CN102433475A

CN102433475A - 一种高强高硬铝合金及其制备方法

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Publication number: CN102433475A
Application number: CN2011104211972A
Authority: CN
Inventors: 张中可; 门三泉; 车云
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: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: CN102433475B

Abstract

本发明公开了一种高强高硬铝合金及其制备方法，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、Ti和C，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；同时将CoC₃和SrH₂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CoC₃和SrH₂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

一种高强高硬铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度铝合金，还涉及其制备方法。

背景技术

铸造铝合金中强化相和杂质相的大小和分布，对合金力学性能和强化效果有明显的影响。一般希望强化相呈细小分布均匀，通过热处理得到充分固溶和时效强化，而有害杂质则尽量减少和细化。粗大的脆性相存在是十分有害的。如铝合金中粗大的针片状相β(Al₉Si₂Fe₂)相，以及未变质的Al-Si-Cu系合金中的片状共晶硅等，在使用过程中应力作用发生变形时，容易使脆性相产生微裂纹。

粗大的沿晶强化相在热处理时未完全固溶而残留，也容易使零件在受力状态下产生开裂和脆断。如ZAlSi8Cu1Mg(ZL106)铝合金的金属型铸的阀体，在机械加工后的组装老路拧紧螺钉时发生零件开裂，其断口呈结晶状脆断形貌，未发现疏松和夹杂等铸造缺陷，但在显微组织中发现有沿晶分布和粗大Al₂Cu相，由于Al₂Cu相硬度较高(531HV)，脆性大，在阀体组装过程中受到螺钉拧紧扩张应力的作用，导致阀体的脆性开裂。所以，显微组织中存在粗大的或沿晶分布的脆性相是不允许的。

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，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。

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0.4～0.8％的Si，小于等于0.7％的Fe，0.15～0.4％的Cu，小于等于0.15％的Mn，0.04～0.35％的Cr，0.8～1.2％的Mg，小于等于0.25％的Zn，小于等于0.15％的Ti，0.9～1.5％的Co、0.55～0.92％的C，1.34～2.24％的Sr，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CoC₃和SrH₂，包括以下步骤：

步骤一：先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全熔化；

步骤二：加入占总产品质量百分比0.4～0.8％的Si，小于等于0.7％的Fe，0.15～0.4％的Cu，小于等于0.15％的Mn，0.04～0.35％的Cr，0.8～1.2％的Mg，小于等于0.25％的Zn，小于等于0.15％的Ti，使之完全溶解和熔化；

步骤三：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；

步骤四：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1.45～2.42％的CoC₃、1.37～2.29％的SrH₂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CoC₃和SrH₂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：

本发明在变形铝合金中加入1.45～2.42％的CoC₃、1.37～2.29％的SrH₂粉末，可以在合金凝固过程中有效增加异质形核核心，从而达到晶粒细化的效果，增强合金强度；并且加入的元素可以促进形成间隙原子和间隙相，高温时在α(Al)固溶体中溶解度大，而在室温时很小，从而使合金具有较高的可热处理性质，热处理后，其强度和硬度都有很大程度的提高。

CoC₃和SrH₂在以流态化形式随保护性气体加入铝合金熔体过程中，具有比一般块状物质大得多的比表面积，能够实现快速的分散并与熔体充分接触，显著缩短了分散和均匀的时间。

CoC₃和SrH₂在高温铝熔体中，由于铝本身在常温下就是导电性极好的金属，在700℃以上的高温环境中，其熔融状态是一种高密度自由电子与铝离子的混合体，具有极高的活性，能够还原一部分电负性高于它的碳化物和氮化物，即使碳氮化物发生溶解和离解反应，分解出原子态C元素和N元素，同时也释放出本身分散的原子态高熔点金属元素；这些分解出来的元素进一步与铝反应，生成各种强化相型物质和变质剂型物质；这些原子态物质立刻与铝基体发生反应，首先溶入基体形成共溶体，当达到饱和后又进一步与铝生成多种金属间化合物，以及碳化铝和氮化铝。在本合金未经加入上述的Co、C、Sr元素之前，熔体中除形成各种元素的共溶体之外，还含有下列一些金属间形成的化合物相：

Mg₂Si相、N相(Al₇Cu₂Fe)、α相(Al₁₂Fe₃Si)、S相(Al₂CuMg)；

这些金属化合物在熔体冷却时，由于体系最低自由能原理，在形成的晶粒中不能稳定存在，将在晶格畸变能差的驱动下向晶界移动和集中，同时，由于合金元素在铝基体中的饱和溶解度随着温度下降而显著降低，所以随着熔体的冷却，过饱和的熔体不断地析出富含合金元素的金属间化合物，这些化合物在晶间富集，彼此间不易融合，在微观结构中成为粗大的晶间化合物群，对合金产生脆硬化影响，恶化合金铸造成形性能，降低其均匀性、韧性、耐蚀性和淬透性能。所以，当合金凝固成为过饱和固溶体基体+晶间金属化合物的基本结构时，通常称为纯铸态组织，具有这种组织的合金必须经过“固溶+时效”的热处理之后才能具有满足需要的力学性能和其它技术指标。

虽然，经过配方优化处理和提高合金性能的热处理能够得到改善，但是合金本身仍然还是存在很多缺陷：强度不够高，不能铸造大规格型锭等。

本发明通过比较选择，开发了过渡族元素的碳化物处理熔体的方式，通过加入1.45～2.42％的CoC₃、1.37～2.29％的SrH₂粉末，分解后的碳化物产生的原子态Co和Sr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，碳化物以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。

由于C与Al反应生成的Al₄C₃是一种复杂结构的离子晶体，熔点达2100℃；在实际结构中金属原子可以是4、5、6配位，Al-C键长在

之间，最短的C-C键为；X射线研究则显示结构中有单个碳原子以离散的碳负离子C^4-形式存在；碳化铝颗粒能降低材料蠕变的趋势，提高基体材料硬度；具有强烈吸H作用，可以有效除去熔体中的存在的原子H。

另外加入到熔体中的碳化物分解的程度，随着碳化物本身的稳定性和熔体温度的不同而变化，即反应具有一定的可逆性，是一种动态的平衡。大多数过渡元素在铝熔体中的饱和溶解度较小，而且，除铬、钛、钒、锆的最大固溶度发生在包晶温度外，其他元素的最大固溶度均发生在共晶温度；在室温下的溶解度，均小于0.1％wt。

同时在熔炼过程中充入的氮气，有利于铝在800～1000℃的氮气氛中合成AlN。由于N与Al反应生成的AlN是原子晶体，属类金刚石氮化物，最高可稳定到2200℃；室温强度高，且强度随温度的升高下降较慢，能够有效提高合金的高温强度和抗腐蚀能力；导热性好，热膨胀系数小，可提高基体材料耐热冲击性能。因此，当N₂充入高温铝合金熔体时，本身就具有了与多种金属金发生反应的活性。所以适当调节熔体净化作业时的温度和保护性氮气的浓度，可调节熔体中AlN的含量，这进一步为调节熔体中过渡金属元素的含量提供了方法。

可见：由于在本发明中使用流态化碳化物处理的手段，把强化基体和细化晶粒的多种效果集成在一起，取代中间合金，使铝合金制造企业不再受制于中间合金生产商，有利于创建“近成型、短流程、集约化”的绿色生产线，节能降耗，降低综合成本；同时，在热处理过程中，由于形成了优异的材料微观结构，锭坯的残余应力较小，因此可以显著提高热处理效能，提高锭坯的淬透性，在与同类合金比较时，能够以“铸造+热处理方式”生产更厚的坯料(厚度500mm以上的板材和直径500mm以上的棒材)，在系列规格(厚度15～200mm)的中厚板制造技术上实现“以铸代轧”。

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0.4％的Si，0.7％的Fe，0.15％的Cu，0.15％的Mn，0.04％的Cr，0.8％的Mg，0.25％的Zn，0.15％的Ti，0.9％的Co、0.55％的C，1.34％的Sr，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：先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全熔化，

步骤二：按照所述高强度铝合金的组分备料，加入包括占总产品质量百分比0.4％的Si，0.7％的Fe，0.15％的Cu，0.15％的Mn，0.04％的Cr，0.8％的Mg，0.25％的Zn，0.15％的Ti，使之完全溶解和熔化，

步骤四：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1.45％的CoC₃、1.37％的SrH₂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CoC₃和SrH₂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0.6％的Si，0.5％的Fe，0.25％的Cu，0.1％的Mn，0.15％的Cr，1.0％的Mg，0.2％的Zn，0.1％的Ti，1.2％的Co、0.74％的C，1.79％的Sr，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％。

步骤二：按照所述高强度铝合金的组分备料，加入包括占总产品质量百分比0.6％的Si，0.5％的Fe，0.25％的Cu，0.1％的Mn，0.15％的Cr，1.0％的Mg，0.2％的Zn，0.1％的Ti，使之完全溶解和熔化，

步骤四：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1.89％的CoC₃、1.83％的SrH₂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CoC₃和SrH₂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0.8％的Si，0.5％的Fe，0.4％的Cu，0.09％的Mn，0.35％的Cr，1.2％的Mg，0.1％的Zn，0.06％的Ti，1.5％的Co、0.92％的C，2.24％的Sr，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％。

步骤二：按照所述高强度铝合金的组分备料，加入包括占总产品质量百分比0.8％的Si，0.5％的Fe，0.4％的Cu，0.09％的Mn，0.35％的Cr，1.2％的Mg，0.1％的Zn，0.06％的Ti，使之完全溶解和熔化，

步骤四：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2.42％的CoC₃、2.29％的SrH₂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CoC₃和SrH₂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

1.一种高强高硬铝合金，其特征在于：以质量百分比计，包括0.4～0.8％的Si，小于等于0.7％的Fe，0.15～0.4％的Cu，小于等于0.15％的Mn，0.04～0.35％的Cr，0.8～1.2％的Mg，小于等于0.25％的Zn，小于等于0.15％的Ti，0.9～1.5％的Co、0.55～0.92％的C，1.34～2.24％的Sr，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所述高强高硬铝合金的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤二：加入占总产品质量百分比0.4～0.8％的Si，小于等于0.7％的Fe，

0.15～0.4％的Cu，小于等于0.15％的Mn，0.04～0.35％的Cr，0.8～1.2％的Mg，小于等于0.25％的Zn，小于等于0.15％的Ti，使之完全溶解和熔化；

步骤四：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1.45～2.42％的CoC₃、1.37～2.29％的SrH₂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CoC₃和SrH₂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。