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CN110284086A - 一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法 - Google Patents

一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，铸造成形的铝铜锰合金坯料依次进行均匀化处理、变形处理、固溶时效处理，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料。本发明有效消除了铝铜锰合金中的铸态偏析组织，使得Al2Cu组织、初生T相均匀弥散分布，细化了组织；铝铜锰合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率均有所提高。

Description

一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法
技术领域
本发明属于有色金属成形技术领域，涉及一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法。
背景技术
在装备制造领域，高性能铸造铝合金为实现零部件轻量化起着重要的作用。Al-Cu-Mn系列铸造合金作为一种高强铝合金，具有良好的力学性能和机械加工性能，应用于航空航天、船舶、兵器、机械等领域，主要用作承受大载荷的结构件和耐热零件。但是，AL-Cu-Mn系列合金结晶温度区间较宽，呈糊状方式凝固，流动性差，热裂倾向大，在凝固后期难以及时补缩，易产生结晶相偏析、缩松、裂纹等缺陷，制约着其在高性能机械零件上广泛应用。
Al-Cu-Mn合金在冷却结晶过程中由于结晶间隔较宽，凝固过程中先形成枝晶网络骨架，网络骨架的孔隙部位被后期剩余低溶点的共晶液填充，分布不均，冷却后形成共晶偏析。同时，在铸造成形过程中，因铸件外形尺寸差异或浇注壁厚大，凝固时局部温度差异较大，加上合金本身以糊状方式凝固，极易产生宏观偏析。通常表现为点状偏析、线性偏析及带状偏析等形态。从铸造工艺和熔炼工艺上进行调整也难以避免偏析缺陷，不能从根本上解决偏析缺陷问题。
为了减少和消除铝铜合金中的结晶相偏析，技术工作者们除了在铸造工艺和熔炼工艺方面做了大量工作，也有通过热处理来控制偏析现象的出现形态。例如，中国专利(一种消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸造结晶相的均匀化热处理工艺，申请号：201610931863.X，申请日：2016-10-31，公告号：CN106399883B，公告日：2018-02-13)公开了一种消除ALCu-Mg-Si-Mn合金铸造结晶相的均匀化热处理工艺；中国专利(控制Al-Cu-Mg-Mn合金中含Mn相均匀弥散析出的热处理方法，申请号：201510697239.3，申请日：2015-10-23，公告号：CN105239029B，公告日：2017-12-08)公开了一种控制Al-Cu-Mg-Mn台金中含Mn相均匀弥散析出的热处理方法；中国专利(一种消除7000系铝合金铸锭结晶相的高压均匀化处理方法，申请号：200710022272.1，申请日：2007-05-11，公告号：CN100510150C，公告日：2009-07-08)公开了一种消除7000系铝合金铸锭结晶相的高压均匀化热处理方法。但以上专利主要针对变形铝铜合金中偏析相的消除和共晶相均匀化，并未涉及铸造铝铜锰合金的共晶相偏析消除，以及提高铝铜锰合金的强韧性。
发明内容
本发明的目的是提供一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，该方法有效地消除了铸造铝铜锰合金坯料铸造过程的共晶相偏析，提高了铸造铝铜锰合金的强韧性。
本发明所采用的技术方案是，一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将铸造成形的铝铜锰合金坯料均匀化处理，得到均匀化坯料；
步骤2、将均匀化坯料进行变形处理，得到变形坯料；
步骤3、对变形坯料进行固溶时效处理，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料。
本发明的特点还在于，
铸造成形的铝铜锰合金坯料按质量百分比由以下组分组成：Cu4.5～6.5％，Mn0.3～0.5％，Ti0.1～0.4％，Zr0.1～0.3％，V0.05～0.3％，余量为Al，上述各组分的质量百分比之和为100％。
铸造成形的铝铜锰合金坯料的厚度为30～40mm。
步骤1具体为，将铸造成形的铝铜锰合金坯料加热到490～510℃，并保温20～24h，室温水冷，得到均匀化坯料。
铸造成形的铝铜锰合金坯料采用电阻加热炉进行加热，加热速度为5～10℃/min。
步骤2具体为，将均匀化坯料加热到440～460℃，进行变形量为10～20％的塑性变形，得到变形坯料。
步骤3具体为，将变形坯料加热到535～540℃，保温10～12小时，室温水冷，得到水冷坯料；
将水冷坯料加热至170～180℃，保温6～8小时，空冷，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料。
变形坯料的加热速度小于等于30℃/min。
本发明的有益效果是：
本发明一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，通过对铸造成形的铝铜锰合金坯料依次进行均匀化处理、变形处理、固溶时效处理，有效地消除了铸造铝铜锰合金坯料铸造过程的共晶相偏析，提高了铸造铝铜锰合金的强韧性。其中，均匀化处理通过扩散有效减少铝铜锰合金中的铸态偏析组织，使材料元素性能均匀；变形处理使得坯料内部组织细化，部分残余偏析组织在外力作用下进一步破碎减少，弥散分布；固溶时效处理强化铝铜锰合金，提高合金抗拉强度、屈服强度、延伸率。本发明所涉及的方法较常规的热处理工艺，抗拉强度提高约10％，屈服强度提高约18％，延伸率提高约70％。
附图说明
图1是本发明实施例2中铸造成形的铝铜锰合金的金相组织(500倍)图；
图2是本发明实施例2中均匀化坯料的金相组织(500倍)图；
图3是本发明实施例2中变形坯料的金相组织(500倍)图；
图4是本发明实施例2中消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料的金相组织(500倍)图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将铸造成形的铝铜锰合金坯料均匀化处理，得到均匀化坯料：
铸造成形的铝铜锰合金坯料按质量百分比由以下组分组成：Cu4.5～6.5％，Mn0.3～0.5％，Ti0.1～0.4％，Zr0.1～0.3％，V0.05～0.3％，余量为Al，上述各组分的质量百分比之和为100％，铸造成形的铝铜锰合金坯料的厚度为30～40mm。
将铸造成形的铝铜锰合金坯料采用电阻加热炉进行加热，以加热速度为5～10℃/min加热到490～510℃，并保温20～24h，室温水冷，得到均匀化坯料。
步骤2、将均匀化坯料进行变形处理，得到变形坯料：
将均匀化坯料加热到440～460℃，进行变形量为10～20％的塑性变形，得到变形坯料。
步骤3、对变形坯料进行固溶时效处理，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料：
将变形坯料以加热速度小于等于30℃/min加热到535～540℃，保温10～12小时，室温水冷，得到水冷坯料；
将水冷坯料加热至170～180℃，保温6～8小时，空冷，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料。
本发明一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，通过对铸造成形的铝铜锰合金坯料进行均匀化处理、变形处理、固溶时效处理，有效地消除了铝铜锰合金坯料铸造过程的共晶相偏析。其中，各处理过程作用原理具体如下：
1)均匀化处理：均匀化处理能够显著改善铸造铝铜锰合金的枝晶偏析和元素团聚等现象，保证合金具有良好的成形和使用性能。根据铝铜锰合金特点，不可避免地存在初始铸态合金中基体固溶体成分不均匀、晶内偏析以及析出多种非平衡共晶相等现象，这些非平衡组织会明显降低合金的成型性能，严重限制合金的使用。均匀化处理通过扩散消除或减小实际结晶条件下晶内成分不均匀和偏离于平衡的组织状态，使材料内部元素性能均匀，为后续的加工做准备。
2)变形处理：
铝铜锰合金中的硬脆相如Al2Cu、初生T(Al12CuMn2)相等会在变形的过程中受到外力作用破碎成较小的颗粒并沿着挤压变形方向分布其边界多平直呈三角状或者四边形状。这些尖端有可能会在变形阶段割裂铝基体造成材料力学性能的下降。经过均匀化处理后再进行变形处理，Al2Cu、初生T相等进一步减少，晶粒尺寸细化。
3)固溶时效处理：
铝铜锰合金为热处理强化合金，经固溶处理后，合金中的强化相能充分溶解在合金基体中，形成亚稳定组织，该组织极其不稳定，并且这种不稳定组织会导致力学性能显著降低，为得到更稳定的组织，通过时效处理使固溶体分解和析出过剩溶质原子，提高合金的强韧性。
实施例1
本实施例提供一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将铸造成形的铝铜锰合金坯料均匀化处理，得到均匀化坯料：
铸造成形的铝铜锰合金坯料按质量百分比由以下组分组成：Cu4.55％，Mn0.35％，Ti0.11％，Zr0.14％，V0.06％，余量为Al，上述各组分的质量百分比之和为100％，铸造成形的铝铜锰合金坯料的厚度为30mm。
将铸造成形的铝铜锰合金坯料采用电阻加热炉进行加热，以加热速度为5℃/min加热到490℃，并保温20h，室温水冷，得到均匀化坯料。
步骤2、将均匀化坯料进行变形处理，得到变形坯料：
将均匀化坯料加热到440℃，进行变形量为10％的塑性变形，得到变形坯料。
步骤3、对变形坯料进行固溶时效处理，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料：
将变形坯料以加热速度30℃/min加热到535℃，保温10小时，室温水冷，得到水冷坯料；
将水冷坯料加热至170℃，保温6小时，空冷，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料。
该实施例获得的消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料组织均匀细小，无偏析坯料。
实施例2
本实施例提供一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将铸造成形的铝铜锰合金坯料均匀化处理，得到均匀化坯料：
铸造成形的铝铜锰合金坯料按质量百分比由以下组分组成：Cu5.48％，Mn0.43％，Ti0.17％，Zr0.16％，V0.15％，余量为Al，上述各组分的质量百分比之和为100％，铸造成形的铝铜锰合金坯料的厚度为35mm，其铸态金相组织(500倍)图如图1所示。
将铸造成形的铝铜锰合金坯料采用电阻加热炉进行加热，以加热速度为8℃/min加热到500℃，并保温22h，室温水冷，得到均匀化坯料，其金相组织(500倍)图如图2所示。
步骤2、将均匀化坯料进行变形处理，得到变形坯料：
将均匀化坯料加热到450℃，进行变形量为15％的塑性变形，得到变形坯料，其金相组织(500倍)图如图3所示。
步骤3、对变形坯料进行固溶时效处理，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料：
将变形坯料以加热速度20℃/min加热到538℃，保温11小时，室温水冷，得到水冷坯料；
将水冷坯料加热至175℃，保温7小时，空冷，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料，其金相组织(500倍)图如图4所示。
通过比较图1-4可以看出，晶粒尺寸从原来的平均约60μm细化到平均约30μm，该实施例获得的消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料组织均匀细小，无偏析坯料。
实施例3
本实施例一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将铸造成形的铝铜锰合金坯料均匀化处理，得到均匀化坯料：
铸造成形的铝铜锰合金坯料按质量百分比由以下组分组成：Cu6.48％，Mn0.45％，Ti0.38％，Zr0.25％，V0.27％，余量为Al，上述各组分的质量百分比之和为100％，铸造成形的铝铜锰合金坯料的厚度为40mm。
将铸造成形的铝铜锰合金坯料采用电阻加热炉进行加热，以加热速度为10℃/min加热到510℃，并保温24h，室温水冷，得到均匀化坯料。
步骤2、将均匀化坯料进行变形处理，得到变形坯料：
将均匀化坯料加热到460℃，进行变形量为20％的塑性变形，得到变形坯料。
步骤3、对变形坯料进行固溶时效处理，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料：
将变形坯料以加热速度小于等于25℃/min加热到540℃，保温12小时，室温水冷，得到水冷坯料；
将水冷坯料加热至180℃，保温8小时，空冷，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料。
该实施例获得的消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料组织均匀细小，无偏析坯料。
实施例4
本实施例提供一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将铸造成形的铝铜锰合金坯料均匀化处理，得到均匀化坯料：
铸造成形的铝铜锰合金坯料按质量百分比由以下组分组成：Cu4.5～％，Mn0.5％，Ti0.1％，Zr0.3％，V0.3％，余量为Al，上述各组分的质量百分比之和为100％，铸造成形的铝铜锰合金坯料的厚度为32mm。
将铸造成形的铝铜锰合金坯料采用电阻加热炉进行加热，以加热速度为8℃/min加热到495℃，并保温21h，室温水冷，得到均匀化坯料。
步骤2、将均匀化坯料进行变形处理，得到变形坯料：
将均匀化坯料加热到455℃，进行变形量为14％的塑性变形，得到变形坯料。
步骤3、对变形坯料进行固溶时效处理，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料：
将变形坯料以加热速度22℃/min加热到537℃，保温11小时，室温水冷，得到水冷坯料；
将水冷坯料加热至175℃，保温7小时，空冷，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料。
该实施例获得的消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料组织均匀细小，无偏析坯料。
实施例5
本实施例提供一种一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将铸造成形的铝铜锰合金坯料均匀化处理，得到均匀化坯料：
铸造成形的铝铜锰合金坯料按质量百分比由以下组分组成：Cu6.5％，Mn0.3％，Ti0.4％，Zr0.3％，V0.05％，余量为Al，上述各组分的质量百分比之和为100％，铸造成形的铝铜锰合金坯料的厚度为37mm。
将铸造成形的铝铜锰合金坯料采用电阻加热炉进行加热，以加热速度为7℃/min加热到505℃，并保温23h，室温水冷，得到均匀化坯料。
步骤2、将均匀化坯料进行变形处理，得到变形坯料：
将均匀化坯料加热到444℃，进行变形量为18％的塑性变形，得到变形坯料。
步骤3、对变形坯料进行固溶时效处理，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料：
将变形坯料以加热速度26℃/min加热到540℃，保温10小时，室温水冷，得到水冷坯料；
将水冷坯料加热至173℃，保温8小时，空冷，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料。
该实施例获得的消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料组织均匀细小，无偏析坯料。

Claims (8)

1.一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将铸造成形的铝铜锰合金坯料均匀化处理，得到均匀化坯料；
步骤2、将所述均匀化坯料进行变形处理，得到变形坯料；
步骤3、对所述变形坯料进行固溶时效处理，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料。
2.根据权利要求1所述的一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，其特征在于，所述铸造成形的铝铜锰合金坯料按质量百分比由以下组分组成：Cu4.5～6.5％，Mn0.3～0.5％，Ti0.1～0.4％，Zr0.1～0.3％，V0.05～0.3％，余量为Al，上述各组分的质量百分比之和为100％。
3.根据权利要求1所述的一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，其特征在于，所述铸造成形的铝铜锰合金坯料的厚度为30～40mm。
4.根据权利要求1所述的一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，其特征在于，所述步骤1具体为，将铸造成形的铝铜锰合金坯料加热到490～510℃，并保温20～24h，室温水冷，得到均匀化坯料。
5.根据权利要求4所述的一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，其特征在于，所述铸造成形的铝铜锰合金坯料采用电阻加热炉进行加热，加热速度为5～10℃/min。
6.根据权利要求1所述的一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，其特征在于，所述步骤2具体为，将所述均匀化坯料加热到440～460℃，进行变形量为10～20％的塑性变形，得到变形坯料。
7.根据权利要求1所述的一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，其特征在于，所述步骤3具体为，将所述变形坯料加热到535～540℃，保温10～12小时，室温水冷，得到水冷坯料；
将所述水冷坯料加热至170～180℃，保温6～8小时，空冷，得到消除结晶相偏析的铸造铝铜锰合金坯料。
8.根据权利要求7所述的一种消除铸造铝铜锰合金中结晶相偏析的方法，其特征在于，所述变形坯料的加热速度小于等于30℃/min。
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