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CN116445757A - 一种铝合金杆及其制备方法 - Google Patents

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CN116445757A CN202310443391.3A CN202310443391A CN116445757A CN 116445757 A CN116445757 A CN 116445757A CN 202310443391 A CN202310443391 A CN 202310443391A CN 116445757 A CN116445757 A CN 116445757A
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杨明学
柯长奋
陈田田
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Yangtze Normal University
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Abstract

本发明公开了一种铝合金杆及其制备方法。所述铝合金杆通过连铸连轧制备而成，在铸造时，镁元素以中间合金的形式加入，且加入的铝镁中间合金中镁的质量百分比为38～40.5％；该铝合金杆的内部为等轴晶组织，拉伸强度为290～305MPa，伸长率为22～24％，具有良好的力学性能。所述制备方法包括S1.在铝液中加入中间合金得到铝合金熔体；S2.对铝合金熔体进行净化处理后，再进行成分分析和调整；S3.满足成分要求的铝合金熔体浇入转动的连铸机中连续凝固成铝合金线锭；S4.将铝合金线锭经过连轧成直径为6.0～9.5mm的铝合金杆，采用该制备方法能够减少铝合金线锭的成分偏析、提高连铸组织的均匀性和连铸线锭的质量，为高质量拉丝提供高性能的铝合金杆材。

Description

一种铝合金杆及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种铝合金杆及其制备方法。
背景技术
5356铝合金系含镁量为4.5～5.5％的高镁Al-Mg系铝合金(镁含量超过3％即可成为髙镁铝合金)，具有较好的塑性、断裂韧性、耐蚀性、塑性加工性能、可焊接性，与大部分铝基合金有较好的兼容性，被广泛用作铝合金焊接材料。
近年来，我国航空航天、高铁等领域高速发展，轻量化铝合金在这些领域获得巨大的关注和应用，铝合金焊丝的需求也随之增加。这些领域对铝合金焊丝的要求较高，需满足含[H]≤0.12ml/100g Al。5356铝合金系中镁含量高，在制备时容易发生偏析，导致成分不均匀。并且，Mg在熔炼温度下(700℃以上)会与炉气中的O2、N2、水蒸气(H2O)及CO2气体发生反应，造成Mg的严重氧化和烧损。同时Mg的吸氢量可达铝的92.5倍，熔体的吸氢导致制备的铝合金中氢含量高。
铝合金的上述缺点最终导致制备的铝合金焊丝中氢含量高、氧化夹渣多、成分偏差大，使得最终的铝合金产品性能差。目前，高端高镁铝镁系铝合焊杆的连铸连轧设备与生产技术一直掌握在西方等几家国际知名焊丝厂商手中，国内高端高镁五系铝合焊杆90％以上依靠进口，严重限制了航空航天以及高铁等领域的发展。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决现有的Al-Mg铝合金焊丝中氢含量高的问题，提供一种铝合金杆及其制备方法，该铝合金杆的内部为等轴晶组织且含氢量为0.09～0.12ml/100g Al，能够满足高铁及航空航天等领域的使用要求。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种铝合金杆，所述铝合金杆通过连铸连轧制备而成，在铸造时，镁元素以中间合金的形式加入，且加入的铝镁中间合金中镁的质量百分比为38～40.5％；该铝合金杆的内部为等轴晶组织，拉伸强度为290～305MPa，伸长率为22～24％。
进一步，所述铝合金杆的含氢量为0.09～0.12ml/100g Al。
本发明还提供一种铝合金杆的制备方法，包括以下步骤，
S1.在第一保护气体作用下，在铝液中加入Al-Cr、Al-Mn和Al-10％Ti中间合金；待全部融化后，在第一保护气体与搅拌作用下，加入Al-Mg中间合金完全融化后，再加入Al-Be中间合金，搅拌均匀后得到铝合金熔体；所述搅拌优选为电磁搅拌。传统的搅拌棒等进行搅拌时，对制备搅拌棒的材料的熔点和成分要求较高，否则搅拌棒容易熔化在铝熔体中，并且引入较多的杂质。采用电磁搅拌可以避免上述问题。
S2.对铝合金熔体进行成分分析和调整后，在第二保护气体作用下，对铝合金熔体进行精炼；在第三保护气体保护下，将精炼后的铝合金熔体静置保温25～30min；
S3.在第三保护气体保护下，将静置后的铝合金熔体经上浇包、中间浇包，最后由下浇包水平浇入转动的连铸机中，在带有分段控流的四面冷却系统的分段冷却下，连续凝固成铝合金线锭；
S4.在第三保护气体保护下制备的铝合金线锭经过7-15个道次，连轧成直径为6.0～9.5mm的铝合金杆，即为所述的铝合金杆。
作为优选，步骤S1中，所述铝液为将铝锭在熔炼炉中熔化并加热至720～740℃，再通过转流流槽从熔炼炉导入保温炉中；所述Al-Cr、Al-Mn和Al-10％Ti中间合金加入转流流槽中，并随铝液流入保温炉中。
作为优选，步骤S1中，所述Al-Mg中间合金分2～3批次加入到铝液中，待上一批次加入的Al-Mg中间合金完全融化并搅拌均匀后，再加入下一批次，直至Al-Mg中间合金添加完。
作为优选，步骤S1中，所述第一保护气体为氩气，压力为0.2～0.45MPa，流量为2.0～4.5L/min；所述第二保护气体为94～97％的氩气和3～6％的氯气组成的混合气体，压力为0.4～0.8MPa，流量为4.0～8.5L/min；所述第三保护气体也为氩气，压力为0.2～0.3MPa，流量为2.0～3.5L/min。
作为优选，步骤S2中，所述成分分析为在熔体的边部、熔体中心和1/2中心取样进行快速成分分析；所述净化处理包括除气、除杂、扒渣和覆盖。
作为优选，步骤S3中，在带有分段控流的冷却系统的分段冷却为，将分段冷却分为四区，其中，一区冷却水流量为6-12T/h，二区为4-8T/h，三区为10-18T/h，四区为6-12T/h；冷却系统的内冷却水、外冷却水、内侧冷却水和外侧冷却水的水压力为0.2～0.4MPa。采用水平浇注入口处的一次强制冷却(对应一区冷却水流量为6-12T/h)+二次弱冷(对应二区冷却水流量为4-8T/h)+三次强冷(对应三区冷却水流量为10-18T/h)+四次调温冷却工艺(对应四区冷却水流量为6-12T/h。通过浇注入口处的一次强冷，形成一次细小的浇薄的等轴晶一次外壳与液楔，一次外壳形成的温度高，外弧向下与内弧线上生产的柱状晶容易在顶部细小的地方形成，高镁Al-Mg的液体粘度大，不断浇入的高温铝合金熔体的对冲刷作用下被折断，折断的这部分晶粒作为新的形核质点，通过二次弱冷，提高柱状晶折断率，这样晶粒形核的速率大于长大的速率，柱状晶开始转变为细小的等轴晶。
作为优选，步骤S3中，净化处理后的铝合金熔体通过放流流槽进入在线除气和陶瓷过滤系统后，再流入上浇包中；还包括放流流槽内加入Al-Ti-B丝材细化剂的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明提供的铝合金杆，其内部为平均晶粒度18～22um的等轴晶。该铝合金杆的拉伸拉伸强度达到290～305MPa，伸长率为22～24％，含氢量为0.09～0.12ml/100g Al，具有良好的力学性能，达到了高性能铝合金杆的质量要求，能够用于航空航天以及高铁领域。
2、本发明提供的铝合金杆的制备方法，通过添加在铸造时，镁元素以中间合金的形式加入，且加入的铝镁中间合金中镁的质量百分比为38～40.5％，这样，镁铝中间合金的密度大于等于铝熔体的密度(2.3g/cm3)，镁铝中间合金能够悬浮或者沉入铝熔体中，避免了目前直接将镁锭作为炉料直接加入铝合金熔体中时与炉膛内炉气中的O2、N2、水蒸气(H2O)及CO2气体发生反应，造成Mg的严重氧化和烧损的问题，提高了镁的利用率，降低了熔体中镁含量的波动，也降低了铝合金中的含氢量。通过在铸造时分段精确水分布冷却工艺，获得了连铸线锭横断面平均晶粒度为120～140um的等轴晶组织，基本实现了铝合金线锭组织的等轴晶化，减少了成分偏析，提高了连铸组织的均匀性和连铸线锭质量。采用大变形连铸连轧控制成形工艺，保证了高镁铝合金焊丝杆在高温(入轧温度420～460℃，终轧温度320～360℃)下连续成形盘重2.0～2.5T/盘的平均晶粒度18～22um的铝合金焊丝杆。本方法实现了全连铸过程的动态再结晶控温连轧，细化了合金杆的组织，减少铝合金线锭的成分偏析，提高连铸组织的均匀性和连铸线锭的质量，为高质量拉丝提供高性能的铝合金原料杆。
附图说明
图1为本发明提供的制备方法的工艺流程图。
图2为本发明提供的制备方法中采用的设备示意图；其中，熔铝炉1、保温炉2、转流流槽3、在线除气装置4、陶瓷过滤装置5、浇注系统6、连铸机7、引桥8、铝合金线锭9、废料剪10、刨角矫直机11、加热系统12、连轧机前导向轮13、连轧机组14、冷却水装置15、收线机16、铝合金线杆坯料17。
图3为本发明提供的制备方法中采用的设备中连铸机的结晶器示意图；其中：结晶铜轮20、结晶铜轮槽口21、结晶器内冷却装置22、结晶器外侧冷却装置23、结晶器外冷却装置24、结晶器内侧冷却装置25。
图4为连铸机的冷却系统的分区示意图。
图5为本发明中实施例1-3中连铸得到的铝合金线锭的微观组织图(OP)；其中，(a)为实施例1制备的铝合金线锭，(b)为实施例2制备的铝合金线锭，(c)为实施例3制备的铝合金线锭。
图6为本发明实施例2制备的铝合金线锭的横截面的分区示意图。
图7为本发明实施例2制备的铝合金线锭的横截面各分区的微观组织图(OP)。
图8为本发明中实施例2连轧成形Φ9.5mm铝合金杆第从铸坯到成品杆轧制0-11道次的微观组织。
图9为实施例1～3中不同连铸连轧成形终轧温度Φ9.5mm 5356铝合金杆力学性能。
具体实施方式
本发明实施例提供的铝合金杆，通过配料、熔炼、合金化、熔体净化、连铸连轧等主要工序制备而成，其工艺流程如图1所示。该铸造铝合金杆的组织为等轴晶组织，基本实现了铝合金线锭组织的等轴晶化，减少了成分偏析，提高了连铸组织的均匀性和连铸线锭质量，具有良好的力学性能。同时，该铝合金的含氢量为0.09～0.12ml/100g Al，极大的提高了铝合金的品质，达到航空航天以及高铁等领域的使用要求。
本实施例提供的铝合金杆的制备过程中使用的设备如图2所示。具体为，首先将经过成分分析的铝锭或回炉废料进行配料，在第一保护气体作用下，在竖式熔铝炉1中熔化并流入竖式熔铝炉的静置炉中，当静置炉中铝液达到容量后，经与保温炉2相连的转流流槽3流入保温炉2中。在第一保护气体作用下，铝合金中所需的合金元素Cr、Mn和Ti通过中间合金的形式加入转流流槽3中，并随着铝液的冲刷作用流入保温炉2中。合金元素Mg通过铝镁中间合金的形式直接加入保温炉2中，再加入Al-Be中间合金，搅拌均匀。待合金元素在保温炉2中合金化完全后，再在底吹第二保护气体的保护下进行精炼、除气、除渣，覆盖，然后在第三保护气体的保护下静置一段时间。从保温炉中保温到连铸连轧的整个过程中都通过第三保护气体进行保护。在第三保护气体的保护下，通过倾动放流使铝合金熔体流入放流流槽3，在放流流槽3中在线喂入Al-Ti-B细化丝材，以细化连铸晶粒。再经过在线除气装置4进一步除氢和陶瓷过滤装置5除渣。最后铝合金熔体由半自动水平浇注系统6水平浇入连铸机7中，在连铸机7的带有分段控流的四面冷却系统的分段冷却下，凝固的铝合金线锭9依次经过引桥8的引导进入废料剪10剪去料头废料后，刨角矫直机11对铝合金线锭9进行锭刨角和矫直处理，在倍频加热系统12的作用下加热到一定温度，在连轧机前导向轮13的导向作用下，进入到连轧机组14进行多道次连续控制轧制，轧成所需尺寸的铝合金焊丝线杆。线杆通过与轧机出口相连的冷却水装置15进行冷却，收线机16进行下摆式甩线成形一锭重量的盘状铝合金线杆坯料17。
连轧机组14进行多道次连续控制轧制时，铝合金线锭9的入轧温度为420～460℃，终轧温度320～360℃。一般分为粗轧、中轧和精轧。其中，粗轧1～4道次，变形量为25～28％；中轧5～8个道次，变形量为22～24.5％；精轧8～15道次，变形量为20％。一共采用8～15个道次获得最终产品。在具体操作时，轧制的压下量和轧制温度是根据铝合金线锭9与铝合金线杆坯料17之间的直径来决定的。在轧制温度较低时，压下量太大可能导致轧制的线杆开裂，废品率高；但压下量较小时会增加轧制次数，导致制备时间和成本的增加，因此选用上述轧制参数，既能获得质量较好的铝合金线杆坯料17，又能兼顾生产成本和时间。
参见图3，连铸机7的结晶器由结晶铜轮20和包裹在结晶铜轮槽口21上面的钢带共同构成。所述结晶铜轮20为H型，槽口21为梯形。所述结晶铜轮20的冷却系统主要包括：设置在结晶器周围的结晶器内冷却装置22、结晶器外侧冷却装置23，结晶器外冷却装置24、结晶器内侧冷却装置25，这些冷却装置在连续铸造过程对做圆周运动的结晶器喷射冷却水。每个喷水冷却水嘴的水流量独立可调。这样能为合金的连铸过程提供精确的冷却控制，很好地解决了铝合金材料因导热系数下降导致的冷却不均的问题，从而提高铸坯产品质量。结晶器内冷却装置22、结晶器外侧冷却装置23，结晶器外冷却装置24、结晶器内侧冷却装置25中喷水的水压为0.2～0.4MPa。即结晶器内冷却装置22喷出的内冷却水、结晶器外侧冷却装置23喷出的外侧冷却水、结晶器外冷却装置24喷出的外冷却水和结晶器内侧冷却装置25喷出的内侧冷却水的水压为0.2～0.4MPa。参见图4，连铸机7的冷却系统在圆周方向上，以铜轮位于竖直方向上的直径为0°和180°线，顺时针分成四区，其中，0～45°为一区(图4中a区)，46～90°为二区(图4中b区)，91～135°为三区(图4中c区)，136～180°为四区(图4中d区)。一区冷却水流量为6-12T/h，二区为4-8T/h，三区为10-18T/h，四区为6-12T/h。
实施例1
S1.在第一保护气体(氩气，压力为0.2MPa，流量为2.0L/min)的保护下，将5560kg纯度大于99.7％的工业纯铝(Wt，Fe≦0.13％，Si≦0.08％)在双室竖式熔铝炉中加热熔化。当铝液温度为730～735℃时，通过与熔炼炉和保温炉相连的转流流槽将铝液从熔炼炉中导入到保温炉中，向转流流槽流入保温炉入口中间包中加入Al-10％Cr、Al-10％Mn、Al-10％Ti各66.3kg，放流时随着铝合金熔体的冲刷和搅拌一起进入到底吹第一保护气体的保温炉中。当铝熔液从静置炉中全部流入保温炉后，进行铝熔体合金化。在底吹第一保护气体进行保护和电磁搅拌力(搅拌电流140A，搅拌频率1.5Hz，搅拌时间30Min)的作用下，加入Al-40％Mg中间合金890Kg(配料5.26％Mg)。待合金元素完全融化，得到铝合金熔体。将铝合金熔体温度升高到710℃，向铝合金熔体中Al-5％Be中间合金7.1kg。
S2.将铝合金熔体搅拌均匀后，对铝合金熔体进行炉前快速分析，根据快速炉前分析结果对铝合金熔体进行成分调整，然后从保温炉底部吹入第二保护气体(94％Ar+6％Cl2混合气体压力为0.4MPa，流量为6.0L/min)对熔体进行除气、除杂、扒渣等精炼步骤，底吹的混合气体进行精炼的时间为20min，直至达到成分要求。此时，关闭第二保护气体，保持铝合金熔体在700℃，通入第三保护气体(氩气，压力为0.25MPa，流量为2.8/min)保持炉内氩气的微正压，防止空气与加入到保温炉中的Mg元素发生反应，静置20min。
S3.保持第三保护气体持续吹入，将静置后的铝合金熔体借助放流流槽从保温炉进行倾动放流，在放流流槽内实现在线喂丝(Φ9.5的Al-5％Ti-1％B铝合金线杆)，喂丝速度为8.2m/min。在线喂丝之后的铝合金熔体经放流槽流过接在后边的在线除气和陶瓷过滤系统，其中，在线除气压力为0.2MPa，4L/min。经过炉外除气和陶瓷过滤后，铝合金熔体依次流过上浇包并在上浇包进行连续测氢处理、中间浇包，最后由下浇包水平浇入连铸机中。铝合金熔体浇入连铸机的下浇包温度为680℃。铝合金熔体流入转速12RPM的连铸机铜轮槽口与钢带构成的型腔中，浇注系统内冷却水、外冷却水、内侧冷却水和外侧冷却水的冷却水压力为0.28MPA，各分段冷却水的流量为：1区6T/h，二区4T/h，三区10T/h，四区6T/h。不断连续凝固成温度为390℃的铝合金线锭，凝固的线锭穿由在连铸机中的剃锭器连续剔除，实现铝合金线锭与连铸结晶铜轮的连续分离。
S4.将与结晶轮连续分离的连铸成形的铝合金线锭通过曲线锭引桥，在连铸连轧机主动前牵引的作用，经过剪头机剪掉线锭料头1m左右的废料，在此过程中，采用HDA在线测氢仪连续测氢，测得氢含量为0.09～0.10ml/100g Al。铝合金线锭进入校直机校直，连续通过倍频加热器加热，在主动喂料系统的作用下，铝合金线锭以430℃的温度喂入连轧机，在乳化液流量为50T/h、压力0.30MPa、浓度为9％的连铸机乳化液的润滑与冷却作用下，将铝合金线锭用11个道次轧制成Φ9.5mm的铝合金焊丝杆，铝合金焊丝杆的终轧温度360℃。其中，粗轧1～4道次，变形量25～28％；中轧5～7道次，变形量22～24.5％，精轧8～11道次，变形量20％。本实施例制备的铝合金杆的化学成分见表1，力学性能见图6。
实施例2
S1.在第一保护气体(氩气，压力为0.2MPa，流量为2.0L/min)的保护下，将5565kg纯度大于99.7％的工业纯铝(Wt，Fe≦0.13％，Si≦0.08％)在双室竖式熔铝炉中加热熔化。当铝液温度为730～735℃时，通过与熔炼炉和保温炉相连的转流流槽将铝液从熔炼炉中导入到保温炉中，向转流流槽流入保温炉入口中间包中加入Al-10％Cr、Al-10％Mn、Al-10％Ti各66.4kg，放流时随着铝合金熔体的冲刷和搅拌一起进入到底吹第一保护气体的保温炉中。当铝熔液从静置炉中全部流入保温炉后，进行铝熔体合金化。在底吹第一保护气体进行保护和电磁搅拌力(搅拌电流170A，搅拌频率2.0Hz，搅拌时间22Min)的作用下，加入Al-40％Mg中间合金890Kg(配料5.26％Mg)。待合金元素完全融化，得到铝合金熔体。将铝合金熔体温度升高到720℃，向铝合金熔体中Al-5％Be中间合金7.1kg。
S2.将铝合金熔体搅拌均匀后，对铝合金熔体进行炉前快速分析，根据快速炉前分析结果对铝合金熔体进行成分调整，然后从保温炉底部吹入第二保护气体(94％Ar+6％Cl2混合气体压力为0.5MPa，流量为7.0L/min)对熔体进行除气、除杂、扒渣等精炼步骤，底吹的混合气体进行精炼的时间为25min，直至达到成分要求。此时，关闭第二保护气体，保持铝合金熔体在710℃，通入第三保护气体(氩气，压力为0.2MPa，流量为2.0L/min)保持炉内氩气的微正压，防止空气与加入到保温炉中的Mg元素发生反应，静置25min。
S3.保持第三保护气体持续吹入，将静置后的铝合金熔体借助放流流槽从保温炉进行倾动放流，在放流流槽内实现在线喂丝(Φ9.5的Al-5％Ti-1％B铝合金线杆)，喂丝速度为8.2m/min。在线喂丝之后的铝合金熔体经放流槽流过接在后边的在线除气和陶瓷过滤系统，其中，在线除气压力为0.33MPa，5L/min。经过炉外除气和陶瓷过滤后，铝合金熔体依次流过上浇包并在上浇包进行连续测氢处理、中间浇包，最后由下浇包水平浇入连铸机中。铝合金熔体浇入连铸机的下浇包温度为690℃。铝合金熔体流入转速12RPM的连铸机铜轮槽口与钢带构成的型腔中，浇注系统内冷却水、外冷却水、内侧冷却水和外侧冷却水的冷却水压力为0.3MPA，各分段冷却水的流量为：1区8T/h，二区6T/h，三区14T/h，四区8.5T/h。不断连续凝固成温度为400℃的铝合金线锭，凝固的线锭穿由在连铸机中的剃锭器连续剔除，实现铝合金线锭与连铸结晶铜轮的连续分离。
S4.将与结晶轮连续分离的连铸成形的铝合金线锭通过曲线锭引桥，在连铸连轧机主动前牵引的作用，经过剪头机剪掉线锭料头1m左右的废料，在此过程中，采用HDA在线测氢仪连续测氢，测得氢含量为0.10～0.11ml/100g Al，进入校直机校直，连续通过倍频加热器加热，在主动喂料系统的作用下，铝合金线锭以445℃的温度喂入连轧机，在乳化液流量为50T/h、压力0.4MPa、浓度为9％的连铸机乳化液的润滑与冷却作用下，将铝合金线锭用11个道次轧制成Φ9.5mm的铝合金焊丝杆，铝合金焊丝杆的终轧温度340℃。其中，粗轧1～4道次，变形量25～28％；中轧5～7道次，变形量22～24.5％，精轧8～11道次，变形量20％。合金杆的化学成分见表1，力学性能见图6。
实施例3
S1.在第一保护气体(氩气，压力为0.2MPa，流量为2.0L/min)的保护下，将5559.5kg纯度大于99.7％的工业纯铝(Wt，Fe≦0.13％，Si≦0.08％)在双室竖式熔铝炉中加热熔化。当铝液温度为730～735℃时，通过与熔炼炉和保温炉相连的转流流槽将铝液从熔炼炉中导入到保温炉中，向转流流槽流入保温炉入口中间包中加入Al-10％Cr、Al-10％Mn、Al-10％Ti各66.8kg，放流时随着铝合金熔体的冲刷和搅拌一起进入到底吹第一保护气体的保温炉中。当铝熔液从静置炉中全部流入保温炉后，进行铝熔体合金化。在底吹第一保护气体进行保护和电磁搅拌力(搅拌电流200A，搅拌频率2.5Hz，搅拌时间15Min)的作用下，加入Al-40％Mg中间合金890Kg(配料5.26％Mg)。待合金元素完全融化，得到铝合金熔体。将铝合金熔体温度升高到730℃，向铝合金熔体中Al-5％Be中间合金8kg。
S2.将铝合金熔体搅拌均匀后，对铝合金熔体进行炉前快速分析，根据快速炉前分析结果对铝合金熔体进行成分调整，然后从保温炉底部吹入第二保护气体(94％Ar+6％Cl2混合气体压力为0.58MPa，流量为7.8L/min)对熔体进行除气、除杂、扒渣等精炼步骤，底吹的混合气体进行精炼的时间为28min，直至达到成分要求。此时，关闭第二保护气体，保持铝合金熔体在720℃，通入第三保护气体(氩气，压力为0.3MPa，流量为3.5L/min)保持炉内氩气的微正压，防止空气与加入到保温炉中的Mg元素发生反应，静置30min。
S3.保持第三保护气体持续吹入，将静置后的铝合金熔体借助放流流槽从保温炉进行倾动放流，在放流流槽内实现在线喂丝(Φ9.5的Al-5％Ti-1％B铝合金线杆)，喂丝速度为8.2m/min。在线喂丝之后的铝合金熔体经放流槽流过接在后边的在线除气和陶瓷过滤系统，其中，在线除气压力为0.42MPa，5.8/min。经过炉外除气和陶瓷过滤后，铝合金熔体依次流过上浇包并在上浇包进行连续测氢处理、中间浇包，最后由下浇包水平浇入连铸机中。铝合金熔体浇入连铸机的下浇包温度为700℃。铝合金熔体流入转速12RPM的连铸机铜轮槽口与钢带构成的型腔中，浇注系统内冷却水、外冷却水、内侧冷却水和外侧冷却水的冷却水压力为0.4MPA，各分段冷却水的流量为：1区11.5T/h，二区7.6T/h，三区17.2T/h，四区10.5T/h。不断连续凝固成温度为410℃的铝合金线锭，凝固的线锭穿由在连铸机中的剃锭器连续剔除，实现铝合金线锭与连铸结晶铜轮的连续分离。
S4.将与结晶轮连续分离的连铸成形的铝合金线锭通过曲线锭引桥，在连铸连轧机主动前牵引的作用，经过剪头机剪掉线锭料头1m左右的废料，在此过程中，采用HDA在线测氢仪连续测氢，测得氢含量为0.11～0.115ml/100g Al，进入校直机校直，连续通过倍频加热器加热，在主动喂料系统的作用下，铝合金线锭以455℃的温度喂入连轧机，在乳化液流量为50T/h、压力0.45MPa、浓度为9％的连铸机乳化液的润滑与冷却作用下，将铝合金线锭用11个道次轧制成Φ9.5mm的铝合金焊丝杆，铝合金焊丝杆的终轧温度320℃。其中，粗轧1～4道次，变形量25～28％；中轧5～7道次，变形量22～24.5％，精轧8～11道次，变形量20％。合金杆化学成分见表1，合金杆力学性能见图6。
表1实施例1～3制备的铝合金杆的化学成分表
从表1可知，制备的铝合金杆中镁的含量较高，解决了高Mg铝合金按成分下表生产的问题，并且，制备的铝合金杆中，氢的含量为0.10～0.12ml/100g Al，能够满足航空航天以及高铁领域的使用要求。实施例1～3中制备的铝合金杆中Mg含量高且含氢量低的主要原因是：本发明将底吹保护气体和电磁搅拌运用到同一台保温炉上，实现了保护和不破坏熔体表面氧化膜的低频电磁搅拌。实施例1获得合金的Mg含量最高，实施例3的Mg含量最低，而H含量实施例1最低，实施例3最高，主要是因为实施例3的终轧温度比实施例1的高，终轧温度提高，采用的容量与浇注温度需要同步提高，因此增加了Mg金属的烧损和熔体吸氢的趋势所致。
实施例1-3中连铸得到的铝合金线锭的光学显微镜图如图5所示，其中，(a)为实施例1制备的铝合金线锭，(b)为实施例2制备的铝合金线锭，(c)为实施例3制备的铝合金线锭。从图5中可知，连铸合金的组织为等轴晶，其平均晶粒度为120um，而不是常规的树枝晶组织。改变了常规连铸线锭的三层组织，大大提高了组织的均匀性。实施例2制备的线锭的微观组织如图6和图7所示。图6为线锭横截面的分区示意图，图7为1～9个部分的微观组织图。从图6和图7可以看出，连铸5356铝合金线锭的横断面组织为不均匀分布等轴晶，其晶粒分布呈现外部晶粒小，中间晶粒大，芯部晶粒最大的分布趋势。线锭横断面1、3、7、9位置处的晶粒较小，平均晶粒直径分别为100um、98.6um、101um和108um；中间位置2、4、6、8位置处的晶粒分别为160um、138μm、136μm和158μm，晶粒偏大。芯部位置5的平均晶粒度最大，为198μm。连续铸造成形5356铝合金线锭的晶粒基本为等轴晶。这主要是：(1)采用水平浇注入口处的一次强制冷却(对应一区冷却水流量为6-12T/h)+二次弱冷(对应二区冷却水流量为4-8T/h)+三次强冷(对应三区冷却水流量为10-18T/h)+四次调温冷却工艺(对应四区冷却水流量为6-12T/h。通过浇注入口处的一次强冷，形成一次细小的浇薄的等轴晶一次外壳与液楔，一次外壳形成的温度高，外弧向下与内弧线上生产的柱状晶容易在顶部细小的地方形成，高镁Al-Mg的液体粘度大，不断浇入的高温铝合金熔体的对冲刷作用下被折断，折断的这部分晶粒作为新的形核质点，通过二次弱冷，提高柱状晶折断率，这样晶粒形核的速率大于长大的速率，柱状晶开始转变为细小的等轴晶。(2)加入了Cr、Mn和Al-Ti-B等异质形核的合金元素和晶粒细化剂，提高了形核率。(3)但随着冷却速率的增加，晶粒形核的速度大于晶粒长大的速度，通过二区减小冷却，加之5356铝合金凝固温度区间长，折断趋势增大加速柱状晶的折断，使更多的柱状晶的折断，大大增加形核率，更多柱状晶开始转变为等轴晶。(4)弯曲的液穴，加速了形核在熔体中的均匀化与弥散化，但是高镁合金导热系数低，传热能力低，合金在凝固过程中内外冷却不一致，线锭凝固横断面中心温度高，边部温度低，结果中芯处晶粒较大。
实施例2连轧成形Φ9.5mm铝合金杆从连铸线锭成品杆经过11道次成型的微观组织如图8所示，0～11分别对应轧制道次.从图8可知，本发明制备的Φ9.5mm铝合金杆从铸坯到成品杆0-11第11道次的微观组织，其等轴组织平均晶粒直径由线锭的160um到成品杆的20um。出现等轴晶组织的主要原因有：(1)组织遗传性，或称为相似变形理论，即合金线锭组织为等轴晶，增大了变形组织等轴晶的趋势。(2)高温连续热变形提高了合金晶粒动态再结晶形率及长大趋势的趋势。(3)5356铝合金传热速度慢，轧件散热小，边部的散热少，轧件变形温度高。(4)乳化液浓度高，冷却能力小，轧件变形温度高。因此，在线锭等轴晶基础上，因动态再结晶形核率高，再结晶长大能量需要小，而5356合金传热小，乳化液浓度高，冷却能力低，为轧件在动态再结晶形核和长大，提供了足够的驱动能，所以轧制过程实现了全等轴晶轧制，但因轧制道次的增大，轧件比表面积增大，温度减低，长大驱动力减小，轧件晶粒随着轧制道次增多而减小。
图9为实施例1～3中不同连铸连轧成形终轧温度Φ9.5mm 5356铝合金杆力学性能。从图9可知，5356铝合金的伸长率随着终轧温度的升高而增大，拉伸强度随着终轧温度的上升而下降。当终轧温度低于320℃时，强度超过310MPA，但伸长率低于22％。作为丝材拉伸的原料杆，因其合金成分高，冷加工过程加工硬化快，不能很好地满足随后冷加工拉伸成形的要求。当终轧温度达到320～360℃后，合金杆强度减低到290～305MPA，伸长率达到22～24％，提高了合金杆的冷加工性能。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种铝合金杆，其特征在于，所述铝合金杆通过连铸连轧制备而成，在铸造时，镁元素以中间合金的形式加入，且加入的铝镁中间合金中镁的质量百分比为38～40.5％；该铝合金杆的内部为等轴晶组织，拉伸强度为290～305MPa，伸长率为22～24％。
2.根据权利要求1所述的铝合金杆，其特征在于，所述铝合金杆的含氢量为0.09～0.12ml/100g Al。
3.一种铝合金杆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1.在第一保护气体作用下，在铝液中加入Al-Cr、Al-Mn和Al-10％Ti中间合金；待全部融化后，在第一保护气体与搅拌作用下，加入Al-Mg中间合金完全融化后，再加入Al-Be中间合金，搅拌均匀后得到铝合金熔体；
S2.对铝合金熔体进行成分分析和调整后，在第二保护气体作用下，对铝合金熔体进行精炼；在第三保护气体保护下，将精炼后的铝合金熔体静置保温；
S3.在第三保护气体保护下，将静置后的铝合金熔体经上浇包、中间浇包，最后由下浇包水平浇入转动的连铸机中，在带有分段控流的冷却系统的分段冷却下，连续凝固成铝合金线锭；
S4.在第三保护气体保护下，铝合金线锭经过7-15个道次，连轧成直径为6.0～9.5mm的铝合金杆，即为权利要求1所述的铝合金杆。
4.根据权利要求3所述的铝合金杆的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述铝液为将铝锭在熔炼炉中熔化并加热至720～740℃，再通过转流流槽从熔炼炉导入保温炉中；所述Al-Cr、Al-Mn和Al-10％Ti中间合金加入转流流槽中，并随铝液流入保温炉中。
5.根据权利要求3所述的铝合金杆的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述Al-Mg中间合金分2～3批次加入到铝液中，待上一批次加入的Al-Mg中间合金完全融化并搅拌均匀后，再加入下一批次，直至Al-Mg中间合金添加完。
6.根据权利要求3所述的铝合金杆的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述第一保护气体为氩气，压力为0.2～0.45MPa，流量为2.0～4.5L/min；所述第二保护气体为94～97％的氩气和3～6％的氯气组成的混合气体，压力为0.4～0.8MPa，流量为4.0～8.5L/min；所述第三保护气体也为氩气，压力为0.2～0.3MPa，流量为2.0～3.5L/min。
7.根据权利要求3所述的铝合金杆的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述成分分析为在熔体的边部、熔体中心和1/2中心取样进行快速成分分析；所述净化处理包括除气、除杂、扒渣和覆盖。
8.根据权利要求3所述的所述的铝合金杆的制备方法，其特征在于，步骤S3中，在带有分段控流的冷却系统的分段冷却为，将分段冷却分为四区，其中，一区冷却水流量为6-12T/h，二区为4-8T/h，三区为10-18T/h，四区为6-12T/h；冷却系统的内冷却水、外冷却水、内侧冷却水和外侧冷却水的水压力为0.2～0.4MPa。
9.根据权利要求3所述的所述的铝合金杆的制备方法，其特征在于，步骤S3中，净化处理后的铝合金熔体通过放流流槽进入在线除气和陶瓷过滤系统后，再流入上浇包中；还包括放流流槽内加入Al-Ti-B丝材的步骤。
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