CN111041304B - 一种抗热裂Al-Cu系铸造铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种抗热裂Al‑Cu系铸造铝合金及其制备方法，针对铜含量较高Al‑Cu系铸造铝合金热裂问题，通过多种强化元素和抑制元素的加入，提升材料的延伸率及减小浇注过程中凝固温度区间，同时增加晶界拖拽效应。Al‑Cu系铸造铝合金中各组分及重量的百分比为：Cu：4％～6％、Mn：0.7％～1.5％、Ti：0.1％～0.4％、B：0.005％～0.06％、V：0.005％～0.030％，余量为Al。通过提升Al‑Cu系铸造合金中Mn元素的含量比例，形成MnAl16化合弥散质点沿晶界分布，阻碍再结晶经晶粒的长大；同时熔解铁杂质，形成(Fe、Mn)Al16化合物，减小铁的有害影响。显著提升了Al‑Cu系铸造合金的抗热裂性能和延伸率。

Description

一种抗热裂Al-Cu系铸造铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铸造合金，具体涉及一种抗热裂Al-Cu系铸造铝合金及其制备方法，提升材料性能，扩大市场应用前景。
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，制约了Al-Cu系合金的应用前景。
在Al-Cu系铸造铝合金中，法国牌号的A-U5GT合金，美国铝协会牌号的A201.0和我国牌号的ZL205A合金是其中的典型代表。然而由于其存在以下缺点：虽然具有较高的强度，但合金的铸造性能很差，其表现为热裂倾向较大，补缩困难，难以提升成材率和应用范围。
发明内容
本发明的目的是：本发明是针对铜含量较高Al-Cu系铸造铝合金热裂问题，通过多种强化元素和抑制元素的加入，提升材料的延伸率及减小浇注过程中凝固温度区间，同时增加晶界拖拽效应，提高成材率，扩大材料的使用前景。
本发明的技术方案是：一种抗热裂Al-Cu系铸造铝合金，其中各组分及重量百分比为：Cu：4％-6％、Mn：0.7％-1.5％、Ti：0.1％-0.4％、B：0.005％-0.06％、V：0.005％-0.030％，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合金和Al-Mn合金。
进一步的，对该合金经过固溶时效处理及冷热循环处理后，满足热裂因子小于30，延伸率大于10％。
进一步的，所述固溶时效处理为：将合金铸件加热至525℃±5℃，保温8-12小时后，快速淬入20-60℃的水中进行冷却，之后将合金铸件加热至160℃-190℃，保温6-12小时后，空冷。
进一步的，所述冷热循环处理为：将固溶时效处理后的铸件加热到135℃-145℃，保温4-8h进行正温处理，然后出炉冷却至室温；将正温处理后的铸件在-50℃--60℃保温2-8h，出炉恢复至室温状态；之后将负温处理后的铸件加热到135℃-145℃，保温4-8h进行正温处理，随炉冷却至室温。
进一步的，其中各组分及其质量百分比为：Cu：5％、Mn：1.1％、Ti：0.30％、B：0.01％、V：0.01％，余量为Al。
进一步的，其中各组分及其质量百分比为：Cu：4.8％、Mn：1.0％、Ti：0.35％、B：0.01％、V：0.01％，余量为Al。
本发明还提供一种抗热裂Al-Cu系铸造铝合金制备方法，其特征在于，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合金和Al-Mn合金；
S2、熔解铸造铝铜合金，之后添加Al-Ti-B合金和Al-Mn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；
本发明的优点是：
(1)本发明的抗热裂性能优良、延伸率较高的Al-Cu系铸造铝合金通过改变Cu元素与Mn元素含量比例，大幅减少了凝固过程共晶组织中存在Al2Cu相，产生较多MnAl16化合弥散质点沿晶界分布，提升了材料成材率。
(2)本发明的抗热裂性能优良、延伸率较高的Al-Cu系铸造铝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，得到的高强高韧Al-Cu系铸造合金的延伸率大于10％，相对于Al-Cu系ZL201、ZL203合金得到了明显提升，并且合金的抗热裂性能得到了明显改善。
(4)本发明的抗热裂性能优良、延伸率较高的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0.2wt％，杂质的元素上限可至0.3wt％，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，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。
本申请提供以下技术方案：
本实施例的抗热裂性能优良、延伸率较高的Al-Cu系铸造铝合金中各组分重量百分比为：Cu：5％、Mn：1.1％、Ti：0.30％、B：0.01％、V：0.01％，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，冷却后得到合金铸件；对得到的合金铸件进行固溶处理；再对固溶处理后的铸件进行时效处理，最后对时效处理后的铸件进行冷热循环处理得到强韧、抗热裂性能优良的Al-Cu系铸造铝合金。
具体的，包括以下步骤：
1)先将工业纯铝在电阻炉中加热至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-Mn中间合金、Al-Ti-B中间合金，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件。
4)对步骤3)得到的铝合金铸件进行固溶处理，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。
5)对步骤4)时效处理处理后的铸件进行冷热循环处理，其工艺为：将时效处理后的铸件加热到135℃-145℃，保温4-8h进行正温处理，然后出炉冷却至室温；将正温处理后的铸件在-50℃--60℃保温2-8h，出炉恢复至室温状态；之后将负温处理后的铸件加热到135℃-145℃，保温4-8h进行正温处理，随炉冷却至室温。
对本实施例制得的铸造铝合金进行力学性能测试，其中
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：延伸率≥10％
实施例2至实施例10的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的主要组分及其相对于所述铸造铝合金的重量百分比如下表1，各实施例的合金中不可避免的杂质含量低于0.3％。
表1主要化学成分(wt.％)
实施例 Cu Mn Ti Fe Al
2 6.01 1.52 0.32 ≤0.20 余量
3 5.75 1.43 0.30 ≤0.20 余量
4 5.52 1.32 0.31 ≤0.20 余量
5 5.26 1.21 0.30 ≤0.20 余量
6 5.01 1.11 0.31 ≤0.20 余量
7 4.78 1.02 0.33 ≤0.20 余量
8 4.53 0.93 0.31 ≤0.20 余量
9 4.27 0.81 0.32 ≤0.20 余量
10 4.02 0.72 0.31 ≤0.20 余量
表2力学性能和热裂倾向因子
Figure GDA0002404272250000041
Figure GDA0002404272250000051

Claims (3)

1.一种抗热裂Al-Cu系铸造铝合金，其特征在于：其中各组分及重量百分比为：Cu：4％或6％、Mn：0.7％-1.5％、Ti：0.1％-0.4％、B：0.005％-0.01％、V：0.005％-0.030％，余量为Al；对该合金经过固溶时效处理及冷热循环处理后，能够满足热裂因子小于30，延伸率大于10％；
所述固溶时效处理为：将合金铸件加热至525℃±5℃，保温8-12小时后，快速淬入20-60℃的水中进行冷却，之后将合金铸件加热至160℃-190℃，保温6-12小时后，空冷；
所述冷热循环处理为：将固溶时效处理后的铸件加热到135℃-145℃，保温4-8h进行正温处理，然后出炉冷却至室温；将冷却后的铸件在-50℃--60℃保温2-8h，出炉恢复至室温状态；之后将铸件加热到135℃-145℃，保温4-8h进行正温处理，随炉冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的抗热裂Al-Cu系铸造铝合金，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所述的抗热裂Al-Cu系铸造铝合金，其特征在于：附加材料包括Al-Ti-B合金和Al-Mn合金。
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