CN102517476B - 一种减小疏松和缩松的高强度铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减小疏松和缩松的高强度铝合金及其制备方法，先加热铝锭或熔融铝液使之完全熔化；加入Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn，使之完全溶解和熔化；精炼后在700～1000℃下保温，得到合金熔体；使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将Mo2N和LiBHEt3粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使Mo2N和LiBHEt3在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，进行铸造生产。本发明能够克服现有铝合金性能的不足，提高其强韧性、成形性和淬透性，为高效深加工提供高端基材。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度铝合金，还涉及其制备方法。
背景技术
目前的铝合金材料除了熔铸大型锭坯时的成形性能较差外，大型锭坯在热处理过程的淬透性不高、耐回火性较差和不能满足更高的力学性能要求或某些特殊性能(如耐热、耐蚀)等，也是重大缺陷。这些缺陷使其在工程技术领域替代钢制品等重强材料和结构的进程中形成了难以跨越的技术断点。
一般在铸件晶粒粗大、组织不致密的部位会产生疏松和缩松，例如在铸件内浇口附近与缩孔相连接，或冒口根部、厚大的热节部位以及具有大平面的薄壁处等区域。
缩松是在低倍试片表面或断面上出现分散而细小的缩孔，有时借助放大镜才能发现，在高倍下形成不规则的沿晶孔洞。有的液相受粗大针状铁相β(Al9Si2Fe2)阻隔而形成缩松。疏松的形态和缩松相似，但孔洞更细小，在浸蚀后的低倍试片上呈分散状的、不成形的海绵状疏松，在高倍下一般呈不均匀分布于α(Al)枝晶间。对于含铜较高的合金，在显微疏松周围往往有较多的Al2Cu相，在暗场下观察，疏松呈白亮色，铸态断口为灰白色或浅黄色和灰黑色。
疏松和缩松割裂了晶粒间的联系，对力学性能的影响较显著，尤其是承受液压或气压的零件，会造成漏油和透气，危害较大。随着疏松和缩松程度的增加，力学性能和气密性随之恶化。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高强度铝合金，能够克服现有铝合金性能的不足，提高其强韧性、成形性和淬透性，为高效深加工提供高端基材。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高强度铝合金，以质量百分比计，包括0.3～0.7％的Si，小于等于0.5％的Fe，小于等于0.1％的Cu，小于等于0.03％的Mn，0.35～0.8％的Mg，小于等于0.03％的Cr，小于等于0.1％的Zn，1.2～1.8％的Mo，0.09～0.13％的N、0.04～0.07％的Li，0.07～0.1％的B，余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0.05％，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0.1％。
本发明还提供所述高强度铝合金的制备方法，以复合处理方式加入Mo2N和LiBHEt3，包括以下步骤：
步骤一：按照所述高强度铝合金的组分备料，包括占总产品质量百分比0.3～0.7％的Si，小于等于0.5％的Fe，小于等于0.1％的Cu，小于等于0.03％的Mn，0.35～0.8％的Mg，小于等于0.03％的Cr，小于等于0.1％的Zn；
步骤二：先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全熔化，按配方比例先加入步骤一的备料，使之完全溶解和熔化，精炼后在700～1000℃下保温，得到合金熔体；熔化过程在封闭环境内完成；
步骤三：使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比1.29～1.93％的Mo2N和0.66～1.0％的LiBHEt3(三乙基硼氢化锂)粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使Mo2N和LiBHEt3在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，沿以下两种流程分别进行不同制品的铸造生产。
流程一：沿流槽倾倒出炉，至立式水冷铸造机系统，铸造加工用锭坯，特别是铸造厚度500mm以上的大型扁锭和直径500mm以上的圆棒。
流程二：转注入铸件的铸模中，使用金属型、砂型或混合型铸方式，采用重力铸造、压力铸造或差压铸造工艺，铸造铝合金铸件，特别是铸造大型、薄壁或复杂结构的铝合金铸件。
本发明的有益效果是：
合金液态收缩和凝固收缩大于固态收缩、凝固期过长、气体含量过多，都会影响疏松和缩松的形成，而且容易在最后凝固部位(热节处)出现缩孔和缩松。例如液体结晶间隔大的Al-Cu和Al-Mg等为基的固溶体型铝合金，在平衡冷却条件下呈糊状凝固，枝晶发达，共晶成分液相少，枝晶封闭液相的收缩和溶解气体的析出容易形成分散性的显微疏松和缩松。若凝固结晶速度快，本发明加入了Ti、B等细化晶粒元素，又有较好的补缩时，可防止疏松和缩松的产生。
Mo2N和LiBHEt3在以流态化形式随保护性气体加入铝合金熔体过程中，具有比一般块状物质大得多的比表面积，能够实现快速的分散并与熔体充分接触，显著缩短了分散和均匀的时间。
Mo2N和LiBHEt3在高温铝熔体中，由于铝本身在常温下就是导电性极好的金属，在700℃以上的高温环境中，其熔融状态是一种高密度自由电子与铝离子的混合体，具有极高的活性，生成各种强化相型物质和变质剂型物质；这些原子态物质立刻与铝基体发生反应，首先溶入基体形成共溶体，当达到饱和后又进一步与铝生成多种金属间化合物，这些金属化合物在熔体冷却时，由于体系最低自由能原理，在形成的晶粒中不能稳定存在，将在晶格畸变能差的驱动下向晶界移动和集中，同时，由于合金元素在铝基体中的饱和溶解度随着温度下降而显著降低，所以随着熔体的冷却，过饱和的熔体不断地析出富含合金元素的金属间化合物，这些化合物在晶间富集，彼此间不易融合，在微观结构中成为粗大的晶间化合物群，对合金产生脆硬化影响，恶化合金铸造成形性能，降低其均匀性、韧性、耐蚀性和淬透性能。所以，当合金凝固成为过饱和固溶体基体+晶间金属化合物的基本结构时，通常称为纯铸态组织，具有这种组织的合金必须经过“固溶+时效”的热处理之后才能具有满足需要的力学性能和其它技术指标。
在合金中Fe和Si容易形成两种Al-Fe-Si相，即α相和β相。α相中Si含量较低而β相中Si含量较高，且前者具有明显的汉字外形，后者则呈长针状和盘片状。由于合金中Mg的存在，Si优先与Mg生成Mg2Si相，剩下的Si与Fe形成汉字状α相(Al12Fe3Si)，是一种粗大组织，在合金中是有害的，但这种粗大组织可以被基体中存在的少量过渡元素如Mn、Ni、Cu、Cr、V、Mo、W等所细化。本发明配方中的Cu、Mn就起到了这种细化效果。
本发明在变形铝合金中加入1.29～1.93％的Mo2N和0.66～1.0％的LiBHEt3(三乙基硼氢化锂)粉末，可以在合金凝固过程中有效增加异质形核核心，从而达到晶粒细化的效果，增强合金强度；并且加入的元素可以促进形成间隙原子和间隙相，高温时在α(Al)固溶体中溶解度大，而在室温时很小，从而使合金具有较高的可热处理性质，热处理后，其强度和硬度都有很大程度的提高。
下面结合实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
实施例1：
一种高强度铝合金，以质量百分比计，包括0.3％的Si，0.5％的Fe，0.1％的Cu，0.03％的Mn，0.35％的Mg，0.03％的Cr，0.1％的Zn，1.2％的Mo，0.09％的N、0.04％的Li，0.07％的B，余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0.05％，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0.1％。
本发明还提供所述高强度铝合金的制备方法，以复合处理方式加入Mo2N和LiBHEt3，包括以下步骤：
步骤一：按照所述高强度铝合金的组分备料，包括占总产品质量百分比0.3％的Si，0.5％的Fe，0.1％的Cu，0.03％的Mn，0.35％的Mg，0.03％的Cr，0.1％的Zn；
步骤二：先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全熔化，按配方比例先加入步骤一的备料，使之完全溶解和熔化，精炼后在700～1000℃下保温，得到合金熔体；熔化过程在封闭环境内完成；
步骤三：使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比1.29％的Mo2N和1.93％的LiBHEt3(三乙基硼氢化锂)粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使Mo2N和LiBHEt3在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，沿以下两种流程分别进行不同制品的铸造生产。
流程一：沿流槽倾倒出炉，至立式水冷铸造机系统，铸造加工用锭坯，特别是铸造厚度500mm以上的大型扁锭和直径500mm以上的圆棒。
流程二：转注入铸件的铸模中，使用金属型、砂型或混合型铸方式，采用重力铸造、压力铸造或差压铸造工艺，铸造铝合金铸件，特别是铸造大型、薄壁或复杂结构的铝合金铸件。
实施例2：
一种高强度铝合金，以质量百分比计，包括0.5％的Si，0.4％的Fe，0.08％的Cu，0.02％的Mn，0.6％的Mg，0.02％的Cr，0.08％的Zn，1.5％的Mo，0.11％的N、0.06％的Li，0.08％的B，余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0.05％，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0.1％。
本发明还提供所述高强度铝合金的制备方法，以复合处理方式加入Mo2N和LiBHEt3，包括以下步骤：
步骤一：按照所述高强度铝合金的组分备料，包括占总产品质量百分比0.5％的Si，0.4％的Fe，0.08％的Cu，0.02％的Mn，0.6％的Mg，0.02％的Cr，0.08％的Zn；
步骤二：先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全熔化，按配方比例先加入步骤一的备料，使之完全溶解和熔化，精炼后在700～1000℃下保温，得到合金熔体；熔化过程在封闭环境内完成；
步骤三：使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比1.61％的Mo2N和0.83％的LiBHEt3(三乙基硼氢化锂)粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使Mo2N和LiBHEt3在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，沿以下两种流程分别进行不同制品的铸造生产。
流程一：沿流槽倾倒出炉，至立式水冷铸造机系统，铸造加工用锭坯，特别是铸造厚度500mm以上的大型扁锭和直径500mm以上的圆棒。
流程二：转注入铸件的铸模中，使用金属型、砂型或混合型铸方式，采用重力铸造、压力铸造或差压铸造工艺，铸造铝合金铸件，特别是铸造大型、薄壁或复杂结构的铝合金铸件。
实施例3：
一种高强度铝合金，以质量百分比计，包括0.7％的Si，0.25％的Fe，0.07％的Cu，0.01％的Mn，0.8％的Mg，0.15％的Cr，0.07％的Zn，1.8％的Mo，0.13％的N、0.07％的Li，0.1％的B，余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0.05％，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0.1％。
本发明还提供所述高强度铝合金的制备方法，以复合处理方式加入Mo2N和LiBHEt3，包括以下步骤：
步骤一：按照所述高强度铝合金的组分备料，包括占总产品质量百分比0.7％的Si，0.25％的Fe，0.07％的Cu，0.01％的Mn，0.8％的Mg，0.15％的Cr，0.07％的Zn；
步骤二：先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全熔化，按配方比例先加入步骤一的备料，使之完全溶解和熔化，精炼后在700～1000℃下保温，得到合金熔体；熔化过程在封闭环境内完成；
步骤三：使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比1.93％的Mo2N和1％的LiBHEt3(三乙基硼氢化锂)粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使Mo2N和LiBHEt3在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，沿以下两种流程分别进行不同制品的铸造生产。
流程一：沿流槽倾倒出炉，至立式水冷铸造机系统，铸造加工用锭坯，特别是铸造厚度500mm以上的大型扁锭和直径500mm以上的圆棒。
流程二：转注入铸件的铸模中，使用金属型、砂型或混合型铸方式，采用重力铸造、压力铸造或差压铸造工艺，铸造铝合金铸件，特别是铸造大型、薄壁或复杂结构的铝合金铸件。
Claims (1)
1.一种减小疏松和缩松的高强度铝合金，其特征在于：以质量百分比计，包括0.3～0.7%的Si，小于等于0.5%的Fe，小于等于0.1%的Cu，小于等于0.03%的Mn，0.35～0.8%的Mg，小于等于0.03%的Cr，小于等于0.1%的Zn，1.2～1.8%的Mo，0.09～0.13%的N、0.04～0.07%的Li，0.07～0.1%的B，余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0.05%，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0.1%；
所述减小疏松和缩松的高强度铝合金的制备方法包括下述步骤：
步骤一：按照所述高强度铝合金的组分备料，包括占总产品质量百分比0.3～0.7%的Si，小于等于0.5%的Fe，小于等于0.1%的Cu，小于等于0.03%的Mn，0.35～0.8%的Mg，小于等于0.03%的Cr，小于等于0.1%的Zn；
步骤二：先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全熔化，按配方比例先加入步骤一的备料，使之完全熔解和熔化，精炼后在700～1000℃下保温，得到合金熔体；熔化过程在封闭环境内完成；
步骤三：使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比1.29～1.93%的Mo2N和0.66～1.0%的LiBHEt3粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使Mo2N和LiBHEt3在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉。
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