CN101914709B - 一种高强韧铸造铝合金的制备方法 - Google Patents

一种高强韧铸造铝合金的制备方法 Download PDF

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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: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的制备方法
技术领域
[0001] 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的制备方法。 背景技术
[0002] 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
[0003] 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。
[0004] 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%, SiO. 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%。
[0005] 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。
[0006] 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:
[0007] (1)按照 Mg 9. 5%〜11.0%,Ti 0. 〜0.4%,RE(混合稀土)0· 〜0.3%, SiO. 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;
[0008] (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°C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
3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°C时加入预热到180〜220°C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°C加入预热到180〜220°C的铝稀土合金, 迅速搅拌至混合均勻,得到合金液;
[0009] (3)待炉温降至720〜730°C时将烘干(烘干后水分含量彡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°C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);
[0010] (4)铸件或铸锭在425〜435°C进行固溶处理,保温时间12〜20h,然后用冷却介质为50〜100°C的水或50〜100°C油冷却,然后进行M〜72小时的自然时效。
[0011] 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。
[0012] 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,其中镁含量彡99. 95wt% ;上述采用的铝稀土合金为AI-10RE,即稀土含量为IOwt %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)。
[0013] 本发明上述的以光卤石为主的熔剂,即MgCl240%〜60%,KCl 60%〜40%,杂质 (12. 5% (杂质包括 NaCl、CaCl2、不溶物、Mg0、H20)。
[0014] 本发明高强韧铸造铝合金的制备工艺,其步骤O)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;
[0015] 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。
[0016] 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%。
[0017] 本发明高强韧铸造铝合金的制备工艺,其步骤中所述的固溶处理,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°C水或温度50〜100°C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M〜72小时。
[0018] 本发明的优点和有益效果:
[0019] (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-IOMg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。
[0020] (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。
[0021 ] (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。
[0022] (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
^^ ο
具体实施方式
[0023] 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:
[0024] 实施例1 :
[0025] 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%, TiO. 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%。
[0026] 制备方法如下:
[0027] (1)原料配制铝块(铝彡99.7%),镁块(镁彡99.95%),K2TiF6(含量彡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% )。
[0028] 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。
[0029] 加入量计算公式:X = MXCx(\-E)
[0030] 式中:M为熔炼合金总质量;
[0031] A为合金中应含某种元素的百分数;
[0032] C为中间合金或合金锭中所含某种元素的质量百分数
[0033] E为某种元素的烧损量;
[0034] X为加入某种元素或中间合金的总质量。
[0035] 在本实例中,M = 1500g ;
[0036] A -MgV0= 11% ;Ti%= 0. 3% ;RE%= 0. 2% ;Si%= 0. 15% ;Al%= 88. 35% ;
[0037] C -MgV0 = 99. 95% ;Ti%= 19. 9% ;RE%= 10% ;Si%= 12% ;Al%= 99. 7% ;
[0038] E =Al :1.0% ;Mg :5%,其余元素忽略不计;
[0039]贝 她=1500x-—-= 173.78 g
Ms 99.95% χ (1-5%)
[0040] ZKTiF = 1500 X^^~ = 22.84 g
2 6 99% χ 19.9% 6
[0041] ^Al-R^1500x-y^ = 30g 5[0042]
Figure CN101914709BD00061
[0043]
[0044] 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: 30X0. 90 = 27g ;18. 75X0. 88 = 16. 5g,所以实际需加的纯铝质量为:1342. 66-27-16. 5 = 1299.16go
[0045] 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。
[0046] (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°C的纯铝和预热到2000C的铝硅中间合金;融化后通入75%空气+25% C02+0. 2% SF6(体积分数)混合保护气体;炉温升至690°C时加入预热到200°C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°C加入预热到200°C的铝稀土中间合金,迅速搅拌至混合均勻,得到合金液;
[0047] (3)待炉温降至720°C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 lOmin,完毕后,再静置5min,在720°C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);
[0048] (4)铸件或铸锭在430°C进行固溶处理,保温时间16h,再用冷却介质为100°C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。
[0049] 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。
[0050] 实施例2 :
[0051]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%。
[0052] 制备方法如下:
[0053] (1)配料计算方法与实例1相同。
[0054] (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°C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°C时加入预热到200°C左右的纯镁块,搅拌直至其完全熔化;730°C加入预热到200°C左右的铝稀土中间合金,迅速搅拌至混合均勻,得到合金液。
[0055] (3)待炉温降至730°C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°C 时扒渣、浇注到铸型型腔中得到铸件或铸锭。
[0056] (4)铸件或铸锭在435°C进行固溶处理,保温时间20h,再用冷却介质为100°C的沸
6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。
[0057] 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。
[0058] 实施例3 :
[0059]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%。
[0060] 制备方法如下:
[0061] (1)配料配料计算方法与实例1相同。。
[0062] (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°C时加入预热的纯镁块,边熔化边搅拌直至其完全熔化;740°C加入预热的铝稀土中间合金,迅速搅拌至混合均勻;
[0063] (3)待炉温降至730°C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lOmin, 然后静置9min,在710°C时扒渣、浇注到铸型中型腔中得到铸件或铸锭;
[0064] (4)铸件或铸锭在425°C进行固溶处理,保温时间12h,再用冷却介质为60°C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Mh。
[0065] 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%0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 (7)

1. 一种高强韧铸造铝合金的制备方法,该合金由以下质量百分比的组分组成: Mg9. 5%〜11. 0%, Ti 0. 〜0. 4%, RE 0. 〜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%,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°C的纯铝和铝硅中间合金;熔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;炉温升至670〜 690°C时加入预热到180°C〜220°C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°C加入预热到180〜220°C的铝稀土合金,迅速搅拌至混合均勻,得到合金液;(3)待炉温降至720〜730°C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°C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°C进行固溶处理,保温时间12〜20h,然后用冷却介质为 50〜100°C的水或50〜100°C油冷却,然后进行M〜72h的自然时效。
2.根据权利要求1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IOwt%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。
3.根据权利要求1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。
4.根据权利要求1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%。
5.根据权利要求4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%。
6.根据权利要求1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, 铸件或铸锭随炉升温,或温度到设定温度后再装炉;铸件或铸锭在温度50〜100°C水或温度50〜100°C油中冷却至与冷却介质同温后取出,放置在空气中自然时效M〜72小时。
7.根据权利要求1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。
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