一种高强韧铸造铝合金及其制备方法

专利名称：一种高强韧铸造铝合金及其制备方法
技术领域：
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高强韧铸造铝合金及其制备方法。
背景技术：
铸造铝合金作为传统的金属材料，因其密度小、比强度高等特点，广泛应用于航 空、航天、汽车、机械等行业。随着现代工业及铸造新技术的发展，对铸造铝合金，尤其是具 有特殊性能，如具有高强度、优良的耐磨性和耐腐蚀性的铸造铝合金，需求量越来越大。经 过几十年的发展，高强度铸造铝合金已形成完整系列，性能趋于稳定，生产方法日趋完善， 成为材料领域中不可或缺的合金体系，并已在汽车、航天和航空工业中获得广泛的应用。但 目前高强度铸造铝合金的冲击韧性较低，一般都不能承受大的冲击载荷。正是由于铸造铝 合金冲击韧性较低，一般都不能承受大的冲击载荷，强韧性不理想从而使其应用受到较大 的限制。所以，许多需要高强韧性能的重要部件多采用变形铝合金制造。但是变形铝合金 虽然具有理想的高强韧性能，但其加工过程对设备和工装模具要求高，工序多，因此生产周 期长，成本很高。相比之下，铸造铝合金具有价格低廉，铸件组织各向同性，可以获得特殊的 组织，容易生产形状复杂的零件，既可以单件生产也可以大批量生产等许多优点。因此，开 发能够代替部分变形铝合金并具有高强韧性能的铸造铝合金，规范其铸造成型工艺，缩短 生产周期，降低制造成本，成为该领域发展的新趋势。

发明内容
本发明要解决的技术问题，是针对现有技术的上述不足，提供一种具有高强度、高 韧性的高强韧铸造铝合金。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为一种高强韧铸造铝合金，该合金由 以质量百分比的各组分组成Mg 9. 5% 11. 0%，Ti 0.1% 0.4%，RE 0.1% 0.3%， SiO. 15% 0. 30%，其余为铝和不可避免的微量杂质；其中微量杂质中的单个元素的含量 < 0. 10%，且微量杂质的总量< 0.50%。本发明上述的该合金在制备时，各组分由以下形式的各原料加入纯铝、纯镁、氟 钛酸钾、铝稀土合金及铝硅中间合金。本发明要解决的另一个技术问题，是提供一种能满足现代科技和工业需要，降低 结构件重量、缩短制造周期、降低制造成本和降低能耗、保护环境、以铸代锻要求的上述高 强韧铸造铝合金的制备方法，该合金具体制备步骤为(1)按照 Mg 9. 5% 11.0%，Ti 0. 0.4%，RE(混合稀土)0. 0.3%， SiO. 15% 0. 30%，其余为铝的质量百分比计算并称取作为原料的纯铝、纯镁、氟钛酸钾 (K2TiF6)、铝稀土合金及铝硅中间合金；(2)将上述步骤(1)称量好的各原料使用电阻坩埚炉进行熔炼，先在坩埚内撒入 经脱水(水分含量<0.5%)的以光卤石为主的熔剂，然后加入预热到200 250°C的纯铝 和铝硅中间合金；融化后加入经烘干(水分含量< 0. 5% )的称量好的氟钛酸钾，并撒入占炉料总质量(所述炉料总质量为原始配料总质量，以下同)3% 4%的覆盖剂或通入保护 气体；炉温升至670 690°C时加入预热到180 220°C的纯镁块，纯镁块用钟罩压入坩埚 底部，边熔化边搅拌直至其完全熔化；730 740°C加入预热到180 220°C的铝稀土合金， 迅速搅拌至混合均勻，得到合金液；(3)待炉温降至720 730°C时将烘干(烘干后水分含量彡0.5%)的精炼剂用 钟罩压入到合金液中进行精炼除气；精炼10 15min，精炼完毕后，再静置5 15min，在 690 720°C扒渣、浇注到铸型型腔中得到铸件或铸锭(浇注制备铸件或铸锭，采用的是行 业公知的常规技术，在此不再赘述)；(4)铸件或铸锭在425 435°C进行固溶处理，保温时间12 20h，然后用冷却介 质为50 100°C的水或50 100°C油冷却，然后进行24 72小时的自然时效。本发明上述合金的制备工艺，步骤(1)中的钛是以K2TiF6氟化盐的形式加入的，采 用氟钛酸钾的形式加入可以形成大量极细小、弥散分布的金属间化合物的成核质点。本发明上述采用的纯铝，其中铝的含量>99. 7衬％;上述采用的纯镁，其中镁含量 彡99. 95wt% ；上述采用的铝稀土合金为A1-10RE，即稀土含量为10wt %的铝稀土合金，上 述采用的铝硅中间合金为Al-12Si合金(即硅含量为12衬％的铝硅中间合金)。本发明上述的以光卤石为主的熔剂，即MgCl2 40% 60%，KC1 60% 40%，杂质 (12. 5% (杂质包括 NaCl、CaCl2、不溶物、Mg0、H20)。本发明高强韧铸造铝合金的制备工艺，其步骤(2)中所用覆盖剂的加入量为炉料 总质量(所述炉料总质量为原始配料总质量)的3 4%，覆盖剂采用商用铝镁合金熔剂或 采用各组分的质量百分比为氯化镁44 52%、氯化钾32 46%、余为其他氯盐(其他氯 盐，如氯化锌、氯化锰等)组成的覆盖剂；上述的保护气体为体积分数为75%空气、25% C02和0. 2% SF6 (六氟化硫)组成 的混合气体。本发明高强韧铸造铝合金的制备工艺，其步骤(3)中所用精炼剂的加入量为炉料 总质量的2 3%，精炼剂中各组分的质量百分比为六氯乙烷60%、钠盐(钠盐如氯化钠、 硝酸钠、氟硅酸钠等的混合物，在铸造领域属于专业术语，简称钠盐，已成定型产品)40%。本发明高强韧铸造铝合金的制备工艺，其步骤(4)中所述的固溶处理，铸件或铸 锭可以随炉升温，或到设定温度后装炉；固溶处理过程中，铸件或铸锭可以采用氩气等惰性 气体进行保护；固溶处理后的铸件或铸锭在温度50 100°C水或温度50 100°C油中冷却 至与冷却介质同温后取出，放置在空气中自然实效24 72小时。本发明的优点和有益效果(1)本发明通过优化合金化学成分、严格控制合金熔炼过程及优化合金热处理工 艺，制备出了一种高强韧的新型铸造铝合金材料，该合金的抗拉强度最高334. 5MPa，伸长率 高达12. 2 %，远远大于Al-10Mg合金的力学性能指标，因此，具有良好的冲击韧性，能承受 大的冲击载荷。(2)本发明以Al-Mg合金为基，以K2TiF6的形式添加0. 1 % 0. 4%的微量钛元素。 Ti的氟化盐对固溶体型铝合金的a固溶体和共晶Si的细化效果较以中间合金形式加入好， K2TiF6加入到铝及铝合金液后，以原子状态高度弥散地分布在熔体中，因而生成大量极细 小、弥散分布的金属间化合物的成核质点，其结晶核心数量较以中间合金形式加入的多，晶
粒尺寸也比以中间合金加入后形成的TiAl3粗大成核质点小很多，从而细化了晶粒、提高了 致密性，因而强度高、韧性好。 (3)本发明高韧性铸造铝合金所选原材料价格便宜、生产流程短、工艺过程容易控 制，无需复杂的熔炼设备及后续热处理热备，在满足构件力学性能的前提下，整个生产成本 比较低。(4)本发明采用中性的电阻坩埚炉进行熔炼，熔炼和精炼均在覆盖剂或气体保护 的状态下进行，避免Mg和其他合金元素的过度烧损，从而充分发挥各元素的特性，降低损
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具体实施例方式下面通过具体实施例，进一步详细描述本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施 例实施例1 制备1500g本发明的高韧性铸造铝合金材料，该合金材料的成分为Mg 11%, TiO. 3%, RE 0.2%, Si 0. 15%，其余为铝和不可避免的微量杂质，其中微量杂质中单个元 素的含量< 0. 10%，且微量杂质总量< 0. 50%。制备方法如下(1)原料配制铝块(铝彡99.7%)，镁块(镁彡99.95%)，K2TiF6(含量彡99%)， 铝-稀土中间合金(铝90% A1，稀土 10% )，铝-硅中间合金(铝88% A1，硅12% )。参照《铸造手册》(第三卷，铸造非铁合金，第2版，机械工业出版社，2001， P187-188)及经验确定本发明的铝合金元素烧损量铝1.0%，镁5% ；其他材料在熔炼过 程中变化不大，可认为无烧损。加入量计算公式-X = Mx f
Cx(l- E)式中M为熔炼合金总质量；A为合金中应含某种元素的百分数；C为中间合金或合金锭中所含某种元素的质量百分数E为某种元素的烧损量；X为加入某种元素或中间合金的总质量。在本实例中，M = 1500g ；A :Mg%= 11% ；Ti%= 0. 3% ；RE%= 0. 2% ；Si%= 0. 15% ；Al%= 88. 35% ；C :Mg%= 99. 95% ；Ti%= 19. 9% ；RE%= 10% ；Si%= 12% ；Al%= 99. 7% ；E :A1 1.0% ；Mg :5%，其余元素忽略不计；
11%贝lj.X她=1500x-= 173.78g
Mg99.95% x (1-5%)
0 3%TlF = 1500x--二 22.84 g
K2TiFs99% x 19.9%XA1 Rir1500x^^ = 30g
10%
6
^Ai-s,= 1500xM^ = 18.75gX^lSOOx ^_ = 1342.66 g
^ 99.7% x (1-1%)因为，本发明的铝稀土中间合金及铝硅中间合金中也导入了铝元素，质量分别为 30X0. 90 = 27g ；18. 75X0. 88 = 16. 5g，所以实际需加的纯铝质量为=1342. 66-27-16. 5 = 1299.16g。上述配料是原始配料，熔炼过程中会烧损掉部分，以及配料中存在的不可避免的 杂质元素，最终实际所获得的新型铝合金总质量为1500g。(2)使用电阻坩埚炉将上述加入的各组分进行熔炼，先在坩埚(石墨坩埚)内撒入 经脱水的以光卤石为主的熔剂(水分含量< 0. 5% )，然后加入预热到200°C的纯铝和预热 到200°C的铝硅中间合金；融化后通入75%空气+25% C02+0. 2% SF6(体积分数)混合保护 气体；炉温升至690°C时加入预热到200°C的纯镁块，纯镁块要用钟罩压入坩埚底部，搅拌 直至其完全熔化；730°C加入预热到200°C的铝稀土中间合金，迅速搅拌至混合均勻，得到 合金液；(3)待炉温降至720°C时将烘干的精炼剂(精炼剂为质量百分比为六氯乙烷60%、 钠盐40%组成，烘干至水分含量<0.5% )用钟罩压入到合金液中进行除气精炼，精炼 lOmin，完毕后，再静置5min，在720°C时扒渣、浇注到铸型型腔中得到铸件或铸锭(直接浇 注到铸型型腔中中得到铸件或铸锭的过程，采用的是行业公知的常规技术，无其他特殊要 求，实施例2-3亦同)；(4)铸件或铸锭在430°C进行固溶处理，保温时间16h，再用冷却介质为100°C的沸 水冷却，当铸件或铸锭与冷却用的水温度相同时，将铸件或铸锭取出；然后在空气中进行自 然时效，时间30h。经检测，本实施例制备的新型Al-Mg合金样品的抗拉强度的平均值为339. 6MPa, 断后伸长率达到了 13.1%。拉伸试样的断口由大小不均的韧窝和撕裂棱组成，呈现明显的 塑性断裂特征。实施例2 制备1500g 合金材料，成分为 Mg 10%,Ti 0.4%,RE 0.3%，Si 0.30%，其余为铝 和不可避免的的微量杂质，其中杂质单个< 0. 05%，且总量< 0. 20%。制备方法如下(1)配料计算方法与实例1相同。(2)使用电阻坩埚炉熔炼，先在石墨坩埚内撒入经脱水的以光卤石为主的熔剂，然 后加入预热到225°C的纯铝和铝硅中间；融化后采用炉料总量4%的覆盖剂保护；炉温升至 670°C时加入预热到200°C左右的纯镁块，搅拌直至其完全熔化；730°C加入预热到200°C左 右的铝稀土中间合金，迅速搅拌至混合均勻，得到合金液。(3)待炉温降至730°C时将烘干的精炼剂(精炼剂为质量百分比为六氯乙烷60%、 钠盐40%组成)用钟罩压入合金液中进行除气精炼，精炼15min，然后静置15min，在690°C 时扒渣、浇注到铸型型腔中得到铸件或铸锭。
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(4)铸件或铸锭在435°C进行固溶处理，保温时间20h，再用冷却介质为100°C的沸 水冷却，当铸件或铸锭与冷却用的水温度相同时，将铸件或铸锭取出；然后在空气中进行自 然时效，时间72h。经检测，本实施例新型Al-Mg合金样品的抗拉强度的平均值为321. 3MPa,断后伸 长率达到了 11.7%。拉伸试样的断口由大小不均的韧窝和撕裂棱组成，呈现明显的塑性断 裂特征。实施例3 制备1500g 合金材料，成分为 Mg 9. 5%, Ti 0.1%，RE 0.1%，Si 0.20%，其余为 铝和不可避免的的微量杂质，其中杂质单个< 0. 05%，且总量< 0. 20%。制备方法如下(1)配料配料计算方法与实例1相同。。(2)使用电阻坩埚炉熔炼，先在石墨坩埚内撒入经脱水的以光卤石为主的熔剂 (水分含量< 0. 5% )，然后加入预热的纯铝和铝硅中间；化清后采用炉料总量3%的覆盖剂 保护；炉温升至680°C时加入预热的纯镁块，边熔化边搅拌直至其完全熔化；740°C加入预 热的铝稀土中间合金，迅速搅拌至混合均勻；(3)待炉温降至730°C时将烘干的精炼剂(精炼剂为质量百分比为六氯乙烷60%、 钠盐40%组成，烘干至水分含量<0. 5%)用钟罩压入合金液中进行除气精炼，精炼lOmin， 然后静置9min，在710°C时扒渣、浇注到铸型中型腔中得到铸件或铸锭；(4)铸件或铸锭在425°C进行固溶处理，保温时间12h，再用冷却介质为60°C的油 冷却，当铸件或铸锭与冷却用的油温度相同(即同温)时，将铸件或铸锭取出；然后在空气 中进行自然时效，时间24h。经检测，本实施例的新型Al-Mg合金样品的抗拉强度的平均值为301. 2MPa,断后 伸长率达到了 8. 6%0拉伸试样的断口由大小不均的韧窝和撕裂棱组成，呈现明显的塑性断 裂特征。
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权利要求
一种高强韧铸造铝合金，其特征在于该合金由以下质量百分比的组分组成Mg9.5％～11.0％，Ti 0.1％～0.4％，RE 0.1％～0.3％，Si 0.15％～0.30％，其余为铝和不可避免的微量杂质；其中微量杂质中的单个元素的含量＜0.10％，且微量杂质的总量＜0.50％。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧铸造铝合金，其特征在于该合金在制备时，各组 分由以下形式的各原料加入纯铝、纯镁、氟钛酸钾、铝稀土合金及铝硅中间合金。
3.—种权利要求2所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征在于该合金制备步 骤为(1)按照Mg 9. 5% 11. 0%，Ti 0.1% 0.4%，RE 0.1% 0.3%，Si 0.15% 0. 30%，其余为铝的质量百分比计算并称取作为原料的纯铝、纯镁、氟钛酸钾、铝稀土合金 及铝硅中间合金；(2)将上述步骤(1)称量好的各原料使用电阻坩埚炉熔炼，先在坩埚内撒入经脱水的 以光卤石为主的熔剂，然后加入预热到200 250°C的纯铝和铝硅中间合金；融化后加入经 烘干的称量好的氟钛酸钾，并撒入占炉料总质量3% 4%的覆盖剂或通入保护气体；炉温 升至670 690°C时加入预热到180°C 220°C的纯镁块，纯镁块要用钟罩压入坩埚底部，边 熔化边搅拌直至其完全熔化；730 740°C加入预热到180 220°C的铝稀土合金，迅速搅 拌至混合均勻，得到合金液；(3)待炉温降至720 730°C时将烘干的精炼剂用钟罩压入到合金液中进行精炼除气； 精炼时间10 15min，精炼完毕后，再静置5 15min，在690 720°C扒渣、浇注到铸型型 腔中得到铸件或铸锭；(4)铸件或铸锭在425 435°C进行固溶处理，保温时间12 20h，然后用冷却介质为 50 100°C的水或50 100°C油冷却，然后进行24 72h的自然时效。
4.根据权利要求3所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征是所述的纯铝为铝 含量> 99. 7wt%的铝；所述的纯镁为镁含量> 99. 95wt%的镁；所述的铝稀土合金为稀土 含量为IOwt%的铝稀土合金；所述的铝硅中间合金为硅含量为12wt%的铝硅中间合金。
5.根据权利要求3所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征是所述的覆盖剂为 商用铝镁合金熔剂或各组分的质量百分比为氯化镁44 52%、氯化钾32 46%、其余为 其他氯盐组成的覆盖剂。
6.根据权利要求3所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征是所述的保护气体 为体积分数为75%空气、25% CO2和0. 2% SF6组成的混合气体。
7.根据权利要求3所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征是所述的精炼剂的 加入量为炉料总质量的2 3%。
8.根据权利要求7所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征是所述的精炼剂中 各组分的质量百分比为六氯乙烷60%、钠盐40%。
9.根据权利要求3所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征是所述的的固溶处 理，铸件或铸锭可以随炉升温，或温度到设定温度后再装炉；铸件或铸锭在温度50 100°C 水或温度50 100°C油中冷却至与冷却介质同温后取出，放置在空气中自然实效24 72 小时。
10.根据权利要求3所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征是所述的固溶处理过程中，铸件或铸锭采用氩气保护。
全文摘要
本发明公开一种高强韧铸造铝合金，该合金由以下质量百分比的组分组成Mg 9.5％～11.0％，Ti 0.1％～0.4％，RE 0.1％～0.3％，Si 0.15％～0.30％，其余为铝和不可避免的微量杂质；其中微量杂质中的单个元素含量＜0.10％，且微量杂质总量＜0.50％。本发明还公开了一种上述高强韧铸造铝合金的制备方法。本发明的高强韧铸造铝合金具有抗拉强度高、伸长率高且原材料价格便宜、生产流程短、工艺过程容易控制，无需复杂的熔炼设备及后续热处理热备，在满足构件力学性能的前提下，整个生产成本比较低等优点。
文档编号C22C1/03GK101914709SQ201010248240
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月4日 优先权日2010年8月4日
发明者刘 文, 李继强, 李贤义, 樊自田, 董选普, 陈俊龙, 马小利 申请人:宁波旭润铝业有限公司;浙江大学宁波理工学院