CN103131921A

CN103131921A - 一种碳化镍处理的高强度铝合金及其制备方法

Info

Publication number: CN103131921A
Application number: CN2011103981227A
Authority: CN
Inventors: 门三泉; 张中可; 车云; 朱绍严
Original assignee: Guizhou Huake Aluminium Material Engineering Technology Research Co Ltd
Current assignee: Guizhou Huake Aluminium Material Engineering Technology Research Co Ltd
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-12-05
Also published as: CN103131921B

Abstract

本发明公开了一种碳化镍处理的高强度铝合金及其制备方法，按重量百分比计，该合金成分为Cu:3.0～3.2%，Mn:≤0.1%，Mg:0.45～0.5%，Cr:≤0.01%，Zn:1.0～1.5%，Ti:≤0.1%，Si：≤0.5%，Fe：≤0.5%，变质剂NiC₃为炉料总质量的0.05～0.1%，其余为Al和不可避免的微量杂质，本发明的铝合金具有高强度、铸造性能好的特点。

Description

一种碳化镍处理的高强度铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料及其高质化处理方法，特别涉及一种碳化镍处理的高强度铝合金及其制备方法。

背景技术

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。

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。

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

[0005] 本发明所要解决的技术问题是，针对目前铝合金在熔铸过程存在的成形性问题和热处理过程存在的淬透性不高等问题，以复合处理方式加入碳化镍，使之在熔体中部分溶解，提供原子态合金元素Ni和C元素，生成多种原子态的变质元素，在原子态和快速均匀分布手段的支持下，达到克服铝合金性能的不足，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。

本发明的技术方案是，一种碳化镍处理的高强度铝合金，按重量百分比计，该合金成分为Cu:3.0～3.2%，Mn:≤0.1%，Mg:0.45～0.5%，Cr:≤0.01%，Zn:1.0～1.5%，Ti:≤0.1%，Si：≤0.5%，Fe：≤0.5%，变质剂NiC-₃为炉料总质量的0.05～0.1%，其余为Al和不可避免的微量杂质。

一种碳化镍处理的高强度铝合金，变质剂NiC-₃为聚集态为10～50目。

一种碳化镍处理的高强度铝合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：在上述元素比例范围内，选定一组元素和变质剂NiC-₃，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：先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化，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，精炼后在700～1000℃下保温；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的混合气体，加少量氯气，对熔体进行除气净化作业，同时使变质剂NiC-₃以流态化方式随气体加入到合金熔体中；同时进行搅拌，使变质剂NiC-₃在合金熔体中分布均匀，并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反应完毕；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，进入下一个工序。

与现有技术相比，本发明具有如下主要优点：

NiC-₃在合金熔体中，高温分解出原子态的单质Ni和C，Ni在铝合金中形成Al₃Ni等金属间化合物，提高合金的高温强度和体积、尺寸稳定性，并有使Fe的化合物变成块状的倾向，即降低杂质Fe的有害作用。

粉末状NiC-₃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。

NiC-₃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NiC-₃发生溶解和离解反应，分解出原子态Ni元素和C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。反应过程如下：

NiC-₃+e(高温)→Ni(原子态)+3C(原子态)

Ni+Al(液)→α(Al)共溶体→饱和共溶体→冷却→过饱和固溶体

Ni+Al(饱和共溶体)→Al₃Ni +Al₃Ni₂+AlNi(β′) +AlNi₃(α′) +Al₃Ni₅ (金属间化合物)

C(原子态)+Al(液)→Al₄C₃(化合物)。

具体实施方式

实施例1

步骤一，按配方选定一组元素，按重量比计：该合金成分为Cu:3.0%， Mg:0.45%，Zn:1.25%，变质剂NiC-₃为炉料总质量的0.1%，其余为Al和不可避免的微量杂质，其中不可避免的微量杂质、Si和Fe都是由原料中带来的杂质，且Si：≤0.5%，Fe：≤0.5%；配制的合金总量为1000kg，则推算出所需的每种物质的重量为：Cu:300kg， Mg:4.5kg，Zn:12.5kg，变质剂NiC-₃：1kg，Al：982.0kg；

步骤三：使用氮气与氩气（V/V 1:1）的混合气体，加少量氯气(体积比：1%)，对熔体进行除气净化作业，同时使变质剂NiC-₃粉末（50目）以流态化方式随气体加入到合金熔体中；同时进行搅拌，使变质剂NiC-₃在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；变质剂加入完毕，继续通入混合气体至反应完毕；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，进入下一个工序。

实施例2

步骤一，按配方选定一组元素，按重量比计：该合金成分为Cu:3.1%，Mn:0.05%，Mg:0.475，Cr:0.005%，Zn:1.25%，Ti:0.05%，变质剂NiC-₃为炉料总质量的0.075%，其余为Al和不可避免的微量杂质，其中不可避免的微量杂质、Si和Fe都是由原料中带来的杂质，且Si：≤0.5%，Fe：≤0.5%；配制的合金总量为1000kg，则推算出所需的每种物质的重量为：Cu:31kg，Mn:0.5kg，Mg:4.75kg，Cr:0.05kg，Zn:12.5kg，Ti:0.5kg，变质剂NiC-₃：0.75kg，Al：950.0kg；；

步骤三：使用氮气与氩气（V/V 1:1）的混合气体，加少量氯气(体积比：1%)，对熔体进行除气净化作业，同时使变质剂NiC-₃粉末（30目）以流态化方式随气体加入到合金熔体中；同时进行搅拌，使变质剂NiC-₃在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；变质剂加入完毕，继续通入混合气体至反应完毕；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，进入下一个工序。

实施例3

步骤一，按配方选定一组元素，按重量比计：该合金成分为Cu:3.2%，Mn: 0.1%，Mg: 0.5%，Cr:0.01%，Zn:1.5%，Ti:0.1%，变质剂NiC-₃为炉料总质量的0.1%，其余为Al和不可避免的微量杂质，其中不可避免的微量杂质、Si和Fe都是由原料中带来的杂质，且Si：≤0.5%，Fe：≤0.5%；配制的合金总量为1000kg，则推算出所需的每种物质的重量为：Cu:32kg，Mn: 1kg，Mg: 5kg，Cr:0.1kg，Zn:15kg，Ti:1kg，NiC-₃:1kg，Al：944.9kg；

步骤三：使用氮气与氩气（V/V 1:1）的混合气体，加少量氯气(体积比：1%)，对熔体进行除气净化作业，同时使变质剂NiC-粉末（30目）以流态化方式随气体加入到合金熔体中；同时进行搅拌，使变质剂NiC-在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；变质剂加入完毕，继续通入混合气体至反应完毕；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，进入下一个工序。

Claims

1.一种碳化镍处理的高强度铝合金，其特征在于：按重量百分比计，该合金成分为Cu:3.0～3.2%，Mn:≤0.1%，Mg:0.45～0.5%，Cr:≤0.01%，Zn:1.0～1.5%，Ti:≤0.1%，Si：≤0.5%，Fe：≤0.5%，变质剂NiC??₃为炉料总质量的0.05～0.1%，其余为Al和不可避免的微量杂质。

2.根据权利要求1所述的一种碳化镍处理的高强度铝合金，其特征在于：变质剂NiC??₃为聚集态为10～50目。

3.根据权利要求2所述的一种碳化镍处理的高强度铝合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：在上述元素比例范围内，选定一组元素和变质剂NiC??₃，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；

步骤三：使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体的混合气体，加少量氯气，对熔体进行除气净化作业，同时使变质剂NiC??₃以流态化方式随气体加入到合金熔体中；同时进行搅拌，使变质剂NiC??₃在合金熔体中分布均匀，并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反应完毕；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，进入下一个工序。