CN104862524A - 一种高强度合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高强度合金及其制备方法，以该合金的总量为基准，以重量百分比计，该合金含有以下元素：Mn21-40%，Al3.1-15%，Cu 45-75.9%。本发明的合金具有良好的铸造性能，铸造过程中不易产生裂纹，机械强度高，韧性好、耐腐蚀性好。

Description

一种高强度合金及其制备方法

技术领域

本发明属于合金领域，尤其涉及一种高强度铸造合金。

背景技术

随着以电子产品和汽车为代表的产品技术突飞猛进的发展，产品日趋于精密化、小型化，从而对材料的性能和铸造特性提出了越来越高的要求。铝合金、镁合金及锌合金原料丰富，铸造性能优异，已经成为国民经济生产生活的主要结构材料，但他们的机械强度偏低，虽然也发展了高强度材料，但材料的加工制造性又大大降低，因此在一些要求较高的产品领域越来越多的受到限制。

钛合金由于具有质轻、强度高、耐腐蚀性好等优点，近些年来得到了很大发展，尤其板型材，但钛合金生产高精密复杂产品的成本很高，从而其应用也收到了极大的限制。

在有色金属中，铜合金是一种发展较早，可以作为功能性和结构性的材料，铜合金系列相对较为丰富，由于铜的成本相对较高，低铜含量高强度易于铸造加工和环保的铜合金仍然相对较少。

公开号为CN1948531A的专利公开了一种高锰铜镍锌合金，按重量百分比由以下组分组成：Cu 56-73%，Ni0.5-2.9%，Mn10.1-25%，Al0-3%，Fe+Re≤1%，余量为Zn和不可避免的杂质。但材料的耐腐蚀性和机械强度相对较低，铸造性能不够理想，难以满足现代产品技术的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的合金很难兼顾合金强度和铸造性能及成本的不足，提供一种高强度合金材料，该合金不仅强度高，而且具有优异的铸造性能。

本发明还提供了一种高强度合金的制备方法，该方法简单、成本低。

本发明提供了一种高强度合金，以该合金的总量为基准，以重量百分比计，该合金含有以下元素：

Mn                21-40%，

Al                 3.1-15%，

Cu                45-75.9%。

本发明还提供上述所述的高强度合金的制备方法，该方法包括将合金原料进行熔炼，并将熔炼得到的合金液进行浇铸，冷却后得到高强度合金。

根据本发明的合金具有良好的铸造性能，铸造过程中不易产生裂纹，机械强度高，韧性好。

具体实施方式

本发明提供了一种高强度合金，以该合金的总量为基准，以重量百分比计，该合金含有以下元素：

Mn                21-40%，

Al                 3.1-15%，

Cu                45-75.9%。

进一步优选地，以该合金的总量为基准，以重量百分比计，该合金含有以下元素：

Mn                28-38%，

Al                 4-10%，

Cu                52-68%。

本发明的高强度合金中，锰元素的价格是铜元素的四分之一，用大量的锰元素代替铜元素，降低了合金的成本。同时锰元素和铜元素是相互无限固溶的，锰元素的原子半径和铜接近，是置换式固溶体，锰起固溶强化作用，可以提高合金的强度，硬度。锰元素可以有效的提高合金的铸造性能，但过高易于引起合金脆性增大，并降低材料的铸造性能，过低无法改善合金的铸造特性，降低材料成本。

本发明的高强度合金中，铝元素是重要的合金强化元素，会显著的提高合金的机械强度，同时在冶金过程中起着重要作用，在合铝可以在合金熔体表面中形成一层致密的氧化物膜层，改善合金的氧化和吸气特性；另外，铝元素可以在合金产品表面形成致密氧化物膜层，提高合金产品的耐腐蚀性，同时还可以降低合金成本，但含量过高则会引起材料脆性增大，过低则难以起到以上有益作用。

本发明的高强度合金中，通过控制Mn元素和Al元素的含量范围，即以该合金的总量为基准，以重量百分比计，该合金含有以下元素：Mn                21-40%，Al 3.1-15%，使得到的合金在具有很好的强度的同时具有很好的铸造性能。

根据本发明所提供的高强度合金，优选地，所述合金还包括添加元素，所述添加元素为Be、B、C、P、Mg、Sc、Ti、Cr、Fe、Ni、Zn、Ga、Sr、Zr、Nb、Sn、Hf、Ta、Pb和稀土元素中的至少一种。优选地，所述添加元素为B、Ti、Cr、Fe、Zn、Ni、Zr、Sn、Pb和稀土元素中的至少一种。B、Ti、Cr、Fe、Zn、Ni、Zr、Sn、Pb和稀土元素。所述添加元素可以改善合金的耐腐蚀性能、合金机械性能和合金熔体的铸造特性。本发明中，优选地，所述添加元素以高强度合金的总量为基准，以重量百分比计，所述添加元素的含量<5%。所述添加元素的含量高于5%时，可能会降低材料的基础性能。

根据本发明所提供的高强度合金，优选地，所述添加元素为稀土元素。稀土元素具有细化晶粒，改变界面能和净化合金熔体的作用。本发明中，以高强度合金的总量为基准，以重量百分比计，所述稀土元素的含量<0.5%。稀土元素的添加量过大易于破坏合金的冶金特性。

根据本发明所提供的高强度合金，优选地，所述添加元素为Pb。Pb元素可以极大的改善合金材料的机加工特性。本发明中，以高强度合金的总量为基准，以重量百分比计，所述添加元素的含量>0.5%且<3%。根据本发明所提供的高强度合金，优选地，所述添加元素为Ti、Cr、Fe、Ni、Zr和Sn中的至少一种。所述添加元素可以显著改善合金的耐腐蚀性和强度。本发明中，以高强度合金的总量为基准，以重量百分比计，所述Pb的含量为<3%。

该合金允许存在不可避免的杂质元素，少量杂质元素的存在不会对合金性能产生重要影响，但可以降低材料的加工成本。

根据本发明所提供的高强度合金，允许存在少量其它金属元素，如Li、Na、K、Ba、In、Ge、Sb、Bi、V、Nb、Mo、W、Tc、Ru、Pd、Pt、Ag和Au中的一种、两种或三种以上。以高强度合金的总量为基准，以重量百分比计，上述其它金属元素的总量一般不高于1%，优选不高于0.5%，更优选不高于0.2%。上述金属元素可以来源于制备合金时合金原料中的杂质，也可以来源于制备合金时作为合金的一种组成元素而添加的原料。

根据本发明的合金具有良好的铸造性能，铸造过程中不易产生裂纹，机械强度高，韧性好。

本发明还提供了一种上述所述的高强度合金的制备方法，该方法包括将合金原料进行熔炼，并将熔炼得到的合金液进行浇铸，冷却后得到高强度合金。选择合金原料的组成从而得到具有预期组成的合金的方法是本领域技术人员所公知的，本文不再详述。

根据本发明，所述熔炼一般可以在1100-1200℃的温度下进行，熔炼的时间一般可以为30-60分钟。为了进一步提高合金的性能，在熔炼之后再在1050-1100℃的温度下进行精炼，精炼的时间为10-40分钟。在精炼后浇铸为合金铸锭即可。为了避免高强度合金熔体在熔炼过程中与空气接触而氧化，在熔炼时，优选采用在真空熔炼炉中进行熔炼，并且容量时通入惰性气体进行保护。所述惰性气体可以为冶炼领域的常规选择，例如可以为氩气和氮气等。

本发明的制备方法简单，用大量的锰代替铜，成本低。

下面通过具体实施例对本发明进行进一步的详细说明。

 实施例1

按照高强度合金组成为Cu₆₃Mn₃₀Al₇配制合金原料。将配制好的合金原料置于熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程中通入99.999%的高纯氩气，压力为0.5个大气压，在1200℃的温度下冶炼40min。然后在1100℃的温度下精炼30分钟，最后浇铸为合金铸锭A1。

 实施例2-19

按照实施例1的方法制备合金铸锭A2-A19，区别在于：按照表1的配制合金原料。

 对比例1-4

按照实施例1的方法制备合金铸锭CA1-CA4，区别在于：按照表1的配制合金原料。

表1

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性能测试

将得到的合金锭A1-A19及CA1-CA4进行压铸制备测试样品B1-B19和CB1-CB4，其中，压铸温度为1050℃；模具温度为200℃；料筒温度为150℃，注射速度为2m/s，样品厚度为1.5mm。

1、拉伸性能

采用ISO 6892.1-2009测试标准测定B1-B19及CB1-CB4的屈服强度、抗拉强度和断后延伸率。结果见表2。

2、硬度

采用维式硬度计，将直径为12.7mm且厚度为3mm的镁合金圆片在压入力为3kg，保压时间为15s下，测试3次以上，取得到的数据的平均值为所测的镁合金的硬度，单位HV。结果见表2。

3、流动性

采用单螺旋流动性试样模具，横截面尺寸为：5.5mm ×3mm，采用的给汤容量为45cm³，压射速度为1m/s。结果见表2。

4、耐腐蚀性

将冶炼完成的合金铸造成100mm×100mm×1.5mm的薄片，将其浸泡到5%NaCl的溶液当中，浸泡48小时，采用失重法计算腐蚀结果，计算方法如下：

V=（m1-m2）/(t.s)

M1 为试验前的样品质量；

M2 为试验后经蒸馏水清洗，并烘干后的质量，t为时间，S为样品表面积，腐蚀速率单位为mg/(cm².d)。

结果见表2。

5、表面状况

用显微镜观察样品B1-B19及CB1-CB4的表面是否有裂纹，结果见表2。

表2

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从表2中可以看出，本发明的合金的屈服强度和抗拉强度高、断后延伸率大，硬度大、流动性好、没有裂纹且耐腐蚀性好。对比例1、对比例2和对比例4的合金，虽然具有很好的耐腐蚀性能和没有裂纹，但是其屈服强度和抗拉强度低、断后延伸率小，硬度小、流动性差；对比例3的合金的屈服强度和抗拉强度高、断后延伸率大，硬度大、流动性好，但是其有裂纹，耐腐蚀性差。综上，本发明的合金具有良好的铸造性能，铸造过程中不易产生裂纹，机械强度高，韧性好、耐腐蚀性好。

Claims (12)

1.一种高强度合金，其特征在于，以该合金的总量为基准，以重量百分比计，该合金含有以下元素：

Mn                21-40%，

Al                 3.1-15%，

Cu                45-75.9%。

2.根据权利要求1所述的高强度合金，其特征在于，以该合金的总量为基准，以重量百分比计，该合金含有以下元素：

Mn                28-38%，

Al                 4-10%，

Cu                52-68%。

3.根据权利要求1或2所述的高强度合金，其特征在于，所述合金还包括添加元素，所述添加元素为Be、B、C、P、Mg、Sc、Ti、Cr、Fe、Ni、Zn、Ga、Sr、Zr、Nb、Sn、Hf、Ta、Pb和稀土元素中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的高强度合金，其特征在于，所述添加元素以高强度合金的总量为基准，以重量百分比计，所述添加元素的含量<5%。

5.根据权利要求4所述的高强度合金，其特征在于，所述添加元素为B、Ti、Cr、Fe、Zn、Ni、Zr、Sn、Pb和稀土元素中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的高强度合金，其特征在于，所述添加元素为稀土元素。

7.根据权利要求6所述的高强度合金，其特征在于，以高强度合金的总量为基准，以重量百分比计，所述稀土元素的含量<0.5%。

8.根据权利要求5所述的高强度合金，其特征在于，所述添加元素为Pb。

9.根据权利要求8所述的高强度合金，以高强度合金的总量为基准，以重量百分比计，所述Pb的含量>0.5%且<3%。

10.根据权利要求5所述的高强度合金，其特征在于，所述添加元素为Ti、Cr、Fe、Ni、Zr和Sn中的至少一种。

11.根据权利要求10所述的高强度合金，其特征在于，以高强度合金的总量为基准，以重量百分比计，所述添加元素的含量为<3%。

12.一种权利要求1-11任一项所述的高强度合金的制备方法，其特征在于，该方法包括将合金原料进行熔炼，并将熔炼得到的合金液进行浇铸，冷却后得到高强度合金。