CN112974747B - 一种改善大规格2000系铝合金铸锭冶金质量的方法 - Google Patents

一种改善大规格2000系铝合金铸锭冶金质量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种改善大规格2000系铝合金铸锭冶金质量的方法，所述方法适用于520mm（厚度）×1620mm（宽度）大规格扁铸锭以及直径1000mm大规格圆铸锭，所述方法是在铸造时对铝液（例如对前槽中铝液）联合施加超声波和电磁波，并根据合金成分选取超声波频率、电磁波的耦合参数、铸造温度、铸造速度、水流量。所述方法可有效降低大规格铸锭的铸造应力、减少裂纹产生、降低铸锭的成分偏析程度、减少显微疏松、避免铸锭开裂、提高铸造成型率。

Description

一种改善大规格2000系铝合金铸锭冶金质量的方法
技术领域
本发明属于合金铸造技术领域，涉及一种改善大规格2000系铝合金铸锭（包括扁铸锭和圆铸锭）冶金质量的方法。
背景技术
2000系铝合金属于Al-Cu合金系，其具有高强、高韧、耐损伤、耐蚀等较高的综合性能，是航空工业领域常用的金属材料之一，主要用于飞机机身蒙皮、机翼蒙皮等对耐损伤性能要求较高的部位。随着飞机尺寸的增加以及对整体结构件的需求增加，机身/机翼蒙皮常要求采用整体结构制造，这就对2000系铝合金铸锭尺寸要求越来越大，其中板材所需的扁铸锭横截面最大尺寸达到520mm（厚度）×1620mm（宽度），锻件所需的圆铸锭直径最大尺寸达到1000mm。但由于铸锭尺寸较大，这极易导致铸锭的成分偏析、显微疏松、铸锭开裂等问题的出现。
目前，关于高品质的大规格2000系铝合金铸锭的铸造方法还未见报道。因此，急需一种改善大规格2000系铝合金铸锭的成分偏析、显微疏松、铸锭开裂等缺陷的新方法。
发明内容
为了改善现有技术的不足，本发明提供一种改善大规格2000系铝合金铸锭冶金质量的方法，所述方法适用于520mm（厚度）×1620mm（宽度）的大规格扁铸锭以及直径1000mm的大规格圆铸锭，所述方法可以显著降低铸锭的成分偏析程度、减少显微疏松、避免铸锭开裂、提高铸造成型率。
本发明中，术语“大规格”如果没有特别的说明，均指520mm（厚度）×1620mm（宽度）的2000系铝合金扁铸锭和/或直径1000mm的2000系铝合金圆铸锭。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种改善大规格2000系铝合金铸锭冶金质量的方法，所述方法包括铸造步骤，所述铸造步骤包括：
采用半连续工艺对铝液进行铸造，且在铸造时对铝液施加超声波和电磁波，制备得到铸锭。
根据本发明的实施方式，在铸造时对前槽中的铝液施加超声波和电磁波。
本发明中，铸造步骤是在铸造槽中进行的，具体地，铝液流经前槽来到铸造槽内进行铸造。
根据本发明的实施方式，所述超声波是通过超声设备施加的，所述电磁波是通过电磁设备施加的。
根据本发明的实施方式，所述超声波的频率为20~60kHz，例如为20kHz、25kHz、30kHz、35kHz、40kHz、45kHz、50kHz、55kHz或60kHz。
根据本发明的实施方式，所述电磁波的耦合参数为(1.5~2.5)T (25~40)A/mm2，例如为1.5T 25A/mm2、2.0T 30A/mm2或2.5T 40A/mm2。
根据本发明的实施方式，所述铸造的温度为710~730℃，例如为710℃、712℃、714℃、715℃、716℃、718℃、720℃、722℃、724℃、725℃、726℃、728℃或730℃。
根据本发明的实施方式，所述铸造的速度为20~70mm/min，例如为20mm/min、25mm/min、30mm/min、35mm/min、40mm/min、45mm/min、50mm/min、55 mm/min、60mm/min、65mm/min或70mm/min。
根据本发明的实施方式，所述铸造的水流量（即冷却水的流量）为200~350L/min，例如为200L/min、210L/min、220L/min、230L/min、240L/min、250L/min、260L/min、270L/min、280L/min、290L/min、300L/min、310L/min、320L/min、330L/min、340L/min或350L/min。
根据本发明的实施方式，所述2000系铝合金选自含有Cu、Mg元素的2000系铝合金、含有Cu、Mn元素的2000系铝合金和含Zr元素的2000系铝合金中的至少一种。
示例性地，所述2000系铝合金选自2024铝合金、2124铝合金、2324铝合金、2524铝合金、2219铝合金、2029铝合金中的至少一种。
根据本发明的实施方式，所述铸造步骤包括：
采用半连续工艺对铝液进行铸造，且在铸造时对铝液同时施加超声波和电磁波，其中，超声波的频率为30~35kHz，电磁波的耦合参数为1.5T 25A/mm2，铸造的温度为710~720℃，铸造的速度为25~30mm/min，铸造的水流量为200~225 L/min，制备得到大规格（例如，截面积规格为520mm（厚度）×1620mm（宽度））含有Cu、Mg元素的2000系铝合金（例如2024铝合金、2124铝合金、2324铝合金或2524铝合金）扁铸锭。
根据本发明的实施方式，所述铸造步骤包括：
采用半连续工艺对铝液进行铸造，且在铸造时对铝液同时施加超声波和电磁波，其中，超声波的频率为30~35kHz，电磁波的耦合参数为1.5T 25A/mm2，铸造的温度为720~730℃，铸造的速度为40~50mm/min，铸造的水流量为320~330 L/min，制备得到大规格（例如，截面积直径为1000mm）含有Cu、Mg元素的2000系铝合金（例如2024铝合金、2124铝合金、2324铝合金或2524铝合金）圆铸锭。
根据本发明的实施方式，所述铸造步骤包括：
采用半连续工艺对铝液进行铸造，且在铸造时对铝液同时施加超声波和电磁波，其中，超声波的频率为40~45kHz，电磁波的耦合参数为2.0T 30A/mm2，铸造的温度为720~728℃，铸造的速度为35~45mm/min，铸造的水流量为270~280 L/min，制备得到大规格（例如，截面积规格为520mm（厚度）×1620mm（宽度））含有Cu、Mn元素的2000系铝合金（例如2219铝合金）扁铸锭。
根据本发明的实施方式，所述铸造步骤包括：
采用半连续工艺对铝液进行铸造，且在铸造时对铝液同时施加超声波和电磁波，其中，超声波的频率为40~45kHz，电磁波的耦合参数为2.0T 30A/mm2，铸造的温度为720~725℃，铸造的速度为50~55mm/min，铸造的水流量为280~290 L/min，制备得到大规格（例如，截面积直径为1000mm）含有Cu、Mn元素的2000系铝合金（例如2219铝合金）圆铸锭。
根据本发明的实施方式，所述铸造步骤包括：
采用半连续工艺对铝液进行铸造，且在铸造时对铝液同时施加超声波和电磁波，其中，超声波的频率为40~50kHz，电磁波的耦合参数为2.5T 40A/mm2，铸造的温度为715~725℃，铸造的速度为60~65mm/min，铸造的水流量为320~330 L/min，制备得到大规格（例如，截面积规格为520mm（厚度）×1620mm（宽度））含有Zr元素的2000系铝合金（例如2029铝合金）扁铸锭。
根据本发明的实施方式，所述铸造步骤包括：
采用半连续工艺对铝液进行铸造，且在铸造时对铝液同时施加超声波和电磁波，其中，超声波的频率为40~45kHz，电磁波的耦合参数为2.5T 40A/mm2，铸造的温度为715~725℃，铸造的速度为60~65mm/min，铸造的水流量为340~350 L/min，制备得到大规格（例如，截面积直径为1000mm）含有Zr元素的2000系铝合金（例如2029铝合金）圆铸锭。
根据本发明的实施方式，在铸造步骤前，所述方法还包括配料步骤、熔炼步骤、精炼步骤、除气步骤和除渣步骤。
根据本发明的实施方式，所述配料步骤、熔炼步骤、精炼步骤、除气步骤和除渣步骤的具体工艺操作为本领域常规的制备2000系铝合金铸锭的工艺操作步骤。
示例性地，所述配料步骤是根据制备合金的目标成分，计算铝合金原料用量并按照配比准备铝合金原料，例如选用纯铝锭、纯镁锭，以及Al-其他金属元素的中间合金，按照配比准备铝合金原料。
示例性地，所述熔炼步骤是将配制好的铝合金原料置于熔炼炉中，熔炼；例如将纯铝锭、Al-其他金属元素的中间合金置于熔炼炉中，在720℃条件下熔炼，待原料融化后，在690℃条件下将纯镁锭压入熔体内熔炼。
示例性地，所述精炼步骤是首先采用炉内透气砖进行精炼除气，扒渣静置后，再采用SNIF高效双转子进行在线除气精炼。
示例性地，所述除渣步骤是将除气后的铝液通过30PPI+50PPI双级泡沫陶瓷板过滤铝液中的杂质。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种改善大规格2000系铝合金铸锭冶金质量的方法，所述方法适用于520mm（厚度）×1620mm（宽度）大规格扁铸锭以及直径1000mm大规格圆铸锭，所述方法是在铸造时对铝液（例如对前槽中铝液）联合施加超声波和电磁波，并根据合金成分选取超声波频率、电磁波的耦合参数、铸造温度、铸造速度、水流量。所述方法可有效降低大规格铸锭的铸造应力、减少裂纹产生、降低铸锭的成分偏析程度、减少显微疏松、避免铸锭开裂、提高铸造成型率。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的方法做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中提及的扁铸锭的尺寸为520mm（厚度）×1620mm（宽度）。
下述实施例中提及的圆铸锭的尺寸为直径1000mm。
实施例1
2024铝合金扁铸锭熔炼时按表1成分进行配料，熔炼过程采用2000系铝合金的常规熔炼工艺及参数，选用铝锭、镁锭，以及Al-50%Cu、Al-10%Mn中间合金，660℃随炉升温熔化铝锭、Al-50%Cu、Al-10%Mn中间合金，全部熔化后，690℃向熔体内压入镁锭，在740℃时过热15min后，降温至710℃，在熔炼炉内通入惰性气体，采用静置炉底透气砖进行精炼除气，随后进行扒渣和静置处理，再通过SNIF高效双转子进行在线除气精炼，并通过30PPI+50PPI双级泡沫陶瓷板进行过滤后，准备浇铸。
当铝液温度达到700℃时开始浇铸，对前槽中铝液施加超声波和电磁波，扁铸锭参数如下：超声波的频率为30~35kHz，电磁波的耦合参数为1.5T 25A/mm2，铸造的温度为710~720℃，铸造的速度为25~30mm/min，铸造的水流量为200~225 L/min。
对比例1
其他操作同实施例1，区别在于浇铸过程如下：
当铝液温度达到700℃时开始浇铸，对前槽中铝液不做处理，扁铸锭参数如下：铸造的温度为710~720℃，铸造的速度为25~30mm/min，铸造的水流量为200~225 L/min。
实施例2
2219铝合金圆铸锭熔炼时按表1成分进行配料，熔炼过程采用2000系铝合金的常规熔炼工艺及参数，选用铝锭以及Al-50%Cu、Al-10%Mn中间合金，660℃随炉升温熔化铝锭、Al-50%Cu、Al-10%Mn中间合金，全部熔化后，在740℃时过热15min后，降温至710℃，在熔炼炉内通入惰性气体，采用静置炉底透气砖进行精炼除气，随后进行扒渣和静置处理，再通过SNIF高效双转子进行在线除气精炼，并通过30PPI+50PPI双级泡沫陶瓷板进行过滤后，准备浇铸。
当铝液温度达到700℃时开始浇铸，对前槽中铝液施加超声波和电磁波，圆铸锭参数如下：超声波的频率为40~45kHz，电磁波的耦合参数为2.0T 30A/mm2，铸造的温度为720~725℃，铸造的速度为50~55mm/min，铸造的水流量为280~290 L/min。
对比例2
其他操作同实施例2，区别在于浇铸过程如下：
当铝液温度达到700℃时开始浇铸，对前槽中铝液不做处理，圆铸锭参数如下：铸造的温度为720~725℃，铸造的速度为50~55mm/min，铸造的水流量为280~290 L/min。
实施例3
2029铝合金扁铸锭熔炼时按表1成分进行配料，熔炼过程采用2000系铝合金的常规熔炼工艺及参数，选用铝锭、镁锭、纯银以及Al-50%Cu、Al-10%Mn、Al-50%Zr中间合金，660℃随炉升温熔化高纯铝锭、Al-50%Cu、Al-10%Mn、Al-50%Zr中间合金，全部熔化后，690℃向熔体内压入镁锭、纯银，在740℃时过热15min后，降温至710℃，在熔炼炉内通入惰性气体，采用静置炉底透气砖进行精炼除气，随后进行扒渣和静置处理，再通过SNIF高效双转子进行在线除气精炼，并通过30PPI+50PPI双级泡沫陶瓷板进行过滤后，准备浇铸。
当铝液温度达到700℃时开始浇铸，对前槽中铝液施加超声波和电磁波，扁铸锭参数如下：超声波的频率为40~50kHz，电磁波的耦合参数为2.5T 40A/mm2，铸造的温度为715~725℃，铸造的速度为60~65mm/min，铸造的水流量为320~330 L/min。
对比例3
其他操作同实施例3，区别在于浇铸过程如下：
当铝液温度达到700℃时开始浇铸，对前槽中铝液不做处理，扁铸锭参数如下：铸造的温度为715~725℃，铸造的速度为60~65mm/min，铸造的水流量为320~330 L/min。
表1为上述实施例和对比例中使用的铝合金的成分列表，所述铝合金中各元素的含量为采用本领域已知的方法检测获得。
表1 实施例和对比例中使用的铝合金的成分
合金名称 Cu wt.% Mn wt.% Mg wt.% Ag wt.% Zr wt.% 余wt.%
2024 3.8~4.9 0.3~0.9 1.2~1.8 - - Al，余量
2219 5.8~6.8 0.2~0.4 - - - Al，余量
2029 3.2~4.0 0.2~0.4 0.8~1.1 0.3~0.5 0.08~0.15 Al，余量
表2为上述实施例和对比例中处理后的铝合金铸锭的性能测试结果，其中的晶粒度是采用GB/3246.1标准中规定的方法测试得到，成型率是指不开裂的铸锭数量在铸锭总数量中的百分比。
表2 实施例和对比例中处理后的铝合金铸锭的性能测试结果
方案 晶粒度 成型率
实施例1 4级 94%
对比例1 2级 68%
实施例2 3级 96%
对比例2 2级 71%
实施例3 3级 93%
对比例3 1级 74%
从表2中可以看出，采用本发明制备的铸锭发生热裂的倾向显著降低，铸锭成型率由对比例1-3的60-70%左右提升至93%以上；且本发明制备的铸锭的晶粒细化效果好，晶粒尺寸由1~2级晶粒度降低到3~4级晶粒度。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种改善大规格2000系铝合金铸锭冶金质量的方法，其中，所述方法包括铸造步骤，在铸造步骤前，所述方法还包括配料步骤、熔炼步骤、精炼步骤、除气步骤和除渣步骤；所述铸造步骤包括：
采用半连续工艺对铝液进行铸造，且在铸造时对前槽中的铝液施加超声波和电磁波，制备得到铸锭；
所述大规格2000系铝合金铸锭是指厚度520mm×宽度1620mm的大规格扁铸锭以及直径1000mm的大规格圆铸锭；
所述2000系铝合金选自含有Cu、Mg元素的2000系铝合金、含有Cu、Mn元素的2000系铝合金和含Zr元素的2000系铝合金中的至少一种；
其中，对于含有Cu、Mg元素的2000系铝合金，所述超声波的频率为30~35kHz，所述电磁波的耦合参数为1.5T 25A/mm2；对于含有Cu、Mn元素的2000系铝合金，所述超声波的频率为40~45kHz，所述电磁波的耦合参数为2.0T 30A/mm2；对于含Zr元素的2000系铝合金，所述超声波的频率为40~45kHz，所述电磁波的耦合参数为2.5T 40A/mm2。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铸造的温度为710~730℃；
和/或，所述铸造的速度为20~70mm/min；
和/或，所述铸造的水流量为200~350L/min。
3.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其中，所述铸造步骤包括：
采用半连续工艺对铝液进行铸造，且在铸造时对铝液同时施加超声波和电磁波，其中，超声波的频率为30~35kHz，电磁波的耦合参数为1.5T 25A/mm2，铸造的温度为710~720℃，铸造的速度为25~30mm/min，铸造的水流量为200~225 L/min，制备得到大规格含有Cu、Mg元素的2000系铝合金扁铸锭。
4.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其中，所述铸造步骤包括：
采用半连续工艺对铝液进行铸造，且在铸造时对铝液同时施加超声波和电磁波，其中，超声波的频率为30~35kHz，电磁波的耦合参数为1.5T 25A/mm2，铸造的温度为720~730℃，铸造的速度为40~50mm/min，铸造的水流量为320~330 L/min，制备得到大规格含有Cu、Mg元素的2000系铝合金圆铸锭。
5.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其中，所述铸造步骤包括：
采用半连续工艺对铝液进行铸造，且在铸造时对铝液同时施加超声波和电磁波，其中，超声波的频率为40~45kHz，电磁波的耦合参数为2.0T 30A/mm2，铸造的温度为720~728℃，铸造的速度为35~45mm/min，铸造的水流量为270~280 L/min，制备得到大规格含有Cu、Mn元素的2000系铝合金扁铸锭。
6.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其中，所述铸造步骤包括：
采用半连续工艺对铝液进行铸造，且在铸造时对铝液同时施加超声波和电磁波，其中，超声波的频率为40~45kHz，电磁波的耦合参数为2.0T 30A/mm2，铸造的温度为720~725℃，铸造的速度为50~55mm/min，铸造的水流量为280~290 L/min，制备得到大规格含有Cu、Mn元素的2000系铝合金圆铸锭。
7.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其中，所述铸造步骤包括：
采用半连续工艺对铝液进行铸造，且在铸造时对铝液同时施加超声波和电磁波，其中，超声波的频率为40~50kHz，电磁波的耦合参数为2.5T 40A/mm2，铸造的温度为715~725℃，铸造的速度为60~65mm/min，铸造的水流量为320~330 L/min，制备得到大规格含有Zr元素的2000系铝合金扁铸锭。
8.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其中，所述铸造步骤包括：
采用半连续工艺对铝液进行铸造，且在铸造时对铝液同时施加超声波和电磁波，其中，超声波的频率为40~45kHz，电磁波的耦合参数为2.5T 40A/mm2，铸造的温度为715~725℃，铸造的速度为60~65mm/min，铸造的水流量为340~350 L/min，制备得到大规格含有Zr元素的2000系铝合金圆铸锭。
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