專利名稱：兩相區(qū)二、三、四次重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鋁合金熔體凈化方法，尤其一種兩相區(qū)重復凝固凈化鋁及鋁合金
熔體的方法。
背景技術：
作為結構材料，與鋼鐵相比，鋁合金具有密度小，比強度高等優(yōu)點，在航空航天、汽 車、醫(yī)療器械等領域用量日益增加。在鋁合金生產過程中，尤其在鋁錠制備，鑄件制造過程 中會產生大量的孔洞缺陷，造成鋁錠或鋁合金鑄件性能，特別是力學性能，大幅下降甚至報 廢，導致成品率低，大量能源浪費。對于鋁合金中孔洞缺陷的研究早已成為鋁合金尤其鑄造 用鋁合金的研究熱點，但是一直沒有很有效地工藝方法以控制或消除孔洞缺陷。研究表明， 鋁及鋁合金熔體中的氫與氧化夾雜的存在是導致孔洞缺陷產生的主要因素；由于氫在鋁及 鋁合金鋁及鋁合金固液兩相中的溶解度的巨大差別使得凝固時氫在凝固界面前大量聚集， 導致液相中的氫過飽和，而過飽和的氫依托熔體中的氧化夾雜形核并快速生長產生孔洞缺 陷，因此，凈化熔體是減少鑄錠或鑄件中孔洞缺陷的主要方法。傳統(tǒng)的熔體凈化精煉工藝為 向熔體中加入精煉劑(熔劑)，如C2C16、JDLF_1等，但會對環(huán)境造成污染，對操作人員有害， 且容易引入新的雜質，效率低；或者通過旋轉噴吹惰性氣體、氮氣，但是效果不夠穩(wěn)定，通入 的氣泡尺寸大或產生合泡時效果不好，通入的氣體除濕不夠反而會增加孔洞缺陷，尤其通 入氮氣時，溫度控制不當會與鋁熔體發(fā)生反應，反而污染熔體；真空熔煉、電磁凈化等工藝 對設備要求很高，成本也就相應增加，因此采用兩相區(qū)重復凝固凈化鋁合金熔體的方法有 重要的應用前景。

發(fā)明內容
針對現有技術存在的缺陷，本發(fā)明提供一種能夠降低孔隙率并提高鋁及鋁合金致 密性的兩相區(qū)二、三、四次重復凝固凈化鋁合金熔體的方法。
本發(fā)明采用如下技術方案 —種兩相區(qū)二次重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法 第一步將要進行熔煉鑄造的鋁或鋁合金加熱到700°C 78(TC使其熔化，保溫 10min 20min后撇渣； 第二步將處理好的熔體澆入轉澆包中進行冷卻，冷卻速率為0. OrC /s 20°C /
s，冷卻到固相線溫度至室溫間任意溫度，完成熔體在轉澆包中的第一次凝固； 第三步將上述第一次在轉澆包中凝固后的鋁及鋁合金放入加熱爐加熱到
70(TC 78(TC熔化后，撇去熔體表面上的浮渣，將熔體澆入型腔，完成熔體的第二次凝固，
完成鑄件澆注。 —種兩相區(qū)三次重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法，其特征在于 第一步將要進行熔煉鑄造的鋁或鋁合金加熱到700°C 78(TC使其熔化，保溫
10min 20min后撇渣；
3
第二步將處理好的熔體澆入轉澆包中進行冷卻，冷卻速率為o. ore /s 2o°c /
s，冷卻到固相線溫度至室溫間任意溫度，完成熔體在轉澆包中的第一次凝固； 第三步將上述轉澆包連同其中完全凝固的鋁及鋁合金放入加熱爐再次加熱熔
化，升溫速率為0. 1°C /s 20°C /s，加熱至鋁及鋁合金液相線溫度 700°C ; 第四步將上述轉澆包連同其中完全熔化的鋁及鋁合金從加熱爐中取出進行冷
卻，冷卻速率為0. OrC /s 20°C /s，冷卻到鋁及鋁合金合金固相線溫度至室溫間任意溫
度，完成熔體在轉澆包中的第二次凝固； 第五步將上述第二次在轉澆包中凝固后的鋁及鋁合金放入加熱爐加熱到 70(TC 78(TC熔化后，撇去熔體表面上的浮渣，將熔體澆入型腔，完成熔體的第三次凝固， 完成鑄件澆注。 —種兩相區(qū)四次重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法 第一步將要進行熔煉鑄造的鋁或鋁合金加熱到700°C 78(TC使其熔化，保溫 10min 20min后撇渣； 第二步將處理好的熔體澆入轉澆包中進行冷卻，冷卻速率為0. OrC /s 20°C /
s，冷卻到固相線溫度至室溫間任意溫度，完成熔體在轉澆包中的第一次凝固； 第三步將上述轉澆包連同其中完全凝固的鋁及鋁合金放入加熱爐再次加熱熔
化，升溫速率為0. 1°C /s 20°C /s，加熱至鋁及鋁合金液相線溫度 700°C ; 第四步將上述轉澆包連同其中完全熔化的鋁及鋁合金從加熱爐中取出進行冷
卻，冷卻速率為0. OrC /s 20°C /s，冷卻到鋁及鋁合金合金固相線溫度至室溫間任意溫
度，完成熔體在轉澆包中的第二次凝固； 第五步重復第三步及第四步所述的工藝過程，完成熔體在轉澆包中的第三次凝 固； 第六步將上述第三次在轉澆包中凝固后的鋁及鋁合金放入加熱爐加熱到 70(TC 78(TC熔化后，撇去熔體表面上的浮渣，將熔體澆入型腔，完成熔體的第四次凝固， 完成鑄件澆注。 所述的鋁或鋁合金可以是純鋁，鋁銅系、鋁硅系、鋁鎂系、鋁鋅系合金中的一種。
本發(fā)明的有益效果為 1.本發(fā)明采用兩相區(qū)重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法，鋁或鋁合金在凝固 時，由于熔體中的氫在固相中的溶解度遠遠小于液相中的溶解度，氫在固液界面前聚集并 以氧化夾雜中的孔隙為基底析出，形成孔洞，最終被固化在固相中；而在熔化時，被固化在 固相中的孔洞，未及溶解即連同氧化夾雜上浮逸出熔體，有效地降低了熔體中的氫含量與 氧化夾雜含量，凈化了鋁及鋁合金熔體。 2.本發(fā)明極大的降低了鋁及鋁合金鑄錠或鑄件中的孔洞缺陷，降低了產品報廢
率，傳統(tǒng)的旋轉噴吹工藝或加入熔劑精煉時都會引起熔體表面的翻滾， 一方面會巻入浮渣，
另一方面破壞了熔體表面致密氧化膜，增加熔體吸收環(huán)境中的氫的概率，效果不穩(wěn)定；采用
兩相區(qū)重復凝固凈化工藝，在重新熔化時，由于熔體表面平穩(wěn)，不會引起熔體表面的浮渣巻
入熔體，也不會破壞表面致密氧化膜，阻止了熔體吸氫行為，所以凈化效果穩(wěn)定。 3.本發(fā)明采用兩相區(qū)重復凝固，凝固時溫度冷卻到固相線至室溫間任意溫度，熔
化時加熱到液相線溫度 70(TC即可，工藝參數制定簡單，易于操作。
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4.本發(fā)明采用兩相區(qū)重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體，不會產生污染性氣體，對環(huán) 境友好，有利于工業(yè)生產。 5.現有的非吸附性凈化工藝，如真空熔煉工藝要求熔體熔煉室需要抽真空處 理，要有相應的真空設備配備；電磁凈化工藝需要熔體以一定的速度流經電磁閥，操作過程 復雜，對設備要求高，本發(fā)明采用兩相區(qū)重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體，對設備要求低，工 藝過程簡單，成本低。


圖la為采用兩相區(qū)重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法，使用ZL101合金，通過 一次凝固制備的鑄錠孔洞缺陷分布圖。 圖lb為采用兩相區(qū)重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法，使用ZL101合金，通過 兩次凝固制備的鑄錠孔洞缺陷分布圖。 圖lc為采用兩相區(qū)重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法，使用ZL101合金，通過 三次凝固制備的鑄錠孔洞缺陷分布圖。 圖Id為采用兩相區(qū)重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法，使用ZL101合金，通過 四次凝固制備的鑄錠孔洞缺陷分布圖。 圖2為實施例1中第一次凝固冷卻曲線圖，由圖可見，單相區(qū)冷卻速度為1. 7°C /
So 圖3為實施例1中第二次熔化升溫曲線圖，由圖可見，單相區(qū)解熱速度為0. 33°C /
So 圖4為實施例1中第三次凝固冷卻曲線圖，由圖可見，單相區(qū)冷卻速度為0. 7°C /
So 圖5為對同一熔體，重復凝固次數對最終孔隙率及每次凝固前熔體中氫含量的影 響關系圖，由圖可見，隨著重復凝固次數增加，鑄錠中的孔隙率大大降低(孔隙率由商業(yè)定 量金相軟件測得，數值為二維金相剖面上孔洞面積除以剖面總面積)。 圖6a為采用兩相區(qū)重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法，使用純鋁，通過一次凝 固制備的鑄錠孔洞缺陷分布圖。 圖6b為采用兩相區(qū)重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法，使用純鋁，通過兩次凝 固制備的鑄錠孔洞缺陷分布圖。 圖6c為采用兩相區(qū)重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法，使用純鋁，通過三次凝 固制備的鑄錠孔洞缺陷分布圖。
具體實施例方式
—種兩相區(qū)二次重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法 第一步將要進行熔煉鑄造的鋁或鋁合金加熱到700°C 78(TC使其熔化，保溫 lOmin 20min后撇渣； 第二步將處理好的熔體澆入轉澆包中進行冷卻，冷卻速率為0. OrC /s 20°C /
s，冷卻到固相線溫度至室溫間任意溫度，完成熔體在轉澆包中的第一次凝固； 第三步將上述第一次在轉澆包中凝固后的鋁及鋁合金放入加熱爐加熱到70(TC 78(TC熔化后，撇去熔體表面上的浮渣，將熔體澆入型腔，完成熔體的第二次凝固， 完成鑄件澆注。 —種兩相區(qū)三次重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法，其特征在于 第一步將要進行熔煉鑄造的鋁或鋁合金加熱到700°C 78(TC使其熔化，保溫
10min 20min后撇渣； 第二步將處理好的熔體澆入轉澆包中進行冷卻，冷卻速率為0. OrC /s 20°C /
s，冷卻到固相線溫度至室溫間任意溫度，完成熔體在轉澆包中的第一次凝固； 第三步將上述轉澆包連同其中完全凝固的鋁及鋁合金放入加熱爐再次加熱熔
化，升溫速率為0. 1°C /s 20°C /s，加熱至鋁及鋁合金液相線溫度 700°C ; 第四步將上述轉澆包連同其中完全熔化的鋁及鋁合金從加熱爐中取出進行冷
卻，冷卻速率為0. OrC /s 20°C /s，冷卻到鋁及鋁合金合金固相線溫度至室溫間任意溫
度，完成熔體在轉澆包中的第二次凝固； 第五步將上述第二次在轉澆包中凝固后的鋁及鋁合金放入加熱爐加熱到 70(TC 78(TC熔化后，撇去熔體表面上的浮渣，將熔體澆入型腔，完成熔體的第三次凝固， 完成鑄件澆注。 —種兩相區(qū)四次重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法 第一步將要進行熔煉鑄造的鋁或鋁合金加熱到700°C 78(TC使其熔化，保溫 10min 20min后撇渣； 第二步將處理好的熔體澆入轉澆包中進行冷卻，冷卻速率為0. OrC /s 20°C /
s，冷卻到固相線溫度至室溫間任意溫度，完成熔體在轉澆包中的第一次凝固； 第三步將上述轉澆包連同其中完全凝固的鋁及鋁合金放入加熱爐再次加熱熔
化，升溫速率為0. 1°C /s 20°C /s，加熱至鋁及鋁合金液相線溫度 700°C ; 第四步將上述轉澆包連同其中完全熔化的鋁及鋁合金從加熱爐中取出進行冷
卻，冷卻速率為0. OrC /s 20°C /s，冷卻到鋁及鋁合金合金固相線溫度至室溫間任意溫
度，完成熔體在轉澆包中的第二次凝固； 第五步重復第三步及第四步所述的工藝過程，完成熔體在轉澆包中的第三次凝 固； 第六步將上述第三次在轉澆包中凝固后的鋁及鋁合金放入加熱爐加熱到 70(TC 78(TC熔化后，撇去熔體表面上的浮渣，將熔體澆入型腔，完成熔體的第四次凝固， 完成鑄件澆注。 所述的鋁或鋁合金可以是純鋁，鋁銅系、鋁硅系、鋁鎂系、鋁鋅系合金中的一種。
實施例1 一種亞共晶鋁硅合金熔體的凈化 第一步將要進行熔煉鑄造的鋁硅合金(ZL101)加熱至熔化，加熱到76(TC，加入 Mg合金進行合金化，保溫20min后撇渣； 第二步將處理好的熔體澆入轉澆包中進行冷卻(同時使用一個圓臺形不銹鋼澆 杯從轉澆包中取出部分熔體凝固后觀察孔洞數量及分布，如圖la)，轉澆包不預熱，冷卻速 率為1. 7°C /s，冷卻曲線如圖2，冷卻到56(TC，完成熔體在轉澆包中的第一次凝固；
第三步將上述轉澆包連同其中完全凝固的鋁硅合金放入加熱爐再次加熱熔化， 升溫速率為0. 33°C /s，加熱曲線如圖3，加熱至630°C ;
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第四步將上述轉澆包連同其中完全熔化的鋁硅合金從加熱爐中取出進行冷卻 (同時也使用一個圓臺形不銹鋼澆杯從轉澆包中取出部分熔體凝固后觀察孔洞數量及分
布，如圖lb)，冷卻速率為0. 7°C /s，冷卻曲線如圖4，冷卻到57(TC，完成熔體在轉澆包中的 第二次凝固； 第五步重復第三步及第四步所述的工藝過程，完成熔體在轉澆包中的第三次凝 固，孔洞數量及分布如圖lc ; 第六步將上述第三次在轉澆包中凝固后的鋁硅放入加熱爐再次加熱熔化，升溫 速率不限，根據澆注需要溫度，加熱到700 78(TC后，撇去熔體表面上的浮渣，將熔體澆入 型腔，完成熔體的第四次凝固，孔洞數量及分布如圖ld。每次凝固前使用HYSCAN測氫儀測 定熔體氫含量。 圖5為本實施例分別進行一次、兩次、三次、四次凝固后鑄件中孔隙率和每次凝固 前熔體氫含量的變化曲線，可以看出，氫含量和孔隙率均隨凝固次數增加大大降低，四次凝 固可以使孔隙率比一次凝固降低96% ;。
實施例2 —種純鋁合金熔體的凈化 第一步將要進行熔煉鑄造的純鋁加熱至熔化，加熱到720°C，保溫10min后撇 渣； 第二步將處理好的熔體澆入轉澆包中進行冷卻(同時也使用一個圓臺形不銹鋼 澆杯從轉澆包中取出部分熔體凝固后觀察孔洞數量及分布，如圖6a)，轉澆包不預熱，冷卻 速率為0. 5°C /s，冷卻到645t:，完成熔體在轉澆包中的第一次凝固； 第三步將上述轉澆包連同其中完全凝固的鋁銅合金放入加熱爐再次加熱熔化， 升溫速率為2. 5°C /s，加熱至675 °C ; 第四步將上述轉澆包連同其中完全熔化的鋁銅合金從加熱爐中取出進行冷卻 (同時也使用一個圓臺形不銹鋼澆杯從轉澆包中取出部分熔體凝固后觀察孔洞數量及分 布，如圖6b)，冷卻速率為0. 2°C /s，冷卻到645t:，完成熔體在轉澆包中的第二次凝固；
第五步將上述第二次在轉澆包中凝固后的鋁銅合金放入加熱爐再次加熱熔化， 升溫速率不限，根據澆注需要溫度，加熱到700 78(TC后，撇去熔體表面上的浮渣，將熔體 澆入型腔(同時也使用一個圓臺形不銹鋼澆杯從轉澆包中取出部分熔體凝固后觀察孔洞 數量及分布，如圖6c)，完成熔體的第三次凝固。三次凝固可以使孔隙率比一次凝固降低 98%。 實施例3 —種鋁銅合金熔體的凈化 第一步將要進行熔煉鑄造的鋁硅合金(ZL201)加熱至熔化，加熱到76(TC，加入 Zn合金進行合金化，保溫10min后撇渣； 第二步將處理好的熔體澆入轉澆包中進行冷卻，轉澆包不預熱，冷卻速率為 2°C /s，冷卻到53(TC，完成熔體在轉澆包中的第一次凝固； 第三步將上述轉澆包連同其中完全凝固的鋁銅合金放入加熱爐再次加熱熔化， 升溫速率為1. 5°C /s，加熱至630°C ; 第四步將上述轉澆包連同其中完全熔化的鋁銅合金從加熱爐中取出進行冷卻，
冷卻速率為0. 8°C /s，冷卻到57(TC，完成熔體在轉澆包中的第二次凝固； 第五步重復第三步及第四步所述的工藝過程，完成熔體在轉澆包中的第三次凝固； 第六步將上述第三次在轉澆包中凝固后的鋁銅合金放入加熱爐再次加熱熔化， 升溫速率不限，根據澆注需要溫度，加熱到700 78(TC后，撇去熔體表面上的浮渣，將熔體 澆入型腔，完成熔體的第四次凝固。重復凝固可以使孔隙率比一次凝固降低90%。
實施例4 一種近共晶鋁硅合金熔體的凈化 第一步將要進行熔煉鑄造的鋁硅合金(ZL102)加熱至熔化，加熱到76(TC，加入 Mg合金進行合金化，保溫15min后撇渣； 第二步將處理好的熔體澆入轉澆包中進行冷卻，轉澆包不預熱，冷卻速率為 TC /s，冷卻到56(TC，完成熔體在轉澆包中的第一次凝固； 第三步將上述第一次在轉澆包中凝固后的鋁銅合金放入加熱爐再次加熱熔化， 升溫速率不限，根據澆注需要溫度，加熱到700 78(TC后，撇去熔體表面上的浮渣，將熔體 澆入型腔，完成熔體的第三次凝固。重復凝固可以使孔隙率比一次凝固降低93%。
權利要求
一種兩相區(qū)二次重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法，其特征在于第一步將要進行熔煉鑄造的鋁或鋁合金加熱到700℃～780℃使其熔化，保溫10min～20min后撇渣；第二步將處理好的熔體澆入轉澆包中進行冷卻，冷卻速率為0.01℃/s～20℃/s，冷卻到固相線溫度至室溫間任意溫度，完成熔體在轉澆包中的第一次凝固；第三步將上述第一次在轉澆包中凝固后的鋁及鋁合金放入加熱爐加熱到700℃～780℃熔化后，撇去熔體表面上的浮渣，將熔體澆入型腔，完成熔體的第二次凝固，完成鑄件澆注。
2. —種兩相區(qū)三次重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法，其特征在于第一步將要進行熔煉鑄造的鋁或鋁合金加熱到70(TC 78(rC使其熔化，保溫 10min 20min后撇渣；第二步將處理好的熔體澆入轉澆包中進行冷卻，冷卻速率為0. OrC /s 20°C /s，冷 卻到固相線溫度至室溫間任意溫度，完成熔體在轉澆包中的第一次凝固；第三步將上述轉澆包連同其中完全凝固的鋁及鋁合金放入加熱爐再次加熱熔化，升 溫速率為0. 1°C /s 20°C /s，加熱至鋁及鋁合金液相線溫度 700°C ;第四步將上述轉澆包連同其中完全熔化的鋁及鋁合金從加熱爐中取出進行冷卻，冷卻速率為0. OrC /s 20°C /s，冷卻到鋁及鋁合金合金固相線溫度至室溫間任意溫度，完成熔體在轉澆包中的第二次凝固；第五步將上述第二次在轉澆包中凝固后的鋁及鋁合金放入加熱爐加熱到700°C 78(TC熔化后，撇去熔體表面上的浮渣，將熔體澆入型腔，完成熔體的第三次凝固，完成鑄件 澆注。
3. —種兩相區(qū)四次重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法，其特征在于第一步將要進行熔煉鑄造的鋁或鋁合金加熱到700°C 78(TC使其熔化，保溫 10min 20min后撇渣；第二步將處理好的熔體澆入轉澆包中進行冷卻，冷卻速率為0. OrC /s 20°C /s，冷 卻到固相線溫度至室溫間任意溫度，完成熔體在轉澆包中的第一次凝固；第三步將上述轉澆包連同其中完全凝固的鋁及鋁合金放入加熱爐再次加熱熔化，升 溫速率為0. 1°C /s 20°C /s，加熱至鋁及鋁合金液相線溫度 700°C ;第四步將上述轉澆包連同其中完全熔化的鋁及鋁合金從加熱爐中取出進行冷卻，冷卻速率為0. OrC /s 20°C /s，冷卻到鋁及鋁合金合金固相線溫度至室溫間任意溫度，完成熔體在轉澆包中的第二次凝固；第五步重復第三步及第四步所述的工藝過程，完成熔體在轉澆包中的第三次凝固； 第六步將上述第三次在轉澆包中凝固后的鋁及鋁合金放入加熱爐加熱到700°C 78(TC熔化后，撇去熔體表面上的浮渣，將熔體澆入型腔，完成熔體的第四次凝固，完成鑄件 澆注。
4. 根據權利要求1、2或3所述的采用兩相區(qū)重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法，其 特征在于所述的鋁或鋁合金是純鋁、鋁銅系、鋁硅系、鋁鎂系、鋁鋅系合金中的一種。
全文摘要
一種兩相區(qū)二、三、四次重復凝固凈化鋁及鋁合金熔體的方法將鋁或鋁合金加熱到700℃～780℃使其熔化，保溫10min～20min后撇渣；將處理好的熔體澆入轉澆包中進行冷卻，冷卻到固相線溫度至室溫間任意溫度，完成熔體的第一次凝固；將上述轉澆包連同其中完全凝固的鋁及鋁合金放入加熱爐再次加熱熔化，加熱至鋁及鋁合金液相線溫度～700℃；將上述轉澆包連同其中完全熔化的鋁及鋁合金從加熱爐中取出進行冷卻，冷卻到鋁及鋁合金合金固相線溫度至室溫間任意溫度，完成熔體的第二次凝固；將上述第二次在轉澆包中凝固后的鋁及鋁合金放入加熱爐加熱到700℃～780℃熔化后，撇去熔體表面上的浮渣，將熔體澆入型腔。
文檔編號C22B21/06GK101787444SQ20101012362
公開日2010年7月28日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權日2010年3月12日
發(fā)明者廖恒成, 潘冶, 王鳳云, 趙磊 申請人:東南大學