本發(fā)明涉及一種船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠的制造方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，船舶制造業(yè)在材料科學(xué)領(lǐng)域又有了新的發(fā)展方向。材質(zhì)和工藝更為環(huán)保的鋁合金船體在繼鋼質(zhì)船體后，成為在市場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用和大力發(fā)展的又一新興船舶船體。而船舶船體的環(huán)保性和輕量化又是船體材質(zhì)選用的重要指標(biāo)。鋁合金船體與鋼船體具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度時(shí)，可使船結(jié)構(gòu)減輕50％。因而鋁制船舶即使在重載情況下，也比鋼制船舶更易提速、滑行，航行更加平穩(wěn)、舒適，操作也更為靈活機(jī)動(dòng)，且極大程度地降低了油耗。新開發(fā)的一種船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先是比重小，僅為鋼的1/3，可減輕船重，降低能耗，增加載重量；其次是抗腐蝕性好，減少涂油等費(fèi)用，延長(zhǎng)使用年限；三是焊接、加工成型性能好，利于后期加工；最后鋁廢料易于回收，可以循環(huán)使用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有方法制造的船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠，力學(xué)性能低的問(wèn)題，提供了一種船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠及其制造方法。
船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠按質(zhì)量百分比由0.4％～0.7％mn、4.4％～4.8％mg、0.10％～0.15％zr、0.2％～0.3％er、0.01～0.05％ti和余量的al組成；且所述船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠中雜質(zhì)fe及zn質(zhì)量百分比小于0.20％，雜質(zhì)si質(zhì)量百分比小于0.12％，雜質(zhì)cu質(zhì)量百分比小于0.1％。
該制造方法如下：
一、稱取原料：按質(zhì)量百分比為0.4％～0.7％mn、4.4％～4.8％mg、0.10％～0.15％zr、0.2％～0.3％er、0.01～0.05％ti和余量的al的比例，稱取純鋁錠、鋁錳中間合金、鋁鋯中間合金、鋁鉺中間合金、鋁鈦中間合金和金屬鎂；
二、制備鋁合金熔體：首先將純鋁錠加入到電阻反射爐內(nèi)，然后加入鋁錳中間合金、鋁鋯中間合金和鋁鉺中間合金，待完全熔化后加金屬鎂和鋁鈦中間合金攪拌5min～10min，采用ar氣體在通入速率為0.1～0.15m3/min的條件下精煉10min，覆蓋上20～30kg熔劑后，得到合金熔體；
三、半連續(xù)鑄造：在溫度為750℃～760℃的條件下，將步驟二得到的合金熔體導(dǎo)入電阻反射爐的靜置爐，通入ar氣體，在通入速率為0.1～0.15m3/min的條件下精煉15min后，靜置30min，然后在鑄造速度為50mm/min～55mm/min、鑄造溫度為725℃～740℃、鑄造冷卻水壓為0.03mpa～0.10mpa的條件下點(diǎn)入ti含量為6％的al-ti絲，在鑄造速度為500mm/min的條件下進(jìn)行半連續(xù)鑄造，得到船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠；
所述船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠中雜質(zhì)fe及zn質(zhì)量百分比小于0.20％，雜質(zhì)si質(zhì)量百分比小于0.12％，雜質(zhì)cu質(zhì)量百分比小于0.1％。
步驟一中純鋁錠的純度為99.7％。
步驟二中所述熔劑是按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)由50％的kcl、45％的mgcl2及5％的bacl2組成；或者步驟二中所述熔劑是按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)由40％的kcl、45％的mgcl2、8％的bacl2、7％的nacl+cacl2組成。
步驟二是在780℃以上的條件下加入鋁鉺中間合金，加入鋁鉺中間合金后每20min攪拌一次，共攪拌3次。步驟二中在攪拌過(guò)程中保持熔體溫度為780℃。
步驟三通入ar-cl2混合氣體，在通入速率為0.1～0.15m3/min的條件下精煉15min，靜置30min。
本發(fā)明中各元素的作用：
1.mg的作用：
mg元素的主要作用是通過(guò)固溶強(qiáng)化和與其他元素形成一系列的可溶的金屬化合物強(qiáng)化相來(lái)提高合金的強(qiáng)度及耐腐蝕性。且使鋁合金具有良好的可焊性并有中等強(qiáng)度。
2.mn的作用：
mn在合金中做為輔助組元，一方面，能阻止鋁合金的再結(jié)晶過(guò)程，提高再結(jié)晶溫度，并顯著細(xì)化再結(jié)晶晶粒，防止變形后退火時(shí)晶粒粗化的作用。另一方面，通過(guò)固溶強(qiáng)化，消除fe的有害影響。mn還可以改善抗蝕性、焊接性。在高鎂合金中加入1％以下的mn元素可以起到補(bǔ)充強(qiáng)化作用，并降低熱裂傾向。
3.er的作用：
在鋁合金中添加er元素可有效細(xì)化合金的鑄態(tài)晶粒，增加合金熱穩(wěn)定性以及強(qiáng)度、硬度。這是因?yàn)閑r在鋁合金中主要以al3er粒子的形式存在，這種粒子與al3sc及al3zr結(jié)構(gòu)同為立方晶系，屬pm3m空間群，與基體鋁共格或半共格，具有熔點(diǎn)高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。er在合金中主要以al3er的形式存在，而且細(xì)小的al3er可作為η相異質(zhì)形核的核心,可以提高時(shí)效態(tài)合金的力學(xué)性能。
4.ti的作用：
ti元素主要起到細(xì)化晶粒的作用，但為了防止含ti一次晶化合物的生成，ti的加入量一般控制在0.05％以內(nèi)。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
本發(fā)明采用了鋁合金鑄錠原料的科學(xué)配比及熔煉工藝，保證了合金的熔體純凈及鑄錠的表面質(zhì)量；通過(guò)在高鎂合金中加入少量鉺元素，使鋁合金強(qiáng)度提高15％以上，熱穩(wěn)定性提高50℃左右；且鉺元素具有資源豐富及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，這使得發(fā)展新型工業(yè)規(guī)模含鉺高性能鋁合金成為可能；在為改善鑄錠的內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量提供了有利條件，本發(fā)明針對(duì)不同合金的特性選擇不同的加入時(shí)機(jī)、熔煉溫度及攪拌方法，解決了各元素充分合金化的問(wèn)題，鑄錠成品率有所提高；解決了現(xiàn)有方法制備的船舶用鋁合金鑄錠力學(xué)強(qiáng)度和硬度低的問(wèn)題。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式，還包括各具體實(shí)施方式間的任意組合。
具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠按質(zhì)量百分比由0.4％～0.7％mn、4.4％～4.8％mg、0.10％～0.15％zr、0.2％～0.3％er、0.01～0.05％ti和余量的al組成；且所述船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠中雜質(zhì)fe及zn質(zhì)量百分比小于0.20％，雜質(zhì)si質(zhì)量百分比小于0.12％，雜質(zhì)cu質(zhì)量百分比小于0.1％。
本具體實(shí)施方式各元素的作用：
1.mg的作用：
mg元素的主要作用是通過(guò)固溶強(qiáng)化和與其他元素形成一系列的可溶的金屬化合物強(qiáng)化相來(lái)提高合金的強(qiáng)度及耐腐蝕性。且使鋁合金具有良好的可焊性并有中等強(qiáng)度。
2.mn的作用：
mn在合金中做為輔助組元，一方面，能阻止鋁合金的再結(jié)晶過(guò)程，提高再結(jié)晶溫度，并顯著細(xì)化再結(jié)晶晶粒，防止變形后退火時(shí)晶粒粗化的作用。另一方面，通過(guò)固溶強(qiáng)化，消除fe的有害影響。mn還可以改善抗蝕性、焊接性。在高鎂合金中加入1％以下的mn元素可以起到補(bǔ)充強(qiáng)化作用，并降低熱裂傾向。
3.er的作用：
在鋁合金中添加er元素可有效細(xì)化合金的鑄態(tài)晶粒，增加合金熱穩(wěn)定性以及強(qiáng)度、硬度。這是因?yàn)閑r在鋁合金中主要以al3er粒子的形式存在，這種粒子與al3sc及al3zr結(jié)構(gòu)同為立方晶系，屬pm3m空間群，與基體鋁共格或半共格，具有熔點(diǎn)高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。er在合金中主要以al3er的形式存在，而且細(xì)小的al3er可作為η相異質(zhì)形核的核心,可以提高時(shí)效態(tài)合金的力學(xué)性能。
4.ti的作用：
ti元素主要起到細(xì)化晶粒的作用，但為了防止含ti一次晶化合物的生成，ti的加入量一般控制在0.05％以內(nèi)。
具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠按質(zhì)量百分比由0.5％mn、4.7％mg、0.12％zr、0.25％er、0.02％ti和余量的al熔煉制成。其它與具體實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式三：具體實(shí)施方式一所述船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠制造方法如下：
一、稱取原料：按質(zhì)量百分比為0.4％～0.7％mn、4.4％～4.8％mg、0.10％～0.15％zr、0.2％～0.3％er、0.01～0.05％ti和余量的al的比例，稱取純鋁錠、鋁錳中間合金、鋁鋯中間合金、鋁鉺中間合金、鋁鈦中間合金和金屬鎂；
二、制備鋁合金熔體：首先將純鋁錠加入到電阻反射爐內(nèi)，然后加入鋁錳中間合金、鋁鋯中間合金和鋁鉺中間合金，待完全熔化后加金屬鎂和鋁鈦中間合金攪拌5min～10min，采用ar氣體在通入速率為0.1～0.15m3/min的條件下精煉10min，覆蓋上20～30kg熔劑后，得到合金熔體；
三、半連續(xù)鑄造：在溫度為750℃～760℃的條件下，將步驟二得到的合金熔體導(dǎo)入電阻反射爐的靜置爐，通入ar氣體，在通入速率為0.1～0.15m3/min的條件下精煉15min后，靜置30min，然后在鑄造速度為50mm/min～55mm/min、鑄造溫度為725℃～740℃、鑄造冷卻水壓為0.03mpa～0.10mpa的條件下點(diǎn)入ti含量為6％的al-ti絲，在鑄造速度為500mm/min的條件下進(jìn)行半連續(xù)鑄造，得到船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠；
所述船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠中雜質(zhì)fe及zn質(zhì)量百分比小于0.20％，雜質(zhì)si質(zhì)量百分比小于0.12％，雜質(zhì)cu質(zhì)量百分比小于0.1％。
本具體實(shí)施方式各元素的作用：
1.mg的作用：
mg元素的主要作用是通過(guò)固溶強(qiáng)化和與其他元素形成一系列的可溶的金屬化合物強(qiáng)化相來(lái)提高合金的強(qiáng)度及耐腐蝕性。且使鋁合金具有良好的可焊性并有中等強(qiáng)度。
2.mn的作用：
mn在合金中做為輔助組元，一方面，能阻止鋁合金的再結(jié)晶過(guò)程，提高再結(jié)晶溫度，并顯著細(xì)化再結(jié)晶晶粒，防止變形后退火時(shí)晶粒粗化的作用。另一方面，通過(guò)固溶強(qiáng)化，消除fe的有害影響。mn還可以改善抗蝕性、焊接性。在高鎂合金中加入1％以下的mn元素可以起到補(bǔ)充強(qiáng)化作用，并降低熱裂傾向。
3.er的作用：
在鋁合金中添加er元素可有效細(xì)化合金的鑄態(tài)晶粒，增加合金熱穩(wěn)定性以及強(qiáng)度、硬度。這是因?yàn)閑r在鋁合金中主要以al3er粒子的形式存在，這種粒子與al3sc及al3zr結(jié)構(gòu)同為立方晶系，屬pm3m空間群，與基體鋁共格或半共格，具有熔點(diǎn)高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。er在合金中主要以al3er的形式存在，而且細(xì)小的al3er可作為η相異質(zhì)形核的核心,可以提高時(shí)效態(tài)合金的力學(xué)性能。
4.ti的作用：
ti元素主要起到細(xì)化晶粒的作用，但為了防止含ti一次晶化合物的生成，ti的加入量一般控制在0.05％以內(nèi)。
具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三不同的是步驟一中按質(zhì)量百分比0.5％mn、4.7％mg、0.12％zr、0.25％er、0.02％ti和余量的al的比例，稱取純鋁錠、鋁錳中間合金、鋁鋯中間合金、鋁鉺中間合金、鋁鈦中間合金和金屬鎂。其它與具體實(shí)施方式三相同。
具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三或四不同的是步驟一中純鋁錠的純度為99.7％。其它與具體實(shí)施方式三或四相同。
具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三至五之一不同的是步驟二中所述熔劑是按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)由50％的kcl、45％的mgcl2及5％的bacl2組成；或者步驟二中所述熔劑是按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)由40％的kcl、45％的mgcl2、8％的bacl2、7％的nacl+cacl2組成。其它與具體實(shí)施方式三至五之一相同。
具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三至六之一不同的是步驟二是在780℃以上的條件下加入鋁鉺中間合金，加入鋁鉺中間合金后每20min攪拌一次，共攪拌3次。其它與具體實(shí)施方式三至六之一相同。
具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三至七之一不同的是步驟二中在攪拌過(guò)程中保持熔體溫度為780℃。其它與具體實(shí)施方式三至七之一相同。
具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三至八之一不同的是步驟三通入ar-cl2混合氣體，在通入速率為0.1～0.15m3/min的條件下精煉15min，靜置30min。其它與具體實(shí)施方式三至八之一相同。
具體實(shí)施方式十：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三至九之一不同的是步驟三在鑄造速度為50mm/min、鑄造溫度為725℃及鑄造冷卻水壓為0.05mpa的條件下進(jìn)行半連續(xù)鑄造。其它與具體實(shí)施方式三至九之一相同。
采用下述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明效果：
實(shí)驗(yàn)一：
本實(shí)驗(yàn)船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠的制造方法按下列步驟實(shí)現(xiàn)：
一、稱取原料：按質(zhì)量百分比0.5％mn、4.7％mg、0.12％zr、0.25％er、0.02％ti和余量的al的比例，稱取純鋁錠、鋁錳中間合金、鋁鋯中間合金、鋁鉺中間合金、鋁鈦中間合金和金屬鎂；
二、制備鋁合金熔體：首先將純鋁錠加入到電阻反射爐內(nèi)，然后加入鋁錳中間合金、鋁鋯中間合金，加熱溫度至780℃以上向電阻反射爐內(nèi)加鋁鉺中間合金，加入鋁鉺中間合金后每20分鐘攪拌一次，共攪拌3次，攪拌期間保持熔體溫度在780℃。然后加金屬鎂和鋁鈹、鋁鈦中間合金攪拌攪拌10min，采用ar氣體在通入速率為0.15m3/min的條件下精煉10min，覆蓋上20kg熔劑后得到合金熔體；
三、半連續(xù)鑄造：在溫度為755℃的條件下，將步驟二得到的合金熔體導(dǎo)入電阻反射爐的靜置爐，通入ar氣體在通入速率為0.15m3/min的條件下，精煉15min后靜置30min，然后在鑄造速度為50mm/min，鑄造溫度為725℃，鑄造冷卻水壓為0.05mpa，點(diǎn)入ti含量為6％的al-ti絲在500mm/min的條件下進(jìn)行半連續(xù)鑄造得到艦船船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠；
所述船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠中雜質(zhì)fe、zn質(zhì)量百分比小于0.20％，雜質(zhì)si質(zhì)量百分比小于0.12％，雜質(zhì)cu質(zhì)量百分比小于0.1％。
步驟一中所述的純鋁錠的純度為99.7％；
步驟二中所述的熔劑是按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)由40％的kcl、45％的mgcl2、8％的bacl2、7％的nacl+cacl2組成。
表1:實(shí)驗(yàn)一制得的船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠的各試樣化學(xué)成分(％)
注：1-3為鋁合金鑄錠厚度方向由邊部到中心。
實(shí)驗(yàn)一制得的船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠的化學(xué)成分見(jiàn)表1，從化學(xué)成分上看符合該合金技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，由中心到邊部化學(xué)成分偏析較小，成分均勻、符合偏析規(guī)律。
對(duì)實(shí)驗(yàn)一制得的船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠沿厚度方向，從邊部至中心取20mm×20mm試樣，進(jìn)行鑄錠高倍組織檢查。從中心到邊部，枝晶間距逐漸減小，第二相分布均勻，符合結(jié)晶規(guī)律。
對(duì)實(shí)驗(yàn)一制得的船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠沿厚度方向由邊部至中心切取20mm×120mm試樣，進(jìn)行鑄錠力學(xué)性能對(duì)比(見(jiàn)表2)。
表2實(shí)驗(yàn)一制得的船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果
注：7-11為鋁合金鑄錠厚度方向由邊部到中心。
對(duì)不含er元素制得的船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠沿厚度方向由邊部至中心切取20mm×120mm試樣，進(jìn)行鑄錠力學(xué)性能對(duì)比(見(jiàn)表3)。
表3不含er元素鋁合金制得的船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果
從表2、3中可以看出，實(shí)驗(yàn)一鑄錠的性能差別較小，各部位組織比較均勻，規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率明顯高于以往艦船舶體用鋁合金的性能，其優(yōu)質(zhì)性能適用于制作船舶船體。
實(shí)驗(yàn)二：
本實(shí)驗(yàn)船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠的制造方法按下列步驟實(shí)現(xiàn)：
一、稱取原料：按質(zhì)量百分比為0.5％mn、4.7％mg、0.12％zr、0.25％er、0.02％ti和余量的al，稱取純鋁錠、鋁錳中間合金、鋁鋯中間合金、鋁鉺中間合金、鋁鈦中間合金和金屬鎂；
二、制備鋁合金熔體：首先將純鋁錠加入到電阻反射爐內(nèi)，然后加入鋁錳中間合金、鋁鋯中間合金，加熱溫度至780℃以上向電阻反射爐內(nèi)加鋁鉺中間合金。然后加金屬鎂和鋁鈹、鋁鈦中間合金攪拌攪拌10min，采用ar氣體在通入速率為0.15m3/min的條件下精煉10min，覆蓋上20kg熔劑后得到合金熔體；
三、半連續(xù)鑄造：在溫度為750℃～760℃的條件下，將步驟二得到的合金熔體導(dǎo)入電阻反射爐的靜置爐，通入ar氣體，在通入速率為0.15m3/min的條件下精煉15min后靜置30min，然后在鑄造速度為50mm/min，鑄造溫度為725℃，鑄造冷卻水壓為0.05mpa，點(diǎn)入ti含量為6％的al-ti絲500mm/min的條件下進(jìn)行半連續(xù)鑄造得到艦船船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠；
所述船舶船體用鋁合金大規(guī)格扁鑄錠中雜質(zhì)fe、zn質(zhì)量百分比小于0.20％，雜質(zhì)si質(zhì)量百分比小于0.12％，雜質(zhì)cu質(zhì)量百分比小于0.1％。