CN1740365A - 一种高强韧挤压铸造铝合金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝合金材料，具体是一种高强韧挤压铸造铝合金材料。其主要成分及其质量百分比含量为：铜4.5～5.5％，锰0.3～0.6％，微量合金强化元素：钛0.05～0.25％，硼0.01～0.05％，钒0.05～0.20％，锆0.05～0.20％，混合稀土0.05～0.15％，其余为铝和不可避免的微量杂质，其中杂质元素铁控制在0.2％以下，硅控制在0.1％以下。经挤压铸造和淬火+不完全人工时效的方法制备的铝合金材料具有原材料成本低、可热处理强化、强度高、塑性好的特点，适合于制造需要承受重载的铝合金结构件，替代某些使用铝合金锻件的场合。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金材料，具体是指具有高强度和高塑性的挤压铸造铝合金材料。
背景技术
装备的轻量化是先进制造技术发展的趋势之一。它可以通过采用轻金属来实现，也可以通过采用更高强度材料来实现。铝合金强韧化综合了轻量化发展的两个方向，因而受到了广泛重视。
高强韧铝合金主要有变形铝合金和铸造铝合金两大类。高强韧变形铝合金主要是铝铜和铝锌系列的硬铝、超硬铝和锻造铝合金。高强韧铸造铝合金主要是铝铜系合金。变形铝合金通过挤压、轧制、锻造等手段减少了缺陷，细化了晶粒，提高了致密度，因而强度高、韧性好，得到了广泛的应用。但是，变形铝合金对设备和工装模具要求高、工序多，因而生产周期长、成本很高。与变形铝合金相比，铸造铝合金具有工艺流程短、易于生产形状复杂的零件、可以小批量生产也可以大批量生产等诸多优点，因此，国内外一直致力于通过优化合金设计和改进铸造工艺来开发低成本、高强韧的铸造铝合金，实现以“铸代锻”的目的。
挤压铸造是一种介于铸造和锻造之间的成形工艺，兼有铸造和锻造的优点。挤压铸造主要针对轻合金的成形技术，可获得内部组织致密、晶粒细小、表面光洁的优质挤压铸造件。具有广泛的适用性、技术上的领先性和经济上的低成本，是一种获得高性能铸件的液态成形技术。
在高强度铸造铝合金中，法国牌号的A-U5GT合金、美国铝协会牌号的A201.0合金和我国牌号的ZL205A合金是其中的典型代表。这些铸造铝合金都属于Al-Cu系合金。但这些高强度铸造铝合金还存在以下不足：
1)上述合金虽然具有较高的强度，但塑性较差，不能承受大的冲击载荷。此外，这些合金的铸造性能很差，具体表现为热裂倾向大、流动性较差、补缩困难，目前主要采用砂型铸造工艺进行零件的成形，因此在发挥材料性能潜力方面受到了限制。
2)上述合金为了获得良好的性能，对杂质元素含量的控制非常严格，如A-U5GT合金要求铁控制在0.1％以下，硅控制在0.05％以下。ZL205A合金要求铁控制在0.15％以下，硅控制在0.06％以下，这不但增加了工艺控制的难度，还必须提供高品位的原材料。
3)为了获得良好的性能，这些合金还需要添加一些贵重合金元素，如美国铝协会牌号201.0合金(AlCu4AgMgMn)含有0.4～1.0wt.％的银，国标ZL205A合金中含有镉等贵金属，导致这些合金材料的成本较高，限制了其应用范围。
发明内容
本发明的目的在于针对现有高强度铸造铝合金的不足，通过优化合金成分设计和采用挤压铸造工艺来开发一种低成本的高强韧挤压铸造铝合金材料，实现以“铸代锻”的目的。
本发明的高强韧铸造铝合金的主要成分及其质量百分比含量为：铜4.5～5.5％，锰0.3～0.6％，此外还加入了钛、硼、钒、锆、混合稀土等微量合金强化元素，其成分及其质量百分比含量为：钛0.05～0.25％，硼0.01～0.05％，钒0.05～0.20％，锆0.05～0.20％，混合稀土0.05～0.15％，其余为铝和不可避免的微量杂质，其中杂质元素铁控制在0.2％以下，硅控制在0.1％以下。该高强韧铸造铝合金材料，需采用挤压铸造技术进行成形，合金的高强韧性能还需要通过淬火+不完全人工时效(T5热处理)热处理获得。
该合金与国内外同类合金相比，具有以下优点：
1、本发明的合金材料同时具有较高的强度和优异的塑性。例如，在挤压比压为50MPa，淬火+不完全人工时效(T5)热处理条件下，本发明合金材料的典型力学性能为：抗拉强度440MPa，伸长率22％。适合于制造需要承受重载的铝合金结构件，替代某些使用铝合金锻件的场合。
2、本发明的铝合金的原材料成本较低。A-U5GT、ZL205A等铸造铝合金要求作为原材料的铝锭需采用铝含量大于99.9％的工业高纯铝锭，而本发明合金的杂质元素含量要求较低，只要求杂质元素铁控制在0.2％以下，硅控制在0.1以下，因此可以采用99.8％工业纯铝锭为原材料。此外，本发明合金不含银、镉等贵重金属。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明，本发明实施方式不仅限于此。
实施例一：
步骤一：配料
成分 规格 质量百分比用量
纯铝锭 Al99.8 79.5％
铝铜合金 50％Cu 10％
铝锰合金 10％Mn 4％
铝锆合金 10％Zr 1％
铝钒合金 4％V 2.5％
铝钛硼合金 5％Ti，1％B 2％
铝稀土合金 10％RE 1％
步骤二：熔炼
合金在石墨坩埚电阻炉中熔炼。铝锰合金、铝锆合金、铝钒合金与纯铝同时室温装炉720℃下加铝铜合金；740℃下加铝钛硼合金后搅拌3min。用商用固体精炼剂在730～740℃下精炼除气，静置8min，除渣，加少量覆盖剂，加铝稀土合金，静置5min，搅拌均匀后在730℃下浇注。
步骤三：挤压铸造
挤压铸造用压机为100吨四柱液压机，在直接挤压铸造模具上进行，挤压比压分别为25，50，75MPa，挤压速度为0.03～0.06m/s，保压30s左右，铸件直径80mm，厚30mm。
步骤四：热处理
将铸件切割成条形方块进行热处理，热处理炉为带鼓风机的电阻炉，温控精度±1℃。采用的热处理工艺为T5，具体参数为：535℃固溶12小时，室温水淬，然后在155℃下时效8小时。
通过上述步骤获得的合金材料含有铜5.0wt％，锰0.4wt％，钛0.1wt％、硼0.02wt％、钒0.10wt％、锆0.1wt％，铁0.16wt％，硅0.06wt％，其余为铝和不可避免的杂质。不同比压下合金材料的力学性能如表1所示。
表1不同挤压比压下的合金力学性能
| 挤压比压 | 25MPa | 50MPa | 75MPa |
| 抗拉强度 | 422 | 440 | 441 |
| 伸长率 | 12.8 | 22 | 22.8 |
实施例二：
步骤一：配料
成分 规格 质量百分比用量
纯铝锭 Al99.8 72.5％
铝铜合金 50％Cu 9％
铝锰合金 10％Mn 6％
铝锆合金 10％Zr 2％
铝钒合金 4％V 5％
铝钛硼合金 5％Ti，1％B 5％
铝稀土合金 10％RE 0.5％
步骤二：熔炼，步骤三：挤压铸造，步骤四：热处理
与实施例一相同。
通过上述步骤获得的合金材料含铜4.5wt％，锰0.6wt％，钛0.25wt％、硼0.05wt％、钒0.2wt％、锆0.2wt％，铁0.13wt％，硅0.08wt％，其余为铝和不可避免的杂质。不同比压下合金材料的力学性能如表2所示。
表2不同挤压比压下的合金力学性能
| 挤压比压 | 25MPa | 50MPa | 75MPa |
| 抗拉强度 | 420 | 432 | 438 |
| 伸长率 | 13.8 | 21 | 20.8 |
实施例三：
步骤一：配料
成分 规格 质量百分比用量
纯铝锭 Al99.8 81.75％
铝铜合金 50％Cu 11％
铝锰合金 10％Mn 3％
铝锆合金 10％Zr 0.5％
铝钒合金 4％V 1.25％
铝钛硼合金 5％Ti，1％B 1％
铝稀土合金 10％RE 1.5％
步骤二：熔炼，步骤三：挤压铸造，步骤四：热处理
与实施例一相同。
通过上述步骤获得的合金材料含铜5.5wt％，锰0.3wt％，钛0.05wt％、硼0.01wt％、钒0.05wt％、锆0.05wt％，铁0.17wt％，硅0.07wt％，其余为铝和不可避免的杂质。不同比压下合金材料的力学性能如表3所示。
表3不同挤压比压下的合金力学性能
| 挤压比压 | 25MPa | 50MPa | 75MPa |
| 抗拉强度 | 410 | 441 | 451 |
| 伸长率 | 12.8 | 20.8 | 21 |
Claims (4)
1、一种高强韧挤压铸造铝合金材料，其特征在于：采用挤压铸造技术，并采用淬火及不完全人工时效热处理工艺制备的高强韧挤压铸造铝合金；其主要成分及其质量百分比含量为：铜4.5～5.5％，锰0.3～0.6％，微量合金强化元素0.21～0.85％，其余为铝和不可避免的杂质。
2、根据权利要求1所述的一种高强韧挤压铸造铝合金材料，其特征在于：挤压铸造的挤压比压不低于50MPa。
3、根据权利要求1所述的一种高强韧挤压铸造铝合金材料，其特征在于：所添加的微量合金强化元素为钛、硼、钒、锆、混合稀土，其成分及其质量百分比含量为：钛0.05～0.25％，硼0.01～0.05％，钒0.05～0.20％，锆0.05～0.20％，混合稀土0.05～0.15％。
4、根据权利要求1所述的一种高强韧挤压铸造铝合金材料，其特征在于：杂质元素铁控制在0.2％以下，硅控制在0.1％以下。
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