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      一種可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)高韌鑄造鋁合金及制備方法與流程

      文檔序號(hào):12414702閱讀:298來(lái)源:國(guó)知局
      一種可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)高韌鑄造鋁合金及制備方法與流程
      本發(fā)明涉及一種可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)高韌鑄造鋁合金,特別涉及一種可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)高韌鑄造Al-Cu-Zn-Mn-Mg-Ti-Dy鋁合金。
      背景技術(shù)
      :鑄造鋁合金是近年來(lái)世界各國(guó)投入研究較多的一種鋁合金產(chǎn)品。其優(yōu)點(diǎn)是比重小、比強(qiáng)度高、組織各向同性,并具有良好的抗腐蝕性和鑄造工藝性,可進(jìn)行各種成型鑄造;而且鑄造鋁合金還具有價(jià)格低廉,熔煉工藝和設(shè)備都比較簡(jiǎn)單,可以小批量生產(chǎn)也可以大批量生產(chǎn)的諸多優(yōu)點(diǎn)。尤其是半固態(tài)鑄造工藝,其鑄造組織致密且偏析少,合金流動(dòng)性好,可以更好的加入增強(qiáng)材料。即便如此,鑄造鋁合金強(qiáng)韌性稍遜于變形鋁合金,使其應(yīng)用范圍受到較大的限制,變形鋁合金通過(guò)擠壓、軋制、鍛造等手段減少了組織缺陷,許多重要用途如特種重載車負(fù)重輪、航空用鋁合金等多采用變形鋁合金。但對(duì)于變形鋁合金來(lái)說(shuō),其設(shè)備和工裝模具要求高,工序多,生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本很高。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:本發(fā)明在傳統(tǒng)的Al-Cu系鑄造鋁合金的基礎(chǔ)上加入了特定比例的Zn、Mg元素成為Al-Cu-Zn-Mg系合金,在合金組織中形成的主要強(qiáng)化相為θ(Al2Cu)、T(Al12CuMn2)和S(Al2CuMg)等,有效提高了合金的熱處理強(qiáng)化效果。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:一種可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)高韌鑄造鋁合金材料,其主要包括以下組分:Cu、Zn、Mg、Al。Cu、Zn、Mg三種元素的重量比例為:M(Cu):M(Zn):M(Mg)=(15-20):(8-15):(1-3)。作為優(yōu)選的,所述鋁合金材料中各組分的重量百分比組成為:Cu3.8wt%~4.6wt%,Zn2.5wt%~3.5wt%,Mg0.25wt%~0.5wt%,余量為Al。進(jìn)一步優(yōu)選的,所述鋁合金材料中還包括Mn元素,含量為0.25wt%~0.5wt%。進(jìn)一步優(yōu)選的,所述鋁合金材料中還包括稀土元素Dy,含量為0.15wt%~0.45wt%。進(jìn)一步優(yōu)選的,所述鋁合金材料中還包括Ti元素,含量為0.02wt%~0.35wt%。一種可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)高韌鑄造鋁合金材料,其由以下重量百分比的組分組成:Cu3.8wt%~4.6wt%,Zn2.5wt%~3.5wt%,Mg0.25wt%~0.5wt%,Mn0.25wt%~0.5wt%,Ti0.25wt%~0.35wt%,Dy0.15wt%~0.45wt%,余量為Al。一種可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)高韌鑄造鋁合金材料的制備方法,包括如下步驟:(1)以用純Cu、Al-5%Zn中間合金、純Mg、Al-20%Mn、Al-5%Ti中間合金和Al-10%Dy中間合金為原料,按以上所述的可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)高韌鑄造鋁合金材料中各組分的比例進(jìn)行配料;(2)將步驟(1)配好的材料在熔煉爐中熔煉,然后將合金熔體澆注在模具內(nèi),攪拌,冷卻得到鑄錠;(3)對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻固溶熱處理;(4)三級(jí)時(shí)效溫度/時(shí)間:160℃/2.5~4h+180℃/5~8.0h+210℃/1.5~3h。作為優(yōu)選的,步驟(2)熔煉的溫度為740℃~780℃。作為優(yōu)選的,步驟(3)均勻固溶溫度/時(shí)間為:500℃~530℃/20h~30h。本發(fā)明的有益效果是:(1)本發(fā)明具有先進(jìn)的合金設(shè)計(jì)成分,本發(fā)明在傳統(tǒng)的Al-Cu系鑄造鋁合金的基礎(chǔ)上加入了起強(qiáng)化效果的Zn、Mg元素,并通過(guò)不同的三級(jí)時(shí)效溫度和時(shí)間控制析出的不同沉淀強(qiáng)化相。本發(fā)明通過(guò)元素含量配比元素含量比M(Cu):M(Zn):M(Mg)=(15-20):(8-15):(1-3),能在鑄態(tài)時(shí)共同生成θ(Al2Cu)、T(Al12CuMn2)和S(Al2CuMg)強(qiáng)化相。(2)本發(fā)明具有良好的熱處理制度,通過(guò)固溶溫度/時(shí)間:500℃~530℃/20h~30h,能讓鑄態(tài)生成的θ(Al2Cu)、T(Al12CuMn2)和S(Al2CuMg)強(qiáng)化相溶到基體中,達(dá)到過(guò)飽和固溶體,再通過(guò)在三級(jí)時(shí)效(160℃/2.5~4h+180℃/5~8.0h+210℃/1.5~3h)下能依次分別對(duì)應(yīng)析出主要強(qiáng)化相θ’(Al2Cu)、T’(Al12CuMn2)和S’(Al2CuMg),所以控制時(shí)效溫度和時(shí)間能選擇性的析出所需要的強(qiáng)化相。在本發(fā)明的三級(jí)時(shí)效制度下,三種強(qiáng)化相能分別析出,但隨著溫度和時(shí)間的延長(zhǎng),沉淀強(qiáng)化相會(huì)長(zhǎng)大粗化,因此本發(fā)明在合金中加入稀土元素Dy0.15wt%~0.45wt%,具有除氧,除氫、精煉和凈化溶體的效果,有效實(shí)現(xiàn)替代貴重稀有金屬Ag、V、Zr等的作用,添加的合理比例的稀土元素Dy能生成共晶相Al3Dy,可以促進(jìn)后續(xù)時(shí)效過(guò)程中GP區(qū)生成θ’(Al2Cu)、T’(Al12CuMn2)和S’(Al2CuMg)的析出,能釘扎位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),能使這三種強(qiáng)化相保持初始析出的尺寸,抑制了強(qiáng)化相的長(zhǎng)大,既保證不損害合金的韌性的前提下又能明顯的提高合金的強(qiáng)度。本發(fā)明成分配方及制備方法所制備的半固態(tài)鑄造鋁合金,其抗拉強(qiáng)度可達(dá)480~550MPa,屈服強(qiáng)度可達(dá)380~440MPa,延伸率可達(dá)7.5~10%,適用于對(duì)強(qiáng)度和塑形要求較高的工業(yè)領(lǐng)域。附圖說(shuō)明圖1為熱處理前后的金相顯微組織(A未經(jīng)過(guò)熱處理;B經(jīng)過(guò)熱處理);圖2為樣品拉伸曲線;圖3為樣品拉伸斷口掃描圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明在傳統(tǒng)的Al-Cu系鑄造鋁合金的基礎(chǔ)上加入了特定比例的Zn、Mg元素成為Al-Cu-Zn-Mg系合金,在合金組織中形成的主要強(qiáng)化相為θ(Al2Cu)、T(Al12CuMn2)和S(Al2CuMg)等,有效提高了合金的熱處理強(qiáng)化效果。當(dāng)熔體含Cu量較高時(shí),在547.5℃發(fā)生L→α(Al)+θ(Al2Cu)+T(Al12CuMn2)三元共晶反應(yīng),生成θ和T為鑄態(tài)合金的主要強(qiáng)化相,當(dāng)Mg含量少于0.05%,可在507℃時(shí)生成另一主要S(Al2CuMg)相。由于添加合適元素組分含量比M(Cu):M(Zn):M(Mg)=(15-20):(8-15):(1-3),能生成定量的θ(Al2Cu)、T(Al12CuMn2)和S(Al2CuMg),超過(guò)含量Cu3.8wt%~4.6wt%、Mg0.25wt%~0.5wt%和Mn0.25wt%~0.5wt%,生成的強(qiáng)化相對(duì)合金性能有脆化作用及降低耐蝕性,所以不宜添加過(guò)量元素。通過(guò)160℃/2.5~4h+180℃/5~8.0h+210℃/1.5~3h三級(jí)時(shí)效,在三個(gè)時(shí)效階段分別生成θ’(Al2Cu)、T’(Al12CuMn2)和S’(Al2CuMg),如若超過(guò)該時(shí)效范圍,則不能起到熱處理控制相析出的作用。在添加稀土元素Dy后,能自發(fā)非均勻形核生成Al3Dy相能提高合金的強(qiáng)度。除此之外,隨著時(shí)效溫度和時(shí)間的增加,強(qiáng)化相θ’(Al2Cu)、T’(Al12CuMn2)和S’(Al2CuMg)會(huì)長(zhǎng)大粗化,添加含量Dy0.15wt%~0.45wt%后,能釘扎位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),能使這三種強(qiáng)化相保持初始析出的尺寸,抑制了強(qiáng)化相的長(zhǎng)大,既保證不損害合金的韌性的前提下又能明顯的提高合金的強(qiáng)度。因此,添加元素組分含量比M(Cu):M(Zn):M(Mg)=(15-20):(8-15):(1-3);添加稀土元素含量Dy0.15wt%~0.45wt%,開(kāi)發(fā)出能夠替代部分變形鋁合金的可熱處理的高強(qiáng)高韌鑄造鋁合金材料及制備方法,達(dá)到以鑄代鍛、縮短制造周期、降低制造成本的目的,具有重要的理論意義和重大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明,但并不局限于此。實(shí)施例1(1)按照組成元素重量百分比取Cu:3.8wt%、Zn:2.5wt%、Mg:0.25wt%、Mn:0.25wt%、Ti:0.25wt%、Dy:0.15wt%、余量為Al。(2)將上述材料在熔煉爐中進(jìn)行高溫熔煉,溫度為740℃,直至熔融為止,將合金熔體澆注在圓柱不銹鋼模具內(nèi),隨后水冷成為鑄錠;(3)對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻固溶熱處理,均勻固溶溫度/時(shí)間:500℃/20h。(4)三級(jí)時(shí)效溫度/時(shí)間:160℃/2.5h+180℃/5h+210℃/1.5h。實(shí)施例2(1)按照組成元素重量百分比取Cu:3.9wt%、Zn:2.9wt%、Mg:0.29wt%、Mn:0.28wt%、Ti:0.28wt%、Dy:0.20wt%、余量為Al;(2)將上述材料在熔煉爐中進(jìn)行高溫熔煉,溫度為750℃,直至熔融為止,將合金熔體澆注在圓柱不銹鋼模具內(nèi),隨后水冷成為鑄錠;(3)對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻固溶熱處理,均勻固溶溫度/時(shí)間:500℃/25h。(4)三級(jí)時(shí)效溫度/時(shí)間:160℃/3.0h+180℃/6h+210℃/2.0h。實(shí)施例3(1)按照組成元素重量百分比取Cu:4.0wt%、Zn:3.1wt%、Mg:0.32wt%、Mn:0.32wt%、Ti:0.30wt%、Dy:0.25wt%、余量為Al;(2)將上述材料在熔煉爐中進(jìn)行高溫熔煉,溫度為760℃,直至熔融為止,將合金熔體澆注在圓柱不銹鋼模具內(nèi),隨后水冷成為鑄錠;(3)對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻固溶熱處理,均勻固溶溫度/時(shí)間:510℃/30h。(4)三級(jí)時(shí)效溫度/時(shí)間:160℃/3.5h+180℃/6.5h+210℃/2.5h。實(shí)施例4(1)按照組成元素重量百分比取Cu:4.1wt%、Zn:3.3wt%、Mg:0.38wt%、Mn:0.35wt%、Ti:0.32wt%、Dy:0.30wt%、余量為Al;(2)將上述材料在熔煉爐中進(jìn)行高溫熔煉,溫度為770℃,直至熔融為止,將合金熔體澆注在圓柱不銹鋼模具內(nèi),隨后水冷成為鑄錠;(3)對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻固溶熱處理,均勻固溶溫度/時(shí)間:515℃/30h。(4)三級(jí)時(shí)效溫度/時(shí)間:160℃/4.0h+180℃/7.0h+210℃/3.0h。實(shí)施例5(1)按照組成元素重量百分比取Cu:4.2wt%、Zn:3.5wt%、Mg:0.45wt%、Mn:0.40wt%、Ti:0.35wt%、Dy:0.35wt%、余量為Al。(2)將上述材料在熔煉爐中進(jìn)行高溫熔煉,溫度為780℃,直至熔融為止,將合金熔體澆注在圓柱不銹鋼模具內(nèi),隨后水冷成為鑄錠;(3)對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻固溶熱處理,均勻固溶溫度/時(shí)間:520℃/30h。(4)三級(jí)時(shí)效溫度/時(shí)間:160℃/3.5h+180℃/7.5h+210℃/2.5h。實(shí)施例6(1)按照組成元素重量百分比取Cu:4.3wt%、Zn:3.5wt%、Mg:0.45wt%、Mn:0.40wt%、Ti:0.35wt%、Dy:0.35wt%、余量為Al。(2)將上述材料在熔煉爐中進(jìn)行高溫熔煉,溫度為780℃,直至熔融為止,將合金熔體澆注在圓柱不銹鋼模具內(nèi),隨后水冷成為鑄錠;(3)對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻固溶熱處理,均勻固溶溫度/時(shí)間:530℃/30h。(4)三級(jí)時(shí)效溫度/時(shí)間:160℃/4.0h+180℃/8.0h+210℃/3.0h。實(shí)施例7(1)按照組成元素重量百分比取Cu:0.5wt%、Zn:0.5wt%、Mg:0.5wt%、余量為Al。(2)將上述材料在熔煉爐中進(jìn)行高溫熔煉,溫度為780℃,直至熔融為止,將合金熔體澆注在圓柱不銹鋼模具內(nèi),隨后水冷成為鑄錠;(3)對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻固溶熱處理,均勻固溶溫度/時(shí)間:530℃/30h。(4)三級(jí)時(shí)效溫度/時(shí)間:160℃/4.0h+180℃/8.0h+210℃/3.0h。實(shí)施例8(1)按照組成元素重量百分比取Cu:2.0wt%、Zn:1.0wt%、Mg:1.0wt%、Dy:0.15wt%余量為Al。(2)將上述材料在熔煉爐中進(jìn)行高溫熔煉,溫度為780℃,直至熔融為止,將合金熔體澆注在圓柱不銹鋼模具內(nèi),隨后水冷成為鑄錠;(3)對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻固溶熱處理,均勻固溶溫度/時(shí)間:530℃/30h。(4)三級(jí)時(shí)效溫度/時(shí)間:150℃/7.0h+120℃/3.0h+230℃/5.0h。實(shí)施例9(1)按照組成元素重量百分比取Cu:0.5wt%、Zn:0.5wt%、Mg:0.5wt%、Ti:0.28wt%、Dy:0.15wt%,余量為Al。(2)將上述材料在熔煉爐中進(jìn)行高溫熔煉,溫度為780℃,直至熔融為止,將合金熔體澆注在圓柱不銹鋼模具內(nèi),隨后水冷成為鑄錠;(3)對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻固溶熱處理,均勻固溶溫度/時(shí)間:530℃/30h。(4)時(shí)效溫度/時(shí)間:160℃/4.0h+180℃/8.0h+210℃/3.0h。實(shí)施例10(1)按照組成元素重量百分比取Cu:3.8wt%、Zn:2.5wt%、Mg:0.25wt%、Mn:0.25wt%、Ti:0.25wt%、Dy:0.05wt%、余量為Al。(2)將上述材料在熔煉爐中進(jìn)行高溫熔煉,溫度為740℃,直至熔融為止,將合金熔體澆注在圓柱不銹鋼模具內(nèi),隨后水冷成為鑄錠;(3)對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻固溶熱處理,均勻固溶溫度/時(shí)間:500℃/20h。(4)三級(jí)時(shí)效溫度/時(shí)間:160℃/2.5h+180℃/5h+210℃/1.5h。實(shí)施例11(1)按照組成元素重量百分比取Cu:3.8wt%、Zn:2.5wt%、Mg:0.25wt%、Mn:0.25wt%、Ti:0.25wt%、Dy:0.15wt%、余量為Al。(2)將上述材料在熔煉爐中進(jìn)行高溫熔煉,溫度為740℃,直至熔融為止,將合金熔體澆注在圓柱不銹鋼模具內(nèi),隨后水冷成為鑄錠;(3)對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻固溶熱處理,均勻固溶溫度/時(shí)間:500℃/20h。(4)時(shí)效溫度/時(shí)間:130℃/4.0h+180℃/1.0h。上述的可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)高韌鑄造Al-Cu-Zn-Mn-Mg-Ti-Dy鋁合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率如下:抗拉強(qiáng)度(MPa)屈服強(qiáng)度(MPa)延伸率(%)實(shí)施例1482.4383.07.5實(shí)施例2494.7387.37.8實(shí)施例3518.9415.48.8實(shí)施例4531.6423.39.5實(shí)施例5540.1429.59.8實(shí)施例6548.7438.110.1實(shí)施例7367.4301.26.2實(shí)施例8380.5329.35.6實(shí)施例9374.8308.76.0實(shí)施例10375.5306.56.3實(shí)施例11360.1299.05.8由上表可知,本發(fā)明成分配方及制備方法所制備的半固態(tài)鑄造鋁合金,其抗拉強(qiáng)度可達(dá)480~550MPa,屈服強(qiáng)度可達(dá)380~440MPa,延伸率可達(dá)7.5~10%,適用于對(duì)強(qiáng)度和塑形要求較高的工業(yè)領(lǐng)域。以上實(shí)施例僅為介紹本發(fā)明的優(yōu)選案例,對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不背離本發(fā)明精神的范圍內(nèi)所進(jìn)行的任何顯而易見(jiàn)的變化和改進(jìn),都應(yīng)被視為本發(fā)明的一部分。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3 
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