本發(fā)明屬于鋁合金標(biāo)準(zhǔn)樣品研制領(lǐng)域，特別涉及一種低成本制備高品質(zhì)鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品的方法。

背景技術(shù)：

隨著社會進(jìn)步和科技發(fā)展對鋁合金材料性能要求的不斷提高，研發(fā)和生產(chǎn)滿足不同使用條件的高品質(zhì)鋁合金愈發(fā)重要。鋁合金的化學(xué)成分是鋁合金最基本、最重要的技術(shù)指標(biāo)，對鋁合金性能起著至關(guān)重要的作用，因此要獲得高性能鋁合金材料就必須能夠準(zhǔn)確地調(diào)整和控制包括主元素、添加元素和微量雜質(zhì)元素在內(nèi)的各元素化學(xué)成分，而要準(zhǔn)確調(diào)控各元素的化學(xué)成分就必須要有相應(yīng)的高質(zhì)量的化學(xué)成分均勻、定值準(zhǔn)確的高品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)樣品。作為一種特殊功能的鋁合金材料，鋁合金標(biāo)準(zhǔn)樣品是鋁合金生產(chǎn)和研發(fā)過程中化學(xué)成分的調(diào)控，最終成品化學(xué)成分的確定，分析儀器的調(diào)試、校準(zhǔn)，分析方法的評定和商檢等環(huán)節(jié)必不可少的工具，也是制備高質(zhì)量鋁合金材料所必需的技術(shù)保障。

我國鋁合金標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備技術(shù)雖有長足發(fā)展，但與鋁合金化學(xué)成分向高合金化、最佳化、高純化發(fā)展的趨勢以及化學(xué)成分控制越來越嚴(yán)、越來越高的需要相比，仍存在很大不足。標(biāo)準(zhǔn)樣品品種不全，高合金化鋁合金標(biāo)樣質(zhì)量低、成分偏析且控制元素數(shù)量少，制備工藝流程長、成本高等不足都是目前鋁合金標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域急需解決的難題。為了解決這些難題，提高鋁合金標(biāo)準(zhǔn)樣品制備技術(shù)，國內(nèi)外都進(jìn)行了研究。

中國專利cn101294875公開了一種多元素鋁合金標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備方法，依次經(jīng)過配料、熔煉、鑄造、均勻化處理、擠壓和后加工處理而制得。該方法主要采用傳統(tǒng)熔鑄方式，從元素加入狀態(tài)與加入方法入手以期解決標(biāo)樣化學(xué)成分均勻性問題，但是采用該制備方法制備的標(biāo)準(zhǔn)樣品仍然存在成分的不均勻性。難以滿足鋁合金標(biāo)準(zhǔn)樣品對成分均勻的苛刻要求。而且采用此方法制備標(biāo)準(zhǔn)樣品流程長、成品率很低且無法保證標(biāo)準(zhǔn)樣品質(zhì)量的穩(wěn)定性。中國專利cn102095627公開了一種鑄造鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品及其制備方法，該方法采用加入細(xì)化劑的方式制備了zld205a合金的光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品，但其只能制備含有特定成分的鋁合金標(biāo)樣，使用范圍狹窄，同樣，也沒有從根本上解決成分的不均勻性。日本專利jp2014077669公開了一種鋁合金發(fā)射光譜分析標(biāo)準(zhǔn)樣品的參考標(biāo)準(zhǔn)及制備方法，主要是根據(jù)鋁合金成分光譜分析原理針對標(biāo)樣制備過程的監(jiān)控提出更高的要求，對縮短制備流程、降低制備成本等方面 沒有涉及。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服鋁合金標(biāo)準(zhǔn)樣品制備技術(shù)難點，滿足標(biāo)準(zhǔn)樣品成分組織均勻性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性等主要技術(shù)指標(biāo)，急需開發(fā)高質(zhì)量高效率的鋁合金標(biāo)準(zhǔn)樣品制備工藝。為此，本發(fā)明提出了一種低成本制備高品質(zhì)鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品的方法，采用該方法可以大幅度縮短鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備流程，降低成本，提高各元素化學(xué)成分均勻性和準(zhǔn)確性，高效率制備高品質(zhì)鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品。

本發(fā)明方法的提出是基于以下研究和發(fā)現(xiàn)，即國內(nèi)鋁合金標(biāo)準(zhǔn)樣品存在不足的主要原因在于我國熔鑄技術(shù)水平較低，無法制備化學(xué)成分均勻、晶粒形貌圓整、尺寸細(xì)小一致的高品質(zhì)鋁合金標(biāo)樣鑄錠。如果鑄錠組織中存在成分偏析、晶粒粗大以及氣孔夾雜等缺陷，輕者降低標(biāo)樣成品率，增加成本；重者直接報廢，后續(xù)加工亦無濟(jì)于事。

本發(fā)明的主要技術(shù)原理：分別在鋁合金熔煉過程鑄造過程中采用外場攪拌，保證鋁合金熔體在熔煉和鑄造過程中成分、組織的均勻性和一致性；再輔以后續(xù)的鑄錠均勻化處理手段，最終獲得高質(zhì)量的成分、組織均勻的光譜標(biāo)樣。為實現(xiàn)低成本制備高品質(zhì)鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品的目的，采取的具體措施為：(1)首先制備符合設(shè)計要求且成分均勻的標(biāo)樣合金熔體，主要是將合金元素加入、合金元素成分調(diào)節(jié)、熔體精煉等過程配合一定強(qiáng)度和時間的電磁攪拌來完成，促進(jìn)合金熔體在熔煉過程中成分均勻；(2)通過半連續(xù)急冷快速鑄造配合一定強(qiáng)度的電磁攪拌制備出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的鋁合金光譜標(biāo)樣鑄錠，使合金熔體在鑄造凝固過程中成分保持均勻，晶粒細(xì)小，形貌完整；(3)鑄錠均勻化處理后加工成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格光譜標(biāo)樣。

基于上述技術(shù)原理，本發(fā)明的低成本制備高品質(zhì)鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品的方法，主要包括標(biāo)樣合金熔煉、鑄造和均勻化處理等三個工序，具體制備工藝如下：

(1)熔煉：將按設(shè)計要求準(zhǔn)確計算稱重的原材料加入中頻爐內(nèi)，在惰性氣體保護(hù)下快速熔化，在熔煉溫度t1時保溫并進(jìn)行立體式復(fù)合強(qiáng)電磁攪拌，時長δt1，此時熔體在爐內(nèi)存在向上的脈沖液流和周向的環(huán)流且表面無明顯波動，此過程中添加需要保護(hù)的合金元素；然后靜置時長δt2，此時進(jìn)行熔體化學(xué)成分調(diào)整；再將熔體繼續(xù)加熱至所需精煉溫度t2，在溫度t2保溫的同時進(jìn)行時長為δt3的弱電磁攪拌，此過程中配合旋轉(zhuǎn)噴吹惰性氣體法進(jìn)行熔體精煉；然后快速將熔體溫度調(diào)整至澆注溫度t3(t3′)準(zhǔn)備連鑄，此過程始終保持電磁攪拌；

(2)鑄造：配制完成的鋁合金熔體經(jīng)過泡沫陶瓷過濾板過濾后進(jìn)行半連續(xù)快速急冷鑄造，同時鑄造四根φ50或φ60規(guī)格的標(biāo)樣鑄錠；鑄造過程中施加電磁攪拌， 使標(biāo)樣合金熔體達(dá)到強(qiáng)制均勻凝固的效果；

(3)均勻化處理：鑄造結(jié)束后將標(biāo)樣鑄錠進(jìn)行一級(t4+δt5)或二級(t4′，t4″+δt5)均勻化處理，最后制成φ50×30或者φ60×30標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格光譜標(biāo)樣。

步驟(1)中，所述的熔煉溫度t1為720～850℃，所述的靜置時長δt2為5～40min，所需精煉溫度t2為680～760℃，所述的澆注溫度t3(t3′)為690～830℃。

所述的需要保護(hù)的合金元素是指易氧化、易燒損、易偏析且相對含量較少的合金元素。

所述的立體式復(fù)合強(qiáng)電磁攪拌為由垂直方向的脈沖磁場和周向的交變磁場形成的立體式復(fù)合攪拌，在爐內(nèi)形成向上的脈沖液流和周向的環(huán)流且表面無明顯波動，脈沖磁場頻率為1～30hz，交變磁場頻率為5～80hz，攪拌電流為100～1000a，立體式復(fù)合強(qiáng)電磁攪拌的時長δt1為10～60min。

所述的弱電磁攪拌的攪拌電流為50～200a，攪拌的時長δt3為10～30min。

步驟(2)中，所述的鑄造速度為200～400mm/min，單根鑄錠冷卻水量在6～20m³/h；急冷快速鑄造過程中采用電磁攪拌，攪拌電流為20～100a，攪拌頻率為5～80hz。

步驟(3)中，一級(t4+δt5)均勻化處理為400～600℃下，保溫2～20h；二級(t4′，t4″+δt5)均勻化處理為460～550℃下，保溫5～20h和200～300℃下，保溫2～5h。

本發(fā)明提供的低成本制備高品質(zhì)鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品的方法，它可以制備出化學(xué)元素含量準(zhǔn)確、成分均勻性和光譜均勻性優(yōu)異的各種高品質(zhì)鋁合金標(biāo)樣。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1、工序流程短，效率高，制備成本低。相比傳統(tǒng)的鋁合金標(biāo)樣制備技術(shù)本發(fā)明僅有三步工序，省去后續(xù)繁瑣加工程序，制備效率高；標(biāo)樣鑄錠質(zhì)量高，降低了廢品率，制備成本低。

2、本方法使用范圍廣，通用性強(qiáng)，可制備各種鋁合金標(biāo)樣。多維度電磁外場的精確施加使熔鑄過程中熔體的溫度場、成分場趨于一致，解決了傳統(tǒng)制備方法無法制備高硅鋁合金以及高合金化高強(qiáng)鋁合金標(biāo)準(zhǔn)樣品的技術(shù)難題。

3、標(biāo)準(zhǔn)樣品品質(zhì)好，質(zhì)量穩(wěn)定性高。傳統(tǒng)鋁合金標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備工藝繁瑣且對熔體處理效果、鑄造工藝波動等因素特別敏感，故標(biāo)樣質(zhì)量也波動較大，本方法制備過程短、不穩(wěn)定影響因素少，標(biāo)樣鑄錠晶粒細(xì)小圓整、成分均勻一致，標(biāo)樣質(zhì)量高。

附圖說明

圖1為低成本制備高品質(zhì)鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品工藝流程圖。

圖2為采用本方法制備的7075合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品的金相組織圖。

圖3為采用本方法制備的a390合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品的金相組織圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明以助于理解本發(fā)明的內(nèi)容。

如圖1所示，為本發(fā)明低成本制備高品質(zhì)鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品工藝流程圖，包括標(biāo)樣合金熔煉、精煉、鑄造和均勻化處理等工序。

(1)熔煉和精煉：將按設(shè)計要求計算稱重準(zhǔn)確的原材料加入中頻爐內(nèi)，在惰性氣體保護(hù)下快速熔化至溫度t1(720～850℃)，保溫并進(jìn)行立體式復(fù)合強(qiáng)電磁攪拌，時長δt1(10～60min)，此時熔體在爐內(nèi)存在向上的脈沖液流和周向的環(huán)流且表面無明顯波動，脈沖磁場頻率為1～30hz，交變磁場頻率為5～80hz，攪拌電流100～1000a，此過程中進(jìn)行特殊合金元素的添加；然后靜置時長δt2(5～40min)，此時進(jìn)行熔體化學(xué)成分調(diào)整；再將熔體加熱至t2(680～760℃)，保溫同時進(jìn)行時長為δt3(10～30min)的弱電磁攪拌，攪拌電流50～200a，此過程中配合旋轉(zhuǎn)噴吹惰性氣體法進(jìn)行熔體精煉；然后快速將熔體溫度調(diào)整至澆注溫度t3(t3′)(690～830℃)準(zhǔn)備連鑄，此過程始終保持電磁攪拌；

(2)鑄造：配制完成的熔體經(jīng)過泡沫陶瓷過濾板過濾后進(jìn)行半連續(xù)快速急冷鑄造，同時鑄造四根φ50或φ60規(guī)格的標(biāo)樣鑄錠，其中鑄造速度在200～400mm/min，單根鑄錠冷卻水量在6～20m³/h；鑄造過程中施加電磁攪拌，使標(biāo)樣合金熔體達(dá)到強(qiáng)制均勻凝固的效果，攪拌電流20～100a，攪拌頻率5～80hz；

(3)均勻化處理：鑄造結(jié)束后將標(biāo)樣鑄錠進(jìn)行一級(t4+δt5)(400～600℃，2～20h)或二級(t4′，t4″+δt5)(460～550℃，5～20h；200～300℃，2～5h)均勻化處理，最后制成φ50×30或者φ60×30標(biāo)準(zhǔn)光譜標(biāo)樣。

實施例1：7075合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備

作為超高強(qiáng)鋁合金，7075合金對合金元素含量準(zhǔn)確性和雜質(zhì)元素含量的控制十分嚴(yán)格。傳統(tǒng)方法制備7075合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品存在主元素成分偏析、雜質(zhì)元素含量不可控等問題，市場上使用的7075合金光譜標(biāo)樣仍主要依賴進(jìn)口。國內(nèi)某計量檢測單位委托北京有色金屬研究總院生產(chǎn)7075合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品，具體制備工藝流程如下：

1、熔煉：按7075合金光譜套標(biāo)樣品中各點設(shè)計成分要求以200kg為投料總量進(jìn)行配料計算，將精確稱重的高純鋁錠、al-20si、al-50cu、al-20fe、al-20ni、 al-10mn、al-5ti、al-5zr和al-5cr中間合金加入中頻爐內(nèi)，在氬氣保護(hù)下快速升溫至760～780℃，保溫并進(jìn)行攪拌電流180a脈沖磁場頻率和交變磁場頻率分別為30hz和50hz的立體式復(fù)合強(qiáng)電磁攪拌20min，加入工業(yè)純鋅、工業(yè)純鎂，繼續(xù)攪拌20min后靜置30min，同時采用分步調(diào)整化學(xué)成分法將各元素含量調(diào)整至設(shè)計要求；然后快速將溫度升至740℃后保溫，使用攪拌電流為40a的立體式復(fù)合弱電磁攪拌，同時旋轉(zhuǎn)噴吹氬氣進(jìn)行熔體精煉15min；再將熔體溫度調(diào)整至720～730℃準(zhǔn)備澆注。

2、鑄造。精煉后的合金熔體經(jīng)過泡沫陶瓷過濾板過濾后通過具有良好保溫效果的分流盤流入四工位鑄造系統(tǒng)進(jìn)行半連續(xù)急冷快速鑄造，鑄錠規(guī)格為φ60mm，鑄造速度200mm/min，總冷卻水量42m³/h，同時配以攪拌電流80a，攪拌頻率40hz的電磁攪拌。

3、均勻化處理。將合金鑄錠進(jìn)行460℃×18h的單級均勻化退火，再按照ys/t409-1998《有色金屬產(chǎn)品分析用標(biāo)準(zhǔn)樣品技術(shù)規(guī)范》制成φ60×30標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格光譜標(biāo)樣。

該計量檢測單位對該套7075合金光譜標(biāo)樣進(jìn)行了檢驗，結(jié)果顯示本發(fā)明方法制備的7075合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品達(dá)到并超過了國際先進(jìn)水平。具體檢測項目如下：

金相組織檢驗：采用微觀金相組織進(jìn)行檢驗，7075合金標(biāo)樣鑄錠金相組織如圖2所示。圖2中可以清楚看到鑄錠組織均勻致密，無氣孔、疏松等缺陷，鑄態(tài)下的平均晶粒尺寸已細(xì)化至50μm左右，且分布均勻，形狀圓整。

鑄錠均勻性檢驗：根據(jù)gb/t15000《標(biāo)準(zhǔn)樣品工作導(dǎo)則》和ys/t409-1988《有色金屬產(chǎn)品分析用標(biāo)準(zhǔn)樣品技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，采用極差法隨機(jī)抽樣進(jìn)行均勻性檢驗。為了消除儀器漂移和光源波動的影響，采用交替操作法進(jìn)行均勻性檢驗，結(jié)果表明其均勻性符合要求。

工作曲線檢查：隨機(jī)抽取五套標(biāo)樣，用日本島津pda6000制作工作曲線，其嚙合系數(shù)(pct)均達(dá)到3個9(含3個9)以上，符合設(shè)計要求。pct值見表1。

表17075鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品pct值表

生產(chǎn)考核：為檢查本標(biāo)樣的試用情況，生產(chǎn)中隨機(jī)取樣進(jìn)行分析，不同光譜儀上的分析結(jié)果一致且與化學(xué)分析結(jié)果相符。生產(chǎn)考核結(jié)果見表2。

表2隨機(jī)選取某個7075鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品的生產(chǎn)考核結(jié)果(％)

實施例2：a390合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備

作為輕質(zhì)耐磨鋁合金，a390合金的力學(xué)性能和鑄造成形性對硅含量以及硅顆粒的形貌、尺寸和分布有很強(qiáng)的依賴性。傳統(tǒng)的制備方法目前難以解決硅含量準(zhǔn)確性和均勻性的控制問題無法制備a390合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品。國內(nèi)某計量檢測單位的委托北京有色金屬研究總院研制生產(chǎn)a390合金光譜標(biāo)樣，具體流程如下：

1、熔煉：按所設(shè)計的a390合金光譜套標(biāo)樣品中各點成分要求以200kg為投料總量進(jìn)行配料計算，將精確稱重的高純鋁錠、al-50cu、al-20fe、al-20ni、al-10mn、al-5ti和al-5cr中間合金加入中頻爐內(nèi)，在氬氣保護(hù)下快速升溫至840～850℃，保溫并進(jìn)行攪拌電流150a脈沖磁場頻率和交變磁場頻率分別為12hz和40hz的立體式復(fù)合強(qiáng)電磁攪拌15min，加入工業(yè)純硅、工業(yè)純鋅，繼續(xù)攪拌45min后靜置30min，同時添加工業(yè)純鎂并采用分步調(diào)整化學(xué)成分法將各元素含量調(diào)整至設(shè)計要求；然后快速將溫度升至760℃后保溫，使用攪拌電流為60a的立體式復(fù)合弱電磁攪拌，同時旋轉(zhuǎn)噴吹氬氣進(jìn)行熔體精煉20min；再將熔體溫度調(diào)整至820～830℃準(zhǔn)備澆注。

2、鑄造。精煉后的合金熔體經(jīng)過泡沫陶瓷過濾板過濾后通過具有良好保溫效果的分流盤流入四工位鑄造系統(tǒng)進(jìn)行半連續(xù)急冷快速鑄造，鑄錠規(guī)格為φ60mm，鑄造速度300mm/min，總冷卻水量30m³/h，同時配以攪拌電流40a，攪拌頻率20hz的電磁攪拌。

3、均勻化處理。將合金鑄錠進(jìn)行470℃×2h+260℃×3h的雙級均勻化退火，再按照ys/t409-1998《有色金屬產(chǎn)品分析用標(biāo)準(zhǔn)樣品技術(shù)規(guī)范》制成φ60×30標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格光譜標(biāo)樣。

該計量檢測單位對該套a390合金光譜標(biāo)樣進(jìn)行了檢驗，結(jié)果顯示本發(fā)明方法制備的a390合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品達(dá)到并超過了國際先進(jìn)水平。具體檢測項目如下：

金相組織檢驗：采用微觀金相組織進(jìn)行檢驗，a390合金標(biāo)樣鑄錠金相組織如圖3所示。圖中可以清楚看到鑄錠組織均勻致密，無偏聚、氣孔等缺陷，初生硅平均尺寸在25～30μm范圍，且分布均勻，形狀圓整。

鑄錠均勻性檢驗：根據(jù)gb/t15000《標(biāo)準(zhǔn)樣品工作導(dǎo)則》和ys/t409-1988《有 色金屬產(chǎn)品分析用標(biāo)準(zhǔn)樣品技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，采用極差法隨機(jī)抽樣進(jìn)行均勻性檢驗。為了消除儀器漂移和光源波動的影響，采用了交替操作法進(jìn)行均勻性檢驗，結(jié)果表明其均勻性符合要求。

工作曲線檢查：隨機(jī)抽取六套標(biāo)樣，用日本島津pda6000制作工作曲線，其嚙合系數(shù)(pct)均達(dá)到3個9(含3個9)以上，符合設(shè)計要求。pct值見表3。

表3a390鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品pct值表

生產(chǎn)考核：為檢查本標(biāo)樣的試用情況，生產(chǎn)中隨機(jī)取樣進(jìn)行分析，不同光譜儀上的分析結(jié)果一致且與化學(xué)分析結(jié)果相符。生產(chǎn)考核結(jié)果見表4。

表4隨機(jī)選取某個a390鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品的生產(chǎn)考核結(jié)果(％)

本發(fā)明將鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品合金原料在惰性氣體保護(hù)下熔化后依次進(jìn)行立體式復(fù)合強(qiáng)電磁攪拌、合金化、靜置、調(diào)整、立體式復(fù)合弱電磁攪拌和精煉等過程；然后通過半連續(xù)急冷快速鑄造與電磁攪拌相配合的工藝制備出一定規(guī)格的標(biāo)樣鑄錠；最后輔以適當(dāng)?shù)木鶆蚧幚慝@得標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品。該鋁合金光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品制備方法流程短、成本低；制備的鋁合金標(biāo)準(zhǔn)樣品合金元素含量準(zhǔn)確、化學(xué)成分均勻、晶粒細(xì)小圓整。