CN102367525A - 一种铸造铝合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铸造铝合金的制备方法，该方法包括配料、熔炼、晶粒细化处理、精炼、变质处理、浇注、热处理七个步骤，本发明方法通过调整合金成分以及添加Al-Ti-B-C和Cu-P复合晶粒细化剂，使得合金的强度提高，同时使该合金具有良好的流动性，铸造性能好。通过合理控制熔炼、精炼、变质、浇注以及热处理的工艺参数，使得合金的综合性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及铸造领域，特别涉及铝合金铸造领域。
背景技术
铝合金是一种较年轻的金属材料，在20世纪初才开始工业应用。第二次世界大战期间，铝材主要用于制造军用飞机。战后，由于军事工业对铝材的需求量骤减，铝工业界便着手开发民用铝合金，使其应用范围由航空工业扩展到建筑业、容器包装业、交通运输业、电力和电子工业、机械制造业和石油化工等国民经济各部门，应用到人们的日常生活当中。现在，铝材的用量之多，范围之广，仅次于钢铁，成为第二大金属材料。铝合金的发展可追溯到1906年时效强化现象在柏林被Alfred Wilm偶然发现，硬铝Duralumin、随之研制成功并用于飞机结构件上。在此基础上随后开发出多种Al-Cu系合金。法国于20世纪初研制成功A-U5GT((W)si≤0.05％，(W)Fe≤0.10％)铝合金，抗拉强度(T4)≥275Mpa、SAEJ452-1989)，投入生产应用，已列入法国国家标准和宇航标准；美国铝协会牌号201.0(1968年)和206.0(1967年)合金都是在A-U5GT基础上经改进而形成的，1974年的204.0铝合金等同于A-U5GT；201.0(AlCu4AgMgMn)的商业名称是KO-1(ASTM B26/B26(M)-1999，抗拉强度T7状态为415Mpa，延伸率3％)，受美国专利保护，且成分含Ag(0.4％-1.0％)，成本高。俄罗斯BAJ110主元素成分相当于国内的ZL204，但添加微量元素保密，仅用于军事或其他要求高的领域。
我国研制了ZL204A、ZL205A等铸造用铝合金牌号，ZL204A T5状态值下抗拉强度440Mpa，δ5＞4％。按技术标准(GB1173-86)规定，ZL205A的抗拉强度T5状态为435Mpa，T6状态下为465Mpa(GB/T1173-1995标准，ZL205A(T6)的抗拉强度为470Mpa)，是目前世界上强度最高的铸造铝合金材料之一。ZL205A(T5)的塑性好，伸长率可达7％，该合金已在我国航空、航天领域得到广泛应用，但其成分含有V贵重金属元素，价格高昂；同时，需用精铝或高纯铝作基体金属，不但增加成本，原料供应也受限制。另外，在ZL205A基础上加入RE研制了ZL209，仍受添加V元素成本高的限制。北京航空材料研究院吕杰等研制出一种与ZL205A主成分相近的铝合金，但微量元素中含有0.1％-0.25％V，其抗拉强度在385-405Mpa之间、伸长率达19％～23％，仅见文献研究报道，且抗拉强度稍低，原材料含有价格昂贵的V。但是铝铜合金铸造性能较差，铸造过程中容易产生裂纹等缺陷，所以很难用于一些结构复杂的大中型铸件，这限制了铝铜合金的应用。
目前，广泛应用的铝硅合金具有优良的铸造性能，如流动性好、气密性好、收缩率小和热裂倾向小，经过变质和热处理之后，具有较好的力学性能，是目前应用最广泛的一类铝合金，如ZL101、ZL104合金，但是仍然面临力学性能有待提高的问题。
中国专利申请号200810204630.5公开了一种铸造铝硅合金的制备方法，其结合铝硅与铝铜合金的优点，通过优化合金组分及制备方法产生了一种新的铝硅铜合金。但其合金组分中硅的含量高达6.5-7.5％，虽然铸造性能尚好，但其强度较低，只有300-320MPa左右。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种铸造铝合金的制备方法，解决现有技术的铝合金铸造性能和/或力学性能较差的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种铸造铝合金的制备方法，包括如下步骤：
1)配料：原料使用纯Al及Al-12wt％Si、Al-50wt％Cu、Al-10wt％Mn、Cd、Al-5wt％Ti和Al-10wt％Mg中间合金；
2)熔炼：按照目标成分2.5-3.5％Si，5.5-6.5％Cu，0.5-0.55％Mn，0.05-0.25％Cd，0.3-0.5％Ti，3.5-5％Mg，B微量，C微量，P微量，稀土元素微量，余下为Al；杂质Fe含量不大于0.15％，杂质总量不大于0.40％称量步骤1)的各原料；使用电阻坩埚炉熔炼，坩埚升温预热至460-480℃，依次加入纯Al、Al-Si、Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Mg、以及Cd，预热1-2小时，然后升温熔化
3)晶粒细化处理：在步骤2)熔化的熔液中加入Al-Ti-B-C和Cu-P复合晶粒细化剂，细化剂的总加入量为熔液质量的0.5-0.8％，其中Al-Ti-B-C占50-70％，Cu-P占30-50％；
4)精炼：金属液完全熔化后搅拌均匀，进行精炼处理，采用氯化锰精炼剂，精炼温度720-750℃，精炼时间10-12min，精炼后静置10min以上；
5)变质处理：精炼后进行变质处理，采用Al-Re中间合金变质剂，变质温度720-730℃，变质时间12-20min；
6)浇注，用砂型模具，调整合金液温度至700℃，进行浇注；
7)热处理：使用箱式电阻炉热处理；固溶处理：530±5℃×8-12h，淬水，控制转移时间小于15秒；人工时效处理：150±5℃×5-6h→空冷。
本发明方法的有益效果为：
1.通过调整合金成分，减少Si的用量，并在合金中添加Mg，使得合金的强度提高，同时使该合金具有良好的流动性，铸造性能好。
2.通过添加Al-Ti-B-C和Cu-P复合晶粒细化剂细化了合金晶粒，使得合金的强度提高。
3.通过合理控制熔炼、精炼、变质、浇注以及热处理的工艺参数，使得合金的综合性能优异。
具体实施方式
实施例一
一种铸造铝合金的制备方法，包括如下步骤：
1)配料：原料使用纯Al及Al-12wt％Si、Al-50wt％Cu、Al-10wt％Mn、Cd、Al-5wt％Ti和Al-10wt％Mg中间合金；
2)熔炼：按照目标成分2.8％Si，6％Cu，0.5％Mn，0.2％Cd，0.4％Ti，3.5％Mg，B微量，C微量，P微量，余下为Al；杂质Fe含量不大于0.15％，杂质总量不大于0.40％称量步骤1)的各原料；使用电阻坩埚炉熔炼，坩埚升温预热至460℃，依次加入纯Al、Al-Si、Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Mg、以及Cd，预热1小时，然后升温熔化；
3)晶粒细化处理：在步骤2)熔化的熔液中加入Al-Ti-B-C和Cu-P复合晶粒细化剂，细化剂的总加入量为熔液质量的0.5％，其中Al-Ti-B-C占60％，Cu-P占40％；
4)精炼：金属液完全熔化后搅拌均匀，进行精炼处理，采用氯化锰精炼剂，精炼温度720℃，精炼时间12min，精炼后静置12min；
5)变质处理：精炼后进行变质处理，采用Al-Re中间合金变质剂，变质温度730℃，变质时间15min；
6)浇注，用砂型模具，调整合金液温度至700℃，进行浇注；
7)热处理：使用箱式电阻炉热处理；固溶处理：535℃×10h，淬水，控制转移时间12秒；人工时效处理：155℃×5h→空冷。
实施例二
一种铸造铝合金的制备方法，包括如下步骤：
1)配料：原料使用纯Al及Al-12wt％Si、Al-50wt％Cu、Al-10wt％Mn、Cd、Al-5wt％Ti和Al-10wt％Mg中间合金；
2)熔炼：按照目标成分2.8％Si，6％Cu，0.5％Mn，0.2％Cd，0.4％Ti，3.5％Mg，B微量，C微量，P微量，余下为Al；杂质Fe含量不大于0.15％，杂质总量不大于0.40％称量步骤1)的各原料；使用电阻坩埚炉熔炼，坩埚升温预热至480℃，依次加入纯Al、Al-Si、Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Mg、以及Cd，预热2小时，然后升温熔化
3)晶粒细化处理：在步骤2)熔化的熔液中加入Al-Ti-B-C和Cu-P复合晶粒细化剂，细化剂的总加入量为熔液质量的0.8％，其中Al-Ti-B-C占70％，Cu-P占30％；
4)精炼：金属液完全熔化后搅拌均匀，进行精炼处理，采用氯化锰精炼剂，精炼温度720℃，精炼时间10min，精炼后静置15min；
5)变质处理：精炼后进行变质处理，采用Al-Re中间合金变质剂，变质温度720℃，变质时间15min；
6)浇注，用砂型模具，调整合金液温度至700℃，进行浇注；
7)热处理：使用箱式电阻炉热处理；固溶处理：525℃×12h，淬水，控制转移时间10秒；人工时效处理：150℃×6h→空冷。
上述实施例一和二所制备的铸造铝合金，经测试，室温下砂型铸造试样达到：σb360-380MPa，δ2.0-2.5％，布氏硬度120-130HBW；金属型铸造试样：σb370-390MPa，δ2.3-2.8％，布氏硬度130-140HBW。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (1)
1.一种铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)配料：原料使用纯Al及Al-12wt％Si、Al-50wt％Cu、Al-10wt％Mn、Cd、Al-5wt％Ti和Al-10wt％Mg中间合金；
2)熔炼：按照目标成分2.5-3.5％Si，5.5-6.5％Cu，0.5-0.55％Mn，0.05-0.25％Cd，0.3-0.5％Ti，3.5-5％Mg，B微量，C微量，P微量，稀土元素微量，余下为Al；杂质Fe含量不大于0.15％，杂质总量不大于0.40％称量步骤1)的各原料；使用电阻坩埚炉熔炼，坩埚升温预热至460-480℃，依次加入纯Al、Al-Si、Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Mg、以及Cd，预热1-2小时，然后升温熔化
3)晶粒细化处理：在步骤2)熔化的熔液中加入Al-Ti-B-C和Cu-P复合晶粒细化剂，细化剂的总加入量为熔液质量的0.5-0.8％，其中Al-Ti-B-C占50-70％，Cu-P占30-50％；
4)精炼：金属液完全熔化后搅拌均匀，进行精炼处理，采用氯化锰精炼剂，精炼温度720-750℃，精炼时间10-12min，精炼后静置10min以上；
5)变质处理：精炼后进行变质处理，采用Al-Re中间合金变质剂，变质温度720-730℃，变质时间12-20min；
6)浇注，用砂型模具，调整合金液温度至700℃，进行浇注；
7)热处理：使用箱式电阻炉热处理；固溶处理：530±5℃×8-12h，淬水，控制转移时间小于15秒；人工时效处理：150±5℃×5-6h→空冷。
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