一种Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法

技术领域

本发明涉及冶金与金属材料制备技术领域，具体涉及一种Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法。

背景技术

Al-Zn-Mg系铝合金适用范围广且使用时间长，其强度高，热处理强化效果好，具有良好的韧性和耐腐蚀性能，而且，由于其制造成本相对较低，所以在很多领域取代了钛合金，成为了航空航天业以及军工业不可缺少的轻质结构材料

目前，Al-Zn-Mg系铝合金通常采用铸造的方式获得，但是由于它的凝固温度范围宽，在铸造成锭时容易形成缩松、缩孔、热裂等缺陷，严重影响了后续加工和成品质量。造成铝合金铸造缺陷的主要原因为铸锭晶粒组织粗大不均，所以在铸造时采用一定的方法促使晶粒细化是十分必要的。

现有技术中的晶粒细化的方法主要有添加晶粒细化剂和机械物理法。添加细化剂，虽然能够起到细化晶粒的作用，但是也会对铝合金材料造成污染；机械物理法通过机械搅拌、机械振动等手段可以达到细化晶粒的目的，但是该方法操作复杂，能耗大，易掺入杂质，而且细化效果不稳定。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法，本发明提供的Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法不仅能够使铸锭组织得到明显细化，组织分布的均匀性明显改善，有效提高铸锭的加工成型性能且未引入杂质，便于工业生产。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法，包括以下步骤：

按照Al-Zn-Mg系铝合金元素配比，将铝合金原料进行熔炼，得到铝合金熔体；

将所述铝合金熔体流过流槽后进行半连续铸造，得到所述Al-Zn-Mg系铝合金铸锭；

对流槽中的铝合金熔体进行电磁处理；

电磁处理时，铝合金熔体表面的磁感应强度为153～241mT。

优选的，所述熔炼的温度为730～800℃，所述熔炼后的保温时间为5～15min。

优选的，所述电磁处理的条件还包括：电磁能的频率为20～80Hz，电流为100～220A，占空比为20～60％。

优选的，所述电磁处理的磁场发射装置和所述铝合金熔体的距离为1～12mm。

优选的，所述电磁处理时，铝合金熔体的温度为650～700℃。

优选的，所述电磁处理的磁场波形包括矩形波、正弦波或三角波。

优选的，所述半连续铸造时，合金熔体的浇注速度为18～120mm/min。

优选的，所述半连续铸造时，采用冷却水进行冷却，所述冷却水的温度为10～20℃，流量为15～25m

优选的，所述半连续铸造后，得到的Al-Zn-Mg系铝合金铸锭的直径为91～482mm。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供了一种Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法，包括以下步骤：按照Al-Zn-Mg系铝合金元素配比，将铝合金原料进行熔炼，得到铝合金熔体；将所述铝合金熔体流过流槽后进行半连续铸造，得到所述Al-Zn-Mg系铝合金铸锭；对流槽中的铝合金熔体进行电磁处理；电磁处理时，铝合金熔体表面的磁感应强度为153～241mT。本发明提供的Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法，所述合金熔体流经流槽时，对流槽中的铝合金熔体进行电磁处理后，将所述铝合金熔体进行半连续铸造，得到所述Al-Zn-Mg系铝合金。在本发明中，流槽中的熔体在电磁能的作用下，控制所述铝合金熔体表面的磁感应强度为153～241mT，能够使Al-Zn-Mg系铝合金熔体组织得到明显细化，组织分布和均匀性有所改善，且未引入杂质，有效提高了铸锭的加工成型性能，使屈服强度、硬度和断裂口延伸率明显提高。由实施例的结果表明，以Al-5Zn-2Mg-2Cu合金为例，施加磁场后，Al-5Zn-2Mg-2Cu合金铸锭心部及边部组织均显著细化，心部的晶粒尺寸由77.65μm降低到60.78μm，边部的晶粒尺寸由59.24μm减低到50.83μm，晶粒尺寸分别下降了21.73％和14.20％；凝固组织形貌由玫瑰状转变为圆整的等轴晶，截面径向组织均匀性较好。

附图说明

图1为样品2横截面圆心处的金相微观组织图；

图2为样品20.5R处的金相微观组织图；

图3为样品2R处的金相微观组织图；

图4为样品1横截面圆心处的金相微观组织图；；

图5为样品10.5R处的金相微观组织图；

图6为样品1R处的金相微观组织图。

具体实施方式

本发明提供了一种Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法，包括以下步骤：

按照Al-Zn-Mg系铝合金元素配比，将铝合金原料进行熔炼，得到铝合金熔体；

将所述铝合金熔体流过流槽后进行半连续铸造，得到所述Al-Zn-Mg系铝合金铸锭；

对流槽中的铝合金熔体进行电磁处理；

电磁处理时，铝合金熔体表面的磁感应强度为153～241mT。

本发明按照Al-Zn-Mg系铝合金元素配比，将铝合金原料进行熔炼，得到铝合金熔体。

在本发明中，如无特殊说明，本发明对所述铝合金原料的来源和种类没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的原料即可。

在本发明中，所述熔炼的温度优选为730～800℃，更优选为750～785℃。本发明优选对铝合金原料融化后形成的铝合金熔体进行搅拌，本发明对搅拌速率和时间无特殊要求，只要能够实现铝合金熔体中各元素组分混合均匀即可。本发明对所述熔炼的设备没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的设备即可，在本发明的实施例中，所述熔炼设备为中频感应熔炼炉。

本发明优选对搅拌均匀后的铝合金熔体依次进行除气和扒渣，在本发明中，所述除气和扒渣的温度优选为730～800℃，更优选为750～780℃。本发明通过除气和扒渣，使铝合金熔体实现纯化。

所述除气和扒渣后，本发明优选对除气和扒渣后的铝合金熔体进行静置，所述静置的温度为800℃；保温时间优选为5～15min，更优选为6.5～12.5min。本发明通过保温静置，使铝合金熔体内部的杂质沉淀或上浮，实现了铝合金熔体内部的纯化。

得到铝合金熔体后，本发明将所述铝合金熔体流过流槽后进行半连续铸造，得到所述Al-Zn-Mg系铝合金铸锭；

在本发明中，所述流槽浇铸的过程中对流槽中的铝合金熔体进行电磁处理，在本发明中，所述电磁处理的条件包括：电磁能的频率优选为20～80Hz，更优选为25～65Hz，最优选为30～45Hz；电流优选为100～220A，更优选为150～220A，更优选为180～220A；占空比优选为20～60％，更优选为35～55％；铝合金熔体表面的磁感应强度优选为153～241mT，更优选为168～234mT，最优选为172～224mT。在本发明中，所述电磁处理的磁场波形优选包括矩形波、正弦波或三角波。

在本发明中，所述铝合金熔体表面的磁感应强度优选为153～241mT，能够实现对Al-Zn-Mg系铝合金组织的细化以及组织分布和均匀性明显改善。当铝合金熔体表面的磁感应强度大图241mT时，由于电磁力引起初生a-Al相互碰撞合并导致晶粒再度粗化且出现枝晶，使得到的Al-Zn-Mg系铝合金组织的微观性能下降。

在本发明中，所述电磁处理的磁场发射装置和所述铝合金熔体的距离优选为1～12mm，更优选为2.5～10mm，最优选为4.5～8mm。在本发明中，所述电磁处理时，铝合金熔体的温度优选为650～700℃，更优选为675～695℃。

本发明对所述磁场发射装置没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的设备即可。

在本发明中，所述半连续铸造时，合金熔体的的浇注速度优选为18～120mm/min，更优选为30～100mm/min，最优选为50～75mm/min。

在本发明中，所述半连续铸造时，优选采用冷却水进行冷却，所述冷却水的温度优选为10～20℃，更优选为12.5～25℃；流量优选为15～25m

在本发明中，所述半连续铸造的方式优选为竖井凝固铸造，经过电磁处理的铝合金熔体在引锭杆的牵引下仅水冷区凝固成铸锭。在本发明中，所述半连续铸造后，得到的Al-Zn-Mg系铝合金铸锭的直径优选为91～482mm，更优选为100～350mm。在本发明中，所述半连续铸造的冷却方式优选为水冷。

本发明提供的Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法，将所述铝合金熔体流过流槽，在流槽浇铸的过程中对流槽中的铝合金熔体进行电磁处理后，将所述铝合金熔体进行半连续铸造，得到所述Al-Zn-Mg系铝合金。在本发明中，流槽中的熔体在电磁能的作用下，能够使熔体组织得到明显细化，组织分布和均匀性有所改善，有效提高了铸锭的加工成型性能，使屈服强度、硬度和断裂口延伸率明显提高。

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

将Al-5Zn-2Mg-2Cu的原料经中频感应熔炼炉加热、熔化后，在800℃保温5min，得到铝合金熔体，将铝合金熔体流过流槽后进行半连续铸造，铝合金熔体流经流槽时，对铝合金熔体进行电磁处理，其中，铝合金熔体流经流槽时的温度为650℃，电磁能发生装置安置在流槽的正上方，磁极距铝合金熔体液面为10mm，开启专用电源，控制电磁能的频率为20Hz，电流为150A，占空比为60％，铝合金熔体表面的磁感应强度为153mT，电磁处理的磁场波形为矩形波；将经过电磁处理的铝合金熔体以18mm/min的速度由浇注口进入铸造竖井进行半连续铸造，在引锭杆的牵引下经水冷区凝固成铸锭，其中，冷却水的温度为19℃，流量为18m

实施例2

将Al-5Zn-2Mg-2Cu的原料经中频感应熔炼炉加热、熔化后，在730℃保温15min后，得到铝合金熔体，将铝合金熔体流过流槽后进行半连续铸造，对铝合金熔体进行电磁处理，其中，铝合金熔体流经流槽时的温度为700℃，电磁能发生装置安置在流槽的正上方，磁极距铝合金熔体液面为12mm，开启专用电源，控制电磁能的频率为50Hz，电流为220A，占空比为20％，铝合金熔体表面的磁感应强度为234mT，电磁处理的磁场波形为矩形波；将经过电磁处理的铝合金熔体以120mm/min的速度由浇注口进入铸造竖井进行半连续铸造，在引锭杆的牵引下经水冷区凝固成铸锭，其中，冷却水的温度为10℃，流量为15m

实施例3

将Al-5Zn-2Mg-2Cu的原料经中频感应熔炼炉加热、熔化后，在750℃保温10min后，得到铝合金熔体，将铝合金熔体流过流槽后进行半连续铸造，对铝合金熔体进行电磁处理，其中，铝合金熔体流经流槽时的温度为680℃，电磁能发生装置安置在流槽的正上方，磁极距铝合金熔体液面为10mm，开启专用电源，控制电磁能的频率为45Hz，电流为220A，占空比为40％，铝合金熔体表面的磁感应强度为153mT，电磁处理的磁场波形为矩形波；将经过电磁处理的铝合金熔体以100mm/min的速度由浇注口进入铸造竖井进行半连续铸造，在引锭杆的牵引下经水冷区凝固成铸锭，其中，冷却水的温度为10℃，流量为15m

对比例1

采用实施例1的方案制备Al-5Zn-2Mg-2Cu铸锭，区别在于本对比例不进行电磁能处理。

测试例

将实施例1得到的Al-5Zn-2Mg-2Cu铸锭利用线切割取样，得到铝合金样品1，将对比例1得到的Al-5Zn-2Mg-2Cu铸锭利用线切割取样，得到铝合金样品2。

将铝合金样品1和2研磨后、依次用200目、400目、600目和800目砂纸进行抛光，用keller试剂腐蚀15min后，观察铝合金样品的金相组织，其中图1、2和3为样品2的横截面圆心处、0.5R(0.5个半径)处和R(半径边缘)处的金相微观组织图；图4、5和6为样品1的横截面圆心处、0.5R(0.5个半径)处和R(半径边缘)处的金相微观组织图。样品1和样品2横截面圆心处和半径处的晶粒粒径平均尺寸的数据如表1。

图1样品1和样品2横截面圆心处和半径处晶粒的粒径平均尺寸

由图1、2、3与图4、5、6对比可知，样品1铸锭心部及边部组织均显著细化，心部由77.65μm降低到60.78μm；边部由59.24μm减低到50.83μm，晶粒尺寸分别下降了21.73％和14.20％。样品1的凝固组织形貌由玫瑰状转变为圆整的等轴晶，截面径向组织均匀性较好。

本发明提供的Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法不仅能够使铸锭组织得到明显细化，组织分布和均匀性明显改善，有效提高铸锭的加工成型性能且便于工业生产。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。