CN102418009A

CN102418009A - 一种可消解高硬度化合物的铝合金及其熔炼方法

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Publication number: CN102418009A
Application number: CN2011104208715A
Authority: CN
Inventors: 车云; 张中可; 门三泉
Original assignee: Guizhou Huake Aluminium Material Engineering Technology Research Co Ltd
Current assignee: Guizhou Aluminum Materials Engineering Technology Research Center Co., Ltd.
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: CN102418009B

Abstract

本发明公开了一种可消解高硬度化合物的铝合金及其熔炼方法，先加热铝锭或熔融铝液使之完全熔化；加入Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn和Ti，使之完全溶解和熔化；精炼后在700～1000℃下保温，得到合金熔体；使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时LaH₃粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使LaH₃在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，进行铸造生产。本发明能够克服现有铝合金性能的不足，提高其强韧性、成形性和淬透性，为高效深加工提供高端基材。

Description

一种可消解高硬度化合物的铝合金及其熔炼方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金，还涉及其熔炼方法。

背景技术

据统计，世界上500多种变形铝合金材料中，常用于熔铸大型锭坯的铝合金还不到20个，其中最常用于熔铸大型锭坯和生产厚板的铝合金有5083、5026、6082、2017、2024、2219、7075、7050等，这些材料中，属于硬铝和超硬铝范畴的是2XXX系和7XXX系，其厚板多用于航空航天工业，但其熔铸大型锭坯的性能很差，扁锭和圆棒成形率很低；5XXX系、6XXX系合金熔铸性能较好，但强度低；其它如1XXX系、3XXX系铝合金则属于软铝范畴。

深加工用的铝合金往往需要首先铸造成大型的锭坯，如扁锭、圆棒等，再通过轧制、挤压、锻造等手段，加工成各种成品，这些过程基本上都要和热处理相结合，如果到可以直接使用的最终产品，则还要经过分割、表面加工、钝化处理等作业。这些加工手段，需要铝合金材料本身具备良好的深加工性能，包括铸造性能、压力加工变形性能、热处理强化性能、抗腐蚀性能、抗疲劳破坏性能、表面加工和涂覆性能等。其中，熔铸性能是铝合金深加工性能的基础。大型锭坯，尤其是厚度500mm以上的扁锭、厚板和直径500mm以上的圆棒，是大型高效深加工的代表性基材，而能否预制成大型锭坯，也是考验铝合金材料本身是否适合进行深加工的第一道技术关口。

Al-Si-Cu系铝合金中由于成分和浇注工艺不当，容易形成高硬度化合物。例如ZAlSi12Cu2Mg1铝合金，当含硅量小于12％(质量分数)，Mn+Fe的含量高于0.8％(质量分数)时，即容易生成Al12Si(FeMn)3化合物，其硬度较高，机械加工时刀具磨损严重，加工后的表面肉眼可见鼓起的白亮色硬质点，显微观察硬质点呈骨骼状或不规则颗粒状，经能谱成分测定结果，其成分组成为Al-Si-Mn-Fe，其形态极易与合金中初晶硅相混淆。有硬质点化合物的零件，不仅加工性差，而且严重影响加工表面的粗糙度和阳极化膜的质量。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高强度铝合金，能够克服现有铝合金性能的不足，降低加工表面的粗糙度，提高阳极化膜的质量，为高效深加工提供高端基材。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高强度铝合金，以质量百分比计，包括0.2～0.6％的Si，小于等于0.35％的Fe，小于等于0.1％的Cu，小于等于0.1％的Mn，小于等于0.1％的Cr，0.45～0.9％的Mg，小于等于0.1％的Zn，小于等于0.1％的Ti，0.9～1.5％的La，余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0.05％，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0.15％。

本发明还提供所述高强度铝合金的制备方法，以复合处理方式加入LaH₃，包括以下步骤：

步骤一：按照所述高强度铝合金的组分备料，包括占总产品质量百分比0.2～0.6％的Si，小于等于0.35％的Fe，小于等于0.1％的Cu，小于等于0.1％的Mn，小于等于0.1％的Cr，0.45～0.9％的Mg，小于等于0.1％的Zn，小于等于0.1％的Ti；

步骤二：先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全熔化，按配方比例先加入步骤一的备料，使之完全溶解和熔化，精炼后在700～1000℃下保温，得到合金熔体；熔化过程在封闭环境内完成；

步骤三：使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比0.92～1.53％的LaH3粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使LaH₃在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，沿以下两种流程分别进行不同制品的铸造生产。

流程一：沿流槽倾倒出炉，至立式水冷铸造机系统，铸造加工用锭坯，特别是铸造厚度500mm以上的大型扁锭和直径500mm以上的圆棒。

流程二：转注入铸件的铸模中，使用金属型、砂型或混合型铸方式，采用重力铸造、压力铸造或差压铸造工艺，铸造铝合金铸件，特别是铸造大型、薄壁或复杂结构的铝合金铸件。

本发明的有益效果是：

在合金中Fe和Si容易形成两种Al-Fe-Si相，即α相和β相。α相中Si含量较低而β相中Si含量较高，且前者具有明显的汉字外形，后者则呈长针状和盘片状。由于合金中Mg的存在，Si优先与Mg生成Mg₂Si相，剩下的Si与Fe形成汉字状α相(Al₁₂Fe₃Si)，是一种粗大组织，在合金中是有害的，但这种粗大组织可以被基体中存在的少量过渡元素如Mn、Ni、Cu、Cr、V、Mo、W等所细化。本发明配方中的Cu、Mn就起到了这种细化效果。

但是，即使经过这种配方优化处理和提高合金性能的热处理，合金还是存在很多缺陷：强度不够高，不能铸造大规格型锭等。本发明通过加入LaH₃解决了这些缺陷，其技术原理如下：

原子态的La金属原子半径与铝的差异超过5％，这样会造成晶格强烈的畸变，形成较大的畸变能，当元素在铝熔体中的饱和溶解度大，而室温下的固溶度小时，体系凝固产生的晶格畸变能也大，相当于体系在高温状态下的部分热焓以晶格畸变能的形式贮存于结构中；当晶格畸变能在微观结构中均匀分布时，整个材料的宏观性能得到提高：如强度、延展性、抗应力腐蚀能力等。反之，当晶格畸变能分布不均匀，特别是集中于晶界时，强化相之间产生强大的应力势能，晶界特征代表了整个材料的特征，材料就显示出硬脆性和易腐蚀性，在铸造时有大的开裂倾向，晶粒粗大，在固溶淬火时既容易开裂，又降低淬透性。

产生强大的晶格畸变能并使之在微观结构中分布均匀，是设计材料优异性能、特别是力学性能的根本法则。在本发明中，Cu和Mg是与Al原子半径差别大、同时又是液态易溶、固态难溶的两种元素，它们形成的Al固溶体和一系列强化相，使材料具备了大的晶格畸变能，但并不能保证在液→固转变时可以达到畸变能在微观结构状态下的均匀分布，所以造成了材料缺陷。

利用高熔点元素在冷却过程中首先析出成为领先相，同时又不易长大的特点，使之带领周围熔体结晶析出，可以达到晶粒细化、畸变能在微观结构下的均匀分布。

但处于单质状态的高熔点元素，在1000℃以下的铝熔融体系中是极难溶解的；与一般活泼非金属如O、F、Cl等反应生成的化合物，可以作为变质剂加入铝熔体，在与Al反应生成极稳定Al₂O₃、AlF₃、AlCl₃的同时释放出原子态高熔点金属原子，但由于O、F、Cl元素很强的电负性和很大的离子半径，在熔体中既容易形成团簇状难分解的复合型化合物，与基体没有融合性，会恶化合金性能。

本发明通过比较选择，以分解后的LaH₃产生的原子态La金属，没有了单质状态下金属原子间以d/f/s电子紧密结合产生的强大金属键能和同类原子间紧密堆积产生的晶格能形成的势垒，以“裸态”与周围大量的基体原子融合，形成共溶体和金属化合物，并成为结晶时的领先相和细晶化相，同时也是高温强化相。

因此，LaH₃流态化加入熔体中产生高温下的分解和形成的弥散状态，解决了高熔点金属在铝液中溶解难、均匀分布难的问题，实现了晶格畸变能的微观均匀化分布和晶粒的细化。

下面结合实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

实施例1：

一种高强度铝合金，以质量百分比计，包括0.2％的Si，0.35％的Fe，0.1％的Cu，0.1％的Mn，0.1％的Cr，0.45％的Mg，0.1％的Zn，0.1％的Ti，0.9％的La，余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0.05％，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0.15％。

步骤三：使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比0.92％的LaH₃粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使LaH₃在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，沿以下两种流程分别进行不同制品的铸造生产。

实施例2：

一种高强度铝合金，以质量百分比计，包括0.4％的Si，0.3％的Fe，0.08％的Cu，0.08％的Mn，0.06％的Cr，0.7％的Mg，0.07％的Zn，0.05％的Ti，1.2％的La，余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0.05％，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0.15％。

步骤一：按照所述高强度铝合金的组分备料，包括占总产品质量百分比0.4％的Si，0.3％的Fe，0.08％的Cu，0.08％的Mn，0.06％的Cr，0.7％的Mg，0.07％的Zn，0.05％的Ti；

步骤三：使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比1.22％的LaH₃粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使LaH₃在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，沿以下两种流程分别进行不同制品的铸造生产。

实施例3：

一种高强度铝合金，以质量百分比计，包括0.6％的Si，0.25％的Fe，0.06％的Cu，0.09％的Mn，0.03％的Cr，0.9％的Mg，0.09％的Zn，0.05％的Ti，1.5％的La，余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0.05％，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0.15％。

步骤一：按照所述高强度铝合金的组分备料，包括占总产品质量百分比0.6％的Si，0.25％的Fe，0.06％的Cu，0.09％的Mn，0.03％的Cr，0.9％的Mg，0.09％的Zn，0.05％的Ti；

步骤三：使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比1.53％的LaH₃粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使LaH₃在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，沿以下两种流程分别进行不同制品的铸造生产。

Claims

1.一种可消解高硬度化合物的铝合金，其特征在于：以质量百分比计，包括0.2～0.6％的Si，小于等于0.35％的Fe，小于等于0.1％的Cu，小于等于0.1％的Mn，小于等于0.1％的Cr，0.45～0.9％的Mg，小于等于0.1％的Zn，小于等于0.1％的Ti，0.9～1.5％的La，余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0.05％，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0.15％。

2.一种权利要求1所述可消解高硬度化合物的铝合金的熔炼方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤三：使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比0.92～1.53％的LaH₃粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使LaH₃在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉。