CN112760507A - 一种Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冶金与金属材料制备技术领域,具体涉及一种Al‑Zn‑Mg系铝合金的制备方法。本发明提供的Al‑Zn‑Mg系铝合金的制备方法,采用流槽浇铸,在流槽浇铸的过程中对流槽中的铝合金熔体进行电磁处理后,将所述铝合金熔体进行半连续铸造,得到所述Al‑Zn‑Mg系铝合金。在本发明中流槽中的熔体在电磁能的作用下,能够使熔体组织得到明显细化,组织分布和均匀性有所改善,有效提高了铸锭的加工成型性能,使屈服强度、硬度和断裂口延伸率明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及冶金与金属材料制备技术领域,具体涉及一种Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法。
背景技术
Al-Zn-Mg系铝合金适用范围广且使用时间长,其强度高,热处理强化效果好,具有良好的韧性和耐腐蚀性能,而且,由于其制造成本相对较低,所以在很多领域取代了钛合金,成为了航空航天业以及军工业不可缺少的轻质结构材料
目前,Al-Zn-Mg系铝合金通常采用铸造的方式获得,但是由于它的凝固温度范围宽,在铸造成锭时容易形成缩松、缩孔、热裂等缺陷,严重影响了后续加工和成品质量。造成铝合金铸造缺陷的主要原因为铸锭晶粒组织粗大不均,所以在铸造时采用一定的方法促使晶粒细化是十分必要的。
现有技术中的晶粒细化的方法主要有添加晶粒细化剂和机械物理法。添加细化剂,虽然能够起到细化晶粒的作用,但是也会对铝合金材料造成污染;机械物理法通过机械搅拌、机械振动等手段可以达到细化晶粒的目的,但是该方法操作复杂,能耗大,易掺入杂质,而且细化效果不稳定。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法,本发明提供的Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法不仅能够使铸锭组织得到明显细化,组织分布的均匀性明显改善,有效提高铸锭的加工成型性能且未引入杂质,便于工业生产。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
本发明提供了一种Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法,包括以下步骤:
按照Al-Zn-Mg系铝合金元素配比,将铝合金原料进行熔炼,得到铝合金熔体;
将所述铝合金熔体流过流槽后进行半连续铸造,得到所述Al-Zn-Mg系铝合金铸锭;
对流槽中的铝合金熔体进行电磁处理;
电磁处理时,铝合金熔体表面的磁感应强度为153~241mT。
优选的,所述熔炼的温度为730~800℃,所述熔炼后的保温时间为5~15min。
优选的,所述电磁处理的条件还包括:电磁能的频率为20~80Hz,电流为100~220A,占空比为20~60%。
优选的,所述电磁处理的磁场发射装置和所述铝合金熔体的距离为1~12mm。
优选的,所述电磁处理时,铝合金熔体的温度为650~700℃。
优选的,所述电磁处理的磁场波形包括矩形波、正弦波或三角波。
优选的,所述半连续铸造时,合金熔体的浇注速度为18~120mm/min。
优选的,所述半连续铸造时,采用冷却水进行冷却,所述冷却水的温度为10~20℃,流量为15~25m3·h-1,水压为0.04~0.08MPa。
优选的,所述半连续铸造后,得到的Al-Zn-Mg系铝合金铸锭的直径为91~482mm。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果:
本发明提供了一种Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法,包括以下步骤:按照Al-Zn-Mg系铝合金元素配比,将铝合金原料进行熔炼,得到铝合金熔体;将所述铝合金熔体流过流槽后进行半连续铸造,得到所述Al-Zn-Mg系铝合金铸锭;对流槽中的铝合金熔体进行电磁处理;电磁处理时,铝合金熔体表面的磁感应强度为153~241mT。本发明提供的Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法,所述合金熔体流经流槽时,对流槽中的铝合金熔体进行电磁处理后,将所述铝合金熔体进行半连续铸造,得到所述Al-Zn-Mg系铝合金。在本发明中,流槽中的熔体在电磁能的作用下,控制所述铝合金熔体表面的磁感应强度为153~241mT,能够使Al-Zn-Mg系铝合金熔体组织得到明显细化,组织分布和均匀性有所改善,且未引入杂质,有效提高了铸锭的加工成型性能,使屈服强度、硬度和断裂口延伸率明显提高。由实施例的结果表明,以Al-5Zn-2Mg-2Cu合金为例,施加磁场后,Al-5Zn-2Mg-2Cu合金铸锭心部及边部组织均显著细化,心部的晶粒尺寸由77.65μm降低到60.78μm,边部的晶粒尺寸由59.24μm减低到50.83μm,晶粒尺寸分别下降了21.73%和14.20%;凝固组织形貌由玫瑰状转变为圆整的等轴晶,截面径向组织均匀性较好。
附图说明
图1为样品2横截面圆心处的金相微观组织图;
图2为样品20.5R处的金相微观组织图;
图3为样品2R处的金相微观组织图;
图4为样品1横截面圆心处的金相微观组织图;;
图5为样品10.5R处的金相微观组织图;
图6为样品1R处的金相微观组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法,包括以下步骤:
按照Al-Zn-Mg系铝合金元素配比,将铝合金原料进行熔炼,得到铝合金熔体;
将所述铝合金熔体流过流槽后进行半连续铸造,得到所述Al-Zn-Mg系铝合金铸锭;
对流槽中的铝合金熔体进行电磁处理;
电磁处理时,铝合金熔体表面的磁感应强度为153~241mT。
本发明按照Al-Zn-Mg系铝合金元素配比,将铝合金原料进行熔炼,得到铝合金熔体。
在本发明中,如无特殊说明,本发明对所述铝合金原料的来源和种类没有特殊要求,采用本领域技术人员熟知的原料即可。
在本发明中,所述熔炼的温度优选为730~800℃,更优选为750~785℃。本发明优选对铝合金原料融化后形成的铝合金熔体进行搅拌,本发明对搅拌速率和时间无特殊要求,只要能够实现铝合金熔体中各元素组分混合均匀即可。本发明对所述熔炼的设备没有特殊要求,采用本领域技术人员熟知的设备即可,在本发明的实施例中,所述熔炼设备为中频感应熔炼炉。
本发明优选对搅拌均匀后的铝合金熔体依次进行除气和扒渣,在本发明中,所述除气和扒渣的温度优选为730~800℃,更优选为750~780℃。本发明通过除气和扒渣,使铝合金熔体实现纯化。
所述除气和扒渣后,本发明优选对除气和扒渣后的铝合金熔体进行静置,所述静置的温度为800℃;保温时间优选为5~15min,更优选为6.5~12.5min。本发明通过保温静置,使铝合金熔体内部的杂质沉淀或上浮,实现了铝合金熔体内部的纯化。
得到铝合金熔体后,本发明将所述铝合金熔体流过流槽后进行半连续铸造,得到所述Al-Zn-Mg系铝合金铸锭;
在本发明中,所述流槽浇铸的过程中对流槽中的铝合金熔体进行电磁处理,在本发明中,所述电磁处理的条件包括:电磁能的频率优选为20~80Hz,更优选为25~65Hz,最优选为30~45Hz;电流优选为100~220A,更优选为150~220A,更优选为180~220A;占空比优选为20~60%,更优选为35~55%;铝合金熔体表面的磁感应强度优选为153~241mT,更优选为168~234mT,最优选为172~224mT。在本发明中,所述电磁处理的磁场波形优选包括矩形波、正弦波或三角波。
在本发明中,所述铝合金熔体表面的磁感应强度优选为153~241mT,能够实现对Al-Zn-Mg系铝合金组织的细化以及组织分布和均匀性明显改善。当铝合金熔体表面的磁感应强度大图241mT时,由于电磁力引起初生a-Al相互碰撞合并导致晶粒再度粗化且出现枝晶,使得到的Al-Zn-Mg系铝合金组织的微观性能下降。
在本发明中,所述电磁处理的磁场发射装置和所述铝合金熔体的距离优选为1~12mm,更优选为2.5~10mm,最优选为4.5~8mm。在本发明中,所述电磁处理时,铝合金熔体的温度优选为650~700℃,更优选为675~695℃。
本发明对所述磁场发射装置没有特殊要求,采用本领域技术人员熟知的设备即可。
在本发明中,所述半连续铸造时,合金熔体的的浇注速度优选为18~120mm/min,更优选为30~100mm/min,最优选为50~75mm/min。
在本发明中,所述半连续铸造时,优选采用冷却水进行冷却,所述冷却水的温度优选为10~20℃,更优选为12.5~25℃;流量优选为15~25m3·h-1,更优选为17.5~22.5m3·h-1;水压优选为0.04~0.08MPa,更优选为0.05~0.06。
在本发明中,所述半连续铸造的方式优选为竖井凝固铸造,经过电磁处理的铝合金熔体在引锭杆的牵引下仅水冷区凝固成铸锭。在本发明中,所述半连续铸造后,得到的Al-Zn-Mg系铝合金铸锭的直径优选为91~482mm,更优选为100~350mm。在本发明中,所述半连续铸造的冷却方式优选为水冷。
本发明提供的Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法,将所述铝合金熔体流过流槽,在流槽浇铸的过程中对流槽中的铝合金熔体进行电磁处理后,将所述铝合金熔体进行半连续铸造,得到所述Al-Zn-Mg系铝合金。在本发明中,流槽中的熔体在电磁能的作用下,能够使熔体组织得到明显细化,组织分布和均匀性有所改善,有效提高了铸锭的加工成型性能,使屈服强度、硬度和断裂口延伸率明显提高。
为了更好地理解本发明,下面结合实施例进一步阐明本发明的内容,但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
将Al-5Zn-2Mg-2Cu的原料经中频感应熔炼炉加热、熔化后,在800℃保温5min,得到铝合金熔体,将铝合金熔体流过流槽后进行半连续铸造,铝合金熔体流经流槽时,对铝合金熔体进行电磁处理,其中,铝合金熔体流经流槽时的温度为650℃,电磁能发生装置安置在流槽的正上方,磁极距铝合金熔体液面为10mm,开启专用电源,控制电磁能的频率为20Hz,电流为150A,占空比为60%,铝合金熔体表面的磁感应强度为153mT,电磁处理的磁场波形为矩形波;将经过电磁处理的铝合金熔体以18mm/min的速度由浇注口进入铸造竖井进行半连续铸造,在引锭杆的牵引下经水冷区凝固成铸锭,其中,冷却水的温度为19℃,流量为18m3·h-1,水压为0.04MPa,得到的Al-5Zn-2Mg-2Cu铸锭的直径为91mm。
实施例2
将Al-5Zn-2Mg-2Cu的原料经中频感应熔炼炉加热、熔化后,在730℃保温15min后,得到铝合金熔体,将铝合金熔体流过流槽后进行半连续铸造,对铝合金熔体进行电磁处理,其中,铝合金熔体流经流槽时的温度为700℃,电磁能发生装置安置在流槽的正上方,磁极距铝合金熔体液面为12mm,开启专用电源,控制电磁能的频率为50Hz,电流为220A,占空比为20%,铝合金熔体表面的磁感应强度为234mT,电磁处理的磁场波形为矩形波;将经过电磁处理的铝合金熔体以120mm/min的速度由浇注口进入铸造竖井进行半连续铸造,在引锭杆的牵引下经水冷区凝固成铸锭,其中,冷却水的温度为10℃,流量为15m3·h-1,水压为0.08MPa,得到的Al-5Zn-2Mg-2Cu铸锭的直径为482mm。
实施例3
将Al-5Zn-2Mg-2Cu的原料经中频感应熔炼炉加热、熔化后,在750℃保温10min后,得到铝合金熔体,将铝合金熔体流过流槽后进行半连续铸造,对铝合金熔体进行电磁处理,其中,铝合金熔体流经流槽时的温度为680℃,电磁能发生装置安置在流槽的正上方,磁极距铝合金熔体液面为10mm,开启专用电源,控制电磁能的频率为45Hz,电流为220A,占空比为40%,铝合金熔体表面的磁感应强度为153mT,电磁处理的磁场波形为矩形波;将经过电磁处理的铝合金熔体以100mm/min的速度由浇注口进入铸造竖井进行半连续铸造,在引锭杆的牵引下经水冷区凝固成铸锭,其中,冷却水的温度为10℃,流量为15m3·h-1,水压为0.08MPa,得到的Al-5Zn-2Mg-2Cu铸锭的直径为482mm。
对比例1
采用实施例1的方案制备Al-5Zn-2Mg-2Cu铸锭,区别在于本对比例不进行电磁能处理。
测试例
将实施例1得到的Al-5Zn-2Mg-2Cu铸锭利用线切割取样,得到铝合金样品1,将对比例1得到的Al-5Zn-2Mg-2Cu铸锭利用线切割取样,得到铝合金样品2。
将铝合金样品1和2研磨后、依次用200目、400目、600目和800目砂纸进行抛光,用keller试剂腐蚀15min后,观察铝合金样品的金相组织,其中图1、2和3为样品2的横截面圆心处、0.5R(0.5个半径)处和R(半径边缘)处的金相微观组织图;图4、5和6为样品1的横截面圆心处、0.5R(0.5个半径)处和R(半径边缘)处的金相微观组织图。样品1和样品2横截面圆心处和半径处的晶粒粒径平均尺寸的数据如表1。
图1样品1和样品2横截面圆心处和半径处晶粒的粒径平均尺寸
位置 | 样品1(μm) | 样品2(μm) | 晶粒尺寸下降率(%) |
中心 | 60.78 | 77.65 | 21.73% |
R | 50.83 | 59.24 | 14.20% |
由图1、2、3与图4、5、6对比可知,样品1铸锭心部及边部组织均显著细化,心部由77.65μm降低到60.78μm;边部由59.24μm减低到50.83μm,晶粒尺寸分别下降了21.73%和14.20%。样品1的凝固组织形貌由玫瑰状转变为圆整的等轴晶,截面径向组织均匀性较好。
本发明提供的Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法不仅能够使铸锭组织得到明显细化,组织分布和均匀性明显改善,有效提高铸锭的加工成型性能且便于工业生产。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,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;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
按照Al-Zn-Mg系铝合金元素配比,将铝合金原料进行熔炼,得到铝合金熔体;
将所述铝合金熔体流过流槽后进行半连续铸造,得到所述Al-Zn-Mg系铝合金铸锭;
对流槽中的铝合金熔体进行电磁处理;
电磁处理时,铝合金熔体表面的磁感应强度为153~241mT。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述熔炼的温度为730~800℃,所述熔炼后的保温时间为5~15min。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述电磁处理的条件还包括:电磁能的频率为20~80Hz,电流为100~220A,占空比为20~60%。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法,其特征在于,所述电磁处理的磁场发射装置和所述铝合金熔体的距离为1~12mm。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述电磁处理时,铝合金熔体的温度为650~700℃。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述电磁处理的磁场波形包括矩形波、正弦波或三角波。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述半连续铸造时,合金熔体的浇注速度为18~120mm/min。
8.根据权利要求1或7所述的制备方法,其特征在于,所述半连续铸造时,采用冷却水进行冷却,所述冷却水的温度为10~20℃,流量为15~25m3·h-1,水压为0.04~0.08MPa。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述半连续铸造后,得到的Al-Zn-Mg系铝合金铸锭的直径为91~482mm。
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