一種替代qt500大直徑傳動輪盤的鋁合金材料及其離心鑄造成型方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種替代QT500大直徑傳動輪盤的鋁合金材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比計：錳Mn:≤2%，鎘Cd:0.05%～0.5%，銅Cu:4.2%～8.0%且Cu≥0.8Mn+4.05%，鎂Mg：0.5～1%；路易斯酸堿對總量1%×10?4～2.0%，使合金平均晶粒度＜120微米，余量為鋁Al。
【專利說明】
一種替代QT500大直徑傳動輪盤的鋁合金材料及其離心鑄造 成型方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種替代QT500大直徑傳動輪盤的鋁合金材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 球墨鑄鐵(簡稱球鐵)被廣泛用于制造傳動箱體、栗殼、缸體、活塞、輪轂、傳動件、 轉(zhuǎn)向件等強度高耐磨性好的零件;球鐵之所以用途廣泛，還在于它有著細分的標準牌號，每 種牌號規(guī)定了較為嚴格精確的化學成分組合、熱處理規(guī)范參數(shù)、力學性能和物理指標等，從 而對應(yīng)著細分應(yīng)用品類。見表1。
[0003] 表1 GB/T 1348確定的球墨鑄鐵牌號對應(yīng)的力學性能及組織
球鐵的機械性能指標及其分類，可作為錯合金材料創(chuàng)新設(shè)計、提高性能的對標基礎(chǔ)，同 時可以作為"以鋁代鋼"的比較通道，即：如果鋁合金可以替代某牌號球鐵，則進一步替代與 此牌號性能接近的鋼材，就足以在產(chǎn)業(yè)界引領(lǐng)一種潮流或時尚。實現(xiàn)以輕強結(jié)構(gòu)替代重強 結(jié)構(gòu)。
[0004] 從自然特性和經(jīng)驗積累的角度來看，鋁合金較球鐵具有多種優(yōu)點： ①鋁材料具有極好的低溫性能，在低溫環(huán)境作為結(jié)構(gòu)材料具有獨特優(yōu)勢，而球鐵則隨 溫度降低逐漸發(fā)生由韌性向脆性的轉(zhuǎn)變，尤其在脆性轉(zhuǎn)變溫度以下，其耐沖擊急劇下降，甚 至發(fā)生"低溫脆斷"。
[0005]②鋁合金比強度高，具有良好的斷裂韌性（衡量金屬材料對裂紋突然擴張的抗 力），而球鐵對應(yīng)力集中敏感性強，會造成突然斷裂。
[0006] ③由于鋁及鋁合金是非磁性材料故抗電磁干擾性能好，而球鐵在生物生存的溫度 范圍內(nèi)都是良好的磁性材料，容易受電磁干擾。
[0007] ④鋁合金本身的抗腐蝕性遠遠高于鋼鐵且更適宜于進行高技術(shù)表面防腐和裝飾 一體化處理。
[0008] ⑤鋁合金對水的潤濕性遠遠低于鋼鐵，因而低溫雨雪天氣鋁表面不會象鋼鐵表面 那樣容易發(fā)生凍雨冰附增重現(xiàn)象。
[0009] ⑥鋁材料合金化和熱處理工藝較球鐵和鋼材簡單，鋁的合金化溫度一般低于750 °C，熱處理溫度在150~600°C之間，而球鐵合金化溫度超過1400°C，熱處理溫度則在500~ l〇〇〇°C，消耗和排放是鋁材料幾倍乃至十多倍。
[0010] ⑦從加工工藝來比較，鋁材料可以很容易地獲得復雜形狀或斷面的零件，而用球 鐵加工這種復雜的零件需要更多的工序和裝備會消耗比鋁材料更高的功率。
[0011]⑧鋁合金比球鐵慣性小，在啟停頻繁的裝備上更具優(yōu)勢。
[0012]前述這些鋼材欠缺而鋁材料獨具的優(yōu)異品質(zhì)，為"以鋁代鋼"的顯著進步性提供了 人類社會文明進步追求的現(xiàn)實基礎(chǔ)。
[0013]在"以鋁代鋼"的技術(shù)升級中，為了充分發(fā)揮鋁合金以"輕"為代表的優(yōu)越特性，必 須使其在"強"的方面有長足發(fā)展，才能大大拓展其使用領(lǐng)域。這就要求必須在鋁合金新材 料設(shè)計上首先取得突破。
[0014] 從材料制備的方法審視，材料特性由功能性微觀物相組合得到，需要獲得良好的 功能性物相組合，例如高強度、高塑性、高硬度、耐腐蝕等，是各種制備方法追求的最終結(jié) 果，因此鋁合金的化學成分設(shè)計與其制備技術(shù)存在緊密的內(nèi)在統(tǒng)一性，是一種原子如何結(jié) 合成所需的"物相分子"的關(guān)系。鋁合金各配方元素通過熔煉混合是形成材料物相分子組合 結(jié)構(gòu)的主要決定性環(huán)節(jié)，凝固過程后晶粒和晶界的金屬間化合物分子物相決定了合金的晶 態(tài)組合(亞微米級顆粒:尺度10~300μπι左右），后續(xù)熱處理對晶態(tài)組合框架下微細結(jié)構(gòu)（微 米級顆粒:尺度1~30μηι左右)乃至更加微觀的精微結(jié)構(gòu)（亞納米級或次微米級質(zhì)點：尺度 10nm~<1μπι)進行調(diào)整和完善。
[0015] 在工程應(yīng)用上，鋁合金晶粒大小和形狀及晶界上金屬化合物的大小形狀，對合金 的力學性能有著決定性的影響。粗大的平面晶、樹枝晶、柱狀晶等不規(guī)則晶體和分布在晶界 的粗大的脆硬性金屬間化合物，能夠把合金好的微細結(jié)構(gòu)和精微結(jié)構(gòu)對基體的強韌性貢獻 全部抵消掉，目前常規(guī)變質(zhì)手段和細化晶粒的手段，最好的效果只能使平均晶粒度細化到 120~150微米，而枝晶的形態(tài)往往沒有根本的轉(zhuǎn)變，這是合金力學性能進一步提高的重要 瓶頸問題。為使鋁合金獲得強度和韌性同時提高，只有進行晶粒的細化和圓整化，因此如何 進一步細化和圓整合金的平均晶粒度，是產(chǎn)業(yè)界始終追求的目標。
[0016] 通過對鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金最高達0.08nm的極高分辨率的球差校正掃描透 射電子顯微鏡(STEM)精微選區(qū)分析，獲得了建立在原子尺度上的各種物相結(jié)構(gòu)、原子分辨 和化學元素分布。證實其中存在一系列強化相，包括眾所周知的Al-Cu二元亞穩(wěn)相(GP區(qū)、 θ"、θ〇、新的盤片相和平衡相0(A12Cu);其中在基體晶粒內(nèi)部，新發(fā)現(xiàn)一種棒叉狀(Τ+ΘΗ)組 合相，該組合相的主干部分T相是Al-Cu-Mn三元相，分子結(jié)構(gòu)式Al2〇Cu2Mn3，分子物相特征是 直徑約lOOnm、長度約600~lOOOnm呈棒軸狀且其(010)面與鋁合金基體的{010}面共格;而T 相周圍附著生長了尺寸較大(厚度約20nm、長約50nm)的Al-Cu二元次生相，由于該次生相與 基體中其它Al-Cu亞穩(wěn)相(GP區(qū)、θ"、θ'或者其它盤片相）比較，在結(jié)構(gòu)上有很大差別，特別是 厚度比其它Al-Cu亞穩(wěn)相厚得多，因此本發(fā)明稱之為ΘΗ相，其分子結(jié)構(gòu)式AlxCu(x可能小于 2)，是一種富Cu分子。
[0017] 根據(jù)合金強化理論，合金的強度體現(xiàn)于界面或位錯滑移受到質(zhì)點的阻礙，阻礙越 強強度越大，繞過質(zhì)點留下位錯環(huán)而繼續(xù)滑移的阻礙最強。對于鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金， GP區(qū)的Al-Cu二元相是合金主要強化因素，隨著θ"、θ'或者其它盤片狀的二元Al-Cu亞穩(wěn)相 長大，當盤片大到一定程度(直徑超過150nm而厚度只有1~3nm)，發(fā)揮最大阻礙位錯滑移能 力，對基體的延伸率保持較大的貢獻。
[0018] 如前所述，傳統(tǒng)用球鐵(QT500)制作的大直徑傳動輪盤，在實際制造、使用過程中 存在以下缺陷： ①因球鐵延伸率較低，對應(yīng)力集中的敏感性明顯增加，表現(xiàn)為屈服以后變形 量較小易斷裂，造成事故。
[0019] ②球鐵熱處理工藝過程復雜、裝備技術(shù)要求高，而且消耗和排放也很大。
[0020] ③沿著零部件應(yīng)用的整個壽命周期，球鐵因其慣性大、笨重、易腐蝕、易脆斷等缺 陷，其物耗、能耗和維護成本很高于，其循環(huán)利用的價值較低。
[0021] 鋁合金大直徑傳動輪盤在國內(nèi)未見相關(guān)研究，因為普通鋁合金基礎(chǔ)材料的局限 性，其力學性能較低，尤其是高溫耐熱性能，承受的溫度小于300°C，嚴重影響壽命，甚至增 加了安全風險。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種替代QT500大直徑傳動輪盤的鋁合金材料 及其制備方法，其中添加路易斯酸堿對，有效催生臨界晶核(得到等軸晶），使合金在凝固之 前獲得最佳的分子物相組合結(jié)構(gòu)（（Τ+ΘΗ)組合相），促使合金晶態(tài)優(yōu)化，使鋁合金基材實現(xiàn) 500MPa及更高的強度等級，從而達到生產(chǎn)替代QT500大直徑傳動輪盤的鋁合金制品。
[0023]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種替代QT500大直徑傳動輪盤的鋁合金材料，主成分含量 按重量百分比計:錳Μη:彡2%，鎘Cd: 0 · 05%~0 · 5%，銅Cu: 4 · 2%~8 · 0%且Cu彡0 · 8Mn+4 · 05%，鎂 Mg: 0.5~1%;路易斯酸堿對總量1%X 10_4~2.0%，使合金平均晶粒度< 120微米，余量為鋁 Al〇
[0024] 所述的合金晶粒為等軸晶。
[0025] 所述的合金晶粒內(nèi)亞納米(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量達到彡1個/平方微米。
[0026]所述路易斯酸堿對為金屬氰合物、氫合物、過渡族類元素中的一種或一種以上混 合。
[0027] 所述的金屬氰合物:包括四氰合鎘負離子體[Cd(CN)4]2'
[0028] 所述的氫合物，包括氫化鋰LiH。
[0029] 所述路易斯酸堿對，按元素添加量占 A1基體重量百分比，范圍為：0.4%<Si< 1 · 2%，Ti <0 · 1%，LiH<0 · 5%，[Cd(CN)4]2-<0 · 05%。
[0030] 一種替代QT500大直徑傳動輪盤的鋁合金材料的制備方法，包含以下步驟： (1) 在前述路易斯酸堿對、元素比例范圍內(nèi)，選定一組物質(zhì)組合，確定重量比，根據(jù)需要 配制的合金總量，推算出所需的每種物料的重量； (2) 往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱并在700 °C以上保溫； (3) 加入錳Μη、鎘Cd、銅Cu，鎂Mg攪拌，加入選定的路易斯酸堿對，或者加入選定的路易 斯酸堿對組合，攪拌均勻； (4) 然后對上述合金熔體進行爐內(nèi)精煉； (5) 精煉后除渣、靜置、取樣分析合金化學成分，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整化學成分至規(guī)定的 偏差范圍內(nèi)；調(diào)溫至650 °C以上，合金液出爐，在線除氣、除渣； (6) 鑄造:采用離心鑄造。
[0031] 所述離心鑄造，步驟如下： (1) 熔體從保溫爐轉(zhuǎn)入澆包； (2) 將鑄型預熱到430-450°C ; (3) 開啟驅(qū)動電機，鑄型旋轉(zhuǎn)； (4) 調(diào)整鑄型轉(zhuǎn)速在500~800r/min，傾轉(zhuǎn)澆包使熔體沿著澆注槽流入澆注系統(tǒng)，通過 澆注系統(tǒng)流入鑄型，在鑄型旋轉(zhuǎn)離心力作用下充滿鑄型型腔； (5) 熔體完全凝固后，停止旋轉(zhuǎn)，開模取件。
[0032] (6)開模取出產(chǎn)品，自然冷卻，清理砂芯、鋸切冒口、打磨飛邊； (7) 外觀質(zhì)量檢測：毛坯鑄件在進行外觀質(zhì)量檢驗之前，應(yīng)清理干凈平整，非加工面的 澆冒口應(yīng)清理到鑄件表面齊平； (8) 內(nèi)部質(zhì)量檢測； (9) 固溶處理:將鑄件完成粗加工和內(nèi)外質(zhì)量檢測的毛坯送入固溶爐，進行550°C以下 固溶處理，保溫完成后立刻入水淬火； (10) 時效強化:將完成固溶處理的鑄件送入時效爐進行時效強化處理，在230°C以下時 效強化，保溫后出爐自然冷卻； (11) 取樣分析測試驗證； (12) 實用性能驗證。
[0033]本發(fā)明的有益效果:通過運用路易斯酸堿理論，使路易斯酸堿對在鋁合金熔體環(huán) 境發(fā)生解體和轉(zhuǎn)化，以提供熔體超精細微區(qū)內(nèi)（〇. lnm~10nm尺度范圍）的充分擾動和激活 效應(yīng)，達到催生臨界晶核大量形成，使合金晶粒度得到進一步細化，形狀更加圓整；同時優(yōu) 化微細區(qū)域(微米級:尺度1~30μηι左右)和精微區(qū)域(亞納米級或次微米級質(zhì)點：尺度10nm ~<1μπι)的物相分子組合結(jié)構(gòu)，增加(Τ+ΘΗ)組合相在合金基體中的含量，使鋁合金基體強 度獲得大的提升，在屈服強度在400~600MPa之間得到良好控制，這是本發(fā)明要解決的工程 應(yīng)用問題，即替代系列球鐵材料和制品。
[0034]正離子體和負離子體作為路易斯"酸堿對"，在鋁合金熔體的高溫環(huán)境中發(fā)生分 解，生成路易斯酸和路易斯堿，①高溫下分解釋放的氣態(tài)物質(zhì)形成的初始氣泡只有一個分 子大小(小于lnm，即次納米級），比表面積最大，具有極強的活性和納米范圍的擾動能力，造 成熔體超精微區(qū)內(nèi)原子能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏和濃度起伏，促使鄰近的更多原子跨越結(jié)晶勢 皇，形成大量臨界晶核，優(yōu)于普通變質(zhì)劑如鋁鈦硼的作用；同時正、負離子體在次納米范圍 的超精微區(qū)內(nèi)擾動和激活效應(yīng)，是常規(guī)外加凈化氣泡(直徑大于〇.5mm)無法實現(xiàn)的;②分解 釋放的金屬原子或正離子具有比配體更小的體積和更大的比表面積，其對周圍原子的擾動 和激活效應(yīng)更強，造成的超精微區(qū)狀態(tài)起伏更加顯著，對金屬間化合物生成反應(yīng)催化和合 金基體組織晶粒細化作用也更強;③酸堿對在高溫熔體中的分裂和重構(gòu)增強了質(zhì)點在微區(qū) 的擴散速度，而有效地抑制了因添加劑造成的合金成分偏析以及大顆粒質(zhì)點的聚集和長 大，可防止鈦Ti和稀土相的粗化;④配體氣泡發(fā)生次生反應(yīng)后，經(jīng)過一系列變化凈化氣體排 出熔體或進入熔渣，其凈化作用比常規(guī)的氣體凈化方式效果更好。通過這種機理，使基體結(jié) 晶狀態(tài)普遍成為等軸晶，晶粒度平均小于120μπι，進一步的優(yōu)化效果可達到晶粒度平均在50 ~100μπ?ο
[0035] 在合金熔體中，不同金屬原子或離子的接近，它們之間也會產(chǎn)生能級分裂發(fā)生熱 化學反應(yīng)（不發(fā)生電子轉(zhuǎn)移）而形成金屬間化合物的模式，根據(jù)電負性大小，Al xCu和 Al2〇Cu2Mn3都可以看成路易斯"酸堿對"。當加入熔體中的外來路易斯酸堿對分解時，與基體 存在界面能差的金屬間化合物前驅(qū)體顯然也受到擾動和激活而發(fā)生結(jié)構(gòu)起伏，產(chǎn)生更多的 臨界晶核，使(Τ+ΘΗ)組合相在合金中的濃度和平均分布密度，使之達到1個/[μπι] 2以上，這 就是路易斯酸堿對在納米尺度的擾動和激活效應(yīng)能夠增加亞納米級質(zhì)點（Τ+ΘΗ)組合相和 納米級質(zhì)點GP區(qū)、θ"、Θ '系列強化相的機理。
[0036] 鋁合金熔體整體作為一個高溫富電子體系，對于電負性高于它的金屬元素，是給 電子體，而對于電負性低于它的活潑金屬元素，又是電子受體，可見鋁合金熔體也具有路易 斯酸堿的一般共性，它本身與添加到它之中的元素，也會形成廣義的"路易斯酸堿對"，因 此，可以把調(diào)整熔體化學活性的各種元素，統(tǒng)一視為鋁合金的"路易斯酸"或"路易斯堿"，當 使用本發(fā)明給出的過渡族類元素如Fe、內(nèi)過渡類元素如Ce時，為了簡化描述，同時也為了突 出對鋁合金熔體的優(yōu)化作用，把單個元素也簡稱為"路易斯酸堿對"。
[0037] 對鋁合金熔體來說，金屬的氫和物如氫化鋰LiH，其原子間以共價鍵結(jié)合，有路易 斯酸堿對的特征，這些在標準狀態(tài)下十分穩(wěn)定且耐熱性特別好的物質(zhì)，當以納米態(tài)粉末分 散地吹送入熔體之后，由于高溫、富電子和非常大的比表面積，產(chǎn)生的界面能足以引起物質(zhì) 分子發(fā)生極化變形乃至歧化分解，也會在納米范圍引起擾動和激活效應(yīng)，也可以歸于"路易 斯酸堿對"。
[0038] 綜上，本發(fā)明所述路易斯酸堿對，可以表現(xiàn)為多種形態(tài)，包括金屬與配體結(jié)合而成 的正負離子體、金屬氰合物、氫合物、過渡族類元素、內(nèi)過渡類元素中的一種或多種混合。
[0039] 另外，由于路易斯酸堿對能夠提供給合金熔體更大的異類物質(zhì)濃度，因此增大了 熔體結(jié)晶過程的成分過冷度，導致晶核在更強結(jié)晶動力下快速越過臨界尺寸，而在過冷的 液體中自由成核和生長，形成具有各向同性和形狀更接近于球形的等軸晶粒；由于等軸晶 的這種緣于液體內(nèi)部自由生長的內(nèi)生機制，改變了平面晶、樹枝晶、柱狀晶等不規(guī)則晶體緣 于鑄造型腔的型壁生核、自外向液體內(nèi)部單向延伸的生長方式，因此避免或減輕了合金的 成分偏析、結(jié)晶粗大單向、宏觀性能不均勻的缺陷，從而有效避免或減輕了合金的一些常見 缺陷，如針孔、氣孔、縮孔、縮松、偏析、粗大固溶體、高硬度化合物、裂紋等。
[0040] 本發(fā)明基于對合金微觀結(jié)構(gòu)極高分辨率的襯度圖像和精微選區(qū)結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)了 晶內(nèi)存在著次微米級的(Τ+ΘΗ)棒叉狀組合相的超精細結(jié)構(gòu)。與Al-Cu各二元相比較，（Τ+ΘΗ) 組合相有許多優(yōu)點，包括:質(zhì)點粒度大，抗位錯滑移面大;主干部分T是高硬高穩(wěn)定化合物聚 合而成的棒狀孿晶，能夠以位錯繞過方式為合金提供強度支撐;其次生ΘΗ附著相在主干上 斜向或垂直于T棒軸方向而向周圍基體生長同時又與基體共格，增強了主干對周圍晶格點 陣的收緊能力，或者換句話說，T棒軸通過附著其上向周圍生長的ΘΗ次生相，把收緊作用向 周圍的基體空間傳遞和擴散，這種作用在次微米區(qū)域內(nèi)對基體產(chǎn)生了類似建筑結(jié)構(gòu)中鋼筋 網(wǎng)格在混凝土中的強化作用(可稱為"類砼強化結(jié)構(gòu)"），使基體強度大大提高。這種作用，如 果從單體比較，是基體中薄片狀Al-Cu亞穩(wěn)相(GP區(qū)、θ"、θ'或者其它盤片相)或者其組合都 遠不能相比的；但是，在常見的鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金中，由于各二元Al-Cu亞穩(wěn)相在基 體內(nèi)部的分布密度遠遠高于(Τ+ΘΗ)組合相的分布密度，致使(Τ+ΘΗ)組合相的作用被掩蓋而 一直沒有被發(fā)現(xiàn)。
[0041] (Τ+ΘΗ)組合相優(yōu)化了鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金的物相分子組合結(jié)構(gòu)，為基體提 供了高硬質(zhì)點T相的繞過強化效應(yīng)和高于游離態(tài)Al-Cu亞穩(wěn)相組合的切過強化效應(yīng)兩種作 用;所以必須把材料設(shè)計關(guān)注的重點從傳統(tǒng)單純對Al-Cu亞穩(wěn)相組合轉(zhuǎn)移出來，而集中在對 (Τ+ΘΗ)組合相的催生效果上。
[0042] 本發(fā)明配方設(shè)計作為主要技術(shù)手段之一，是使合金的晶態(tài)組合實現(xiàn)平均晶粒度< 120微米的等軸晶前提下，還可實現(xiàn)合金晶粒內(nèi)部（Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量在1個/[μπι] 2以上。因 此主成分設(shè)計為按重量百分比：錳Μη:彡2%，鎘Cd: 0.05%~0.5%，銅Cu: 4.2%~8.0%且Cu彡 0.8Mn+4.05%，鎂MgO. 5~1%;路易斯酸堿對總量1%X 10-4~2.0%，使合金平均晶粒度< 120微 米，余量為鋁A1，增加鎂可使θ"、θ'相擴散彌散均勻，提高沉淀強化的效果，提高基體的韌性 和耐腐蝕性，尤其降低大直徑傳動輪盤應(yīng)力腐蝕開裂增強高速旋轉(zhuǎn)的安全可靠性能。
[0043]通過DSC差示掃描量熱分析法得到的結(jié)果可知，鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金的化學 熱效應(yīng)發(fā)生的溫度范圍高低限之差有l(wèi)〇〇°C，在Al-Cu二元各相中，平衡態(tài)的A12CU(0)相共 晶的熔點最高為548°C，在DSC曲線上處于開始發(fā)生熱效應(yīng)的溫度位置，當溫度在648.5°C時 熱效應(yīng)最大，溫度更高之后就沒有了化學熱效應(yīng)。這種情況的合理推斷是與基體共格的(T+ ΘΗ)組合相發(fā)生熔化(基體同時熔化)而造成的吸熱現(xiàn)象。
[0044] (Τ+ΘΗ)組合相的主干T相大大提高了合金的耐熱性和熱強度;而(Τ+ΘΗ)組合相數(shù) 量和分布密度的提高，則同時提升了合金的強度、硬度和延伸率。
[0045] 根據(jù)金屬凝固理論，從宏觀角度看，臨界晶核的大量形成需要給熔體中處于游離 態(tài)的原子向晶格點陣有序態(tài)的"跳躍"降低勢能門檻，而這種低門檻來自于兩個條件:一是 降低液態(tài)金屬的表面張力使原始晶核容易擴散和容易吸收周圍游離態(tài)的原子，一種形式就 是創(chuàng)造盡可能多的穩(wěn)態(tài)異質(zhì)結(jié)晶核心。
[0046] 根據(jù)路易斯酸堿理論，鋁熔體是一個富電子高溫體系，即屬于強的路易斯堿，當過 量的銅錳加入以后，由于銅錳的電負性較強，吸聚了較多的電子云，使形成的合金熔體的堿 性降低，表面張力增加，不利于臨界晶核的產(chǎn)生;加入富電子物質(zhì)后，平衡了銅錳的酸性效 應(yīng)，原始晶核面臨的界面張力降低，因而促進了（Τ+ΘΗ)組合相的主干T相的原始晶核成長為 臨界晶核，從而決定了（Τ+ΘΗ)組合相在合金中數(shù)量和分布密度顯著提高。
【具體實施方式】
[0047] 本發(fā)明【具體實施方式】包括2個部分，第一部分為提示和說明，第二部分為具體實施 例。
[0048]第一部分:提示和說明 合金恪體準備的步驟： (1)在前述路易斯酸堿對、元素比例范圍內(nèi)，選定一組物質(zhì)組合，確定重量比，根據(jù)需要 配制的合金總量，推算出所需的每種物料的重量，編制合金生產(chǎn)配料表，并按配料表選足各 種備料。
[0049] (2)往熔煉爐中加入適量的鋁錠或熔融鋁液，加熱使之完全融化并在700 °C以上保 溫;為防止熔體吸入過多的空氣，熔化過程應(yīng)盡可能在短時間內(nèi)和封閉環(huán)境內(nèi)完成。
[0050] (3)按配方比例加入錳Μη、鎘Cd、銅Cu、鎂Mg，攪拌均勻后，加入選定的路易斯酸堿 對，或者加入選定的路易斯酸堿對組合，攪拌均勻。
[0051] 所述路易斯酸堿對或者組合如果呈固體塊狀，可直接加入熔體或者以按壓輔助方 式加入熔體； 所述路易斯酸堿對或者組合如果呈固體絲線狀，可以在線自動送絲方式，在鑄造時連 續(xù)加入，或者切成合適小段，在每次鑄造前加入澆包或舀瓢； 所述路易斯酸堿對，活潑金屬元素選擇以保護形態(tài)加入熔體，高熔點難溶金屬元素選 擇配合物形態(tài)，易溶重金屬選擇單質(zhì)狀態(tài)。
[0052] 所述路易斯酸堿對或者組合，化合物或配合物選擇預先制成固體粉末形態(tài)。
[0053] 所述路易斯酸堿對或者組合，選擇于合金主元素熔煉完成后加入熔體，或者在熔 體精煉時加入恪體，或者在精煉凈化后加入恪體，或者在鑄造成形之前再加入恪體。
[0054] (4)然后對上述合金熔體進行爐內(nèi)精煉，所述精煉選擇在封閉環(huán)境中操作，所述封 閉環(huán)境選擇以抽風方式連續(xù)排除精煉產(chǎn)生的廢氣。
[0055] (5)精煉后除渣、靜置、取樣分析合金化學成分，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整化學成分至規(guī) 定的偏差范圍內(nèi)； 所述調(diào)整化學成分選擇以加入路易斯酸堿對或者組合的方式進行調(diào)整； 調(diào)溫至650°C以上，合金液出爐，在線除氣、除渣； 所述除氣可以選擇石墨管空心轉(zhuǎn)子攪動吹入凈化氣體； 所述凈化氣體可以選擇氮氣、氬氣、氯氣或者它們的混合物； 所述除渣可以選擇表面除去浮渣或者選擇過濾法除去熔體內(nèi)粗大質(zhì)點或者熔體底部 的沉渣； 所述過濾法可以選擇陶瓷過濾板或者玻璃纖維或者濾布作為過濾介質(zhì)； 所述過濾可以進行單級過濾或者雙級過濾或者多級過濾； 所述粗大質(zhì)點可以是顆粒度不小于10微米的質(zhì)點。
[0056] (6)鑄造。鑄造是指合金液注入型腔內(nèi)凝固結(jié)晶； 所述型腔可以是鑄造固定形狀和結(jié)構(gòu)鑄件的金屬模型腔、砂模型腔或者砂芯+金屬模 型腔； 所述注入選擇離心鑄造澆注;鑄型轉(zhuǎn)速在500~800r/min，傾轉(zhuǎn)澆包使熔體沿著澆注槽 流入澆注系統(tǒng)，通過澆注系統(tǒng)流入鑄型，在鑄型旋轉(zhuǎn)離心力作用下充滿鑄型型腔。熔體完全 凝固后，停止旋轉(zhuǎn)，開模取出產(chǎn)品，自然冷卻，清理砂芯、鋸切冒口、打磨飛邊 鑄件可以肉眼或用低倍放大鏡或其它試驗方法檢驗外觀質(zhì)量，所述鑄件外觀質(zhì)量是指 包括表面粗糙度、表面缺陷或尺寸精度； 在鑄件的非加工面上，允許鑄件有分型、頂桿及排氣塞等痕跡，允許有精加工可切除的 缺陷，但不允許有焊接、粘膠等修補痕跡，待加工面的澆冒口殘留量不得大于2mm; 毛坯鑄件上所有鑄造的標識必須清晰可辨識； 對符合表面粗糙度要求的毛坯進行封樣，待驗收件與封樣件對比驗收； (7)內(nèi)部質(zhì)量檢測。剖面著色探傷檢測或者整體熒光或X光檢測； 所述剖面著色探傷檢測，可每爐批的鑄件隨機抽查一件或數(shù)件進行解剖，檢查鑄件主 要熱節(jié)部位或壁厚較大部位的內(nèi)部質(zhì)量； 所述剖面，可鋸開最易產(chǎn)生氣孔、砂眼的鑄造部位如殼體安裝腳、閥體安裝孔、側(cè)蓋安 裝孔或主缸尾部等的厚大部位，用著色劑檢測，目測是否有氣孔、砂眼等缺陷； 所述整體熒光檢測是將鑄件浸泡熒光液后經(jīng)照射觀察表面及一定深度有無微細裂紋、 針孔、微孔等缺陷； 所述X光檢測是鑄件經(jīng)X光透射以檢測其內(nèi)部冶金質(zhì)量，觀察有無針孔、氣孔、縮孔、疏 松、縮松、偏析、粗大相顆粒、夾雜、夾渣、冷隔、冷豆或裂紋。
[0057] (8)固溶處理。將鑄件完成粗加工和內(nèi)外質(zhì)量檢測的毛坯送入固溶爐，進行560Γ 以下的固溶處理，保溫后立刻淬火，水冷或油冷； (9)時效強化。將完成固溶處理的鑄件送入時效爐進行時效強化處理，時效強化工藝 150~240°C，保溫后，出爐自然冷卻;鑄件表面可進行拋丸清理。
[0058] (10)取樣分析測試驗證。從經(jīng)過熱處理以后的鑄件上切取試棒，取樣部位選在毛 坯本體有加工余量的適當位置、鑄件本體受載荷均勻或集中的部位，每個取樣部位應(yīng)切取 三根試棒； 可對樣品進行力學性能測試分析、金相分析、二次密度法固溶及時效程度檢測或深層 次的微觀結(jié)構(gòu)分析； 所述力學性能分析包括抗拉強度、屈服強度、延伸率、硬度，數(shù)值指標為:抗拉強度500 ± 50Mpa、屈服強度450 ± 50Mpa、延伸率 5 ± 2%、硬度 140 ± 10HBS; 所述金相分析包括晶粒形貌、晶粒度、粗大脆性相或顯著缺陷，晶粒形貌應(yīng)該為等軸 晶，晶粒度平均< 120μπι，粗大脆性相顆粒度<25μπι，不存在超過15μπι的孔洞或晶界無析出 帶顯著缺陷； 所述二次密度法檢測固溶及時效程度完成率不小于80%。
[0059] (11)實用性能驗證。通過機械加工、表面處理和裝配后，進行模擬使用工況的實用 性能檢測試驗，包括選擇疲勞試驗、磨損試驗、逆向超載試驗或超壓試驗。
[0060]第二部分:具體實施例 實施例1 1、 一種替代QT500的鋁合金大直徑傳動輪盤材料組分重量百分比為：Μη : 0.6%，Cd: 0.08%，Cu:6.3%，Si:l.l%，Mg:0.6%，Ti:0.05%，[Cd(CN)4] 2-:0.01%，1^!1:0.05%，余量為鋁八1; 2、 制備方法:熔體-澆注-轉(zhuǎn)動型腔-充型凝固-停轉(zhuǎn)開模取件-固溶-時效 (1) 熔體澆注溫度彡700°(：; (2) 預熱溫度彡430 °C; (3) 充型時間<30s; (4) 型腔轉(zhuǎn)速彡500r/min; (5) 凝固時間多5 min; (6) 熱處理狀態(tài):T8-固溶后冷加工再人工時效； 3、 制品微觀結(jié)構(gòu)指標:金相組織為等軸晶，平均晶粒度85μπι，晶粒內(nèi)（Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量 5 個/Tym]2; 4、 鑄件機械性能：：抗拉強度530Mpa，屈服強度410 Mpa，斷后延伸率6%，布氏硬度138。 [0061 ] 實施例2 1. 一種替代QT500的鋁合金大直徑傳動輪盤材料組分重量百分比為:Mn: 0.7%，Cd: 0.09%，Cu: 6.5%，Si:1.05%，Mg:0.8%，Ti:0.06%，[Cd(CN)4]2-:0.02%，LiH:0.05%，余量為鋁 Al; 2、 制備方法:同實施例1; 3、 制品微觀結(jié)構(gòu)指標:金相組織為等軸晶，平均晶粒度88μπι，晶粒內(nèi)（Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量 7 個/Tym]2; 4、 鑄件機械性能：：抗拉強度533Mpa，屈服強度41 IMpa，斷后延伸率6%，布氏硬度140。 [0062] 實施例3 1、 一種替代QT500的鋁合金大直徑傳動輪盤材料組分重量百分比為:Mn: 0.7%，Cd: 0 · 09%，Cu: 7 · 2%，Mg: 1 %，[ Cd(CN)4]2-: 0 · 045%，余量為鋁A1; 2、 制備方法:同實施例1; 3、 制品微觀結(jié)構(gòu)指標:金相組織為等軸晶，平均晶粒度88μπι，晶粒內(nèi)（Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量 6 個/Tym]2; 4、 鑄件機械性能：：抗拉強度530Mpa，屈服強度400Mpa，斷后延伸率6%，布氏硬度138。
【主權(quán)項】
1. 一種替代QT500大直徑傳動輪盤的鋁合金材料，其特征在于:主成分含量按重量百分 比計：錳Μη:彡 2%，鎘Cd: 0 · 05%~0 · 5%，銅Cu: 4 · 2%~8 · 0%且Cu彡 0 · 8Mn+4 · 05%，鎂Mg: 0 · 5~ 1 %;路易斯酸堿對總量1 % X 1 0-4~2.0%，使合金平均晶粒度< 120微米，余量為鋁A1。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT500大直徑傳動輪盤的鋁合金材料，其特征在于： 合金晶粒為等軸晶。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT500大直徑傳動輪盤的鋁合金材料，其特征在于： 合金晶粒內(nèi)亞納米(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量達到多1個/平方微米。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT500大直徑傳動輪盤的鋁合金材料，其特征在于： 所述路易斯酸堿對為金屬氰合物、氫合物、過渡族類元素中的一種或一種以上混合。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種替代QT500大直徑傳動輪盤的鋁合金材料，其特征在于： 所述的金屬氰合物:包括四氰合鎘負離子體[Cd(CN) 4]2'6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種替代QT500大直徑傳動輪盤的鋁合金材料，其特征在于： 所述的氫合物，包括氫化鋰LiH。7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的一種替代QT500大直徑傳動輪盤的鋁合金材料，其特征 在于:所述路易斯酸堿對，按元素添加量占 A1基體重量百分比，范圍為:0.4%<Si<1.2%，Ti <0.1%，LiH<0.5%，[Cd(CN)4]2-<0.05%。8. 如權(quán)利要求7所述的一種替代QT500大直徑傳動輪盤的鋁合金材料的制備方法，其特 征在于:包含以下步驟： (1) 在前述路易斯酸堿對、元素比例范圍內(nèi)，選定一組物質(zhì)組合，確定重量比，根據(jù)需要 配制的合金總量，推算出所需的每種物料的重量； (2) 往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱并在700 °C以上保溫； (3) 加入錳Μη、鎘Cd、銅Cu，鎂Mg攪拌，加入選定的路易斯酸堿對，或者加入選定的路易 斯酸堿對組合，攪拌均勻； (4) 然后對上述合金熔體進行爐內(nèi)精煉； (5) 精煉后除渣、靜置、取樣分析合金化學成分，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整化學成分至規(guī)定的 偏差范圍內(nèi)；調(diào)溫至650 °C以上，合金液出爐，在線除氣、除渣； (6) 鑄造:采用離心鑄造。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種替代QT500大直徑傳動輪盤的鋁合金材料的制備方法，其 特征在于:所述離心鑄造，步驟如下： (1) 熔體從保溫爐轉(zhuǎn)入澆包； (2) 將鑄型預熱到430-450°C ; (3) 開啟驅(qū)動電機，鑄型旋轉(zhuǎn)； (4) 調(diào)整鑄型轉(zhuǎn)速在500~800r/min，傾轉(zhuǎn)澆包使熔體沿著澆注槽流入澆注系統(tǒng)，通過 澆注系統(tǒng)流入鑄型，在鑄型旋轉(zhuǎn)離心力作用下充滿鑄型型腔； (5) 熔體完全凝固后，停止旋轉(zhuǎn)，開模取件； (6) 開模取出產(chǎn)品，自然冷卻，清理砂芯、鋸切冒口、打磨飛邊； (7) 外觀質(zhì)量檢測：毛坯鑄件在進行外觀質(zhì)量檢驗之前，應(yīng)清理干凈平整，非加工面的 澆冒口應(yīng)清理到鑄件表面齊平； (8) 內(nèi)部質(zhì)量檢測； (9) 固溶處理：將鑄件完成粗加工和內(nèi)外質(zhì)量檢測的毛坯送入固溶爐，進行550°C以下 固溶處理，保溫完成后立刻入水淬火； (10) 時效強化:將完成固溶處理的鑄件送入時效爐進行時效強化處理，在230°C以下時 效強化，保溫后出爐自然冷卻； (11) 取樣分析測試驗證； (12) 實用性能驗證。
【文檔編號】C22C21/16GK105937003SQ201610492996
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】毛春榮, 陳凱, 李祥, 黃亮, 胥光酉
【申請人】貴州華科鋁材料工程技術(shù)研究有限公司