[发明专利]铝锂合金熔铸设备及方法

说明书

本发明涉及一种改进的易氧化合金保护气氛熔铸设备及其方法，特别是适用于铝锂合金熔铸设备与方法。

铝锂合金比重轻，在铝中每加入1%的锂，合金材料比重则降低3%弹性模量提高6%，现在铝锂合金一般含锂2～3%，若在铝中加入1%的锂比普通铝合金可减轻10%以上，是种极有前途的宇航结构材料。由于锂是种贵金属，化学性能非常活泼，极易氧化烧损浪费，在熔铸状态下的铝锂合金极易与其周围介质发生化学反应，会侵蚀炉壁，污染合金，这便使得合金的化学成分很难控制，而且在半连续铸造中合金液若遇水会发生爆炸，因此易氧化合金的熔铸必须采用特种设备及方法才行。

目前国际上只有为数不多的几家生产厂家掌握了熔铸铝锂合金技术，而且具体内容是严格保密的，在一份美国专利US4248630中，描述了在熔炼铝基合金锭时，添加合金元素的方法，即铝锂合金的制造方法。它首先把锂与铝分别置于两个熔炉中，按照即定的工艺规程进行熔炼，锂炉要通入惰性气体加以保护。待金属熔炼好后，打开锂炉一侧阀门，将其熔液输送到测量装置内，按合金配比测定出量值，再打开阀门将锂液输送到混合炉中。同时已打开熔铝炉侧阀门，将铝熔液输送到混合炉中，由此，使用机械搅拌，合金均匀化后，便又打开混合炉的单向阀把合金液输入备料中，进行浇铸时打开备料器的供料阀门，将合金液注入到浇铸设备内完成合金铸锭工作。这种生产方法程序较多，操作复杂，合金性能不够稳定。因此在另份美国专利US4556535对上述操作技术作重大改进，采用计算机程序控制自动化，把合金的浓度，铸模的浇铸面积，要求合金中锂含量等数据输入终端;再将铝、锂浇注流率温度数据输入计算机，实现生产全部自动化。如果终端自动检测出合金配比不合要求，则通过反馈信号调节锂金属液的流率。上述技术在锂熔过程中加惰性气体给予防护，而其炉壁与输送管道使用耐火材料或其它材料作衬里，这里未说明“其他材料”是什么，对于接触铝锂合金液的工具器皿材料也未说明要求与防护。然而，若既使在浇铸时使用了一下铁质用具，便会使合金含铁量达到0.9%～2.3%之多！而且对用具也产生腐蚀。这种方法只适用于大规模的生产，技术难度大，投资量也大，惰性气体的消耗量也很大，耐火材料使用成本高，工艺复杂，还需配制接缝粘结剂，不适于小批量生产或实验研究使用。

本发明的目的在于避免上述不足之处，而设制一种在同一熔炉中，进行铝锂合金的连续熔铸方法，及实现该方法的设备。

本发明的以如下方式完成的：首先设制一台有熔炼系统与浇铸系统的设备，熔炼系统由炉体（1），普通铁质坩埚（2），通入惰性气体管道（3），带有加料口的坩埚盖（4），加料盖（5）组成，管道（3）是在坩埚盖（4）上，坩埚（2）下部侧面开有浇口。浇铸系统由流槽防护罩（6），外防护罩（7），流槽（8），惰性气体通道（9），陶瓷过滤网（10），启闭浇口塞子（11），观察窗（12），查看铸造结晶孔（13），操作孔（14），进水冷却管（15），合金结晶器（16），铸造机（17）等组成。炉体（1）与铸造机（17）也可以使用现成品。另外为了熔铸不污染合金也不腐蚀工具，采用分部惰性气体保护和两步精炼法，以及有色金属及其合金熔铸用防护涂料。

以下结合本发明结构图作进一步详细说明：

图1本发明采用的铝锂合金熔铸设备

参照图1，进行熔铸工作时，首先将铁质坩埚（2）及所使用的工具表面涂抹防护涂料，该涂料由氧化镁等配制而成，具有附着力强，均匀致密，易于清理等特点，它既能保护工具不被侵蚀，又保障合金不被污染、组织结构成分达到优质标准。其次是在坩埚（2）中加入铝料，不用加盖，按常规铝合金熔炼工艺在大气下熔炼，然后再用C₂Cl₆进行精炼，除去大部分气体和夹渣后盖上坩埚盖（4）与加料盖（5）后，从管道（3）通入干燥氩气，由于空气比重轻于氩气，故而便被排赶至上方到大气中去。再打开加料盖（5）加入锂进行精炼，而后除去加锂时带入的气体和杂质，因坩埚盖（4）开口小，所以短时间打开不会造成严重氧化，氩的消耗量也不会多，这就解决了熔炼操作与防止氧化的矛盾，而且在加料盖（5）盖口尺寸不变情况下，可以根据需要增大坩埚的容积，但不会影响惰性气体耗损量与保护效果，外防护罩（7）将保证浇铸在密封容器中进行，浇铸时由通道（9）进入氩气，然后打开塞子（11），液态合金经流槽（8），穿过过滤网（10）到结晶器（6），最后到铸造机（17）中，这种铸造形式避免了需要坩埚（2）倾斜而使结构复杂化，浇口至坩埚（2）底部有一定距离，这又可使比重较大的杂质，沉积在坩埚（2）的底部，避免随金属液流出造成合金缺陷，确保了冶金质量。防护罩（6）为便于拆装而设制成两部分连接结构形式。

经过使用验证铝锂合金的熔铸设备结构简单，造价低廉只有真空冶炼炉的1/5～1/6，操作方便，采用两步精炼法有效地减少了锂的烧损，加之良好的防护措施使锂的烧损率降至3%以下，熔炼与浇铸分部使用氩气保护，使合金熔铸过程中时处于惰性气体保护气氛中进行，防止熔炼金属氧化并节约惰性气体用量，30kg铝锂合金锭熔铸消耗氩气1/3～1/2瓶，而制造出来的铝锂合金质量完全达到世界先进水平。