针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法与流程

本发明涉及铝合金铸造，具体而言，涉及一种针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法。

背景技术：

1、4000系铝合金具有轻质、高强度、高耐磨、高耐热性、优良的体积稳定性等优点，在汽车、船舶、航空等领域有着广泛的应用前景。该类铝合金金具有优良的铸造性能，4000系铝合金铸锭或坯料再经过锻造或挤压等工序，用以制造活塞及在高温工作的其他零件。4000系铝合金的共晶组织主要由初生硅和（α-al+β-si）共晶体组成，且存在mg2si、al2cu等其它金属间化合物相。未变质的4000系铝合金铸造共晶组织中常常出现大块的初晶硅和针片状的共晶硅，严重割裂基体材料，引起材料强度和韧性变差。在4000系铝合金铸造过程中必须对共晶硅进行变质细化处理。常用变质剂在细化共晶硅相时，冷却速率对变质效果影响显著，在不同的冷却速率区间，共晶硅产生变质效果添加量的阈值不同。在高冷却速率下，冷却速率越大，变质剂用量阈值越小甚至为零；在低冷却速率下，冷却速率越小，变质剂用量阈值有加大的趋势；但冷却速率低于某一定数值，变质剂将失去变质效能，共晶硅仍为未变质的粗大针片状共晶组织。

2、目前大尺寸4000系铝合金铸锭主要用于船用大功率内燃机活塞的锻造坯料，由于活塞是大功率内燃机中经受工作环境最恶劣的部件，其工作可靠性和使用耐久性很大程度上取决于活塞锻造坯料（通常将铸锭挤压成棒材）。对于工况要求不高的内燃机，传统大尺寸4000系铝合金铸锭制备的挤压棒材基本满足此类锻造活塞坯料性能要求，但随着船用内燃机的功率和热效率等指标不断提升，对船用内燃机活塞的强度、韧性和耐高温等性能提出了更高的指标要求。传统大尺寸4000系铝合金铸锭（由于存在大量未充分变质共晶组织）制备的挤压棒材很难满足船用活塞锻造坯料的性能要求。经分析传统大尺寸4000系铝合金铸锭存在芯部冷却速率过低的问题，如：ф600mm规格4000系铝合金铸锭，铸锭表层由于激冷作用往往冷却速率大于10℃/s，铸锭表层共晶组织为完全变质的共晶组织（细小绒毛状共晶组织）；铸锭芯部由于距离冷却介质较远，冷却速率多小于0.1℃/s，铸锭芯部共晶组织为欠变质共晶组织或未变质共晶组织，该类铸锭坯料经过锻造或挤压+锻造加工后共晶组织很难细化，从而导致锻件存在强度低、塑性差和疲劳性能不高等缺点。

3、针对目前大尺寸4000系铝合金铸锭存在共晶组织粗大且均匀性差的问题，有的企业为了改善芯部共晶组织的变质效果，采用加大sr和na添加量可达600-800ppm，但共晶组织没有丝毫变质，反而铸锭疏松倾向性增大，进一步降低了活塞的力学性能；有的企业通过多道次挤压和多向锻造方式将粗大共晶硅击碎以改善活塞性能，但该方法存在工序复杂、周期长和费用昂贵等不足。近年来国内外一些科研院所及高校尝试开发冷却速率敏感性相对较低的高效铝硅合金变质剂，但至今未取得实质性进展。

技术实现思路

1、本发明提供了一种针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法，以解决现有技术中的大尺寸4000系铝合金铸锭中共晶组织粗大且均匀性差的问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供了一种针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法，包括：在4000系铝合金的熔体内不加共晶组织变质剂或加入的共晶组织变质剂含量不高于100ppm；在容纳熔体的铸锭结晶器内设置可升降的芯部冷却装置，芯部冷却装置包括依次连通的输入管道、金属腔体和输出管道，芯部冷却装置还包括固定在金属腔体下部的导热外壳，导热外壳用于传递热量；在铸锭长度达到预设长度后，持续向输入管道内输入冷却剂；待铸锭芯部的冷却速率达到预设冷却速率范围后，保持冷却剂的流量不变。

3、进一步地，铸锭芯部的冷却速率由以下方法中的至少之一进行调节：调整导热外壳的底壁与铸锭结晶器内熔体液面之间的距离；更换冷却剂的种类；调节冷却剂的流量；更换不同尺寸或不同材质的导热外壳。

4、进一步地，将导热外壳的底壁与铸锭结晶器内熔体液面之间的距离设定在100-150mm之间。

5、进一步地，导热外壳和金属腔体过盈配合，导热外壳的外径与铸锭结晶器的内径的比值范围为1/2-3/4，铸锭的冷却速率在1-10℃/s之间。

6、进一步地，导热外壳的材料为石墨、陶瓷或不与铝反应的金属材质。

7、进一步地，针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法还包括：将热电偶的端部设置在芯部冷却装置正下方50-100mm位置，热电偶为直径0.1-0.5mm的k型热电偶；将热电偶与热分析仪连接，热分析仪将热电偶检测的瞬时温度处理成瞬时冷却速率，并绘制成可视的冷却速率-时间曲线。

8、进一步地，冷却剂为冷却水、油水混合物、液态金属或相变冷却高分子化合物。

9、进一步地，共晶组织变质剂为sr，sr在4000系铝合金熔体内的添加量为0-100ppm。

10、进一步地，共晶组织变质剂为na，na在4000系铝合金熔体内的添加量为0-80ppm；或，共晶组织变质剂为na和sr，na和sr在4000系铝合金熔体内的添加量均不高于40ppm。

11、进一步地，共晶组织变质剂为ca，ca在4000系铝合金熔体内的添加量为0-100ppm。

12、应用本发明的技术方案，提供了一种针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法，包括：在4000系铝合金的熔体内不加共晶组织变质剂或加入的共晶组织变质剂含量不高于100ppm；在容纳熔体的铸锭结晶器内设置可升降的芯部冷却装置，芯部冷却装置包括依次连通的输入管道、金属腔体和输出管道，芯部冷却装置还包括固定在金属腔体下部的导热外壳，导热外壳用于传递热量；在铸锭长度达到预设长度后，持续向输入管道内输入冷却剂；待铸锭芯部的冷却速率达到预设冷却速率范围后，保持冷却剂的流量不变。该方法采用在熔体的芯部内置芯部冷却装置方式以及用少量变质剂甚至不用变质剂的方式可以充分变质整个铸锭共晶组织。具体地，芯部内置冷却方式为大尺寸4000系铝合金铸锭芯部提供快速散热通道，从而使得大尺寸4000系铝合金铸锭整体冷却速率大幅提升，在大冷却速率下，仅需极少量的变质剂甚至不用变质剂就可使得大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织得到充分变质。本发明可以实现对大尺寸4000系铝合金铸锭整体共晶组织充分变质细化，解决了传统半连铸大尺寸4000系铝合金铸锭强度和塑性偏低的难题。其中，大尺寸4000系铝合金铸锭是指径向截面尺寸在400mm以上的铸锭。

技术特征：

1.一种针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法，其特征在于，铸锭芯部的冷却速率由以下方法中的至少之一进行调节：

3.根据权利要求1所述的针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法，其特征在于，将所述导热外壳（50）的底壁与所述铸锭结晶器（10）内熔体液面之间的距离设定在100-150mm之间。

4.根据权利要求1所述的针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法，其特征在于，所述导热外壳（50）和所述金属腔体（30）过盈配合，所述导热外壳（50）的外径与所述铸锭结晶器（10）的内径的比值范围为1/2-3/4，铸锭的冷却速率在1-10℃/s之间。

5.根据权利要求4所述的针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法，其特征在于，所述导热外壳（50）的材料为石墨、陶瓷或不与铝反应的金属材质。

6.根据权利要求1所述的针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法，其特征在于，所述针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法还包括：

7.根据权利要求1所述的针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法，其特征在于，所述冷却剂为冷却水、油水混合物、液态金属或相变冷却高分子化合物。

8.根据权利要求1所述的针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法，其特征在于，所述共晶组织变质剂为sr，sr在4000系铝合金熔体内的添加量为0-100ppm。

9.根据权利要求1所述的针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法，其特征在于，

10.根据权利要求1所述的针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法，其特征在于，所述共晶组织变质剂为ca，ca在4000系铝合金熔体内的添加量为0-100ppm。

技术总结
本发明提供了一种针对大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织变质的方法，该方法采用在熔体的芯部内置芯部冷却装置方式以及用少量变质剂甚至不用变质剂的方式可以充分变质整个铸锭共晶组织。具体地，芯部内置冷却方式为大尺寸4000系铝合金铸锭芯部提供快速散热通道，从而使得大尺寸4000系铝合金铸锭整体冷却速率大幅提升，在大冷却速率下，仅需极少量的变质剂甚至不用变质剂就可使得大尺寸4000系铝合金铸锭共晶组织得到充分变质。本发明可以实现对大尺寸4000系铝合金铸锭整体共晶组织充分变质细化，解决了传统半连铸大尺寸4000系铝合金铸锭强度和塑性偏低的难题。其中，大尺寸4000系铝合金铸锭是指径向截面尺寸在400mm以上的铸锭。

技术研发人员：朱光磊,李虎田,刘金炎,周保成,王国军,蒋会学,董学光,任毅斌,宋炜,郑志凯
受保护的技术使用者：中铝材料应用研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13