一種2xxx系超大規(guī)格鋁合金圓錠的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及鋁合金加工技術領域，尤其是一種2ΧΧΧ系超大規(guī)格鋁合金圓錠的制 造方法。
【背景技術】
[0002] 2219鋁合金屬于鋁銅錳系中高強鋁合金，其具有良好的高低溫力學性能、焊接性、 斷裂韌性、耐腐蝕性能及易于加工成形等特點，屬于典型的可熱處理強化鍛造鋁合金。產(chǎn)品 以不同形式和熱處理狀態(tài)用于航空、航天等領域。大規(guī)格圓錠主要用于制作鍛環(huán)，其工藝路 線為：鍛造開坯-沖孔-熱環(huán)軋-淬火-冷軋-人工時效等。而隨著國內(nèi)熔煉、除氣、鑄造 等技術的進步及客戶對產(chǎn)品的規(guī)格、性能的不斷提高，對2219合金圓錠的規(guī)格要求越來越 大，傳統(tǒng)的中等規(guī)格已不能滿足需要，迫切需要超大規(guī)格的圓錠。而超大規(guī)格圓錠鍛坯的生 產(chǎn)關鍵在于鑄造成型和內(nèi)部冶金質(zhì)量的控制，但是隨著鑄錠規(guī)格的增大，其鑄造時容易產(chǎn) 生偏析、粗大晶粒、疏松、裂紋、粗大金屬化合物、光亮晶、羽毛晶等冶金缺陷，鑄造成型及冶 金質(zhì)量都難以保證。因此迫切需要研宄超大規(guī)格2219圓錠的制備方法以滿足市場需要。
[0003] 有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術問題就是克服目前熔煉鑄造技術的不足，從原材 料選用、熔煉、爐內(nèi)除氣、在線除氣、在線過濾、鑄造等多方面進行改進，提供一種改善鑄錠 質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的方法，從而能夠穩(wěn)定生產(chǎn)超大規(guī)格2219圓錠。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對上述存在的問題，提供一種2ΧΧΧ系超大規(guī)格鋁合 金圓錠的制造方法，本發(fā)明從熔煉、爐內(nèi)精煉、在線精煉、在線過濾、半連續(xù)鑄造、均勻化 熱處理等多方面進行改進，提供一種改善鑄錠質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的方法，使鑄錠組織細 小、成分均勻、無其他組織缺陷，規(guī)格達到Φ900~Φ 1340mm，晶粒度可達一級、氫含量 < 10ml/100gAl，成品率達到90%以上。
[0005] 本發(fā)明采用的技術方案如下：
[0006] -種2XXX系超大規(guī)格鋁合金圓錠的制造方法，包括備料、熔煉、爐內(nèi)精煉、在線精 煉、在線過濾、半連續(xù)鑄造、均勻化熱處理、機械加工和超聲探傷的步驟，具體步驟如下：
[0007] (1)備料：按照鋁合金圓錠的配方成份進行配料，分別稱取重熔用鋁錠、陰極銅、 鋁銅中間合金、鋁鈦中間合金、鋁錳中間合金、鋁鋯中間合金、鋁釩中間合金、鋁鈹中間合金 作為原料；
[0008] (2)熔煉：將步驟⑴中的原料除鋁鈦中間合金、鋁鈹中間合金外，投入熔煉爐內(nèi) 熔煉，采用高溫快速熔化，熔煉溫度控制在750~800°C，爐料部分融化后開啟電磁攪拌加 速熔化，爐料全部熔化并攪拌均勻后進行扒渣，然后取樣分析成分，看是否滿足成分控制要 求，如有必要進行成分調(diào)整，成分合格后將熔體轉(zhuǎn)入保溫爐，在保溫爐內(nèi)加入鋁鈦中間合 金、鋁鈹中間合金進行成分微調(diào)得到鋁熔體；
[0009] (3)爐內(nèi)精煉：在保溫爐內(nèi)用氯氣和氬氣的混合氣體對所述鋁熔體進行精煉；
[0010] (4)在線精煉和過濾：爐內(nèi)精煉完成后，通過除氣箱內(nèi)旋轉(zhuǎn)噴頭吹出的精煉氣體 氬氣和氯氣的混合物，除去鋁熔體中游離氫和其他有害物質(zhì)；鋁熔體除氣精煉后通過30~ 50ppi的泡沫陶瓷過濾板進行在線過濾除澄，清除尺寸在15 μ m以上的雜質(zhì)；錯恪體在保溫 爐內(nèi)停留的總時間不超過6h ;
[0011] (5)在線晶粒細化：通過喂絲機向在線除氣系統(tǒng)出口流槽的鋁熔體中連續(xù)添加 Φ9. 5mm規(guī)格的Al-5Ti-lB絲晶粒細化劑進行晶粒細化處理，Al-5Ti-lB絲的喂絲速度為 160cm/min ~220cm/min ;
[0012] (6)半連續(xù)鑄造：經(jīng)在線除氣精煉、在線過濾和晶粒細化后的鋁熔體經(jīng)鋁液流槽 注入結晶器與引錠頭構成的半封閉腔體里進行半連續(xù)直冷鑄造，得到所需規(guī)格的圓錠；所 述引錠頭上覆蓋有墊片；半連續(xù)鑄造冷卻水壓為〇. 02~0. 08MPa，冷卻水流量55~80m3/ h ;鑄造長度小于800mm時，鑄造速度為13~20mm/min ;鑄造長度大于800mm后，鑄造速度 為 10 ~15mm/min ；
[0013] (7)均勻化熱處理：將圓錠在均熱爐內(nèi)在520~540°C條件下均熱30~60h，然后 在冷卻室內(nèi)用強風或噴水冷至室溫；
[0014] (8)機械加工和超聲探傷：切取圓錠樣片檢測晶粒度級別和冶金質(zhì)量，檢測合格 后進行機械加工至成品規(guī)格，最后進行超聲探傷，合格后包裝入庫或發(fā)貨。
[0015] 所述備料依據(jù)的鋁合金圓錠的配方為：按照重量百分比計，Cu彡6.8%， Mn ^ 0. 40 %, Si ^ 0. 20 %, Fe ^ 0. 30 %, V 0. 05-0. 15 %, Zr 0. 10-0. 16 %, Ti 0· 02-0. 10%，Be 0· 0002-0. 0010%，Zn 彡 0· 1%，Mg 彡 0· 02%，，余量為 Al 和不可避免的 雜質(zhì)元素，其中每種不可避免的雜質(zhì)元素含量小于等于0.05%且總量小于等于0. 15%。
[0016] 2xxx系鋁合金中的主要合金元素為Cu，形成了合金的主要強化相Al2Cu相。但Cu 含量超過其在合金中最大固溶極限后所形成的過剩相，對材料的塑性及斷裂韌性有不利的 影響，Cu含量不能過低，否則降低固溶強化效果。
[0017] Mn是提高合金耐熱性的主要元素，它可降低溶質(zhì)原子的擴散系數(shù)和固溶體的分解 速度，同時析出的T相（Al2tlCu 2Mn3)在高溫時較穩(wěn)定，可延遲和減弱合金的人工時效過程，抑 制再結晶，提高合金的耐熱性和強度。在發(fā)明中Mn的含量優(yōu)選為Mn < 0. 4%，若是Mn含量 過低，則強化效果有限；若Mn含量過高，則形成粗大的T (Al2tlCu2Mn3)相，造成材料性能的下 降。
[0018] Zr在合金中所起的作用與Mn類似，但Zr的強化效果要更高。Zr的含量不宜低于 0. 10%，否則大部分Zr固溶在組織中，難以在均勻化退火過程中形成二次Al3Zr相，對材料 性能不利；同時Zr的含量不宜高于0. 16%，否則容易在鑄造過程中形成一次粗大Al3Zr相， 降低材料的鑄造性能、加工性能以及斷裂韌性。
[0019] V加入鋁合金中生成Al11V高熔點的化合物，在鑄造過程中可細化晶粒。與加入Zr 的作用類似，其可通過提高再結晶溫度，阻礙再結晶，細化最終產(chǎn)品的晶粒組織，提高合金 強度。
[0020] Ti是起微合金化作用的元素，可以控制加工和熱處理時的晶粒結構。Ti在合金中 以不超過0. 10%為宜。若是Ti含量過高，則容易在組織中形成粗大的含Ti相，降低材料的 斷裂韌性。Zn, Fe和Si元素為材料中的雜質(zhì)元素，需分別控制在0. 1%，0. 30%和0. 20%以 下。
[0021] 本發(fā)明通過合理調(diào)整2xxx系鋁合金中Cu的含量，以控制組織中過剩相的含量， 并保證主要強化相Al 2Cu的含量，從而使材料具有較好的強度和塑性；同時優(yōu)化微量元素含 量，細化晶粒結構，進一步提尚材料的強度。
[0022] 本發(fā)明還從熔煉、爐內(nèi)精煉、在線精煉、在線過濾、半連續(xù)鑄造等多方面進行改進， 從而達到生產(chǎn)質(zhì)量合格的超大規(guī)格鋁合金圓錠的目的。
[0023] 首先，采用高溫快速熔化原料的方式，控制熔煉溫度在750~800°C，優(yōu)選控制熔 煉溫度在760~790°C，采用高溫快速熔化可以減少鋁液氧化，減少渣的產(chǎn)生，同時提高生 產(chǎn)效率。
[0024] 其次，本發(fā)明通過爐內(nèi)精煉、在線除氣精煉和泡沫陶瓷過濾板在線過濾除渣，加強 熔體凈化處理。鋁合金在熔煉過程中，熔體中存在氣體，在鑄錠拉應力區(qū)形成氣孔、夾渣等， 易引起應力集中的缺陷，會使鑄錠產(chǎn)生裂紋。因此澆注前對熔體進行除氣除渣處理，可以減 少裂紋產(chǎn)生的機會。
[0025] 在爐內(nèi)精煉過程中，熔體溫度控制在720~750 °C，優(yōu)選控制熔體溫度在720~ 740°C，控制氯氣流量為0. 025~I. 5m3/h，氬氣流量0. 5~15m3/h，精煉時間15~30min， 靜置時間20~30min。
[0026] 在步驟（4)的在線除氣過程中，旋轉(zhuǎn)噴頭的轉(zhuǎn)速為200~500rpm，氯氣流量 0· 01~0· 5m3/h，氬氣流量0· 5~6m3/h，除氣時鋁液溫度為720~750°C。
[0027] 為了增加熔體凈化效果，所述鋁合金熔體至少經(jīng)過兩級在線精煉除氣處理后再進 行在線過濾操作。采取30-50ppi的泡沫陶瓷過濾板進行在線過濾除渣后，可清除掉大部分 尺寸在15 μ m以上的雜質(zhì)。
[0028] 通過上述熔體凈化后，可以將2xxx系鋁合金大規(guī)格鑄錠中的H含量控制在 0.1 OmVlOOgAl以下，堿金屬Na含量控制在2ppm以下，除氣和除鈉均達到較好的效果，確保 了鋁合金的高純潔度，能夠滿足未來航空航天用鋁合金質(zhì)量要求。
[0029] 再次，本發(fā)明通過晶粒細化處理，提高合金強度和韌性，減少鑄錠熱裂傾向。由于 在含Zr的鋁合金中，Zr原子團會在Al-Ti-B絲內(nèi)起晶粒細化作用的TiB 2S子表面形成一 層2池2或Zr的包覆層，從而抑制了 TiB 2粒子的細化晶粒特性。此外Zr還會與TiAl 3粒子 反應，改變其晶格常數(shù)和形核特性，使晶粒粗化。本發(fā)明針對因 Zr元素引起的晶粒細化劑 "中毒"現(xiàn)象，在使用TiB2、TiAl3顆粒尺寸符合要求的Al-5Ti-lB晶粒細化劑的基礎上，將 Φ9. 5mm規(guī)格的Al_5Ti_lB絲的喂絲速度增加至160cm/min-220cm/min，加大晶粒細化劑投 放量，保證晶粒細化效果。
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