一种大规格高纯均质细晶铝合金铸锭及铸造方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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，本发明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。

本发明的技术方案为：

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。

本发明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，经过除气箱再次进行除气，保证在线检测氢气含量＜0.15ml/100gal；以降低疏松倾向性。

最后一道在线处理工序就是通过在线过滤箱，使用40-80ppi优质泡沫陶瓷过滤板，进行熔体过滤净化。

进一步的，所述的熔体净化工艺步骤的无钠覆盖剂为进口pyrotek无钠c2。

进一步的，本发明的大规格高纯均质细晶铝合金铸锭铸造方法，还包括细晶铸造工艺优化步骤，具体如下：根据本合金特点，加大铸造过程中二次冷却，以及选用晶粒细化剂进行细化晶粒，铸造速度：23mm/min-30mm/min，冷却水流量：65-88m³/h，冷却水温20-30℃，送晶粒细化剂线杆的速度控制在35cm/min-45cm/min。

进一步的，所述的晶粒细化剂为进口amg5ti1b晶粒细化剂。

进一步的，本发明的大规格高纯均质细晶铝合金铸锭铸造方法，还包括铸锭均匀化制度优化步骤，具体如下：采用三级均质制度：560±5℃×260min+540±5℃×210min+575±5℃×420min；通过增加一级高温560℃均质阶段，使均质温度更快得得到提升，优化三级高温均质，经过575℃×420min高温均匀化处理，可以将枝晶组织完全消失，晶内粗大析出物基本回溶，晶界共晶相的尺寸和数量大幅减少，β相基本消除。整个枝晶网变得稀薄而不连续，表明铸锭中溶质原子充分扩散，合金成分更加均匀。

冷却工艺微调，增加冷却强度。产品上晶界偏析大大减轻，晶界上化合物部分溶解，除了析出了一些含mn、cr的金属间化合物质点外，基本上没有mg2si相的析出。这样的组织不仅可以降低挤压抗力，提高挤压速度，而且能够促进变形的均匀性，抑制再结晶，提高合金的最终性能。

本发明的合金中主要是alfesi相。对于用于挤压大型薄壁型材的6005a合金，较好的均匀化处理工艺应该能消除铸锭中mg、si浓度分布的不均匀性和mg2si相的偏聚，促进不溶相alfesi化合物的β-α转化，使铸锭的显微组织中即没有较多的mg2si析出，且存在细小的、在挤压过程中起抑制再结晶作用的含mn、cr金属间化合物质点。这样的铸锭组织才能降低挤压抗力，提高挤压速度，改善半成品的机械性能。

本发明的有益效果在于，

在铸造方法中的投料结构中，加入90％中间合金，该中间合金预估量90％，防止元素超标进行冲淡，较大影响生产效率及其他元素配比。

本发明的大规格高纯均质细晶铝合金通过成分优化、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。

本发明的研究大尺寸铝合金铸锭晶粒细化和宏观偏析抑制这一关键科学问题，为大规格细晶、均质铝合金铸锭的制备提供科学依据。本发明的铸造方法尤其适用于6005a铝合金。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1显微组织分析图，a为实施例1,b为实施例2,c为实施例3。

图2显微组织分析图，a为实施例1,b为实施例2,c为实施例3。

图3扫描电镜图，a为实施例1,b为实施例2,c为实施例3。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1：2030206熔次6005a合金660规格铸棒生产，其组成为按重量百分比计得到下述组分：si0.63-0.70％，fe≤0.15％，cu≤0.05％，mn0.21-0.26％，mg0.52-0.60％，cr0.11-0.16％，zn≤0.04％，ti≤0.03-0.05％，mn+cr：0.3-0.45，na≤0.001％，ca≤0.001％，k≤0.04％，pb≤0.01％，杂质≤0.15％，余量为al。

成分设计见表1。

表1成分设计表

(a)投料结构：采用自投固体料方式投料，装炉顺序：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(中间合金预估量90％，防止元素超标进行冲淡，较大影响生产效率及其他元素配比)的顺序先后装炉，alti合金及mg在熔炼炉取样搅拌前加入。本实施例采用99.9％高纯铝锭，控制杂质含量及碱金属含量严控废料比例≤30％。投料结构设计见表2。

表2投料结构设计表

(b)有效控制na含量＜10ppm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；熔炼时间4.5h，炉料下塌后进口pyrotek无钠c2覆盖剂，均匀地散入无钠覆盖剂全面覆盖，炉料全部熔化后，每次间隔1小时对熔体温度进行一次测温，确保熔体温度在要求范围720-760℃内，严禁超温。炉料全部熔化后，调整成分及精炼扒渣、调整温度转炉等工艺时间控制在3.6h，避免熔炼温度高，特别是液态状况下，熔体的停留时间过长，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：应该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进口pyrotek无钠c2覆盖剂彻底覆盖；精炼后扒渣完毕到铸造前的静止时间1.2h；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，经过除气箱再次进行除气，保证在线检测氢气含量＜0.15ml/100gal，以降低疏松倾向性；最后一道在线处理工序就是通过在线过滤箱，使用50+80ppi优质泡沫陶瓷过滤板双级过滤，进行熔体过滤净化。

进一步的，本实施例根据本合金特点，加大铸造过程中二次冷却，以及选用优质晶粒细化剂(进口amg公司5ti1b)进行细化晶粒，铸造速度：23mm/min-30mm/min，冷却水流量：65-88m³/h，冷却水温20-30℃，送晶粒细化剂线杆的速度控制在35cm/min-45cm/min。熔铸工艺配置见表3。

表3熔铸工艺配置表

(d)进一步的，本发明的大规格高纯均质细晶铝合金铸锭铸造方法，还包括铸锭均匀化制度优化步骤，具体如下：采用三级均质制度：560±5℃×260min+540±5℃×210min+575±5℃×420min。通过增加一级高温560℃均质阶段，使均质温度更快得得到提升，优化三级高温均质，经过575℃×420min高温均匀化处理，可以将枝晶组织完全消失，晶内粗大析出物基本回溶，晶界共晶相的尺寸和数量大幅减少，β相基本消除。整个枝晶网变得稀薄而不连续，表明铸锭中溶质原子充分扩散，合金成分更加均匀。冷却工艺微调，增加冷却强度。产品上晶界偏析大大减轻，晶界上化合物部分溶解，除了析出了一些含mn、cr的金属间化合物质点外，基本上没有mg2si相的析出。这样的组织不仅可以降低挤压抗力，提高挤压速度，而且能够促进变形的均匀性，抑制再结晶，提高合金的最终性能。均质工艺配置见表4。

表4均质工艺配置见表

实施例2：2030207熔次6005a合金660规格铸棒生产

实施例3：2030208熔次6005a合金660规格铸棒生产

各个步骤同实施例1，具体参数如下：

(a)成分设计如下见表5。

表5成分设计表

(b)投料结构设计如下见表6：

表6投料结构设计表

(c)熔炼工艺如下见表7：

表7熔铸工艺配置

(d)均质工艺如下见表8：

表8均质工艺表

对于上述实施例1-3得到的产品进行试验检测验证结果见图1-3，从图1中可以看出，铸锭均质态，未腐蚀，其中实施例1未熔相、杂质相最少，晶粒最小，符合大规格铸锭组织高纯细晶的要求；图2铸锭均质态，腐蚀分析晶粒大小，图1晶粒最小；图3的电镜图中显示铸锭均质态。