一种与vc共溶的铝合金及其熔炼方法

专利名称：一种与vc共溶的铝合金及其熔炼方法
技术领域：
本发明涉及一种高强度铝合金，还涉及其制备方法。
背景技术：
传统Al-Mg-Si-Cu系合金主要强化相是M&Si，其强化能力较Cu和Si为弱，但Cu 和Si在该系合金中含量均较低。V和C均可与Al形成化合物，细化合金的晶粒，促进合金形成细晶的再结晶组织， 能得到有用的强度、韧性、成形性等综合性能，还可降低淬火敏感性，减小铸造坯料淬火后形成的内部结构应力，从而有利于产品的保形加工。但传统加入V和C的方法都采用中间合金直接加入的方法。由于V是贵重金属， 而V和C都是高熔点元素，熔炼A1-V、A1-C中间合金的成本很高，而作为晶粒细化剂加入的效果也受工艺条件的影响。当这种合金液在浇注前由于搅拌不均勻而引起共晶偏析，在共晶硅集中处，硬度高脆性大，加工刀具磨损大；共晶硅少的部位形成α (Al)固溶体软点，强度低，加工时不仅粘刀，恶化加工性能，在切削力的作用下会使α (Al)固溶体变形导致加工面出现白斑。当 ZL108 (ZAlSi 12Cu2Mgl)铝合金中含镁量小于0. 6% (质量分数)时，加工表面也容易出现白斑。同时，在采用这种铝合金进行铸造时，铸造完成的铸件中常出现各种夹杂，主要有氧化物夹杂、造型材料和熔剂夹渣等。其中，以铝氧化物夹杂最为普遍。尤其在含Mg的铝合金中，多数夹杂为氧化铝和氧化镁的混合物，所以在铝合金熔炼过程中，氧化物夹杂的含量是反映铝液冶金质量的重要标质之一。由此可见目前的铝合金材料除了熔铸时的成形性能较差外，铸件特别是大型锭坯在热处理过程的淬透性不高、耐回火性较差和不能满足更高的力学性能要求或某些特殊性能(如耐热、耐蚀)等，也是重大缺陷。这些缺陷使其在工程技术领域替代钢制品等重强材料和结构的进程中形成了难以跨越的技术断点。

发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种与VC共溶的铝合金及其熔炼方法，能够克服现有铝合金性能的不足，提高其强韧性、成形性和淬透性，为高效深加工提供高端基材。一种与VC共溶的铝合金，其特征在于以质量百分比计，包括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Si，小于等于0. 的Ti，0. 8 1. 8%的V和0. 19 0. 42%的C，余量为Al和不可避免的杂质；所述单一杂质的含量不超过总质量百分比的 0. 05%,杂质总含量不超过总质量百分比的0. 15%。一种熔炼权利要求1所述的与VC共溶的铝合金的方法，其特征在于步骤如下
步骤1 将铝锭加入熔炼炉中加热使之完全熔化，然后按配方加入总产品质量百分比0. 2 0. 6%的Si，小于等于0. 的i^e，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Si和小于等于0. 的Ti，完全溶解和熔化；所述熔化过程在封闭环境内完成；步骤2 在700 1000°C下保温，得到合金熔体；步骤3 采用混合气体对铝合金熔体进行除气净化作业，并将占总产品质量百分比0. 99 2. 22%的VC粉末以流态化方式随上述气体加入到铝合金熔体中进行混合，使VC 在铝合金熔体中分布均勻，并持续通气直至反应完毕；所述混合气体为氮气或惰性气体或氮气与惰性气体按照任意比例混合得到；步骤4 反应结束后调温至680 730°C，得到熔炼完成的铝合金熔体。步骤1中的铝锭以熔融铝液替换。一种将所述的与VC共溶的铝合金进行铸造的方法，其特征在于将权利要求2所熔炼的铝合金熔体沿流槽倾倒出炉，至立式水冷铸造机系统，铸造加工用锭坯，特别是铸造厚度500mm以上的大型扁锭和直径500mm以上的圆棒。一种将所述的与VC共溶的铝合金进行铸造的方法，其特征在于将权利要求2所熔炼的铝合金熔体转注入铸件的铸模中，使用金属型、砂型或混合型铸方式，采用重力铸造、压力铸造或差压铸造工艺，铸造铝合金铸件，特别是铸造大型、薄壁或复杂结构的铝合金铸件。本发明提供的与VC共溶的铝合金及其熔炼和铸造方法，在变形铝合金中以粉末状加入0. 99 2. 22%&VC，以流态化形式随保护性气体加入铝合金熔体过程中，具有比一般块状物质大得多的比表面积，能够实现快速的分散并与熔体充分接触，显著缩短了分散和均勻的时间。同时采用本发明的高强度铝合金在铸造过程中，可以在合金凝固过程中有效增加异质形核核心，从而达到晶粒细化的效果，增强合金强度；并且加入的元素可以促进形成间隙原子和间隙相，高温时在α (Al)固溶体中溶解度大，而在室温时很小，从而使合金具有较高的可热处理性质，热处理后，其强度和硬度都有很大程度的提高。具体分析如下在本合金未经加入上述元素之前，熔体中除形成各种元素的共溶体之外，还含有下列一些金属间形成的化合物相Mg2Si 相、N 相(Al7Cu2Fe)、α 相(Al1Je3Si)、S 相(Al2CuMg)；这些金属化合物在熔体冷却时，由于体系最低自由能原理，在形成的晶粒中不能稳定存在，将在晶格畸变能差的驱动下向晶界移动和集中，同时，由于合金元素在铝基体中的饱和溶解度随着温度下降而显著降低，所以随着熔体的冷却，过饱和的熔体不断地析出富含合金元素的金属间化合物，这些化合物在晶间富集，彼此间不易融合，在微观结构中成为粗大的晶间化合物群，对合金产生脆硬化影响，恶化合金铸造成形性能，降低其均勻性、 韧性、耐蚀性和淬透性能。所以，当合金凝固成为过饱和固溶体基体+晶间金属化合物的基本结构时，通常称为纯铸态组织，具有这种组织的合金必须经过“固溶+时效”的热处理之后才能具有满足需要的力学性能和其它技术指标。虽然，经过配方优化处理和提高合金性能的热处理能够得到改善，但是合金本身仍然还是存在很多缺陷强度不够高，不能铸造大规格型锭等。
本发明通过比较选择，开发了过渡族元素的碳化物处理熔体的方式，通过加入 0. 8 1. 8 %的V，0. 8 1. 8 %的C元素，分解后的碳化物产生的原子态V金属，没有了单质状态下金属原子间以d//s电子紧密结合产生的强大金属键能和同类原子间紧密堆积产生的晶格能形成的势垒，以“裸态”与周围大量的基体原子融合，形成共溶体和金属化合物，并成为结晶时的领先相和细晶化相，同时也是高温强化相。因此，碳化物以流态化加入熔体中产生高温下的分解和形成的弥散状态，解决了高熔点金属在铝液中溶解难、均勻分布难的问题，实现了晶格畸变能的微观均勻化分布和晶粒的细化。由于C与Al反应生成的Al4C3是一种复杂结构的离子晶体，熔点达2100°C ；在实际结构中金属原子可以是4、5、6配位，Al-C键长在1.90 — 2.22A之间，最短的C-C键为3.16A; X射线研究则显示结构中有单个碳原子以离散的碳负离子C4—形式存在；碳化铝颗粒能降低材料蠕变的趋势，提高基体材料硬度；具有强烈吸H作用，可以有效除去熔体中的存在的原子H。另外加入到熔体中的碳化物分解的程度，随着碳化物本身的稳定性和熔体温度的不同而变化，即反应具有一定的可逆性，是一种动态的平衡。大多数过渡元素在铝熔体中的饱和溶解度较小，而且，除铬、钛、钒、锆的最大固溶度发生在包晶温度外，其他元素的最大固溶度均发生在共晶温度；在室温下的溶解度，均小于0. wt。同时在熔炼过程中充入的氮气，有利于铝在800 1000°C的氮气氛中合成A1N。由于N与Al反应生成的AlN是原子晶体，属类金刚石氮化物，最高可稳定到2200°C ；室温强度高，且强度随温度的升高下降较慢，能够有效提高合金的高温强度和抗腐蚀能力；导热性好，热膨胀系数小，可提高基体材料耐热冲击性能。因此，当N2充入高温铝合金熔体时，本身就具有了与多种金属金发生反应的活性。所以适当调节熔体净化作业时的温度和保护性氮气的浓度，可调节熔体中AlN的含量，这进一步为调节熔体中过渡金属元素的含量提供了方法。可见由于在本发明中使用流态化碳化物处理的手段，把强化基体和细化晶粒的多种效果集成在一起，取代中间合金，使铝合金制造企业不再受制于中间合金生产商，有利于创建“近成型、短流程、集约化”的绿色生产线，节能降耗，降低综合成本；同时，在热处理过程中，由于形成了优异的材料微观结构，锭坯的残余应力较小，因此可以显著提高热处理效能，提高锭坯的淬透性，在与同类合金比较时，能够以“铸造+热处理方式”生产更厚的坯料(厚度500mm以上的板材和直径500mm以上的棒材)，在系列规格(厚度15 200mm)的中厚板制造技术上实现“以铸代轧”。总而言之，本发明的有益效果是在铝熔体中造成了多种晶粒细化元素、质点，对防止基体和强化相的粗大化有良好效果。在冷却后的铝基体中造成了稳定性极高的间隙原子和间隙相，成为新的高效强化相，使材料的强度和硬度得到提高。 下面结合实施例对本发明进一步说明。
具体实施例方式实施例1 一种与VC共溶的铝合金，以质量百分比计，包括0. 2%的Si，0. 35%的狗，().的Cu，0. 的 Μη，0· 的 Cr,0. 45%的 Mg，0. 的 Ζη,Ο. 的 Ti，0. 8%的 V,0. 8%的 C，余
量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0. 05%，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0. 15%。本发明还提供所述高强度铝合金的制备方法，以复合处理方式加入VC，包括以下步骤步骤一按照所述高强度铝合金的组分备料，包括占总产品质量百分比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 ；步骤二 先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全熔化，按配方比例先加入步骤一的备料，使之完全溶解和熔化，精炼后在700 1000°C下保温，得到合金熔体；熔化过程在封闭环境内完成；步骤三使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比0. 8%的VC粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使VC在合金熔体中分布均勻， 并与合金熔体充分反应；静置、调温至680 730°C，得到熔炼完成的铝合金熔体。实施例2 一种与VC共溶的铝合金，以质量百分比计，包括0. 4%的Si，0. 3 %的！^，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. 3% 的 V，l. 3% 的 C， 余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0. 05%，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0. 15%。本发明还提供所述高强度铝合金的制备方法，以复合处理方式加入VC，包括以下步骤步骤一按照所述高强度铝合金的组分备料，包括占总产品质量百分比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 ；步骤二 先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全熔化，按配方比例先加入步骤一的备料，使之完全溶解和熔化，精炼后在700 1000°C下保温，得到合金熔体；熔化过程在封闭环境内完成；步骤三使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比1.3%的VC粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使VC在合金熔体中分布均勻， 并与合金熔体充分反应；静置、调温至680 730°C，得到熔炼完成的铝合金熔体。实施例3 一种与VC共溶的铝合金，以质量百分比计，包括0. 6 %的Si，0. 25 %的Fe，0. 06 % 的 Cu，0. 09% 的 Μη，0· 03% 的 Cr，0. 9% 的Mg，0. 09% 的 Ζη，0. 05% 的 Ti，1. 8% 的 V，l. 8% 的 C，余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0. 05%，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0. 15%。本发明还提供所述高强度铝合金的制备方法，以复合处理方式加入VC，包括以下步骤
步骤一按照所述高强度铝合金的组分备料，包括占总产品质量百分比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 ；步骤二 先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全熔化，按配方比例先加入步骤一的备料，使之完全溶解和熔化，精炼后在700 1000°C下保温，得到合金熔体；熔化过程在封闭环境内完成；步骤三使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比1.8%的VC粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使VC在合金熔体中分布均勻， 并与合金熔体充分反应；静置、调温至680 730°C，得到熔炼完成的铝合金熔体。采用本发明方法熔炼的高强度铝合金液出炉后，沿以下两种流程分别进行不同制品的铸造生产。流程一沿流槽倾倒出炉，至立式水冷铸造机系统，铸造加工用锭坯，特别是铸造厚度500mm以上的大型扁锭和直径500mm以上的圆棒。流程二 转注入铸件的铸模中，使用金属型、砂型或混合型铸方式，采用重力铸造、 压力铸造或差压铸造工艺，铸造铝合金铸件，特别是铸造大型、薄壁或复杂结构的铝合金铸件。
权利要求
1.一种与VC共溶的铝合金，其特征在于以质量百分比计，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Si，小于等于0. 的Ti，0. 8 1. 8%的V和0. 19 0. 42% 的C，余量为Al和不可避免的杂质；所述单一杂质的含量不超过总质量百分比的0. 05%，杂质总含量不超过总质量百分比的0. 15%。
2.一种熔炼权利要求1所述的与VC共溶的铝合金的方法，其特征在于步骤如下步骤1 将铝锭加入熔炼炉中加热使之完全熔化，然后按配方加入总产品质量百分比0. 2 0. 6%的Si，小于等于0. 的i^e，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和小于等于0. 的Ti，完全溶解和熔化；所述熔化过程在封闭环境内完成；步骤2 在700 1000°C下保温，得到合金熔体；步骤3 采用混合气体对铝合金熔体进行除气净化作业，并将占总产品质量百分比 0. 99 2. 22%的VC粉末以流态化方式随上述气体加入到铝合金熔体中进行混合，使VC在铝合金熔体中分布均勻，并持续通气直至反应完毕；所述混合气体为氮气或惰性气体或氮气与惰性气体按照任意比例混合得到；步骤4 反应结束后调温至680 730°C，得到熔炼完成的铝合金熔体。
3.根据权利要求2所述熔炼方法，其特征在于步骤1中的铝锭以熔融铝液替换。
4.一种将权利要求1所述的与VC共溶的铝合金进行铸造的方法，其特征在于将权利要求2所熔炼的铝合金熔体沿流槽倾倒出炉，至立式水冷铸造机系统，铸造加工用锭坯，特别是铸造厚度500mm以上的大型扁锭和直径500mm以上的圆棒。
5.一种将权利要求1所述的与VC共溶的铝合金进行铸造的方法，其特征在于将权利要求2所熔炼的铝合金熔体转注入铸件的铸模中，使用金属型、砂型或混合型铸方式，采用重力铸造、压力铸造或差压铸造工艺，铸造铝合金铸件，特别是铸造大型、薄壁或复杂结构的铝合金铸件。
全文摘要
本发明涉及一种与VC共溶的铝合金及其熔炼方法，在变形铝合金中以粉末状加入0.8～1.8％的V，0.8～1.8％的C元素，以流态化形式随保护性气体加入铝合金熔体过程中，具有比一般块状物质大得多的比表面积，能够实现快速的分散并与熔体充分接触，显著缩短了分散和均匀的时间。同时采用本发明的高强度铝合金在铸造过程中，可以在合金凝固过程中有效增加异质形核核心，从而达到晶粒细化的效果，增强合金强度；并且加入的元素可以促进形成间隙原子和间隙相，高温时在α(Al)固溶体中溶解度大，而在室温时很小，从而使合金具有较高的可热处理性质，热处理后，其强度和硬度都有很大程度的提高。
文档编号C22C1/02GK102433469SQ20111042083
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者倪斌, 张中可, 车云, 门三泉 申请人:贵州华科铝材料工程技术研究有限公司