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CN115627393B - 一种高强度zl114a铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强度zl114a铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于合金铸造技术领域，具体涉及一种高强度ZL114A铝合金及其制备方法；其是由主要材料和辅料组成；所述的主料为：Al99.95、Mg99.90、AlSi12A、AlMn10、纯度为99.95％的银粉、AlBe3、AlCu50、变质剂、纳米晶孕育剂；辅料为：99.99％的氩气、PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂；炉料按质量比计为：Si7.0％‑7.2％、Mg0.55％‑0.65％、Ti0.10％‑0.20％、Sr0.03％‑0.06％、Be0.05％‑0.08％、Cu0.03％、Mn0.03％、Ag0.03％、Al为余量。本发明通过调整材料配制方案及熔炼方法，细化材料组织，降低熔体含气量，从而显著提高材料性能，使其满足新一代航天航空产品的更高性能指标需求。

Description

一种高强度ZL114A铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于合金铸造技术领域，具体涉及一种高强度ZL114A铝合金及其制备方法。
背景技术
ZL114A属航空、航天领域应用十分广泛的高强度铸造铝合金，在HB962中，ZL114A在T6状态下要求σb≥300MPa，σ0.2≥220MPa，δ5≥4％。随着航空航天产品技术指标的提升，对构件的力学性能也提出了更高的要求，要求σb≥320MPa，σ0.2≥280MPa，δ5≥4％。仅达到航空标准已无法满足性能要求，需进一步提高材料的力学性能指标。
目前铝合金精炼一般采用单纯氩气或者六氯乙烷+氩气的工艺。单纯氩气精炼处理的合金液，在纯净度上难以满足高性能铸件的使用要求，而采用六氯乙烷会产生有毒有害气体和粉尘，污染环境，有害人体健康。
铸造铝合金的力学性能，很大程度上取决于所制备材料的质量，要进一步提高材料的力学性能，需从材料的配制及熔炼过程控制上入手，进一步细化晶粒组织，减少夹杂及含气量，提高环保性。采用现有通用熔炼技术显然无法达到指标要求。
现有一些针对提高铝合金强度的技术研究，如公告号为CN112831700B的专利文件公开了一种接触网用高强度耐腐蚀铝合金及其制备方法，合金成分按质量百分数包括：Si：0.98-1.35％、Mg：1.7-2.2％、Cu：0.045-0.087％、Fe：0.04-0.11％、Zn：0.01-0.037％、Cr：0.1-0.16％、Mn：0.47-0.53％、Ti：0.01-0.05％、Zr：0.1-0.15％、Sn：0.04-0.09％、Te+Sb：0.013-0.025％、Sc+Be：0.05-0.12％、Ag+Sr+Y：0.2-0.8％、余量为Al。其制备方法为：将各原料熔炼铸造成铸锭后，将铸锭在460-470℃下保温2-4h，在520-548℃下保温2-5h，再在555-570℃下保温3-7h，然后冷却至室温，挤压后淬火得到坯件，再将得到的坯件进行热处理得到所述接触网用高强度耐腐蚀铝合金。此技术所用材料为变形铝合金，合金元素种类多，成本高，制成坯料后必须进行挤压后才可使用。该材料为变形铝合金，只能通过机加制作零件，无法用于铸件生产。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种高强度ZL114A铝合金及其制备方法。
具体是通过以下技术方案来实现的：
1、一种高强度ZL114A铝合金，其是由主要材料和辅料组成；
所述的主料为：Al99.95、Mg99.90、AlSi12A(中间合金)、AlMn10(中间合金)、纯度为99.95％的银粉、AlBe3(中间合金)、AlCu50(中间合金)、变质剂、纳米晶孕育剂；辅料为：99.99％的氩气、PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂；炉料中各成分按质量分数计为：Si7.0％-7.2％、Mg0.55％-0.65％、Ti0.10％-0.20％、Sr0.03％-0.06％、Be0.05％-0.08％、Cu0.03％、Mn0.03％、Ag0.03％、Al为余量。
进一步，所述的变质剂为AlSr10；所述的纳米晶孕育剂为AlTi2.5C0.3B0.3。
2、上述高强度ZL114A铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Al99.95锭及AlSi12A中间合金锭切割成4Kg以下的小块，并将所有主料进行预热，预热温度为300-400℃，保温2-3h；
(2)PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂采用烘箱烘干，烘干温度100℃～150℃，时间不小于1.5h；以炉料质量百分比1.0‰～2.0‰的比例称取烘干后的环保型铝合金熔剂；
(3)将坩埚预热至500-600℃，再将预热好的Al99.95、AlSi12A依次装炉；炉料全部熔化后，加入AlMn10、AlCu50中间合金，搅拌1min～2min；
(4)将合金液温度调节至650-680℃，加入AlBe3中间合金，待完全熔化后搅拌1min～2min；
(5)将合金液温度升至680℃～710℃，将Mg99.90用钟罩压入合金液，轻轻搅动至熔完为止；再将银粉用铝箔包好，压入金属液内，轻微搅动至完全熔化；
(6)调节温度至710℃～730℃，加入AlSr10变质剂，搅拌熔化；
(7)调节温度至700℃～720℃，加入铝合金纳米晶孕育剂，捞底搅拌熔化后再搅拌1min～2min使其充分均匀分布；
(8)调节合金液温度至720℃～730℃，加入PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂，下降铝合金精炼设备石墨转子，石墨转盘伸入金属液面以下150mm-300mm，顺时针搅拌，转速设定为300r/min～500r/min，搅拌时间1min～2min；
(9)调节合金液温度至720℃～730℃，采用铝合金精炼设备进行氩气精炼处理；转速设定为300r/min～500r/min，气体流量10L/min-20L/min，精炼时间5-15min；
(10)静置3-5min后，根据铸件要求的浇注温度对合金液的温度进行调整，然后进行撇渣、浇注即得到高强度ZL114A铝合金。
进一步，在整个熔炼过程中，合金液的温度不得超过740℃。整个熔炼过程应尽量缩短，特别是精炼后至浇注完毕的时间更要严格控制，精炼后至浇注完毕不超过30min。
综上所述，本发明的有益效果在于：本发明通过加入AlTi2.5C0.3B0.3纳米晶孕育剂，通过同时生成的Al4C3粒子及TiB2粒子，作为晶粒结晶的核心，提高合金结晶能力，细化合金晶粒组织。在材料中加入Cu、Mn及Ag元素，提高材料固熔强化及时效析出强化的效果，从而提高材料最终力学性能。合金熔炼时，以PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂代替六氯乙烷，在保证对合金熔体除渣除气效果的前提下，相比六氯乙烷等铝合金精炼剂，在精炼时无烟气产生，精炼效果好，可有效降低氯气、粉尘等的排放，提高环保性，降低对人体的危害。
本发明通过调整材料配制方案及熔炼方法，细化材料组织，降低熔体含气量，从而显著提高材料性能，使其满足新一代航天航空产品的更高性能指标需求。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)铝合金中加入AlTi2.5C0.3B0.3细化合金晶粒组织，相比普通铝合金晶粒细化剂，晶粒组织显著细化，如图1、图2所示。
(2)要求严格控制整个熔炼过程熔体温度不超过740℃，控制金属液吸气量。
(3)加入微量Mn、Cu、Ag元素，在保证合金成分符合标准要求的前提下，细化组织，提高合金热处理强化效果，提高力学性能。
附图说明
图1为添加普通铝钛硼晶粒细化剂制备的铝合金晶粒组织。
图2为添加AlTi2.5C0.3B0.3制备的铝合金晶粒组织。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1
1、一种高强度ZL114A铝合金，其是由主要材料和辅料组成；
所述的主料为：Al99.95、Mg99.90、AlSi12A(中间合金)、AlMn10(中间合金)、纯度为99.95％的银粉、AlBe3(中间合金)、AlCu50(中间合金)、变质剂、纳米晶孕育剂；辅料为：99.99％的氩气、PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂；炉料中各成分按质量分数计为：Si7.1％、Mg0.6％、Ti0.15％、Sr0.04％、Be0.07％、Cu0.03％、Mn0.03％、Ag0.03％、Al为余量。
进一步，所述的变质剂为AlSr10；所述的纳米晶孕育剂为AlTi2.5C0.3B0.3。
2、上述高强度ZL114A铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Al99.95锭及AlSi12A中间合金锭切割成4Kg以下的小块，并将所有主料进行预热，预热温度为350℃，保温3h；
(2)PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂采用烘箱烘干，烘干温度120℃，时间不小于1.5h；以炉料质量百分比1.5‰的比例称取烘干后的环保型铝合金熔剂；
(3)将坩埚预热至550℃，再将预热好的Al99.95、AlSi12A依次装炉；炉料全部熔化后，加入AlMn10、AlCu50中间合金，搅拌2min；
(4)将合金液温度调节至665℃，加入AlBe3中间合金，待完全熔化后搅拌2min；
(5)将合金液温度升至700℃，将Mg99.90用钟罩压入合金液，轻轻搅动至熔完为止；再将银粉用铝箔包好，压入金属液内，轻微搅动至完全熔化；
(6)调节温度至720℃，加入AlSr10变质剂，搅拌熔化；
(7)调节温度至710℃，加入铝合金纳米晶孕育剂，捞底搅拌熔化后再搅拌1min～2min使其充分均匀分布；
(8)调节合金液温度至725℃，加入PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂，下降铝合金精炼设备石墨转子，石墨转盘伸入金属液面以下200mm，顺时针搅拌，转速设定为400r/min，搅拌时间2min；
(9)调节合金液温度至725℃，采用铝合金精炼设备进行氩气精炼处理；转速设定为400r/min，气体流量15L/min，精炼时间10min；
(10)静置5min后，根据铸件要求的浇注温度对合金液的温度进行调整，然后进行撇渣、浇注即得到高强度ZL114A铝合金。
实施例2
1、一种高强度ZL114A铝合金，其是由主要材料和辅料组成；
所述的主料为：Al99.95、Mg99.90、AlSi12A(中间合金)、AlMn10(中间合金)、纯度为99.95％的银粉、AlBe3(中间合金)、AlCu50(中间合金)、变质剂、纳米晶孕育剂；辅料为：99.99％的氩气、PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂；炉料中各成分按质量分数计为：Si7.0％、Mg0.55％、Ti0.10％、Sr0.03％、Be0.05％、Cu0.03％、Mn0.03％、Ag0.03％、Al为余量。
进一步，所述的变质剂为AlSr10；所述的纳米晶孕育剂为AlTi2.5C0.3B0.3。
2、上述高强度ZL114A铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Al99.95锭及AlSi12A中间合金锭切割成4Kg以下的小块，并将所有主料进行预热，预热温度为300℃，保温2h；
(2)PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂采用烘箱烘干，烘干温度100℃，时间不小于1.5h；以炉料质量百分比1.0‰的比例称取烘干后的环保型铝合金熔剂；
(3)将坩埚预热至500℃，再将预热好的Al99.95、AlSi12A依次装炉；炉料全部熔化后，加入AlMn10、AlCu50中间合金，搅拌2min；
(4)将合金液温度调节至650℃，加入AlBe3中间合金，待完全熔化后搅拌2min；
(5)将合金液温度升至680℃，将Mg99.90用钟罩压入合金液，轻轻搅动至熔完为止；再将银粉用铝箔包好，压入金属液内，轻微搅动至完全熔化；
(6)调节温度至710℃，加入AlSr10变质剂，搅拌熔化；
(7)调节温度至700℃，加入铝合金纳米晶孕育剂，捞底搅拌熔化后再搅拌2min使其充分均匀分布；
(8)调节合金液温度至720℃，加入PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂，下降铝合金精炼设备石墨转子，石墨转盘伸入金属液面以下150mm，顺时针搅拌，转速设定为300r/min，搅拌时间2min；
(9)调节合金液温度至720℃，采用铝合金精炼设备进行氩气精炼处理；转速设定为300r/min，气体流量10L/min，精炼时间15min；
(10)静置3min后，根据铸件要求的浇注温度对合金液的温度进行调整，然后进行撇渣、浇注即得到高强度ZL114A铝合金。
实施例3
1、一种高强度ZL114A铝合金，其是由主要材料和辅料组成；
所述的主料为：Al99.95、Mg99.90、AlSi12A(中间合金)、AlMn10(中间合金)、纯度为99.95％的银粉、AlBe3(中间合金)、AlCu50(中间合金)、变质剂、纳米晶孕育剂；辅料为：99.99％的氩气、PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂；炉料中各成分按质量分数计为：Si7.2％、Mg0.65％、Ti0.20％、Sr0.06％、Be0.08％、Cu0.03％、Mn0.03％、Ag0.03％、Al为余量。
进一步，所述的变质剂为AlSr10；所述的纳米晶孕育剂为AlTi2.5C0.3B0.3。
2、上述高强度ZL114A铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Al99.95锭及AlSi12A中间合金锭切割成4Kg以下的小块，并将所有主料进行预热，预热温度为300-400℃，保温2-3h；
(2)PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂采用烘箱烘干，烘干温度150℃，时间不小于1.5h；以炉料质量百分比2.0‰的比例称取烘干后的环保型铝合金熔剂；
(3)将坩埚预热至600℃，再将预热好的Al99.95、AlSi12A依次装炉；炉料全部熔化后，加入AlMn10、AlCu50中间合金，搅拌1min；
(4)将合金液温度调节至680℃，加入AlBe3中间合金，待完全熔化后搅拌1min；
(5)将合金液温度升至710℃，将Mg99.90用钟罩压入合金液，轻轻搅动至熔完为止；再将银粉用铝箔包好，压入金属液内，轻微搅动至完全熔化；
(6)调节温度至730℃，加入AlSr10变质剂，搅拌熔化；
(7)调节温度至720℃，加入铝合金纳米晶孕育剂，捞底搅拌熔化后再搅拌1min使其充分均匀分布；
(8)调节合金液温度至730℃，加入PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂，下降铝合金精炼设备石墨转子，石墨转盘伸入金属液面以下300mm，顺时针搅拌，转速设定为500r/min，搅拌时间1min；
(9)调节合金液温度至730℃，采用铝合金精炼设备进行氩气精炼处理；转速设定为500r/min，气体流量20L/min，精炼时间5min；
(10)静置5min后，根据铸件要求的浇注温度对合金液的温度进行调整，然后进行撇渣、浇注即得到高强度ZL114A铝合金。
与现有普通技术相比，本发明方法可以在提高材料力学性能的同时，可极大减少有毒有害腐蚀性气体的排放，有利于人体健康及环保。
其中，普通技术是指：配料时，只按HB962或者GB1173的要求，合金中只配制铝、硅、镁、钛元素，钛元素以铝钛硼形式加入，精炼是采用六氯乙烷或者氩气。
按GB1173-2013及GB/T228.1对试样进行性能测试，结果如表1所示。
表1
钛元素以纳米晶孕育剂AlTi2.5C0.3B0.3的形式加入，相比铝钛硼，纳米晶孕育剂的细化效果更好。精炼时采用的是PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂+氩气精炼的方法，无氯气等有毒气体排放，精炼除气效果好。

Claims (2)

1.一种高强度ZL114A铝合金，其特征在于，其是由主料和辅料组成；所述的主料为：Al99.95、Mg99.90、AlSi12A、AlMn10、纯度为99.95%的银粉、AlBe3、AlCu50、变质剂、纳米晶孕育剂；辅料为：99.99%的氩气、PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂；炉料中各成分按质量分数计为：Si7.0％-7.2%、Mg0.55％-0.65％、Ti0.10％-0.20％、Sr0.03%-0.06%、Be0.05%-0.08%、Cu0.03%、Mn0.03%、Ag0.03%、Al为余量；
所述的变质剂为AlSr10；所述的纳米晶孕育剂为AlTi2.5C0.3B0.3；
所述的高强度ZL114A铝合金的制备方法，步骤如下：
（1）将Al99.95锭及AlSi12A中间合金锭切割成4Kg以下的小块，并将所有主料进行预热，预热温度为300-400℃，保温2-3h；
（2）PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂采用烘箱烘干，烘干温度100℃～150℃，时间不小于1.5h；以炉料质量百分比1.0‰～2.0‰的比例称取烘干后的环保型铝合金熔剂；
（3）将坩埚预热至500-600℃，再将预热好的Al99.95、AlSi12A依次装炉；炉料全部熔化后，加入AlMn10、AlCu50中间合金，搅拌1min～2min；
（4）将合金液温度调节至650-680℃，加入AlBe3中间合金，待完全熔化后搅拌1min～2min；
（5）将合金液温度升至680℃～710℃，将Mg99.90用钟罩压入合金液，轻轻搅动至熔完为止；再将银粉用铝箔包好，压入金属液内，轻微搅动至完全熔化；
（6）调节温度至710℃～730℃，加入AlSr10变质剂，搅拌熔化；
（7）调节温度至700℃～720℃，加入纳米晶孕育剂，捞底搅拌熔化后再搅拌1min～2min使其充分均匀分布；
（8）调节合金液温度至720℃～730℃，加入PUREAL LP 101A环保型铝合金熔剂，下降铝合金精炼设备石墨转子，石墨转盘伸入金属液面以下150mm-300mm，顺时针搅拌，转速设定为300r/min～500r/min，搅拌时间1min～2min；
（9）调节合金液温度至720℃～730℃，采用铝合金精炼设备进行氩气精炼处理；转速设定为300r/min～500r/min，气体流量10L/min-20L/min，精炼时间5-15min；
（10）静置3-5min后，根据铸件要求的浇注温度对合金液的温度进行调整，然后进行撇渣、浇注即得到高强度ZL114A铝合金。
2.如权利要求1所述的一种高强度ZL114A铝合金的制备方法，其特征在于，所述的合金液温度不超过740℃；精炼后至浇注完毕不超过30min。
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