一种替代qt500织机泵连接座的铝合金材料及其离心铸造方法
【专利摘要】本发明公开一种替代QT500织机泵连接座的铝合金材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比计：锰Mn:≤2%，镉Cd:0.05%～0.5%，铜Cu:4.2%～8.0%且Cu≥0.8Mn+4.05%，锂Li：0.5%～0.8%；路易斯酸碱对总量1%×10?2～2.0%，使合金平均晶粒度＜120微米，余量为铝Al。
【专利说明】
一种替代QT500织机泵连接座的铝合金材料及其离心铸造 方法
技术领域
[00011本发明涉及一种替代QT500织机栗连接座的铝合金材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 球墨铸铁(简称球铁)是钢铁产业中的主要基础材料之一，被广泛而大量地用于制 造受力复杂，强度、韧性、耐磨性等要求较高的零件，如通用机械、起重、农业、汽车、铸造、纺 织、机床、电力、石化、船舶零件等，主要形态和类型为液压壳体、栗体、管道、阀体、缸体、轮 毂、轴件、球连接、传动件、悬挂件、钩扣件、导流件、转向件等； 球铁之所以用途广泛，还在于它有着细分的标准牌号，每种牌号规定了较为严格精确 的化学成分组合、热处理规范参数、力学性能和物理指标等，从而对应着细分应用品类。见 表1。
[0003] 表1 GB/T 1348确定的球墨铸铁牌号对应的力学性能及组织
球铁的这种机械性能指标及其分类标准，可以作为铝合金材料创新设计、提高性能的 对标基础，同时可以作为"以铝代钢"的比较通道，即：如果铝合金可以替代某牌号球铁，则 进一步替代与此牌号性能接近的钢材，就足以在产业界引领一种潮流或时尚。
[0004] 从自然特性和经验积累的角度来看，铝及铝合金较球铁具有多种优点： ①铝材料具有极好的低温性能，其力学性能随温度降低而提高，在寒冷季节和低温环 境作为结构材料具有独特优势，而球铁则随温度降低逐渐发生由韧性向脆性的转变，尤其 在脆性转变温度以下，其冲击值急剧下降，甚至发生"低温脆断"。
[0005] ②铝及铝合金比强度高，具有良好的断裂韧性，而球铁随屈服强度提高而延伸率 下降，对应力集中的敏感性明显增加，表现为屈服以后变形量较小即断裂，这种"疲劳脆断" 本性往往是重大工程结构无征兆突然整体崩溃式破坏的潜在硬伤，是许多重大恶性事故的 罪魁祸首。
[0006] ③由于铝及铝合金较球铁和钢材的热容大和导热性好，故其防火、防爆、预警性更 好。
[0007] ④铝及铝合金本身的抗氧化腐蚀性远远高于钢铁且更适宜于进行高技术表面防 腐和装饰一体化处理。
[0008] ⑤铝材料合金化和热处理工艺较球铁简单，铝的合金化温度一般低于750°C，热处 理温度在150~600°C之间，按作用划分也只有固溶、时效、均匀化退火几种简单工艺，而球 铁的合金化温度超过1400°C，热处理温度则在500~1000°C，按作用划分为消应力退火、高 温石墨化退火、正火、淬火及回火、多温淬火、表面淬火、化学热处理等一系列复杂工艺，不 但过程复杂、装备技术要求高，而且消耗和排放也是铝材料几倍乃至十多倍。
[0009] ⑥从机械(压力)加工工艺和装备来比较，铝材料可以很容易地采用铸、乳、挤、锻、 锯、铣、焊、冲压等工艺，而球铁不能挤压加工，其它的加工方法也需要采用比铝材料的规格 和功率大得多的加工设备和工装，到成品件的制作过程，几乎每一道工序环节球铁和钢材 都要消耗比铝材料更高的功率。
[0010] ⑦沿着零部件应用的整个寿命周期，球铁因其惯性大、笨重、易腐蚀、易脆断等缺 陷，其物耗、能耗和维护成本远远高于铝材料，其循环利用的价值也远低于铝材料。
[0011]前述这些钢材欠缺而铝材料独具的优异品质，为"以铝代钢"的显著进步性提供了 人类社会文明进步追求的现实基础。
[0012]在"以铝代钢"的技术升级中，为了充分发挥铝合金以"轻"为代表的系列优越特 性，必须先使其在"强"的方面有长足发展，同时不能有不可接受的制造成本增量，才能大大 拓展其使用领域。这就要求必须在铝合金新材料设计上首先取得突破。
[0013]从材料制备的方法审视，由于材料特征是由承载着该特征的功能性微观物相组合 贡献出来的，因此获得良好的功能性物相组合，例如高强度、高熔点、高塑性、高硬度、耐腐 蚀等，是各种制备方法追求的最终结果，从而，铝合金的化学成分设计与其制备技术存在着 紧密的内在统一性，这种统一性，简言之，是一种原子如何结合成所需的"物相分子"的关 系，即材料的物相可以看成是一种分子结构。配方元素的混合熔炼和铸造结晶，是熔铸法形 成材料物相分子组合结构的主要决定性环节，在熔铸过程中，固溶体晶粒和晶界的金属间 化合物分子物相决定了合金的晶态组合(亚微米级颗粒:尺度10~300μπι左右），后续热处理 或者冷作硬化则是对晶态组合框架下微细结构(微米级颗粒:尺度1~30ym左右)乃至更加 微观的精微结构(亚纳米级或次微米级质点:尺度1 〇nm~< 1 μπι)进行调整和完善，这种调整 和完善的程度和范围，在公知技术和传统观念中，认为主要由合金化学成分所处的合金相 图区域给定的物相组合决定，但是，合金相图没有给出其它微量元素的添加和排除产生的 影响，更不具备预测添加和排除其它微量元素对物相影响的指导性。借鉴合金溶液化学的 理论和方法改善熔体结构，比如保护膜的覆盖，造渣剂、精炼剂或变质剂的添加，除气除渣 净化等，是改善合金晶态组合、微细结构乃至更加微观的精微结构的重要技术手段，但这些 手段，由于是从制备合金的过程中摸索积累得来，因此常常被看作为"制备工艺"而不是"成 分设计"的一部分。
[0014] 在工程应用上，铝合金固溶体晶粒的大小和状态，以及分布在晶界的金属间化合 物的大小形态，对合金的力学性能有着决定性的影响。粗大的平面晶、树枝晶、柱状晶等不 规则晶体和分布在晶界的粗大的脆硬性金属间化合物，能够把合金好的微细结构和精微结 构对基体的强韧性贡献全部抵消掉，因为这些粗大晶粒遵从的成长规律是缘于铸造型腔的 型壁生核、自外向液体内部单向延伸的生长方式，造成了合金的成分偏析、结晶粗大单向、 宏观性能不均匀的缺陷，从而成为合金的一些常见缺陷，如针孔、气孔、缩孔、缩松、偏析、粗 大固溶体、高硬度化合物、裂纹等的根源。目前采用的常规变质手段和细化晶粒的手段，如 添加铝钛硼或铝钛碳中间合金，最好的效果只能使平均晶粒度细化到120~150微米，而枝 晶的形态往往没有根本的转变，这是合金力学性能提高的一个重要瓶颈问题。因为对铝合 金来说，获得强度和韧性同时提高的途径，只有晶粒的细化和圆整化;热处理工艺的调整， 在晶态结构已经确定的状态下，只能使强度或韧性一个方面获得优化。因此，如何进一步细 化和圆整合金的平均晶粒度，是产业界始终追求的目标。
[0015] 从材料设计角度看，211Z材料也存在一些难以克服的问题。微观分析发现，有一些 大颗粒有很高的钛Ti和稀土浓度，作为用来促使晶粒细化的物质，这种现象表明Ti和稀土 走向了需要解决问题的对立面;而在211Z合金铸件的生产过程中，也发生着与普通铝合金 一样常见的缺陷，包括针孔、气孔、缩孔、缩松、偏析、粗大固溶体、高硬度化合物、夹杂(渣）、 冷隔、冷豆、裂纹、变质缺陷、固溶不足和过烧等。
[0016] 这些缺陷，主要原因仍然要从合金本身的化学成分及其形成的微观物相结构入手 来研究，尤其是对物相分子组合结构的形成机理进行深入研究，才能认清本质，进而找到解 决问题、消除缺陷的有效途径。
[0017] 通过对铝铜锰系(Al-Cu-Mn)合金最高达0.08nm的极高分辨率的球差校正扫描透 射电子显微镜(STEM)精微选区分析，获得了建立在原子尺度上的各种物相结构、原子分辨 和化学元素分布。证实其中存在一系列强化相，包括众所周知的Al-Cu二元亚稳相(GP区、 θ"、θ〇、新的盘片相和平衡相0(A12Cu);其中在基体晶粒内部，新发现一种棒叉状(Τ+ΘΗ)组 合相，该组合相的主干部分T相是Al-Cu-Mn三元相，分子结构式Al2〇Cu2Mn3，分子物相特征是 直径约100nm、长度约600~lOOOnm呈棒轴状且其(010)面与铝合金基体的{010}面共格;而T 相周围附着生长了尺寸较大(厚度约20nm、长约50nm)的Al-Cu二元次生相，由于该次生相与 基体中其它Al-Cu亚稳相(GP区、θ"、θ'或者其它盘片相）比较，在结构上有很大差别，特别是 厚度比其它Al-Cu亚稳相厚得多，因此本发明称之为ΘΗ相，其分子结构式AlxCu(x可能小于 2)，是一种富Cu分子。
[0018] 根据合金强化理论，合金的强度是材料中界面或位错滑移受到质点的阻碍而产生 的，阻碍越强，材料的强度也越大。而质点阻碍行为与材料中界面或位错滑移相互作用的结 果，有两种:一种是当质点本身强硬度不够高时，位错将切过质点继续滑移，另一种是质点 强度很高，位错无法切过，则只能绕过质点而继续滑移，而在质点周围留下一圈位错环。
[0019] 两种结果对材料强度贡献的大小是显而易见的:绕过质点比切过质点对材料强度 的贡献大;切过质点能够提供材料较好的延伸率，而绕过质点由于位错环的增强作用，将提 供材料更高的屈服强度和抗拉强度。
[0020] 在关于铝铜锰系(Al-Cu-Mn)合金的传统观念中，由于从来都认为Al-Cu二元相是 合金强化的主要因素，因此，材料研究和设计关注的重点，就是使Al-Cu二元相各亚稳态实 现在合金中的最佳组合。虽然也发现有T三元相，但都不认为T相对合金强度的贡献能够与 Al-Cu二元各亚稳相的组合相比，而且认为Τ相容易在晶界聚集形成粗大脆性相，因此要严 格控制其数量。
[0021] GP区、θ"、θ'或者其它盘片状的二元Al-Cu亚稳相对合金强度的贡献特点属于位错 切过质点方式，其特点是盘片长得越大，切过越困难，因此对强度的贡献也越大，但是，当盘 片大到一定程度(直径超过150nm而厚度只有1~3nm)，其晶格点阵与基体晶格点阵的失配 度过高，就不再能与基体保持完全共格，而逐渐显出脆性相的特征。因此，既要保持共格又 有最大的失配应力场以发挥最大阻碍位错滑移能力，二元Al-Cu各亚稳相质点有一个最佳 组合的问题，同时也需要它对基体的延伸率保持较大的贡献，这是以前乃至今后材料设计 始终要考虑的主要问题之一。
[0022] 如前所述，传统用球铁(QT500 )制作的织机栗连接座，在实际制造、使用过程中存 在以下缺陷： ①因球铁延伸率较低，对应力集中的敏感性明显增加，表现为屈服以后变形 量较小易断裂，造成事故。
[0023]②球铁热处理工艺过程复杂、装备技术要求高，而且消耗和排放也很大。
[0024] ③沿着零部件应用的整个寿命周期，球铁因其惯性大、笨重、易腐蚀、易脆断等缺 陷，其物耗、能耗和维护成本很高于，其循环利用的价值较低。
[0025] 铝合金制作织机栗连接座在国内未见相关研究，因为普通铝合金基础材料的局限 性，其力学性能较低，尤其是高温耐热性能，承受的温度小于300°C，严重影响了织机栗连接 座的寿命，甚至增加了安全风险。
【发明内容】
[0026]本发明要解决的技术问题是:提供一种替代QT500织机栗连接座的铝合金材料及 其制备方法，其中添加路易斯酸碱对，以有效催生临界晶核(得到等轴晶），使合金在凝固之 前获得最佳的分子物相组合结构（（Τ+ΘΗ)组合相），促使合金晶态优化，使铝合金基材实现 500MPa及更高的强度等级，从而达到生产替代QT500织机栗连接座的铝合金制品。
[0027]本发明的技术方案是:一种替代QT500织机栗连接座的铝合金材料，主成分含量按 重量百分比计：锰Μη:彡2%，镉Cd: 0 · 05%~0 · 5%，铜Cu: 4 · 2%~8 · 0%且Cu彡0 · 8Mn+4 · 05%，锂 Li : 0.5%~0.8%;路易斯酸碱对总量1% X 10_2~2.0%，使合金平均晶粒度< 120微米，余量为 错A1 〇
[0028]合金晶粒为等轴晶。
[0029]合金晶粒内亚纳米(Τ+ΘΗ)组合相数量达到彡2-3个/平方微米。
[0030] 所述路易斯酸碱对为金属与配体结合而成的正、负离子体中的一种，或者一种以 上混合。
[0031] 所述的金属与配体结合而成的正离子体、负离子体:包括四氰合镉负离子体[Cd (CN)4]2-。
[0032] 所述路易斯酸碱对，按元素添加量占 A1基体重量百分比，范围为:Cr<0.7%，Mo< 0.3%，[Cd(CN)4]2-<0.02%。
[0033] 一种替代QT500织机栗连接座的铝合金材料的制备方法，包含以下步骤： (1) 在前述路易斯酸碱对、元素比例范围内，选定一组物质组合，确定重量比，根据需要 配制的合金总量，推算出所需的每种物料的重量； (2) 往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热并在700 °C以上保温； (3) 加入猛Μη、镉Cd、铜Cu、锂Li，搅拌，加入选定的路易斯酸碱对，或者加入选定的路易 斯酸碱对组合，搅拌均匀； (4) 然后对上述合金熔体进行炉内精炼； (5) 精炼后除渣、静置、取样分析合金化学成分，根据分析结果调整化学成分至规定的 偏差范围内；调温至650 °C以上，合金液出炉，在线除气、除渣； (6) 铸造:采用离心铸造浇注。
[0034] 所述离心铸造浇注，步骤如下： (1) 熔体从保温炉转入浇包； (2) 将铸型预热到适宜温度； (3) 开启驱动电机，带动带轮和轮轴旋转，进而带动安装在轴上的铸型旋转； (4) 调整铸型转速在50~1500r/min，倾转浇包使熔体沿着浇注槽流入浇注系统，通过 浇注系统流入铸型，在铸型旋转离心力作用下充满铸型型腔； (5) 熔体完全凝固后，停止旋转，开模取件。
[0035] (6)开模取出产品，自然冷却，清理砂芯、锯切冒口、打磨飞边； (7) 外观质量检测：毛坯铸件在进行外观质量检验之前，应清理干净平整，非加工面的 浇冒口应清理到铸件表面齐平； (8) 内部质量检测； (9) 固溶处理:将铸件完成粗加工和内外质量检测的毛坯送入固溶炉，进行560°C以下 固溶处理，保温完成后立刻淬火，使用水冷或油冷； (10) 时效强化:将完成固溶处理的铸件送入时效炉进行时效强化处理，在230°C以下时 效强化，保温后，出炉自然冷却； (11) 取样分析测试验证； (12) 实用性能验证。
[0036]本发明的有益效果:把路易斯酸碱理论所指向的、能在铝合金熔体中发生分子解 体或有助于次纳米区域内（即小于1纳米的范围）物相分子结构优化的"酸碱对"物质，应用 于熔体纳米尺度范围的精细结构调整，是本发明的最主要的创造性技术手段。
[0037] 通过运用路易斯酸碱理论，使有关路易斯酸碱对承载的微量元素的添加和排除， 在铝合金熔体环境发生分子解体和转化，以提供熔体超精细微区内（〇 . lnm~10nm尺度范 围）的充分扰动和激活效应，达到催生临界晶核大量形成，使合金晶粒度得到进一步细化， 形态更加圆整；同时优化微细区域(微米级：尺度1~30μπι左右)和精微区域(亚纳米级或次 微米级质点：尺度l〇nm~<1μπι)的物相分子组合结构，增加(Τ+ΘΗ)组合相在合金基体中的 含量，是本发明解决的合金强化的机理问题。
[0038] 由于(Τ+ΘΗ)组合相的发现，在铝合金强化设计时，就可以通过增加(Τ+ΘΗ)组合相， 使铝合金材料的基体强度获得大的提升，在屈服强度在400~600MPa之间得到良好控制，这 是本发明要解决的工程应用问题，即替代系列球铁材料和制品。
[0039]正离子体和负离子体作为路易斯"酸碱对"，对合金晶粒细化具有普通物质无法实 现的优异效果，这是由于:这些离子体在常温下与正常的物质分子一样能稳定存在，而在铝 合金熔体这样的高温酸碱环境中发生分子解体，生成路易斯酸和路易斯碱；由于是分子解 体，故而是一种次纳米范围的原子组合结构的"散架"，其配体部分以气态排放出来，释放出 来的核心金属离子则重新选择结合其它原子。
[0040]这种发生在铝合金熔体中的解体和重构，与普通的物质溶解不同，因为:①高温下 分解释放的气态物质形成的初始气泡只有一个分子大小(小于lnm，即次纳米级），比表面积 最大，具有极强的活性和纳米范围的扰动能力，正处于结晶临界晶核形成的尺寸范围，由此 而造成的熔体超精微区内原子的能量起伏、结构起伏和浓度起伏等状态起伏都带有极强的 突变特征，促使邻近的更多原子跨越结晶势皇，故而特别有利于临界晶核的大量形成，对金 属间化合物生成反应的催化和合金组织晶粒细化都产生了优于普通变质剂如铝钛硼的好 作用；同时正、负离子体这种在次纳米范围的超精微区内扰动和激活效应，是常规外加净化 气体形成的气泡(直径大于〇.5mm)无法实现的；②分解释放的金属原子或正离子具有比配 体更小的体积和更大的比表面积，其对周围原子的扰动和激活效应更强，造成的超精微区 状态起伏更加显著，对金属间化合物生成反应催化和合金基体组织晶粒细化作用也更强； ③酸碱对在高温熔体中的分裂和重构增强了质点在微区的分散和扩散速度，不会象普通金 属或添加剂那样造成团簇化，而有效地抑制了因添加剂造成的合金成分偏析以及大颗粒质 点的聚集和长大，这能有效解决常规晶粒细化剂在结晶过程中粗大化的倾向，例如可防止 钛Ti和稀土相的粗化;④配体气泡还可以发生次生反应，经过一系列变化后随从净化气体 排出熔体(比如生成〇) 2、〇14、他、順3或!123)或进入熔渣（比如六120 3^1(!10)3或六14(：3)，这种净 化作用，能够以最稳定的固态或气态物质，把溶解在熔体中的Η和氧化物杂质吸收和分解， 从而其净化作用比常规的气体净化方式效果更好。这就是正、负离子体作为路易斯酸碱对 的添加和排除，在铝合金熔体环境发生分子解体、酸碱转化和超精微区内原子重构，以提供 熔体超精微区内的充分扰动和激活效应，达到催生临界晶核大量生成和抑制晶粒长大作 用，并实现更好净化效果的机理。通过这种机理，使基体结晶状态普遍成为等轴晶，晶粒度 平均小于120μηι，进一步的优化效果可达到晶粒度平均在50~100μπι。这种效果，是单纯使用 铝钛硼和铝钛碳等常规晶粒细化剂以及常规的气体净化技术所无法实现的。
[0041]复杂配体化合物作为路易斯酸碱对，对合金晶粒细化也具有普通物质无法实现的 良好效果，因为它们的分子结构与正、负离子体的结构类似，都能在铝合金熔体这样的环境 中发生分子的解体、酸碱转化和超精微区内原子重构，也能在分子解体时释放出气态或液 态的配体，经过一系列反应后随从净化气体排出熔体（比如生成⑶2、014、他、腿或秘)或进 入熔渣（比如似(：1、1((：1^1(!10) 3^12〇3或414(：3)，其中释放的金属原子或离子，非金属原子或 离子，都是次纳米级的超细小质点，有着最大的比表面积，能提供熔体超精微区内的充分扰 动和激活效应，达到催生临界晶核大量生成和抑制晶粒长大作用的机理。通过这种机理，使 基体结晶状态普遍成为等轴晶，晶粒度平均小于120μπι，进一步的优化效果可达到晶粒度平 均在50~100μπι，这种效果，是单纯使用铝钛硼和铝钛碳等常规晶粒细化剂以及常规的气体 净化技术所无法实现的。
[0042]路易斯酸碱对在纳米尺度的扰动和激活效应能够增加亚纳米级质点（Τ+ΘΗ)组合 相和纳米级质点GP区、θ"、Θ '系列强化相的机理。
[0043]综上，本发明所述路易斯酸碱对，可以表现为多种形态，包括金属与配体结合而成 的正、负离子体、复杂配体化合物、过渡族类元素中的一种，或者一种以上混合。
[0044] 在常见的铝铜锰系(Al-Cu-Mn)合金中，由于各二元Al-Cu亚稳相在基体内部的分 布密度远远高于(Τ+ΘΗ)组合相的分布密度，致使(Τ+ΘΗ)组合相的作用被掩盖而一直没有被 发现。
[0045] (Τ+ΘΗ)组合相中的ΘΗ却以不同位向和大得多的厚度，对合金基体产生了优于以游 离态存在的GP区、θ"、θ'或者其它盘片状的二元Al-Cu亚稳相的强化贡献。
[0046] 在合金熔体中，不同金属原子或离子的接近，它们之间也会产生能级分裂发生热 化学反应(不发生电子转移)而形成金属间化合物的模式，由于形成了不同于基体晶态的分 子结构，具有较好的热稳定性，故而也适用路易斯酸碱理论。比如在金属间化合物分子 AlxCu和Al2QCu2Mn3中，根据电负性大小，可知A1比Cu、Mn更容易失去电子，因此，A1是路易斯 碱，Cu、Mn是路易斯酸，AlxCu和Al 2QCu2Mn3都可以看成路易斯"酸碱对"。当加入熔体中的外来 路易斯酸碱对分解时，与基体存在界面能差的金属间化合物前驱体显然也受到扰动和激活 而发生结构起伏，产生更多的临界晶核，使(Τ+ΘΗ)组合相在合金中的浓度和平均分布密度， 使之达到1个/[μπι] 2以上，这就是路易斯酸碱对在纳米尺度的扰动和激活效应能够增加亚 纳米级质点(Τ+ΘΗ)组合相和纳米级质点GP区、θ"、θ'系列强化相的机理。
[0047] 另外，由于路易斯酸碱对能够提供给合金熔体更大的异类物质浓度，因此增大了 熔体结晶过程的成分过冷度，导致晶核在更强结晶动力下快速越过临界尺寸，而在过冷的 液体中自由成核和生长，形成具有各向同性和形状更接近于球形的等轴晶粒；由于等轴晶 的这种缘于液体内部自由生长的内生机制，改变了平面晶、树枝晶、柱状晶等不规则晶体缘 于铸造型腔的型壁生核、自外向液体内部单向延伸的生长方式，因此避免或减轻了合金的 成分偏析、结晶粗大单向、宏观性能不均匀的缺陷，从而有效避免或减轻了合金的一些常见 缺陷，如针孔、气孔、缩孔、缩松、偏析、粗大固溶体、高硬度化合物、裂纹等。
[0048] 由于(Τ+ΘΗ)组合相与各级Al-Cu二元弥散相Θ'、Θ〃、6ΡΙ区依次分别具有次微米级、 亚纳米级和纳米级的晶格畸变作用，只要如本发明技术方案把基体中（Τ+ΘΗ)组合相的数量 和分布密度提高，就能实现与Al-Cu二元弥散相在大小、数量和分布状态方面搭配相对均 匀、结构紧凑，则其相互之间就会产生最强晶格畸变应力场(最大点阵失配度），同时又与基 体整体完全共格或半共格，因此在整个晶粒三维空间中形成了一个立体弹塑性网阵，在整 个晶粒内部产生了类似"钢筋混凝土"对建筑物结构增强作用的层级式强化结构（以下简称 "类砼强化结构"），大大改善了合金的力学性能;这种在晶粒尺度范围内均匀分布的超弹塑 性张力结构具有能够有效调动尽可能多的质点共同参与抵抗、分摊和吸收外部冲击动量 (动静载荷)的能力，从而微观上具有强大的抗疲劳特性，在宏观上具有高强、高韧、高硬"三 高统一"的特征，这种"类砼强化结构"与钢铁材料类的球墨铸铁中只有球状石墨与铁基体 两种平行结构、且晶粒度须从15~500μπι之间变化以获得强硬度与韧性不可共同提高(一方 的提高以降低另一方为前提)的基体特性相比较，显然具有更高的工程应用价值。
[0049] 根据路易斯酸碱理论，铝熔体是一个富电子高温体系，即属于强的路易斯碱，当过 量的铜锰加入以后，由于铜锰的电负性较强，吸聚了较多的电子云，使形成的合金熔体的碱 性降低，表面张力增加，不利于临界晶核的产生;加入富电子物质后，平衡了铜锰的酸性效 应，原始晶核面临的界面张力降低，因而促进了（Τ+ΘΗ)组合相的主干Τ相的原始晶核成长为 临界晶核，从而决定了（Τ+ΘΗ)组合相在合金中数量和分布密度显著提高。
[0050] 本发明配方设计作为主要技术手段之一，是使合金的晶态组合实现平均晶粒度< 120微米的等轴晶前提下，还可实现合金晶粒内部(Τ+ΘΗ)组合相数量在2-3个/[μπι] 2以上。 因此，主成分设计为按重量百分比：猛Μη:彡2%，镉Cd: 0.05%~0.5%，铜Cu: 4.2%~8.0%且Cu 彡0.8Mn+4.05%，锂Li : 0.5%~0.8%;路易斯酸碱对总量1% X 10-2~2.0%，使合金平均晶粒度 < 120微米，余量为铝A1。增加了过渡族类元素锂Li作为复杂合金化的微量添加元素，在合 金中形成六121^ 3^11^5等5种弥散性高温强化相，能提高合金的硬度和耐蚀性能。
【具体实施方式】
[0051] 本发明【具体实施方式】包括2个部分，第一部分为提示和说明，第二部分为具体实施 例。
[0052]第一部分:提示和说明 合金恪体准备的步骤： (1) 在前述路易斯酸碱对、元素比例范围内，选定一组物质组合，确定重量比，根据需要 配制的合金总量，推算出所需的每种物料的重量，编制合金生产配料表，并按配料表选足各 种备料； (2) 往熔炼炉中加入适量的铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化并在700 °C以上保温； 为防止熔体吸入过多的空气，熔化过程应尽可能在短时间内和封闭环境内完成； (3) 按配方比例加入猛Μη、镉Cd、铜Cu、锂Li，搅拌均匀后，加入选定的路易斯酸碱对，或 者加入选定的路易斯酸碱对组合，搅拌均匀； 所述路易斯酸碱对或者组合如果呈固体块状，可直接加入熔体或者以按压辅助方式加 入熔体； 所述路易斯酸碱对或者组合如果呈固体丝线状，可以在线自动送丝方式，在铸造时连 续加入，或者切成合适小段，在每次铸造前加入浇包或舀瓢； 所述路易斯酸碱对或者组合如果呈固体粉末状，可以选择向熔体直接吹送或者以保护 性气体带动的流态化方式连续吹送，所述吹送可以选择从熔体上部垂直插入熔体中吹送、 从炉体侧面斜插熔体吹送或者从炉底透气砖孔吹送； 所述路易斯酸碱对，活泼金属元素选择以保护形态加入熔体，高熔点难溶金属元素选 择配合物形态，易溶重金属选择单质状态； 所述路易斯酸碱对或者组合，化合物或配合物选择预先制成固体粉末形态； 所述路易斯酸碱对或者组合，选择于合金主元素恪炼完成后加入恪体，或者在恪体精 炼时加入恪体，或者在精炼净化后加入恪体，或者在铸造成形之前再加入恪体； (4) 然后对上述合金熔体进行炉内精炼，所述精炼选择在封闭环境中操作，所述封闭环 境选择以抽风方式连续排除精炼产生的废气； (5) 精炼后除渣、静置、取样分析合金化学成分，根据分析结果调整化学成分至规定的 偏差范围内； 所述调整化学成分选择以加入路易斯酸碱对或者组合的方式进行调整； 调温至650°C以上，合金液出炉，在线除气、除渣； 所述除气可以选择石墨管空心转子搅动吹入净化气体； 所述净化气体可以选择氮气、氩气、氯气或者它们的混合物； 所述除渣可以选择表面除去浮渣或者选择过滤法除去熔体内粗大质点或者熔体底部 的沉渣； 所述过滤法可以选择陶瓷过滤板或者玻璃纤维或者滤布作为过滤介质； 所述过滤可以进行单级过滤或者双级过滤或者多级过滤； 所述粗大质点可以是颗粒度不小于10微米的质点； (6) 铸造:选择离心铸造浇注，步骤如下： (1) 熔体从保温炉转入浇包； (2) 将铸型预热到适宜温度； (3) 开启驱动电机，带动带轮和轮轴旋转，进而带动安装在轴上的铸型旋转； (4) 调整铸型转速在50~1500r/min，倾转浇包使熔体沿着浇注槽流入浇注系统，通过 浇注系统流入铸型，在铸型旋转离心力作用下充满铸型型腔； (5) 熔体完全凝固后，停止旋转，开模取件。
[0053] (6)开模取出产品，自然冷却，清理砂芯、锯切冒口、打磨飞边； (7) 外观质量检测：毛坯铸件在进行外观质量检验之前，应清理干净平整，非加工面的 浇冒口应清理到铸件表面齐平； (8) 内部质量检测； (9) 固溶处理:将铸件完成粗加工和内外质量检测的毛坯送入固溶炉，进行560°C以下 固溶处理，保温完成后立刻淬火，使用水冷或油冷； (10) 时效强化:将完成固溶处理的铸件送入时效炉进行时效强化处理，在230°C以下时 效强化，保温后，出炉自然冷却； (11) 取样分析测试验证； (12) 实用性能验证。
[0054] 第二部分:具体实施例 实施例1 1、 一种替代QT500的铝合金织机栗连接座材料组分重量百分比为:锰Μη: 0.8%，镉Cd: 0.28%，铜〇1:6.3%，锂1^:0.7%，8:0.01%，0 :0.6%，86:0.02%，]\1〇:0.2%，[0(1(0~)4]2- :0.01%; 2、 制备方法:熔体-浇注-转动型腔-充型凝固-停转开模取件-固溶-时效 (1) 熔体浇注温度彡720°(：; (2) 模具预热温度彡400 °C; (3) 充型时间<10s; (4) 型腔转速500~700r/min，保持时间彡5 min; (5) 热处理:T6(固溶加完全人工时效）； 3、 铸件微观结构指标:金相组织为等轴晶，平均晶粒度80-90μπι，晶粒内（Τ+ΘΗ)组合相 数量3个/[μπι]2; 4、 铸件机械性能：：抗拉强度5501^&，屈服强度340 1^&，断后延伸率8.4%，布氏硬度 152〇
[0055] 实施例2 1、一种替代QT500的铝合金织机栗连接座材料组分重量百分比为:锰Μη: 0.9%，镉Cd: 0.25%，铜〇1:6.5%，锂1^:0.5%，8:0.01%，0:0.5%，86:0.02%，]\1〇 :0.2%，[0(1(0~)4]2-:0.02%; 2、 具体制备方法与实施例1相同； 3、 铸件微观结构指标:金相组织为等轴晶，平均晶粒度80-95μπι，晶粒内（Τ+ΘΗ)组合相 数量3个/[μπι]2; 4、 铸件机械性能：：抗拉强度560Mpa，屈服强度360 Mpa，断后延伸率8.1%，布氏硬度 155。
[0056] 实施例3 1、 一种替代QT500的铝合金织机栗连接座材料组分重量百分比为:锰Μη: 0.9%，镉Cd: 0 · 25%，铜Cu: 5 · 5%，锂Li : 0 · 6%，[Cd(CN)4]2-: 0 · 018%; 2、 具体制备方法与实施例1相同； 3、 铸件微观结构指标:金相组织为等轴晶，平均晶粒度80-95μπι，晶粒内（Τ+ΘΗ)组合相 数量2个/[μπι]2; 4、 铸件机械性能：：抗拉强度530Mpa，屈服强度340 Mpa，断后延伸率8.1%，布氏硬度 139〇
【主权项】
1. 一种替代QT500织机栗连接座的铝合金材料，其特征在于:主成分含量按重 量百分比计：锰Μη:彡2%，镉Cd: 0 · 05%~0 · 5%，铜Cu: 4 · 2%~8 · 0%且Cu彡0 · 8Mn+4 · 05%，锂 Li : 0.5%~0.8%;路易斯酸碱对总量1% X 10_2~2.0%，使合金平均晶粒度< 120微米，余量为 错A1 〇2. 根据权利要求1所述的一种替代QT500织机栗连接座的铝合金材料，其特征 在于:合金晶粒为等轴晶。3. 根据权利要求1所述的一种替代QT500织机栗连接座的铝合金材料，其特征 在于:合金晶粒内亚纳米(Τ+ΘΗ)组合相数量达到多2-3个/平方微米。4. 根据权利要求1所述的一种替代QT500织机栗连接座的铝合金材料，其特征 在于:所述路易斯酸碱对为金属与配体结合而成的正、负离子体中的一种，或者一种以 上混合。5. 根据权利要求1所述的一种替代QT500织机栗连接座的铝合金材料，其特征 在于:所述的金属与配体结合而成的正离子体、负离子体:包括四氰合镉负离子体[Cd (CN)4]2-。6. 根据权利要求1-5之一所述的一种替代QT500织机栗连接座的铝合金材料， 其特征在于：所述路易斯酸碱对，按元素添加量占 A1基体重量百分比，范围为：Cr< 0.7%，Mo<0.3%，[Cd(CN)4]2-<0.02%。7. 如权利要求6所述的一种替代QT500织机栗连接座的铝合金材料的制备方 法，其特征在于:包含以下步骤： (1) 在前述路易斯酸碱对、元素比例范围内，选定一组物质组合，确定重量比，根据需要 配制的合金总量，推算出所需的每种物料的重量； (2) 往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热并在700 °C以上保温； (3) 加入猛Μη、镉Cd、铜Cu、锂Li，搅拌，加入选定的路易斯酸碱对，或者加入选定的路易 斯酸碱对组合，搅拌均匀； (4) 然后对上述合金熔体进行炉内精炼； (5) 精炼后除渣、静置、取样分析合金化学成分，根据分析结果调整化学成分至规定的 偏差范围内；调温至650 °C以上，合金液出炉，在线除气、除渣； (6) 铸造:采用离心铸造浇注。8. 根据权利要求7所述的一种替代QT500织机栗连接座的铝合金材料的制备方 法，其特征在于:所述离心铸造浇注，步骤如下： (1) 熔体从保温炉转入浇包； (2) 将铸型预热到适宜温度； (3) 开启驱动电机，带动带轮和轮轴旋转，进而带动安装在轴上的铸型旋转； (4) 调整铸型转速在50~1500r/min，倾转浇包使熔体沿着浇注槽流入浇注系统，通过 浇注系统流入铸型，在铸型旋转离心力作用下充满铸型型腔； (5) 熔体完全凝固后，停止旋转，开模取件； (6) 开模取出产品，自然冷却，清理砂芯、锯切冒口、打磨飞边； (7) 外观质量检测：毛坯铸件在进行外观质量检验之前，应清理干净平整，非加工面的 浇冒口应清理到铸件表面齐平； (8) 内部质量检测； (9) 固溶处理:将铸件完成粗加工和内外质量检测的毛坯送入固溶炉，进行560°C以下 固溶处理，保温完成后立刻淬火，使用水冷或油冷； (10) 时效强化:将完成固溶处理的铸件送入时效炉进行时效强化处理，在230°C以下时 效强化，保温后，出炉自然冷却； (11) 取样分析测试验证； (12) 实用性能验证。
【文档编号】C22C1/02GK105970041SQ201610489600
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】余晟, 李祥, 毛春荣, 倪彬, 曹跃清
【申请人】贵州华科铝材料工程技术研究有限公司