铸造铝铜合金材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种铸造铝铜合金，该铝铜合金比较适合应用于高强度高韧性的场合，本发明还公开了该铸造铝铜合金的制备方法和在轴向柱塞泵壳体中的应用。

背景技术：

轴向液压柱塞泵是各类工程机械，如行走或移动机械的关键核心器件，直接影响着主机平台的性能、功能、能耗、制造成本以及商业竞争力等各项关键性技术指标。轻量化、高压化、大流量是液压柱塞泵发展的永恒主题。铸铁、钢是目前柱塞泵壳体的主要用材，存在着重量大、不耐腐蚀等缺点，导致设备制造能耗大、维护成本高，不经济和社会效益低下等缺点。采用铝合金替代铸铁、钢制造高压柱塞泵壳体是柱塞泵轻量化发展的主题及方向，并可克服铸铁、钢泵壳体的缺点与不足。

高压大流量斜盘式轴向柱塞泵壳体是采用qt450-10球铁材料铸造成型。为此，采用铝合金替代可解决轻量化问题，但同时必须解决铸造成型问题以及承载刚强度问题，方可解决泵壳体替代技术难题。

现有各类铸造铝合金普遍存在强度不高的事实，难以达到qt450-10球铁材料的高强度量级以及高韧性要求，即承载强度达到450mpa以上，断后伸长率达到10％。采用zl205a高强度铸造铝合金，承载强度可以达到强度量级，但断后伸长率低约4％，韧性显得严重不足。还因zl205a高强度铸造铝合金存在铸造性能差、尤其热裂倾向严重，满足不了成品率要求，仅仅适用于砂型铸造工艺。难以满足金属型铸造工艺要求。砂型铸造工艺存在着挥发性有机溶剂气体、粉尘，一型一件，质量稳定性难以保证，严重的制约现代工程大批量泵壳体的生产要求。而采用金属模铸造工艺，能够满足环保要求以及尺寸精度、高品质一致性的现代化工程大批量生产要求，是现代高压泵壳体发展的重要要求。

专利号为zlcn201410417136.2的中国发明专利为《一种高强铝合金及其制备方法》(授权公告号cn104195391b)，该专利公开了一种高强度铝合金材料，其抗拉强度高达700mpa，显然，拉伸强度量级远高于450mpa，满足泵壳体的强度要求，但其制造方法是采用固态模压成形，难以满足复杂泵壳体的铸造成型的技术要求。

申请号为cn201610196580.5的中国发明专利申请公开《一种高强韧铸造铝合金及其制备方法》(申请公布号cn105803272a)，该文献公布的一种高强铸造铝合金材料是属于铝硅系合金，具有铸造性能好、热裂倾向小可以满足铸造复杂泵壳体的成型要求，但其拉伸强度低，如340～379mpa，断后伸长率更低，满足不了泵壳体的承载高强度要求。

显然，采用铸造铝铜合金，再进行合金化、微合金化，即成分配方的创造性突破以及工艺技术的保证是实现高压铸造成型、高强高韧性以及轻量化的重要技术方法及途径势在必行。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种能替代qt450-10球铁材料的铸造铝铜合金材料。

本发明所要解决的又一个技术问题是提供一种高强度、高韧性铸造铝铜合金材料。

本发明所要解决的又一个技术问题是提供一种高强度、高韧性铸造铝铜合金材料的制备方法。

本发明所要解决的又一个技术问题是提供一种高强度、高韧性铸造铝铜合金材料在轴向柱塞泵壳体中的应用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种铸造铝铜合金材料，其特征在于该材料包括如下组分及重量百分比：

cu：4.70％～5.80％；

mn：0.50％～0.70％；

mg：0.20％～0.40％；

ti：0.15％～0.35％；

zr：0.30％～0.60％；

sc：0.15％～0.30％；

fe+si≯0.30％；

na+k≯0.02％；

余量为al及不可避免的杂质。

在本发明中，cu是主加合金元素，与al构成本发明合金的基础体系。cu在铝中具有固溶强化和时效析出强化的作用，并随铜含量的提高，其强化作用越大，能够提高铝合金的力学性能，特别是对常温强度的提高作用极大。但cu含量太高会使铝合金变脆，耐腐蚀性能恶化；cu含量太低强化不足，满足不了高承载强度要求。综合优化cu含量应控制在4.70％～5.80％，其强化效果最大。但在此成分范围内二元铝铜合金，凝固时热裂倾向最大，形成的α枝晶组织粗大，收缩率大，强度极低易受阻开裂，产生热裂问题，严重的将导致铸件报废。显然，解决高承载强度、高韧性以及低热裂倾向的技术功效，仅仅依靠cu的单一作用是不够的。

在本发明中，mn元素能显著提高室温和高温力学性能，同时能够改善铸造成型性能。部分mn呈过饱和状态固溶在α铝中，对提高α相强度有利，抗热裂作用有利；部分mn形成不溶的t(cu2mn3al20)相化合物，增加共晶组织，对抗热裂作用也有利；部分mn综合掉有害元素fe、si，形成化合物在熔炼时沉降到炉底，或在铸件中可改变形成相形态，由针状相转变成汉字状有利于韧性提高。显然，mn量不宜太高，否则t相增多，晶粒尺寸也会增大，使合金变脆，还易引起mn偏析，造成合金力学性能降低。综合考虑多元素的共同作用以及对室温强度的贡献，mn含量控制在0.50％～0.70％内。

在本发明中，mg是对合金化贡献率较大的合金元素，能够固溶到α铝中具有固溶强化作用，能够提高α相的强度，对降低热裂倾向有利；同时在时效处理时能形成s(al2cumg)相，提高强度与耐腐蚀性比θ(al2cu)相作用大。通过加mg也可以减少加cu量，对提高力学性能、抗热裂以及耐腐蚀性能有利，但镁量不能太高，否则与高铜量冲突，会增加熔炼难度以及恶化力学性能。综合后mg量控制在0.20％～0.40％为益。

在本发明中，ti可使α铝得到显著细化，避免出现粗大的α铝枝晶，对抗热裂倾向有利；并使θ(al2cu)和不可避免出现t(cu2mn3al20)相在热处理时能更充分溶解，分布更均匀，提高强化效果。钛含量不能过低也不能过高，过高易在熔炼时偏聚在坩埚底部，造成粗大tial3浇注到铸件中会恶化力学性能。但在本合金配方中因引入sc元素，sc元素可与ti形成al3(ti,sc)化合物更有利于为α铝的非自发形核核心，对α铝的细化作用更强大。故此，钛的加入可为0.15％～0.35％。

在本发明中，zr不仅使α铝得到显著细化，对实现无枝晶的等轴晶组织贡献大；同时能对低熔点杂质起到清理作用，如能与氢、钾、钠反应形成稳定性化合物，如zrh等避免其有害作用，对抗热裂倾向以及避免针孔、疏松有利；在本合金配方中因引入sc元素，sc元素可与zr形成al3(zr,sc)化合物更有利于为α铝的非自发形核核心，对α铝的细化作用更强大。故此，加高zr可为0.30％～0.60％。

在本发明中，sc元素不仅可以改变合金基体α-al相尺寸和形态，使之细小，球化、分布均匀，同时可有效去除合金中含铁相。sc与al、ti、zr元素形成al3sc，al3(zr,sc)，al3(ti,sc)，作为α铝的异质形核核心，细化作用比单一元素作用效果强大，也避免加入单一元素易造成偏析、积聚，不能有效细化α铝的缺点与不足。sc的变质、细化作用比ti、zr的作用大，但sc稀缺。为此，进行匹配性设计，同时加入sc、ti、zr元素，可在降低sc含量的同时达到最大化细化晶粒的效果。综合分析sc的加入量控制在0.15％～0.30％为宜。

在本发明中，单独依靠铜的单一强化作用难以达到高强度高韧性的技术性能效果，必须通过加入mn、mg的复合强化作用。这样可以将铜量加低限，避免铸造时产生过多θ(al2cu)相及偏析组织，同时mn、mg的固溶强化作用对α铝的强度提高有利于凝固时抗热裂性能的提高，是对单一用铜强化作用不足的补充与提高。α铝的形成温度高，是先析出相，易形成粗大枝晶组织，在整个凝固期间，一旦枝晶组织相连，即发生固相收缩，一方面α铝受阻收缩会发生热裂，枝晶间被割裂的液相即或是低熔点液相不能及时有效的补缩，即强度理论，α铝的强度不够会造成热裂，造成铸件报废，这是加mn、mg的作用之一；另一方面粗大枝晶组织将凝固过程割裂成无数个互不相通小微区，即液膜理论，结果枝晶组织越发达，小微区越多，铸件组织疏松越严重，热裂也越易产生，铸件的力学性能越低下，甚至不能使用而报废。为此，必须将铸件组织中α铝控制成无枝晶组织，即形成等轴晶组织，推迟液膜的形成时间及减小液相微区，以及避免过早形成固相骨架，方可解决热裂问题以及力学性能提高问题。本发明中所添加的sc、ti、zr三元复合高效变质、细化剂就是基于上述技术理论的研究，进行科学性设计与大量试验设计而获得。

在本发明中fe、si也是不可避免的有害杂质，限制fe+si≯0.30％，过低会增加炉料成本，太高会恶化力学性能，同时通过加mn来综合fe、si的有害作用。炉料中na、k也是不可避免的有害杂质，过量也会对合金力学性能降低大，因此，限制na+k≯0.02％，也是考虑炉料成本问题，同时通过加高zr也是考虑综合na、k的有害作用。

作为最佳，该材料包括如下组分及重量百分比：

cu：5％；

mn：0.6％；

mg：0.20％；

ti：0.15％；

zr：0.40％；

sc：0.20％。

一种铸造铝铜合金材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

选材，采用高纯铝、高纯镁、al-50cu、al-10mn、al-10ti、al-10zr、al-2sc中间合金的炉料形式；所有炉料均需进行表面清理，应无尘土、油污；均需在温度约150℃烘烤1～2小时；

熔炼，采用中频感应炉熔炼；精确配料，将高纯铝炉料在700～720℃熔化，然后依次加入铝铜、铝锰、铝钪、铝钛及铝锆中间合金的炉料，控制熔体温度不高于780℃；待全部合金熔化后，加入精炼剂，对熔体精炼处理，扒渣后熔体静置10～15分钟；然后用钟罩压入高纯镁，搅熔等待5～7分钟，使其成分均匀；

浇注，控制熔体温度，当温度达到720～750℃时，浇注到树脂砂型内，或预热过的金属模内，待凝固后取出；

固溶处理，温度530℃±5℃，保温时间13h～16h，然后在温度65～70℃水中进行淬火冷却；随后进行时效处理，在鼓风烘干箱中温度165℃～175℃保温时间10h～15h，取出后空冷。

作为优选，所述的精炼剂为hgj-1a(上海虹光溶剂厂生产，hgj-1a为虹光溶剂汉语拼音字头缩写，1号溶剂a型)，添加量作为优选，为0.750kg～1.00kg/100kg炉料。

所述的固溶处理在立式电阻炉中进行。

铸造铝铜合金材料在壳体中的应用，尤其在轴向柱塞泵壳体中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用本发明铝合金材料可以实现替代qt450-10球铁材料，制造泵壳体，实现轻量化、铸造成型与承载强度要求，解决了无铸造高强度铝材可用难题；本发明中高强度、高韧性铸造铝合金材料克服了现有zl205铸造铝合金力学性能不足、成品率低下问题以及不适应金属模铸造批产要求，其拉伸强度、断后伸长率更高，抗热裂倾向小，即适用于砂型铸造，也适用于金属模铸造。采用本发明铝合金材料，可以实现完全等轴晶组织，对于克服热裂倾向问题极其有益。尤其适合于高压(≥35mpa)大流量(≥190ml/r)斜盘式轴向柱塞泵壳体中的应用。

附图说明

图1为实施例1的铸造高压大流量斜盘式轴向柱塞泵壳体结构示意图。

图2为实施例1的铸造砂型样结构示意图。

图3为实施例1的铸造金属模样结构示意图。

图4为实施例1的砂型铸造金相组织。

图5为实施例1的金属模铸造金相组织。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：本实施例中的高强度、高韧性铸造铝合金材料包括下述重量百分比例组成：cu：5.00％；mn：0.60％；mg：0.20％；ti：0.15％；zr：0.40％；sc：0.20；余量为al及不可避免的杂质。其熔炼铸造方法技术特点在于：

采用纯铝、纯镁、al-50cu、al-10mn、al-10ti、al-10zr、al-2sc中间合金的炉料形式。

所有炉料均进行表面清理，应无尘土、油污；均在温度约150℃烘烤1～2小时；采用中频感应炉熔炼。

先将纯铝炉料在700～720℃熔化，然后依次加入铝铜、铝锰、铝钪、铝钛及铝锆中间合金的炉料，控制熔体温度不高于780℃；待全部合金熔化后，加入hgj-1a精炼剂(上海虹光溶剂厂生产，hgj-1a为虹光溶剂汉语拼音字头缩写，1号溶剂a型)0.750kg～1.00kg/100kg炉料，对熔体精炼处理，扒渣后熔体静置10～15分钟；然后用钟罩压入纯镁，缓慢搅熔等待5～7分钟，使其成分均匀；控制熔体温度，当温度达到720～750℃时，浇注到预热过的树脂砂型内，以及金属模具内，待凝固后取出；在立式电阻炉中固溶处理：温度530℃±5℃，保温时间13h～16h，然后在温度65～70℃水中进行淬火冷却；随后进行时效处理，在鼓风烘干箱中温度170℃±5℃保温时间10h～15h，取出后空冷。

图1为实施例1的铸造高压大流量斜盘式轴向柱塞泵壳体，可以砂模铸造，也可金属模铸造。内型腔砂芯采用热芯盒树脂砂芯，外模可采用两半型砂模与局部砂芯组合模铸造成型或金属模组合型铸造成型，内型腔砂芯和外模均未示出。

图2为实施例1的铸造砂型样，试样直径12mm，长度180mm，一型4件。1为浇口系统；2为冒口；3为样件。

图3为实施例1的铸造金属模样；试样直径12mm，长度173mm。一型2件。1为冒口；2为浇口系统；3为样件。并在结构设计上考虑热裂问题，热裂观察区为a区及b区，即通过a区及b区的尖角来观察热裂纹。

图4为实施例1的砂型铸造金相组织，少无枝晶组织，即完全等轴晶组织，晶粒尺寸均值在76微米，晶粒度约5级；

图5为实施例1的金属模铸造金相组织，少无枝晶组织，即完全等轴晶组织，晶粒尺寸均值在50微米，晶粒度约6级。

本实施例中的获得的材料应用于高压(≥35mpa)、大流量(≥190ml/r)、工作温度45℃～55℃，实际温度在50℃～70℃的斜盘式轴向变量柱塞泵上，进行耐久性24h强度与密封性实验，满足泵效率≥92％的变量特性要求以及可靠性要求，运行中无异常噪声、无漏油与渗油问题。

实施例2：本实施例中的cu：5.80％；mn：0.50％；mg：0.30％；ti：0.35％；zr：0.30％；sc：0.15％；余量为al及不可避免的杂质。其余步骤同实施例1。

实施例3：本实施例中的铸造铝合金材料包括下述重量百分比例组成：cu：4.70％；mn：0.70％；mg：0.40％；ti：0.25％；zr：0.60％；sc：0.30％；余量为al及不可避免的杂质。其余步骤同实施例1。

表1实施例1、实施例2及实施例3的力学性能及热裂问题