一种大规格高纯均质细晶铝合金铸锭及铸造方法技术

本发明专利技术涉及大规格铝合金均质细晶铸造的技术领域，具体来说，是一种大规格高纯均质细晶铝合金铸锭及铸造方法。其组成为按重量百分比计得到下述组分：Si0.55‑0.85％，Fe≤0.25％，Cu≤0.20％，Mn≤0.50％，Mg0.45‑0.7％，Cr≤0.30％，Zn≤0.10％，Ti≤0.10％，Na≤0.05％，Ca≤0.05％，K≤0.05％，Pb≤0.01％，杂质≤0.15％，余量为Al。通过成分优化、熔炼铸造工艺优化，通过研究加热温度、保温时间、冷却速率等因素对大规格铸棒组织性能的影响，确定最佳均匀化工艺，提高铸锭性能。

【技术实现步骤摘要】
一种大规格高纯均质细晶铝合金铸锭及铸造方法
本专利技术涉及大规格铝合金均质细晶铸造的
，具体来说，是一种大规格高纯均质细晶铝合金铸锭及铸造方法。
技术介绍
大规格细晶、均质铝合金铸锭的制备，是高端大规格高性能铝合金型材制备的前提。然而，随着铸锭尺寸的增大，会造成以下几个控制难点：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。其晶粒粒度分布特点是在铸锭周边很容易实现细小晶粒，而靠近铸锭中心部位则很容易出现粗大晶粒。再者结合铝合金凝固特点，超大直径铸锭在凝固过程中，很可能有一部分气体来不及逸出，从而很容易形成气体性疏松。6005A铝合金是在6005合金的基础上发展起来的一种中强变形铝合金，挤压性能很好，能在挤压机上实现在线淬火。在国外6005A合金主要用作交通运输车辆所需的薄壁、中空大型铝合金壁板型材以及其他工业用结构型材。6005A合金作为典型的Al-Mg-Si系合金中所含合金元素主要有Si、Mg、Mn、Cr和少量杂质Fe等。
技术实现思路
针对现有技术的上述大规格铝合金铸锭铸造过程中的晶粒组织不均匀等一系列不足，本专利技术提供一种大规格高纯均质细晶铝合金铸锭及铸造方法，以解决上述技术问题。本专利技术的技术方案为：一种大规格高纯均质细晶铝合金铸锭，其组成为按重量百分比计得到下述组分：Si0.55-0.85％，Fe≤0.25％，Cu≤0.20％，Mn≤0.50％，Mg0.45-0.7％，Cr≤0.30％，Zn≤0.10％，Ti≤0.10％，Na≤0.05％，Ca≤0.05％，K≤0.05％，Pb≤0.01％，杂质≤0.15％，余量为Al。主要合金化元素Si、Mg的设计：Si0.55-0.85％，Mg0.45-0.70％，过剩Si控制在0.2-0.4％，Mg2Si含量控制在0.7-1.0％。在6005A成分范围内，当合金铸锭中Mg含量过剩，不仅会降低Mg2Si在固溶体中的溶解度，使合金的时效强化效果减弱，而且严重影响合金的成型性能；另一方面，Si过剩既使强度增加，又使塑性上升，提高铸造性能与焊接性能，但降低了耐腐蚀性能可能会引起晶间腐蚀。Mg2Si与过剩Si含量(≤0.5％)较多时，合金铸锭的拉伸性能较好，说明Mg2Si与过剩Si对合金铸锭具有一定的强化作用。而当过剩Si超过0.5％时，合金铸锭的屈服强度、抗拉强度、延伸率都显著下降，说明过多的过剩Si严重损害合金铸锭的强度和塑性。最终确定内控:Si0.55-0.85％，Mg0.45-0.70％，过剩Si控制在0.2-0.4％，Mg2Si含量控制在0.7-1.0％。Mg和Si是Al-Mg-Si系合金中的主要合金元素，Mg和Si在合金中形成强化相Mg2Si，对合金起主要的强化作用。Mg与Si比值为1.73，当比例不符合时就会有Si或Mg过剩。合金铸锭组织中Mg2Si，存在的不同形式，对铸锭的挤压性能有很大影响。当Mg2Si相以粗大的析出物存在于合金铸锭中时，合金中只有极少量的Mg2Si固溶体，因而挤压时变形抗力降低，挤压速度提高。但由于挤压时产生不充分的Mg2Si重熔和挤压制品在模具中由于有粗大的析出物存在而导致的显微撕裂，使得人工时效后的机械性能下降，表面质量恶化；当Mg2Si相充分固溶于基体α(A1)中时，合金强度提高，但变形抗力增大，挤压速度降低。当Mg2Si相以细小弥散的质点分布于基体Al中时，这些细小的质点很容易被挤压过程中所产生的高热而固溶。因此，这种组织的初始变形抗力较低，可以采用较高的挤压速度，能提高表面质量，也不影响时效强化的效果。晶粒细化元素Mn、Cr、Ti的设计：当合金中添加0.15％Mn以下和0.08％Cr以下时，合金的均匀化组织中所析出的质点较少，杂质相AlFeSi的β-α转化不完全。热挤压后合金组织为部分再结晶变形组织；而添加0.15-0.50％Mn和0.08-0.30％Cr时，均匀化后的组织中析出了弥散细小的含Mn、Cr的质点，针状或片状的βAlFeSi基本转化成了较粗大的粒状相αAlFeSi。热挤压后合金组织为纤维状未再结晶组织。而所形成的纤维状组织由于组织强化(挤压效应)可较大地提高合金强度，降低对应力腐蚀开裂的敏感性，改善合金的韧性。同时，AlFeSi相的β-α转化可以降低脆断效应，改善合金的挤压性能，提高表面质量。因此，最终确定添加0.15-0.50％Mn和0.08-0.30％Cr后，6005A合金显示出了较高的强度，也能获得较高的塑性和韧性、较好的表面质量，而Ti在满足0.1％且能达到细化晶粒作用，为避免TiB2聚集，Ti含量控制在0.03-0.10％。合金中Mn和Cr的添加量不能过多，也不能过少，过少则起不到抑制再结晶，促进AlFeSi相转变和均匀变形的作用，过多则会与其它组成元素和杂质元素形成粗大的化合物，大大降低合金的性能，或在挤压在线淬火过程中成为强化相Mg2Si析出的核心，提高合金的淬火敏感性，在加Cr的同时加入少于0.1％的Ti，可以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。本专利技术的另一目的在于提供一种大规格高纯均质细晶铝合金铸锭的铸造方法，包括熔体净化工艺步骤，具体如下：(a)投料结构：采用自投固体料方式投料，装炉顺序：99.85-99.9％高纯铝锭→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＜15ppm以下和熔铸时间：除所有使用无Na熔剂外，采用700-760℃以下的高温熔炼，缩短熔炼时间在4-6h内，炉料下塌后须撒无钠覆盖剂，均匀地散入无钠覆盖剂全面覆盖，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，确保熔体温度在要求范围700-760℃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3-4h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。(c)提高熔体的纯净度：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无Na覆盖剂彻底覆盖；熔炼时间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，经过除气箱再本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大规格高纯均质细晶铝合金铸锭，其特征在于，其组成为按重量百分比计得到下述组分：Si0.55-0.85％，Fe≤0.25％，Cu≤0.20％，Mn≤0.50％，Mg0.45-0.7％，Cr≤0.30％，Zn≤0.10％，Ti≤0.10％，Na≤0.05％，Ca≤0.05％，K≤0.05％，Pb≤0.01％，杂质≤0.15％，余量为Al。/n

【技术特征摘要】
1.一种大规格高纯均质细晶铝合金铸锭，其特征在于，其组成为按重量百分比计得到下述组分：Si0.55-0.85％，Fe≤0.25％，Cu≤0.20％，Mn≤0.50％，Mg0.45-0.7％，Cr≤0.30％，Zn≤0.10％，Ti≤0.10％，Na≤0.05％，Ca≤0.05％，K≤0.05％，Pb≤0.01％，杂质≤0.15％，余量为Al。


2.根据权利要求1所述的大规格高纯均质细晶铝合金铸锭，其特征在于，Si0.55-0.85％，Mg0.45-0.70％，过剩Si控制在0.2-0.4％，Mg2Si含量控制在0.7-1.0％。


3.根据权利要求1或2所述的大规格高纯均质细晶铝合金铸锭，其特征在于，0.15-0.50％Mn和0.08-0.30％Cr，，Ti含量控制在0.03-0.10％。


4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的大规格高纯均质细晶铝合金铸锭的铸造方法，其特征在于，包括熔体净化工艺步骤，具体如下：
(a)投料结构：采用自投固体料方式投料，装炉顺序：99.85-99.9％高纯铝锭→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＜15ppm以下和熔铸时间：除所有使用无Na熔剂外，采用700-760℃以下的高温熔炼，缩短熔炼时间在4-6h内，炉料下塌后须撒无钠覆盖剂，均匀地散入无钠覆盖剂全面覆盖，炉料全部熔化后，间隔1-...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永卉，王鹏，王明坤，刘博，韩正乾，赵吉峰，吴茂来，冯骥，张新峰，孔令均，周庆涛，孙文超，欧庆峰，杨富波，鞠克江，王涛，张寒，傅冰霜，董阳，李士海，
申请(专利权)人：山东兖矿轻合金有限公司，兖矿集团有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37