5.5‑6.5%，Cr≤0.1%，Ni≤0.04%，Zn≤0.2%，Ti≤0.15%，Be0.001‑0.005%，Zr0.05‑0.15%，Na≤10ppm，Ca≤10ppm，余量为Al和不可避免的杂质元素，Fe＞Si且m%(Fe‑Si)=0.06‑0.1%；所述铸造方法包括配料、熔炼净化、铸造和均质处理，通过研究加料结构、熔炼温度、精炼介质、精炼气体以及操作方式，确定最优的熔体净化工艺；通过选择最优铸造温度、铸造速度克服开裂倾向缺陷；通过两级均质处理工艺确保组织均匀，促进变形的均匀性，抑制再结晶，提高合金的最终性能；增加电磁线圈实现铸造工装改造升级，提供外场辅助，大规格铸棒易于铸造成型。

Description

一种大规格空心铸锭及铸锭方法

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种大规格空心铸锭及铸锭方法。

背景技术

航天航空、核电、汽车、国防军工、高铁和轨道交通等行业的快速发展，对高性能铝合金无缝铝管的需求逐年增加。大规格空心铸锭的制备是高端大规格高性能铝合金型材制备的前提。然而大规格空心铸锭外径（φ816mm，内径φ360mm）往往铸造困难，在铸造过程中经常出现拉裂、成层、冷隔、化合物、偏析瘤等缺陷，造成几何废品过多，且有的缺陷无法通过机械加工处理掉而使整炉铸锭报废。随着铸锭尺寸的增大，会出现以下几个控制难点：超大直径铸锭由于冷却速度和合金元素扩散速度的差别，降低铸锭各部位化学成分的均匀性；由于铸锭直径大和冷却速度的局限性，在晶粒细化剂添加量一定的情况下，很难实现均匀而细小的晶粒组织。

发明内容

针对现有技术中大规格空心铸锭存在的偏心、裂纹、成分不均匀等问题，本发明提供一种大规格空心铸锭及铸锭方法，以解决上述技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种大规格空心铸锭，以质量百分比计，其化学成分为：Si≤0.4%，Fe≤0.4%，Cu≤0.1%，Mn0.7-1.1%，Mg5.5-6.5%，Cr≤0.1%，Ni≤0.04%，Zn≤0.2%，Ti≤0.15%，Be0.001-0.005%，Zr0.05-0.15%，Na≤10ppm，Ca≤10ppm，余量为Al和不可避免的杂质元素，Fe＞Si且m%(Fe-Si)=0.06-0.1%。

进一步的，以质量百分比计，其化学成分为：Si≤0.15%，Fe≤0.25%，Cu≤0.05%，Mn0.8-1.0%，Mg6.1-6.4%，Cr≤0.04%，Ni≤0.04%，Zn≤0.1%，Ti0.03-0.05%，Be0.001-0.003%，Zr0.06-0.11%，Na≤10ppm，Ca≤10ppm，余量为Al和不可避免的杂质元素，Fe＞Si且m%(Fe-Si)=0.06-0.1%。

本发明中的主要合金元素的作用基于以下原理：

Si、Fe在Al-Mg合金中属于有害杂质，要严格控制Si、Fe含量。与Mg形成Mg₂Si相，在Mg过剩的情况下会降低了Mg₂Si相在基体中的溶解度，所以Si不但强化作用不大，反而会降低合金的塑性和耐腐蚀性。Fe与合金中的Cr形成难溶解的金属间化合物使铸锭组织中出现硬脆的化合物，不利于加工。此外，Fe在此合金中还可以与Al形成阳极相，降低合金的耐腐蚀性，随着Fe含量的增加，年腐蚀深度几乎呈直线上升。同时还要控制Fe＞Si这有利于降低铸锭的裂纹倾向。Fe＞Si0.06-0.1%，减少β相AlFeSi相的生成从而大幅度减少裂纹倾向。

加入Mn元素有利于提高合金的抗蚀性，提高合金的强度。加入少量的Ti和Zr能抑制再结晶和使再结晶晶粒细化。金属间化合物初晶及未熔化的高熔点纯金属晶体，熔点高且硬度高，多呈块状、片状或针状不均匀地分布在合金材料的内部，降低合金的塑性，加工时容易开裂，降低材料的加工性能、疲劳极限、断裂韧性、耐蚀性及造成表面质量粗大。本申请中加入0.03-0.05%的Ti，同时加0.06-0.11%的Zr，减少铸锭的柱状晶组织，改善合金的锻造性能，并细化制品的晶粒。

高镁合金由于Mg（Mg6.0-6.5）的存在，进入熔体中的H₂O在高温下更易与Mg反应生成H，由于H不能与Al、Mg反应，一部分结合成H₂分子，形成气泡；另一部分H溶于铝熔体中。H在铝熔体中的溶解度很大，在结晶过程中随温度下降溶解度急剧降低，H在液体铝和固体铝中的溶解度分别为0.65cm³/（100gAl）和0.10~0.034cm³/(100gAl)。因此，在结晶过程中由熔体析出的H形成H₂可能以气泡的形式由结晶的液穴表面放出。但是，在半连续铸造的结晶条件下，能由液穴表面放出的H₂很少，大部分被包裹在处于粘塑状的熔体中，在随后的铸造中形成气孔、疏松等铸造缺陷。后续熔体净化处理需要进行除气，但是从化学成分上，可以添加少量的Be（Be0.001-0.005）形成熔体保护膜，并且在铸造过程中不破坏熔体表面的氧化膜，大幅减少吸氢。

高镁合金由于Mg（Mg6.0-6.5）的存在，进入熔体中的H₂O在高温下更易与Mg反应生成H，由于H不能与Al、Mg反应，一部分结合成H₂分子，形成气泡；另一部分H溶于铝熔体中。H在铝熔体中的溶解度很大，在结晶过程中随温度下降溶解度急剧降低，H在液体铝和固体铝中的溶解度分别为0.65cm³/(100gAl)和0.10～0.034cm³/(100gAl)。因此，在结晶过程中由熔体析出的H形成H₂可能以气泡的形式由结晶的液穴表面放出。但是，在半连续铸造的结晶条件下，能由液穴表面放出的H₂很少，大部分被包裹在处于粘塑状的熔体中，在随后的铸造中形成气孔、疏松等铸造缺陷。后续熔体净化处理需要进行除气，但是从化学成分上，可以添加少量的Be（Be0.001-0.005）形成熔体保护膜，并且在铸造过程中不破坏熔体表面的氧化膜，大幅减少吸氢。

碱金属含量控制Na≤10ppm，Ca≤10ppm；微量杂质Na使铝合金熔体粘度变大，铸造拉裂倾向增大，而且当Na含量较高时，铝-镁合金铸造组织晶界处球状质点多、密集，第二相体积分数变大。Na能强烈损害合金的热变形性能，出现“钠脆性”，在高镁铝合金中尤为突出。微量元素Na会导致铝-镁合金发生脆性断裂。钠脆性是由于熔点低、不溶于铝中的游离Na富集于晶界造成的。

本发明的另一目的在于提供一种大规格空心铸锭铸造方法，包括配料、熔炼净化、铸造和均质处理的步骤，具体步骤如下：

（1）配料

（2）配料依据的大规格空心铸锭的配方为：按照重量百分比计，Si≤0.15%，Fe≤0.25%，Cu≤0.05%，Mn0.8-1.0%，Mg6.1-6.4%，Cr≤0.04%，Ni≤0.04%，Zn≤0.1%，Ti0.03-0.05%，Be0.001-0.003%，Zr0.06-0.11%，Na≤10ppm，Ca≤10ppm，余量为Al和不可避免的杂质元素，Fe＞Si，且m%(Fe-Si)=0.06-0.1%；

（3）熔炼净化

（a）投料结构：采用自投固体方式投料，装炉顺序：99.85%高纯铝锭→一级废料，装炉时，熔炼炉的炉膛温度600-800℃，向熔炼炉中依次加入一级废料、99.85%高纯铝锭、和所装铝锭的90%的中间合金的顺序先后装炉，AlTi合金及Mg在熔炼炉取样搅拌前加入；

（b）有效控制Na含量＜10ppm和熔铸时间：除所有使用无Na熔剂外，采用700-750℃的高温熔炼；缩短熔炼时间为4-6h，炉料下塌后撒无钠覆盖剂pyrotek无钠C2，均匀地撒入无钠覆盖剂全面覆盖，炉料全部熔化后对合金熔体进行测温；

（c）提高熔体的纯净度：将步骤b得到的合金熔体导入保温炉内，向保温炉内加入精炼剂，精炼剂用量为1.5-2kg/tAl，精炼后均应撒入10-15kg无Na覆盖剂彻底覆盖；熔炼时间为4-6h，精炼后扒渣完毕到铸造前的静止时间1-1.5h；保温炉炉内除气，使用高纯氩气替代氮气，炉底透气砖自下而上吹气30-35min，游离的氢将会扩散到惰性气体的气泡中，并随着惰性气体气泡的上升带出铝液，达到除气的目的；并且在高纯惰性气体上升的过程中，可以将表面吸附的细小的夹杂带出铝液，达到除渣的目的，只有非常细小的颗粒可以被吸附除去，对于较大颗粒的夹杂，仍然需要通过过滤的方式去除；后续在线处理过程中，经过除气箱再次进行除气，保证在线检测氢气含量＜0.15ml/100gAl，以降低疏松倾向性；最后一道在线处理工序就是通过在线过滤箱，使用40-60ppi优质泡沫陶瓷过滤板，进行熔体过滤净化；

（4）铸造

根据本合金特点，加大铸造过程中二次冷却，以及选用优质晶粒细化剂进口AMG5Ti1B进行细化晶粒，铸造速度为14mm/min-20mm/min，冷却水流量为40-60m³/h，冷却水温20-30℃，送晶粒细化剂线杆的速度控制在20cm/min-30cm/min；确保大规格铸棒油滑铸造过程中速度、水量、润滑油流量等参数的稳定性；

（5）均质处理

对步骤（3）所得合金铸锭进行两级均质处理方式：350±5℃×8h+465℃×24h，保证装炉炉气温度大于200℃；一阶段升温时间300min，升温段数75段；二阶段升温时间60min，均质温度为炉气温度；然后自然冷却至室温。

其中，

步骤（a）中根据一级废料形态，投料时先装入小块或薄片一级废料，然后加入棒头或其他大块一级废料。

步骤（a）中所述一级废料占所述金属原料的不超过40%。添加的Al-Mn和Al-Ti-B中间合金的高倍组织要均匀细小、无渣、无气孔、无缺陷；此外，有时使用的中间合金中粗大化合物没有熔化或熔化不完全，也会随熔体进入铸锭而保留下来。当回用料或熔铸工艺不当，铸锭凝固时这些高熔点合金元素在局部富集，优先凝固形核成为粗大化合物初晶。由于反复使用一级废料同时用的一级废料比例较高，且熔体保温时间过长，含Mn和Ti的粗大化合物富集长大，Al和Mg的细小氧化物颗粒吸附在这些粗大化合物周围形成粗大氧化物夹渣，形成裂纹源，最终将导致铸锭开裂。确保合金熔炼用的原材料、熔炼保温炉、流槽以及工具清洁。

步骤（b）中炉料全部熔化后，间隔1-1.5小时对熔体温度进行一次测温，确保熔体温度在700-750℃内，严禁超温；炉料全部熔化后，调整成分及精炼扒渣、调整温度转炉等工艺时间控制在3-5h内，因为熔炼温度高，特别是液态状况下，熔体的停留时间过长，不仅会使熔体的吸气量增加，氧化烧损加大，还会使非自发晶核减少，增加铸锭生成裂纹、粗大晶和羽毛状晶的倾向。

步骤（c）熔炼净化过程中，不在保温炉内进行补料或冲淡操作，可有效降低夹杂和粗大化合物产生的概率。

步骤（d）在线除气过程中，在线监测氢气含量＜0.15mol/100gAl，以降低疏松倾向性。

步骤（3）热顶工装增设电磁线圈，所述电磁线圈位于冷却水装置水盘上板和水盘下板的水冷环腔中。热顶铸造是在矮结晶器的上面安装一个用耐火绝热材料制造的贮槽（即热顶），铸造时，不使用传统的浮漂漏斗，贮槽内的熔体至少与分配流盘内的熔体保持在同一水平，这样的连续铸造法称为热顶铸造。热顶部分的作用是使熔体保温，并使铸锭上部始终维持一个液柱，保持一定的铝液静压力，同时降低熔体在结晶器中的凝固位置。冷却部分的高度很小，通常只有15-40mm，其作用是使铸锭成形热顶结晶器的有效结晶区很小，有效防止了凝壳的二次重熔，从而抑制了内外表面偏析瘤的生成。在热顶铸造的前提下新增电磁线圈，通过电磁铸造过程中由感应线圈中的交变电流（电流强度8-15A，频率为10-20Hz）产生的电磁场作为外场辅助，获得较好的电磁搅拌铸造效果，实现了同水平供流，温度场平衡，铸锭的冷却速度提高，使铸锭的晶内结构更为细薄，在配合在线细化工艺，可以实现大规格铸锭裂纹成型难题及晶粒粗大问题。

步骤（4）两级均质处理具体为：炉气200℃入炉，使用阶梯升温控制程序，阶梯升温时间5h，加热至350±5℃，保温8h，低温阶段使ZrAl₃，粒子在晶内高浓度区均匀预形核，且不致于过快地长大，使其弥散细小；同时使部分低熔点共晶相溶解；二级升温1.5h加热至465±5℃，保温24h，高熔点杂质相的转化、扩散，降低其不利影响，从而提高材料的综合性能；然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的大规格空心铸锭。均匀化处理过程一般要考虑过烧的影响，如果合金元素含量较多，在均匀化升温过程较快时，对应的低熔点相来不及扩散到基体当中，会发生过热或过烧现象，使产品失效甚至报废。在465℃×24h均质制度下，整个过程中Al₃Mg₂相和AlMgSi相均大幅减少，低熔点的Al₃Mg₂相比高熔Al₈(FeMn)₂Si相和AlMgSi相溶解速度快；当24h均匀化后，可以看到Al₃Mg₂相基本完全回溶到基体当中，仅剩下少量颗粒状Al₃Mg₂相，AlMgSi相也得到较好的回溶。最终验证结果：铸锭均匀化程度最为良好，未见过烧。铸锭的边部枝晶网不连续，中心部位和1/2半径处连续的枝晶网组织绝大部分已溶解，呈细线条状，并从基体中析出β相(Mg₅Al₆)等相的弥敞小质点。

本发明的有益效果在于，

（1）本发明提供的大规格空心铸锭通过成分优化、熔炼铸造工艺优化，通过研究加料结构、熔炼温度、精炼介质、精炼气体以及操作方式，确定最优的熔体净化工艺；通过选择最优铸造温度、铸造速度克服开裂倾向缺陷；通过两级均质处理工艺确保组织均匀，不仅可以降低挤压抗力，提高挤压速度，而且能够促进变形的均匀性，抑制再结晶，提高合金的最终性能；增加电磁线圈实现铸造工装改造升级，提供外场辅助，大规格铸棒易于铸造成型；

（2）本发明提供的方法有效解决了大规格空心铸锭存在的偏心、裂纹、成分不均匀的问题，通过显微组织图可以看出经过本发明所得的大规格空心铸锭不易出现铸锭开裂和皮下裂纹，未熔相、杂质相最少，晶粒最小，符合大规格铸锭组织要求。

附图说明

图1为实施例1与对比例1、对比例3显微组织对比图，图中，从左至右依次为实施例1的显微组织图，对比例1的显微组织图，对比例3的显微组织图；

图2为实施例1与对比例1、对比例3扫描电镜对比图，图中，从左至右依次为实施例1的扫描电镜图，对比例1的扫描电镜图，对比例3的扫描电镜图；

图3为本发明提供的美国Almex铸造生产线中热顶工装结构示意图；

图中，1、水盘上板；2、电磁线圈；3、水盘下板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，以便本领域技术人员可以更好地了解本发明，但并不因此限制本发明。

实施例1

一种大规格空心铸锭铸造方法，包括配料、熔炼净化、铸造和均质处理的步骤，具体步骤如下：

（1）配料

（2）配料依据的大规格空心铸锭的配方为：按照重量百分比计，Si≤0.2%，Fe≤0.3%，Cu≤0.1%，Mn0.5-1.2%，Mg6.0-6.5%，Cr≤0.1，Ni≤0.05，Zn≤0.1，Ti≤0.15，Be0.001-0.005%，Zr0.05-0.15%，Na≤10ppm，Ca≤10ppm，余量为Al和不可避免的杂质元素；按照大规格空心铸锭的配方成分进行配料，具体的化学成分见表1，分别称取高纯铝锭、一级废料、铝钛中间合金、铝锰中间合金、铝铍中间合金、铝锆中间合金和镁金属作为原料；

（3）熔炼净化

a、投料结构：装炉顺序：99.85%铝锭→一级废料，投料前确认炉料清洁干燥，无混料，并称重；装炉时，炉膛温度在600-800℃，根据一级废料形态，先装入小块或薄片一级废料，再加入棒头大块一级废料；并按照一级废料、高纯铝锭、90%中间合金（中间合金预估量90%，防止元素超标进行冲淡，较大影响生产效率及其他元素配比）的顺序先后装炉，AlTi合金及Mg在熔炼炉取样搅拌前加入；本实例采用99.85%低Fe铝锭，控制杂质含量及碱金属含量严控废料比例≤40%；具体的投料结构设计见表2；

b、有效控制Na含量＜10ppm以下和熔铸时间：除所有使用无Na熔剂外，采用700-750℃以下的高温熔炼；熔炼时间4.5h，炉料下塌后进口pyrotek无钠C2覆盖剂，均匀地散入无钠覆盖剂全面覆盖，炉料全部熔化后，每次间隔1小时对熔体温度进行一次测温，确保熔体温度在要求范围720-750℃内，严禁超温；炉料全部熔化后，调整成分及精炼扒渣、调整温度转炉等工艺时间控制在4.1h，避免熔炼温度高，特别是液态状况下，熔体的停留时间过长，使非自发晶核减少，增加铸锭生成裂纹、粗大晶和羽毛状晶的倾向；

c、提高熔体的纯净度：应该在彻底大清炉的前提下，装炉和导炉前在炉内撒入精炼剂，精炼剂用量为1.5-2kg/tAl；精炼后均应撒入10-15kg进口pyrotek无钠C2覆盖剂彻底覆盖；精炼后扒渣完毕到铸造前的静止时间1.2h；保温炉炉内除气，使用高纯氩气替代氮气，炉底透气砖自下而上吹气35min，游离的氢将会扩散到惰性气体的气泡中，并随着惰性气体气泡的上升带出铝液，达到除气的目的；并且在高纯惰性气体上升的过程中，可以将表面吸附的细小的夹杂带出铝液，达到除渣的目的，只有非常细小的颗粒可以被吸附除去，对于较大颗粒的夹杂，仍然需要通过过滤的方式去除；后续在线处理过程中，经过除气箱再次进行除气，保证在线检测氢气含量＜0.15ml/100gAl，以降低疏松倾向性；最后一道在线处理工序就是通过在线过滤箱，使用40-60ppi优质泡沫陶瓷过滤板过滤，进行熔体过滤净化；

（3）铸造

根据本合金特点，加大铸造过程中二次冷却，以及选用优质晶粒细化剂（进口AMG公司5Ti1B）进行细化晶粒，铸造速度：14mm/min-20mm/min，冷却水流量：40-60m³/h，冷却水温20-30℃，送晶粒细化剂线杆的速度控制在20cm/min-30cm/min；

Claims

1.一种大规格空心铸锭铸造方法，其特征在于，所述大规格空心铸锭以质量百分比计，其化学成分为：Si≤0.4%，Fe≤0.4%，Cu≤0.1%，Mn 0.7-1.1%，Mg 5.5-6.5%，Cr≤0.1%，Ni≤0.04%，Zn≤0.2%，Ti≤0.15%，Be 0.001-0.005%，Zr 0.05-0.15%，Na≤10ppm，Ca≤10ppm，余量为Al和不可避免的杂质元素，Fe＞Si且m%(Fe-Si)=0.06-0.1%；

所述铸造方法包括以下步骤：包括配料、熔炼净化、铸造和均质处理的步骤，具体步骤如下：

（1）配料；

（2）熔炼净化

（c）提高熔体的纯净度：将步骤b得到的合金熔体导入保温炉内，向保温炉内加入精炼剂，精炼剂用量为1.5-2kg/tAl，精炼后均应撒入10-15kg无Na覆盖剂彻底覆盖；熔炼时间为4-6h，精炼后扒渣完毕到铸造前的静止时间1-1.5h；保温炉炉内除气，炉底透气砖自下而上吹气30-35min，后续在线处理过程中，经过除气箱再次进行除气，保证在线检测氢气含量＜0.15ml/100gAl；最后一道在线处理工序就是通过在线过滤箱，使用40-60ppi优质泡沫陶瓷过滤板，进行熔体过滤净化；

（3）铸造

根据本合金特点，加大铸造过程中二次冷却，以及选用优质晶粒细化剂进口AMG5Ti1B进行细化晶粒，铸造速度为14mm/min-20mm/min，冷却水流量为40-60m³/h，冷却水温20-30℃，送晶粒细化剂线杆的速度控制在20cm/min-30cm/min；

（4）均质处理

对步骤（3）所得合金铸锭进行两级均质处理方式：350±5℃×8h+465℃×24h；然后自然冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的一种大规格空心铸锭铸造方法，其特征在于，所述大规格空心铸锭以质量百分比计，其化学成分为：Si≤0.15%，Fe≤0.25%，Cu≤0.05%，Mn 0.8-1.0%，Mg6.1-6.4%，Cr≤0.04%，Ni≤0.04%，Zn≤0.1%，Ti 0.03-0.05%，Be 0.001-0.003%，Zr 0.06-0.11%，Na≤10ppm，Ca≤10ppm，余量为Al和不可避免的杂质元素，Fe＞Si且m%(Fe-Si)=0.06-0.1%。

3.根据权利要求1所述的一种大规格空心铸锭铸造方法，其特征在于，步骤（a）中根据一级废料形态，投料时先装入小块或薄片一级废料，然后加入棒头或其他大块一级废料。

4.根据权利要求1所述的一种大规格空心铸锭铸造方法，其特征在于，步骤（a）中所述一级废料占金属原料的不超过40%。

5.根据权利要求1所述的一种大规格空心铸锭铸造方法，其特征在于，步骤（b）中炉料全部熔化后，间隔1-1.5小时对熔体温度进行一次测温，确保熔体温度在700-750℃内，严禁超温；炉料全部熔化后，调整成分及精炼扒渣、调整温度转炉工艺时间控制在3-5h内。

6.根据权利要求1所述的一种大规格空心铸锭铸造方法，其特征在于，步骤（d）在线除气过程中，在线监测氢气含量＜0.15mol/100gAl。

7.根据权利要求1所述的一种大规格空心铸锭铸造方法，其特征在于，步骤（3）热顶工装增设电磁线圈（2），所述电磁线圈（2）位于冷却水装置水盘上板（1）和水盘下板（3）的水冷环腔中。

8.根据权利要求1所述的一种大规格空心铸锭铸造方法，其特征在于，步骤（4）两级均质处理具体为：炉气200℃入炉，使用阶梯升温控制程序，阶梯升温时间5h，加热至350±5℃，保温8h，二级升温1.5h加热至465±5℃，保温24h。