專利名稱：一種可消解高硬度化合物的鋁合金及其熔煉方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁合金，還涉及其熔煉方法。
背景技術(shù)：
據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上500多種變形鋁合金材料中，常用于熔鑄大型錠坯的鋁合金還不到20個(gè)，其中最常用于熔鑄大型錠坯和生產(chǎn)厚板的鋁合金有5083、5026、6082、2017、20對(duì)、 2219、7075、7050等，這些材料中，屬于硬鋁和超硬鋁范疇的是2XXX系和7XXX系，其厚板多用于航空航天工業(yè)，但其熔鑄大型錠坯的性能很差，扁錠和圓棒成形率很低；5XXX系、6XXX 系合金熔鑄性能較好，但強(qiáng)度低；其它如IXXX系、3XXX系鋁合金則屬于軟鋁范疇。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(qiáng)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(chǔ)。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(yù)制成大型錠坯，也是考驗(yàn)鋁合金材料本身是否適合進(jìn)行深加工的第一道技術(shù)關(guān)口。Al-Si-Cu系鋁合金中由于成分和澆注工藝不當(dāng)，容易形成高硬度化合物。例如 ZAlSi 12Cu2Mgl鋁合金，當(dāng)含硅量小于12% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))，Mn+Fe的含量高于0. 8% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，即容易生成A112Si (FeMn) 3化合物，其硬度較高，機(jī)械加工時(shí)刀具磨損嚴(yán)重，加工后的表面肉眼可見鼓起的白亮色硬質(zhì)點(diǎn)，顯微觀察硬質(zhì)點(diǎn)呈骨骼狀或不規(guī)則顆粒狀，經(jīng)能譜成分測(cè)定結(jié)果，其成分組成為Al-Si-Mn-Fe，其形態(tài)極易與合金中初晶硅相混淆。有硬質(zhì)點(diǎn)化合物的零件，不僅加工性差，而且嚴(yán)重影響加工表面的粗糙度和陽極化膜的質(zhì)量。

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(qiáng)度鋁合金，能夠克服現(xiàn)有鋁合金性能的不足，降低加工表面的粗糙度，提高陽極化膜的質(zhì)量，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(qiáng)度鋁合金，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括0. 2 0.6%的Si，小于等于0. 35%的狗，小于等于0. 的Cu，小于等于0. 的 Mn，小于等于0. 的Cr，0. 45 0. 9%的Mg，小于等于0. 的Zn，小于等于0. 的Ti， 0. 9 1. 5%的La，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(qiáng)度鋁合金的制備方法，以復(fù)合處理方式加入LaH3,包括以下步驟步驟一按照所述高強(qiáng)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. 的Cr，0. 45 0.9%的Mg，小于等于0. 的Si，小于等于0. 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?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體任意比例的混合氣體對(duì)合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；同時(shí)將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0. 92 1.53% 的LaH3粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進(jìn)行攪拌，使LaH3在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應(yīng)；靜置、調(diào)溫至680 730°C，合金液出爐，沿以下兩種流程分別進(jìn)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(jī)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。本發(fā)明的有益效果是在合金中!^e和Si容易形成兩種Al-Fe-Si相，即α相和β相。α相中Si含量較低而β相中Si含量較高，且前者具有明顯的漢字外形，后者則呈長(zhǎng)針狀和盤片狀。由于合金中Mg的存在，Si優(yōu)先與Mg生成Mg2Si相，剩下的Si與!^e形成漢字狀α相(Al12Fe3Si), 是一種粗大組織，在合金中是有害的，但這種粗大組織可以被基體中存在的少量過渡元素如Mn、Ni、Cu、Cr、V、Mo、W等所細(xì)化。本發(fā)明配方中的Cu、Mn就起到了這種細(xì)化效果。但是，即使經(jīng)過這種配方優(yōu)化處理和提高合金性能的熱處理，合金還是存在很多缺陷強(qiáng)度不夠高，不能鑄造大規(guī)格型錠等。本發(fā)明通過加入LaH3解決了這些缺陷，其技術(shù)原理如下原子態(tài)的La金屬原子半徑與鋁的差異超過5%，這樣會(huì)造成晶格強(qiáng)烈的畸變，形成較大的畸變能，當(dāng)元素在鋁熔體中的飽和溶解度大，而室溫下的固溶度小時(shí)，體系凝固產(chǎn)生的晶格畸變能也大，相當(dāng)于體系在高溫狀態(tài)下的部分熱焓以晶格畸變能的形式貯存于結(jié)構(gòu)中；當(dāng)晶格畸變能在微觀結(jié)構(gòu)中均勻分布時(shí)，整個(gè)材料的宏觀性能得到提高如強(qiáng)度、延展性、抗應(yīng)力腐蝕能力等。反之，當(dāng)晶格畸變能分布不均勻，特別是集中于晶界時(shí)，強(qiáng)化相之間產(chǎn)生強(qiáng)大的應(yīng)力勢(shì)能，晶界特征代表了整個(gè)材料的特征，材料就顯示出硬脆性和易腐蝕性，在鑄造時(shí)有大的開裂傾向，晶粒粗大，在固溶淬火時(shí)既容易開裂，又降低淬透性。產(chǎn)生強(qiáng)大的晶格畸變能并使之在微觀結(jié)構(gòu)中分布均勻，是設(shè)計(jì)材料優(yōu)異性能、特別是力學(xué)性能的根本法則。在本發(fā)明中，Cu和Mg是與Al原子半徑差別大、同時(shí)又是液態(tài)易溶、固態(tài)難溶的兩種元素，它們形成的Al固溶體和一系列強(qiáng)化相，使材料具備了大的晶格畸變能，但并不能保證在液一固轉(zhuǎn)變時(shí)可以達(dá)到畸變能在微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的均勻分布， 所以造成了材料缺陷。利用高熔點(diǎn)元素在冷卻過程中首先析出成為領(lǐng)先相，同時(shí)又不易長(zhǎng)大的特點(diǎn)，使之帶領(lǐng)周圍熔體結(jié)晶析出，可以達(dá)到晶粒細(xì)化、畸變能在微觀結(jié)構(gòu)下的均勻分布。但處于單質(zhì)狀態(tài)的高熔點(diǎn)元素，在1000°C以下的鋁熔融體系中是極難溶解的；與一般活潑非金屬如0、F、C1等反應(yīng)生成的化合物，可以作為變質(zhì)劑加入鋁熔體，在與Al反應(yīng)生成極穩(wěn)定A1203、A1F3、A1C13的同時(shí)釋放出原子態(tài)高熔點(diǎn)金屬原子，但由于0、F、C1元素很強(qiáng)的電負(fù)性和很大的離子半徑，在熔體中既容易形成團(tuán)簇狀難分解的復(fù)合型化合物，與基體沒有融合性，會(huì)惡化合金性能。本發(fā)明通過比較選擇，以分解后的LaH3產(chǎn)生的原子態(tài)La金屬，沒有了單質(zhì)狀態(tài)下金屬原子間以d/f/s電子緊密結(jié)合產(chǎn)生的強(qiáng)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(shì)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(shí)的領(lǐng)先相和細(xì)晶化相，同時(shí)也是高溫強(qiáng)化相。因此，LaH3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(diǎn)金屬在鋁液中溶解難、均勻分布難的問題，實(shí)現(xiàn)了晶格畸變能的微觀均勻化分布和晶粒的細(xì)化。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 一種高強(qiáng)度鋁合金，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括0. 2%的Si，0. 35%的Fe，0. 的Cu， 0. 的 Μη，0. 的 Cr，0. 45% 的 Mg，0. 的 Ζη，0. 的 Ti，0. 9% 的 La，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(qiáng)度鋁合金的制備方法，以復(fù)合處理方式加入LaH3,包括以下步驟步驟一按照所述高強(qiáng)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. 的Cr，0. 45 0.9%的Mg，小于等于0. 的Zn，小于等于0. 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?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體任意比例的混合氣體對(duì)合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；同時(shí)將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0. 92%的LaH3 粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進(jìn)行攪拌，使LaH3在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應(yīng)；靜置、調(diào)溫至680 730°C，合金液出爐，沿以下兩種流程分別進(jìn)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(jī)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。實(shí)施例2:一種高強(qiáng)度鋁合金，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括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，1. 2% 的 La，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(qiáng)度鋁合金的制備方法，以復(fù)合處理方式加入LaH3,包括以下步驟步驟一按照所述高強(qiáng)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 Μη，0· 06% 的 Cr，0. 7% 的 Mg，0. 07% 的 Ζη，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?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體任意比例的混合氣體對(duì)合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；同時(shí)將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比1. 22%的LaH3 粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進(jìn)行攪拌，使LaH3在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應(yīng)；靜置、調(diào)溫至680 730°C，合金液出爐，沿以下兩種流程分別進(jìn)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(jī)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。實(shí)施例3 一種高強(qiáng)度鋁合金，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括0. 6 %的Si，0. 25 %的！^，0. 06 %的Cu， 0. 09% 的 Mn，0. 03% 的 Cr，0.9% 的 Mg，0. 09% 的 Zn，0. 05% 的 Ti，1. 5% 的 La，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(qiáng)度鋁合金的制備方法，以復(fù)合處理方式加入LaH3,包括以下步驟步驟一按照所述高強(qiáng)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 Μη,Ο. 03% 的 Cr，0. 9% 的 Mg，0. 09% 的 Ζη,Ο. 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?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體任意比例的混合氣體對(duì)合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；同時(shí)將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比1. 53%的LaH3 粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進(jìn)行攪拌，使LaH3在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應(yīng)；靜置、調(diào)溫至680 730°C，合金液出爐，沿以下兩種流程分別進(jìn)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(jī)系統(tǒng)，鑄造加工用錠坯，特別是鑄造
6厚度500nm以上的大型扁錠和直徑500nm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(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。
權(quán)利要求
1.一種可消解高硬度化合物的鋁合金，其特征在于以質(zhì)量百分比計(jì)，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. 的Cr，0. 45 0. 9%的Mg，小于等于0. 的Zn，小于等于0. 的Ti，0. 9 1. 5% 的La，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1所述可消解高硬度化合物的鋁合金的熔煉方法，其特征在于包括下述步驟步驟一按照所述高強(qiáng)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. 的Cu，小于等于0. 的Mn，小于等于0. 的 Cr,0. 45 0. 9%的Mg，小于等于0. 的Zn，小于等于0. 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?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體任意比例的混合氣體對(duì)合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；同時(shí)將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0. 92 1. 53%的 LaH3粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進(jìn)行攪拌，使LaH3在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應(yīng)；靜置、調(diào)溫至680 730°C，合金液出爐。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可消解高硬度化合物的鋁合金及其熔煉方法，先加熱鋁錠或熔融鋁液使之完全熔化；加入Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn和Ti，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?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體任意比例的混合氣體對(duì)合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；同時(shí)LaH3粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進(jìn)行攪拌，使LaH3在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應(yīng)；靜置、調(diào)溫至680～730℃，合金液出爐，進(jìn)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(qiáng)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(hào)C22C1/02GK102418009SQ20111042087
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:貴州華科鋁材料工程技術(shù)研究有限公司