CN106884113B - 一种高强度铝合金及其铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度铝合金及其铸造方法，铸造方法：将Mg、Zn、Si、Mn、Cr、变质组分、稀土混合物、Al单质为原料并投入炉膛中，升温至660℃～680℃；将形成的熔化铝液加热至700℃～720℃，并通入混合精炼气体，加入固体混合精炼剂；将得到的精炼铝液降温并加入石墨碳纤维，低压铸锭在金属型模中，淬冷至室温；再升温至330℃～400℃并保温；油淬冷却至200℃～250℃；然后再升温至470℃～500℃并保温；然后再水淬冷却至210℃～250℃，最后自然冷却至室温，即得高强度铝合金。本发明可以有效去除铝液中含气量和氧化物夹杂，提高铸造铝合金的结构强度。

Description

一种高强度铝合金及其铸造方法
技术领域
本发明涉及铸造铝合金领域，具体涉及一种高强度铝合金及其铸造方法。
背景技术
铝合金是目前世界上使用量最大的有色金属。根据制备方法的不同，可以将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。而采用铸造法是制备铝合金最常用的合成制造方法。铝元素在常压下的熔点约为660℃，可以通过熔化铸造成型的方法制备各种铝合金，之后对铝合金进行锻造等金属加工处理，从而获得各种铝合金型材。
铸造铝合金的组成成分中主要含有硅、铜、镁、锌等四种金属元素，引入这些元素可以提高铝合金的耐蚀性、耐热性、铸造性能和力学性能，使铸造铝合金具有比较优秀的综合性能，从而广泛应用在承受载荷的结构部件中。
通过铸造方法制造铝合金时，由于金属铝的化学性质活泼，很容易在铸锭中形成氧化物夹杂，而使铝合金的结构强度和力学性能显著下降，影响产品使用而导致报废，极大地浪费了资源。
中国专利CN201110231744.0公开了一种铸造铝硅合金及强化方法，其获得的铸造铝硅合金中含有硅、锌、镁、铜和锰元素，通过熔炼工艺和热处理过程制成了一种铝硅合金。但是该专利仅使用了单一精炼剂，不能有效地去除氧化物夹杂，对于铝合金强度增加作用不明显。
因此，针对铸造铝合金中氧化物夹杂导致铝合金强度降低的问题，需要发明一种能够有效去除铝液中含气量和氧化物夹杂的铸造方法，从而提高铸造铝合金的结构强度。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种高强度铝合金及其铸造方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种高强度铝合金，由下述质量百分数的原料制备而成：Mg 8.2％～11.5％，Zn 7.5％～8.7％，Si 0.75％～1.2％，Mn 0.65％～0.9％，Cr 0.1％～0.25％，变质组分0.15％～0.32％，稀土混合物0.02％～0.1％，其余为Al和不可避免的杂质。
进一步地，变质组分由下述质量百分数的原料组成：Na 20％～37％，B30％～45％，Ti 12％～20％，Zr 8％～17％。
进一步地，稀土混合物由下述质量百分数的原料组成：La 30％～50％，Eu20％～30％，Ce 30％～40％。
进一步地，不可避免的杂质中：Fe的质量百分数≤0.05％。
本发明的另一发明目的，在于提供一种上述高强度铝合金的铸造方法，包括以下步骤：
步骤S1，炉料熔炼：将火焰炉炉膛内去除油污和残渣，彻底干燥去除水分，将所述质量百分数的Mg、Zn、Si、Mn、Cr、变质组分、稀土混合物、Al单质投入炉膛中，以10℃/min～30℃/min的升温速率升温至660℃～680℃，加热保温15min～20min，静置5min～10min，去除浮渣，形成熔化铝液；
步骤S2，铝液精炼：将步骤S1中得到的熔化铝液继续以2℃/min～5℃/min的升温速率加热至700℃～720℃，以30L/min～80L/min的速率流量向熔化铝液中通入混合精炼气体，通入10min～25min，之后向熔化铝液中加入固体混合精炼剂，继续保温20min～30min，得精炼铝液；
步骤S3，时效处理：将步骤S2得到的精炼铝液降温至620℃～650℃，加入石墨碳纤维，混合均匀后，低压铸锭在金属型模中，冷水淬冷至室温，静置1h～2h；再以3℃/min～10℃/min的升温速率升温至330℃～400℃，保温2h～3h；油淬冷却至200℃～250℃；然后再以8℃/min～15℃/min的升温速率升温至470℃～500℃，保温4h～6h；然后再水淬冷却至210℃～250℃，最后自然冷却至室温，即得所述高强度铝合金。
进一步地，步骤S2中，混合精炼气体由下述体积百分数的气体组成：Ar35％～42％，He 22％～38％，N2 10％～20％，Cl2 8％～16％。
进一步地，步骤S2中，固体混合精炼剂由下述质量百分数的原料组成：KCl 30％～40％，NaCl 20％～30％，NaF 20％～25％，Na3AlF6 15％～20％。其中，Na3AlF6，即冰晶石，对于氧化铝夹杂物具有良好的溶解作用，而且反应生成的气相三氯化铝能够有效迅速的带动氧化铝熔渣上浮，对于氧化物夹杂的去除效果明显。
进一步地，步骤S3中，石墨碳纤维的杨氏模量为：225GPa～260GPa。
进一步地，步骤S3中，高强度铝合金的在20℃～50℃条件下的屈服强度为380MPa～430MPa，抗拉强度为500MPa～540MPa。
本发明的优点是：
1.本发明铸造制得的铝合金具有结构强度高，屈服强度大，延展性好等优良的力学特性，并且本发明采用的铸造方法简便易行，效果显著，操控简单；
2.本发明以稀有气体作为气相载体，在熔化铝液中通入氮气和氯气的混合气体，能够有效去除铝液中溶解的氢气等杂质气体，去除效果好，环境污染小，对于提高铝合金铸件的致密程度有重要意义，使铝合金铸件的结构强度得以充分提高；
3.本发明使用含有冰晶石的碱金属氯化盐固体精炼剂进行铝液精炼，冰晶石对于氧化铝夹杂物具有良好的溶解作用，而且反应生成的气相三氯化铝能够有效迅速的带动氧化铝熔渣上浮，对于氧化物夹杂的去除效果明显，另外使用了混合稀土和变质元素对铝合金进行变质处理，增加了固溶体强韧相结构，排出夹杂和固溶强韧综合作用使铝合金力学强度得以显著提高。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
一种高强度铝合金，由下述质量百分数的原料制备而成：Mg 8.2％，Zn7.5％，Si0.75％，Mn 0.65％，Cr 0.1％，变质组分0.15％，稀土混合物0.02％，其余为Al和不可避免的杂质；其中，变质组分由下述质量百分数的原料组成：Na 20％，B 45％，Ti 18％，Zr17％；稀土混合物由下述质量百分数的原料组成：La 30％，Eu 30％，Ce 40％；不可避免的杂质中：Fe的质量百分数为0.02％。
实施例2
一种高强度铝合金，由下述质量百分数的原料制备而成：Mg 11.5％，Zn8.7％，Si1.2％，Mn 0.9％，Cr 0.25％，变质组分0.32％，稀土混合物0.1％，其余为Al和不可避免的杂质；变质组分由下述质量百分数的原料组成：Na 37％，B 30％，Ti 20％，Zr 13％；稀土混合物由下述质量百分数的原料组成：La 50％，Eu 20％，Ce 30％；不可避免的杂质中：Fe的质量百分数为0.05％。
实施例3
一种高强度铝合金，由下述质量百分数的原料制备而成：Mg 9.8％，Zn8.1％，Si1％，Mn 0.77％，Cr 0.17％，变质组分0.22％，稀土混合物0.06％，其余为Al和不可避免的杂质；变质组分由下述质量百分数的原料组成：Na 36％，B 44％，Ti 12％，Zr 8％；稀土混合物由下述质量百分数的原料组成：La 40％，Eu 25％，Ce 35％；不可避免的杂质中：Fe的质量百分数为0.01％。
实施例4
一种高强度铝合金的铸造方法，包括以下步骤：
步骤S1，炉料熔炼：将火焰炉炉膛内去除油污和残渣，彻底干燥去除水分，将所述质量百分数的Mg、Zn、Si、Mn、Cr、变质组分、稀土混合物、Al单质投入炉膛中，以10℃/min的升温速率升温至660℃，加热保温15min，静置5min，去除浮渣，形成熔化铝液；
步骤S2，铝液精炼：将步骤S1中得到的熔化铝液继续以2℃/min的升温速率加热至700℃，以30L/min的速率流量向熔化铝液中通入混合精炼气体，通入10min，之后向熔化铝液中加入固体混合精炼剂，继续保温20min，得精炼铝液；其中，混合精炼气体由下述体积百分数的气体组成：Ar 35％，He 38％，N2 19％，Cl2 8％；固体混合精炼剂由下述质量百分数的原料组成：KCl 30％，NaCl 30％，NaF 25％，Na3AlF6 15％；
步骤S3，时效处理：将步骤S2得到的精炼铝液降温至620℃，加入石墨碳纤维，混合均匀后，低压铸锭在金属型模中，冷水淬冷至室温，静置1h；再以3℃/min的升温速率升温至330℃，保温2h；油淬冷却至200℃；然后再以8℃/min的升温速率升温至470℃，保温4h；然后再水淬冷却至210℃，最后自然冷却至室温，即得高强度铝合金；其中，石墨碳纤维的杨氏模量为：225GPa；针对本实施例制得的高强度铝合金进行机械强度测试，测试结果如表1所示。
表1实施例4制得的高强度铝合金的机械强度测试结果
项目 20℃ 30℃ 40℃ 50℃
屈服强度 390MPa 412MPa 428MPa 416MPa
抗拉强度 504MPa 522MPa 536MPa 517MPa
实施例5
一种高强度铝合金的铸造方法，包括以下步骤：
步骤S1，炉料熔炼：将火焰炉炉膛内去除油污和残渣，彻底干燥去除水分，将所述质量百分数的Mg、Zn、Si、Mn、Cr、变质组分、稀土混合物、Al单质投入炉膛中，以30℃/min的升温速率升温至680℃，加热保温20min，静置10min，去除浮渣，形成熔化铝液；
步骤S2，铝液精炼：将步骤S1中得到的熔化铝液继续以5℃/min的升温速率加热至720℃，以80L/min的速率流量向熔化铝液中通入混合精炼气体，通入25min，之后向熔化铝液中加入固体混合精炼剂，继续保温30min，得精炼铝液；其中，混合精炼气体由下述体积百分数的气体组成：Ar 42％，He 22％，N2 20％，Cl2 16％；固体混合精炼剂由下述质量百分数的原料组成：KCl 40％，NaCl 20％，NaF 20％，Na3AlF6 20％；
步骤S3，时效处理：将步骤S2得到的精炼铝液降温至650℃，加入石墨碳纤维，混合均匀后，低压铸锭在金属型模中，冷水淬冷至室温，静置2h；再以10℃/min的升温速率升温至400℃，保温3h；油淬冷却至250℃；然后再以15℃/min的升温速率升温至500℃，保温6h；然后再水淬冷却至250℃，最后自然冷却至室温，即得所述高强度铝合金；其中，石墨碳纤维的杨氏模量为：260GPa；针对本实施例制得的高强度铝合金进行机械强度测试，测试结果如表2所示。
表2实施例5制得的高强度铝合金的机械强度测试结果
项目 20℃ 30℃ 40℃ 50℃
屈服强度 385MPa 405MPa 420MPa 410MPa
抗拉强度 501MPa 520MPa 532MPa 512MPa
实施例6
一种高强度铝合金的铸造方法，包括以下步骤：
步骤S1，炉料熔炼：将火焰炉炉膛内去除油污和残渣，彻底干燥去除水分，将所述质量百分数的Mg、Zn、Si、Mn、Cr、变质组分、稀土混合物、Al单质投入炉膛中，以20℃/min的升温速率升温至670℃，加热保温18min，静置7.5min，去除浮渣，形成熔化铝液；
步骤S2，铝液精炼：将步骤S1中得到的熔化铝液继续以3.5℃/min的升温速率加热至710℃，以55L/min的速率流量向熔化铝液中通入混合精炼气体，通入18min，之后向熔化铝液中加入固体混合精炼剂，继续保温25min，得精炼铝液；其中，混合精炼气体由下述体积百分数的气体组成：Ar 40％，He 36％，N2 10％，Cl2 14％；固体混合精炼剂由下述质量百分数的原料组成：KCl 35％，NaCl 25％，NaF 22％，Na3AlF6 18％；
步骤S3，时效处理：将步骤S2得到的精炼铝液降温至630℃，加入石墨碳纤维，混合均匀后，低压铸锭在金属型模中，冷水淬冷至室温，静置1.5h；再以6.5℃/min的升温速率升温至365℃，保温2.5h；油淬冷却至225℃；然后再以12℃/min的升温速率升温至485℃，保温5h；然后再水淬冷却至230℃，最后自然冷却至室温，即得高强度铝合金；其中，石墨碳纤维的杨氏模量为：240GPa；针对本实施例制得的高强度铝合金进行机械强度测试，测试结果如表3所示。
表3实施例6制得的高强度铝合金的机械强度测试结果
项目 20℃ 30℃ 40℃ 50℃
屈服强度 380MPa 400MPa 430MPa 420MPa
抗拉强度 500MPa 525MPa 540MPa 515MPa
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高强度铝合金，其特征在于，由下述质量百分数的原料制备而成：Mg 8.2％～11.5％，Zn 7.5％～8.7％，Si 0.75％～1.2％，Mn 0.65％～0.9％，Cr 0.1％～0.25％，变质组分0.15％～0.32％，稀土混合物0.02％～0.1％，其余为Al和不可避免的杂质；所述高强度铝合金的铸造方法，包括以下步骤：
步骤S1，炉料熔炼：将火焰炉炉膛内去除油污和残渣，彻底干燥去除水分，将所述质量百分数的Mg、Zn、Si、Mn、Cr、变质组分、稀土混合物、Al单质投入炉膛中，以10℃/min～30℃/min的升温速率升温至660℃～680℃，加热保温15min～20min，静置5min～10min，去除浮渣，形成熔化铝液；
步骤S2，铝液精炼：将步骤S1中得到的熔化铝液继续以2℃/min～5℃/min的升温速率加热至700℃～720℃，以30L/min～80L/min的速率流量向熔化铝液中通入混合精炼气体，通入10min～25min，之后向熔化铝液中加入固体混合精炼剂，继续保温20min～30min，得精炼铝液；
步骤S3，时效处理：将步骤S2得到的精炼铝液降温至620℃～650℃，加入石墨碳纤维，混合均匀后，低压铸锭在金属型模中，冷水淬冷至室温，静置1h～2h；再以3℃/min～10℃/min的升温速率升温至330℃～400℃，保温2h～3h；油淬冷却至200℃～250℃；然后再以8℃/min～15℃/min的升温速率升温至470℃～500℃，保温4h～6h；然后再水淬冷却至210℃～250℃，最后自然冷却至室温，即得所述高强度铝合金。
2.根据权利要求1所述的高强度铝合金，其特征在于，所述变质组分由下述质量百分数的原料组成：Na 20％～37％，B 30％～45％，Ti 12％～20％，Zr 8％～17％。
3.根据权利要求1所述的高强度铝合金，其特征在于，所述稀土混合物由下述质量百分数的原料组成：La 30％～50％，Eu 20％～30％，Ce 30％～40％。
4.根据权利要求1所述的高强度铝合金，其特征在于，所述不可避免的杂质中：Fe的质量百分数≤0.05％。
5.根据权利要求1所述的高强度铝合金，其特征在于，步骤S2中，所述混合精炼气体由下述体积百分数的气体组成：Ar 35％～42％，He 22％～38％，N2 10％～20％，Cl2 8％～16％。
6.根据权利要求1所述的高强度铝合金，其特征在于，步骤S2中，所述固体混合精炼剂由下述质量百分数的原料组成：KCl 30％～40％，NaCl 20％～30％，NaF 20％～25％，Na3AlF6 15％～20％。
7.根据权利要求1所述的高强度铝合金，其特征在于，步骤S3中，所述石墨碳纤维的杨氏模量为：225GPa～260GPa。
8.根据权利要求1所述的高强度铝合金，其特征在于，步骤S3中，所述高强度铝合金的在20℃～50℃条件下的屈服强度为380MPa～430MPa，抗拉强度为500MPa～540MPa。
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