一种锰羰基配合物变质的高性能铝合金材料及其制备方法.pdf

本发明公开了一种锰羰基配合物变质的高性能铝合金材料及其制备方法，其特征在于：按重量百分比计，该合金成分为Cu:4.0～5.3%，Mn:≤1.5%，Ti:≤0.35%，Si:≤1.2%，Mg:≤0.05%，Ni:≤0.1%，Zn:≤0.2%，Zr:≤0.2%，Sn≤0.01%，Pb:≤0.05%，锰羰基配合物变质剂为炉料总量的1ppm～1.5%，其余为Al和不可避免的微量杂质，且杂质元素含量为：单个≤0.05%，合计≤0.2%，本发明的铝合金具有较高的综合性能。

权利要求书一种锰羰基配合物变质的高性能铝合金材料，其特征在于：按重量百分比计，该合金成分为Cu:4.0～5.3%，Mn:≤1.5 %，Ti:≤0.35%，Si:≤1.2%，Mg:≤0.05%，Ni:≤0.1%，Zn:≤0.2%，Zr:≤0.2%，Sn≤0.01%，Pb:≤0.05%，锰羰基配合物变质剂为炉料总量的1ppm～1.5%，其余为Al和不可避免的微量杂质，且杂质元素含量为：单个≤0.05%，合计≤0.2%。
根据权利要求1所述的一种锰羰基配合物变质的高性能铝合金材料，其特征在于：上述合金成分中，Fe元素含量满足：Fe:≤1.5%。
根合据权利要求1所述的一种锰羰基配合物变质的高性能铝合金材料，其特征在于：锰羰基配合物变质剂是Mn元素与羰基形成的锰羰基化合物，即 [Mn(CO)6]X、 Y [Mn(CO)5] 或Mn2(CO)10中的一种或几种，其中[Mn(CO)6]X中的X包括F、Cl或Br，Y[Mn(CO)5]中的Y包括Na、K或H。
根据权利要求1所述的一种锰羰基配合物变质的高性能铝合金材料，其特征在于：锰羰基配合物变质剂的分子晶体聚集态颗粒度为≥50目。
一种如权利要求1～4所述的一种锰羰基配合物变质的高性能铝合金材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤： 
步骤一：在上述元素比例范围内，选定一组元素和锰羰基配合物变质剂的比例，再根据需要配制的合金总量，推算出所需的每种单质金属的质量，编制合金生产配料表，并按配料表选足备料；
步骤二：往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化并在700～750℃下保温；熔化过程在封闭环境内完成；
步骤三：再按配方比例先加入步骤一选定的合金元素，使之完全溶解和熔化，把混合熔体搅拌均匀；
步骤四：然后对上述合金熔体进行炉内精炼；往合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，熔体精炼在封闭环境中操作；
步骤五：精炼除渣后，以保护性气体对熔体进行除气作业，同时使锰羰基配合物变质剂以流态化方式随保护性气体加入到合金熔体中；同时进行搅拌，使变质剂与合金熔体充分反应；变质剂加入完毕，继续通入保护性气体至变质剂反应完毕； 
步骤六：静置、调温至700～750℃，合金液倾倒出炉，进入下一工序。
根据权利要求5所述的一种锰羰基配合物变质的高性能铝合金材料的制备方法，其特征在于：在步骤五中，保护性气体是指氮气、氩气或氮气与氩气的混合气体。

说明书一种锰羰基配合物变质的高性能铝合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金材料及其制备方法，特别涉及一种锰羰基配合物变质的高性能铝合金材料。
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。
从制造业和铝合金制品的角度，习惯上把高强度铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类；从制品可用的温度条件划分，高强度铝合金又分为普通铝合金和高温(或耐热)铝合金。到目前为止，能够满足高温高强需要的，只有Al‑Cu系铝合金，从牌号系列上讲，Al‑Cu系合金包括铸造铝合金和变形铝合金，而不论铸造还是变形，都属于2系铝合金；而能够同时满足铸造性能好又容易进行变形加工的高温高强度铝合金，还没有见公开报道过。
一般铸造铝合金包括AlSi系、AlCu系、AlMg系和AlZn系4个系列，其中以AlCu系和AlZn系铝合金的强度最高，但多数在200Mpa～300Mpa之间，高于400Mpa的只有AlCu系的少数几个牌号，但因采用精铝基体且加入贵重元素，制造成本很高；AlZn系铸造合金的耐热性能很差。
众所周知，铁在铸造铝合金中是一种主要的有害杂质，其有害作用在于它在合金中形成对基体有破坏作用的显微组织，所以对它的含量一般予以限定。铁在Al中的溶解度极小，在液态凝固过程中Fe比富Al的α(Al)固溶体先结晶，以针状或片状脆性β(Al9Si2Fe2)相等初晶化合物形式存在，针状或片状脆性β(Al9Si2Fe2)相随着含铁量的增加而张长，起到了割裂基体、提高应力集中源的作用，严重低降低了铝合金的力学性能。
由于粗大针状或片状β(Al9Si2Fe2)相是金属液体凝固过程中的领先形成相，阻碍了液体、金属在补缩通道的流动，会造成热节部位疏松的增加，对Al‑Si系铝合金的影响，随着含铁量的增加造成力学性能的下降是明显的。
常见的是在铸造铝合金中添加少量的Mn，可使针状或片状脆性β(Al9Si2Fe2)相转化为骨骼状的AlMnFeSi相，从而减轻杂质Fe的有害影响，有资料认为Mn/Fe比值在0.7～0.8时效果最好，在Al‑Cu合金中当Mn的含量达到或大于1％时，由于组织中的不溶的初生T(Al12CuMn2)相的增多和尺寸的增大，使铝合金的脆性增加，室温的强度降低。所以研发一种新型的变质剂，可以减轻或消除Fe的有害影响，并且能对合金起细化作用具有重大意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对目前铝合金的Fe的危害及其目前变质剂变质效果不佳的问题，本发明以锰羰基配合物为高效变质剂，以流态化方式随保护性气体加入到合金熔体中，通过与铝合金熔体发生化学反应或高温分解而释放出原子或离子状态的变质元素Mn，同时产生CO‑自由基，可吸收和去除熔体中H和O等有害杂质元素，达到高效、均匀变质和净化熔体的目的，实现基体和金属化合物相的晶粒细化。
本发明的技术方案是，按重量百分比计，该合金成分为Cu：4.0～5.3％，Mn：≤1.5％，Ti：≤0.35％，Si：≤1.2％，Mg：≤0.05％，Ni：≤0.1％，Zn：≤0.2％，Zr：≤0.2％，Sn≤0.01％，Pb：≤0.05％，锰羰基配合物变质剂为炉料总量的1ppm～1.5％，其余为Al和不可避免的微量杂质，且杂质元素含量为：单个≤0.05％，合计≤0.2％。
本发明的一种锰羰基配合物变质的高性能铝合金材料，上述合金成分中，Fe元素含量满足：Fe：≤1.5％。
本发明的一种锰羰基配合物变质的高性能铝合金材料，锰羰基配合物变质剂是Mn元素与羰基形成的锰羰基化合物，即[Mn(CO)6]X、Y[Mn(CO)5]或Mn2(CO)10中的一种或几种，其中[Mn(CO)6]X中的X包括F、Cl或Br，Y[Mn(CO)5]中的Y包括Na、K或H。
本发明的一种锰羰基配合物变质的高性能铝合金材料，锰羰基配合物变质剂的分子晶体聚集态颗粒度为≥50目。
本发明的一种锰羰基配合物变质的高性能铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：在上述元素比例范围内，选定一组元素和锰羰基配合物变质剂的比例，再根据需要配制的合金总量，推算出所需的每种单质金属的质量，编制合金生产配料表，并按配料表选足备料；
步骤二：往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化并在700～750℃下保温；熔化过程在封闭环境内完成；
步骤三：再按配方比例先加入步骤一选定的合金元素，使之完全溶解和熔化，把混合熔体搅拌均匀；
步骤四：然后对上述合金熔体进行炉内精炼；往合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，熔体精炼在封闭环境中操作；
步骤五：精炼除渣后，以保护性气体对熔体进行除气作业，同时使锰羰基配合物变质剂以流态化方式随保护性气体加入到合金熔体中；同时进行搅拌，使变质剂与合金熔体充分反应；变质剂加入完毕，继续通入保护性气体至变质剂反应完毕。
步骤六：静置、调温至700～750℃，合金液倾倒出炉，进入下一工序。
本发明的一种锰羰基配合物变质的高性能铝合金材料的制备方法，在步骤五中，保护性气体是指氮气、氩气或氮气与氩气的混合气体。
本发明具有以下优点：
(1)由于锰羰基配合物在铝熔体的高温状态下，迅速分解出金属Mn原子，Mn原子，可以完全打破由杂质Fe形成的针状或片状脆性β(Al9Si2Fe2)相，更有效低从降低了杂质Fe的有害影响，细化晶相；同样在Al‑Cu中，原子态的Mn不易与Al和Cu形成不溶的初生相(Al12CuMn2)相，而是细化晶相，避免由此产生的铝合金的脆性增加，室温的强度降低，使Mn的加入量不局限于小于1％，使本发明的铝合金的性能提高。
(2)锰羰基配合物在高温分解释放出原子态的合金化元素Mn和羰基自由基CO‑，具有微观皮米级(pm)的种子作用范围，达到在加入纯金属或中间合金时无法达到的微细结构状态和纳米级(nm)聚集态，从而改善合金的力学性能和耐腐蚀性能。
(3)本发明采用锰羰基配合物粉状变质剂加入到铝熔体中，与铝熔体发生化学反应而分解出有效变质元素Mn和强吸附H、O的活泼羰基自由基CO‑，而羰基自由基CO‑在高温下以气态形式与扰动的铝熔体充分接触，便于捕获熔体中溶解的大量H、O等有害元素，生成的CO2或有机化合物以气态形式离开熔体排向烟气收集系统，从而使熔体得到净化。
具体实施方式
步骤一：按下表选定每元素和物质配方，并按配制的合金总量1000kg，推算出所需的每种物质的重量。


步骤二：先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化并在700～750℃下保温；熔化过程在封闭环境内完成；
步骤三：再按配方比例先加入步骤一选定的合金元素，使之完全溶解和熔化，把混合熔体搅拌均匀；
步骤四：然后对上述合金熔体进行炉内精炼；往合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均匀，熔体精炼在封闭环境中操作；
步骤五：精炼除渣后，以保护性气体对熔体进行除气作业，同时使锰羰基配合物变质剂(80目)以流态化方式随保护性气体氮气加入到合金熔体中；同时进行搅拌，使变质剂与合金熔体充分反应；变质剂加入完毕，继续通入保护性气体至变质剂反应完毕。
步骤六：静置、调温至700～750℃，合金液倾倒出炉，进入下一工序。
注：除步骤一中使用的物质、各物质的比例及实际配入的重量不同外，各实施例的其余步骤均完全一样。