铝合金铸造结晶器用石墨环、其制备方法及6系铝合金棒坯的油气滑铸造方法与流程

本发明涉及铝合金半连续铸造，具体而言，涉及一种铝合金铸造结晶器用石墨环、其制备方法及6系铝合金棒坯的油气滑铸造方法。

背景技术：

1、轨交、运输、3c领域大量使用高性能、高表面6xxx铝合金（即6系铝合金），这就对其棒料质量提出严格要求。偏析层薄、免去皮的优质6xxx铝合金棒料年需求量近100万吨。目前，在高品质铸棒（尤其是偏析层极限减薄）制备要求方面，仍有不完善的地方。例如在铸造过程中，油气滑效果不稳定、铸棒表面偶有缺陷、长期使用时发生结晶器内腔润滑油外溢等问题。主要原因，一：油气滑结晶器石墨环孔隙率低，长期使用时供油供气参数没有做出相应调整，油气渗透性下降，导致油气滑效果不稳定、铸棒表面缺陷问题；二：长期使用中石墨环密封失效，导致结晶器内腔润滑油外溢。上述问题反应到6xxx铝合金油气滑铸造生产上，致使铸造所得6xxx铝合金棒料偏析层较厚（约140μm~200μm）、内部组织不均匀，在后续锻造和挤压过程中产品力学性能下降、表面处理后的成品出现花斑等缺陷。

2、因此，急需针对油气滑铸造装备开发高性能的关键零部件，从根本上解决上述产品质量问题。

3、此处，需要解释的是，油气滑效果是铸造过程中，使用油气润滑（oil mistlubrication）技术对铸造设备进行润滑和冷却的效果，其效果的优劣直接影响模具和铸件的降温速率，进而影响铸件内部的偏析等缺陷的形成。而油气滑铸造装备则是指在合金铸造过程中，使用油和气体作为润滑和冷却介质的铸造设备，其能够减少合金在铸造过程中的摩擦阻力，防止合金与模具粘连，同时提供适当的冷却以控制合金的凝固速度，从而提高铸件的表面质量和内部结构的均匀性。

4、经过调研和专利查阅表明，已公开的油气滑铸造方面相关专利，多为针对油气滑铸造技术整体装置和结晶器部件结构的专利，少数为石墨环的结构和制备方法。例如发明专利cn 101733372 b，“连续润滑结晶器用石墨环及其制造方法”，其主要针对孔隙率在12~18%的普通油气滑铸造石墨环，并未提及如何能够通过石墨组成和制备工艺来制备孔隙率≥20%的高渗透性石墨环，也并未建立石墨环性能与油气滑铸造稳定性和铸锭偏析层厚度之间的影响关系。发明专利申请cn 1903482 a，“一种连续润滑结晶器用石墨环”，该专利申请采用单一石墨粉末制备油气滑结晶器用石墨环、结构设计与结晶器本体之间的安装配合方式，并未提及石墨环的性能参数和体现油气滑效果的关键指标，即所得铸件偏析层厚度的数据。发明专利cn 100418667 c，“铝及铝合金半连铸连续润滑结晶器”，该专利主要研究油气滑铸造结晶器配件结构及装配要求，重点在于采用两排喷水孔提高二次水冷却效果，提高铸锭内部组织和表面质量、提高铸造速度和生产效率。并未提及石墨环的材质、加工工艺、及其对油气滑效果和铸锭偏析层厚度的影响。发明专利申请cn 111069552 a，“一种油气滑铸造结晶器”，其主要研究油气滑铸造结晶器配件结构及装配要求，通过设计石墨油环、石墨气环和转接板防溢气结构，解决石墨环使用时间短和铸造过程气泡溢出影响铸锭质量的问题，同样并未提及对铸件铸锭偏析层厚度的影响。专利申请cn 114393184 a，“一种利于铝合金圆锭表面质量改善的油气滑结晶器”，该申请主要研究油气滑铸造结晶器配件结构及装配要求，提及了通过石墨环密封处理，避免漏气引起铸盘液面翻滚，消除铸锭内部氧化物夹杂，从而改善铝合金圆锭表面质量和内部冶金质量，其并未提及石墨环的材质、加工工艺、及其对油气滑效果和铸锭偏析层厚度的影响。

5、上述专利，均未研究石墨组成成分、制备工艺、铸造供油供气参数对石墨环成品孔隙率、密封性和油气渗透性等方面的影响，也并未建立起与油气滑铸锭偏析层厚度和铸锭表面质量的对应关系，故而在所得铸件整体质量的方面仍有种种不足之处。

6、基于此，如何提供一种高孔隙率的铸造结晶器用石墨环及其制备方法，以使所得石墨环所在设备的油气滑效果达到更佳状态，进而铸造得到力学性能与表面性能均更优越的6系铝合金铸件，是本领域所需解决的重要技术问题之一。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种铝合金铸造结晶器用石墨环、其制备方法及6系铝合金棒坯的油气滑铸造方法，以解决现有技术中因铸造结晶器用石墨环性能不佳而导致其所在设备的油气滑效果差，进而使得铸造所得6系铝合金铸件表面性能与力学性能差的问题。

2、为了实现上述目的，本发明的第一个方面提供了一种铝合金铸造结晶器用石墨环，该铝合金铸造结晶器用石墨环包括石墨环环部本体、密封层与密封圈，石墨环环部本体上具有顶壁、内壁、外壁与底壁，密封层设置于顶壁与底壁上，密封圈设置于顶壁与内壁的交会处以及底壁与内壁的交会处；按重量份数计，石墨环环部本体中包括5~10份的石墨粉、2~3份的酚醛树脂粉、1~2份的改性酚醛树脂以及1~2份的仲炭微珠；密封层与密封圈中均为有机硅类聚合物。

3、进一步地，石墨环环部本体为多孔结构，其孔隙率为15vol.%~30vol.%；石墨环环部本体的热导率为110w/(m·k)~200w/(m·k)。

4、进一步地，石墨粉为鳞片石墨粉，且鳞片石墨粉的片径为100目~200目；和/或，仲炭微珠的粒径为15μm~20μm；和/或，改性酚醛树脂为环氧改性酚醛树脂。

5、进一步地，石墨环环部本体的外壁上还相互独立设置有：出油槽；以及，环绕石墨环环部本体设置的第一环状凹槽与第二环状凹槽，且第一环状凹槽与第二环状凹槽均沿石墨环环部本体周向设置；优选地，以底壁起，第一环状凹槽位于外壁高度的4/19~6/19处，第二环状凹槽位于外壁高度的8/19~10/19处；和/或，以底壁起，出油槽位于外壁高度的2/3~3/4处。

6、优选地，铝合金铸造结晶器用石墨环的壁厚为5mm~8mm；更优选地，记第一环状凹槽的深度与宽度之比为n1，记第二环状凹槽的深度与宽度之比为n2，n1与n2各自独立地为1：（2~3），第一环状凹槽与第二环状凹槽的深度各自独立地为2.0mm~4.0mm；和/或，出油槽的规格为φ2mm~φ4mm，深度为2.0mm~2.5mm。

7、进一步地，密封层的厚度为0.05mm~0.15mm；密封圈的厚度为0.03mm~0.05mm。

8、本发明的第二个方面提供了一种上述铝合金铸造结晶器用石墨环的制备方法，包括：步骤s1，制备石墨环预制体；步骤s1-1，配料：将石墨粉末、酚醛树脂粉、改性酚醛树脂粉和仲炭微珠混合，得到混合粉末；步骤s1-2，成型：混合粉末依次经压制与第一固化，得到石墨环毛坯；步骤s1-3，烧结：对石墨毛坯进行烧结，得到第一石墨环预制体；步骤s2，将第一石墨环预制体机加工为石墨环环部本体；步骤s3，在石墨环环部本体的顶壁与底壁上涂布有机硅类密封胶，经第一预固化后得到预密封层，在顶壁与内壁的交会处以及底壁与内壁的交会处涂布有机硅类密封胶，经第二预固化后得到预密封圈；进而得到第二石墨环预制体；步骤s4，第二石墨环预制体经第二固化，得到铝合金铸造结晶器用石墨环。

9、进一步地，步骤s1-2中，压制在90℃~110℃下进行；第一固化的温度为140℃~160℃，时间为20min~30min。

10、进一步地，步骤s1-3中，烧结的温度为2200℃~2800℃，时间为5h~9h；优选地，烧结在惰性气体保护下进行，且惰性气体的通入压力为100mpa~300mpa。

11、进一步地，步骤s3中，第一预固化的时间为4h~24h，和/或，第二预固化的时间为12h~36h；优选地，第一预固化与第二预固化的温度各自独立地为25±2℃。

12、进一步地，步骤s4中，第二固化的温度为40℃~60℃，时间为12h~24h。

13、本发明的第三个方面提供了一种6系铝合金棒坯的油气滑铸造方法，该油气滑铸造方法采用的油气滑铸造装备中包括铝合金铸造结晶器，且铝合金铸造结晶器采用上述铝合金铸造结晶器用石墨环。

14、进一步地，将铝合金铸造结晶器用石墨环与铝合金铸造结晶器的内壁形成过盈装配，之后在脉冲供气以及脉冲供油的条件下进行6系铝合金棒坯的铸造；且，铸造的铸造速度为30mm/min~220mm/min，铸造温度为670℃~720℃，冷却水流量为2m3/h~20m3/h；和/或，脉冲供气的压力为0.5mpa~3.0mpa，供气时长/间歇时长为1：（3~10）；和/或，脉冲供油的油量为10ml/h~60ml/h，压力为4mpa~8mpa，供气时长/间歇时长为1：（3~10）。

15、应用本发明的技术方案，通过严格限定铝合金铸造结晶器用石墨环的成分与结构特征，同时在石墨环环部本体的特定位置设置密封层与密封圈，有效提高了其孔隙率以及热导率，进而解决了在应用过程中油气滑效果不稳定、所在结晶器内腔的润滑油外溢、所得铸件偏析层厚、力学性能差的问题，提高了所得铝合金油气滑铸锭内部组织的均匀性，消除了其微观组织中的粗大晶粒，同时也显著减少了其表面的花斑等缺陷，达到了提升铝合金铸锭及其后续成品零部件综合质量的目的。

技术特征：

1.一种铝合金铸造结晶器用石墨环，其特征在于，所述铝合金铸造结晶器用石墨环包括石墨环环部本体、密封层与密封圈，所述石墨环环部本体上具有顶壁、内壁、外壁与底壁，

2.根据权利要求1所述的铝合金铸造结晶器用石墨环，其特征在于，所述石墨环环部本体为多孔结构，其孔隙率为15vol.%~30vol.%；所述石墨环环部本体的热导率为110w/(m·k)~200w/(m·k)。

3.根据权利要求1所述的铝合金铸造结晶器用石墨环，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的铝合金铸造结晶器用石墨环，其特征在于，所述石墨环环部本体的所述外壁上还相互独立设置有：

5.根据权利要求4所述的铝合金铸造结晶器用石墨环，其特征在于，

6.一种权利要求1至5中任一项所述的铝合金铸造结晶器用石墨环的制备方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的铝合金铸造结晶器用石墨环的制备方法，其特征在于，步骤s1-2中，

8.根据权利要求7所述的铝合金铸造结晶器用石墨环的制备方法，其特征在于，步骤s1-3中，

9.根据权利要求8所述的铝合金铸造结晶器用石墨环的制备方法，其特征在于，步骤s3中，

10.根据权利要求9所述的铝合金铸造结晶器用石墨环的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述第二固化的温度为40℃~60℃，时间为12h~24h。

11.一种6系铝合金棒坯的油气滑铸造方法，其特征在于，所述油气滑铸造方法采用的油气滑铸造装备中包括铝合金铸造结晶器，所述铝合金铸造结晶器采用权利要求1至5中任一项所述的铝合金铸造结晶器用石墨环。

12.根据权利要求11所述的6系铝合金棒坯的油气滑铸造方法，其特征在于，将所述铝合金铸造结晶器用石墨环与所述铝合金铸造结晶器的内壁形成过盈装配，之后在脉冲供气以及脉冲供油的条件下进行所述6系铝合金棒坯的铸造；且，

技术总结
本发明提供了一种铝合金铸造结晶器用石墨环、其制备方法及6系铝合金棒坯的油气滑铸造方法。铝合金铸造结晶器用石墨环包括石墨环环部本体、密封层与密封圈，石墨环环部本体上具有顶壁、内壁、外壁与底壁，密封层设置于顶壁与底壁上，密封圈设置于顶壁与内壁的交会处以及底壁与内壁的交会处；按重量份数计，石墨环环部本体中包括5~10份的石墨粉、2~3份的酚醛树脂粉、1~2份的改性酚醛树脂以及1~2份的仲炭微珠；密封层与密封圈中均为有机硅类聚合物。本发明通过严格限定铝合金铸造结晶器用石墨环的成分与结构特征，同时在石墨环环部本体的特定位置设置密封层与密封圈，有效提高了其孔隙率以及热导率。

技术研发人员：薛冠霞,钟鼓,李虎田,王征,宁博,赵永好,杨荣东,孙啸飞,林师朋,张曦,张辉,郭罗保
受保护的技术使用者：中铝材料应用研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5