CN111455242A - 一种具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金及其制备方法 - Google Patents

一种具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种具有高尺寸稳定性的Al‑Cu‑Mg‑Si合金及其制备方法，涉及一种具有高尺寸稳定性的Al‑Cu‑Mg‑Si合金及其制备方法。目的是解决现有的铝合金长期使用过程中尺寸稳定性差的问题。合金中元素的质量百分比为：Cu：2.5％～5.5％，Mg：0.7％～2％，Si：0.3～0.8％，Al为余量，并且Cu和Mg质量比K1为2.61～4，Mg和Si的质量比K2为1.73～4.5；方法：按照元素的质量百分比称取原料，熔化得到铝合金熔液，进行压铸得到铝合金铸锭，热处理。本发明所得铝合金在储存及服役过程中尺寸变化率显著降低，尺寸稳定性明显提高。本发明适用于制备Al‑Cu‑Mg‑Si合金。

Description

一种具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金及其制备方法。
背景技术
尺寸稳定性是指在长期贮存(恒温、变温)或服役(振动、冲击、静载荷)环境下，材料及其零件保持原始尺寸和形状不变的能力，通常用样品经过模拟环境暴露后在固定环境下所测得的尺寸变化来表征。陀螺仪、星敏感器、光学仪器结构件、精密轴承等高精度器件均对尺寸稳定性有极高的要求。世界上许多国家都在开发适用于精密零件的新材料。
2024铝合金、6061铝合金、7075铝合金等具有低密度、高断裂韧性、高疲劳强度以及优异的加工性能，已成为高精度光学和惯性器件的常用的材料。但是，长期以来发现这些合金的尺寸稳定性不足，虽然研发人员在稳定化热处理、去应力退火处理方面做了大量工作，使得尺寸稳定性特性有所提高，但是仍然无法满足高精度仪器仪表的对于精度的越来越高的要求。作为时效强化型铝合金，在时效过程中析出强化相能够获得较高的强度，但是在某些环境下，例如卫星持续运行10年、高精度仪器仪表贮存8年，这种情况下，由于不可避免的少量时效析出足以使仪器精度下降甚至丧失设计精度。例如Al-Cu-Mg系合金的尺寸稳定性因素包括应力因素、组织因素及相的因素，通过传统的热处理方法或者稳定化工艺可以消除材料内部的残余应力并对组织进行调控，解决应力因素、组织因素问题，但对于析出相引起的尺寸变化难以调控。Al-Cu-Mg合金的析出相主要为S′相(Al2CuMg)或者θ′相(Al2Cu)，两种析出相的密度均高于基体合金密度，均会引起合金体积减小。例如，各向同性2024铝合金时效过程中的尺寸变化率为-7.86×10-5，相当于10mm长度的棒缩短0.78μm。Al-Cu-Mg合金中加入一定量Si元素后可析出β′相(Mg2Si)或Q′相(Al3Cu2Mg9Si7)，此两相的密度均低于基体合金，导致合金体积增大。因此，研究新型的Al-Cu-Mg-Si合金，通过对合金成分进行精确调控，对成分精细化设计，控制合金析出相的种类和数量，得到一种具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金材料，这类新材料在精密零件上具有重要工程应用价值。
发明内容
本发明为了解决现有的铝合金长期使用过程中尺寸稳定性差的问题，提出一种具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金及其制备方法。
本发明具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金中元素的质量百分比为：Cu：2.5％～5.5％，Mg：0.7％～2％，Si：0.3～0.8％，Al为余量，并且Cu和Mg质量比K1满足：2.61<K1<4，Mg和Si的质量比K2满足：1.73<K2<4.5；其中杂质总质量含量≤0.1％。
上述具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：准备原料
按照合金中元素的质量百分比称取纯金属或铝合金作为原料；
所述合金中元素的质量百分比为：Cu：2.5％～5.5％，Mg：0.7％～2％，Si：0.3～0.8％，Al为余量，并且Cu和Mg质量比K1满足：2.61<K1<4，Mg和Si的质量比K2满足：1.73<K2<4.5；
步骤二：熔炼
将步骤一所得原料熔化，得到铝合金熔液；
步骤三：铸造
将步骤二中得到的铝合金熔液进行压铸，得到铝合金铸锭；
步骤四：热处理
将步骤三所得铝合金铸锭进行T6热处理，即完成。
本发明原理：Al-Cu-Mg-Si合金材料中，热处理过程控制析出相主要为尺寸减小相(S′相或者θ′相)和尺寸增大相(β′相或Q′相)。研究发现，Cu和Mg的质量比高于2.61时，才能生成β′相或Q′相。本发明中，Cu、Mg元素协同使合金时效前后尺寸减小，Si元素加入使合金时效前后尺寸增大。合金中的Cu元素含量在2.5％～5.5％之间，Mg元素含量在0.7％～2％之间，Si元素含量在0.3～0.8％之间，同时调控Cu和Mg的质量比在2.61～4之间，Mg和Si的质量比控制在1.73～4.5之间，在该比例范围内可以同时析出尺寸减小相S′相和尺寸增大相Q′相，从而通过尺寸变化叠加效应实现尺寸变化量的降低，提高合金尺寸稳定性。由于恒温时效过程中铸锭的尺寸稳定性显著提高，因此能够说明铝合金在储存及服役过程中具有较好的尺寸稳定性。因此，与传统Al-Cu-Mg合金相比，本发明通过调控Cu和Mg元素的质量比，添加一定量的Si元素，并调控Mg和Si元素的质量比，实现了调控热处理过程S′相和Q′相的析出，使得由析出相引起的尺寸变化率降低到满足尺寸稳定性要求的范围内。
本发明的有益效果是：
1、本发明经合金成分设计和比例调控，再进行热处理，所得铝合金与现有铝合金相比，在强度、延伸率相当的前提下，储存及服役过程中尺寸变化率显著降低，尺寸稳定性明显提高，尺寸的最终变化率小于10-6，尺寸稳定性远高于2024铝合金、6061铝合金、7075铝合金等传统铝合金，有效的提高了合金尺寸稳定性，达到惯性仪器仪表的长期使用需求，从根本上解决了相析出导致的铝合金尺寸稳定性低的问题。
2、本发明中铝合金热处理过程的析出相为S′相(Al2CuMg)和Q′相(Al3Cu2Mg9Si7)，均为铝合金的强化相，提高铝合金尺寸稳定性的同时保证了强度；本发明制备的铝合金屈服强度为350～400MPa，抗拉强度为400～470MPa。
3、本发明铝合金中不含有昂贵元素、稀有元素或有毒性的元素，因此该合金的价格低廉，材料制备过程安全简单易操作，适用范围广可以大规模推广应用。
附图说明
图1为实施例1制备的Al-Cu-Mg-Si合金的析出相TEM形貌图；
图2为图1中A区中粒状析出相的高分辨TEM图；
图3为图1中B区中针状析出相的高分辨TEM图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金中元素的质量百分比为：Cu：2.5％～5.5％，Mg：0.7％～2％，Si：0.3～0.8％，Al为余量，并且Cu和Mg质量比K1满足：2.61<K1<4，Mg和Si的质量比K2满足：1.73<K2<4.5，其中杂质总质量含量≤0.1％。
1、本实施方式经合金成分设计和比例调控，再进行热处理，所得铝合金与现有铝合金相比，在强度、延伸率相当的前提下，储存及服役过程中尺寸变化率显著降低，尺寸稳定性明显提高，尺寸的最终变化率小于10-6，尺寸稳定性远高于2024铝合金、6061铝合金、7075铝合金等传统铝合金，有效的提高了合金尺寸稳定性，达到惯性仪器仪表的长期使用需求，从根本上解决了相析出导致的铝合金尺寸稳定性低的问题。
2、本实施方式中铝合金热处理过程的析出相为S′相(Al2CuMg)和Q′相(Al3Cu2Mg9Si7)，均为铝合金的强化相，提高铝合金尺寸稳定性的同时保证了强度；本实施方式制备的铝合金屈服强度为350～400MPa，抗拉强度为400～470MPa。
3、本实施方式所制备铝合金中不含有昂贵元素、稀有元素或有毒性的元素，因此该合金的价格低廉，材料制备过程安全简单易操作，适用范围广可以大规模推广应用。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金中元素的质量百分比为：Cu：3％～5％，Mg：1％～1.5％，Si：0.5～0.6％，Al为余量，并且Cu和Mg质量比K1满足：2.61<K1<4，Mg和Si的质量比K2满足：1.73<K2<4.5，其中杂质总质量含量≤0.1％。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金中元素的质量百分比为：Cu：4.5％，Mg：1.5％，Si：0.35％，Al为余量，其中杂质总质量含量≤0.1％。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金的制备方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
步骤一：准备原料
按照合金中元素的质量百分比称取纯金属或铝合金作为原料；
所述合金中元素的质量百分比为：Cu：2.5％～5.5％，Mg：0.7％～2％，Si：0.3～0.8％，Al为余量，并且Cu和Mg质量比K1满足：2.61<K1<4，Mg和Si的质量比K2满足：1.73<K2<4.5；
步骤二：熔炼
将步骤一所得原料熔化，得到铝合金熔液；
步骤三：铸造
将步骤二中得到的铝合金熔液进行压铸，得到铝合金铸锭；
步骤四：热处理
将步骤三所得铝合金铸锭进行T6热处理，即完成。
1、本实施方式方法经合金成分设计和比例调控，再进行热处理，所得铝合金与现有铝合金相比，在强度、延伸率相当的前提下，储存及服役过程中尺寸变化率显著降低，尺寸稳定性明显提高，尺寸的最终变化率小于10-6，尺寸稳定性远高于2024铝合金、6061铝合金、7075铝合金等传统铝合金，有效的提高了合金尺寸稳定性，达到惯性仪器仪表的长期使用需求，从根本上解决了相析出导致的铝合金尺寸稳定性低的问题。
2、本实施方式方法中铝合金热处理过程的析出相为S′相(Al2CuMg)和Q′相(Al3Cu2Mg9Si7)，均为铝合金的强化相，提高铝合金尺寸稳定性的同时保证了强度；本实施方式制备的铝合金屈服强度为350～400MPa，抗拉强度为400～470MPa。
3、本实施方式所制备铝合金中不含有昂贵元素、稀有元素或有毒性的元素，因此该合金的价格低廉，材料制备过程安全简单易操作，适用范围广可以大规模推广应用。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一称取原料时：
元素Al由纯Al、Al-Cu-Mg合金、Al-Mg-Si合金中的一种或几种作为原料提供；
元素Cu由纯Cu、Al-Cu-Mg合金、Al-Cu合金中的一种或几种作为原料提供；
元素Mg由纯Mg、Al-Cu-Mg合金、Al-Mg合金中的一种或几种作为原料提供；
元素Si由纯Si、Al-Mg-Si合金、Al-Si合金中的一种或几种作为原料提供。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二原料熔化过程中，首先将提供元素Al的原料加入到坩埚中并在700～800℃熔化，然后加入剩余原料，搅拌至原料全部熔化。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中压铸时施加20～50Mpa的压力至铝合金熔液凝固，采用的模具为石墨模具，最后空冷至室温并脱模。步骤二中铝合金熔液凝固过程中由于一直施加压力，所以在凝固过程中可以使合金保持致密并防止缩孔的产生。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述T6热处理的工艺为：在480～495℃固溶处理1小时，然后水淬，水淬时间小于10s；然后在160～190℃恒温时效72小时。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述合金中元素的质量百分比为：Cu：4.5％，Mg：1.5％，Si：0.35％，Al为余量。其中杂质总质量含量≤0.1％。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：
本实施例具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：准备原料
按照合金中元素的质量百分比称取纯金属或铝合金作为原料；
称取原料时，元素Al由纯Al提供，元素Cu由纯Cu提供，元素Mg由纯Mg提供，元素Si由Al-Si合金提供；所述合金中元素的质量百分比为：Cu：4.5％，Mg：1.5％，Si：0.35％，Al为余量；其中杂质总质量含量≤0.1％；
步骤二：熔炼
将步骤一所得原料熔化，步骤二原料熔化过程中，首先将纯Al加入到坩埚中并在800℃熔化，然后加入纯Cu、纯Mg和Al-Si合金，搅拌至原料全部熔化，得到铝合金熔液；
步骤三：铸造
将步骤二中得到的铝合金熔液进行压铸，压铸时施加50Mpa的压力至铝合金熔液凝固，采用的模具为石墨模具，最后空冷至室温并脱模，得到铝合金铸锭；
步骤四：热处理
将步骤三所得铝合金铸锭进行T6热处理，即完成；
所述T6热处理的工艺为：在495℃固溶处理1小时，然后水淬，水淬时间小于10s；然后在190℃恒温时效72小时；
尺寸稳定性测试：本实施例恒温时效处理在热膨胀仪中进行，实时监测恒温时效过程中铸锭的尺寸变化率。测得的最终尺寸变化率为7.17×10-7，达到惯性仪器仪表的要求，尺寸稳定性相比Al-Cu-Mg合金(尺寸变化率在10-5量级)高2个数量级，由于恒温时效过程中铸锭的尺寸稳定性显著提高，因此能够说明实施例1所制备铝合金在储存及服役过程中具有较好的尺寸稳定性。实施例1得到的Al-Cu-Mg-Si合金的屈服强度为380MPa，抗拉强度为450MPa。
由图1～3可知，实施例一制备的Al-Cu-Mg-Si合金在190℃时效72小时后主要有两种析出相，一种为针状析出相，另外一种为粒状析出相；针状析出相为S′相(Al2CuMg)，粒状析出相为Q′相(Al3Cu2Mg9Si7)，S′相是合金材料尺寸减少的一种析出相，析出的Q′相使材料的尺寸呈现增大趋势，两种析出相使尺寸变化的方向不同，因此使得铝合金的尺寸稳定性提高。
实施例2：
本实施例具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：准备原料
按照合金中元素的质量百分比称取纯金属或铝合金作为原料；
称取原料时，元素Al由纯Al提供，元素Cu由纯Cu提供，元素Mg由纯Mg提供，元素Si由Al-Si合金提供；所述合金中元素的质量百分比为：Cu：2.8％，Mg：1.0％，Si：0.35％，Al为余量；其中杂质总质量含量≤0.1％；
步骤二：熔炼
将步骤一所得原料熔化，步骤二原料熔化过程中，首先将纯Al加入到坩埚中并在800℃熔化，然后加入纯Cu、纯Mg和Al-Si合金，搅拌至原料全部熔化，得到铝合金熔液；
步骤三：铸造
将步骤二中得到的铝合金熔液进行压铸，压铸时施加50Mpa的压力至铝合金熔液凝固，采用的模具为石墨模具，最后空冷至室温并脱模，得到铝合金铸锭；
步骤四：热处理
将步骤三所得铝合金铸锭进行T6热处理，即完成；
所述T6热处理的工艺为：在495℃固溶处理1小时，然后水淬，水淬时间小于10s；然后在180℃恒温时效72小时；
尺寸稳定性测试：本实施例恒温时效处理在热膨胀仪中进行，实时监测恒温时效过程中铸锭的尺寸变化率。测得的最终尺寸变化率为-1.12×10-6，达到惯性仪器仪表的要求，尺寸稳定性相比Al-Cu-Mg合金(尺寸变化率在10-5量级)高1个数量级。
实施例3：
本实施例具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：准备原料
按照合金中元素的质量百分比称取纯金属或铝合金作为原料；
称取原料时，元素Al由Al-Cu-Mg提供，元素Cu由纯Cu提供，元素Mg由纯Mg提供，元素Si由Al-Si合金提供；所述合金中元素的质量百分比为：Cu：3.6％，Mg：1.2％，Si：0.4％，Al为余量；其中杂质总质量含量≤0.1％；
步骤二：熔炼
将步骤一所得原料熔化，步骤二原料熔化过程中，首先将Al-Cu-Mg合金加入到坩埚中并在750℃熔化，然后加入纯Cu、纯Mg和Al-Si合金，搅拌至原料全部熔化，得到铝合金熔液；
步骤三：铸造
将步骤二中得到的铝合金熔液进行压铸，压铸时施加40Mpa的压力至铝合金熔液凝固，采用的模具为石墨模具，最后空冷至室温并脱模，得到铝合金铸锭；
步骤四：热处理
将步骤三所得铝合金铸锭进行T6热处理，即完成；
所述T6热处理的工艺为：在495℃固溶处理1小时，然后水淬，水淬时间小于10s；然后在190℃恒温时效72小时；
尺寸稳定性测试：本实施例恒温时效处理在热膨胀仪中进行，实时监测恒温时效过程中铸锭的尺寸变化率。测得的最终尺寸变化率为-4.14×10-6，达到惯性仪器仪表的要求，尺寸稳定性相比Al-Cu-Mg合金(尺寸变化率在10-5量级)高1个数量级。

Claims (9)

1.一种具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金，其特征在于：具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金中元素的质量百分比为：Cu：2.5％～5.5％，Mg：0.7％～2％，Si：0.3～0.8％，Al为余量，并且Cu和Mg质量比K1满足：2.61<K1<4，Mg和Si的质量比K2满足：1.73<K2<4.5。
2.根据权利要求1所述的具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金，其特征在于：具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金中元素的质量百分比为：Cu：3％～5％，Mg：1％～1.5％，Si：0.5～0.6％，Al为余量，并且Cu和Mg质量比K1满足：2.61<K1<4，Mg和Si的质量比K2满足：1.73<K2<4.5。
3.根据权利要求1所述的具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金，其特征在于：具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金中元素的质量百分比为：Cu：4.5％，Mg：1.5％，Si：0.35％，Al为余量。
4.如权利要求1所述的具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金的制备方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
步骤一：准备原料
按照合金中元素的质量百分比称取纯金属或铝合金作为原料；
所述合金中元素的质量百分比为：Cu：2.5％～5.5％，Mg：0.7％～2％，Si：0.3～0.8％，Al为余量，并且Cu和Mg质量比K1满足：2.61<K1<4，Mg和Si的质量比K2满足：1.73<K2<4.5；
步骤二：熔炼
将步骤一所得原料熔化，得到铝合金熔液；
步骤三：铸造
将步骤二中得到的铝合金熔液进行压铸，得到铝合金铸锭；
步骤四：热处理
将步骤三所得铝合金铸锭进行T6热处理，即完成。
5.根据权利要求4所述的具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金的制备方法，其特征在于：
步骤一称取原料时：
元素Al由纯Al、Al-Cu-Mg合金、Al-Mg-Si合金中的一种或几种作为原料提供；
元素Cu由纯Cu、Al-Cu-Mg合金、Al-Cu合金中的一种或几种作为原料提供；
元素Mg由纯Mg、Al-Cu-Mg合金、Al-Mg合金中的一种或几种作为原料提供；
元素Si由纯Si、Al-Mg-Si合金、Al-Si合金中的一种或几种作为原料提供。
6.根据权利要求4所述的具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金的制备方法，其特征在于：
步骤二原料熔化过程中，首先将提供元素Al的原料加入到坩埚中并在700～800℃熔化，然后加入剩余原料，搅拌至原料全部熔化。
7.根据权利要求4所述的具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金的制备方法，其特征在于：
步骤三中压铸时施加20～50Mpa的压力至铝合金熔液凝固，采用的模具为石墨模具，最后空冷至室温并脱模。
8.根据权利要求4所述的具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金的制备方法，其特征在于：
所述T6热处理的工艺为：在480～495℃固溶处理1小时，然后水淬，水淬时间小于10s；然后在160～190℃恒温时效72小时。
9.根据权利要求6所述的具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金的制备方法，其特征在于：
所述合金中元素的质量百分比为：Cu：4.5％，Mg：1.5％，Si：0.35％，Al为余量。
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CN115852220A (zh) * 2022-12-14 2023-03-28 哈尔滨工业大学 一种恒温时效尺寸变化稳定的SiCp-Al复合材料及其制备方法

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