CN107245613A - 一种高密度铝铜合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高密度铝铜合金材料，硅13.5‑14.75％，铜2.5‑4.0％，铁0.5‑1.05％，锰0.1‑0.35％，镁0.25‑0.35％，锌≤3.0％，镍≤0.5％，铬≤0.15％，锡≤0.10％，钛≤0.15％，铋≤0.05％，铅≤0.1％，铍≤0.02％，锂≤0.003％，余量为铝；本发明通过控制硅、铜、铁、锰和镁的含量，富含硅、铜和镁，抑制锌、镍、铬、锡、钛、铋、铍和锂的含量，使铝铜合金材料内部金相组织强，比普通铝合金材料拉伸强度增加3倍以上，具有良好的力学性能，使其制备出的产品具有高的强度和硬度，HB硬度达到130‑150；屈服强度达到390MPa左右；抗拉强度达到360MPa左右。

Description

一种高密度铝铜合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于合金材料的技术领域，具体是涉及一种用于加工连杆或者动车缓冲器壳体的高密度铝铜合金材料及其制备方法。

背景技术

目前，铝及铝合金是仅次于钢铁的金属材料，广泛应用于建筑、能源、运输、航空航天等领域，铝及铝合金材料的应用以及研究也得到了迅猛发展，各种铝合金被广泛的应用。

其中，在高铁车厢之间设计的密接式车钩缓冲器装置，该缓冲器装置采用的壳体对材料具有较高的力学性能要求，不仅要求重量轻、而且屈服强度要求达到350MPa左右、屈服许用应力达到320MPa左右，另外发动机上的连杆机构在动力传动中起到非常重要的作用；连杆需要做多次连续的往复运动和较大的动力传动，现有的连杆多采用锻钢金属或合金材料制成,因材料比重大，造成发动机的整体质量较重，连杆强度低、硬度差很容易开裂、折断，如何设计一种坚固耐用、密度高、强度高，耐高温，耐腐蚀，重量合适的新型铝铜合金材料，成为大家研究的方向。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高密度铝铜合金材料，该一种高密度铝铜合金材料通过铝铜合金材料中控制硅、铜、铁、锰和镁的含量，富含硅、铜和镁的含量抑制锌、镍、铬、锡、钛、铋、铍和锂的含量，使铝铜合金材料内部金相组织强，比普通铝合金材料拉伸强度增加3倍以上，具有良好的力学性能，使其制备出的产品具有高的强度和硬度，HB硬度达到130-150；屈服强度达到390MPa左右；抗拉强度达到360MPa左右；具有不易开裂、不易折断，使用寿命长等优点。

为了达到上述目的，本发明一种高密度铝铜合金材料，其特征在于：该高密度铝铜合金材料由以下重量百分比的各组分制备而成：硅13.5-14.75％，铜2.5-4.0％，铁0.5-1.05％，锰0.1-0.35％，镁0.25-0.35％，锌≤3.0％，镍≤0.5％，铬≤0.15％，锡≤0.10％，钛≤0.15％，铋≤0.05％，铅≤0.1％，铍≤0.02％，锂≤0.003％，余量为铝。

进一步，该高密度铝铜合金材料由以下重量百分比的各组分制备而成：硅13.5-14.75％，铜2.5-4.0％，铁0.5-1.05％，锰0.1-0.35％，镁0.25-0.35％，锌2.0-3.0％，镍0.1-0.5％，铬0.05-0.15％，锡0.06-0.10％，钛0.01-0.15％，铋0.02-0.05％，铅0.5-0.8％，铍0.001-0.02％，锂0.001-0.003％，余量为铝。

进一步，该高密度铝铜合金材料由以下重量百分比的各组分制备而成：硅14.2％，铜3％，铁0.8％，锰0.2％，镁0.3％，锌2.5％，镍0.4％，铬0.1％，锡0.08％，钛0.1％，铋0.03％，铅0.08％，铍0.01％，锂0.002％，余量为铝。

本发明还公开了一种高密度铝铜合金材料的制备方法，其步骤如下：

1)熔炼：

将铝铬中间合金放入坩埚中，加热至920～930℃，待其完全融化后，将炉温降至780～800℃；然后按设动的合金成分，加入铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝锌中间合金、铝铁中间合金、铝镍中间合金、铝镁中间合金、铝钛硼中间合金，铝稀土中间合金和铝，2/3以上的炉料熔化后，加入覆盖剂，覆盖剂的成分质量为：萤石、石英砂和工业盐；

2)除渣：待炉料全部熔化后，将炉温降至720～730℃保温15～20min，扒去熔渣，加入铝精炼剂，在725～730℃下保温10～15min后撇渣，得到精炼金属溶液；

3)浇铸：将铸造模具预热至140～170℃，将精炼金属溶液通过液态模锻工艺成铸胚。

本发明上述各元素作用分析如下:

硅：使铝铜合金热膨胀系数低，铸造性能和抗磨性能好，用其铸造的合金铸件具有很高的抗击冲击能力和很好的高压致密性，可大大提高使用寿命，同时硅还能有效防止材料的应力腐蚀开裂的倾向；

镁：镁对铝的强化是明显的，每增加1％镁，抗拉强度大约升高34MPa；

锰：如果加入1％以下的锰，可能补充强化作用；加锰后可降低镁含量，同时可降低热裂倾向，另外锰还可以使Mg5Al8化合物均匀沉淀，改善抗蚀性和焊接性能

其它微量元素的组合作用：

铁和硅

铁在Al-Cu-Mg-Ni-Fe系锻铝合金中，硅在Al-Mg-Si系锻铝中和在Al-Si系焊条及铝硅铸造合金中，均作为合金元素加的，在基它铝合金中，硅和铁是常见的杂质元素，对合金性能有明显的影响。它们主要以FeCl3和游离硅存在。在硅大于铁时，形成β-FeSiAl3(或Fe2Si2Al9)相，而铁大于硅时，形成α-Fe2SiAl8(或Fe3Si2Al12)。当铁和硅比例不当时，会引起铸件产生裂纹，铸铝中铁含量过高时会使铸件产生脆性。

钛和硼

钛是铝合金中常用的添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中间合金形式加入。钛与铝形成TiAl2相，成为结晶时的非自发核心，起细化铸造组织和焊缝组织的作用。Al-Ti系合金产生包反应时，钛的临界含量约为0.15％，如果有硼存在则减速小到0.01％。

铬

铬在Al-Mg-Si系、Al-Mg-Zn系、Al-Mg系合金中常见的添加元素。600℃时，铬在铝中溶解度为0.8％，室温时基本上不溶解。铬在铝中形成(CrFe)Al7和(CrMn)Al12等金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。但会场增加淬火敏感性，使阳极氧化膜呈黄色。铬在铝合金中的添加量一般不超过0.35％，并随合金中过渡元素的增加而降低。

锶

锶是表面活性元素，在结晶学上锶能改变金属间化合物相的行为。因此用锶元素进行变质处理能改善合金的塑性加工性和最终产品质量。由于锶的变质有效时间长、效果和再现性好等优点，近年来在Al-Si铸造合金中取代了钠的使用。对挤压用铝合金中加入0.015％～0.03％锶，使铸锭中β-AlFeSi相变成汉字形α-AlFeSi相，减少了铸锭均匀化时间60％～70％，提高材料力学性能和塑性加工性；改善制品表面粗糙度。对于高硅(10％～13％)变形铝合金中加入0.02％～0.07％锶元素，可使初晶减少至最低限度，力学性能也显著提高，抗拉强度бb由233MPa提高到236MPa，屈服强度б0.2由204MPa提高到210MPa，延伸率б5由9％增至12％。在过共晶Al-Si合金中加入锶，能减小初晶硅粒子尺寸，改善塑性加工性能。

本发明的有益效果在于：

本发明一种高密度铝铜合金材料通过铝铜合金材料中控制硅、铜、铁、锰和镁的含量，富含硅、铜和镁的含量抑制锌、镍、铬、锡、钛、铋、铍和锂的含量，使铝铜合金材料内部金相组织强，比普通铝合金材料拉伸强度增加3倍以上，具有良好的力学性能，使其制备出的产品具有高的强度和硬度，HB硬度达到130-150；屈服强度达到390MPa左右；抗拉强度达到360MPa左右；具有不易开裂、不易折断，使用寿命长等优点。

附图说明：

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明高密度铝铜合金材料制备的连杆针孔的成像图；

图2为本发明高密度铝铜合金材料制备的连杆的针孔的四级比较图；

图3为本发明高密度铝铜合金材料制备的连杆晶粒度成像图；

图4为本发明高密度铝铜合金材料制备的连杆晶粒度的四级比较图。

具体实施方式

本发明公开了一种高密度铝铜合金材料的制备方法，其步骤如下：

1)熔炼：

将铝铬中间合金放入坩埚中，加热至920～930℃，待其完全融化后，将炉温降至780～800℃；然后按设动的合金成分，加入铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝锌中间合金、铝铁中间合金、铝镍中间合金、铝镁中间合金、铝钛硼中间合金，铝稀土中间合金和铝，2/3以上的炉料熔化后，加入覆盖剂，覆盖剂的成分质量为：萤石、石英砂和工业盐；

2)除渣：待炉料全部熔化后，将炉温降至720～730℃保温15～20min，扒去熔渣，加入铝精炼剂，在725～730℃下保温10～15min后撇渣，得到精炼金属溶液；

3)浇铸：将铸造模具预热至140～170℃，将精炼金属溶液通过液态模锻工艺成铸胚。

以下采用上述制备方法实施的连杆胚料。

实施例一

本发明高密度铝铜合金材料K51由以下重量百分比的各组分制备而成：硅13.5％，铜2.5％，铁0.5％，锰0.1％，镁0.25％，锌3.0％，镍0.5％，铬0.15％，锡0.10％，钛0.15％，铋0.05％，铅0.05％，铍0.02％，锂0.003％，余量为铝。

实施例二

本发明高密度铝铜合金材料K51由以下重量百分比的各组分制备而成：硅14.75％，铜4.0％，铁1.05％，锰0.35％，镁0.35％，锌3.0％，镍0.5％，铬0.15％，铅0.1％，锡0.10％，钛0.15％，铋0.02％，铍0.001％，锂0.001％，余量为铝。

实施例三

本发明高密度铝铜合金材料K51由以下重量百分比的各组分制备而成：硅14.2％，铜3％，铁0.8％，锰0.2％，镁0.3％，锌2.5％，镍0.4％，铬0.1％，锡0.08％，钛0.1％，铋0.03％，铅0.08％，铍0.01％，锂0.002％，余量为铝。

实施例四

采用铝铜合金材料(A380)由以下重量百分比的各组分制备而成：硅7.5～9.5％，铜3.0～4.0％，铁≤1.3％，锰≤0.5％，镁≤0.1％，锌≤3.0％，镍≤0.5％，锡0.35％余量为铝。

实施例五

采用铝铜合金材料(ADC12)由以下重量百分比的各组分制备而成：硅9.6～12％，铜1.5～3.5％，铁≤1.3％，锰≤0.5％，镁≤0.3％，锌≤1％，镍≤0.5％，锡≤0.20％，铅≤0.2％，余量为铝。

实施例六

采用铝铜合金材料(ZL111)由以下重量百分比的各组分制备而成：硅8～10％，铜1.3～1.8％，铁≤0.4％，锰≤0.1～0.35％，镁0.4～0.6％，锌≤0.1％，钛0.1～0.35，锡≤0.01％，铅≤0.05％，余量为铝。

相同条件下实施例1-6所得试样各机械性能检测数据见表1：

从上表可知，本发明通过控制富含硅、铜和镁的含量，抑制锌、镍、铬、锡、钛、铋、铍和锂的含量，能够同时提升连杆的抗拉强度、屈服强度和HB，使铝铜合金材料内部金相组织强，组织致密、晶粒细小，具有良好的力学性能。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种高密度铝铜合金材料，其特征在于：该高密度铝铜合金材料由以下重量百分比的各组分制备而成：硅13.5-14.75％，铜2.5-4.0％，铁0.5-1.05％，锰0.1-0.35％，镁0.25-0.35％，锌≤3.0％，镍≤0.5％，铬≤0.15％，锡≤0.10％，钛≤0.15％，铋≤0.05％，铅≤0.1％，铍≤0.02％，锂≤0.003％，余量为铝。

2.根据权利要求1所述的高密度铝铜合金材料，其特征在于：该高密度铝铜合金材料由以下重量百分比的各组分制备而成：硅13.5-14.75％，铜2.5-4.0％，铁0.5-1.05％，锰0.1-0.35％，镁0.25-0.35％，锌2.0-3.0％，镍0.1-0.5％，铬0.05-0.15％，锡0.06-0.10％，钛0.01-0.15％，铋0.02-0.05％，铅≤0.05-0.1％，铍0.001-0.02％，锂0.001-0.003％，余量为铝。

3.根据权利要求2所述的高密度铝铜合金材料，其特征在于：该高密度铝铜合金材料由以下重量百分比的各组分制备而成：硅14.2％，铜3％，铁0.8％，锰0.2％，镁0.3％，锌2.5％，镍0.4％，铬0.1％，锡0.08％，钛0.1％，铋0.03％，铅≤0.08，铍0.01％，锂0.002％，余量为铝。

4.一种制备权利要求1～3任一项所述的高密度铝铜合金材料的制备方法：其特征在于：其步骤如下：

1)熔炼：

将铝铬中间合金放入坩埚中，加热至920～930℃，待其完全融化后，将炉温降至780～800℃；然后按设动的合金成分，加入铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝锌中间合金、铝铁中间合金、铝镍中间合金、铝镁中间合金、铝钛硼中间合金，铝稀土中间合金和铝，2/3以上的炉料熔化后，加入覆盖剂，覆盖剂的成分质量为：萤石、石英砂和工业盐；

2)除渣：待炉料全部熔化后，将炉温降至720～730℃保温15～20min，扒去熔渣，加入铝精炼剂，在725～730℃下保温10～15min后撇渣，得到精炼金属溶液；

3)浇铸：将铸造模具预热至140～170℃，将精炼金属溶液通过液态模锻工艺成铸胚。