CN103060640B

CN103060640B - 一种卤合物处理的高强度铝合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103060640B
Application number: CN201110324368.XA
Authority: CN
Inventors: 张中可; 车云; 门三泉
Original assignee: Guizhou Huake Aluminium Material Engineering Technology Research Co Ltd
Current assignee: Guizhou Huake Aluminium Material Engineering Technology Research Co Ltd
Priority date: 2011-10-23
Filing date: 2011-10-23
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2031-10-23
Also published as: CN103060640A

Abstract

本发明公开了一种卤合物处理的高强度铝合金材料及其制备方法，该合金成分为Cu:3.8～4.5%，Mn:0.3～0.9%，Mg:1.2～1.8%，Cr:≤0.05%，Ni:≤0.05%，Zn:≤0.1%，Ti:≤0.15%，其余为Al和不可避免的微量杂质；卤合物变质剂[MX_m]Y_n为炉料总质量的0.05～2.5%，本发明用卤合物处理铝合金材料具有强度大、性能好的特点。

Description

一种卤合物处理的高强度铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金材料领域，涉及一种卤合物处理的高强度铝合金材料及其制备方法。

背景技术

铝合金是一种较年轻的金属材料，在20世纪初才开始工业应用。第二次世界大战期间，铝材主要用于制造军用飞机。战后，由于军事工业对铝材的需求量骤减，铝工业界便着手开发民用铝合金，使其应用范围由航空工业扩展到建筑业、容器包装业、交通运输业、电力和电子工业、机械制造业和石油化工等国民经济各部门，应用到人们的日常生活当中。现在，铝材的用量之多，范围之广，仅次于钢铁，成为第二大金属材料。

从制造业和铝合金制品的角度，习惯上把高强度铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类；从制品可用的温度条件划分，高强度铝合金又分为普通铝合金和高温(或耐热)铝合金。到目前为止，能够满足高温高强需要的，只有Al-Cu系铝合金，从牌号系列上讲，Al-Cu系合金包括铸造铝合金和变形铝合金，而不论铸造还是变形，都属于2系铝合金；而能够同时满足铸造性能好又容易进行变形加工的高温高强度铝合金，还没有见公开报道过。

一般铸造铝合金包括AlSi系、AlCu系、AlMg系和AlZn系4个系列，其中以AlCu系和AlZn系铝合金的强度最高，但多数在200Mpa～300Mpa之间，高于400Mpa的只有AlCu系的少数几个牌号，但因采用精铝基体且加入贵重元素，制造成本很高；AlZn系铸造合金的耐热性能很差。因此，一般铸造铝合金与变形铝合金相比因强韧性稍逊使其应用范围受到较大的限制。许多重要用途如特种重载车负重轮、航空用铝合金等多采用变形铝合金，而不是铸造铝合金。变形铝合金通过挤压、轧制、锻造等手段减少了缺陷，细化了晶粒，提高了致密度，因而具有很高的强度、优良的韧性以及良好的使用性能。但是，对设备和工装模具要求高，工序多，因此变形铝合金生产周期长、成本很高。与变形铝合金相比，铸造铝合金具有价格低廉、组织各向同性、可以获得特殊的组织、易于生产形状复杂的零件、可以小批量生产也可以大批量生产等诸多优点。因此，开发出能够替代部分变形铝合金的高强韧铸造铝合金材料及其铸造成形工艺，可以达到以铸代锻、缩短制造周期、降低制造成本的目的，具有重要的理论意义和重大的实际应用价值。

发明内容

本发明的要解决的技术问题是：针对目前铝合金变质剂和变质机理存在的缺陷，导致铝合金强度不够，无法满足市场的需求，本发明以一种卤合物处理的铝合金，细化变质提高铝合金的强度。

本发明的一种卤合物处理的高强度铝合金材料，该合金成分为Cu：3.8～4.5％，Mn：0.3～0.9％，Mg：1.2～1.8％，Cr：≤0.05％，Ni：≤0.05％，Zn：≤0.1％，Ti：≤0.15％，其余为Al和不可避免的微量杂质；卤合物变质剂[MX_m]Y_n为炉料总质量的0.05～2.5％。

本发明所述的一种卤合物处理的高强度铝合金材料：上述铝合金组成中：Si：≤0.5％，Fe：≤0.5％。

本发明所述的所述的一种卤合物处理的高强度铝合金材料，卤合物变质剂[MX_m]Y_n中M为Fe、Cu、Co、Cr、Mo、Mn、Ni、Ti或RE，X为Cl或F，Y为K、Na或H，卤合物变质剂[MX_m]Y_n为以上化合物中的一种以上。

本发明所述的一种卤合物处理的高强度铝合金材料，卤合物变质剂[MX_m]Y_n的分子晶体聚集态颗粒度为20～325目。

本发明所述的一种卤合物处理的高强度铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：在上述元素比例范围内，选定一组元素和卤合物变质剂[MX_m]Y_n比例，再根据需要配制的合金总量，推算出所需的每种单质金属的质量，编制合金生产配料表，并按配料表选足备料；

步骤二：往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化并在700～800℃下保温；熔化过程在封闭环境内完成；

步骤三：再按配方比例先加入步骤一选定的合金元素，使之完全溶解和熔化，把混合熔体搅拌均匀；

步骤四：然后对上述合金熔体进行炉内精炼；往合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，熔体精炼在封闭环境中操作；

步骤五：精炼除渣后，以保护性气体对熔体进行除气作业，同时使卤合物变质剂[MX_m]Y_n以流态化方式随保护性气体加入到合金熔体中；同时进行搅拌，使变质剂与合金熔体充分反应；变质剂加入完毕，继续通入保护性气体至变质剂反应完毕。

步骤六：静置、调温至700～800℃，合金液倾倒出炉，进入下一工序。

本发明所述的一种卤合物处理的高强度铝合金材料的制备方法，在步骤五中，保护性气体是指氮气、氩气或氮气与氩气的混合气体。

本发明达到的有益效果：

在融铝的温度下，以保护性气体流态方式加入卤合物变质剂，具有以下优点：

(1)起到细化变质的作用，过渡金属在原子状态下，金属其本身的电负性，相对离子势大，并且在原子状态下比表面积及其大，能催化各种反应的进行或打断金属化合物之间的结合键能，起到细化晶格的作用；在配合物以保护性气体的加入，在铝基的表面由于保护性气体的温度低的保护下，进入铝基中，迅速分解出原子态金属，起到搅拌作用，在其分解能量释放过程中，迅速扩散，均匀分布在铝基的每个角落，在铝基冷却时，起到结晶晶核的作用，细化作用明显；

(2)除氢，在卤合物高温分解，分解出的原子状金属，易于填充在晶格空隙或各个晶格内，使含在金属中H的位置挤出，使含氢量减少，可以减少铝合金的各种铸造缺陷；卤合物在高温分解出的卤素会与金属的H结合生成卤化氢气体，在保护性气体的搅拌或卤化物分解的搅拌作用下，溢出铝基体外，使氢含量减少；

(3)用卤合物作为变质剂加入，可以使变质和净化一体化，当卤合物量大时，还可以完全取代中间合金的加入，因为加入中间合金，这一过程产生了两个于节能不利的环节：①含有高浓度变质元素的中间合金的熔铸环节，往往需要很高的温度(＞1000℃，如Al-Ti-B、Al-RE、Al-Si、Al-Sc、Al-V、Al-Cr、Al-Mn、Al-Co、Al-Ni、Al-W、Al-Zr等)；②铝合金熔炼时加入中间合金，“溶解”并“稀释”变质元素，再铸造，对铝合金生产来说，上述过程相当于多了一个“熔炼—铸造”环节，而中间合金中大量的铝只起到储存变质元素的作用，其所消耗的能量完全是无效的，用卤合物的方式加入，使整个工艺流程大大缩短，能耗大大减少，是工艺上的重大创新。

(4)用卤合物物方式加入，可以精确控制加入金属的量，因为卤合物分解产生金属的量是一定，而以中间合金方式加入，合金中的金属元素的含量不是定值，所以很难精确加入，对合金的质量的稳定性有影响。

变质机理如下：

[MXm]Yn+e(高温)→M(原子态)+mX(原子态)+nY(原子态)

M+Al(液)→α(Al)共溶体→饱和共溶体→冷却→过饱和固溶体

M+Al(饱和共溶体)→M-Al(金属间化合物)

X(原子态)+H(铝熔体)→HX(气体)

具体实施方式：

步骤一：按下表选定每元素和物质配方，并按配制的合金总量1000kg，推算出所需的每种物质的重量。

步骤二：先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化并在700～800℃下保温；熔化过程在封闭环境内完成；

步骤五：精炼除渣后，以保护性气体氮气对熔体进行除气作业，同时使卤合物[MX_m]Y_n变质剂(30目)以流态化方式随保护性气体氮气加入到合金熔体中；同时进行搅拌，使变质剂与合金熔体充分反应；变质剂加入完毕，继续通入保护性气体至变质剂反应完毕。

注：除步骤一中使用的物质、各物质的比例及实际配入的重量不同外，各实施例的其余步骤均完全一样。

Claims

1.一种卤合物处理的高强度铝合金材料，其特征在于：以质量分数计，该合金成分为Cu:3.8～4.5%，Mn:0.3～0.9%，Mg:1.2～1.8%，Cr:≤0.05%，Ni:≤0.05%，Zn:≤0.1%，Ti:≤0.15%，卤合物变质剂[MX_m]Y_n为炉料总质量的0.05～2.5%，其余为Al和不可避免的微量杂质；卤合物变质剂[MX_m]Y_n中M为Fe、Cu、Co、Cr、Mo、Mn、Ni、Ti或RE，X为Cl或F，Y为K、Na或H，卤合物变质剂[MX_m]Y_n为以上化合物中的一种以上。

2.根据权利要求1所述的一种卤合物处理的高强度铝合金材料，其特征在于：卤合物变质剂[MX_m]Y_n的分子晶体聚集态颗粒度为20～100目。

3.一种如权利要求1～2之一所述的一种卤合物处理的高强度铝合金材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤五：精炼除渣后，以保护性气体对熔体进行除气作业，同时使卤合物变质剂[MX_m]Y_n以流态化方式随保护性气体加入到合金熔体中；同时进行搅拌，使变质剂与合金熔体充分反应；变质剂加入完毕，继续通入保护性气体至变质剂反应完毕；

4.根据权利要求3所述的一种卤合物处理的高强度铝合金材料的制备方法，其特征在于：在步骤五中，保护性气体是指氮气、氩气或氮气与氩气的混合气体。