一种7050合金铸锭材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及铝合金制备技术领域，具体为一种7050合金材料及其铸锭制备方法。


背景技术：

2.7075 铝合金结构紧密，耐腐蚀效果强，对于航空、船用板材最佳，随着航空航天业的快速发展，7050 合金的需求量越来越大，但 7050 高强高韧铝合金存在铸造成型难，内部冶金差的问题，按传统工艺生产的产品达不到技术要求。
3.中国专利：一种高性能al-zn-mg-cu系合金，专利授权号：cn 113481416 a，专利授权日：2021年10月8日，提到的合金制备可以制备出比现有铝合金更高综合性能的产品，所述产品具有高强高韧、高淬透性、低方向敏感性、可热处理强度等特性，但是以上制备工艺存在以下缺点：（1）采用al99.95铝锭，铝锭成本高；(2) 该合金合金化程度很高，铸造难度大，铸造时容易产生中心裂纹；(3) 采用单级过滤，由于 7050 合金造渣严重，单级过滤不能完全去除熔体中的杂质；（4）缺少cr、ti和be元素，减弱了细化晶粒的作用，因此需要设计一种低成本大规格7050合金铸锭制备方法来解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是克服7050铸造难度大，大规格扁锭铸造成本高，生产效率低下的问题，提供一种7050合金材料及其铸锭制备方法，该合金属于高强高韧铝合金。
5.本发明涉及一种7050合金铸锭材料，材料的化学元素及其质量百分比如下：si ≤ 0.12％、fe ≤ 0.15％、cu 为 2.0％～2.6％、mn ≤ 0.10％、mg 为 1.9％～ 2.6％、cr ≤ 0.04％、zn 为 5.7％～ 6.7％、ti ≤ 0.06％、zr 为 0.09％～ 0.14％、be为0.0005～ 0.02%，余量为铝和不可避免的杂质。
6.本发明的进一步改进在于：方法步骤如下：步骤一：配料；步骤二：熔炼：首先，在熔炼炉中加入al99.7铝锭和al99.85铝锭、铝铜合金、锌锭、钛剂，待全部熔化后扒渣；其次，加入铝锆合金、金属镁锭和铝铍合金，搅拌均匀，加入al-5ti-1b丝用量，350cm/min/3根锭；再次，取样分析，调整成分使所有成分都达到控制范围；最后，进行炉内精炼并扒渣，控制钠含量≤0.0005%，静置20-40min，然后控制金属温度达到合理的铸造温度；步骤三：铸造：使用普通铸造机，对结晶器底座贴纤维纸，均匀冷却强度，配合杠杆液位控制器和刮水器进行铸造，将熔炼后的物质铸造成铸锭；步骤四：均热：对铸锭进行均匀后处理；
步骤五，锯切：将铸锭底部锯切200mm；步骤六：铣面：对均匀处理后的铸锭进行铣面。
7.本发明的进一步改进在于：在步骤二的熔炼中：炉前控制ti含量≤0.035%，熔炼温度≤780℃，精炼温度740-760℃。
8.本发明的进一步改进在于：在步骤二的熔炼中：取样分析的成分范围即si ≤ 0.12％、fe ≤ 0.15％、cu 为 2.0％～2.6％、mn ≤ 0.10％、mg 为 1.9％～ 2.6％、cr ≤ 0.04％、zn 为 5.7％～ 6.7％、ti ≤ 0.06％、zr 为 0.09％～ 0.14％、be为0.0005～ 0.02%，余量为铝和不可避免的杂质；本发明的进一步改进在于：在步骤二的熔炼中，添加be元素，让使得铸造过程中，凝固壳表面的氧化膜更加致密，减少氧化膜表面裂纹的可能，避免了因氧化膜表面开裂造成的裂纹倾向。
9.本发明的进一步改进在于：在步骤二熔炼中，进行炉内精炼。精炼能够去除铝液中的氢气，并让铝液中的渣随气体上浮，然后扒渣操作将渣去除，避免铸件中气孔和夹渣的产生；炉内精炼采用"t"型精炼器，精炼气体为氩氯混合气，应保持精炼器在熔体下层缓慢移动,使精炼气体遍及熔体； 精炼时间大于等于30min。
10.本发明的进一步改进在于：在步骤三铸造中，对结晶器底座贴纤维纸，相比传统的底部纯铝铺底工艺，能够有效地均匀底部冷却强度，使得内应力均匀，避免底部开裂的可能。
11.本发明的进一步改进在于：在步骤三铸造中，使用刮水器，并对刮水器装置进行改进；普通刮水器的大面为平直的，小面与结晶器小面形状相同，经改进后的刮水器大面适应铸锭大面的收缩形状，小面与结晶器小面形状相同；该改进能够优化冷却水流的流向，均匀冷却强度；增加刮水器会比传统铸造工艺的冷却强度小，冷却效果比传统冷却更加均匀，尽可能的减少铸造过程中的裂纹产生。
12.本发明的进一步改进在于：在步骤三铸造中，铸造的参数中包括：结晶器液位高度5-8cm，铸造温度700-720℃，铸造速度40-50mm/min，水流量80-100m3/h，水温≤30℃。
13.本发明的进一步改进在于：在步骤五铣面中，铸锭正面铣面量为10-15mm/每面，侧面铣面量为10-20mm/每面。
14.本发明的有益效果：1.在熔炼炉中加入al99.7铝锭和al99.85铝锭，铝锭成本降低并且在熔炼炉中进行熔化，在静置炉中进行精炼除气，将精炼好的铝液导入到流槽中，并用al-5ti-1b 丝进行在线细化；2.炉前控制ti含量≤0.035%，对结晶器底座贴纤维纸，均匀冷却强度，进而均匀内应力，减少裂纹倾向；添加be元素，让使得铸造过程中，凝固壳表面的氧化膜更加致密，减少氧化膜表面裂纹的可能，避免了因氧化膜表面开裂造成的裂纹倾向，并提高al-5ti-1b丝用量，350cm/min/3根锭，减少了中心裂纹的不良率；使用刮水器，并对刮水器装置进行改进，由于普通刮水器的大面为平直的，小面与结晶器小面形状相同，经改进后的刮水器大面适应铸锭大面的收缩形状，小面与结晶器小面形状相同。该改进能够优化冷却水流的流向，均匀冷却强度，增加刮水器会比传统铸造工艺的冷却强度小，冷却效果比传统冷却更加均匀，尽可能的减少铸造过程中的裂纹产生；
3.经过在线除气，可以提高铸造成功率，进行炉内精炼，精炼能够去除铝液中的氢气，并让铝液中的渣随气体上浮，然后扒渣操作将渣去除，避免铸件中气孔和夹渣的产生；炉内精炼采用"t"型精炼器，精炼气体为氩氯混合气，应保持精炼器在熔体下层缓慢移动,使精炼气体遍及熔体； 精炼时间大于等于30min，可以完全去除熔体中的杂质并且提高了生产效率；4.在合金材料中增加cr可以形成碳化物，起到提高耐磨性、耐热性和细化晶粒的作用、增加辅助元素ti可以起到细化晶粒的作用，增加适量的be可以起到细化铝合金晶粒的作用，提高综合力学性能，对铝合金而言，进行晶粒细化而获得细小均匀的等轴晶组织有如下作用:提高材料的屈服强度;改变了第二相的形态、尺寸和分布,使组织分布趋于均匀，减少偏析倾向；改善了塑性变形过程中沿晶粒边界的应力分布,并且在各个部位均匀一致，从而提高了加工工艺性能,在轧制和挤压过程中，易于突破挤压提高轧制速度而不引起裂纹，尤其有助于消除dc铸造和水平连铸铝材的裂纹;改善了铝制品表面处理的外观质量,减少形成条纹的倾向，从而提高了使用价值。
附图说明
15.图1为本发明的实施例一中金相图片边部100
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放大图的示意图；图2为本发明的实施例一中金相图片芯部100
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放大图的示意图；图3为本发明的实施例二中金相图片边部100
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放大图的示意图；图4为本发明的实施例二中金相图片芯部100
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放大图的示意图。
具体实施方式
16.一种7050合金材料，它的化学元素及其质量百分比如下：si ≤ 0.12wt％、fe ≤ 0.15wt％、cu 为 2.0wt％～2.6wt％、mn ≤ 0.10wt％、mg 1.9wt％～ 2.6wt％、cr ≤ 0.04wt％、zn 为 5.7wt％～ 6.7wt％、ti ≤ 0.06wt％、zr 0.09wt％～ 0.14wt％、be为0.0005～ 0.02%，余量为铝和不可避免的杂质，为了得到晶粒细小的铸造组织，加工和成品性能提供条件。
17.在本发明中，合金材料在轧制时容易产生断裂，由于微量元素na对该合金的断裂行为有显著影响，na含量较低时合金热轧塑性提高，热轧过程中几乎不发生断裂。这对后续成品的延伸率有着影响，本发明中na的含量应不高于0.0005wt%；zn、mg在该合金材料中起到强化作用，且强化效果明显；zr、be起到一定的补充强化作用；fe和si元素做为杂质存在，在该合金中，fe/si应予以控制，fe》si+0.05%，这对后续冲压具有影响；通过以上成分及其质量百分比的控制使铝合金性能得到大幅度提升，可在强度高,抗腐蚀性能强的高应力结构体上得到应用。
18.为了使得制备工艺可行、质量稳定，并且使7050铝合金材料能够达到相应的性能，该7050铝合金材料的制备方法，方法的步骤中含有：步骤一，配料；采用99.7%和99.85%的铝锭、锌锭、金属镁锭、铝锆合金、钛剂，按照内控化学成分以及铸锭的规格、数量确定以上投料量。
19.步骤二，熔炼：完成上述计算步骤后，在熔炼炉中加入铝锭和钛剂，待金属全部熔
化，且金属温度达到740-760℃时开始扒渣，然后依次加入锌锭、金属镁锭、铝锆合金、铝铍合金，搅拌均匀，然后取样分析，调整成分使所有成分都达到控制范围，即：si ≤ 0.12wt％、fe ≤ 0.15wt％、cu 为 2.0wt％～2.6wt％、mn ≤ 0.10wt％、mg 1.9wt％～ 2.6wt％、cr ≤ 0.04wt％、zn 为 5.7wt％～ 6.7wt％、ti ≤ 0.06wt％、zr 0.09wt％～ 0.14wt％、be为0.0005～ 0.02%，余量为铝和不可避免的杂质；然后进行炉内精炼并扒渣；步骤三，铸造：提前对结晶器底座贴纤维纸，待金属温度达到合理的铸造温度，开始铸造，铸造过程中金属从炉内流出来，经过流槽输送，进行在线除气、在线晶粒细化、在线过滤后，金属进入铸造模具中成型，使用普通铸造机，配合杠杆液位控制器和刮水器铸造成为需要规格的铸锭；步骤四，均热：到均热炉内进行均匀化处理，出炉后自然冷却到常温；步骤五，锯切：将铸锭底部锯切200mm；步骤六，铣面：通过铣床将表面和侧面进行铣削；在熔炼步骤中：炉前控制ti含量≤0.035%，熔炼温度≤780℃，熔炼温度≤780℃，精炼温度740-760℃。
20.在铸造步骤中铸造的参数中包括：结晶器液位高度5-8cm，铸造温度（分流盘末端温度）700-720℃，铸造速度40-50mm/min，水流量80-100m3/h，水温≤30℃。
21.在铣面步骤中，铸锭正面铣面量为10-15mm/每面，侧面铣面量为10-20mm/每面，需将侧面完全铣净。
22.为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。
23.实施例一一种低成本大规格7050合金材料，它的化学元素及其质量百分比如下：si ≤ 0.12wt％、fe ≤ 0.15wt％、cu 为 2.0wt％～2.6wt％、mn ≤ 0.10wt％、mg 1.9wt％～ 2.6wt％、cr ≤ 0.04wt％、zn 为 5.7wt％～ 6.7wt％、ti ≤ 0.06wt％、zr 0.09wt％～ 0.14wt％、be为0.0005～ 0.02%，余量为铝和不可避免的杂质。
24.具体材料制备方法包括如下步骤：步骤一，配料；采用99.7%和99.85%的铝锭、锌锭、金属镁锭、铝锆合金、钛剂，按照内控化学成分以及铸锭的规格、数量确定以上投料量，按0.25kg/吨铝加入铝铝铍合金。
25.步骤二，熔炼：完成上述计算步骤后，在熔炼炉中加入铝锭和钛剂，待金属全部熔化，且金属温度达到740-760℃时开始扒渣，然后依次加入锌锭、金属镁锭、铝锆合金、铝铍合金，搅拌均匀，然后取样分析，调整成分使所有成分都达到控制范围，即：si ≤ 0.12wt％、fe ≤ 0.15wt％、cu 为 2.0wt％～2.6wt％、mn ≤ 0.10wt％、mg 1.9wt％～ 2.6wt％、cr ≤ 0.04wt％、zn 为 5.7wt％～ 6.7wt％、ti ≤ 0.06wt％、zr 0.09wt％～ 0.14wt％、be为0.0005～ 0.02%，余量为铝和不可避免的杂质；然后进行炉内精炼并扒渣；步骤三，铸造：提前对结晶器底座贴纤维纸，待金属温度达到合理的铸造温度，开始铸造，铸造过程中金属从炉内流出来，经过流槽输送，进行在线除气、在线晶粒细化、在线过滤后，金属进入铸造模具中成型，使用普通铸造机，配合杠杆液位控制器和刮水器铸造成为需要规格的铸锭；步骤四，均热：到均热炉内进行均匀化处理，出炉后自然冷却到常温 ；
步骤五，锯切：铸锭底部锯切200mm，并取厚度为20mm样片用于检测；步骤六，铣面：通过铣床将表面和侧面进行铣削；在熔炼步骤中：炉前控制ti含量≤0.035%（检测值为0.002），熔炼温度≤760℃，精炼温度745℃。
26.在铸造步骤中铸造的参数中包括：结晶器液位高度6cm，铸造温度（分流盘末端温度）700℃，铸造速度40-50mm/min，水流量80-100m3/h，水温≤30℃。
27.在铣面步骤中，铸锭正面铣面量为10-15mm/每面，侧面铣面量为10-20mm/每面，需将侧面完全铣净。
28.低倍检测数据：实验结果分析：铸锭边部晶粒度1级，铸锭边部晶粒度1级，符合用户要求；铸锭的粗晶区和偏析区可在铣面工序将其铣净；金相检测中未发现组织过烧，和明显的夹渣、孔洞。检测结果符合铸锭检验要求。
29.实施例二一种低成本大规格7050合金材料，它的化学元素及其质量百分比如下：si ≤ 0.12wt％、fe ≤ 0.15wt％、cu 为 2.0wt％～2.6wt％、mn ≤ 0.10wt％、mg 1.9wt％～ 2.6wt％、cr ≤ 0.04wt％、zn 为 5.7wt％～ 6.7wt％、ti ≤ 0.06wt％、zr 0.09wt％～ 0.14wt％、be为0.0005～ 0.02%，余量为铝和不可避免的杂质。
30.配料；采用99.7%和99.85%的铝锭、锌锭、金属镁锭、铝锆合金、钛剂，按照内控化学成分以及铸锭的规格、数量确定以上投料量，按0.25kg/吨铝加入铝铝铍合金。
31.熔炼：完成上述计算步骤后，在熔炼炉中加入铝锭和钛剂，待金属全部熔化，且金属温度达到740-760℃时开始扒渣，然后依次加入锌锭、金属镁锭、铝锆合金、铝铍合金，搅拌均匀，然后取样分析，调整成分使所有成分都达到控制范围，即：si ≤ 0.12wt％、fe ≤ 0.15wt％、cu 为 2.0wt％～2.6wt％、mn ≤ 0.10wt％、mg 1.9wt％～ 2.6wt％、cr ≤ 0.04wt％、zn 为 5.7wt％～ 6.7wt％、ti ≤ 0.06wt％、zr 0.09wt％～ 0.14wt％、be为0.0005～ 0.02%，余量为铝和不可避免的杂质；然后进行炉内精炼并扒渣；铸造：提前对结晶器底座贴纤维纸，待金属温度达到合理的铸造温度，开始铸造，铸造过程中金属从炉内流出来，经过流槽输送，进行在线除气、在线晶粒细化、在线过滤后，金属进入铸造模具中成型，使用普通铸造机，配合杠杆液位控制器和刮水器铸造成为需要规格的铸锭；均热：到均热炉内进行均匀化处理，出炉后自然冷却到常温 ；锯切：铸锭底部锯切200mm，并取厚度为20mm样片用于检测铣面：通过铣床将表面和侧面进行铣削；
在熔炼步骤中：炉前控制ti含量≤0.035%（检测值为0.01%），熔炼温度≤765℃，精炼温度750℃。
32.在铸造步骤中铸造的参数中包括：结晶器液位高度6.2cm，铸造温度（分流盘末端温度）710℃，铸造速度40-50mm/min，水流量80-100m3/h，水温≤30℃。
33.在铣面步骤中，铸锭正面铣面量为10-15mm/每面，侧面铣面量为10-20mm/每面，需将侧面完全铣净。
34.低倍检测数据：实验结果分析：铸锭边部晶粒度1级，铸锭边部晶粒度1级，符合用户要求；铸锭的粗晶区和偏析区可在铣面工序将其铣净；因炉前钛含量控制与实施例一略有差异，铸锭边部和中部的晶粒尺寸在实施例二中更小；金相检测中未发现组织过烧，和明显的夹渣、孔洞。检测结果符合铸锭检验要求。
35.以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。