CN108950325A - 一种高强度铝合金材料及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度铝合金材料及其生产工艺，属于铝合金材料领域，以质量分数计，该铝合金成分包括Si：7.1～7.5％，Cu：3.5～3.9％，Mg：0.05～0.1％，Mn：0.1～0.3％，Sr：0.0045～0.0085％，Ti：0.03～0.1％，杂质P≤0.001％，Fe≤0.3％，余量为Al以及不可去除的杂质元素，通过设置铝合金中各元素的配比及其熔炼工艺，使各元素对合金的性能影响达到最佳效果，通过使用Sr和Ti进行变质，以及设定Sr和Ti的含量占比，有效解决铸造过程中产生的热裂缺陷，同时提高抗拉强度和延伸率。

Description

一种高强度铝合金材料及其生产工艺
技术领域
本发明涉及一种高强度铝合金材料及其生产工艺，属于铝合金材料领域。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一种有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用，因铝合金密度低，但强度较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性，导热性和抗蚀性，因此在工业上广泛使用，例如现有技术中的铝合金ZL107，国标要求Si：6.5-7.5，Cu：3.5-4.5，Fe≤0.5，Mg≤0.1，Mn≤0.5，Zn≤0.3，抗拉强度要求≥275Mpa，延伸率≥2.5％，但是高Cu铝合金在铸造过程中极易出现裂纹，且铸造产品的实际机械性能很难提高，尤其是铝合金在铸造过程中出现的热裂缺陷以及机械性能中的延伸率和抗拉强度较差的问题，热裂是指在高温下形成的裂纹，形成的主要影响因素是合金本身的性质及铸型阻力，是铸件生产中最常见的铸造缺陷之一，其中合金性质的影响主要取决于合金在热裂形成温度范围内的绝对收缩量和强度。因此对铝合金的性能进行优化需要对铝合金的组成成分及其含量以及生产工艺等进行优化改进，从而提高铝合金的抗拉强度和延伸率，以及避免铸造过程中产生的热裂缺陷。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种高强度铝合金材料及其生产工艺，有效解决铸造过程中产生的热裂缺陷，同时提高抗拉强度和延伸率。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高强度铝合金材料及其生产工艺，以质量分数计，该铝合金成分包括Si：7.1～7.5％，Cu：3.5～3.9％，Fe≤0.3％，Mg：0.05～0.1％，Mn：0.1～0.3％，Sr：0.0045～0.0085％，Ti：0.03～0.1％，杂质P≤0.001％，余量为Al以及不可去除的杂质元素。
该铝合金的生产工艺步骤为：(1)向倾转炉内加入固态铝原料，倾转炉的炉膛温度设定为750℃～780℃，熔融3小时，然后调整到变质温度730℃～760℃，静置；
(2)撇除倾转炉表面浮渣，向倾转炉内加入Mg、Si、Cu、Mn和Ti，加入的Mg、Si、Cu和Mn元素的形式为合金或单质，其中Ti元素按照要求含量的50％添加，通过光谱分析仪实时检测各元素的质量分数并及时调整各元素的加入量；
(3)彻底清渣：分三次加入清渣剂，自上而下至自下而上进行反复搅拌，扒渣；
(4)变质除气：彻底清渣后调整铝液温度至720℃～740℃，加入锶杆和钛硼丝，使用除气机通入氮气，压力0.75～1.5Mpa，保持时间20～25分钟，通气结束后静置10分钟，撇渣后观察气体情况，监测气体含量，如果气体含量超标重新进行精炼除气处理，再次进行表面撇渣，盖上保温盖，静置10分钟，待气体含量合格后，调整浇铸温度为730～760℃；
(5)浇铸试样：对待浇铸的铝液进行光谱分析，如果成分合格，且符合浇铸温度，将铝液盛入坩埚后进行浇铸，被浇铸的模具喷涂保温涂层剂并升温至300～360℃，同时在模具的冒口、浇道刷保温涂料，剩余铝液盖上保温盖，取出浇铸试样做好标记后送至光谱室进行成分光谱分析；
(6)浇铸产品及热处理：光谱分析各元素成分合格后热处理：450℃～550℃温度下淬火6小时，150℃～200℃回火8小时，得到铝合金产品。
本发明的有益效果是：通过合理的设置Si的含量，可以有效的提高合金在冷却过程中的流动性，且可以对合金起到强化作用，提高材料的耐磨性能，降低膨胀系数，而过量的Si，则会导致抗拉和屈服强度大大降低，导致材料过脆的缺陷；
通过合理的设置Cu的含量，保证Cu本身的固溶强化作用的前提下，提高强度改善锻造塑性，而过量的Cu会导致铸造极易出现缩孔和缩裂的缺陷；
通过合理的设置Mg的含量，可以有效的提高合金的整体抗拉强度，而过量的Mg则会降低合金的延伸率；
通过添加适量的Sr元素，可以改善合金组织，减少熔体表面的张力，大幅度提高合金在冷却过程中的流动性，从根本上解决合金的热裂缺陷，而过量的Sr会导致铝液吸气，并破坏晶间距，反而容易出现缩孔等缺陷；
通过添加适量的Ti元素，改善金相组织，使组织更加均匀，使合金的枝状体更加均匀，通过在第(2)步和第(4)步分两次加入Ti元素的合金，避免因一次性加入钛硼丝发生反应不完全导致沉淀的现象，提高钛硼丝的反应程度；
通过设置铝合金中各元素的配比及其熔炼工艺，使各元素对合金的性能影响达到最佳效果，通过使用Sr和Ti进行变质，以及设定Sr和Ti的含量占比，有效解决铸造过程中产生的热裂缺陷，同时提高抗拉强度和延伸率。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，第(1)步中的固态铝为30～50％的铝锭，其余为回炉料。
采用上述进一步方案的有益效果是，充分回收利用生产过程中的剩料，节省资源成本。
进一步，第(4)步精炼结束后对倾转炉内的铝液表面进行清除铝渣、氧化皮操作。
进一步，第(5)步铝液进行浇铸时，需要定时对倾转炉内的待浇铸的铝液表面的氧化皮进行清理并回收至专用容器。
采用上述进一步方案的有益效果是，通过对铝液表面的铝渣和氧化皮的及时清理，避免影响后续的浇铸操作，防止浇铸的铝合金产品内部发生热裂、缩孔等缺陷。
进一步，第(6)步中，坩埚内待浇铸的铝液距离坩埚底下降至200mm时，停止浇铸工作，将坩埚内的铝液浇铸成铝锭作为第(1)步的固态铝原料。
采用上述进一步方案的有益效果是，由于坩埚内的铝液液面较低时，坩埚底部的铝液中沉淀杂质较多，如果继续浇铸，容易造成浇铸的铝合金产品内部缩孔、缩松等缺陷，影响铝合金的材料性能。
进一步，第(5)步中，如果浇铸时间持续4小时，停止浇铸，坩埚内剩余铝液作为回炉料再次进行清渣、变质、除气、静置处理后重新继续浇铸。
采用上述进一步方案的有益效果是，由于浇铸的过程中会对Sr和Ti元素有一定的消耗，随着铝液的浇铸，铝液的性能也会有所变化，因此如果浇铸时间持续4小时的话，需要对剩余的铝液进行再处理，从而保证铝合金产品的性能。
进一步，第(5)步中进行浇铸时，如果突然停电，停电时间小于4小时，可用石棉封盖保温；若停电时间超过4小时，将坩埚内剩余铝液倒出浇铸成铝锭，冷却后称重待用。
采用上述进一步方案的有益效果是，由于带浇铸的铝液长时间不使用，会发生沉淀，影响浇铸产品的性能，对超过4小时的铝液进行回收再利用，有利于保证铝合金产品的性能，避免产生铸造缺陷。
进一步，第(5)步中，如果坩埚内的铝液使用完，待浇铸的铝液倒入坩埚后应距离坩埚口20mm以下，盖上坩埚盖，调整浇铸温度为730～760℃。
采用上述进一步方案的有益效果是，如果铝液液面距离坩埚口太近，容易造成铝液溢漏，损坏熔炼炉丝或者损坏坩埚外壁，通过设定铝液的最高液面，有利于保护设备，延长使用寿命。
附图说明
图1为除气标准参照图；
图2为对比例1的断口图片；
图3为对比例1的金相图片；
图4为对比例2的断口图片；
图5为对比例2的金相图片；
图6为实验例的断口图片；
图7为实验例的金相图片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种高强度铝合金材料及其生产工艺，以质量分数计，该铝合金成分包括Si：7.1～7.5％、Cu：3.5～3.9％、Mg：0.05～0.1％、Mn：0.1～0.3％、Sr：0.0045～0.0085％、Ti：0.03～0.1％，杂质P≤0.001％，Fe≤0.3％,余量为Al以及不可去除的杂质元素。
该铝合金的生产工艺步骤为：(1)向倾转炉内加入含铝元素为220Kg的固态铝原料，固态铝原料包括30％的铝锭，其余的为回炉料，充分回收利用生产过程中的剩料，节省资源成本，倾转炉的炉膛温度设定为750℃～780℃，熔融3小时，然后调整到变质温度730℃～760℃，静置；
(2)撇除倾转炉表面浮渣，向倾转炉内加入Mg、Si、Cu、Mn各元素的合金，加入的Mg、Si、Cu和Mn元素的形式为合金，依次为氧化镁、氧化硅、氧化铜和氧化锰，其中各元素的质量分别为：Mg元素为0.25kg，Si元素为18.64kg，Cu元素为8.70kg，Mn元素为0.50kg，通过光谱分析仪实时检测各元素的质量分数，如果与设定的铝合金成分占比不符，则及时调整各元素的加入量，还加入钛硼丝，其中钛硼丝中Ti元素的质量为0.125kg，使Ti元素含量达到铝合金所要求的Ti含量质量百分比的一半；通过在第(2)步和第(4)步分两次加入Ti元素的合金，避免因一次性加入钛硼丝发生反应不完全导致沉淀的现象，提高钛硼丝的反应程度。
(3)彻底清渣：分三次加入清渣剂，自上而下至自下而上进行反复搅拌，扒渣，避免一次性加入清渣剂容量过大，造成反应不充分形成沉淀的现象；
(4)变质除气：彻底清渣后调整铝液温度至720℃～740℃，加入锶杆和钛硼丝，使用除气机通入氮气，压力0.75～1.5Mpa，保持时间20～25分钟，通气结束后静置10分钟，撇渣后观察气体情况，监测气体含量，如果气体含量超标重新进行精炼除气处理，再次进行表面撇渣，盖上保温盖，静置10分钟，待气体含量合格后，调整浇铸温度为730～760℃；
(5)浇铸试样：对待浇铸的铝液进行光谱分析，如果成分合格，且符合浇铸温度，将铝液盛入坩埚后进行浇铸，被浇铸的模具喷涂395保温涂层剂并升温至300～360℃，同时在模具的冒口、浇道刷保温涂料，铝液进行浇铸时，需要定时对倾转炉内的待浇铸的铝液表面的氧化皮进行清理并回收至专用容器，剩余铝液盖上保温盖，取出浇铸试样做好标记后送至光谱室进行成分光谱分析，通过对铝液表面的铝渣和氧化皮的及时清理，避免影响后续的浇铸操作，防止浇铸的铝合金产品内部发生热裂、缩孔等缺陷，另外需要注意的是：①坩埚内待浇铸的铝液距离坩埚底下降至200mm时，停止浇铸工作，将坩埚内的铝液浇铸成铝锭作为第(1)步的固态铝原料，由于坩埚内的铝液液面较低时，坩埚底部的铝液中沉淀杂质较多，如果继续浇铸，容易造成浇铸的铝合金产品内部缩孔、缩松等缺陷，影响铝合金的材料性能，②如果浇铸时间持续4小时，停止浇铸，坩埚内剩余铝液作为回炉料再次进行清渣、变质、除气、静置处理后重新继续浇铸，由于浇铸的过程中会对Sr和Ti元素有一定的消耗，随着铝液的浇铸，铝液的性能也会有所变化，因此如果浇铸时间持续4小时的话，需要对剩余的铝液进行再处理，从而保证铝合金产品的性能，进行浇铸时，③如果突然停电，停电时间小于4小时，可用石棉封盖保温；若停电时间超过4小时，将坩埚内剩余铝液倒出浇铸成铝锭，冷却后称重待用，由于带浇铸的铝液长时间不使用，会发生沉淀，影响浇铸产品的性能，对超过4小时的铝液进行回收再利用，有利于保证铝合金产品的性能，避免产生铸造缺陷，④如果坩埚内的铝液使用完，待浇铸的铝液倒入坩埚后应距离坩埚口20mm以下，盖上坩埚盖，调整浇铸温度为730～760℃，如果铝液液面距离坩埚口太近，容易造成铝液溢漏，损坏熔炼炉丝或者损坏坩埚外壁，通过设定铝液的最高液面，有利于保护设备，延长使用寿命；
(6)浇铸产品及热处理：光谱分析各元素成分合格后热处理：510℃温度下淬火6小时，170℃回火8小时，得到铝合金产品。
本发明的有益效果是：通过合理的设置Si的含量，可以有效的提高合金在冷却过程中的流动性，且可以对合金起到强化作用，提高材料的耐磨性能，降低膨胀系数，而过量的Si，则会导致抗拉和屈服强度大大降低，导致材料过脆的缺陷；
通过合理的设置Cu的含量，保证Cu本身的固溶强化作用的前提下，提高强度改善锻造塑性，而过量的Cu会导致铸造极易出现缩孔和缩裂的缺陷；
通过合理的设置Mg的含量，可以有效的提高合金的整体抗拉强度，而过量的Mg则会降低合金的延伸率；
通过添加适量的Sr元素，可以改善合金组织，减少熔体表面的张力，大幅度提高合金在冷却过程中的流动性，从根本上解决合金的热裂缺陷，而过量的Sr会导致铝液吸气，并破坏晶间距，反而容易出现缩孔等缺陷；
通过添加适量的Ti元素，改善金相组织，使组织更加均匀，使合金的枝状体更加均匀；
通过设置铝合金中各元素的配比及其熔炼工艺，使各元素对合金的性能影响达到最佳效果，通过使用Sr和Ti进行变质，以及设定Sr和Ti的含量占比，有效解决铸造过程中产生的热裂缺陷，同时提高抗拉强度和延伸率。
第(4)步中含气量检查方法：①将铝液浇入真空仪的U型器具中，观察铝液冷却过程中是否有气泡上冒；②判定标准：铝液凝固表面应无气泡或气泡少而小，表面下凹或为平面，则为合格；铝液凝固表面气泡多而大，表面凸起，则不合格，需重新精炼除气，除气合格标准可见附图1。
实施例2
在实施例1的基础上，对本发明的技术方案进一步优化。
该铝合金的生产工艺步骤为：(1)向倾转炉内加入含铝元素为220Kg的固态铝原料，固态铝原料包括30％的铝锭，其余的为回炉料，充分回收利用生产过程中的剩料，节省资源成本，倾转炉的炉膛温度设定为750℃～780℃，熔融3小时，然后调整到变质温度730℃～760℃，静置；
(2)撇除倾转炉表面浮渣，向倾转炉内加入Mg、Si、Cu、Mn各元素的合金，加入的Mg、Si、Cu和Mn元素的形式为单质，分别为镁条、单晶硅、铜块和锰条，其中各元素的质量分别为：Mg元素为0.124kg，Si元素为17.627kg，Cu元素为9.683kg，Mn元素为0.745kg，通过光谱分析仪实时检测各元素的质量分数，如果与设定的铝合金成分占比不符，则及时调整各元素的加入量，还加入钛硼丝，其中钛硼丝中Ti元素的质量为0.037kg，使Ti元素含量达到铝合金所要求的Ti含量质量百分比的一半；通过在第(2)步和第(4)步分两次加入Ti元素的合金，避免因一次性加入钛硼丝发生反应不完全导致沉淀的现象，提高钛硼丝的反应程度。
(3)彻底清渣：分三次加入清渣剂，自上而下至自下而上进行反复搅拌，扒渣，避免一次性加入清渣剂容量过大，造成反应不充分形成沉淀的现象；
(4)变质除气：彻底清渣后调整铝液温度至720℃～740℃，加入锶杆和钛硼丝，使用除气机通入氮气，压力0.75～1.5Mpa，保持时间20～25分钟，通气结束后静置10分钟，撇渣后观察气体情况，监测气体含量，如果气体含量超标重新进行精炼除气处理，再次进行表面撇渣，盖上保温盖，静置10分钟，待气体含量合格后，调整浇铸温度为730～760℃，精炼结束后对倾转炉内的铝液表面进行清除铝渣、氧化皮操作。
(5)浇铸试样：对待浇铸的铝液进行光谱分析，如果成分合格，且符合浇铸温度，将铝液盛入坩埚后进行浇铸，被浇铸的模具喷涂395保温涂层剂并升温至300～360℃，同时在模具的冒口、浇道刷保温涂料，铝液进行浇铸时，需要定时对倾转炉内的待浇铸的铝液表面的氧化皮进行清理并回收至专用容器，剩余铝液盖上保温盖，取出浇铸试样做好标记后送至光谱室进行成分光谱分析，通过对铝液表面的铝渣和氧化皮的及时清理，避免影响后续的浇铸操作，防止浇铸的铝合金产品内部发生热裂、缩孔等缺陷；
(6)浇铸产品及热处理：光谱分析各元素成分合格后热处理：510℃温度下淬火6小时，170℃回火8小时，得到铝合金产品。
试验过程：
下面为铝合金在铝液配比和浇铸时不同条件下浇铸的铝合金产品的性能试验对比：对比例1为含P杂质较高(P＝0.0026％)，未进行Sr和Ti变质工艺的浇铸拉力棒试样；对比例2为含P杂质较低(P＝0.001％)，进行Sr变质工艺和Ti细化工艺后浇铸的拉力棒试样；实验例为含P杂质较低(P＝0.001％)，进行Sr变质、Ti细化同时浇铸时模具进行保温360℃后的浇铸的拉力棒试样，其他元素和生产工艺参数一样，对比例1、对比例2和实验例每组均浇铸4个拉力棒试样，分别进行4次性能测验，其中机械性能参数合格标准：拉力值≥275Mpa，屈服强度≥193，延伸率≥5％。
机械性能实验对比表：
1、对比例1的机械性能参数如下：
①4个拉力棒的性能参数如下表：
②断口(见附图2)；
③金相(见附图3)；
2、对比例2的机械性能参数(加入Sr和Ti变质)：
①4个拉力棒的性能参数如下表：
②断口(见附图4)；
③金相(见附图5)；
3、实验例的机械性能参数如下(加入Sr和Ti变质，模具保温温度为300℃)：
①4个拉力棒的性能参数如下表：
②断口(见附图6)；
③金相(见附图7)；
由以上参数可知，①通过对比机械性能参数表，可知实验例较对比例1和对比例2，抗拉强度和延伸率均较稳定，细化效果较好；
②对比例1由于含P较高，采用P变质，断口较粗糙，颗粒较大，金相中颗粒较明显；
③对比例2由于含P较低，采用Sr和Ti变质，但是没有采取模具保温，变质不完全，效果不明显，断口较对比例1粗糙降低，颗粒减小，金相中可看出变质不充分，有枝状体；
④实验例由于含P较低，且采用Sr和Ti变质，同时采取浇铸时模具保温，断口平滑细腻，金相中无明显颗粒感；
由以上得出结论：降低合金中含P量，同时采用Sr和Ti变质，浇铸时保证模具保温，能够最大化优化铝合金的机械性能，提高其抗拉强度和延伸率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种高强度铝合金材料，其特征在于：以质量分数计，该铝合金成分包括Si：7.1～7.5％，Cu：3.5～3.9％，Mg：0.05～0.1％，Mn：0.1～0.3％，Sr：0.0045～0.0085％，Ti：0.03～0.1％，杂质P≤0.001％，Fe≤0.3％，余量为Al以及不可去除的杂质元素。
2.一种根据权利要求1所述的一种高强度铝合金材料的生产工艺，其特征在于：该铝合金的生产工艺步骤为：(1)向倾转炉内加入固态铝原料，倾转炉的炉膛温度设定为750℃～780℃，熔融3小时，然后调整到变质温度730℃～760℃；
(2)撇除倾转炉表面浮渣，向倾转炉内加入Mg、Si、Cu、Mn和Ti元素，Ti元素按照要求含量的50％添加，通过光谱分析仪实时检测各元素的质量分数并及时调整各元素的加入量；
(3)彻底清渣：分三次加入清渣剂，自上而下至自下而上进行反复搅拌，扒渣；
(4)变质除气：彻底清渣后调整铝液温度至720℃～740℃，加入锶杆和钛硼丝，使用除气机通入氮气，压力0.75～1.5Mpa，保持时间20～25分钟，通气结束后静置10分钟，撇渣后观察气体情况，监测气体含量，如果气体含量超标重新进行精炼除气处理，再次进行表面撇渣，盖上保温盖，静置10分钟，待气体含量合格后，调整浇铸温度为730～760℃；
(5)浇铸试样：对待浇铸的铝液进行光谱分析，如果成分合格，且符合浇铸温度，将铝液盛入坩埚后进行浇铸，被浇铸的模具喷涂保温涂层剂并升温至300～360℃，同时在模具的冒口、浇道刷保温涂料，剩余铝液盖上保温盖，取出浇铸试样做好标记后送至光谱室进行成分光谱分析；
(6)浇铸产品及热处理：光谱分析各元素成分合格后热处理：450℃～550℃温度下淬火6小时，150℃～200℃回火8小时，得到铝合金产品。
3.根据权利要求2所述的一种高强度铝合金材料的生产工艺，其特征在于：第(1)步中的固态铝为30～50％的铝锭，其余为回炉料。
4.根据权利要求2所述的一种高强度铝合金材料的生产工艺，其特征在于：第(4)步精炼结束后对倾转炉内的铝液表面进行清除铝渣、氧化皮操作。
5.根据权利要求2所述的一种高强度铝合金材料的生产工艺，其特征在于：第(5)步铝液进行浇铸时，定时对倾转炉内的待浇铸的铝液表面的氧化皮进行清理并回收至专用容器。
6.根据权利要求2所述的一种高强度铝合金材料的生产工艺，其特征在于：第(5)步中，坩埚内待浇铸的铝液距离坩埚底下降至200mm时，停止浇铸工作，将坩埚内的铝液浇铸成铝锭作为第(1)步的固态铝原料。
7.根据权利要求2所述的一种高强度铝合金材料的生产工艺，其特征在于：第(6)步中的热处理操作为：510℃温度下淬火6小时，170℃回火8小时，得到铝合金产品。
8.根据权利要求2所述的一种高强度铝合金材料的生产工艺，其特征在于：加入的Mg、Si、Cu和Mn元素的形式为合金，依次为氧化镁、氧化硅、氧化铜和氧化锰。
9.根据权利要求2所述的一种高强度铝合金材料的生产工艺，其特征在于：加入的Mg、Si、Cu和Mn元素的形式为单质，分别为镁条、单晶硅、铜块和锰条。
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