CN113369453A - 一种基于真空离心铸造的铝合金板带材制备方法及真空离心铸造装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于真空离心铸造的铝合金板带材制备方法及真空离心铸造装置。制备方法包括如下步骤：目标铝合金的成分配制原料；采用真空离心铸造方式铸造铸管坯；将真空离心铸造制备得到的铸管坯剖开，将剖开后的铸管坯矫平，得到铝合金铸板坯；对所述铝合金铸板坯进行轧制，得到铝合金板带材。本发明制备方法中铝合金熔体液在离心力的作用下，凝固过程补缩环境可得到明显改善，缩松、缩孔等铸造类缺陷在离心力的作用下可有效被弥合。空离心铸造由于是在真空条件下完成，熔体与空气无接触，可以有效避免熔体氧化的发生，从而大幅度减少铸管坯中的氧化夹杂缺陷，提升管坯质量。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金板带材制备领域，尤其涉及一种基于真空离心铸造的铝合金板带材制备方法及真空离心铸造装置。
背景技术
铝合金板带材广泛应用于建筑、桥梁、汽车、压力容器、航空航天等工业领域。铝合金板带材的常规生产方式是半连续铸造制备铸锭扁锭+后续轧制制备成形的。如图1所示，液态铝熔体被浇注液槽中，经漏斗浇注到结晶器中，熔体与结晶器、引锭头发生接触，在接触面发生凝固。已凝固的铸锭将随着引锭头一起下降，当铸锭从结晶器中被拉出时，冷却水通过结晶器的水孔直接喷到铸锭的表面，对铸锭进行二次冷却。铝熔体不断地被浇铸到结晶器内，而已凝固的铸锭也不断地被从结晶器内拽出，当铸锭达到一定长度时，完成一次铸造。将半连续铸造制备的铝合金扁锭进行后续轧制制备出铝合金板带材。半连续铸造制备的铝合金扁锭常见问题如下：1、铝合金在凝固过程中，容易发生体积收缩，熔体不能及时补充，容易在大规格扁锭心部产生缩孔、缩松、热裂纹，如图2所示。2、大规格扁锭浇注过程中，由于浇注时间长，扁锭外部与芯部凝固速度不同，芯部易产生粗大结晶相，如图3所示。3、非真空条件下制备铝合金铸锭时，熔炼过程的通气、搅拌等操作以及浇铸过程中熔体流经流槽时不可避免地与空气接触，高温熔体在该过程中发生氧化，形成的氧化物容易被卷入熔体，在铸锭中形成不可消除的氧化物夹杂，如图4所示。4、从扁锭到板带材的轧制过程中，需经过多道次的轧制及中间退火，普遍生产成本较高，生产效率较低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于真空离心铸造的铝合金板带材制备方法，其解决了现有的方法制备的铝合金板带材结构会有缺陷的技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明实施例提供一种基于真空离心铸造的铝合金板带材制备方法，包括如下步骤：
步骤一：按目标铝合金的成分配制原料；
步骤二：采用真空离心铸造方式铸造铸管坯，具体操作如下：
1)将配制好的铝合金原料在真空条件下熔炼得到铝合金熔体，并降温至浇铸温度，平稳浇铸至旋转的铸管坯模具中；
2)待铸管坯模具内铝合金液凝固后，停止铸管坯模具的旋转；
3)脱模，取出铸管坯；
步骤三：将所述的铸管坯剖开，矫平，得到铝合金铸板坯；
步骤四：对所述铝合金铸板坯进行轧制，得到铝合金板带材。
步骤三：将真空离心铸造制备得到的铸管坯剖开，将剖开后的铸管坯矫平，得到铝合金铸板坯；
步骤四：对所述铝合金铸板坯进行轧制，得到铝合金板带材。
离心铸造是一种用于生产盘环类及管套类铸件的特种材料成型方式。离心铸造是将液态金属浇入旋转的铸型中，在离心力的作用下，液态金属完成充填和凝固成形的一种铸造方法。离心铸造过程中，金属结晶从铸型壁逐步向铸件内表面顺序进行，可以改善补缩环境,使熔渣、夹杂物等杂质集中于铸件内表层，从而改善铸型的组织。另一方面，在离心力的驱使下，液态金属被甩向铸型侧壁,气孔、缩孔等铸造类缺陷在压力的作用下得以弥合，从而得到组织致密的铸件，有助于其力学性能的提高。此外，离心铸造不需要浇道口及铸造冒口，铸造空心铸件时可省去型芯，金属利用率可达80％-90％,能够显著降低生产成本,提高生产效率。
真空铸造是金属在真空室中进行熔炼、浇注和结晶的金属成型技术。真空铸造过程由于液态金属与空气无接触，可显著降低液态金属的气体含量，并有效防止液态金属在熔炼浇铸过程中的氧化。因此，真空铸造的铸件气体含量低，基本无氧化夹杂夹渣等缺陷。真空铸造可生产对铸件有较高质量要求的及极易氧化的金属材料及冶炼蒸气压力高、易于挥发损失的高质量铸件。
较佳地，步骤二的第1)步中：真空条件的真空度为1～105Pa；
所述铝合金熔炼温度为600℃-760℃。
较佳地，步骤二中所述的浇铸温度为580℃-740℃。
较佳地，步骤二中：铸管坯模具旋转的转速为100-1800rpm。
较佳地，步骤二中，采用真空离心铸造方式铸造的铸管坯的外径100～3500mm，壁厚3～400mm。
较佳地，步骤二的第1)步中：将坩埚内铝合金液平稳浇铸至旋转的铸管坯模具中时，对模具进行降温。
较佳地，步骤二中，采用旋转离心机对所述铸管坯模具中进行旋转；
步骤三中，采用矫平机对剖开后的铸管坯进行矫平。
较佳地，步骤三中：将真空离心铸造制备得到的铸管坯沿铸管坯的中轴线剖开。
另一方面，本发明实施例提供一种铸造铸管坯的真空离心铸造装置，包括炉体、用于测量炉体温度的测温装置、用于测量铸管坯模具温度的红外测温系统以及设置在炉体内的耐火容器、用于给铸管坯模具提供冷却空气的气刀和铸管坯模具；
炉体分别与设置在炉体外的真空系统和加料装置连通，炉体上设有安全阀；耐火容器的外壁设有感应线圈，耐火容器的出料口与铸管坯模具通过流槽连接；铸管坯模具外设有离心机构。
较佳地，所述的炉体与加料装置通过加料斗连通；
所述的炉体与真空系统通过主真空挡板连通；
所述的铸管坯模具外壁设有保温包。
此外，本发明还涉及一种铸造铸管坯的真空离心铸造装置的应用，所述的真空离心铸造装置用于本发明的基于真空离心铸造的铝合金板带材制备方法中。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：1、本发明制备方法中铝合金熔体液在离心力的作用下，凝固过程补缩环境可得到明显改善，缩松、缩孔等铸造类缺陷在离心力的作用下可有效被弥合。宏观铸造应力在壁厚方向分布均匀，可有效避免热裂纹的产生；
2、离心铸造过程中，熔体固液界面受离心力作用，产生类似于压力铸造的组织细化作用，可有效细化铸造组织中的结晶相。此外，离心铸造的铸管坯厚度一般远小于半连续铸造扁锭的厚度，铸管坯厚度小有利于铸管坯快速冷却，冷却速率高可进一步细化结晶相，从而避免粗大结晶相的产生；
3、真空离心铸造由于是在真空条件下完成，熔体与空气无接触，可以有效避免熔体氧化的发生，从而大幅度减少铸管坯中的氧化夹杂缺陷，提升管坯质量；
4、利用真空离心铸造制备铸管坯，然后将管坯剖开，经过矫平机矫平得到铸板坯，之后进行后续轧制，由于铸管坯厚度远小于半连续铸造扁锭，可以大幅减少轧制道次及轧制中的退火次数，提高生产效率，降低生产成本。
附图说明
图1为铝合金扁锭半连续铸造流程及轧制铝合金扁锭制备出铝合金板带材示意图。
图2为半连续铸造大规格铝合金扁锭部产生缩孔、缩松、热裂纹的示意图，(a)为产生缩孔的示意图，(b)为产生缩松的示意图(c)为产生热裂纹的示意图。
图3为半连续铸造大规格铝合金扁锭的粗大结晶相示意图。
图4为半连续铸造大规格铝合金扁锭的氧化物夹杂示意图。
图5为本发明的一个实施例中的铸造铸管坯的真空离心铸造装置结构示意图。
图6为本发明的一个实施例中的铸造铸管坯的真空离心铸造装置结构示意图。
图7为本发明实施例1中2A97铝合金管坯铸态组织中的结晶相形貌图。
图8铝合金板带材及取样方向示意图。
图9为本发明实施例2中7055铝合金管坯铸态组织中的结晶相形貌图。
图10中的(a)为真空离心铸造制备的7055铝合金板带材的力学性能图，(b)为半连续铸造制备的7055铝合金板带材的力学性能图。
图11为本发明实施例3中3003铝合金管坯铸态组织中的结晶相形貌图。
图12中的(d)为5083铝合金管坯均匀化热处理后的组织示意图；(a)为(d)的外壁示意图；(b)为(d)的中部示意图；(c)为(d)的内壁示意图。
图13为本发明的铸管坯经剖开、矫平得到板坯流程示意图,
【附图标记说明】
1：炉体；2：感应线圈；3：保温包；4：离心机构；5：加料斗；6：加料装置；7：测温装置；8：气刀；9：流槽支架；10：熔炼坩埚；11：铸管坯模具；12：流槽；13：真空挡板；14：安全阀；15：红外测温系统；16：真空系统。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可通过商业途径得到。
本发明首次提出一种基于真空离心铸造的铝合金板带材制备方法，包括如下步骤：步骤一：按目标铝合金的成分配制原料；
步骤二：如图5-6所示，铸造铸管坯的真空离心铸造装置通过真空离心铸造方式铸造铸管坯，具体操作如下：
1)通过加料装置6及加料斗5及将配制好的铝合金原料投入熔炼坩埚10内，熔炼坩埚10设置在熔炼炉的炉体1内，采用真空系统16对炉体1抽真空至真空度为1～105Pa；通过感应线圈2对熔炼坩埚10加热至铝合金熔炼温度600℃-760℃，进行保温0-1h；对熔炼坩埚降温至浇铸温度580℃-740℃，将熔炼坩埚10内铝合金液通过流槽12平稳浇铸至旋转的铸管坯模具11中，同时采用气刀8对铸管坯模具11进行降温；如图5-6所示，采用旋转离心机构4对铸管坯模具11中进行旋转；铸管坯模具11旋转的转速为100-1800rpm；
3)待铝合金板带材的模具11内铝合金液完全凝固后，停止铸管坯模具的旋转；
4)脱模，取出铸管坯；铸管坯的外径100～3500mm，壁厚3～400mm。
步骤三：如图8级图13可知，将真空离心铸造制备得到的铸管坯沿铸管坯的中轴线剖开，将剖开后的铸管坯用矫平机矫平，得到铝合金铸板坯；
步骤四：对所述铝合金铸板坯进行轧制，得到铝合金板带材。
较佳地，本实施例中步骤三中对铸管坯剖开前进行均热化处理。
本发明的另一个实施例提出一种铸造铸管坯的真空离心铸造装置，如图5-6所示，该装置包括炉体1、用于测量炉体温度的测温装置7、用于测量铸管坯模具的温度的红外测温系统15以及设置在炉体1内的熔炼坩埚10、用于给铸管坯模具提供冷却空气的气刀8和铸管坯模具11；
炉体1分别与设置在炉体1外的真空系统16和加料装置6连通，炉体1上设有安全阀14；熔炼坩埚10的外壁设有感应线圈2，熔炼坩埚10的出料口与铸管坯模具11通过流槽12连接；铸管坯模具11外设有离心机构4。通过离心机旋转铸管坯模具11。本实施例中在产业中应用时，熔炼坩埚10可以用耐火材料制成的容器来替换
优选地，炉体1与加料装置6通过加料斗5连通；
炉体1与真空系统16通过主真空挡板13连通；
铸管坯模具11外壁设有保温包3；
通过流槽支架9固定流槽12。
本发明提出的一种铸造铸管坯的真空离心铸造装置用于本发明的基于真空离心铸造的铝合金板带材制备方法中。
实施例1
一种2A97铝合金板带材的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：按照表1的比例配比原：
表1 2A97铝合金原料配比(质量百分比)
步骤二：采用图5或图6中的装置通过真空离心铸造方式铸造2A97铝合金管坯，具体操作如下：
1)将配制好的铝合金原料投入熔炼坩埚内，炉体抽真空至真空度为1Pa；
2)对熔炼坩埚加热至740℃；开启模具旋转电机，调至800转/分钟；
3)对熔炼坩埚降温至680℃，将坩埚内铝合金液平稳浇铸至旋转的铸管坯模具中；
4)待铝合金板带材的模具内铝合金液完全凝固后，停止铸管坯模具的旋转；
5)破除炉体真空，脱模，取出铸管坯；得到的铸管坯尺寸为：外径D0＝200mm、内径d0＝172mm、长度L0＝250mm、壁厚B0＝28mm；如图7所示，铸态组织中，无缩松和缩孔、热裂纹以及粗大结晶相与氧化夹杂物。
步骤三：车除上述铸管坯内壁2mm，外壁1mm，将上述铝合金管坯进，行520℃*24h均匀化热处理；
如图8所示，将均匀化热处理后的铸管坯剖开，利用矫平机坯矫平，得到铝合金铸板坯；在板坯上取样，取样方向为A与B；
步骤四：对铝合金铸板坯进行共8次热轧及12次冷轧，轧制方向为图8中A与B所标注，轧制后得到分别得到2mm厚度的2A97铝合金板带材。
对板带材进行520℃*2h固溶处理，然后分别进行单级时效(165℃*48h)和双级时效(165℃*48h+115*48)热处理。
对合金板带材在室温下进行拉伸性能测试，测试结果如表2所示。所有状态的样品屈服强度在411.1-462.6MPa范围内，抗拉强度在549.2-504.2MPa范围内，延伸率在8.3-12.3％范围内。其中，较典型的状态及力学性能有：取样方向A、1mm厚度、单级时效的板带材，其屈服强度为462.6MPa，抗拉强度为549.2MPa，延伸率为8.7％；取样方向A、2mm厚度、单级时效的板带材，其屈服强度为462MPa，抗拉强度为531.3MPa，延伸率为12.3％；
表2实施例1的2A97板带材拉伸性能测试结果
表3为相同成分的传统半连续铸造方式生产制备的2A97板带材力学性能[王哲，2A97铝锂合金的热处理工艺及性能研究，中南大学硕士学位论文，2014]。其2mm厚度、单级时效的板带材，其屈服强度为465.4，抗拉强度为541.1MPa，延伸率为7.2％；双级时效的板带材，其屈服强度为462.5，抗拉强度为532.9MPa，延伸率为7.27％。
表3传统半连续铸造方式生产制备的2A97板带材力学性能
本实施例的2A97合金典型力学性能在屈服强度、抗拉强度及延伸率方面均大幅超越传统半连续铸造生产制备的2A97合金。
实施例2
一种7055铝合金板带材的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：按照表4的比例配比原：
表4 7055铝合金原料配比(质量百分比)
步骤二：采用图5或图6中的装置通过真空离心铸造方式铸造7055铝合金坯，具体操作如下：
1)将配制好的铝合金原料投入熔炼坩埚内，炉体抽真空至真空度为1Pa；
2)对熔炼坩埚加热至740℃；开启模具旋转电机，调至800转/分钟；
3)对熔炼坩埚降温至680℃，将坩埚内铝合金液平稳浇铸至旋转的铸管坯模具中；
4)待铝合金板带材的模具内铝合金液完全凝固后，停止铸管坯模具的旋转；
5)破除炉体真空，脱模，取出铸管坯；得到的铸管坯尺寸为：外径D0＝200mm、内径d0＝182mm、长度L0＝250mm、壁厚B0＝18mm；如图9所示，铸态组织中，无缩松和缩孔、热裂纹以及粗大结晶相与氧化夹杂物。
步骤三：车除上述铸管坯内壁2mm，外壁1mm，将上述铝合金管坯进，行510℃*24h均匀化热处理；
如图8所示，将均匀化热处理后的铸管坯剖开，利用矫平机坯矫平，得到铝合金铸板坯；在板坯上取样，取样方向为A与B；
步骤四：对铝合金铸板坯进行共6道次热轧及12次冷轧，轧制方向为图8中A与B所标注，轧制后得到分别得到2mm厚度的7055铝合金板带材。
对板带材进行470℃*2h固溶处理，然后分别进行单级时效(120℃*24h)时效热处理。
对合金板带材在室温下进行拉伸性能测试，板带材取样方向如图8，图10(a)真空离心铸造得到的7055铝合金板带材中，A方向抗拉强度与延伸率分别达到565.0MPa与11.9％，B方向的抗拉强度与延伸率分别达到532.8MPa与10.8％；由图10可知，真空离心制备的7055铝合金的塑性优于半连续铸造(图10(b))得到的7055铝合金板带材。
实施例3
一种3003铝合金板带材的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：按照表5的比例配比原：
表5 3003铝合金原料配比(质量百分比)
步骤二：采用图5或图6中的装置通过真空离心铸造方式铸造3003铝合金坯，具体操作如下：
1)将配制好的铝合金原料投入熔炼坩埚内，炉体抽真空至真空度为1Pa；
2)对熔炼坩埚加热至725℃；开启模具旋转电机，调至800转/分钟；
3)对熔炼坩埚降温至700℃，将坩埚内铝合金液平稳浇铸至旋转的铸管坯模具中；
4)待铝合金板带材的模具内铝合金液完全凝固后，停止铸管坯模具的旋转；同时对模具降温；
5)破除炉体真空，脱模，取出铸管坯；得到的铸管坯尺寸为：外径D0＝200mm、内径d0＝188mm、长度L0＝250mm、壁厚B0＝12mm；如图11所示，铸态组织中，无缩松和缩孔、热裂纹以及粗大结晶相与氧化夹杂物。
步骤三：车除上述铸管坯内壁2mm，外壁1mm，将上述铝合金管坯进，行510℃*24h均匀化热处理；
如图8所示，将均匀化热处理后的铸管坯剖开，利用矫平机坯矫平，得到铝合金铸板坯；在板坯上取样，取样方向为A与B；
步骤四：对铝合金铸板坯进行共6道次热轧及12次冷轧，轧制方向为图8中A与B所标注，轧制后得到分别得到2mm厚度的3003铝合金板带材。
实施例4
一种5083铝合金板带材的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：按照表6的比例配比原：
表6 5083铝合金原料配比(质量百分比)
步骤二：采用图5或图6中的装置通过真空离心铸造方式铸造5083铝合金坯，具体操作如下：
1)将配制好的铝合金原料投入熔炼坩埚内，炉体抽真空至真空度为1Pa；
2)对熔炼坩埚加热至725℃；开启模具旋转电机，调至800转/分钟；
3)对熔炼坩埚降温至700℃，将坩埚内铝合金液平稳浇铸至旋转的铸管坯模具中；
4)待铝合金板带材的模具内铝合金液完全凝固后，停止铸管坯模具的旋转；
5)破除炉体真空，脱模，取出铸管坯；得到的铸管坯尺寸为：外径D0＝200mm、内径d0＝172mm、长度L0＝250mm、壁厚B0＝28mm；
步骤三：对5083铝合金管坯475℃*20h均匀化热处理，热处理后组织如图12所示，(a)、(b)、(c)分别代表外部、中部、内部三部分的组织。
如图8所示，将均匀化热处理后的铸管坯剖开，利用矫平机坯矫平，得到铝合金铸板坯；在板坯上取样，取样方向为A与B；
步骤四：对铝合金铸板坯进行共6道次热轧及12次冷轧，轧制方向为图8中A与B所标注，轧制后得到5083铝合金板带材。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于真空离心铸造的铝合金板带材制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：按目标铝合金的成分配制原料；
步骤二：采用真空离心铸造方式铸造铸管坯，具体操作如下：
1)将配制好的铝合金原料在真空条件下熔炼得到铝合金熔体，并降温至浇铸温度，平稳浇铸至旋转的铸管坯模具中；
2)待铸管坯模具内铝合金液凝固后，停止铸管坯模具的旋转；
3)脱模，取出铸管坯；
步骤三：将所述的铸管坯剖开，矫平，得到铝合金铸板坯；
步骤四：对所述铝合金铸板坯进行轧制，得到铝合金板带材。
2.如权利要求1所述的基于真空离心铸造的铝合金板带材制备方法，其特征在于：步骤二中的第1)步中：
真空条件的真空度为1～105Pa；
所述铝合金熔炼温度为600℃-760℃。
3.如权利要求1所述的基于真空离心铸造的铝合金板带材制备方法，其特征在于：步骤二中所述的浇铸温度为580℃-740℃。
4.如权利要求1所述的基于真空离心铸造的铝合金板带材制备方法，其特征在于：步骤二中：铸管坯模具旋转的转速为100-1800rpm。
5.如权利要求1所述的基于真空离心铸造的铝合金板带材制备方法，其特征在于：步骤二中，采用真空离心铸造方式铸造的铸管坯的外径100～3500mm，壁厚3～400mm。
6.如权利要求1所述的基于真空离心铸造的铝合金板带材制备方法，其特征在于：
步骤二的第1)步中：将坩埚内铝合金液平稳浇铸至旋转的铸管坯模具中时，对铸管坯模具进行降温。
7.如权利要求1所述的基于真空离心铸造的铝合金板带材制备方法，其特征在于：步骤三中：将真空离心铸造制备得到的铸管坯沿铸管坯的中轴线剖开。
8.一种铸造铸管坯的真空离心铸造装置，其特征在于：包括炉体(1)、用于测量炉体温度的测温装置(7)、用于测量铸管坯模具(11)温度的红外测温系统(15)以及设置在炉体(1)内的耐火容器(10)、用于给铸管坯模具(11)提供冷却空气的气刀(8)和铸管坯模具(11)；
炉体(1)分别与设置在炉体(1)外的真空系统(16)和加料装置(6)连通，炉体(1)上设有安全阀(14)；耐火容器(10)的外壁设有感应线圈(2)，耐火容器(10)的出料口与铸管坯模具(11)通过流槽(12)连接；铸管坯模具(11)外设有离心机构(4)。
9.如权利要求10所述的铸造铸管坯的真空离心铸造装置，其特征在于：所述的炉体(1)与加料装置(6)通过加料斗(5)连通；
所述的炉体(1)与真空系统(16)通过主真空挡板(13)连通；
所述的铸管坯模具(11)外壁设有保温包(3)。
10.一种铸造铸管坯的真空离心铸造装置的应用，其特征在于：所述的真空离心铸造装置用于权利要求1-7任一项所述的基于真空离心铸造的铝合金板带材制备方法中。
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