專利名稱：一種摻雜Mg₂C₃的高強度鋁合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強度鋁合金，還涉及其制備方法。
背景技術(shù)：
鎂是變形鋁合金中使用最廣泛、最有效的合金元素之一，其作用主要是通過固溶強化和與其他元素形成一系列可溶解的金屬化合物強化相來提高合金的強度。但Mg同時又是活潑金屬，以金屬錠塊形態(tài)加入鋁合金熔體時燒損很大，生成的氧化鎂在合金中成渣，嚴重影響合金性能。深加工用的鋁合金往往需要首先鑄造成大型的錠坯，如扁錠、圓棒等，再通過軋制、擠壓、鍛造等手段，加工成各種成品，這些過程基本上都要和熱處理相結(jié)合，如果到可以直接使用的最終產(chǎn)品，則還要經(jīng)過分割、表面加工、鈍化處理等作業(yè)。這些加工手段，需要 鋁合金材料本身具備良好的深加工性能，包括鑄造性能、壓力加工變形性能、熱處理強化性能、抗腐蝕性能、抗疲勞破壞性能、表面加工和涂覆性能等。其中，熔鑄性能是鋁合金深加工性能的基礎。大型錠坯，尤其是厚度500mm以上的扁錠、厚板和直徑500mm以上的圓棒，是大型高效深加工的代表性基材，而能否預制成大型錠坯，也是考驗鋁合金材料本身是否適合進行深加工的第一道技術(shù)關(guān)口。由于合金成分或化合物中密度大的成分會沉淀于鑄件下部，密度小的成分上浮于上部。例如為了細化晶粒而添加Ti、Zr等難熔金屬與Al形成高熔點的片狀化合物Al3Ti和Al3Zr會較早的從合金液中結(jié)晶出來，當長成較大時就容易下沉產(chǎn)生局部規(guī)程的密度偏析，偏析較嚴重時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a (Al)固溶體軟點，強度低，加工時不僅粘刀，惡化加工性能，在切削力的作用下會使a (Al)固溶體變形導致加工面出現(xiàn)白斑。當ZL108(ZAlSil2Cu2Mgl)鋁合金中含鎂量小于0. 6% (質(zhì)量分數(shù))時，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a (Al)固溶體而保留于晶間，從而使得該種合金脆性增加。同時，在采用這種鋁合金進行鑄造時，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招液冶金質(zhì)量的重要標質(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材料和結(jié)構(gòu)的進程中形成了難以跨越的技術(shù)斷點。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種高強度鋁合金，能夠克服現(xiàn)有鋁合金性能的不足，提高其強韌性、成形性和淬透性，為高效深加工提供高端基材。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種高強度鋁合金，以質(zhì)量百分比計，包括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. 1%的Cr，小于等于0. 1%的Zn，小于等于0. 1%的Ti，0.8 I. 8%的Mg，0. 6 I. 35%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)明還提供所述高強度鋁合金的制備方法，以復合處理方式加入Mg2C3，包括以 下步驟步驟一按照所述高強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.I %的Cr，小于等于0. I %的Zn，小于等于0. I %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；步驟三使用氮氣或惰性氣體或氮氣與惰性氣體任意比例的混合氣體對合金熔體進行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應完畢；同時將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比I. 4 3. 15%的Mg2C3粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進行攪拌，使Mg2C3在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應；靜置、調(diào)溫至680 730°C，合金液出爐，沿以下兩種流程分別進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、薄壁或復雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明在變形鋁合金中加入I. 4 3. 15%的Mg2C3粉末，可以在合金凝固過程中有效增加異質(zhì)形核核心，從而達到晶粒細化的效果，增強合金強度；并且加入的元素可以促進形成間隙原子和間隙相，高溫時在a (Al)固溶體中溶解度大，而在室溫時很小，從而使合金具有較高的可熱處理性質(zhì)，熱處理后，其強度和硬度都有很大程度的提高。在本合金未經(jīng)加入上述Mg和C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)、a 相(Al12Fe3Si)；這些金屬化合物在熔體冷卻時，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)動下向晶界移動和集中，同時，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，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+時效”的熱處理之后才能具有滿足需要的力學性能和其它技術(shù)指標。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
I.4 3. 15%的Mg2C3粉末,分解后的碳化物產(chǎn)生的原子態(tài)Mg金屬,沒有了單質(zhì)狀態(tài)下金屬原子間以價電子緊密結(jié)合產(chǎn)生的強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)晶時的領(lǐng)先相和細晶化相，同時也是高溫強化相。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)，解決了高熔點金屬在鋁液中溶解難、均勻分布難的問題，實現(xiàn)了晶格畸變能的微觀均勻化分布和晶粒的細化。由于C與Al反應生成的Al4C3是一種復雜結(jié)構(gòu)的離子晶體，熔點達2100°C;在實際結(jié)構(gòu)中金屬原子可以是4、5、6配位，Al-C鍵長在1.90 —2.22A之間，最短的C-C鍵為3.16A;X射線研究則顯示結(jié)構(gòu)中有單個碳原子以離散的碳負離子C4-形式存在；碳化鋁顆粒能降低材料蠕變的趨勢，提高基體材料硬度；具有強烈吸H作用，可以有效除去熔體中的存在的原子Ho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，即反應具有一定的可逆性，是一種動態(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. 1% wt。同時在熔煉過程中充入的氮氣，有利于鋁在800 1000°C的氮氣氛中合成A1N。由于N與Al反應生成的AlN是原子晶體，屬類金剛石氮化物，最高可穩(wěn)定到2200°C ;室溫強度高，且強度隨溫度的升高下降較慢，能夠有效提高合金的高溫強度和抗腐蝕能力；導熱性好，熱膨脹系數(shù)小，可提高基體材料耐熱沖擊性能。因此，當N2充入高溫鋁合金熔體時，本身就具有了與多種金屬金發(fā)生反應的活性。所以適當調(diào)節(jié)熔體凈化作業(yè)時的溫度和保護性氮氣的濃度，可調(diào)節(jié)熔體中AlN的含量，這進一步為調(diào)節(jié)熔體中過渡金屬元素的含量提供了方法?？梢娪捎谠诒景l(fā)明中使用流態(tài)化碳化物處理的手段，把強化基體和細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，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，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)上實現(xiàn)“以鑄代軋”。下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進一步說明。
具體實施例方式實施例I :一種高強度鋁合金，以質(zhì)量百分比計，包括0. 2%的Si，0. 35%的？6，0. 1%的Cu，0. 1% 的 Mn，0. 1% 的 Cr，0. 1% 的 Zn，0. 1% 的 Ti，0. 8% 的 Mg，0. 6% 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)明還提供所述高強度鋁合金的制備方法，以復合處理方式加入Mg2C3，包括以下步驟步驟一按照所述高強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. I %的Cu，小于等于0. 1%的Mn，小于等于0. 1%的Cr，0. 45 0.9%的Mg，小于等于0. 1%的Zn，小于等于0. 1%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；步驟三使用氮氣或惰性氣體或氮氣與惰性氣體任意比例的混合氣體對合金熔體進行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應完畢；同時將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比1.4%的Mg2C3粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進行攪拌，使Mg2C3在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應；靜置、調(diào)溫至680 730°C，合金液出爐，沿以下兩種流程分別進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、薄壁或復雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。實施例2 一種高強度鋁合金，以質(zhì)量百分比計，包括0. 4%的Si，0. 3%的Fe，0. 08%的Cu，0. 08 % 的 Mn，0. 06 % 的 Cr，0. 07 % 的 Zn，0. 05 % 的 Ti，I. 3 % 的 Mg，0. 97 % 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)明還提供所述高強度鋁合金的制備方法，以復合處理方式加入Mg2C3，包括以下步驟步驟一按照所述高強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 Mn，0. 06% 的 Cr，0. 7% 的 Mg，0. 07% 的 Zn，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；步驟三使用氮氣或惰性氣體或氮氣與惰性氣體任意比例的混合氣體對合金熔體進行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應完畢；同時將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比2. 27%的Mg2C3粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進行攪拌，使Mg2C3在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應；靜置、調(diào)溫至680 730°C，合金液出爐，沿以下兩種流程分別進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、薄壁或復雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。實施例3 一種高強度鋁合金，以質(zhì)量百分比計，包括0. 6 %的Si，0. 25 %的Fe，0. 06 %的Cu，
0.09% 的 Mn，0. 03% 的 Cr，0. 09% 的 Zn，0. 05% 的 Ti，I. 8% 的 Mg，I. 35% 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)明還提供所述高強度鋁合金的制備方法，以復合處理方式加入Mg2C3，包括以下步驟步驟一按照所述高強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 Mn，0. 03% 的 Cr，0. 9% 的 Mg，0. 09% 的 Zn，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；步驟三使用氮氣或惰性氣體或氮氣與惰性氣體任意比例的混合氣體對合金熔體進行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應完畢；同時將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比3. 15%的Mg2C3粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進行攪拌，使Mg2C3在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應；靜置、調(diào)溫至680 730°C，合金液出爐，沿以下兩種流程分別進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、薄壁或復雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。
權(quán)利要求
1.一種摻雜Mg2C3的高強度鋁合金，其特征在于以質(zhì)量百分比計，包括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. 1%的Cr，小于等于0. 1%的Zn，小于等于0. I %的Ti，0. 8 I. 8%的Mg，0. 6 I. 35%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%。
2.—種權(quán)利要求I所述摻雜Mg2C3的高強度鋁合金的制備方法，其特征在于包括下述步驟 步驟一按照所述高強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. 1%的Cr,小于等于0. I %的Zn，小于等于0. I %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； 步驟三使用氮氣或惰性氣體或氮氣與惰性氣體任意比例的混合氣體對合金熔體進行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應完畢；同時將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比I. 4 3. 15%的Mg2C3粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進行攪拌，使Mg2C3在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應；靜置、調(diào)溫至680 730°C，合金液出爐，沿以下兩種流程分別進行不同制品的鑄造生產(chǎn)。
3.—種權(quán)利要求2所述摻雜Mg2C3的高強度鋁合金的制備方法，其特征在于所述的鑄造是將合金液沿流槽傾倒出爐，至立式水冷鑄造機系統(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。
4.一種權(quán)利要求2所述摻雜Mg2C3的高強度鋁合金的制備方法，其特征在于所述的鑄造是將合金液轉(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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種摻雜Mg2C3的高強度鋁合金及其制備方法，先加熱鋁錠或熔融鋁液使之完全熔化；加入Si、Fe、Cu、Mg、Cr、Zn、Ti、Mn和C，使之完全溶解和熔化；精煉后在700～1000℃下保溫，得到合金熔體；使用氮氣或惰性氣體或氮氣與惰性氣體任意比例的混合氣體對合金熔體進行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應完畢；同時將Mg2C3粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進行攪拌，使Mg2C3在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應；靜置、調(diào)溫至680～730℃，合金液出爐，進行鑄造生產(chǎn)。本發(fā)明能夠克服現(xiàn)有鋁合金性能的不足，提高其強韌性、成形性和淬透性，為高效深加工提供高端基材。
文檔編號C22C1/06GK102634702SQ201110421210
公開日2012年8月15日 申請日期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 申請人:貴州華科鋁材料工程技術(shù)研究有限公司