CN112281034A - 一种铸造铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种铸造铝合金及其制备方法属于铝合金材料制备技术领域。本发明铸造铝合金各个成分含量的重量百分比为：Cu：4.0～5.5；Mg：0.05～0.35；Mn：0.1～0.5；Ti：0.05～0.20；Zr：0.05～0.20；V：0.05～0.20；Ag≤0.20；Fe≤0.2；Si≤0.2；余量为Al。本发明熔炼的步骤如下：合金配制；合金熔炼；合金浇注。本发明显著提高了铝合金耐热性能，使铝合金的使用温度由250℃提高到了300℃；同时降低了合金的熔炼难度，改善了合金的铸造性能；因减少和避免了使用贵金属元素，降低了铝合金的生产成本。

Description

一种铸造铝合金及其制备方法
技术领域
本发明一种铸造铝合金及其制备方法属于铝合金材料制备技术领域。
背景技术
随着航空、航天的飞速发展，航空发动机铸造铝合金构件的使用温度不断升高，因而要求构件的耐热性能随之提高，为适应航空发动机的要求而提高铸造铝合金的耐热性成为迫切所需。中国专利201410625866.1公开了“一种高性能耐热铝合金材料”，它使用工业纯铝作为铝合金的基体，合金在熔铸过程中能屏蔽铁和硅的有害性，合金的成分(Wt.％)为：Cu:7.6～7.9，Mn:0.8～1.4，Cd:0.41～0.49，Zr:0.75～0.99，Ni:0.71～0.95，Co:0.95～0.99，Ti:0.35～0.39，B:0.18～0.3，稀土元素RE：4.8～5.8，余量为Al。该发明合金220℃的抗拉强度有了大幅度的增强，达到500MPa以上。该发明合金成分多为易偏析元素，且合金成分含量占比较高，因此合金熔炼难度较大，不利于铸造成形。此外，该合金性能局限于220℃，不能达到对高强耐热铸造铝合金耐热250～350℃的要求。中国专利CN108342628B公开了“一种铝铜镁系高强耐热铸造铝合金及制备方法”，所述合金组分为重量百分比：Cu:3.5～7.5，Mg:0.5～1.5，Ag:0.2～1.0，Mn:0.2～1.0，RE：0.05～0.85；Ti:0.05～1.25Zr:0.1～0.8，B:0～0.2，余量为Al。所述合金在300℃抗拉强度285MPa，延伸率7％。该发明专利中添加了RE和贵金属Ag的含量较高，合金熔炼难度较大，且铸造过程金属液流动性会不足，另外含有贵金属Ag，合金成本大幅增加。中国专利200310109852.6公开了“含稀土铈的铝铜镁银系高强度铸造耐热铝合金”，通过添加稀土元素Ce和贵金属元素Ag实现高强度铝合金及其制备方法，合金的成分(Wt.％)为：Cu:4～8，Mg:0.4～1.0，Ag:0.3～1.0，Mn:0.3～0.6，Zr:0.05～0.30，Ce:0.05～0.50，余量为Al。该发明通过添加稀土元素Ce，利用Ce细化合金铸态组织，通过进一步的固溶时效处理，获得较好的组织，提高铸造合金总体强度和高温耐热性能。首先对于室温强度，该合金具有较高的强度，达到350～450Mpa，但300℃的抗拉强度仅有170～220MPa，且其性能随温度升高下降较快，耐热性能明显不足。而且，该合金使用了贵金属Ag作为合金元素，使合金材料成本急剧增加。
发明内容
本发明的目的是：针对现有铸造铝合金材料提高耐热能力导致铸造工艺性能严重下降的不足，提出一种高强度耐热铸造铝合金和熔炼方法，以便提高耐热性能；降低铸造铝合金的熔炼难度；改善铸造铝合金的铸造性能；同时减少或避免使用贵金属，降低铸造铝合金的生产成本。
本发明的技术方案是：一种铸造铝合金，其各个成分含量的重量百分比为：Cu：4.0～5.5wt.％；Mg：0.05～0.35wt.％；Mn：0.1～0.5wt.％；Ti：0.05～0.20wt.％；Zr：0.05～0.20wt.％；V：0.05～0.20wt.％；Fe≤0.2wt.％；Si≤0.2wt.％；余量为Al，其中，Cu和Mg的重量比为10～50。
其中(Zr+V)≤0.35wt.％。
其成分还包含Ag，Ag的重量百分比为：0.05～0.20wt.％，(Mg+Ag)≤0.35wt.％。
一种铸造铝合金的制备方法，包含如下步骤：
(1)所述铸造铝合金配制：按照铸造铝合金各个成分含量的重量百分比称取合金配料，合金配料包括纯度不低于工业纯的Al锭、Mg锭及中间合金Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Zr、Al-V，使合金配料符合合金成分要求；
(2)所述铸造铝合金熔炼:将步骤(1)配制完成的合金配料放入坩埚，加热到680℃～760℃，保温1h～4h，然后搅拌10min～20min，得到铸造铝合金液；
(3)所述铸造铝合金浇注:将步骤(2)得到的铸造铝合金液在690℃～750℃下进行浇注，得到铸件和性能测试试样，浇注方法采用手工重力浇注或者采用铸造机反重力浇注。
(4)对步骤(3)得到的铸件和性能测试试样进行热处理，热处理包含：1)固溶处理，固溶温度为520～540℃保温2～12h；2)时效处理，时效温度为175～225℃保温2～12h。
在步骤(1)中合金配料还包括Ag，其中Ag的重量百分比为：0.05～0.20wt.％，(Mg+Ag)≤0.35wt.％。
步骤(2)还包括对铸造铝合金液的精炼，所述精炼方法是：将铸造合金液温度稳定在700℃～730℃，采用C2Cl6手工精炼10min～20min或采用精炼机喷吹Ar或N2气体20min～30min，精炼后静置10min～30min。
所述步骤(3)中浇注采用的铸型是熔模壳型、树脂砂型或金属型。
在所述步骤(4)固溶处理中，当升温至505℃～520℃时，保温1～4h，当升温至520～540℃时，再保温2～12h。
本发明的优点是：本发明提出了一种铸造铝合金和制备方法，将铝合金的耐热温度由250℃提高到了300℃；降低了铸造铝合金的熔炼难度，制备出高纯度高性能耐热铝合金；改善了铸造铝合金的铸造性能，可以采用熔模型壳、树脂砂性和金属型等多种方法制备复杂结构铝合金铸件；减少或避免了使用贵金属，降低了铸造铝合金的生产成本。
具体实施方式
本发明的原理：本发明铸造铝合金为Al-Cu铸造合金，通过固溶时效后沉淀析出Al2Cu(θ＇)相强化合金，但强化相θ＇在温度升高到200～250℃时粗化为非共格θ相，强化作用迅速下降。本研究通过Cu在Al基体过饱和固溶体中加入微量的Mg元素，Cu：Mg≥10，且结合高温时效作用，促进GP区转化为更耐高温的Ω相(析出在滑移方向的Al2Cu相)强化Al-Cu铸造铝合金，使Al-Cu铸造铝合金耐热温度提高到了300℃，虽然具体的机理尚未完全揭开，Mg元素作用也与传统铸造铝合金中不同，但强化效果明显；另外，添加的Mn、Zr、V、B等元素与Al生成细小弥散的耐热强化相的同时，也起到阻碍Ω相粗化的作用，进一步提高铸造铝合金耐热能力的作用。本发明铸造铝合金合金元素强化作用以微合金化为主，改善铸造铝合金的铸造性能，降低铸造铝合金的制备难度。
下面对本发明做进一步详细说明。一种铸造铝合金，其各个成分含量的重量百分比为：Cu：4.0～5.5wt.％；Mg：0.05～0.35wt.％；Mn：0.1～0.5wt.％；Ti：0.05～0.20wt.％；Zr：0.05～0.20wt.％；V：0.05～0.20wt.％；Fe≤0.2wt.％；Si≤0.2wt.％；余量为Al，其中，Cu和Mg的重量比为10～50。
其中(Zr+V)≤0.35wt.％。
其成分还包含Ag，Ag的重量百分比为：0.05～0.20wt.％，(Mg+Ag)≤0.35wt.％。
一种铸造铝合金的制备方法，包含如下步骤：
(1)所述铸造铝合金配制：按照铸造铝合金各个成分含量的重量百分比称取合金配料，合金配料包括纯度不低于工业纯的Al锭、Mg锭及中间合金Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Zr、Al-V，使合金配料符合合金成分要求；
(2)所述铸造铝合金熔炼:将步骤(1)配制完成的合金配料放入坩埚，加热到680℃～760℃，保温1h～4h，然后搅拌10min～20min，得到铸造铝合金液；
(3)所述铸造铝合金浇注:将步骤(2)得到的铸造铝合金液在690℃～750℃下进行浇注，得到铸件和性能测试试样，浇注方法采用手工重力浇注或者采用铸造机反重力浇注。
(4)对步骤(3)得到的铸件和性能测试试样进行热处理，热处理包含：1)固溶处理，固溶温度为520～540℃保温2～12h；2)时效处理，时效温度为175～225℃保温2～12h。
在步骤(1)中合金配料还包括Ag，其中Ag的重量百分比为：0.05～0.20wt.％，(Mg+Ag)≤0.35wt.％。
步骤(2)还包括对铸造铝合金液的精炼，所述精炼方法是：将铸造合金液温度稳定在700℃～730℃，采用C2Cl6手工精炼10min～20min或采用精炼机喷吹Ar或N2气体20min～30min，精炼后静置10min～30min。
所述步骤(3)中浇注采用的铸型是熔模壳型、树脂砂型或金属型。
在所述步骤(4)固溶处理中，当升温至505℃～520℃时，保温1～4h，当升温至520～540℃时，再保温2～12h。
实施例1
一、选取合金成分：
选取铸造铝合金各个成分优化的重量百分比为：Cu：5；Mg：0.25；Mn：0.25；Ti：0.15；Zr：0.15；V：0.1；余量为Al。
二、制备材料：
1、铸造铝合金配制：将纯度不低于工业纯的Al锭、Mg锭及中间合金Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Zr、Al-V等称重配料，使配料符合合金成分要求；
2、铸造铝合金熔炼:将配制完成的合金配料放入坩埚，加热到730℃，保温3h，然后搅拌15min，铸造合金液温度稳定在700℃～730℃，采用C2Cl6手工精炼10min～20min，静置15min，得到高强度耐热铸造铝合金液；
3、铸造铝合金浇注:在720℃下浇注砂型铸锭，浇注方法采用手工重力浇注。
4、铸造铝合金热处理，固溶处理，515℃保温2h，然后535℃保温8h；接下来，时效处理，时效温度为225℃保温8h。
三、性能测试结果：
对获得的合金力学性能砂型试棒进行力学性能测试。其结果为：
力学性能 室温 250℃ 300℃ 350℃
抗拉强度σ<sub>b</sub>/MPa 450 330 270 205
延伸率δ/％ 6.0 7.0 9.0 10.0
实施例2
一、选取合金组份：
选取铸造铝铸造铝合金各个成分含量的重量百分比为：Cu：4.5；Mn：0.4；Mg：0.3；Ti：0.2；Zr：0.1；V：0.1；余量为Al。
二、制备材料：
1、铸造铝合金配制：将纯度不低于工业纯的Al锭、Mg锭及中间合金Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Zr、Al-V等称重配料，使配料符合合金成分要求；
2、铸造铝合金熔炼:将配制完成的合金配料放入坩埚，加热到680℃，保温4h，然后搅拌20min，得到高强度耐热铸造铝合金的合金液；
3、铸造铝合金浇注:在750℃下浇注铸锭，浇注方法采用手工重力浇注或者采用铸造机反重力浇注。
4、铸造铝合金热处理，固溶处理，535℃保温8h；接下来，时效处理，时效温度为175℃保温8h。
三、性能测试结果：
对获得的合金力学性能砂型试棒进行力学性能测试。其结果为：
力学性能 室温 250℃ 300℃ 350℃
抗拉强度σ<sub>b</sub>/MPa 460 300 250 195
延伸率δ/％ 7.0 8.0 9.0 10.0
实施例3
一、选取合金组份：
选取铸造铝合金各个成分含量的重量百分比为：Cu：4；Mn：0.4；Mg：0.2；Zr：0.20；V：0.1；余量为Al。
二、制备材料：
1、铸造铝合金配制：将纯度不低于工业纯的Al锭、Mg锭及中间合金Al-Cu、Al-Mn、Al-Zr、Al-V等称重配料，使配料符合合金成分要求；
2、铸造铝合金熔炼:将配制完成的合金配料放入坩埚，加热到760℃，保温2h，然后搅拌10min，得到高强度耐热铸造铝合金的合金液；
3、铸造铝合金浇注:在690℃下浇注铸锭，浇注方法采用手工重力浇注或者采用铸造机反重力浇注。
4、铸造铝合金热处理，固溶处理，535℃保温8h；接下来，时效处理，时效温度为175℃保温8h。
三、性能测试结果：
对获得的合金力学性能砂型试棒进行力学性能测试。其结果为：
力学性能 室温 250℃ 300℃ 350℃
抗拉强度σ<sub>b</sub>/MPa 420 280 220 175
延伸率δ/％ 8.0 9.0 12.0 15.0
实施例4
一、选取合金组份：
选取铸造铝合金各个成分含量的重量百分比为：Cu：4；Mn：0.4；Mg：0.2；Zr：0.20；V：0.1；Ag：0.1；余量为Al。
二、制备材料：
1、铸造铝合金配制：将纯度不低于工业纯的Al锭、Mg锭及中间合金Al-Cu、Al-Mn、Al-Zr、Al-V等称重配料，使配料符合合金成分要求；
2、铸造铝合金熔炼:将配制完成的合金配料放入坩埚，加热到760℃，保温2h，然后搅拌10min，得到高强度耐热铸造铝合金的合金液；
3、铸造铝合金浇注:在690℃下浇注铸锭，浇注方法采用手工重力浇注或者采用铸造机反重力浇注。
4、铸造铝合金热处理，固溶处理，535℃保温8h；接下来，时效处理，时效温度为195℃保温8h。
三、性能测试结果：
对获得的合金力学性能砂型试棒进行力学性能测试。其结果为：
力学性能 室温 250℃ 300℃ 350℃
抗拉强度σ<sub>b</sub>/MPa 430 300 230 185
延伸率δ/％ 8.0 9.0 12.0 15.0

Claims (8)

1.一种铸造铝合金，其特征在于：其各个成分含量的重量百分比为：Cu：4.0～5.5wt.％；Mg：0.05～0.35wt.％；Mn：0.1～0.5wt.％；Ti：0.05～0.20wt.％；Zr：0.05～0.20wt.％；V：0.05～0.20wt.％；Fe≤0.2wt.％；Si≤0.2wt.％；余量为Al，其中，Cu和Mg的重量比为10～50。
2.根据权利要求1所述的一种铸造铝合金，其特征在于，其中(Zr+V)≤0.35wt.％。
3.根据权利要求1或2所述的一种铸造铝合金，其特征在于：其成分还包含Ag，Ag的重量百分比为：0.05～0.20wt.％，(Mg+Ag)≤0.35wt.％。
4.如权利要求1所述的一种铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
(1)所述铸造铝合金配制：按照铸造铝合金各个成分含量的重量百分比称取合金配料，合金配料包括纯度不低于工业纯的Al锭、Mg锭及中间合金Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Zr、Al-V，使合金配料符合合金成分要求；
(2)所述铸造铝合金熔炼:将步骤(1)配制完成的合金配料放入坩埚，加热到680℃～760℃，保温1h～4h，然后搅拌10min～20min，得到铸造铝合金液；
(3)所述铸造铝合金浇注:将步骤(2)得到的铸造铝合金液在690℃～750℃下进行浇注，得到铸件和性能测试试样，浇注方法采用手工重力浇注或者采用铸造机反重力浇注；
(4)对步骤(3)得到的铸件和性能测试试样进行热处理，热处理包含：1)固溶处理，固溶温度为520～540℃保温2～12h；2)时效处理，时效温度为175～225℃保温2～12h。
5.根据权利要求4所述的一种铸造铝合金的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中合金配料还包括Ag，其中Ag的重量百分比为：0.05～0.20wt.％，(Mg+Ag)≤0.35wt.％。
6.根据权利要求4所述的一种铸造铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)还包括对铸造铝合金液的精炼，所述精炼方法是：将铸造合金液温度稳定在700℃～730℃，采用C2Cl6手工精炼10min～20min或采用精炼机喷吹Ar或N2气体20min～30min，精炼后静置10min～30min。
7.根据权利要求4所述的一种铸造铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中浇注采用的铸型是熔模壳型、树脂砂型或金属型。
8.根据权利要求4所述的一种铸造铝合金的制备方法，其特征在于，在所述步骤(4)固溶处理中，当升温至505℃～520℃时，保温1～4h，当升温至520～540℃时，再保温2～12h。
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