CN103556011A

CN103556011A - 一种消失模铸造铝合金材料及其制备方法

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Publication number: CN103556011A
Application number: CN201310591143.XA
Authority: CN
Inventors: 张志东; 刘子利; 吴伟; 张少运; 刘希琴; 彭玉兰; 王守仁; 马卫东; 何等举
Original assignee: Shandong Linyi Lingong Automobile Bridge Box Co Ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Shandong Linyi Lingong Automobile Bridge Box Co Ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2033-11-22
Also published as: CN103556011B

Abstract

本发明公开了一种消失模铸造铝合金材料及其制备方法，该材料的化学成分重量百分比组成为：Si：10.0-11.0％，Cu：0.6-1.0％，Mg：0.3-0.5％，Mn：0.1-0.5％，Ti：0.1-0.2％，Zr：0.05-0.1％，Sr：0.02-0.05％，RE：0.02-0.05%，其余为Al和不可避免的限制杂质。本发明具有以下特点：消除了合金粗大组织引起的力学性能的降低，提高合金的力学性能；通过提高合金中硅含量和强化元素Cu、Mg的含量，缩小合金的结晶温度范围，提高了铝合金消失模铸造的充型能力；制备工艺满足工业化放大生产要求，并且能保障前述的两点技术效果的全面体现。

Description

一种消失模铸造铝合金材料及其制备方法

技术领域

　　本发明涉及轻金属材料领域，具体地说是一种消失模铸造铝合金材料及其制备方法。

背景技术

消失模铸造（Lost Foam Casting, 简称LFC）是美国人Shroyer H F于1956年首先试验成功、并在1958年以专利形式公布于世。消失模铸造的基本原理是采用与所需铸件形状完全相同的泡沫塑料模代替铸模进行造型，泡沫模样不取出呈实体铸型，浇入金属液使其汽化形成铸件。1960s年代初，美国人Smith T R发明了无粘接剂的干砂消失模铸造；1969年日本秋田株氏会社和长野县工业试验所发明真空密封造型法，其负压干砂紧实技术被迅速引入到消失模铸造中。与传统的砂型铸造相比，消失模铸造取消了混砂、制芯工序，省去了传统造型工序中分箱、起模、修型、组芯与下芯、合箱等操作，大大简化了落砂、铸件清理及砂处理工序，因而缩短了生产周期；同时负压下铸型刚度大，铸铁件易于实现自补缩，从而减小铸件所需的冒口尺寸，提高了工艺出品率。而且消失模造型干砂中无需粘结剂和添加物（煤粉、膨润土、水），有利于旧砂循环使用，减轻环境污染。近二十年来，随着化工和机械工业的不断发展，消失模铸造技术日臻完善，消失模铸造技术被誉为“21世纪的铸造新技术”和“铸造中的绿色工程”。

尽管消失模铸造具有独特的技术优势，但高性能铝合金铸件的消失模铸造生产和应用仍受到很大的限制，其面临的主要技术难题在于：（1）由于消失模铸造在金属充型和凝固期间同时进行着金属一铸型(包括涂料)界面间的泡沫塑料模样液态热解产物的排除过程，液态产物排除后增大了因金属表面凝固收缩而形成的金属一铸型界面的间隙，从而大大降低了金属一铸型界面传热系数；另一方面，消失模铸造的浇注温度比传统空腔铸造浇注温度高得多，且由于消失模铸造采用的是无粘结剂的干砂造型，干砂蓄热系数低，浇注时传热只能通过砂粒之间极小的近于点接触的导热面传出，消失模铸造的冷却速度明显低于普通粘土砂型铸造，反映在组织上，消失模铸造合金的晶粒粗大而大幅度降低了材料的机械性能，并且易出现严重的缩松缺陷，铸件致密性差；（2）模样的热解是一个吸热反应，对流动的液态金属前沿有明显的激冷作用，由于铝合金的密度低、热含量小，并且现有机械性能高的铸造铝合金的凝固温度范围较大，导致铝合金的消失模铸造充型能力较差，从而制约了铝合金消失模铸造技术在复杂薄壁铸件生产中应用。

发明内容　　

　　本发明的技术任务是提供一种消失模铸造铝合金材料及其制备方法。

本发明的技术任务是按以下方式实现的，该材料的化学成分重量百分比组成为：

Si：10.0-11.0％，Cu：0.6-1.0％，Mg：0.3-0.5％，Mn：0.1-0.5％，Ti： 0.1-0.2％，Zr：0.05-0.1％，Sr：0.02-0.05％，RE：0.02-0.05%，其余为Al和不可避免的限制杂质。

所述的限制杂质的重量百分比组成为：Fe＜0.1％，Ni＜0.05％，Pb＜0.05％，Sn＜0.05％。

消失模铸造铝合金材料的制备方法的步骤如下：

将工业纯铝在坩锅中熔化后除净熔渣，加入覆盖剂，在690-710℃，分别以铝硅中间合金、工业纯镁、工业纯铜、铝锰中间合金的形式加入合金化元素，待加入的炉料完全熔化后搅拌混合均匀，并且继续升温至720-740℃，接着通入体积百分比为20%氯气和80%氮气的混合气体将合金液精炼除气10-15分钟，静置10-15分钟后将铝钛中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、铝稀土中间合金由钟罩压入合金熔液内熔化后静置5-10分钟，捞取表面浮渣后浇注得到消失模铸造铝合金材料。

该材料的化学成分重量百分比组成如上所述；所述的覆盖剂的化学成分重量百分比为：40%氯化钾、30%氯化钠、20%氟铝酸钠、10%光卤石。

本发明的一种消失模铸造铝合金材料及其制备方法和现有技术相比，具有以下特点：

1）通过提高Si含量和调整合金强化元素Cu、Mg的含量使消失模铸造铝合金具有最佳的力学性能和流动性。本发明的消失模铸造铝合金的Si重量百分含量提高至10.0-11.0％以缩小合金的凝固温度范围，同时通过添加稀土元素精炼、除气和夹杂作用进一步提高合金的流动性；合金中具有显著固溶和析出强化作用的Cu和Mg元素是为解决Si含量提高带来的微观组织中大量的共晶硅对力学性能的降低而加入的，但铜的添加增加了合金的热裂倾向，并且提高了合金的结晶温度范围而恶化了合金的流动性，镁又极易氧化使合金液卷入的氧化皮增多而恶化了合金的流动性，合金中Cu和Mg含量调整为：0.6-1.0％Cu，0.3-0.5％Mg。

2）消失模铸造的冷却速度低，易造成消失模铸造铝合金的晶粒粗大和严重的缩松缺陷，本发明添加的微量Ti、Zr、Sr、RE对冷却速度慢的近共晶消失模铸造铝合金的晶粒和共晶硅具有显著的协同晶粒细化作用，保持了良好的长效变质效果，并且合金重熔也不失效；与此同时在合金中形成的Al₃Ti、Al₃Zr、Al₂Sr和Al-RE高熔点相对合金有弥散强化作用，从而进一步改善了合金的机械性能。

3）合金中Mn的作用在于消除熔炼过程中铁杂质的影响，与合金中的Mg和RE协同作用提高了合金的耐蚀性能。

具体实施方式

　　实施例1：

化学成分重量百分比组成为：

Si：10.0％，Cu：0.6％，Mg：0.3％，Mn：0.1％，Ti： 0.1％，Zr：0.05％，Sr：0.02％，RE：0.02%，其余为Al和不可避免的限制杂质：Fe＜0.1％，Ni＜0.05％，Pb＜0.05％，Sn＜0.05％。

　　其中Si以铝硅中间合金，Cu以工业纯铜，Mg以工业纯镁，Mn以铝锰中间合金，Ti以铝钛中间合金，Zr以铝锆中间合金，Sr以铝锶中间合金，RE以铝稀土中间合金的形式加入。

将工业纯铝在坩锅中熔化后除净熔渣，加入化学成分重量百分比为：40%氯化钾、30%氯化钠、20%氟铝酸钠、10%光卤石的覆盖剂，在690℃，分别以铝硅中间合金、工业纯镁、工业纯铜、铝锰中间合金的形式加入合金化元素，待加入的炉料完全熔化后搅拌混合均匀，并且继续升温至720℃，接着通入体积百分比为20%氯气和80%氮气的混合气体将合金液精炼除气10分钟，静置10分钟后将铝钛中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、铝稀土中间合金由钟罩压入合金熔液内静置5分钟，捞取表面浮渣后浇注得到消失模铸造铝合金材料。

经测试，本实例的铝合金常温抗拉强度σ_b、延伸率δ和布氏硬度HBS(5/250/30)分别为l62MPa，4.5％，70。晶粒尺寸为80μm。

实施例2：

化学成分重量百分比组成为：

Si：11.0％，Cu：1.0％，Mg：0.5％，Mn：0.5％，Ti： 0.2％，Zr：0.1％，Sr：0.05％，RE：0.05%，其余为Al和不可避免的限制杂质：Fe＜0.1％，Ni＜0.05％，Pb＜0.05％，Sn＜0.05％。

将工业纯铝在坩锅中熔化后除净熔渣，加入化学成分重量百分比为：40%氯化钾、30%氯化钠、20%氟铝酸钠、10%光卤石的覆盖剂，在710℃，分别以铝硅中间合金、工业纯镁、工业纯铜、铝锰中间合金的形式加入合金化元素，待加入的炉料完全熔化后搅拌混合均匀，并且继续升温至740℃，接着通入体积百分比为20%氯气和80%氮气的混合气体将合金液精炼除气15分钟，静置15分钟后将铝钛中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、铝稀土中间合金由钟罩压入合金熔液内静置10分钟，捞取表面浮渣后浇注得到消失模铸造铝合金材料。

经测试，本实例的铝合金常温抗拉强度σ_b、延伸率δ和布氏硬度HBS(5/250/30)分别为l88MPa，2.5％，85。晶粒尺寸为65μm。

实施例3：

化学成分重量百分比组成为：

Si：10.0％，Cu：0.8％，Mg：0.5％，Mn：0.3％，Ti： 0.1％，Zr：0.08％，Sr：0.05％，RE：0.04%，其余为Al和不可避免的限制杂质：Fe＜0.1％，Ni＜0.05％，Pb＜0.05％，Sn＜0.05％。

将工业纯铝在坩锅中熔化后除净熔渣，加入化学成分重量百分比为：40%氯化钾、30%氯化钠、20%氟铝酸钠、10%光卤石的覆盖剂，在690℃，分别以铝硅中间合金、工业纯镁、工业纯铜、铝锰中间合金的形式加入合金化元素，待加入的炉料完全熔化后搅拌混合均匀，并且继续升温至730℃，接着通入体积百分比为20%氯气和80%氮气的混合气体将合金液精炼除气15分钟，静置12分钟后将铝钛中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、铝稀土中间合金由钟罩压入合金熔液内静置5分钟，捞取表面浮渣后浇注得到消失模铸造铝合金材料。

经测试，本实例的铝合金常温抗拉强度σ_b、延伸率δ和布氏硬度HBS(5/250/30)分别为l76MPa，3％，77。晶粒尺寸为75μm。

实施例4：

化学成分重量百分比组成为：

Si：10.5％，Cu：1.0％，Mg：0.4％，Mn：0.1％，Ti： 0.15％，Zr：0.1％，Sr：0.03％，RE：0.02%，其余为Al和不可避免的限制杂质：Fe＜0.1％，Ni＜0.05％，Pb＜0.05％，Sn＜0.05％。

将工业纯铝在坩锅中熔化后除净熔渣，加入化学成分重量百分比为：40%氯化钾、30%氯化钠、20%氟铝酸钠、10%光卤石的覆盖剂，在700℃，分别以铝硅中间合金、工业纯镁、工业纯铜、铝锰中间合金的形式加入合金化元素，待加入的炉料完全熔化后搅拌混合均匀，并且继续升温至740℃，接着通入体积百分比为20%氯气和80%氮气的混合气体将合金液精炼除气12分钟，静置10分钟后将铝钛中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、铝稀土中间合金由钟罩压入合金熔液内静置8分钟，捞取表面浮渣后浇注得到消失模铸造铝合金材料。

经测试，本实例的铝合金常温抗拉强度σ_b、延伸率δ和布氏硬度HBS(5/250/30)分别为l80MPa，2.8％，80。晶粒尺寸为70μm。

实施例5：

化学成分重量百分比组成为：

Si：11.0％，Cu：0.6％，Mg：0.5％，Mn：0.3％，Ti：0.2％，Zr：0.08％，Sr：0.02％，RE：0.04%，其余为Al和不可避免的限制杂质：Fe＜0.1％，Ni＜0.05％，Pb＜0.05％，Sn＜0.05％。

将工业纯铝在坩锅中熔化后除净熔渣，加入化学成分重量百分比为：40%氯化钾、30%氯化钠、20%氟铝酸钠、10%光卤石的覆盖剂，在710℃，分别以铝硅中间合金、工业纯镁、工业纯铜、铝锰中间合金的形式加入合金化元素，待加入的炉料完全熔化后搅拌混合均匀，并且继续升温至730℃，接着通入体积百分比为20%氯气和80%氮气的混合气体将合金液精炼除气12分钟，静置12分钟后将铝钛中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、铝稀土中间合金由钟罩压入合金熔液内静置10分钟，捞取表面浮渣后浇注得到消失模铸造铝合金材料。

经测试，本实例的铝合金常温抗拉强度σb、延伸率δ和布氏硬度HBS(5/250/30)分别为l70MPa，3.5％，74。晶粒尺寸为75μm。

Claims

1.一种消失模铸造铝合金材料，其特征在于，该材料的化学成分重量百分比组成为：

2.根据权利要求1所述的消失模铸造铝合金材料，其特征在于，所述的限制杂质的重量百分比组成为：Fe＜0.1％，Ni＜0.05％，Pb＜0.05％，Sn＜0.05％。

3.一种消失模铸造铝合金材料的制备方法，其特征在于，制备方法如下：

将工业纯铝在坩锅中熔化后除净熔渣，加入覆盖剂，在690-710℃，分别以铝硅中间合金、工业纯镁、工业纯铜、铝锰中间合金的形式加入合金化元素，待加入的炉料完全熔化后搅拌混合均匀，并且继续升温至720-740℃，接着通入体积百分比为20%氯气和80%氮气的混合气体将合金液精炼除气10-15分钟，静置10-15分钟后将铝钛中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、铝稀土中间合金由钟罩压入合金熔液内熔化后静置5-10分钟，捞取表面浮渣后浇注得到消失模铸造铝合金材料；

上述铝合金材料的化学成分重量百分比组成为：

4.根据权利要求3所述的消失模铸造铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述的覆盖剂的化学成分重量百分比为：40%氯化钾、30%氯化钠、20%氟铝酸钠、10%光卤石。