CN101760672A - 一种低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金 - Google Patents

一种低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金 Download PDF

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宋国金
马志毅
闫卫平
姜正鳌
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Abstract

一种低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金，其特征在于：在本体材料的基础上，添加质量百分比含量为0.001～1％的M，M具体为Ce、La、Y三者之一或者其任意组合。本发明针对铝铜合金铸件上述热裂纹问题，通过微合金化，添加微量稀土元素，有效降低了高强韧铝铜合金易热裂倾向，研制成功了低热裂倾向的高强韧铸造铝铜合金材料。在同等强度下，有效减少了铸件热裂纹缺陷的产生。

Description

一种低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金
技术领域
本发明涉及材料科学，特别提供了一种低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金。
背景技术
表1是目前国内外几种力学性能最优的铸造铝铜合金。该类合金由于铜元素的强化作用，具有优异的机械性能而受到广泛关注。但该类合金最大的缺点是热裂敏感性大，所生产的铸件极易产生热裂纹缺陷(参见图1)，因此一直以来仅仅应用于少量小型部件上。
表1
  合金牌号   Rm(MPa)   Rp0.2(MPa)   A(％)
  ZL205A   500-540   440-480   4.0-9.0
  BAЛ10   500-530   390-460   4.0-8.0
  KO-1   430-500   360-450   3.5-9.0
  B2243   450-510   370-420   4.0-7.0
以我国牌号的ZL205A合金为例，其成分和含量为：Cu：4.6-5.3％，Mn：0.3-0.5％，Ti：0.15-0.35％，Cd：0.15-0.25％，V：0.05-0.3％，Zr：0.05-0.2％，B：0.005-0.06％，余量为Al。
根据图2和图3可知，从原理上说Al-Cu合金Cu含量在固熔点5.65％，热裂倾向最大。但这是理想条件下，实际生产中固溶线是稍向左下偏移。ZL205A含铜4.6-5.3％，此范围合金热裂倾向很大，因此易产生热裂纹缺陷。技术条件一般要求，铸件绝对不能存在热裂纹缺陷，因为热裂纹会引起部件断裂等等许多严重的工程问题。因此，极大地限制了铸造铝铜合金的发展应用。从国内外文献报道来看，应用极少，如美国的导弹鸵翼仅重60kg，F-18飞机构件仅重50kg。
人们渴望获得技术效果更好的低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金。
发明内容
本发明的目的是提供一种技术效果更好的低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金。本发明是针对前述铝铜合金铸件热裂纹问题，通过合金成分调整优化、微合金化，开发出一种低热裂倾向的高强韧铸造铝铜合金材料。
本发明一种低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金，其特征在于：在本体材料的基础上，添加质量百分比含量为0.001～1％的M，M具体为Ce、La、Y三者之一或者其任意组合。
所述低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金的本体材料优选具体是以下几种之一：ZL205A、BAЛ10、KO-1、B2243(ZL204A)。
本发明中，低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金中La的含量优选为：0.1～0.25％。
本发明的一个优选内容是：所述以ZL205A为本体材料的低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金的成分和含量为：Cu：4.6-5.3％，Mn：0.3-0.5％，Ti：0.15-0.35％，Cd：0.15-0.25％，V：0.05-0.3％，Zr：0.05-0.2％，B：0.005-0.06％，Ce、La、Y三者之一或者其任意组合：0.1～0.25％，余量为Al。
所述以BAЛ10为本体材料的低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金的成分和含量为：Cu：4.5～5.1％，Mn：0.35～0.8％，Ti：0.15～0.35％，Cd：0.07～0.25％；Ce、La、Y三者之一或者其任意组合：0.1～0.25％，余量为Al。
所述以KO-1合金为本体材料的低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金的成分和含量为：Cu：4.0～5.2％，Mn：0.2～0.5％，Ti：0.15～0.35％，Mg：0.15～0.55％，Ag：0.4～1.0％，Ce、La、Y三者之一或者其任意组合：0.1～0.25％，余量为Al。
所述以B2243(ZL204A)合金为本体材料的低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金的成分和含量为：Cu：4.6～5.3％，Mn：0.6～0.9％，Ti：0.15～0.35％，Cd：0.15～0.25％，Ce、La、Y三者之一或者其任意组合：0.1～0.25％，余量为Al。
本发明在低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金原有成分基础上添加含量为0.001-1％的稀土元素M(M为Ce、La、Y三者之一或者其任意组合)。其中：
1)当M含量为：0.001-0.1％时，由于含量较低，对降低合金热裂有一定的效果，但效果不太明显；
2)当M含量为：0.1-0.25％时，为较优成分含量，此时可达到既不降低合金机械性能，又有显著的降低合金热裂效果；
3)当M含量为：0.25-1％时，含量偏高，虽有显著的降低合金热裂效果，但降低合金机械性能；
本发明所依据的原理分析如下：
根据液膜理论，热裂纹的形成是由于铸件在凝固末期晶间存在液膜和铸件在凝固过程中受拉应力共同作用的结果，即当合金冷却到液相线以下某温度后，枝晶彼此接触，连成骨架，并不断挤在一起，晶间存在液相但很少，液体流动困难，不能补缩，在拉应力作用下产生裂纹。液膜所承受的拉应力为：
p＝-σ/r；
式中：σ为液膜的表面张力；r为液膜凹面的曲率半径。
r由液膜厚度决定，液膜越薄则r越小，p越大，即合金凝固末期所能承受的拉应力越大。对比图5～7，黑色相为低熔点物质，也即是凝固末期的液膜，可以看出液膜明显变薄了，因此提高了合金抗热裂能力。如果考虑σ-液膜的表面张力，稀土元素为活性元素，添加后一定程度上可能降低了液膜界面张力σ，增加合金热裂倾向，不过相比液膜厚度的减小，液膜界面张力σ为次要因素。
本发明针对铝铜合金铸件上述热裂纹问题，通过微合金化，添加微量稀土元素，解决了高强韧铝铜合金易热裂问题，研制成功了低热裂倾向的高强韧铸造铝铜合金材料。在同等强度下，有效防止了铸件热裂纹缺陷的产生，其技术效果很好，具有显著的经济价值和社会价值。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为铸件热裂纹缺陷宏观形貌；
图2为Al-Cu二元合金相图；
图3为有效结晶温度区间与热裂关系；
图4为原铝铜合金显微组织；
图5为添加0.1％Y的铝铜合金显微组织；
图6为添加0.2％Y的铝铜合金显微组织。
具体实施方式
实施例1
熔炼合金成分为：Cu：4.3％，Mn：0.7％，Ti：0.30％，Cd：0.10％，V：0.3％，Zr：0.05％，B：0.06％，Y：1％，余量为Al。
铸件射线探伤未发现热裂纹缺陷；随炉单铸金型国标试棒Rm＝450MPa，Rp02＝360MPa，A＝3％。
实施例2
熔炼合金成分为：Cu：4.7％，Mn：0.5％，Ti：0.24％，Cd：0.13％，V：0.19％，Zr：0.09％，B：0.03％，Y：0.20％，余量为Al。
铸件射线探伤未发现热裂纹缺陷；随炉单铸金型国标试棒Rm＝520MPa，Rp0.2＝460MPa，A＝6％。
实施例3
熔炼合金成分为：Cu：5.1％，Mn：0.4％，Ti：0.18％，Cd：0.20％，V：0.09％，Zr：0.05％，B：0.01％，Y：0.15％，余量为Al。
铸件射线探伤未发现热裂纹缺陷；Rm＝515MPa，Rp0.2＝455MPa，A＝6.5％。
实施例4
熔炼合金成分为：Cu：5.5％，Mn：0.6％，Ti：0.19％，Cd：0.16％，V：0.05％，Zr：0.05％，B：0.005％，Y：0.10％，余量为Al。
铸件射线探伤未发现热裂纹缺陷；随炉单铸金型国标试棒Rm＝525MPa，Rp0.2＝465MPa，A＝5.5％。
实施例5
熔炼合金成分为：Cu：5.3％，Mn：0.45％，Ti：0.21％，Cd：0.11％，V：0.12％，Zr：0.07％，B：0.015％，Y：0.005％，余量为Al。
铸件射线探伤发现有微小热裂纹缺陷；随炉单铸金型国标试棒Rm＝505MPa，Rp0.2＝445MPa，A＝8％。
实施例6
熔炼合金成分为：Cu：5.0％，Mn：0.48％，Ti：0.23％，Cd：0.09％，Y：0.005％，余量为Al。
铸件射线探伤发现有微小热裂纹缺陷；随炉单铸金型国标试棒Rm＝525MPa，Rp0.2＝450MPa，A＝7.5％。
实施例7
熔炼合金成分为：Cu：4.9％，Mn：0.62％，Ti：0.17％，Cd：0.23％，Y：0.15％，余量为Al。
铸件射线探伤发现无热裂纹缺陷；随炉单铸金型国标试棒Rm＝512MPa，Rp0.2＝449MPa，A＝6％。
实施例8
熔炼合金成分为：Cu：4.7％，Mn：：0.71％，Ti：0.33％，Cd：0.20％，Y：1％，余量为Al。
铸件射线探伤发现无热裂纹缺陷；随炉单铸金型国标试棒Rm＝480MPa，Rp0.2＝365MPa，A＝5％。
实施例9
熔炼合金成分为：Cu：4.2％，Mn：0.49％，Mg：0.27％，Ti：0.24％，Ag：0.51％，Y：0.001％，余量为Al。
铸件射线探伤发现热裂纹缺陷；随炉单铸金型国标试棒Rm＝497MPa，Rp0.2＝432MPa，A＝8％。
实施例10
熔炼合金成分为：Cu：4.7％，Mn：0.32％，Mg：0.50％，Ti：0.19％，Ag：0.60％，Y：0.23％，余量为Al。
铸件射线探伤无热裂纹缺陷；随炉单铸金型国标试棒Rm＝480MPa，Rp0.2＝430MPa，A＝7.5％。
实施例11
熔炼合金成分为：Cu：5.1％，Mn：0.27％，Mg：0.38％，Ti：0.34％，Ag：0.45％，Y：1％，余量为Al。
铸件射线探伤发现热裂纹缺陷；随炉单铸金型国标试棒Rm＝420MPa，Rp0.2＝352MPa，A＝4.5％。
实施例12
本实施例内容与实施例1～11基本相同，其不同之处主要在于：
所述低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金的本体材料具体是BAЛ10，所述以BAЛ10为本体材料的低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金的成分和含量为：Cu：4.5～5.1％，Mn：0.35～0.8％，Ti：0.15～0.35％，Cd：0.07～0.25％；M(M为La、Ce、二者之一或者Ce、La、Y三者的任意比例的组合)：0.1～0.25％，余量为Al。
实施例13
本实施例内容与实施例1～11基本相同，其不同之处主要在于：
所述低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金的本体材料具体是KO-1，所述以KO-1合金为本体材料的低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金的成分和含量为：Cu：4.0～5.2％，Mn：0.2～0.5％，Ti：0.15～0.35％，Mg：0.15～0.55％，Ag：0.4～1.0％，M(M为La、Ce二者之一或者Ce、La、Y三者的任意比例的组合)：0.1～0.25％，余量为Al。
实施例14
本实施例内容与实施例1～11基本相同，其不同之处主要在于：
所述低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金的本体材料具体是B2243(ZL204A)，所述以B2243(ZL204A)合金为本体材料的低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金的成分和含量为：Cu：4.6～5.3％，Mn：0.6～0.9％，Ti：0.15～0.35％，Cd：0.15～0.25％，M(M为La、Ce二者之一或者Ce、La、Y三者的任意比例的组合)：0.1～0.25％，余量为Al。

Claims (7)

1.一种低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金，其特征在于：在本体材料的基础上，添加质量百分比含量为0.001～1％的M，M具体为Ce、La、Y三者之一或者其任意组合。
2.按照权利要求1所述低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金，其特征在于：所述低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金的本体材料具体是以下几种之一：ZL205A、BAЛ10、KO-1、B2243。
3.按照权利要求1或2所述低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金，其特征在于：所述M的含量为：0.1～0.25％。
4.按照权利要求3所述低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金，其特征在于：所述以ZL205A为本体材料的低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金的成分和含量为：Cu：4.6～5.3％；Mn：0.3～0.5％；Ti：0.15～0.35％；Cd：0.15～0.25％；V：0.05～0.3％；Zr：0.05～0.2％；B：0.005～0.06％；Ce、La、Y三者之一或者其任意组合：0.1～0.25％；余量为Al。
5.按照权利要求3所述低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金，其特征在于：所述以BAЛ10为本体材料的低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金的成分和含量为：Cu：4.5～5.1％，Mn：0.35～0.8％，Ti：0.15～0.35％，Cd：0.07～0.25％；Ce、La、Y三者之一或者其任意组合：0.1～0.25％，余量为Al。
6.按照权利要求3所述低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金，其特征在于：所述以KO-1合金为本体材料的低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金的成分和含量为：Cu：4.0～5.2％，Mn：0.2～0.5％，Ti：0.15～0.35％，Mg：0.15～0.55％，Ag：0.4～1.0％，La：0.1～0.25％，余量为Al。
7.按照权利要求3所述低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金，其特征在于：所述以B2243合金为本体材料的低热裂敏感性的高强韧铸造铝铜合金的成分和含量为：Cu：4.6～5.3％，Mn：0.6～0.9％，Ti：0.15～0.35％，Cd：0.15～0.25％，Ce、La、Y三者之一或者其任意组合：0.1～0.25％，余量为Al。
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