CN115584407A - 一种锻造构件用高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备方法 - Google Patents
一种锻造构件用高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公布了一种锻造构件用高性能Al‑Zn‑Mg‑Cu系铝合金的高效制备方法，包括在熔炼炉内预先放入铝冷料，然后加入原铝液，之后对铝液进行除碱处理，除碱处理完成后在熔体中先加铜板、锌锭和添加剂，熔化后对熔体扒渣，然后在熔体中加入镁锭，熔炼过程通过电磁搅拌使元素分散均匀之后，加入粉末精炼剂并通入氮气精炼，静置，铸造得到Al‑Zn‑Mg‑Cu系铝合金；铸造好的铝合金放入均匀化处理炉中，在570℃下进行均质化处理。本发明通过充分利用原铝液高温优势快速熔解铝冷料和难熔合金成分，并实现快速降温，不仅能耗低，还能缩短工艺流程，提升熔炼效率和金属收率；通过熔体、铸造和均质化控制，实现Al‑Zn‑Mg‑Cu系铝合金的均匀化和细晶。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种锻造构建用高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备方法。
背景技术
随着我国交通运输业向轻量化方向发展，近年来大量铝及铝合金锻件取代了原来的钢构件作为重要的受力部件及结构件叫。飞机、战斗机等装备的重要结构零部件几乎全部采用铝锻件;汽车轮毂、坦克负重轮、火车气缸等部件也大都采用铝合金模锻件。其中Al-Zn-Mg-Cu系铝合金模锻件由于密度小、比强度高、耐腐蚀性优和表面处理性能良好等优点，被广泛的应用于制备大型厚板及航空锻件。
在航空领域，为了满足减重的需要，大多铝合金锻件被要求具有较高的尺寸精度、优良的机械性能以及较好的组织流线分布。这对铝合金材料的成分、偏析、组织均匀性、晶粒大小等指标提出更高要求。然而，这类铝合金材料在成形的过程中，由于工艺参数的设置欠佳，会造成各种成形缺陷，裂纹、夹杂、组织晶粒粗大且分布不均等质量问题。这些缺陷的出现会大大的降低铝合金的力学性能，给后续锻造和使用形成非常高的隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锻造构建用高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备方法。
本发明的目的是这样实现的，所述的锻造构建用高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备方法包括前处理、熔炼、精炼和后处理步骤，具体包括：
A、前处理：
1）将覆盖剂、精炼剂、打渣剂烘干备用；
2）按铝冷料和原铝液质量比为（20~30）：（70~80）的配比先将铝冷料置于熔炼炉内，然后加入温度为900~2000℃的配比原铝液，在铝冷料熔化之后，按400~750g/min添加氟化铝颗粒，同时按20~50L/min的流量通入氩气，持续时间10~30min进行除碱得到物料a；
B、熔炼：在物料a温度降至750~770℃时加入铜板、锌锭和添加剂，待铜板、锌锭和添加剂熔化后对熔体扒渣，然后在熔体温度为700~750℃时加入镁锭，电磁搅拌至熔融后得到物料b；
C、精炼：控制物料b的温度为710~730℃的时候加入物料b重量0.05~0.15%的粉末精炼剂并通入氮气进行精炼15~20min后得到Al-Zn-Mg-Cu的铝合金熔体c；
D、后处理：
1）将Al-Zn-Mg-Cu的铝合金熔体c在700~720℃温度下静置20~30min得到物料d；
2）向物料c中加入Al-Ti-C晶粒细化丝，在温度660~710℃时候进行铸造得到Al-Zn-Mg-Cu系铝合金e初品；
3）将Al-Zn-Mg-Cu系铝合金e初品在550~600℃保温4~6h，冷却得到目标物Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。
具体操作如下：
A、配料：将镁锭、锌锭、铜板、添加剂、铝冷料（铝锭、废料、熔铸锯切头）、晶粒细化丝等原材料计量后分批运上炉前操作平台；覆盖剂、精炼剂、打渣剂烘干备用。
B、除碱:在熔炼炉内预先放入20%-30%的铝冷料，然后加入原铝液，铝冷料熔化之后对铝液进行除碱处理，在除碱过程中，向原铝液中加入氟化铝颗粒，添加速度为400-750g/min，并向铝液中通入氩气，氩气流量20-50L/min，除碱时间为10-30min。
C、熔炼：除碱处理完成后在铝液温度达到750～770℃时加铜板、锌锭和添加剂，铜板和锌锭的尺寸以熔池中的熔体刚好能淹没住为宜，熔化后对熔体扒渣；然后在熔体温度为700～750℃时加入镁锭；熔炼过程中开启电磁搅拌，使元素分散均匀，后取样分析，根据结果适当调整成分。
D、精炼:向熔炼炉的熔体温度为710-730℃时，加入铝熔体重量0.1%的粉末精炼剂并通入氮气，经除渣、除气，精炼15-20min后，获得主要元素为Al-Zn-Mg-Cu的铝合金熔体。
E、静置:将精练后的铝合金熔体在700-720℃下静置20-30min，然后进行铸造。
F、在熔体从熔炼炉流动到铸造系统的过程中，向熔体加入Al-Ti-C晶粒细化丝，添加量为每吨熔体1-2g；铸造时的温度控制在660-710℃，铸造速度为12mm/min-20mm/min，得到Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。
G、将铸造好的铝合金放入均匀化处理炉中，在570℃下保温4-6h，再通过风冷从570摄氏度降到250℃，风冷速度为200-400℃/h，然后再将铝合金放入水中，由250℃左右激冷至50℃。
所述B步骤中，利用在900℃以上的原铝液中添加20%-30%铝冷料，使铝熔体快速降温至800℃以下，减少熔化冷料的能源消耗，提升熔炼速度。
所述B步骤中，对铝熔体进行除碱处理，在除碱过程中，向原铝液中加入氟化铝颗粒，添加速度为400-750g/min，并向铝液中通入氩气，氩气流量20-50L/min，除碱时间为10-30min。
所述C步骤中，向铝熔体添加的镁锭、锌锭主要元素纯度≥99.9%，铜板主要元素纯度≥99.5%。
所述C步骤中先在750～770℃时加铜板、锌锭，铜板和锌锭的尺寸以熔池中的熔体刚好能淹没住为宜，熔化后对熔体扒渣；然后在熔体温度降低到700～750℃时加入镁锭，以减短镁在熔体中的保温时间，减少镁元素烧损。
所述C步骤中的铝熔体在加入铜板、锌锭的同时加入添加剂，包括钛、铜、锰、铁金属添加剂中的一种或任意组合，各金属添加剂中包括金属粉末和助熔剂，所述助熔剂包括氟铝酸钾、氢化钛和铝粉且质量比为4-7:1:1，所述金属粉末占粉末精炼剂总质量的70-75%。
所述F步骤中在熔体从熔炼炉流动到铸造系统的过程中，向熔体加入Al-Ti-C晶粒细化丝，添加量为每吨熔体1-2g。
所述F步骤中在进行铝合金铸造时，铸造温度控制在660-710℃，铸造速度为12mm/min-20mm/min。
所述G步骤中在进行铝合金均质化时，在570℃下保温4-6h，再通过风冷从570摄氏度降到250℃，风冷速度为200-400℃/h，然后再将铝合金放入水中，由250℃左右激冷至50℃。
所述A-F步骤中，整个Al-Zn-Mg-Cu系铝合金铸造周期为4小时。
本发明的有益效果：
1、本发明针对传统高性能铝合金材料制备过程中熔体成分控制困难，碱金属除去效果差等问题，改良了铝合金材料主要元素含量，并通过加入氟化铝和控制氩气通入速度除碱精炼，有效降低熔体中Li、Na等碱金属含量，避免了碱金属元素对铝合金材料性能和组织的不良影响。
2、本发明针对传统铝合金熔炼过程中流程长、升温次数多、金属烧损大等问题，通过合理配比高温原铝液和铝冷料，实现冷料快速熔化和铝液迅速降温，然后逐步添加铜、锌等难熔金属，利用熔体高温充分、快速熔解，在熔体温度进一步下降后，再添加镁等易氧化金属，减少镁的烧损，可提高金属实收率。
3、本发明在熔炼中采用新型的粉末添加剂，通过控制添加剂中金属粉末和助溶剂质量占比，使添加剂在加入铝熔体后，金属元素能快速熔化并均匀分散到熔体中，减少金属元素烧损，有效避免元素偏聚，缩短熔炼时间。
4、本发明在铸造前采用晶粒细化工艺，在浇铸溜槽内将Al-Ti-C晶粒细化丝引入铝熔体中，改良铝合金凝固过程，提升晶粒形核率；并通过控制铸造温度、铸造速度和铸造冷却强度，使铝合金材料从内到外的凝固速度均匀，避免了铝合金材料内外组织和成分的不一致，提升产品性能。
5、本发明在铝合金铸造后，采用均质化工艺，将铝合金材料升温到570℃保温4-6h，使铸造过程中因为局部冷却速度不均形成的偏析聚集元素组织溶解到铝合金基体中，在通过分级降温过程，使合金元素均匀的在材料内部析出；同时，通过均质化处理，可并消除铸造残余应力，避免后续锻造等加工过程出现缺陷的可能性，提升材料力学性能。
附图说明
图1为实施例2得到的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的金相图；
图2为实施例2的均质化处理保温图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
本发明所述的锻造高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备方法，包括前处理、熔炼、精炼和后处理步骤，具体包括：
A、前处理：
1）将覆盖剂、精炼剂、打渣剂烘干备用；
2）按铝冷料和原铝液质量比为（20~30）：（70~80）的配比先将铝冷料置于熔炼炉内，然后加入温度为900~2000℃的配比原铝液，在铝冷料熔化之后，按400~750g/min添加氟化铝颗粒，同时按20~50L/min的流量通入氩气，持续时间10~30min进行除碱得到物料a；
B、熔炼：在物料a温度降至750~770℃时加入铜板、锌锭和添加剂，待铜板、锌锭和添加剂熔化后对熔体扒渣，然后在熔体温度为700~750℃时加入镁锭，电磁搅拌至熔融后得到物料b；
C、精炼：控制物料b的温度为710~730℃的时候加入物料b重量0.05~0.15%的粉末精炼剂并通入氮气进行精炼15~20min后得到Al-Zn-Mg-Cu的铝合金熔体c；
D、后处理：
1）将Al-Zn-Mg-Cu的铝合金熔体c在700~720℃温度下静置20~30min得到物料d；
2）向物料c中加入Al-Ti-C晶粒细化丝，在温度660~710℃时候进行铸造得到Al-Zn-Mg-Cu系铝合金e初品；
3）将Al-Zn-Mg-Cu系铝合金e初品在550~600℃保温4~6h，冷却得到目标物Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。
所述的铝冷料为铝锭、铝废料和铝熔铸锯切头中的一种或几种。
B步骤中所述的镁锭、锌锭的纯度均≥99.9%。
B步骤中所述的添加剂为钛、铜、锰和铁金属添加剂中的一种或几种；
所述的各金属添加剂由金属粉末和助熔剂组成，金属粉末的质量百分数为70~75%。
所述的助熔剂由质量配比为（4~7）：1:1的氟铝酸钾、氢化钛和铝粉组成。
D步骤2）中Al-Ti-C晶粒细化丝的添加量为每吨物料c中添加1~2g。
D步骤2）中所述铸造的条件为：温度660~710℃，铸造速度为12mm/min~20mm/min。
D步骤3）中所述的冷却是首先通过风冷将Al-Zn-Mg-Cu系铝合金e初品从550~600℃降到230~260℃，风冷的降温速率控制在200~400℃/h；然后再将Al-Zn-Mg-Cu系铝合金e初品放入水中由230~260℃急速冷却至40~60℃。
Al-Zn-Mg-Cu系铝合金制备周期控制在3.5~4.5h。
下面以具体实施例对本发明进行进一步说明：
实施例1
铜含量较高的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金制备
根据所需成分提前将镁锭、锌锭、铜板、添加剂、铝冷料（铝锭、废料、熔铸锯切头）、晶粒细化丝等原材料计量后分批运上炉前操作平台；覆盖剂、精炼剂、打渣剂烘干备用。熔炼炉内预先放入20%的铝冷料，然后加入原铝液，铝冷料熔化之后对铝液进行除碱处理，在除碱过程中，向原铝液中加入氟化铝颗粒，添加速度为500g/min，并向铝液中通入氩气，氩气流量30L/min，除碱时间为10min。除碱处理完成后在铝液温度达到770℃时加铜板、锌锭和添加剂，熔化后对熔体扒渣；然后在熔体温度为740℃时加入镁锭；熔炼过程中开启电磁搅拌，使元素分散均匀，后取样分析，根据结果适当调整成分。合金成分达到目标后控制熔体温度为720℃时，加入铝熔体重量0.1%的粉末精炼剂并通入氮气，经除渣、除气，精炼15min后，获得主要元素为Al-Zn-Mg-Cu的铝合金熔体;将精练后的铝合金熔体在720℃下静置30min，然后进行铸造。在熔体从熔炼炉流动到铸造系统的过程中，向熔体加入Al-Ti-C晶粒细化丝，添加量为每吨熔体2g；铸造时的温度控制在710℃，铸造速度为16mm/min，得到Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。将铸造好的铝合金放入均匀化处理炉中，在570℃下保温6h，再通过风冷从570摄氏度降到250℃，风冷速度为300℃/h，然后再将铝合金放入水中，由250℃左右激冷至50℃。
实施例2
镁含量较高的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金制备
将镁锭、锌锭、铜板、添加剂、铝冷料（铝锭、废料、熔铸锯切头）、晶粒细化丝等原材料计量后分批运上炉前操作平台；覆盖剂、精炼剂、打渣剂烘干备用。在熔炼炉内预先放入25%的铝冷料，然后加入原铝液，铝冷料熔化之后对铝液进行除碱处理，在除碱过程中，向原铝液中加入氟化铝颗粒，添加速度为500g/min，并向铝液中通入氩气，氩气流量30L/min，除碱时间为15min。除碱处理完成后在铝液温度达到750℃时加铜板、锌锭和添加剂，熔化后对熔体扒渣；然后在熔体温度为700℃时加入镁锭；熔炼过程中开启电磁搅拌，使元素分散均匀，后取样分析，根据结果适当调整成分。后在熔体温度为710℃时，加入铝熔体重量0.1%的粉末精炼剂并通入氮气，经除渣、除气，精炼15min后，获得主要元素为Al-Zn-Mg-Cu的铝合金熔体;将精练后的铝合金熔体在700℃下静置20min，然后进行铸造。在熔体从熔炼炉流动到铸造系统的过程中，向熔体加入Al-Ti-C晶粒细化丝，添加量为每吨熔体2g；铸造时的温度控制在690℃，铸造速度为20mm/min，得到Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。将铸造好的铝合金放入均匀化处理炉中，在570℃下保温4h，再通过风冷从570摄氏度降到250℃，风冷速度为200℃/h，然后再将铝合金放入水中，由250℃左右激冷至50℃。产品金相见附图1所示。
Claims (10)
1.一种锻造高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备方法，其特征在于包括前处理、熔炼、精炼和后处理步骤，具体包括：
A、前处理：
1）将覆盖剂、精炼剂、打渣剂烘干备用；
2）按铝冷料和原铝液质量比为（20~30）：（70~80）的配比先将铝冷料置于熔炼炉内，然后加入温度为900~2000℃的配比原铝液，在铝冷料熔化之后，按400~750g/min添加氟化铝颗粒，同时按20~50L/min的流量通入氩气，持续时间10~30min进行除碱得到物料a；
B、熔炼：在物料a温度降至750~770℃时加入铜板、锌锭和添加剂，待铜板、锌锭和添加剂熔化后对熔体扒渣，然后在熔体温度为700~750℃时加入镁锭，电磁搅拌至熔融后得到物料b；
C、精炼：控制物料b的温度为710~730℃的时候加入物料b重量0.05~0.15%的粉末精炼剂并通入氮气进行精炼15~20min后得到Al-Zn-Mg-Cu的铝合金熔体c；
D、后处理：
1）将Al-Zn-Mg-Cu的铝合金熔体c在700~720℃温度下静置20~30min得到物料d；
2）向物料c中加入Al-Ti-C晶粒细化丝，在温度660~710℃时候进行铸造得到Al-Zn-Mg-Cu系铝合金e初品；
3）将Al-Zn-Mg-Cu系铝合金e初品在550~600℃保温4~6h，冷却得到目标物Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。
2.根据权利要求1所述的锻造高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备方法，其特征在于，所述的铝冷料为铝锭、铝废料和铝熔铸锯切头中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的锻造高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备方法，其特征在于，B步骤中所述的镁锭、锌锭的纯度均≥99.9%。
4.根据权利要求1所述的锻造高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备方法，其特征在于，B步骤中所述的添加剂为钛、铜、锰和铁金属添加剂中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的锻造高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备方法，其特征在于，所述的各金属添加剂由金属粉末和助熔剂组成，金属粉末的质量百分数为70~75%。
6.根据权利要求5所述的锻造高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备方法，其特征在于，所述的助熔剂由质量配比为（4~7）：1:1的氟铝酸钾、氢化钛和铝粉组成。
7.根据权利要求1所述的锻造高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备方法，其特征在于，D步骤2）中Al-Ti-C晶粒细化丝的添加量为每吨物料c中添加1~2g。
8.根据权利要求1所述的锻造高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备方法，其特征在于，D步骤2）中所述铸造的条件为：温度660~710℃，铸造速度为12mm/min~20mm/min。
9.根据权利要求1所述的锻造高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备方法，其特征在于，D步骤3）中所述的冷却是首先通过风冷将Al-Zn-Mg-Cu系铝合金e初品从550~600℃降到230~260℃，风冷的降温速率控制在200~400℃/h；然后再将Al-Zn-Mg-Cu系铝合金e初品放入水中由230~260℃急速冷却至40~60℃。
10.根据权利要求1所述的锻造高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备方法，其特征在于，Al-Zn-Mg-Cu系铝合金制备周期控制在3.5~4.5h。
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