CN101914709A - 一种高强韧铸造铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高强韧铸造铝合金，该合金由以下质量百分比的组分组成：Mg 9.5％～11.0％，Ti 0.1％～0.4％，RE 0.1％～0.3％，Si 0.15％～0.30％，其余为铝和不可避免的微量杂质；其中微量杂质中的单个元素含量＜0.10％，且微量杂质总量＜0.50％。本发明还公开了一种上述高强韧铸造铝合金的制备方法。本发明的高强韧铸造铝合金具有抗拉强度高、伸长率高且原材料价格便宜、生产流程短、工艺过程容易控制，无需复杂的熔炼设备及后续热处理热备，在满足构件力学性能的前提下，整个生产成本比较低等优点。

Description

一种高强韧铸造铝合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高强韧铸造铝合金及其制备方法。

背景技术

铸造铝合金作为传统的金属材料，因其密度小、比强度高等特点，广泛应用于航空、航天、汽车、机械等行业。随着现代工业及铸造新技术的发展，对铸造铝合金，尤其是具有特殊性能，如具有高强度、优良的耐磨性和耐腐蚀性的铸造铝合金，需求量越来越大。经过几十年的发展，高强度铸造铝合金已形成完整系列，性能趋于稳定，生产方法日趋完善，成为材料领域中不可或缺的合金体系，并已在汽车、航天和航空工业中获得广泛的应用。但目前高强度铸造铝合金的冲击韧性较低，一般都不能承受大的冲击载荷。正是由于铸造铝合金冲击韧性较低，一般都不能承受大的冲击载荷，强韧性不理想从而使其应用受到较大的限制。所以，许多需要高强韧性能的重要部件多采用变形铝合金制造。但是变形铝合金虽然具有理想的高强韧性能，但其加工过程对设备和工装模具要求高，工序多，因此生产周期长，成本很高。相比之下，铸造铝合金具有价格低廉，铸件组织各向同性，可以获得特殊的组织，容易生产形状复杂的零件，既可以单件生产也可以大批量生产等许多优点。因此，开发能够代替部分变形铝合金并具有高强韧性能的铸造铝合金，规范其铸造成型工艺，缩短生产周期，降低制造成本，成为该领域发展的新趋势。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是针对现有技术的上述不足，提供一种具有高强度、高韧性的高强韧铸造铝合金。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种高强韧铸造铝合金，该合金由以质量百分比的各组分组成：Mg 9.5％～11.0％，Ti 0.1％～0.4％，RE 0.1％～0.3％，Si0.15％～0.30％，其余为铝和不可避免的微量杂质；其中微量杂质中的单个元素的含量＜0.10％，且微量杂质的总量＜0.50％。

本发明上述的该合金在制备时，各组分由以下形式的各原料加入：纯铝、纯镁、氟钛酸钾、铝稀土合金及铝硅中间合金。

本发明要解决的另一个技术问题，是提供一种能满足现代科技和工业需要，降低结构件重量、缩短制造周期、降低制造成本和降低能耗、保护环境、以铸代锻要求的上述高强韧铸造铝合金的制备方法，该合金具体制备步骤为：

(1)按照Mg 9.5％～11.0％，Ti 0.1％～0.4％，RE(混合稀土)0.1％～0.3％，Si0.15％～0.30％，其余为铝的质量百分比计算并称取作为原料的纯铝、纯镁、氟钛酸钾(K₂TiF₆)、铝稀土合金及铝硅中间合金；

(2)将上述步骤(1)称量好的各原料使用电阻坩埚炉进行熔炼，先在坩埚内撒入经脱水(水分含量≤0.5％)的以光卤石为主的熔剂，然后加入预热到200～250℃的纯铝和铝硅中间合金；融化后加入经烘干(水分含量≤0.5％)的称量好的氟钛酸钾，并撒入占炉料总质量(所述炉料总质量为原始配料总质量，以下同)3％～4％的覆盖剂或通入保护气体；炉温升至670～690℃时加入预热到180～220℃的纯镁块，纯镁块用钟罩压入坩埚底部，边熔化边搅拌直至其完全熔化；730～740℃加入预热到180～220℃的铝稀土合金，迅速搅拌至混合均匀，得到合金液；

(3)待炉温降至720～730℃时将烘干(烘干后水分含量≤0.5％)的精炼剂用钟罩压入到合金液中进行精炼除气；精炼10～15min，精炼完毕后，再静置5～15min，在690～720℃扒渣、浇注到铸型型腔中得到铸件或铸锭(浇注制备铸件或铸锭，采用的是行业公知的常规技术，在此不再赘述)；

(4)铸件或铸锭在425～435℃进行固溶处理，保温时间12～20h，然后用冷却介质为50～100℃的水或50～100℃油冷却，然后进行24～72小时的自然时效。

本发明上述合金的制备工艺，步骤(1)中的钛是以K₂TiF₆氟化盐的形式加入的，采用氟钛酸钾的形式加入可以形成大量极细小、弥散分布的金属间化合物的成核质点。

本发明上述采用的纯铝，其中铝的含量≥99.7wt％；上述采用的纯镁，其中镁含量≥99.95wt％；上述采用的铝稀土合金为Al-10RE，即稀土含量为10wt％的铝稀土合金，上述采用的铝硅中间合金为Al-12Si合金(即硅含量为12wt％的铝硅中间合金)。

本发明上述的以光卤石为主的熔剂，即MgCl₂ 40％～60％，KCl 60％～40％，杂质≤12.5％(杂质包括NaCl、CaCl₂、不溶物、MgO、H₂O)。

本发明高强韧铸造铝合金的制备工艺，其步骤(2)中所用覆盖剂的加入量为炉料总质量(所述炉料总质量为原始配料总质量)的3～4％，覆盖剂采用商用铝镁合金熔剂或采用各组分的质量百分比为氯化镁44～52％、氯化钾32～46％、余为其他氯盐(其他氯盐，如氯化锌、氯化锰等)组成的覆盖剂；

上述的保护气体为体积分数为75％空气、25％CO₂和0.2％SF₆(六氟化硫)组成的混合气体。

本发明高强韧铸造铝合金的制备工艺，其步骤(3)中所用精炼剂的加入量为炉料总质量的2～3％，精炼剂中各组分的质量百分比为六氯乙烷60％、钠盐(钠盐如氯化钠、硝酸钠、氟硅酸钠等的混合物，在铸造领域属于专业术语，简称钠盐，已成定型产品)40％。

本发明高强韧铸造铝合金的制备工艺，其步骤(4)中所述的固溶处理，铸件或铸锭可以随炉升温，或到设定温度后装炉；固溶处理过程中，铸件或铸锭可以采用氩气等惰性气体进行保护；固溶处理后的铸件或铸锭在温度50～100℃水或温度50～100℃油中冷却至与冷却介质同温后取出，放置在空气中自然实效24～72小时。

本发明的优点和有益效果：

(1)本发明通过优化合金化学成分、严格控制合金熔炼过程及优化合金热处理工艺，制备出了一种高强韧的新型铸造铝合金材料，该合金的抗拉强度最高334.5MPa，伸长率高达12.2％，远远大于Al-10Mg合金的力学性能指标，因此，具有良好的冲击韧性，能承受大的冲击载荷。

(2)本发明以Al-Mg合金为基，以K₂TiF₆的形式添加0.1％～0.4％的微量钛元素。Ti的氟化盐对固溶体型铝合金的a固溶体和共晶Si的细化效果较以中间合金形式加入好，K₂TiF₆加入到铝及铝合金液后，以原子状态高度弥散地分布在熔体中，因而生成大量极细小、弥散分布的金属间化合物的成核质点，其结晶核心数量较以中间合金形式加入的多，晶粒尺寸也比以中间合金加入后形成的TiAl₃粗大成核质点小很多，从而细化了晶粒、提高了致密性，因而强度高、韧性好。

(3)本发明高韧性铸造铝合金所选原材料价格便宜、生产流程短、工艺过程容易控制，无需复杂的熔炼设备及后续热处理热备，在满足构件力学性能的前提下，整个生产成本比较低。

(4)本发明采用中性的电阻坩埚炉进行熔炼，熔炼和精炼均在覆盖剂或气体保护的状态下进行，避免Mg和其他合金元素的过度烧损，从而充分发挥各元素的特性，降低损耗。

具体实施方式

下面通过具体实施例，进一步详细描述本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施例：

实施例1：

制备1500g本发明的高韧性铸造铝合金材料，该合金材料的成分为Mg 11％，Ti0.3％，RE 0.2％，Si 0.15％，其余为铝和不可避免的微量杂质，其中微量杂质中单个元素的含量＜0.10％，且微量杂质总量＜0.50％。

制备方法如下：

(1)原料配制 铝块(铝≥99.7％)，镁块(镁≥99.95％)，K₂TiF₆(含量≥99％)，铝-稀土中间合金(铝90％Al，稀土10％)，铝-硅中间合金(铝88％Al，硅12％)。

参照《铸造手册》(第三卷，铸造非铁合金，第2版，机械工业出版社，2001，P187-188)及经验确定本发明的铝合金元素烧损量：铝：1.0％，镁5％；其他材料在熔炼过程中变化不大，可认为无烧损。

加入量计算公式： $X=M\×\frac{A}{C\×(1-E)}$

式中：M为熔炼合金总质量；

A为合金中应含某种元素的百分数；

C为中间合金或合金锭中所含某种元素的质量百分数

E为某种元素的烧损量；

X为加入某种元素或中间合金的总质量。

在本实例中，M＝1500g；

A：Mg％＝11％；Ti％＝0.3％；RE％＝0.2％；Si％＝0.15％；Al％＝88.35％；

C：Mg％＝99.95％；Ti％＝19.9％；RE％＝10％；Si％＝12％；Al％＝99.7％；

E：Al：1.0％；Mg：5％，其余元素忽略不计；

则： $X_{\mathrm{Mg}}=1500\×\frac{11\%}{99.95\%\×(1-5\%)}=173.78g$

$X_{K_2{\mathrm{TiF}}_6}=1500\×\frac{0.3\%}{99\%\×19.9\%}=22.84g$

$X_{\mathrm{Al}-\mathrm{RE}}=1500\×\frac{0.2\%}{10\%}=30g$

$X_{\mathrm{Al}-\mathrm{Si}}=1500\×\frac{0.15\%}{12\%}=18.75g$

$X_{\mathrm{Al}}=1500\×\frac{88.35\%}{99.7\%\×(1-1\%)}=1342.66g$

因为，本发明的铝稀土中间合金及铝硅中间合金中也导入了铝元素，质量分别为：30×0.90＝27g；18.75×0.88＝16.5g，所以实际需加的纯铝质量为：1342.66-27-16.5＝1299.16g。

上述配料是原始配料，熔炼过程中会烧损掉部分，以及配料中存在的不可避免的杂质元素，最终实际所获得的新型铝合金总质量为1500g。

(2)使用电阻坩埚炉将上述加入的各组分进行熔炼，先在坩埚(石墨坩埚)内撒入经脱水的以光卤石为主的熔剂(水分含量≤0.5％)，然后加入预热到200℃的纯铝和预热到200℃的铝硅中间合金；融化后通入75％空气+25％CO₂+0.2％SF₆(体积分数)混合保护气体；炉温升至690℃时加入预热到200℃的纯镁块，纯镁块要用钟罩压入坩埚底部，搅拌直至其完全熔化；730℃加入预热到200℃的铝稀土中间合金，迅速搅拌至混合均匀，得到合金液；

(3)待炉温降至720℃时将烘干的精炼剂(精炼剂为质量百分比为六氯乙烷60％、钠盐40％组成，烘干至水分含量≤0.5％)用钟罩压入到合金液中进行除气精炼，精炼10min，完毕后，再静置5min，在720℃时扒渣、浇注到铸型型腔中得到铸件或铸锭(直接浇注到铸型型腔中中得到铸件或铸锭的过程，采用的是行业公知的常规技术，无其他特殊要求，实施例2-3亦同)；

(4)铸件或铸锭在430℃进行固溶处理，保温时间16h，再用冷却介质为100℃的沸水冷却，当铸件或铸锭与冷却用的水温度相同时，将铸件或铸锭取出；然后在空气中进行自然时效，时间30h。

经检测，本实施例制备的新型Al-Mg合金样品的抗拉强度的平均值为339.6MPa，断后伸长率达到了13.1％。拉伸试样的断口由大小不均的韧窝和撕裂棱组成，呈现明显的塑性断裂特征。

实施例2：

制备1500g合金材料，成分为Mg 10％，Ti 0.4％，RE 0.3％，Si 0.30％，其余为铝和不可避免的的微量杂质，其中杂质单个＜0.05％，且总量＜0.20％。

制备方法如下：

(1)配料计算方法与实例1相同。

(2)使用电阻坩埚炉熔炼，先在石墨坩埚内撒入经脱水的以光卤石为主的熔剂，然后加入预热到225℃的纯铝和铝硅中间；融化后采用炉料总量4％的覆盖剂保护；炉温升至670℃时加入预热到200℃左右的纯镁块，搅拌直至其完全熔化；730℃加入预热到200℃左右的铝稀土中间合金，迅速搅拌至混合均匀，得到合金液。

(3)待炉温降至730℃时将烘干的精炼剂(精炼剂为质量百分比为六氯乙烷60％、钠盐40％组成)用钟罩压入合金液中进行除气精炼，精炼15min，然后静置15min，在690℃时扒渣、浇注到铸型型腔中得到铸件或铸锭。

(4)铸件或铸锭在435℃进行固溶处理，保温时间20h，再用冷却介质为100℃的沸水冷却，当铸件或铸锭与冷却用的水温度相同时，将铸件或铸锭取出；然后在空气中进行自然时效，时间72h。

经检测，本实施例新型Al-Mg合金样品的抗拉强度的平均值为321.3MPa，断后伸长率达到了11.7％。拉伸试样的断口由大小不均的韧窝和撕裂棱组成，呈现明显的塑性断裂特征。

实施例3：

制备1500g合金材料，成分为Mg 9.5％，Ti 0.1％，RE 0.1％，Si 0.20％，其余为铝和不可避免的的微量杂质，其中杂质单个＜0.05％，且总量＜0.20％。

制备方法如下：

(1)配料配料计算方法与实例1相同。。

(2)使用电阻坩埚炉熔炼，先在石墨坩埚内撒入经脱水的以光卤石为主的熔剂(水分含量≤0.5％)，然后加入预热的纯铝和铝硅中间；化清后采用炉料总量3％的覆盖剂保护；炉温升至680℃时加入预热的纯镁块，边熔化边搅拌直至其完全熔化；740℃加入预热的铝稀土中间合金，迅速搅拌至混合均匀；

(3)待炉温降至730℃时将烘干的精炼剂(精炼剂为质量百分比为六氯乙烷60％、钠盐40％组成，烘干至水分含量≤0.5％)用钟罩压入合金液中进行除气精炼，精炼10min，然后静置9min，在710℃时扒渣、浇注到铸型中型腔中得到铸件或铸锭；

(4)铸件或铸锭在425℃进行固溶处理，保温时间12h，再用冷却介质为60℃的油冷却，当铸件或铸锭与冷却用的油温度相同(即同温)时，将铸件或铸锭取出；然后在空气中进行自然时效，时间24h。

经检测，本实施例的新型Al-Mg合金样品的抗拉强度的平均值为301.2MPa，断后伸长率达到了8.6％。拉伸试样的断口由大小不均的韧窝和撕裂棱组成，呈现明显的塑性断裂特征。

Claims (10)

1.一种高强韧铸造铝合金，其特征在于：该合金由以下质量百分比的组分组成：Mg9.5％～11.0％，Ti 0.1％～0.4％，RE 0.1％～0.3％，Si 0.15％～0.30％，其余为铝和不可避免的微量杂质；其中微量杂质中的单个元素的含量＜0.10％，且微量杂质的总量＜0.50％。

2.根据权利要求1所述的一种高强韧铸造铝合金，其特征在于：该合金在制备时，各组分由以下形式的各原料加入：纯铝、纯镁、氟钛酸钾、铝稀土合金及铝硅中间合金。

3.一种权利要求2所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征在于：该合金制备步骤为：

(1)按照Mg 9.5％～11.0％，Ti 0.1％～0.4％，RE 0.1％～0.3％，Si 0.15％～0.30％，其余为铝的质量百分比计算并称取作为原料的纯铝、纯镁、氟钛酸钾、铝稀土合金及铝硅中间合金；

(2)将上述步骤(1)称量好的各原料使用电阻坩埚炉熔炼，先在坩埚内撒入经脱水的以光卤石为主的熔剂，然后加入预热到200～250℃的纯铝和铝硅中间合金；融化后加入经烘干的称量好的氟钛酸钾，并撒入占炉料总质量3％～4％的覆盖剂或通入保护气体；炉温升至670～690℃时加入预热到180℃～220℃的纯镁块，纯镁块要用钟罩压入坩埚底部，边熔化边搅拌直至其完全熔化；730～740℃加入预热到180～220℃的铝稀土合金，迅速搅拌至混合均匀，得到合金液；

(3)待炉温降至720～730℃时将烘干的精炼剂用钟罩压入到合金液中进行精炼除气；精炼时间10～15min，精炼完毕后，再静置5～15min，在690～720℃扒渣、浇注到铸型型腔中得到铸件或铸锭；

(4)铸件或铸锭在425～435℃进行固溶处理，保温时间12～20h，然后用冷却介质为50～100℃的水或50～100℃油冷却，然后进行24～72h的自然时效。

4.根据权利要求3所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征是：所述的纯铝为铝含量≥99.7wt％的铝；所述的纯镁为镁含量≥99.95wt％的镁；所述的铝稀土合金为稀土含量为10wt％的铝稀土合金；所述的铝硅中间合金为硅含量为12wt％的铝硅中间合金。

5.根据权利要求3所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征是：所述的覆盖剂为商用铝镁合金熔剂或各组分的质量百分比为氯化镁44～52％、氯化钾32～46％、其余为其他氯盐组成的覆盖剂。

6.根据权利要求3所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征是：所述的保护气体为体积分数为75％空气、25％CO₂和0.2％SF6组成的混合气体。

7.根据权利要求3所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征是：所述的精炼剂的加入量为炉料总质量的2～3％。

8.根据权利要求7所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征是：所述的精炼剂中各组分的质量百分比为六氯乙烷60％、钠盐40％。

9.根据权利要求3所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征是：所述的的固溶处理，铸件或铸锭可以随炉升温，或温度到设定温度后再装炉；铸件或铸锭在温度50～100℃水或温度50～100℃油中冷却至与冷却介质同温后取出，放置在空气中自然实效24～72小时。

10.根据权利要求3所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征是：所述的固溶处理过程中，铸件或铸锭采用氩气保护。