專利名稱：一種摻雜ZrC的高強(qiáng)度鋁合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度鋁合金，還涉及其制備方法。
背景技術(shù)：
鋯在鋁合金中能形成Al3Zr,成為α固溶體的外來異質(zhì)結(jié)晶核心，使結(jié)晶晶粒細(xì)化，提高合金的高溫強(qiáng)度，^ 還能與合金液中的氫反應(yīng)，生成&H，溶于合金液起除氣作用， 減少針孔、疏松等缺陷。由于合金成分或化合物中密度大的成分會(huì)沉淀于鑄件下部，密度小的成分上浮于上部。例如為了細(xì)化晶粒而添加Ti、a 等難熔金屬與Al形成高熔點(diǎn)的片狀化合物Al3Ti和 Al3Zr會(huì)較早的從合金液中結(jié)晶出來，當(dāng)長(zhǎng)成較大時(shí)就容易下沉產(chǎn)生局部規(guī)程的密度偏析， 偏析較嚴(yán)重時(shí)可在鑄件斷口上看到表面平整的白亮灰的化合物，過共晶的Al-Si鋁合金中粗大的初生硅由于密度較小也容易形成偏析。另外當(dāng)這種合金液在澆注前由于攪拌不均勻而引起共晶偏析，在共晶硅集中處， 硬度高脆性大，加工刀具磨損大；共晶硅少的部位形成α (Al)固溶體軟點(diǎn)，強(qiáng)度低，加工時(shí)不僅粘刀，惡化加工性能，在切削力的作用下會(huì)使α (Al)固溶體變形導(dǎo)致加工面出現(xiàn)白斑。當(dāng)ZL108(ZAlSil2Cu2Mgl)鋁合金中含鎂量小于0. 6% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，加工表面也容易出現(xiàn)白斑。再有Al-Si-Cu鋁合金中Cu元素的偏析引起局部區(qū)域出現(xiàn)粗大的Al2Cu相并沿晶呈網(wǎng)狀分布，就算采用熱處理不能將其完全溶解于α (Al)固溶體而保留于晶間，從而使得該種合金脆性增加。同時(shí)，在采用這種鋁合金進(jìn)行鑄造時(shí)，鑄造完成的鑄件中常出現(xiàn)各種夾雜，主要有氧化物夾雜、造型材料和熔劑夾渣等。其中，以鋁氧化物夾雜最為普遍。尤其在含Mg的鋁合金中，多數(shù)夾雜為氧化鋁和氧化鎂的混合物，所以在鋁合金熔煉過程中，氧化物夾雜的含量是反映鋁液冶金質(zhì)量的重要標(biāo)質(zhì)之一。由此可見目前的鋁合金材料除了熔鑄大型錠坯時(shí)的成形性能較差外，大型錠坯在熱處理過程的淬透性不高、耐回火性較差和不能滿足更高的力學(xué)性能要求或某些特殊性能(如耐熱、耐蝕)等，也是重大缺陷。這些缺陷使其在工程技術(shù)領(lǐng)域替代鋼制品等重強(qiáng)材料和結(jié)構(gòu)的進(jìn)程中形成了難以跨越的技術(shù)斷點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種摻雜的高強(qiáng)度鋁合金及其制備方法，能夠克服現(xiàn)有鋁合金性能的不足，提高其強(qiáng)韌性、成形性和淬透性，為高效深加工提供
高端基材。一種摻雜的高強(qiáng)度鋁合金，其特征在于以質(zhì)量百分比計(jì)，包括0. 2 0. 6%的 Si，小于等于0. 35%的Fe，小于等于0. 的Cu，小于等于0. 的Mn，小于等于0. 的 Cr,0. 45 0.9%的Mg，小于等于0. 的Zn，小于等于0. 的Ti，0.8 1.8%的Zr和0. 11 0. 的C，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)；所述單一雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 05%，雜質(zhì)總含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 15%。一種摻雜的高強(qiáng)度鋁合金的制備方法，其特征在于步驟如下步驟1 將鋁錠加入熔煉爐中加熱使之完全熔化，然后按配方加入總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0. 2 0. 6%的Si，小于等于0. 的i^e，小于等于0. 的Cu，小于等于0. 的Mn， 小于等于0. 的Cr，0. 45 0.9%的Mg，小于等于0. 的Si和小于等于0. 的Ti，完全溶解和熔化；所述熔化過程在封閉環(huán)境內(nèi)完成；步驟2 在700 1000°C下保溫，得到合金熔體；步驟3 采用混合氣體對(duì)鋁合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0. 91 2. 04%的ZrC粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到鋁合金熔體中進(jìn)行混合，使 ZrC在鋁合金熔體中分布均勻，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；所述混合氣體為氮?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體按照任意比例混合得到；步驟4 反應(yīng)結(jié)束后調(diào)溫至680 730°C，得到熔煉完成的鋁合金熔體。步驟1中的鋁錠以熔融鋁液替換。一種將所述的摻雜的高強(qiáng)度鋁合金進(jìn)行鑄造的方法，其特征在于將權(quán)利要求2所熔煉的鋁合金熔體沿流槽傾倒出爐，至立式水冷鑄造機(jī)系統(tǒng)，鑄造加工用錠坯，特別是鑄造厚度500mm以上的大型扁錠和直徑500mm以上的圓棒。一種將所述的摻雜的高強(qiáng)度鋁合金進(jìn)行鑄造的方法，其特征在于將權(quán)利要求2所熔煉的鋁合金熔體轉(zhuǎn)注入鑄件的鑄模中，使用金屬型、砂型或混合型鑄方式，采用重力鑄造、壓力鑄造或差壓鑄造工藝，鑄造鋁合金鑄件，特別是鑄造大型、薄壁或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。本發(fā)明提供的一種摻雜&(的高強(qiáng)度鋁合金及其制備方法，在變形鋁合金中以粉末狀加AO. 91 2. 04%的&(，以流態(tài)化形式隨保護(hù)性氣體加入鋁合金熔體過程中，具有比一般塊狀物質(zhì)大得多的比表面積，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的分散并與熔體充分接觸，顯著縮短了分散和均勻的時(shí)間。同時(shí)采用本發(fā)明的高強(qiáng)度鋁合金在鑄造過程中，可以在合金凝固過程中有效增加異質(zhì)形核核心，從而達(dá)到晶粒細(xì)化的效果，增強(qiáng)合金強(qiáng)度；并且加入的元素可以促進(jìn)形成間隙原子和間隙相，高溫時(shí)在α (Al)固溶體中溶解度大，而在室溫時(shí)很小，從而使合金具有較高的可熱處理性質(zhì)，熱處理后，其強(qiáng)度和硬度都有很大程度的提高。具體分析如下在本合金未經(jīng)加入上述元素之前，熔體中除形成各種元素的共溶體之外，還含有下列一些金屬間形成的化合物相Mg2Si 相、N 相(Al7Cu2Fe)、α 相(Al1Je3Si)、S 相(Al2CuMg)；這些金屬化合物在熔體冷卻時(shí)，由于體系最低自由能原理，在形成的晶粒中不能穩(wěn)定存在，將在晶格畸變能差的驅(qū)動(dòng)下向晶界移動(dòng)和集中，同時(shí)，由于合金元素在鋁基體中的飽和溶解度隨著溫度下降而顯著降低，所以隨著熔體的冷卻，過飽和的熔體不斷地析出富含合金元素的金屬間化合物，這些化合物在晶間富集，彼此間不易融合，在微觀結(jié)構(gòu)中成為粗大的晶間化合物群，對(duì)合金產(chǎn)生脆硬化影響，惡化合金鑄造成形性能，降低其均勻性、 韌性、耐蝕性和淬透性能。所以，當(dāng)合金凝固成為過飽和固溶體基體+晶間金屬化合物的基本結(jié)構(gòu)時(shí)，通常稱為純鑄態(tài)組織，具有這種組織的合金必須經(jīng)過“固溶+時(shí)效”的熱處理之后才能具有滿足需要的力學(xué)性能和其它技術(shù)指標(biāo)。雖然，經(jīng)過配方優(yōu)化處理和提高合金性能的熱處理能夠得到改善，但是合金本身仍然還是存在很多缺陷強(qiáng)度不夠高，不能鑄造大規(guī)格型錠等。本發(fā)明通過比較選擇，開發(fā)了過渡族元素的碳化物處理熔體的方式，通過加入 0. 8 1. 8 %的^ ，0. 8 1. 8 %的C元素，分解后的碳化物產(chǎn)生的原子態(tài)ττ金屬，沒有了單質(zhì)狀態(tài)下金屬原子間以d/s電子緊密結(jié)合產(chǎn)生的強(qiáng)大金屬鍵能和同類原子間緊密堆積產(chǎn)生的晶格能形成的勢(shì)壘，以“裸態(tài)”與周圍大量的基體原子融合，形成共溶體和金屬化合物， 并成為結(jié)晶時(shí)的領(lǐng)先相和細(xì)晶化相，同時(shí)也是高溫強(qiáng)化相。因此，碳化物以流態(tài)化加入熔體中產(chǎn)生高溫下的分解和形成的彌散狀態(tài)，解決了高熔點(diǎn)金屬在鋁液中溶解難、均勻分布難的問題，實(shí)現(xiàn)了晶格畸變能的微觀均勻化分布和晶粒的細(xì)化。由于C與Al反應(yīng)生成的Al4C3是一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的離子晶體，熔點(diǎn)達(dá)2100°C ；在實(shí)際結(jié)構(gòu)中金屬原子可以是4、5、6配位，Al-C鍵長(zhǎng)在1.90-2. 22 A之間，最短的C_C鍵為3. 16 A; X射線研究則顯示結(jié)構(gòu)中有單個(gè)碳原子以離散的碳負(fù)離子C4—形式存在；碳化鋁顆粒能降低材料蠕變的趨勢(shì)，提高基體材料硬度；具有強(qiáng)烈吸H作用，可以有效除去熔體中的存在的原子H。另外加入到熔體中的碳化物分解的程度，隨著碳化物本身的穩(wěn)定性和熔體溫度的不同而變化，即反應(yīng)具有一定的可逆性，是一種動(dòng)態(tài)的平衡。大多數(shù)過渡元素在鋁熔體中的飽和溶解度較小，而且，除鉻、鈦、釩、鋯的最大固溶度發(fā)生在包晶溫度外，其他元素的最大固溶度均發(fā)生在共晶溫度；在室溫下的溶解度，均小于0. wt。同時(shí)在熔煉過程中充入的氮?dú)?，有利于鋁在800 1000°C的氮?dú)夥罩泻铣葾1N。由于N與Al反應(yīng)生成的AlN是原子晶體，屬類金剛石氮化物，最高可穩(wěn)定到2200°C ；室溫強(qiáng)度高，且強(qiáng)度隨溫度的升高下降較慢，能夠有效提高合金的高溫強(qiáng)度和抗腐蝕能力；導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小，可提高基體材料耐熱沖擊性能。因此，當(dāng)N2充入高溫鋁合金熔體時(shí)，本身就具有了與多種金屬金發(fā)生反應(yīng)的活性。所以適當(dāng)調(diào)節(jié)熔體凈化作業(yè)時(shí)的溫度和保護(hù)性氮?dú)獾臐舛?，可調(diào)節(jié)熔體中AlN的含量，這進(jìn)一步為調(diào)節(jié)熔體中過渡金屬元素的含量提供了方法。可見由于在本發(fā)明中使用流態(tài)化碳化物處理的手段，把強(qiáng)化基體和細(xì)化晶粒的多種效果集成在一起，取代中間合金，使鋁合金制造企業(yè)不再受制于中間合金生產(chǎn)商，有利于創(chuàng)建“近成型、短流程、集約化”的綠色生產(chǎn)線，節(jié)能降耗，降低綜合成本；同時(shí)，在熱處理過程中，由于形成了優(yōu)異的材料微觀結(jié)構(gòu)，錠坯的殘余應(yīng)力較小，因此可以顯著提高熱處理效能，提高錠坯的淬透性，在與同類合金比較時(shí)，能夠以“鑄造+熱處理方式”生產(chǎn)更厚的坯料(厚度500mm以上的板材和直徑500mm以上的棒材)，在系列規(guī)格(厚度15 200mm)的中厚板制造技術(shù)上實(shí)現(xiàn)“以鑄代軋”。總而言之，本發(fā)明的有益效果是在鋁熔體中造成了多種晶粒細(xì)化元素、質(zhì)點(diǎn)，對(duì)防止基體和強(qiáng)化相的粗大化有良好效果。在冷卻后的鋁基體中造成了穩(wěn)定性極高的間隙原子和間隙相，成為新的高效強(qiáng)化相，使材料的強(qiáng)度和硬度得到提高。 下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 一種高強(qiáng)度鋁合金，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括0. 2%的Si，0. 35%的Fe，0. 的Cu， 0. 的 Μη，0. 的 Cr，0. 45%的 Mg，0. 的 Zn，0. 1 %的 Ti，0. 8%的 Zr，0. 8% 的 C，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)，每種雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 05%，所有雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 15%。本發(fā)明還提供所述高強(qiáng)度鋁合金的制備方法，以復(fù)合處理方式加入&C，包括以下步驟步驟一按照所述高強(qiáng)度鋁合金的組分備料，包括占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0.2 0. 6%的Si，小于等于0. 35%的Fe，小于等于0. 1 %的Cu，小于等于0. 1 %的Mn，小于等于 0. 的Cr，0. 45 0.9%的Mg，小于等于0. 的Zn，小于等于0. 的Ti ；步驟二 先往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱使之完全熔化，按配方比例先加入步驟一的備料，使之完全溶解和熔化，精煉后在700 1000°C下保溫，得到合金熔體；熔化過程在封閉環(huán)境內(nèi)完成；步驟三使用氮?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體任意比例的混合氣體對(duì)合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；同時(shí)將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0.8%的ZrC粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進(jìn)行攪拌，使ZrC在合金熔體中分布均勻， 并與合金熔體充分反應(yīng)；靜置、調(diào)溫至680 730°C，得到熔煉完成的鋁合金熔體。實(shí)施例2 一種高強(qiáng)度鋁合金，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括0. 4%的Si，0. 3%的Fe，0. 08%的Cu， 0. 08% 的 Mn，0. 06% 的 Cr，0. 7% 的 Mg，0. 07% 的 Zn，0. 05% 的 Ti，1. 3% 的 Zr，l. 3% 的 C，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)，每種雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 05%，所有雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 15%。本發(fā)明還提供所述高強(qiáng)度鋁合金的制備方法，以復(fù)合處理方式加入&C，包括以下步驟步驟一按照所述高強(qiáng)度鋁合金的組分備料，包括占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0.4%的 Si，0. 3% 的 Fe，0. 08% 的 Cu，0. 08% 的 Μη，0· 06% 的 Cr，0. 7% 的 Mg，0. 07% 的 Ζη，0. 05% 的 Ti ；步驟二 先往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱使之完全熔化，按配方比例先加入步驟一的備料，使之完全溶解和熔化，精煉后在700 1000°C下保溫，得到合金熔體；熔化過程在封閉環(huán)境內(nèi)完成；步驟三使用氮?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體任意比例的混合氣體對(duì)合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；同時(shí)將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比1. 3%的ZrC粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進(jìn)行攪拌，使ZrC在合金熔體中分布均勻， 并與合金熔體充分反應(yīng)；靜置、調(diào)溫至680 730°C，得到熔煉完成的鋁合金熔體。實(shí)施例3 一種高強(qiáng)度鋁合金，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括0. 6 %的Si，0. 25 %的！^，0. 06 %的Cu， 0. 09% 的 Μη，0· 03% 的 Cr，0. 9% 的Mg，0. 09% 的 Ζη，0. 05% 的 Ti，1. 8% 的 Zr，l. 8% 的 C，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)，每種雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 05%，所有雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 15%。本發(fā)明還提供所述高強(qiáng)度鋁合金的制備方法，以復(fù)合處理方式加入&C，包括以下步驟步驟一按照所述高強(qiáng)度鋁合金的組分備料，包括占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0.6%的 Si，0. 25% 的 Fe，0. 06% 的 Cu，0. 09% 的 Μη,Ο. 03% 的 Cr，0. 9% 的 Mg，0. 09% 的 Ζη,Ο. 05% 的Ti ；步驟二 先往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱使之完全熔化，按配方比例先加入步驟一的備料，使之完全溶解和熔化，精煉后在700 1000°C下保溫，得到合金熔體；熔化過程在封閉環(huán)境內(nèi)完成；步驟三使用氮?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體任意比例的混合氣體對(duì)合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；同時(shí)將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比1.8%的ZrC粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進(jìn)行攪拌，使ZrC在合金熔體中分布均勻， 并與合金熔體充分反應(yīng)；靜置、調(diào)溫至680 730°C，得到熔煉完成的鋁合金熔體。采用本發(fā)明方法熔煉的高強(qiáng)度鋁合金液出爐后，沿以下兩種流程分別進(jìn)行不同制品的鑄造生產(chǎn)。流程一沿流槽傾倒出爐，至立式水冷鑄造機(jī)系統(tǒng)，鑄造加工用錠坯，特別是鑄造厚度500mm以上的大型扁錠和直徑500mm以上的圓棒。流程二 轉(zhuǎn)注入鑄件的鑄模中，使用金屬型、砂型或混合型鑄方式，采用重力鑄造、 壓力鑄造或差壓鑄造工藝，鑄造鋁合金鑄件，特別是鑄造大型、薄壁或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。
權(quán)利要求
1.一種摻雜&(的高強(qiáng)度鋁合金，其特征在于以質(zhì)量百分比計(jì)，包括0.2 0.6%的 Si，小于等于0. 35%的Fe，小于等于0. 的Cu，小于等于0. 的Mn，小于等于0. 的 Cr,0. 45 0.9%的Mg，小于等于0. 的Zn，小于等于0. 的Ti，0.8 1.8%的Zr和 0. 11 0. 的C，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)；所述單一雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 05%，雜質(zhì)總含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 15%。
2.—種權(quán)利要求1所述的摻雜的高強(qiáng)度鋁合金的制備方法，其特征在于步驟如下步驟1 將鋁錠加入熔煉爐中加熱使之完全熔化，然后按配方加入總產(chǎn)品質(zhì)量百分比 0. 2 0. 6%的Si，小于等于0. 的i^e，小于等于0. 的Cu，小于等于0. 的Mn，小于等于0. 的Cr，0. 45 0.9%的Mg，小于等于0. 的Zn和小于等于0. 的Ti，完全溶解和熔化；所述熔化過程在封閉環(huán)境內(nèi)完成；步驟2 在700 1000°C下保溫，得到合金熔體；步驟3 采用混合氣體對(duì)鋁合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比 0. 91 2. 04%的ZrC粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到鋁合金熔體中進(jìn)行混合，使ZrC 在鋁合金熔體中分布均勻，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；所述混合氣體為氮?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體按照任意比例混合得到；步驟4 反應(yīng)結(jié)束后調(diào)溫至680 730°C，得到熔煉完成的鋁合金熔體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟1中的鋁錠以熔融鋁液替換。
4.一種將權(quán)利要求1所述的摻雜的高強(qiáng)度鋁合金進(jìn)行鑄造的方法，其特征在于 將權(quán)利要求2所熔煉的鋁合金熔體沿流槽傾倒出爐，至立式水冷鑄造機(jī)系統(tǒng)，鑄造加工用錠坯，特別是鑄造厚度500mm以上的大型扁錠和直徑500mm以上的圓棒。
5.一種將權(quán)利要求1所述的摻雜的高強(qiáng)度鋁合金進(jìn)行鑄造的方法，其特征在于 將權(quán)利要求2所熔煉的鋁合金熔體轉(zhuǎn)注入鑄件的鑄模中，使用金屬型、砂型或混合型鑄方式，采用重力鑄造、壓力鑄造或差壓鑄造工藝，鑄造鋁合金鑄件，特別是鑄造大型、薄壁或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種摻雜ZrC的高強(qiáng)度鋁合金及其制備方法，在變形鋁合金中以粉末狀加入0.8～1.8％的Zr，0.8～1.8％的C元素，以流態(tài)化形式隨保護(hù)性氣體加入鋁合金熔體過程中，具有比一般塊狀物質(zhì)大得多的比表面積，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的分散并與熔體充分接觸，顯著縮短了分散和均勻的時(shí)間。同時(shí)采用本發(fā)明的高強(qiáng)度鋁合金在鑄造過程中，可以在合金凝固過程中有效增加異質(zhì)形核核心，從而達(dá)到晶粒細(xì)化的效果，增強(qiáng)合金強(qiáng)度；并且加入的元素可以促進(jìn)形成間隙原子和間隙相，高溫時(shí)在α(Al)固溶體中溶解度大，而在室溫時(shí)很小，從而使合金具有較高的可熱處理性質(zhì)，熱處理后，其強(qiáng)度和硬度都有很大程度的提高。
文檔編號(hào)C22C21/00GK102517475SQ20111042109
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者張中可, 車云, 門三泉 申請(qǐng)人:貴州華科鋁材料工程技術(shù)研究有限公司