CN101319287A - 一种高强度铸造铝合金材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度铸造铝合金材料，按重量百分比计，该合金成分为Cu2.0～6.0％，Mn0.05～1.0％，Ti0.01～0.5％，Cr0.01～0.2％，Cd0.01～0.4％，Zr0.01～0.25％，B0.005～0.04％，Pr0.05～0.3％，其余为Al及微量杂质元素。本发明采用先进的合金成分设计及微合金化设计。在Al－Cu－Mn主成分的基础，找到了合理的微合金元素(Ti、Cr、B、Zr、稀土等)并确定其成分范围，能够实现替代贵重稀有金属Ag、V等的作用，降低了配方成本5～10％。

Description

一种高强度铸造铝合金材料
技术领域
本发明涉及一种铝合金材料，具体来说是一种高强度铸造铝合金材料。
背景技术
铝合金是一种较年轻的金属材料，在20世纪初才开始工业应用。第二次世界大战期间，铝材主要用于制造军用飞机。战后，由于军事工业对铝材的需求量骤减，铝工业界便着手开发民用铝合金，使其应用范围由航空工业扩展到建筑业、容器包装业、交通运输业、电力和电子工业、机械制造业和石油化工等国民经济各部门，应用到人们的日常生活当中。现在，铝材的用量之多，范围之广，仅次于钢铁，成为第二大金属材料。铝合金的发展可追溯到1906年时效强化现象在柏林被Alfred Wilm偶然发现，硬铝Duralumin、随之研制成功并用于飞机结构件上。在此基础上随后开发出多种Al-Cu系合金。法国于20世纪初研制成功A-U5GT((W)si≤0.05％，(W)Fe≤0.10％)铝合金，抗拉强度(T4)≥275Mpa、SAEJ452-1989)，投入生产应用，已列入法国国家标准和宇航标准；美国铝协会牌号201.0(1968年)和206.0(1967年)合金都是在A-U5GT基础上经改进而形成的，1974年的204.0铝合金等同于A-U5GT；201.0(AlCu4AgMgMn)的商业名称是KO-1(ASTM B26/B26(M)-1999，抗拉强度T7状态为415Mpa，延伸率3％)，受美国专利保护，且成分含Ag(0.4％-1.0％)，成本高。俄罗斯BAJ110主元素成分相当于国内的ZL204，但添加微量元素保密，仅用于军事或其他要求高的领域。
我国研制了ZL204A、ZL205A等铸造用铝合金牌号，ZL204A T5状态值下抗拉强度440Mpa，δ5＞4％，但该合金在Al-Cu系铸造合金中流动性最差，抗热裂性最差。按技术标准(GB1173-86)规定，ZL205A的抗拉强度T5状态为435Mpa，T6状态下为465Mpa(GB/T1173-1995标准，ZL205A(T6)的抗拉强度为470Mpa)，是目前世界上强度最高的铸造铝合金材料之一。ZL205A(T5)的塑性好，伸长率可达7％，该合金已在我国航空、航天领域得到广泛应用，但其成分含有V贵重金属元素，价格高昂；同时，需用精铝或高纯铝作基体金属，不但增加成本，原料供应也受限制。另外，在ZL205A基础上加入RE研制了ZL209，仍受添加V元素成本高的限制。北京航空材料研究院吕杰等研制出一种与ZL205A主成分相近的铝合金，但微量元素中含有0.1％-0.25％V，其抗拉强度在385-405Mpa之间、伸长率达19％～23％，仅见文献研究报道，且抗拉强度稍低，原材料含有价格昂贵的V。
综上所述，可知目前国内外在高强度铸造铝合金领域研究中存在的问题有：强度不够高，极少有高于450Mpa的铸造铝合金；配方中普遍加入了千分之一以上的贵金属和稀有元素(银、钒、铍等)，且基体金属多采用高纯级铝，成本高，原料来源受限，难以在民用领域推广应用；未能解决强塑比问题，合金强度与可铸性的矛盾突出；疲劳寿命短，抗应力腐蚀性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对目前高强度铸造铝合金领域存在的高成本配方，强度低，可铸性差，疲劳寿命短，抗应力腐蚀性差等技术难题，通过优选普通元素配方和熔铸、净化等工艺，研制出高强高韧高抗蚀性的军民两用铸造铝合金材料。
为了解决上述问题，本发明提供了一种高强度铸造铝合金材料，按重量百分比计，该合金成分为Cu2.0～6.0％，Mn0.05～1.0％，Ti0.01～0.5％，Cr0.01～0.2％，Cd0.01～0.4％，Zr0.01～0.25％，B0.005～0.04％，稀土元素0.05～0.3％，其余为Al及微量杂质元素。
稀土元素为Pr。
该高强度铸造铝合金材料的制备方法包括如下步骤：
(1)往熔炼炉中加入适量的铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化并在660～850℃下保温；
(2)再按配方比例先加入Cu、Mn合金元素搅拌均匀后再加入Ti、Cr、Cd、Zr、B、Pr微量元素，搅拌均匀；
(3)然后对上述合金熔体进行炉内精炼；往合金熔体中加入精炼剂(可根据不同工况采用氯气、六氯乙烷、氯化锰等作为精炼剂)，并搅拌均匀，同时为防止熔体吸入水份和烧损，熔体精炼应尽可能在封闭环境中操作；
(4)合金液倾倒出炉，在线过滤、除气、除渣处理；
(5)金属型铸造；
(6)最后在进行620℃以下、72小时以内的固溶析出强韧化热处理。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)先进的合金成分设计及微合金化设计。在Al-Cu-Mn主成分的基础，找到了合理的微合金元素(Ti、Cr、B、Zr、稀土等)并确定其成分范围，能够实现替代贵重稀有金属Ag、V等的作用，降低了配方成本5～10％。
(2)先进的熔炼除杂技术，有效破解了除杂的技术瓶颈，使材料的抗拉强度大于440Mpa，同时延伸率大于6％。
(3)在保持高强度的同时能明显提高其塑性的方法。
本高强度铸造铝合金材料经科技部西南信息中心查新中心查新结论为：“采用本项目所述元素成分达到所述参数的’新型高强度铸造铸造铝合金研发及产业化’，国内外未见文献报道。”该课题知识产权和研究成果不会产生纠纷和冲突。
新材料的组成及性能参数表征
下表为部分Al-Cu合金国家标准力学性能与本高强度铸造铝合金材料的对比。
Al-Cu合金国家标准力学性能(GB/T1173-1995)与高强度铸造铝合金材料的对比
Figure A20081030267000051
具体实施方式
实施例：按重量百分比计，该合金成分为Cu2.0～6.0％，Mn0.05～1.0％，Ti0.01～0.5％，Cr0.01～0.2％，Cd0.01～0.4％，Zr0.01～0.25％，B0.005～0.04％，Pr0.05～0.3％，其余为Al及微量杂质元素。
(1)往熔炼炉中加入适量的铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化并在660～850℃下保温；
(2)再按配方比例先加入Cu、Mn合金元素搅拌均匀后再加入Ti、Cr、Cd、Zr、B、Pr微量元素，搅拌均匀；
(3)然后对上述合金熔体进行炉内精炼；往合金熔体中加入精炼剂(可根据不同工况采用氯气、六氯乙烷、氯化锰等作为精炼剂)，并搅拌均匀，同时为防止熔体吸入水份和烧损，熔体精炼应尽可能在封闭环境中操作；
(4)合金液倾倒出炉，在线过滤、除气、除渣处理；
(5)金属型铸造；
(6)最后在进行620℃以下、72小时以内的固溶析出强韧化热处理。

Claims (2)

1.一种高强度铸造铝合金材料，其特征在于：按重量百分比计，该合金成分为Cu 2.0～6.0％，Mn 0.05～1.0％，Ti 0.01～0.5％，Cr 0.01～0.2％，Cd 0.01～0.4％，Zr 0.01～0.25％，B0.005～0.04％，稀土元素0.05～0.3％，其余为Al及微量杂质元素
2.根据权利要求1所述的高强度铸造铝合金材料，其特征在于：稀土元素为Pr。
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