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％， Si0.15％～ 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 0.1％～ 0.4％， RE( 混合稀土 )0.1％～ 0.3％， Si0.15 ％～ 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℃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℃时加入预热到 180 ～ 220℃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℃加入预热到 180 ～ 220℃的铝稀土合金， 迅速搅拌至混合均匀， 得到合金液 ；
(3) 待炉温降至 720 ～ 730℃时将烘干 ( 烘干后水分含量≤ 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℃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℃进行固溶处理， 保温时间 12 ～ 20h， 然后用冷却介 质为 50 ～ 100℃的水或 50 ～ 100℃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≥ 99.7wt％ ； 上述采用的纯镁， 其中镁含量 ≥ 99.95wt％ ； 上述采用的铝稀土合金为 Al-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 12wt％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％， KCl 60％～ 40％， 杂质 ≤ 12.5％ ( 杂质包括 NaCl、 CaCl2、 不溶物、 MgO、 H2O)。
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％ CO2 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℃水或温度 50 ～ 100℃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 耗。 具体实施方式
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 ％， Ti0.3％， 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≥ 99.7％ )， 镁块 ( 镁≥ 99.95％ )， K2TiF6( 含量≥ 99％ )， 铝 - 稀土中间合金 ( 铝 90％ Al， 稀土 10％ )， 铝 - 硅中间合金 ( 铝 88％ Al， 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 ： 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： Al ： 1.0％ ； Mg ： 5％， 其余元素忽略不计 ； 则：
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 ： 30×0.90 ＝ 27g ； 18.75×0.88 ＝ 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℃的纯铝和预热 到 200℃的铝硅中间合金 ； 融化后通入 75％空气 +25％ CO2+0.2％ SF6( 体积分数 ) 混合保护 气体 ； 炉温升至 690℃时加入预热到 200℃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℃加入预热到 200℃的铝稀土中间合金， 迅速搅拌至混合均匀， 得到 合金液 ；
(3) 待炉温降至 720℃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 10min， 完毕后， 再静置 5min， 在 720℃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℃进行固溶处理， 保温时间 16h， 再用冷却介质为 100℃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℃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℃时加入预热到 200℃左右的纯镁块， 搅拌直至其完全熔化 ； 730℃加入预热到 200℃左 右的铝稀土中间合金， 迅速搅拌至混合均匀， 得到合金液。
(3) 待炉温降至 730℃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℃ 时扒渣、 浇注到铸型型腔中得到铸件或铸锭。
(4) 铸件或铸锭在 435℃进行固溶处理， 保温时间 20h， 再用冷却介质为 100℃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℃时加入预热的纯镁块， 边熔化边搅拌直至其完全熔化 ； 740℃加入预 热的铝稀土中间合金， 迅速搅拌至混合均匀 ； (3) 待炉温降至 730℃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 10min， 然后静置 9min， 在 710℃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℃进行固溶处理， 保温时间 12h， 再用冷却介质为 60℃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％。 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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