CN100439533C - 一种铝硅铜镁系变形铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝硅铜镁系变形铝合金及其制备方法，该合金以重量百分比计含有硅：9.0-12.0%；铜：3.0-4.0%；镁：0.3-0.6%；铁：＜0.30%；锌：＜0.20%；杂质含量≤0.15%；余量为铝。原料在反射熔炼炉中熔化、精炼，合金熔液经Al-Sr中间合金变质处理后，通过半连续铸造得到铸棒，铸棒热挤压变形后，经锻造和T6热处理，制得铝硅铜镁系变形铝合金。本发明的合金抗拉强度在397MPa以上，断后伸长率达到6%，硬度为136-141HB，主要用于制造对强度、韧性和耐磨性能要求比较高的汽车及摩托车车轮、活塞、轴承、双向斜盘等汽车零部件。

Description

一种铝硅铜镁系变形铝合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种强度高、韧性好、耐磨性能优良的铝硅铜镁系变形铝合金及其制备方法。

背景技术

随着我国交通业的发展，对合金材料性能的要求越来越高，目前，我国现有的铝硅铜镁系变形铝合金4A11、4032和日本的A4032等铝硅铜镁系变形铝合金，高温性能、切削性能和抗蚀性能均相对较差，已远不能满足国内外客商对产品提出的高性能指标要求，而且上述合金含有昂贵的稀缺元素镍，致使该类合金的使用受到限制。因此，开发具有强度高、韧性好、耐磨性能优良且生产成本低的铝硅铜镁系变形铝合金成为金属材料领域亟待解决的课题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是提供一种强度高、韧性好、耐磨且生产成本低的铝硅铜镁系变形铝合金及其制备方法。

本发明的铝硅铜镁系变形铝合金，其特征在于，以重量百分比计含有硅：9.0-12.0％；铜：3.0-4.0％；镁：0.3-0.6％；铁：＜0.30％；锌：＜0.20％；杂质含量≤0.15％；余量为铝。

上述的铝硅铜镁系变形铝合金，其特征在于，以重量百分比计优选含有硅：9.0-12.0％；铜：3.0-4.0％；镁：0.4-0.6％；铁：＜0.30％；锌：＜0.20％；杂质含量≤0.15％；余量为铝。

本发明所述铝硅铜镁系变形铝合金的制备方法，包括以下步骤：

(1).按照所述铝硅铜镁系变形铝合金组分的重量百分比计，分别称取纯度均大于99.7％的原料铝、硅、铜、镁，备用；

(2).在石墨坩埚的表面涂上一层由等量滑石粉与水玻璃制成的涂料，以防止渗铁，并将其放于反射熔炼炉中升温至600℃，然后在石墨坩埚中加入炉料总重3-4％的覆盖剂；

(3).再在石墨坩埚中加入铝锭，将反射熔炼炉继续升温，待石墨坩埚中铝锭全部熔化后，升温至680℃保温10分钟；

(4).待反射熔炼炉继续升温至730℃时，将硅块加入石墨坩埚中，并用钟罩压入铝液液面下，保持10-15分钟，待硅块全部熔化后，将纯铜加入石墨坩埚中熔化；

(5).反射熔炼炉温度调控为680-700℃时，将镁块加入石墨坩埚中，用钟罩将镁块压入坩埚底部，直至其完全熔化；

(6).保持温度为680-700℃，用氮气精炼，通氮气10-15分钟后，即可扒渣；

(7).当金属液升温到760-850℃时，加入炉料总重0.6-0.8％的Al-8Sr中间合金，进行变质处理，金属液在炉中搅拌后，保温静置30±2分钟；

(8).变质完成后，再用氮气精炼，通氮气10-15分钟；

(9).精炼结束后，静置10min，在720-760℃扒渣，然后通过半连续铸造机制得棒材；

(10).将半连续铸造得到的棒材水冷、干燥后，经热处理炉加热至350-450℃，在挤压机上进行大变形度的热挤压变形处理；

(11).将热挤压变形处理后的棒材水冷、干燥后，在热处理炉加热至320-390℃进行锻造和T6热处理，制得铝硅铜镁系变形铝合金。

上述铝硅铜镁系变形铝合金的制备方法中，步骤(2)所述的覆盖剂是由质量百分比为60％氯化镁和40％氯化钾组成的组合物。

上述铝硅铜镁系变形铝合金的制备方法中，步骤(6)或(8)所述的氮气精炼也可用其它精炼剂精炼，但精炼剂必须为无氯精炼剂。

上述铝硅铜镁系变形铝合金的制备方法中，步骤(7)所述的Al-8Sr中间合金的加入温度优选为780-820℃。

上述铝硅铜镁系变形铝合金的制备方法中，步骤(10)所述的热处理炉加热温度优选是380-420℃。

上述铝硅铜镁系变形铝合金的制备方法中，步骤(11)所述的热处理炉加热温度优选是350-370℃。

上述铝硅铜镁系变形铝合金的制备方法中，步骤(11)所述的T6热处理操作为500-510℃固溶8-10h，60-82℃水冷；200℃时效8-10h，空冷。

利用本发明的方法制备的铝硅铜镁系变形铝合金，与GB/T标准4A11、4032，JIS标准A4032相比，本发明合金在成分上去除了昂贵的稀缺元素镍，降低了合金成本；降低了元素铁的含量，减少了其对合金韧性、切削性和尺寸稳定性的危害作用；降低了元素镁的含量，减少了其对合金韧性和热稳定性的危害作用；提高了元素铜的含量，改善了合金的室温和高温性能；调整了硅的含量，提高了合金的铸造性能和切削性能；并通过熔体锶变质、半连续铸造以及热挤压变形等手段使合金具有较高的密度、均匀细小的等轴晶粒及比较均匀的化学成分，消除了缩孔、缩松等缺陷的危害作用，提高了合金的强度和韧性，锻造后进行T6热处理，比同类合金相比，合金抗拉强度在397MPa以上，强度提高8.7％以上；断后伸长率达到6％，断后伸长率提高一倍；硬度为136-141HB，硬度提高13.3-17.5％。

具体实施方式：

下面给出本发明的三个较佳实施例：

实施例1：

制备1000Kg含硅：10.0％；铜：3.5％；镁：0.5％；余量为铝(成分比均为重量百分比，下同)的铝硅铜镁系变形铝合金，制备方法如下：

(1).按照所述铝硅铜镁系变形铝合金组分的重量百分比计，分别称取纯度均大于99.7％的原料铝、硅、铜、镁，备用；

上述原料配制参考《铸造手册》第3卷，铸造非铁合金，第2版，机械工业出版社，2001.10，P187-188，及经验确定合金元素的烧损量，铝：1.5％，硅：1％，镁：20％。

加入量计算公式： $X=M\×\frac{A}{C\×(1-E)}$

式中：M为熔炼合金总质量；

      A为合金中应含某种元素的百分数；

      C为中间合金或合金锭中所含某种元素的百分数；

      E为某种元素的烧损量；

      X为加入某种元素或中间合金的总质量。

在实例中，M＝1000Kg；

      A：Si％＝10.0％；Cu％＝3.5％；Mg％＝0.5％；Al％＝86.0％

      C：Si％＝99.0％；Cu％＝99.95％；Mg％＝99.95％；Al％＝99.7％；

      E：Al：1.5％，Si：1.0％，Mg：20％

则：

$X_{\mathrm{Si}}=1000\×\frac{10.0\%}{99.0(1-1.0\%)}=102.3\mathrm{Kg}$

$X_{\mathrm{Cu}}=1000\×\frac{3.5\%}{99.95\%}=35.02\mathrm{Kg}$

$X_{\mathrm{Mg}}=1000\×\frac{0.5\%}{99.95\%(1-20\%)}=6.25\mathrm{Kg}$

$X_{\mathrm{Al}}=1000\×\frac{86.0\%}{99.7\%(1-1.5\%)}=875.72\mathrm{Kg}$

(2).制备采用反射熔炼炉、半连续铸造机、挤压机、石墨坩埚等设备，首先在石墨坩埚的表面涂上一层由等量滑石粉与水玻璃制成的涂料，以防止渗铁，并将其放于反射熔炼炉中升温至600℃，然后在石墨坩埚中加入炉料总重3-4％的覆盖剂；

其中：上述覆盖剂是由质量百分比为60％氯化镁和40％氯化钾组成的组合物；

(3).再在石墨坩埚中加入铝锭875.72Kg，，将反射熔炼炉继续升温，待石墨坩埚中铝锭全部熔化后，升温至680℃保温10分钟；

(4).待反射熔炼炉继续升温至730℃时，将硅块102.03Kg加入石墨坩埚中，并用钟罩压入铝液液面下，保持10-15分钟，待硅块全部熔化后，将纯铜35.02Kg加入石墨坩埚中熔化；

(5).反射熔炼炉温度调控为680-700℃时，将镁块6.25Kg加入石墨坩埚中，用钟罩将镁块压入坩埚底部，直至其完全熔化；

(6).保持温度为680-700℃，用氮气精炼，通氮气10-15分钟后，即可扒渣；(此步也可用其它精炼剂精炼，但精炼剂必须为无氯精炼剂)

(7).当金属液升温到760-850℃时(优选温度为780-820℃)，加入6-8Kg的Al-8Sr中间合金，进行变质处理，金属液在炉中搅拌后，保温静置30±2分钟；

(8).变质完成后，再用氮气精炼，通氮气10-15分钟；(此步也可用其它精炼剂精炼，但精炼剂必须为无氯精炼剂)

(9).精炼结束后，静置10min，在720-760℃扒渣，然后通过半连续铸造机制得棒材；

(10).将半连续铸造得到的棒材水冷、干燥后，经热处理炉加热至350-450℃(优选温度是380-420℃)，在挤压机上进行大变形度的热挤压变形处理；

(11).将热挤压变形处理后的棒材水冷、干燥后，在热处理炉加热至320-390℃(优选温度是350-370℃)进行锻造和T6热处理，得铝硅铜镁系变形铝合金。

上述T6热处理操作为500-510℃固溶8-10h，60-82℃水冷；200℃时效8-10h，空冷。

经检测，所得合金成分为：硅：10.0％；铜：3.5％；镁：0.5％；余量为铝。铸态下合金的抗拉强度为260MPa，断后伸长率为10％，硬度为110HB；热处理后抗拉强度可达397MPa，断后伸长率可达6％，硬度为136-141HB。合金在成分上去除了昂贵的稀缺元素镍，降低了合金成本；降低了元素铁的含量，减少了其对合金韧性、切削性和尺寸稳定性的危害作用；降低了元素镁的含量，减少了其对合金韧性和热稳定性的危害作用；提高了元素铜的含量，改善了合金的室温和高温性能；调整了硅的含量，提高了合金的铸造性能和切削性能；并通过熔体锶变质、半连续铸造以及热挤压变形等手段使合金具有较高的密度、均匀细小的等轴晶粒及比较均匀的化学成分，消除了缩孔、缩松等缺陷的危害作用，提高了合金的强度和韧性。

实施例2：

制备1000Kg含硅：11.0％；铜：3.0％；镁：0.4％；余量为铝的铝硅铜镁系变形铝合金。

采取与实施例1相同的工艺步骤，其中步骤(1)算得的各原料加入量为：铝锭871.65Kg，硅块112.23Kg，纯铜30.02Kg，镁块5.00Kg。

经检测，所得合金成份为：硅：11.0％；铜：3.0％；镁：0.4％；余量为铝。铸态下合金的抗拉强度为258MPa，断后伸长率为8.6％，硬度为112HB；热处理后抗拉强度可达394MPa，断后伸长率可达6.3％，硬度为136-141HB。

实施例3：

配制1000Kg含硅：12.0％；铜：4.0％；镁：0.6％；余量为铝的铝硅铜镁系变形铝合金。

采取与实施例1相同的工艺步骤，其中步骤(1)算得的各原料加入量为：铝锭849.25Kg，硅块122.44Kg，纯铜40.02Kg，镁块6.11Kg。

经检测，所得合金成分为：硅：12.0％；铜：4.0％；镁：0.6％；余量为铝。铸态下合金的抗拉强度为263MPa，断后伸长率为8.4％。硬度为115HB；热处理后抗拉强度可达400MPa，断后伸长率可达4.9％，硬度为136-141HB。

Claims (6)

1.一种铝硅铜镁系变形铝合金的制备方法，包括以下步骤：

(1).以重量百分比计，按照所述铝硅铜镁系变形铝合金组分：硅：9.0-12.0％；铜：3.0-4.0％；镁：0.3-0.6％；铁：＜0.30％；锌：＜0.20％；杂质含量≤0.15％；余量为铝；分别称取纯度均大于99.7％的原料铝、硅、铜、镁，备用；

(2).在石墨坩埚的表面涂上一层由等量滑石粉与水玻璃制成的涂料，以防止渗铁，并将其放于反射熔炼炉中升温至600℃，然后在石墨坩埚中加入炉料总重3-4％的覆盖剂；

(3).再在石墨坩埚中加入铝锭，将反射熔炼炉继续升温，待石墨坩埚中铝锭全部熔化后，升温至680℃保温10分钟；

(4).待反射熔炼炉继续升温至730℃时，将硅块加入石墨坩埚中，并用钟罩压入铝液液面下，保持10-15分钟，待硅块全部熔化后，将纯铜加入石墨坩埚中熔化；

(5).反射熔炼炉温度调控为680-700℃时，将镁块加入石墨坩埚中，用钟罩将镁块压入坩埚底部，直至其完全熔化；

(6).保持温度为680-700℃，用氮气精炼，通氮气10-15分钟后，即可扒渣；

(7).当金属液升温到760-850℃时，加入炉料总重0.6-0.8％的Al-8Sr中间合金，进行变质处理，金属液在炉中搅拌后，保温静置30±2分钟；

(8).变质完成后，再用氮气精炼，通氮气10-15分钟；

(9).精炼结束后，静置10min，在720-760℃扒渣，然后通过半连续铸造机制得棒材；

(10).将半连续铸造得到的棒材水冷、干燥后，经热处理炉加热至350-450℃，在挤压机上进行大变形度的热挤压变形处理；

(11).将热挤压变形处理后的棒材水冷、干燥后，在热处理炉加热至320-390℃进行锻造和T6热处理，制得铝硅铜镁系变形铝合金。

2.根据权利要求1所述铝硅铜镁系变形铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的覆盖剂是由质量百分比为60％氯化镁和40％氯化钾组成的组合物。

3.根据权利要求1所述铝硅铜镁系变形铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(7)所述的Al-8Sr中间合金的加入温度为780-820℃。

4.根据权利要求1所述铝硅铜镁系变形铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(10)所述的热处理炉加热温度是380-420℃。

5.根据权利要求1所述铝硅铜镁系变形铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(11)所述的热处理炉加热温度是350-370℃。

6.根据权利要求1所述铝硅铜镁系变形铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(11)所述的T6热处理操作为500-510℃固溶8-10h，60-82℃水冷；200℃时效8-10h，空冷。