CN102634702B

CN102634702B - 一种掺杂Mg2C3的高强度铝合金及其制备方法

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Publication number: CN102634702B
Application number: CN201110421210.4A
Authority: CN
Inventors: 车云; 门三泉; 张中可
Original assignee: Guizhou Huake Aluminium Material Engineering Technology Research Co Ltd
Current assignee: Guizhou Huake Aluminium Material Engineering Technology Research Co Ltd
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2031-12-15

Abstract

本发明公开了一种掺杂Mg₂C₃的高强度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、Mg、Cr、Zn、Ti、Mn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Mg₂C₃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Mg₂C₃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

一种掺杂Mg2C3的高强度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

镁是变形铝合金中使用最广泛、最有效的合金元素之一，其作用主要是通过固溶强化和与其他元素形成一系列可溶解的金属化合物强化相来提高合金的强度。但Mg同时又是活泼金属，以金属锭块形态加入铝合金熔体时烧损很大，生成的氧化镁在合金中成渣，严重影响合金性能。

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。

由于合金成分或化合物中密度大的成分会沉淀于铸件下部，密度小的成分上浮于上部。例如为了细化晶粒而添加Ti、Zr等难熔金属与Al形成高熔点的片状化合物Al₃Ti和Al₃Zr会较早的从合金液中结晶出来，当长成较大时就容易下沉产生局部规程的密度偏析，偏析较严重时可在铸件断口上看到表面平整的白亮灰的化合物，过共晶的Al-Si铝合金中粗大的初生硅由于密度较小也容易形成偏析。

另外当这种合金液在浇注前由于搅拌不均匀而引起共晶偏析，在共晶硅集中处，硬度高脆性大，加工刀具磨损大；共晶硅少的部位形成α(Al)固溶体软点，强度低，加工时不仅粘刀，恶化加工性能，在切削力的作用下会使α(Al)固溶体变形导致加工面出现白斑。当ZL108(ZAlSi12Cu2Mg1)铝合金中含镁量小于0.6％(质量分数)时，加工表面也容易出现白斑。

再有Al-Si-Cu铝合金中Cu元素的偏析引起局部区域出现粗大的Al₂Cu相并沿晶呈网状分布，就算采用热处理不能将其完全溶解于α(Al)固溶体而保留于晶间，从而使得该种合金脆性增加。

同时，在采用这种铝合金进行铸造时，铸造完成的铸件中常出现各种夹杂，主要有氧化物夹杂、造型材料和熔剂夹渣等。其中，以铝氧化物夹杂最为普遍。尤其在含Mg的铝合金中，多数夹杂为氧化铝和氧化镁的混合物，所以在铝合金熔炼过程中，氧化物夹杂的含量是反映铝液冶金质量的重要标质之一。

由此可见：目前的铝合金材料除了熔铸大型锭坯时的成形性能较差外，大型锭坯在热处理过程的淬透性不高、耐回火性较差和不能满足更高的力学性能要求或某些特殊性能(如耐热、耐蚀)等，也是重大缺陷。这些缺陷使其在工程技术领域替代钢制品等重强材料和结构的进程中形成了难以跨越的技术断点。

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0.2～0.6％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，小于等于0.1％的Zn，小于等于0.1％的Ti，0.8～1.8％的Mg，0.6～1.35％的C，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Mg₂C₃，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，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1.4～3.15％的Mg₂C₃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Mg₂C₃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1.4～3.15％的Mg₂C₃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。

在本合金未经加入上述Mg和C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)；

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1.4～3.15％的Mg₂C₃粉末，分解后的碳化物产生的原子态Mg金属，没有了单质状态下金属原子间以价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0.2％的Si，0.35％的Fe，0.1％的Cu，0.1％的Mn，0.1％的Cr，0.1％的Zn，0.1％的Ti，0.8％的Mg，0.6％的C，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0.2～0.6％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1.4％的Mg₂C₃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Mg₂C₃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，0.07％的Zn，0.05％的Ti，1.3％的Mg，0.97％的C，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2.27％的Mg₂C₃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Mg₂C₃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，0.09％的Zn，0.05％的Ti，1.8％的Mg，1.35％的C，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3.15％的Mg₂C₃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Mg₂C₃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

1.一种掺杂Mg₂C₃的高强度铝合金的制备方法，其中所述掺杂Mg₂C₃的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，小于等于0.1％的Zn，小于等于0.1％的Ti，0.8～1.8％的Mg，0.6～1.35％的C，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％；该方法其特征在于包括下述步骤：

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，使之完全熔解和熔化，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1.4～3.15％的Mg₂C₃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Mg₂C₃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：所述的铸造是将合金液沿流槽倾倒出炉，至立式水冷铸造机系统，铸造加工用锭坯，铸造厚度500㎜以上的大型扁锭和直径500㎜以上的圆棒；

流程二：所述的铸造是将合金液转注入铸件的铸模中，使用金属型、砂型或混合型铸造方式，采用重力铸造、压力铸造或差压铸造工艺，铸造铝合金铸件。