CN111020321B - 一种适于锻造加工的Al-Cu系铸造合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种适于锻造加工的Al‑Cu系铸造合金及其制备方法，针对铜含量较高Al‑Cu系铸造合金难锻造问题，通过多种强化元素和抑制元素的加入，缩小浇注过程中凝固温度区间及增加晶界拖拽效应，减少枝晶等的产生，达到增强材料锻造性能的效果。Al‑Cu系铸造合金中各组分及重量的百分比为：Cu：4％～6％、Mn：0.5％～1.0％、Si：0.4％～0.8％，Mg：0.3％～0.6％，Ti：0.15％～0.4％，其余杂质<0.5％，余量为铝元素。通过提升Al‑Cu系铸造合金中Mn元素的含量比例及提升Si元素含量，使得锻造后固溶时效处理过程中，Si相细化弥散及第二相粒子(Al2Cu、ALCuFeMn复合相等)大量弥散析出，钉扎效果强化，显著提升了Al‑Cu系铸造合金的锻造性能，锻造后力学性能抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥350MPa，延伸率≥15％。

Description

一种适于锻造加工的Al-Cu系铸造合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铸造铝合金，具体涉及一种适于锻造加工的Al-Cu系铸造合金及其制备方法，其锻造特性优异。
背景技术
Al-Cu系铸造铝合金是典型的高强高韧合金，具有优良的综合力学性能，其具有较高的强度、良好的延展性及塑性、以及优良的高温性能和切削性，当前主要作为军工以及民品结构材料，在航空、航天、以及汽车轮毂行业领域有重大应用前景。
然而，由于Al-Cu系铸造铝合金具有较宽的结晶温度范围，并且凝固过程共晶组织中存在塑性较差的Al2Cu相，易发生拉裂。同时由于生产过程中，结构件各处凝固速度不同，存在应力。双重原因造成Al-Cu系合金有严重的热裂倾向，材料强韧性严重受限，制约了Al-Cu系铸造合金的应用前景。
文献记载，变形铝合金的铸造缺陷可以通过热加工改良。然而铝合金在热加工过程中，铸造组织转变为加工组织，伴随着动态回复和动态再结晶现象，动态回复包括位错形成、移动及湮灭现象，在所有金属热加工过程中均会发生，作为高层错能金属，铝合金中的位错易于移动，因而传统的形核及晶粒长大这种非连续动态再结晶现象很难发生，一般铝合金热加工过程中的动态再结晶机制为连续动态再结晶，铸造原始晶粒内小角晶界的形成，继而由小角晶界转变成大角度晶界，导致力学性能恶化。
发明内容
本发明的目的是：本发明是针对铜含量较高Al-Cu系铸造合金难锻造问题，通过多种强化元素和抑制元素的加入，缩小浇注过程中凝固温度区间及增加晶界拖拽效应，减少枝晶等的产生，达到增强材料锻造性能的效果，扩大材料的使用前景。
本发明的技术方案是：一种适于锻造加工的Al-Cu系合金，其中各组分及其质量百分比为：Cu：4％～6％、Mn：0.5％～1.0％、Si：0.4％～0.8％、Mg：0.3％～0.6％、Ti：0.15％～0.4％，杂质<0.5％，余量为Al。
进一步的，选取铸造铝铜合金作为基础原料。
进一步的，附加材料包括Al-Ti-B合金、Al-Mn合金和Al-Si合金。
进一步的，对该合金经过加热温度为460-490℃、压下率>10％的液压锻造后，经过固溶时效处理后满足抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥350MPa，延伸率≥15％。
进一步的，所述固溶时效处理为：将合金锻件加热至525℃±5℃，保温8-12小时后，快速淬入20-60℃的水中进行冷却，之后将合金锻件加热至160℃-190℃，保温6-12小时后，空冷。
进一步的，其中各组分及其质量百分比为：Cu：5％、Mn：0.75％、Si：0.5％、Mg：0.5％、Ti：0.35％，杂质<0.5％，余量为Al。
进一步的，其中各组分及其质量百分比为：Cu：4.5％、Mn：0.7％、Si：0.5％、Mg：0.5％、Ti：0.35％，杂质<0.5％，余量为Al。
本发明还提供一种适于锻造加工的Al-Cu系合金制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、准备原材料，包括铸造铝铜合金、Al-Ti-B合金、Al-Mn合金和Al-Si合金；
S2、熔解铸造铝铜合金，之后添加Al-Ti-B合金、Al-Mn合金和Al-Si合金精炼得到合金溶体；
S3、将合金溶体浇注到模具之中，冷却后得到合金铸锭；
S4、对合金铸锭进行轧制前的均匀化退火，退火工艺为：将合金铸锭加热至450-490℃，保温8-10小时后，炉冷至280-300℃后，空冷。
本发明的优点是：
(1)本发明的锻造特性优异的Al-Cu系铸造合金通过改变Cu元素与Mn元素含量比例，同时引入Si、Mg等元素，在锻造后期固溶时效处理过程中，Si相细化，时效析出的均匀细小的纳米级Al2Cu、ALCuFeMn复合相等对合金其强烈的沉淀强化效果，优化锻件机械性能，提升了材料成材率。
(2)本发明的锻造特性优异的Al-Cu系铸造合金的化学成分中不含有毒元素Cd及Be，安全性好，也大幅降了贵金属元素(Zr)以及稀土元素(Ld等)的使用，材料生产成本大幅降低。
(3)本发明通过合理的设置合金添加含量，得到的Al-Cu系铸造合金锻件的抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥350MPa，延伸率≥15％，相对于Al-Cu系锻造合金2A12、2A11等性能优化明显。
(4)本发明的造特性优异的Al-Cu系铸造合金对其中Fe和杂质元素的含量要求控制宽松，Fe的上限可至0.3wt％，杂质的元素上限可至0.5wt％，因此对原材料和工艺的要求降低，从而有利于工业化的实施和推广。
具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个可能实施案例中的一些方案，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。因此，以下具体实施方式仅是对本发明的技术案例的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
本实施例的锻造特性优异的Al-Cu系铸造铝合金中各组分重量百分比为：Cu：4.8％、Mn：0.7％、Si：0.5％，Mg：0.5％，Ti：0.35％，其余杂质<0.3％，余量为Al。
制备方法过程如下：将原料溶解、精炼后得到合金溶体；将铝合金溶体浇注到模具之中，冷却后得到合金铸锭；对得到的合金铸锭进行轧制前的均匀化退火；再对均匀化退火的铸锭进行多向锻造，最后对锻造件进行固溶时效处理，最后得到重量轻且锻造特性优异的Al-Cu系合金锻造件。
具体在制备过程中包括以下步骤：
1)先将工业Al-Cu在电阻炉中加热至700～720℃，然后按照铝合金的化学成分重量百分比向电阻炉中继续加入Al-Si中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti-B中间合金等，加完后保温并进行搅拌。
2)待步骤1中所有加入的中间合金都溶解完毕以后，使电阻炉升温至740～750℃，然后向炉中加入无毒精炼剂，除气精炼后得到铝合金溶体。
3)将步骤2得到的铝合金溶体在700～720℃℃下以重力铸造方式浇注到已预热至200～200℃的模具中，然后在空气中自然冷却得到铝合金铸锭。
将所得Al-Cu系铸造合金采用以下优化的锻造方法：
1)对铝合金铸锭进行均匀化处理，其工艺为：将铝合金铸锭加热至450～490℃，保温8-10小时后，炉冷至280-300℃后，空冷。
2)对步骤1)得到的铝合金铸锭进行锻造处理，其工艺为：将步骤1)均匀化退火的铸锭，加热至460-490℃，进行液压锻造。
3)对步骤2)得到的铝合金锻件进行固溶处理，其工艺为：将铝合金锻件加热至525℃±5℃，保温8～12小时后，快速淬入20～60℃的水中进行冷却，之后将固溶处理后的铝合金锻件加热至160℃～190℃，保温6～12小时后，空冷。
对本实施例制得的铝合金锻件进行力学性能测试，其中
抗拉强度、屈服强度及延伸率按照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》的标准进行检测。
测试结果如下：抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥350MPa，延伸率≥15％。实施例2至实施例10的锻造特性优异的Al-Cu系铸造合金中各组分及其相对于所述铸造合金总重量的百分比如下表1，各实施例的合金中不可避免的杂质含量低于0.5％。
表1化学成分(wt.％)
Figure BDA0002312707510000041
Figure BDA0002312707510000051
表2力学性能
实施例 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率％
2A12合金 427 333 10
2A11合金 402 245 15
2 530 360 15
3 534 367 16
4 538 370 16
5 545 376 17
6 548 380 18
7 550 380 20
8 545 375 19
9 538 370 18
10 530 360 17

Claims (3)

1.一种适于锻造加工的Al-Cu系合金，其特征在于：其中各组分及其质量百分比为：Cu：6％、Mn：0.5％、Si：0.4％、Mg：0.3％或0.6％、Ti：0.4％，杂质<0.5％，余量为Al；
对该合金经过加热温度为460-490℃、压下率>10％的液压锻造后，经过固溶时效处理后满足抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥350MPa，延伸率≥15％；所述固溶时效处理为：将合金锻件加热至525℃±5℃，保温8-12小时后，快速淬入20-60℃的水中进行冷却，之后将合金锻件加热至160℃-190℃，保温6-12小时后，空冷。
2.根据权利要求1所述的适于锻造加工的Al-Cu系合金，其特征在于：选取铸造铝铜合金作为基础原料。
3.根据权利要求1所述的适于锻造加工的Al-Cu系合金，其特征在于：附加材料包括Al-Ti-B合金、Al-Mn合金和Al-Si合金。
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