掺杂Mo₂C及MgH₂的高强度铝合金及其制备方法

专利名称：掺杂Mo₂C及MgH₂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：
深加工用的铝合金往往需要首先铸造成大型的锭坯，如扁锭、圆棒等，再通过轧制、挤压、锻造等手段，加工成各种成品，这些过程基本上都要和热处理相结合，如果到可以直接使用的最终产品，则还要经过分割、表面加工、钝化处理等作业。这些加工手段，需要铝合金材料本身具备良好的深加工性能，包括铸造性能、压力加工变形性能、热处理强化性能、抗腐蚀性能、抗疲劳破坏性能、表面加工和涂覆性能等。其中，熔铸性能是铝合金深加工性能的基础。大型锭坯，尤其是厚度500mm以上的扁锭、厚板和直径500mm以上的圆棒，是大型高效深加工的代表性基材，而能否预制成大型锭坯，也是考验铝合金材料本身是否适合进行深加工的第一道技术关口。铝合金液在凝固过程中，当体积收缩得不到补缩时，在铸件最后的凝固部位便形成管状或枝叉状等孔洞，称为缩孔。其形状为不规则的封闭孔或敞露于表面的孔洞，孔壁粗糙，带有枝晶组织。由于共晶体牌凝固结晶的最后阶段，所以缩孔容易产生在共晶体多的区域和铸件最后凝固的部位(热节处)。以Al-Si为基的共晶及过共晶型铝合金，由于合金的结晶间隔小，集中收缩的倾向大，所以在铸件补缩的不足部位容易形成管状集中缩孔，有时因有共晶成分的液体填充缩孔的结果，会出现较大的共晶偏析区或偏析层，尤其在缩孔周围容易形成共晶偏析。以Al-CiuAl-Mg为基的固溶体型铝合金，结晶间隔较宽，在铸件补缩不足的部位容易形成枝叉状缩孔。

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，选择合适的合金成分， 避免缩孔的形成，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0. 4 0. 8%的Si，小于等于0. 7%的Fe，0. 15 0. 4%的Cu，小于等于0. 15%的 Μη,Ο. 04 0. 35%的Cr，小于等于0. 25%的Zn，小于等于0. 15%的Ti, 1. 6 2. 4%的Mo， 0. 1 0. 15%的C、0. 2 0.3%的Mg，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Mo2C及MgH2, 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 0. 8%的Si，小于等于0. 7%的Fe，0. 15 0. 4 %的Cu，小于等于0. 15 %的Μη，0. 04 0. 35%的Cr，小于等于0. 25%的Zn，小于等于0. 15%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. 7 2. 55% 的Mo2C和0. 21 0. 31%的MgH2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Mo2C及MgH2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。本发明的有益效果是本发明提供一种高强度铝合金，选择合适的合金成分，避免缩孔的形成，为高效深加工提供高端基材。本发明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。临2(及 MgH2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。本发明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，即使碳氮化物发生溶解和离解反应，分解出原子态C元素和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，以及碳化铝和氮化铝。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。在合金中!^e和Si容易形成两种Al-Fe-Si相，即α相和β相。α相中Si含量较低而β相中Si含量较高，且前者具有明显的汉字外形，后者则呈长针状和盘片状。由于合金中Mg的存在，Si优先与Mg生成Mg2Si相，剩下的Si与!^e形成汉字状α相(Al12Fe3Si), 是一种粗大组织，在合金中是有害的，但这种粗大组织可以被基体中存在的少量过渡元素如Mn、Ni、Cu、Cr、V、Mo、W等所细化。本发明配方中的Cu、Mn就起到了这种细化效果。原子态的C和N在高温下是活泼的，能够与Al分别形成铝化物Al4C3和Α1Ν，如前所述，细粉状的流态化加入，使得碳氮化物分解产生的每种元素都在熔体中呈弥散分布。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；由于AlN还可由铝在800 1000°C 的氮气氛中合成，因此，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。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，反应如下。加入到熔体中的碳氮化物分解的程度，随着碳化物、氮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，铝熔体的这种性质，使我们能够找到加入其中碳氮化物的最佳比例。当超过其饱和溶解度后，一部分碳氮化物便以分子态存在于熔体中，由于简单密排结构碳化物、氮化物的分子体积都极小，在凝固后完全成为间隙相弥散镶嵌到基体晶格中，起到间隙相强化作用。由于元素形成的碳氮化物的稳定性顺序为V > Ti > Nb > W > Mo > Cr > Mn > Fe， 此顺序决定了熔体中金属化合物领先相的出现顺序。对杂质狗形成的粗大N相(Al7Cu2Fe)、 α相(Al12I^3Si)都具有钉扎晶界阻碍其晶界移动的作用，从而细化了这些复杂金属化合物相，转而形成有利于提高强度和延展性的相。由于在本发明中使用流态化碳氮化物处理的手段，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”。本发明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。本发明在变形铝合金中加入1. 7 2. 55%的Mo2C和0. 21 0. 31 %的MgH2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0. 4%的Si，0. 7%的Fe，0. 15%的Cu， 0. 15% 的 Mn，0. 04% 的 Cr，0. 25% 的 Zn，0. 15% 的 Ti，1. 6% 的 Μο，0· 的 C、0. 2% 的 Mg，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Mo2C及MgH2, 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. 7%的 Fe，0. 15%的 Cu，0. 15%的 Mn，0. 04%的 Cr,0. 25%的 Ζη,Ο. 15%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1.7%的Mo2C 和0. 21 %的MgH2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Mo2C及 MgH2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0. 6%的Si，0. 5%的Fe，0. 25%的Cu， 0. 的 Μη，0· 15%的 Cr，0. 2%的 Zn，0. 1 %的 Ti，2. 0%的 Mo，0. 12%的 C、0. 25%的 Mg，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Mo2C及MgH2, 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. 5%的 Fe，0. 25%的 Cu，0. 的 Μη，0· 15%的 Cr,0. 2%的 Ζη,Ο. 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2. 12%的Mo2C 和0. 26 %的MgH2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Mo2C及 MgH2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0.8%的Si，0. 5%的狗，0.4%的Cu， 0. 09% 的Μη，0· 35% 的 Cr，0. 的 Ζη，0. 06% 的 Ti，2. 4% 的 Μο，0· 15% 的 C、0. 3% 的 Mg，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Mo2C及MgH2, 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0.8%的 Si，0. 5%的 Fe，0. 4%的 Cu，0. 09%的 Μη，0· 35%的 Cr,0. 的 Ζη,Ο. 06%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2. 55 %的Mo2C 和0. 31 %的MgH2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Mo2C及 MgH2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
1.一种掺杂Mo2C及MgH2的高强度铝合金，其特征在于以质量百分比计，包括0. 4 0. 8%的Si，小于等于0. 7%的Fe，0. 15 0. 4%的Cu，小于等于0. 15 %的Μη，0. 04 0. 的Cr，小于等于0. 25%的Zn，小于等于0. 15 %的Ti，l. 6 2. 4 %的Mo，0. 1 0. 15%的C、0. 2 0. 3%的Mg，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所述掺杂Mo2C及MgH2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0. 4 0. 8%的 Si，小于等于0. 7%的Fe，0. 15 0. 4%的Cu，小于等于0. 15%的Mn，0. 04 0. 35%的Cr， 小于等于0. 25%的Zn，小于等于0. 15%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. 7 2. 55%的 Mo2C^P 0.21 0.31%的MgH2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Mo2C&MgH2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。
全文摘要
本发明公开了一种掺杂Mo2C及MgH2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Mo2C及MgH2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Mo2C及MgH2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C22C1/02GK102534310SQ20111042122
公开日2012年7月4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