一种高锌铝合金扁铸锭的制备方法与流程

1.本发明涉及一种高锌铝合金扁铸锭的制备方法。


背景技术：

2.al-zn-mg-cu系的超硬铝合金具有高强、高韧及淬透性好的特点，是目前铝合金中综合性能较好的材料之一，适用于生产厚板、大规格挤压制品、大型自由锻件等加工制品，特别是预拉伸厚板已广泛用于飞机的主体构件中，主要用作飞机的机身框架、翼梁和尾翼等部件。但该合金合金化程度高、内应力大，铸锭不易成型，因此在以往生产时常常因开头裂纹缺陷或稳态裂纹缺陷导致铸锭部分或整根报废，另外熔体纯净度控制较困难，探伤通过率也较低，最终铸锭成品率仅为42％，通过对该合金熔体质量及铸造工艺参数控制，提高探伤通过率及减少铸锭裂纹废品。


技术实现要素：

3.本发明是要解决现有方法制造的al-zn-mg-cu系铝合金扁铸锭存在裂纹缺陷或稳态裂纹缺陷以及成品率低的问题，提供了一种高锌铝合金扁铸锭的制备方法。
4.本发明一种高锌铝合金扁铸锭的制备方法，按以下步骤进行：
5.一、按质量百分比cu为2.0％～2.6％、mg为1.9％～2.6％、zn为5.7％～6.7％、zr为0.08％～0.15％、ti＜0.06％、be为0.015％～0.04％和余量的al，称取重熔铝锭、金属cu、金属mg、金属zn、al-3zr中间合金、al-6ti中间合金、al-3be中间合金作为熔炼原料；其中杂质元素si＜0.12％、fe＜0.15％、mn＜0.10％、cr＜0.04％、ni＜0.05％；
6.二、将步骤一称取的熔炼原料加入到天然气熔化炉中进行熔化，熔炼原料的加入顺序为：先加入重熔铝锭，再加入al-3zr中间合金，待炉内熔体浸没金属cu和金属zn时，再加入金属cu和金属zn，待炉内金属全部熔化后加入al-6ti中间合金，然后加入al-3be中间合金、金属mg，在720℃～760℃的条件下充分搅拌熔体，取样分析化学成分，化学成分合格后，得到铝合金熔体；
7.三、将步骤二得到的铝合金熔体在720～760℃的温度下导入天然气保温炉，同时通入氩气及氩氯混合气体精炼，精炼时间≥40min，然后静置30-480min，得到精炼后铝合金熔体，将精炼后铝合金熔体流入在线除气装置，再流入过滤装置，然后在铸造温度为690℃～720℃、在线播种al-5ti-1b丝的条件下进行半连续铸造得到高锌铝合金扁铸锭，其中铸造长度0-99mm时，冷却水流量为112
±
5m3/h，铸造速度为45
±
3mm/min，刮水器位置为315mm；铸造长度100-199mm时，冷却水流量为112
±
5m3/h，铸造速度为45
±
3mm/min，刮水器位置为335mm；铸造长度200-349mm时，冷却水流量为80
±
5m3/h，铸造速度为45
±
3mm/min，刮水器位置为190mm；铸造长度350-799mm时，冷却水流量为80
±
5m3/h，铸造速度为40
±
3mm/min，刮水器位置为190mm；铸造长度≥800时，冷却水流量为70m3/h～110m3/h，铸造速度为35mm/min～55mm/min，刮水器位置为315mm。
8.实际生产中，铸锭宽度方向上表面温度分布是不均匀的，当铸锭从结晶器拉出时，
铸锭表面层受急冷作用而收缩，但因各点温度不同，见水位置也不在同一水平线上，因而冷却速度不一样，其收缩量和收缩速率也不一样，彼此产生制约作用，于是便在见水温度较高的部位形成了更大的附加拉应力，导致裂纹的产生，适当调整稳态工艺可以降低附加拉应力，从而避免裂纹的产生。刮水器的作用是撤除结晶器周边的冷却水，防止铸锭表面与冷却水接触，就是刮水器以下位置的铸锭是不与冷却水接触的，铸造开头时，随着铸锭不断从结晶器中拉出，接触到冷却水，产生铸造应力，通过在适当位置使用刮水器可以降低铸造应力，开头达到一定长度时，铸锭底部产生翘曲，翘曲过程增加了铸造应力，根据翘曲情况调整刮水器位置能够降低铸造应力，从而降低铸锭裂纹倾向性。
9.此外，本发明使用氩气及氩氯混合气体精炼增加了向熔体中通入气体的总量，就是增加了熔体中气泡的数量，气泡与熔体接触的越充分，越均匀，则精炼的效果更好，对于提高熔体质量，提高探伤成品率效果明显。
10.本发明的有益效果：
11.本发明针对不同合金元素的特性选择不同的加入时机，保证了各元素充分合金化；通入氩气及氩氯混合气体精炼不但可以效减少熔体中的na、ca、li、k等碱及碱土金属，同时可以有效提高熔体去除杂质和h2的效果；使用在线除气装置可以去除熔体中h2；使用过滤装置可以去除熔体中杂质；铸造时开头采用可调挡水板可以减少开头铸锭裂纹；选用合理的稳态工艺参数可以减少稳态铸锭裂纹。采用上述方法得到的铸锭成品率可达到90％以上，解决了现有方法制备的铸锭成品率低的问题。
附图说明
12.图1为现有规格为520mm
×
1620mm的al-zn-mg-cu系的超硬铝合金开头铸锭裂纹图片；
13.图2为现有规格为520mm
×
1620mm的al-zn-mg-cu系的超硬铝合金稳态铸锭裂纹图片；
14.图3为实施例一制备的高锌铝合金扁铸锭。
具体实施方式
15.具体实施方式一：本实施方式一种高锌铝合金扁铸锭的制备方法，按以下步骤进行：
16.一、按质量百分比cu为2.0％～2.6％、mg为1.9％～2.6％、zn为5.7％～6.7％、zr为0.08％～0.15％、ti＜0.06％、be为0.015％～0.04％和余量的al，称取重熔铝锭、金属cu、金属mg、金属zn、al-3zr中间合金、al-6ti中间合金、al-3be中间合金作为熔炼原料；其中杂质元素si＜0.12％、fe＜0.15％、mn＜0.10％、cr＜0.04％、ni＜0.05％；
17.二、将步骤一称取的熔炼原料加入到天然气熔化炉中进行熔化，熔炼原料的加入顺序为：先加入重熔铝锭，再加入al-3zr中间合金，待炉内熔体浸没金属cu和金属zn时，再加入金属cu和金属zn，待炉内金属全部熔化后加入al-6ti中间合金，然后加入al-3be中间合金、金属mg，在720℃～760℃的条件下充分搅拌熔体，取样分析化学成分，化学成分合格后，得到铝合金熔体；
18.三、将步骤二得到的铝合金熔体在720～760℃的温度下导入天然气保温炉，同时
通入氩气及氩氯混合气体精炼，精炼时间≥40min，然后静置30-480min，得到精炼后铝合金熔体，将精炼后铝合金熔体流入在线除气装置，再流入过滤装置，然后在铸造温度为690℃～720℃、在线播种al-5ti-1b丝的条件下进行半连续铸造得到高锌铝合金扁铸锭，其中铸造长度0-99mm时，冷却水流量为112
±
5m3/h，铸造速度为45
±
3mm/min，刮水器位置为315mm；铸造长度100-199mm时，冷却水流量为112
±
5m3/h，铸造速度为45
±
3mm/min，刮水器位置为335mm；铸造长度200-349mm时，冷却水流量为80
±
5m3/h，铸造速度为45
±
3mm/min，刮水器位置为190mm；铸造长度350-799mm时，冷却水流量为80
±
5m3/h，铸造速度为40
±
3mm/min，刮水器位置为190mm；铸造长度≥800时，冷却水流量为70m3/h～110m3/h，铸造速度为35mm/min～55mm/min，刮水器位置为315mm。
19.本实施方式步骤一中si、fe、mn、cr、ni元素为杂质元素，实际生产时元素含量越低越好。步骤二中所述炉内金属部分熔化后向熔体中加入金属cu、金属zn，部分熔化是指熔化的熔体能够将金属cu、金属zn浸入熔体中，且金属cu、金属zn可按任意顺序加入；然后加入al-3be中间合金、金属mg的顺序可按任意顺序加入。
20.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：高锌铝合金扁铸锭按质量百分比由si＜0.06％、fe＜0.10％、cu：2.3％、mn＜0.10％、mg：2.2％、cr＜0.04％、ni＜0.05％、zn：6.2％、ti:0.017％、zr：0.10％、be：0.02％和余量的al组成。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
21.本实施方式中控制zr：0.10％，微量元素zr能强烈提高合金的再结晶温度，zr不但能够阻止晶粒长大，而且能够提高合金的抗应力腐蚀能力，zr含量为0.1％～0.2％时，合金具有高的伸长率和冲击韧性，zr与al发生包晶反应生成zral3，不但可以细化α固溶体晶粒，zr还可以起固溶强化作用，但当zr含量超过0.17％时，在铸锭中将形成粗大zral3一次晶金属间化合物，该化合物对合金的塑性和与此有关的其它性能有不利影响，故将zr含量控制在0.10％。
22.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所有与熔体接触的工具表面喷涂一层氮化硼涂料。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
23.本实施方式中所有与熔体接触的工具都为铁质工具，为防止铝熔体fe杂质元素超出标准要求，需在工具表面喷涂氮化硼涂料。
24.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，覆盖用熔剂是按质量百分比由40％的kcl、45％的mgcl2、8％的bacl2、7％的nacl cacl2组成，其加入量为1千克/吨熔体。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
25.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，步骤一中重熔铝锭的纯度大于99.90％，金属cu为电解cu，金属mg为纯mg，金属zn为纯zn，al-3zr中间合金中zr含量为3％，其余为al，al-6ti中间合金中ti含量为6％，其余为al，al-3be中间合金中be含量为3％，其余为al。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
26.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，步骤二中搅拌熔体采用电磁搅拌方式进行搅拌，搅拌时间30～40min。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
27.本实施方式中采用电磁搅拌方式进行搅拌，熔体化学成分更加均匀，且能防止熔体局部过热。
28.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，步骤三中氩气及氩氯混合气体精炼，氩气纯度≥99.996％，气体流量为13nm3/hr，氩氯混合气体的组成为94％的氩气 6％的氯气，通入熔体中氩氯混合气体速率为1.42l/min。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
29.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，步骤三中在线除气装置为双级双转子在线除气装置，除气装置中气体为纯度99.996％的氩气。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
30.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，步骤三中过滤装置中陶瓷过滤片的精度为30ppi 50ppi。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
31.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是，步骤三中铸造长度≥800时冷却水流量为80m3/h，铸造速度为40mm/min。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。铸锭长度800mm进入稳态。
32.具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是，步骤三中在线播种al-5ti-1b丝ti含量为5％，b含量为1％。其它步骤及参数与具体实施方式一至十之一相同。
33.具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是，步骤三中在线播种al-5ti-1b丝速度为150cm/min。其它步骤及参数与具体实施方式一至十一之一相同。
34.通过以下试验验证本发明的有益效果：
35.实施例一：
36.一种高锌铝合金520mm
×
1620mm
×
4200mm规格扁铸锭的制备方法，它按以下步骤进行：
37.一、按质量百分比为si小于0.06％、fe小于0.10％、cu：2.3％、mn小于0.10％、mg：2.2％、cr小于0.04％、ni小于0.05％、zn：6.2％、ti:0.017％、zr：0.10％、be：0.02％和余量的重熔铝锭，称取重熔铝锭、金属cu、金属mg、金属zn、al-3zr中间合金、al-6ti中间合金、al-3be中间合金作为熔炼原料；
38.二、将步骤一称取的熔炼原料按首先加入重熔铝锭，然后加入al-3zr中间合金，炉内金属部分熔化后向熔体中加入金属cu、金属zn，待炉内金属全部熔化后加入al-6ti中间合金，然后加入al-3be中间合金、金属mg并用熔剂覆盖的顺序装入天然气熔化炉内熔化，在750℃的条件下充分搅拌熔体，取样分析化学成分，化学成分合格后，得到合格铝合金熔体。
39.三、将步骤二得到的铝合金熔体在750℃的温度下导入天然气保温炉，同时通入氩气及氩氯混合气体精炼40min后静置30min，得到精炼后铝合金熔体，将保温炉中得到的精炼后铝合金熔体流入在线除气装置，再流入过滤装置，然后通过分流盘经过铸造开头后在铸造温度为720℃，稳态冷却水流量为80m3/h，稳态铸造速度为40mm/min，稳态刮水器位置为315mm，在线播种al-5ti-1b丝的条件下的熔体注入结晶器中，进行半连续铸造得到高锌铝合金扁铸锭。
40.现有规格为520mm
×
1620mm的al-zn-mg-cu系的超硬铝合金开头铸锭裂纹图片如图1所示，稳态铸锭裂纹图片如图2所示。而本实施例制备的高锌铝合金扁铸锭(图3)的化学
成分合格，表面无裂纹、冷隔、夹渣等缺陷，探伤通过率较高，最终成品率达到了90％。
41.实施例二：
42.一种高锌铝合金520mm
×
1620mm
×
7000mm规格扁铸锭的制备方法，它按以下步骤进行：
43.一、按质量百分比为si小于0.06％、fe小于0.10％、cu：2.3％、mn小于0.10％、mg：2.2％、cr小于0.04％、ni小于0.05％、zn：6.2％、ti:0.017％、zr：0.10％、be：0.02％和余量的重熔铝锭，称取重熔铝锭、金属cu、金属mg、金属zn、al-3zr中间合金、al-6ti中间合金、al-3be中间合金作为熔炼原料；
44.二、将步骤一称取的熔炼原料按首先加入重熔铝锭，然后加入al-3zr中间合金，炉内金属部分熔化后向熔体中加入金属cu、金属zn，待炉内金属全部熔化后加入al-6ti中间合金，然后加入al-3be中间合金、金属mg并用熔剂覆盖的顺序装入天然气熔化炉内熔化，在750℃的条件下充分搅拌熔体，取样分析化学成分，化学成分合格后，得到合格铝合金熔体。
45.三、将步骤二得到的铝合金熔体在750℃的温度下导入天然气保温炉，同时通入氩气及氩氯混合气体精炼40min后静置30min，得到精炼后铝合金熔体，将保温炉中得到的精炼后铝合金熔体流入在线除气装置，再流入过滤装置，然后通过分流盘经过铸造开头后在铸造温度为720℃，稳态冷却水流量为100m3/h，稳态铸造速度为50mm/min，稳态刮水器位置为315mm，在线播种al-5ti-1b丝的条件下的熔体注入结晶器中，进行半连续铸造得到高锌铝合金扁铸锭。
46.本实施例得到高锌铝合金扁铸锭的化学成分合格，表面无裂纹、冷隔、夹渣等缺陷，探伤通过率较高，最终成品率达到了91％。