一种舰船船体用铝合金大规格扁铸锭的制造方法与流程

本发明涉及一种铝合金大规格扁铸锭的制造方法。

背景技术：

随着科学技术的发展时代不断进步，舰船制造业在提高制造质量和降低能耗方面又有了新的发展方向。舰船船体的轻量化是舰船轻量化的重要领域，铝合金船体与钢船体具有相当的强度时，其质量是远低于钢船体，因而铝制船艇即使在重载情况下，也比钢船更易提速、滑行，航行更加平稳、舒适，操作也更为灵活机动。在实际应用中，船用铝合金的优势非常明显。而现有方法制造的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭存在力学强度和耐蚀性差、寿命低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有方法制造的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭，力学强度及耐蚀性差和寿命低的问题，提供了一种生产舰船船体用铝合金大规格扁铸锭的制造方法。

一种舰船船体用铝合金大规格扁铸锭按重量百分比由0.7％～1.1％Mn、5.5％～6.5％Mg、0.03％～0.15％Zr、0.10％～0.30％Er和余量的Al作为熔炼原料而制成；所述舰船船体用铝合金大规格扁铸锭中杂质Si和Fe重量百分比小于0.4％，杂质Zn重量百分比小于0.2％，杂质Cu、Ni和Cr重量百分比小于0.1％。

一种舰船船体用铝合金大规格扁铸锭的制造方法按下列步骤实现：

一、按重量百分比分别称取0.7％～1.1％的Mn、5.5％～6.5％的Mg、0.03％～0.15％的Zr、0.10％～0.30％的Er和余量的Al，将称取的物质放入不同的容器内，待用；所述0.7％～1.1％的Mn是通过称取铝锰中间合金实现的，所述5.5％～6.5％的Mg是通过称取金属镁实现的，所述0.03％～0.15％的Zr是通过称取铝锆中间合金实现的，所述0.10％～0.30％的Er是通过称取铝铒中间合金实现的，所述Al是通过称取铝锭实现的；

二、制备铝合金熔体：首先将称取的铝锭加入到电阻反射炉内，然后加入铝锰中间合金、铝锆中间合金，加热温度至760℃～800℃向电阻反射炉内加铝铒中间合金，加入铝铒中间合金后每10min～30min搅拌一次，共搅拌1～5次，搅拌期间保持熔体温度在760℃～800℃；然后加金属镁和铝锆中间合金搅拌搅拌5min～10min，采用Ar-Cl₂混合气体精炼5min～10min，覆盖上熔剂后得到合金熔体；

三、半连续铸造：在温度为740℃～760℃的条件下，将步骤二得到的合金熔体导入电阻反射炉的静置炉中，通入Ar-Cl₂混合气体，精炼9min～15min后静置10min～30min，保持电阻反射炉中的合金熔体液面和流盘内的合金熔体液面在同一水平，然后在铸造速度为35mm/min～40mm/min，铸造温度为715℃～740℃，铸造冷却水压为0.03MPa～0.08MPa的条件下进行半连续铸造得到舰船船体用铝合金大规格扁铸锭。

所述舰船船体用铝合金大规格扁铸锭中杂质Si、Fe质量百分比小于0.4％，杂质Zn质量百分比小于0.2％，杂质Cu、Ni、Cr质量百分比小于0.1％。

所述步骤二覆盖的熔剂是按质量百分数由45％的KCl、30％的NaCl和25％的Na₃AlF₆组成。

Mg元素是变形铝合金中使用最广泛、最有效的合金元素之一。Mg元素的主要作用是通过固溶强化和与其他元素形成一系列的可溶的金属化合物强化相来提高合金的强度。

Mn在该舰船用铝合金中做为辅助组元，一方面，通过固溶强化、消除Fe的有害影响，产生挤压效应，对合金起补充强化作用，另一方面，Mn还可以改善抗蚀性、焊接性，提高再结晶温度、防止变形后退火时晶粒粗化的作用。在高镁合金中加入1％以下的Mn元素可以起到补充强化作用，并降低热裂倾向。

在铝合金中添加稀土元素能够降低杂质的有害作用,改变铝合金的析出动力学,其中元素Er在铝合金中可以形成与基体铝共格或半共格的Al₃Er粒子,这种粒子与Al₃Sc及Al₃Zr结构同为立方晶系,属Pm3m空间群,具有熔点高、稳定性好等特点,可以提高合金的强度。Er在合金中主要以Al₃Er的形式存在,而且细小的Al₃Er可作为η相异质形核的核心,可以提高时效态合金的力学性能。

本发明相对于现有技术的优点：

1、本发明采用同水平半连续铸造工艺并结合铝合金铸锭原料的科学配比有效降低了拉裂废品的产生，缩短了铸造时间，并保证了铸锭的表面质量；通过在高镁合金中加入铒元素，使铝合金强度提高20％以上，热稳定性提高50℃左右；而且铒元素相对于其他稀土元素价格低廉，这使得发展新型工业规模含铒高性能铝合金成为可能；在为改善铸锭的内部质量和表面质量提供了有利条件，本发明针对不同合金的特性选择不同的加入时机、熔炼温度及搅拌方法，解决了各元素充分合金化的问题，铸锭成品率有所提高；本发明制得的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭的规定非比例伸长应力为141～156N/mm²，抗拉强度N/mm²为290～313，伸长率为8.96～11.2％，而不含Er元素铝合金制得的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭力学性能检测结果表明规定非比例伸长应力为131～148N/mm²，抗拉强度 N/mm²为232～265，伸长率为8.31～9.35％，解决了现有方法制备的舰船用铝合金铸锭力学性能、耐蚀性差寿命低的问题。

2、本发明的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭还具有以下优点，首先是比重小，仅为钢的1/3，可减轻船重，节约能耗，增加载重量；其次是抗腐蚀性好，减少涂油等费用，延长使用年限；三是焊接、加工成型性能好，利于后期加工；最后铝废料易于回收，可以循环使用，同时，不燃烧，遇火安全。

附图说明

图1为实施例一制得的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭沿厚度方向边部位置的高倍组织照片；

图2为实施例一制得的汽舰船船体用铝合金大规格扁铸锭沿厚度方向1/4位置的高倍组织照片；

图3为实施例一制得的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭沿厚度方向中心位置的高倍组织照片。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方案，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式所述的一种舰船船体用铝合金大规格扁铸锭按重量百分比由0.7％～1.1％Mn、5.5％～6.5％Mg、0.03％～0.15％Zr、0.10％～0.30％Er和余量的Al作为熔炼原料而制成；所述舰船船体用铝合金大规格扁铸锭中杂质Si和Fe重量百分比小于0.4％，杂质Zn重量百分比小于0.2％，杂质Cu、Ni和Cr重量百分比小于0.1％。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是舰船船体用铝合金大规格扁铸锭是按重量百分比由0.9％Mn、6.2％Mg、0.09％Zr、0.22％Er和余量的Al作为熔炼原料而制成。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。

具体实施方式三：如具体实施方式一所述的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭的制造方法按下列步骤实现：

一、按重量百分比分别称取0.7％～1.1％的Mn、5.5％～6.5％的Mg、0.03％～0.15％的Zr、0.10％～0.30％的Er和余量的Al，将称取的物质放入不同的容器内，待用；所述0.7％～1.1％的Mn是通过称取铝锰中间合金实现的，所述5.5％～6.5％的Mg是通过称取金属镁实现的，所述0.03％～0.15％的Zr是通过称取铝锆中间合金实现的，所述0.10％～0.30％的Er是通过称取铝铒中间合金实现的，所述Al是通过称取铝锭实现的；

二、制备铝合金熔体：首先将称取的铝锭加入到电阻反射炉内，然后加入铝锰中间合金、铝锆中间合金，加热温度至760℃～800℃向电阻反射炉内加铝铒中间合金，加入铝铒中间合金后每10min～30min搅拌一次，共搅拌1～5次，搅拌期间保持熔体温度在760℃～800℃；然后加金属镁和铝锆中间合金搅拌搅拌5min～10min，采用Ar-Cl₂混合气体精炼5min～10min，覆盖上熔剂后得到合金熔体；

三、半连续铸造：在温度为740℃～760℃的条件下，将步骤二得到的合金熔体导入电阻反射炉的静置炉中，通入Ar-Cl₂混合气体，精炼9min～15min后静置10min～30min，保持电阻反射炉中的合金熔体液面和流盘内的合金熔体液面在同一水平，然后在铸造速度为35mm/min～40mm/min，铸造温度为715℃～740℃，铸造冷却水压为0.03MPa～0.08MPa的条件下进行半连续铸造得到舰船船体用铝合金大规格扁铸锭；

所述舰船船体用铝合金大规格扁铸锭中杂质Si、Fe质量百分比小于0.4％，杂质Zn质量百分比小于0.2％，杂质Cu、Ni、Cr质量百分比小于0.1％。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤一舰船船体用铝合金大规格扁铸锭是按重量百分比为0.9％Mn、6.2％Mg、0.09％Zr、0.22％Er和余量的Al。其它步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是步骤一中铝锭的纯度为99.7％。其它步骤及参数与具体实施方式三或四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是步骤二覆盖的熔剂是按质量百分数由45％的KCl、30％的NaCl及25％的Na₃AlF₆组成。其它步骤及参数与具体实施方式三至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是步骤三通入Ar-Cl₂混合气体的速率为0.1m³/min～0.15m³/min、时间10min～20min。其它步骤及参数与具体实施方式三至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同的是步骤三在铸造速度为35mm/min，铸造温度为725℃及铸造冷却水压为0.05MPa的条件下进行半连续铸造。其它步骤及参数与具体实施方式三至七之一相同。

实施例一：

本实施例舰船船体用铝合金大规格扁铸锭的制造方法按下列步骤实现：

一、称取：按质量百分比为0.9％Mn、6.2％Mg、0.09％Zr、0.22％Er和余量的Al，所述Mn是通过称取铝锰中间合金实现的，所述Mg是通过称取金属镁实现的，所的Zr是 通过称取铝锆中间合金实现的，所述Er是通过称取铝铒中间合金实现的，所述Al是通过称取铝锭实现的；

二、制备铝合金熔体：首先将铝锭加入到电阻反射炉内，然后加入铝锰中间合金、铝锆中间合金，加热温度至780℃向电阻反射炉内加铝铒中间合金，加入铝铒中间合金后每20分钟搅拌一次，共搅拌3次，搅拌期间保持熔体温度在780℃。然后加金属镁和铝铍中间合金搅拌搅拌10min，采用Ar-Cl₂混合气体精炼10min，覆盖上熔剂后得到合金熔体；

三、半连续铸造：在温度为750℃的条件下，将步骤二得到的合金熔体导入电阻反射炉的静置炉，通入Ar-Cl₂混合气体，精炼15min后静置30min，保持电阻反射炉中的合金熔体液面和流盘内的合金熔体液面在同一水平，然后在铸造速度为35mm/min，铸造温度为725℃，铸造冷却水压为0.05MPa的条件下进行半连续铸造得到舰船船体用铝合金大规格扁铸锭；

所述舰船船体用铝合金大规格扁铸锭中杂质Si、Fe质量百分比小于0.4％，杂质Zn质量百分比小于0.2％，杂质Cu、Ni、Cr质量百分比小于0.1％。

步骤一中所述的铝锭的纯度为99.7％；

步骤二中所述的熔剂由质量百分比为45％的KCl、30％的NaCl及25％的Na₃AlF₆组成；

步骤三中通入Ar-Cl₂混合气体的速率为0.15m³/min、时间15min。

本实施例一得到舰船船体用铝合金大规格扁铸锭的成品率达到了95％。

表1:实施例一制得的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭的各试样化学成分(％)

注：1-3为铝合金铸锭厚度方向由边部到中心。

实施例一制得的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭的化学成分见表1，从化学成分上看符合该合金技术标准，由中心到边部化学成分偏析较小，成分均匀、符合偏析规律。

对实施例一制得的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭沿厚度方向，从边部至中心取20mm×20mm试样，进行铸锭高倍组织检查。图1为实施例一制得的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭沿厚度方向边部位置的高倍组织照片；图2为实施例一制得的汽舰船船体用 铝合金大规格扁铸锭沿厚度方向1/4位置的高倍组织照片；图3为实施例一制得的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭沿厚度方向中心位置的高倍组织照片；由图可知，从中心到边部，枝晶间距逐渐减小，第二相分布均匀，符合结晶规律。

对实施例一制得的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭沿厚度方向由边部至中心切取20mm×120mm试样，进行铸锭力学性能对比(见表2)。

表2实施例一制得的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭力学性能检测结果

注：7-11为铝合金铸锭厚度方向由边部到中心。

对不含Er元素制得的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭沿厚度方向由边部至中心切取20mm×120mm试样，进行铸锭力学性能对比(见表3)。

表3不含Er元素铝合金制得的舰船船体用铝合金大规格扁铸锭力学性能检测结果

从表2、3中可以看出，实施例一铸锭的性能差别较小，各部位组织比较均匀，规定非比例伸长应力、抗拉强度及伸长率明显高于以往舰船船体用铝合金的性能，其优质性能适用于制作舰船船体。

实施例二：

本实施例舰船船体用铝合金大规格扁铸锭的制造方法按下列步骤实现：

一、称取：按质量百分比为1.0％Mn、5.5％Mg、0.1％Zr、0.15％Er和余量的Al，所 述Mn是通过称取铝锰中间合金实现的，所述Mg是通过称取金属镁实现的，所的Zr是通过称取铝锆中间合金实现的，所述Er是通过称取铝铒中间合金实现的，所述Al是通过称取铝锭实现的；

二、制备铝合金熔体：首先将纯铝锭加入到电阻反射炉内，然后加入铝锰中间合金、铝锆中间合金，加热温度至790℃以上向电阻反射炉内加铝铒中间合金。然后加金属镁和铝铍中间合金搅拌搅拌10min，采用Ar-Cl₂混合气体精炼10min，覆盖上熔剂后得到合金熔体；

三、半连续铸造：在温度为750℃的条件下，将步骤二得到的合金熔体导入电阻反射炉的静置炉，通入Ar-Cl₂混合气体，精炼15min后静置30min，保持电阻反射炉中的合金熔体液面和流盘内的合金熔体液面在同一水平，然后在铸造速度为35mm/min，铸造温度为725℃，铸造冷却水压为0.05MPa的条件下进行半连续铸造得到舰船船体用铝合金大规格扁铸锭；

所述舰船船体用铝合金大规格扁铸锭中杂质Si、Fe质量百分比小于0.4％，杂质Zn质量百分比小于0.2％，杂质Cu、Ni、Cr质量百分比小于0.1％。

本实施例得到舰船船体用铝合金大规格扁铸锭的成品率达到了80％。