专利名称：一种添加AlCrN及RbH的高强度铝合金及其制备方法
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：
据统计，世界上500多种变形铝合金材料中，常用于熔铸大型锭坯的铝合金还不到20个，其中最常用于熔铸大型锭坯和生产厚板的铝合金有5083、5026、6082、2017、20对、 2219、7075、7050等，这些材料中，属于硬铝和超硬铝范畴的是2XXX系和7XXX系，其厚板多用于航空航天工业，但其熔铸大型锭坯的性能很差，扁锭和圆棒成形率很低；5XXX系、6XXX 系合金熔铸性能较好，但强度低；其它如IXXX系、3XXX系铝合金则属于软铝范畴。目前的铝合金材料除了熔铸大型锭坯时的成形性能较差外，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，本发明提供一种高强度铝合金，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。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种高强度铝合金，以质量百分比计，包括1. 0 1. 7%的Si，小于等于0. 5%的Fe，0. 15 0. 4%的Cu，0. 4 1. 0%的Mn， 小于等于0. 的Cr，0. 5 1. 2%的Mg，小于等于0. 25%的&1，0· 6 1. 5%的Cr，0. 16 0. 40%的N、0. 98 2. 45%的Rb，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AlCrN和RbH， 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1.0 1.7%的31，小于等于0.5%的？6，0. 15 0. 4%的Cu，0. 4 1. 0%的Mn，小于等于0. 1% 的Cr，0. 5 1. 2%的Mg，小于等于0. 25%的Zn ；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. 07 2. 68% 的AlCrN、0. 99 2. 45%的RbH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AlCrN和RbH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，合金液出炉，得到所述高强度铝合金。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。本发明的有益效果是1、解决了高温难溶金属元素在铝合金熔体中的溶化和物相平衡问题。2、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。3、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。具体来说，AlCrN和RbH粉末在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。AlCrN在高温铝熔体中，由于铝本身在常温下就是导电性极好的金属，在700°C以上的高温环境中，其熔融状态是一种高密度自由电子与铝离子的混合体，具有极高的活性， 能够还原一部分电负性高于它的碳化物和氮化物，即使氮化物发生溶解和离解反应，分解出原子态N元素，同时也释放出本身分散的原子态高熔点金属元素；这些分解出来的元素进一步与铝反应，生成各种强化相型物质和变质剂型物质；这些原子态物质立刻与铝基体发生反应，首先溶入基体形成共溶体，当达到饱和后又进一步与铝生成多种金属间化合物。 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。同时，Cr元素的原子半径与铝不同，差异超过5%， 这样会造成晶格强烈的畸变，形成较大的畸变能，当元素在铝熔体中的饱和溶解度大，而室温下的固溶度小时，体系凝固产生的晶格畸变能也大，相当于体系在高温状态下的部分热焓以晶格畸变能的形式贮存于结构中；当晶格畸变能在微观结构中均勻分布时，整个材料的宏观性能得到提高如强度、延展性、抗应力腐蚀能力等。反之，当晶格畸变能分布不均勻，特别是集中于晶界时，强化相之间产生强大的应力势能，晶界特征代表了整个材料的特征，材料就显示出硬脆性和易腐蚀性，在铸造时有大的开裂倾向，晶粒粗大，在固溶淬火时既容易开裂，又降低淬透性。本发明在变形铝合金中加入1. 07 2. 68%的AlCrN、0. 99 2. 45%的RbH粉末， 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。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 一种高强度铝合金，以质量百分比计，包括1. 0%的Si，0. 5%的Fe，0. 15%的Cu， 0. 4% 的 Μη，0· 的 Cr,0. 5% 的 Mg，0. 25% 的 Ζη,Ο. 6% 的 Cr,0. 16% 的 N、0. 98% 的 Rb，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AlCrN和RbH， 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1.0%的 Si，0. 5%的 Fe，0. 15%的 Cu，0. 4%的 Μη，0· 的 Cr,0. 5%的 Mg，0. 25%的 Zn ；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1.07%的 AlCrN.O. 99%的RbH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AlCrN 和RbH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，合金液出炉，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。实施例2 一种高强度铝合金，以质量百分比计，包括1. 3%的Si，0. 4%的Fe，0.观％的Cu， 0. 7%的Μη，0· 08%的 Cr，0. 8%的Mg，0. 2%的 Zn，l. 的 Cr，0. 3%的 Ν、1· 59%的 Rb，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AlCrN和RbH， 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1.3%的 Si，0. 4%的 Fe，0. 28%的 Cu，0. 7%的 Μη，0· 08%的 Cr,0. 8%的 Mg，0. 2%的 Zn ；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1.72%的 AlCrNU. 60%的RbH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AlCrN 和RbH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，合金液出炉，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。实施例3 一种高强度铝合金，以质量百分比计，包括1.7%的Si，0. 3%的狗，0.4%的Cu， 1. 0% 的Μη，0· 06% 的 Cr，1. 2% 的Mg，0. 18% 的 Zn，1. 5% 的 Cr，0. 40% 的 Ν、2· 45% 的 Rb，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AlCrN和RbH， 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1.0 1.7%的31，小于等于0.5%的？6，0. 15 0. 4%的Cu，0. 4 1. 0%的Mn，小于等于0. 1% 的Cr，0. 5 1. 2%的Mg，小于等于0. 25%的Zn ；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2. 68%的 AlCrN,2. 48%的RbH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AlCrN 和RbH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，合金液出炉，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
1.一种添加AlCrN及RbH的高强度铝合金，其特征在于以质量百分比计，包括1. 0 1. 7%的Si，小于等于0. 5%的Fe，0. 15 0. 4%的Cu，0. 4 1. 0%的Mn，小于等于0. 1% 的 Cr，0. 5 1. 2% 的 Mg，小于等于 0. 25% 的 Ζη，0. 6 1. 5% 的 Cr，0. 16 0. 40% 的 N、 0. 98 2. 45%的Rb，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%。
2.—种权利要求1所述添加AlCrN及RbH的高强度铝合金的制备方法，其特征在于包括下述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1. 0 1. 7% 的Si，小于等于0.5%的Fe，0. 15 0. 4%的Cu，0. 4 1. 0%的Mn，小于等于0. 的Cr， 0. 5 1. 2%的Mg，小于等于0. 25%的Zn ；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. 07 2. 68 % 的AlCrN、0. 99 2. 45%的RbH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AlCrN和RbH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 合金液出炉，得到所述高强度铝合金。
全文摘要
本发明公开了一种添加AlCrN及RbH的高强度铝合金及其制备方法，先加热铝锭或熔融铝液使之完全熔化；加入Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Zn和Ti，使之完全溶解和熔化；精炼后在700～1000℃下保温，得到合金熔体；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AlCrN和RbH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AlCrN和RbH在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，进行铸造生产。本发明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。
文档编号C22C21/02GK102418011SQ20111042118
公开日2012年4月18日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者张中可, 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