铝-铜合金的变质处理方法及铝-铜-钙合金

铝
‑
铜合金的变质处理方法及铝
‑
铜
‑
钙合金
技术领域
1.本发明属于合金材料技术领域，尤其涉及一种铝
‑
铜合金中共晶和初生al2cu相的变质处理方法，以及变质处理后所获得的铝
‑
铜
‑
钙合金。


背景技术：

2.铜含量低于51wt.%的铝基铝
‑
铜合金是生产中常用的一类高强和高硬铝基合金。合金中的铜元素与铝结合生成θ
‑
al2cu相，含铜量低于33.2%左右时，在普通铸造或熔化焊接等生产条件下，在初生α
‑
al晶粒之间的晶界处形成共晶组织（α
‑
al+θ
‑
al2cu），其中的共晶θ
‑
al2cu相很容易生长形成较粗、较长的片状结构，甚至包围铝晶粒，使铝晶粒相互之间失去连接；当铜含量超过33.2%左右后，除了（α
‑
al+θ
‑
al2cu）共晶组织之外，铝
‑
铜合金基体中还出现了粗大的呈条块状或树枝状的初生θ
‑
al2cu相。尺寸较大的片状共晶θ
‑
al2cu或粗大的初生θ
‑
al2cu相导致合金变脆，力学性能大幅下降，同时流动性等铸造工艺性能、焊接工艺性能也迅速下降。为提高铝
‑
铜合金的性能，需要对铝
‑
铜合金组织中的共晶或初生θ
‑
al2cu相进行变质处理，以达到降低其尺寸、改变其形貌的目的。文献“潘志勇，特种铸造及有色合金，2009，29（8）：713
‑
716
”ꢀ
对半固态（处于固相和液相线温度之间）的al
‑
40cu合金进行机械搅拌，使基体中的初生θ
‑
al2cu相在机械力作用下由粗大的长条状、树枝状转变为尺寸较小的近等轴晶，使合金性能得到较大提高。但是这种方法只能对初生θ
‑
al2cu相产生产作用，对共晶θ
‑
al2cu相无能为力，而且这一特殊方法难以普遍适用于常规铸造或各种焊接等生产工艺条件。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提供了对铜含量低于51wt.%的铝
‑
铜合金中的初生或共晶θ
‑
al2cu相进行变质处理的方法。通过向铝
‑
铜合金中加入一定比例的钙元素，在合金凝固过程中，钙元素对初生或共晶θ
‑
al2cu的晶粒形核或生长过程产生影响，使θ
‑
al2cu相数量增多，达到尺寸减小或形貌改变的变质处理效果，同时得到一种以铝
‑
铜为基体、含有钙元素的铝
‑
铜
‑
钙合金。
4.本发明的技术方案如下：一种铝
‑
铜合金中初生或共晶θ
‑
al2cu相的变质处理方法：向铝
‑
铜合金中添加含有钙元素的物质；上述变质方法中，所述含有钙元素的物质加入量满足钙元素在铝
‑
铜合金中的含量为铝
‑
铜合金质量的0.01
‑
2%；上述方法中，优选的，钙元素在铝
‑
铜合金中的含量为铝
‑
铜合金质量的0.1
‑
1%；上述铝
‑
铜合金中初生或共晶θ
‑
al2cu相的变质处理方法，具体包括以下步骤：（1）将待处理的铝
‑
铜合金熔化至其液相线以上的温度范围，得到合金熔体；（2）向步骤（1）中的合金熔体中加入一定量的含有钙元素的物质，然后使钙元素在铝
‑
铜合金熔体中分布均匀；
（3）将步骤（2）得到的合金熔体冷却，凝固后即得变质处理的合金。
5.优选的，上述铝
‑
铜合金中初生或共晶θ
‑
al2cu相的变质处理方法步骤（2）中，所述含有钙元素的物质是铝
‑
钙中间合金、铜
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钙中间合金、镁
‑
钙中间合金中的一种或若干种。
6.采用上述铝
‑
铜合金中初生或共晶θ
‑
al2cu相的变质处理方法进行变质处理所得的一种铝
‑
铜
‑
钙合金，其中的铜含量大于0 wt.%、小于51wt.%，钙含量大于等于0.01 wt.%、小于等于2wt.%，其余成分为铝及变质处理时由含钙物质所带入的或变质处理前铝
‑
铜合金所含有的其它元素。
7.优选的，采用上述铝
‑
铜合金中初生或共晶θ
‑
al2cu相的变质处理方法进行变质处理所得的一种铝
‑
铜
‑
钙合金，其中的铜含量大于0 wt.%、小于51wt.%，钙含量大于等于0.01 wt.%、小于等于2wt.%，其余成分为铝及不可避免杂质元素。
8.优选的，采用上述铝
‑
铜合金中初生或共晶θ
‑
al2cu相的变质处理方法进行变质处理所得的一种铝
‑
铜
‑
钙合金，其中的铜含量大于0 wt.%、小于51wt.%，钙含量大于等于0.1 wt.%、小于等于1wt.%，其余成分为铝及变质处理时由含钙物质所带入的或变质处理前铝
‑
铜合金所含有的其它元素。
9.优选的，采用上述铝
‑
铜合金中初生或共晶θ
‑
al2cu相的变质处理方法进行变质处理所得的一种铝
‑
铜
‑
钙合金，其中的铜含量大于0 wt.%、小于51wt.%，钙含量大于等于0.1 wt.%、小于等于1wt.%，其余成分为铝及不可避免的杂质元素。
10.本发明的有益效果：铝
‑
铜合金熔体中加入的钙元素，在随后合金凝固过程中会对共晶或初生al2cu相的晶粒形核产生促进作用或对生长过程产生抑制作用，从而产生使al2cu相尺寸减小、形貌改变的变质处理效果，改善合金的组织结构和性能。经上述变质处理方法所得的一种含有钙元素的铝
‑
铜
‑
钙合金，组织结构和性能优于未加钙的铝
‑
铜合金。在铝
‑
铜合金中加入少量钙元素并使其分布均匀，操作简单易行，适用于各种对铝
‑
铜合金进行熔体处理的铸造或焊接等生产工艺；同时钙元素价格较低，故变质处理的生产成本也较低。
附图说明
11.图1为未经变质处理的al
‑
40cu合金的光学显微镜组织结构图。其中发亮的条状或树枝状物相为初生θ
‑
al2cu相，其间的暗色区域为共晶组织（α
‑
al+θ
‑
al2cu）。
12.图2为本发明实施例一加入0.2wt.% 的钙元素进行变质处理后的al
‑
40cu合金光学显微镜组织结构图。其中发亮的物相为初生θ
‑
al2cu相。
13.图3 为本发明实施例二加入0.4wt.% 的钙元素进行变质处理后的al
‑
40cu合金光学显微镜组织结构图；其中发亮的物相为初生θ
‑
al2cu相。
14.图4 为本发明实施例三加入0.6wt.% 的钙元素进行变质处理后的al
‑
40cu合金光学显微镜组织结构图；其中发亮的物相为初生θ
‑
al2cu相。
15.图5为实施例四未经变质处理的al
‑
10cu合金的扫描电子显微镜背散射电子图像；亮色部分为包围α
‑
al晶粒（暗色基体）的粗片状共晶θ
‑
al2cu相。
16.图6为实施例四在al
‑
10cu合金中加入0.4wt.%的钙元素进行变质处理的al
‑
10cu合金扫描电子显微镜背散射电子图像；α
‑
al晶粒（暗色基体）之间发亮的细片状物相为共晶θ
‑
al2cu相，与其间的暗色片状铝相形成共晶组织。
17.图7 为实施例五在al
‑
10cu合金中加入1.0wt.%的钙元素后所得合金的扫描电子显微镜背散射电子图像；α
‑
al晶粒（暗色基体）晶界区域的明暗相间的层片状组织为共晶组织，其中发亮的细片状物相为共晶θ
‑
al2cu相。
具体实施方式
18.下面通过具体实施例对本发明做进一步的阐述。需要说明的是，下述实施例仅是为了解释本发明，并不对发明内容进行限定。
19.实施例一用钙元素对al
‑
40cu合金（其中cu的质量百分含量为40%）中的初生θ
‑
al2cu相进行变质处理，钙元素添加比例为0.2wt%，获得组织结构得到改善的一种al
‑
40cu
‑
0.2ca合金（其中ca的质量百分含量为0.2%，cu的质量百分含量为40.47%，其余为铝及不可避免的杂质元素）。
20.具体变质处理步骤如下。
21.（1）将al
‑
40cu合金熔化至770℃（液相线以上约200℃），得到合金熔体。
22.（2）将一定量的cu
‑
30wt.%ca中间合金加入上述熔体中，使钙元素在合金熔体中的含量比例为0.2wt.%，保温20分钟，对熔体进行搅拌，使ca元素在熔体中均匀分布。
23.（3）然后将所得熔体浇注入模具中，冷却后得到变质处理的al
‑
40cu
‑
0.2ca合金。
24.al
‑
40cu合金变质前，初生θ
‑
al2cu相是分枝发达的树枝晶粒、一次枝干尺寸达500μm以上，二次分枝尺寸达150μm以上（图1），用本实例变质后所得al
‑
40cu
‑
0.2ca合金所含的初生θ
‑
al2cu相分枝明显变少、长和宽尺寸减小，一次枝干尺寸大多在150μm以下，少量存在的二次分枝尺寸为25μm左右（图2），产生了明显的变质效果。
25.实施例二用钙元素对al
‑
40cu合金（其中cu的质量百分含量为40%）中的初生θ
‑
al2cu相进行变质处理，钙元素添加比例为0.4wt%，获得组织结构得到改善的al
‑
40cu
‑
0.4ca合金（其中ca的质量百分含量为0.4%，cu的质量百分含量为40%，还含有质量百分含量为0.93%的镁，其余为铝及不可避免的杂质元素）。
26.具体变质处理步骤如下。
27.（1）将al
‑
40cu合金熔化至700℃（液相线以上约130℃），得到合金熔体。
28.（2）将一定量的mg
‑
30wt.%ca中间合金加入上述熔体中，使钙元素在合金熔体中的含量比例为0.4wt.%，保温20分钟，对熔体进行搅拌，使ca元素在熔体中均匀分布。
29.（3）然后将所得熔体浇注入模具中，冷却后得到变质处理的al
‑
40cu
‑
0.4ca合金。
30.图3为本实例变质后所得al
‑
40cu
‑
0.4ca合金的组织结构图，与图1相比较，初生θ
‑
al2cu相分枝明显变少、尺寸减小，一次枝干尺寸大多在110μm以下，较少量存在的二次分枝尺寸为15μm左右，并出现尺寸为20μm左右的等轴晶。
31.实施例三用钙元素对al
‑
40cu合金（其中cu的质量百分含量为40%）中的初生θ
‑
al2cu相进行变质处理，钙元素添加比例为0.6wt%，获得组织结构得到改善的al
‑
40cu
‑
0.6ca合金（其中ca的质量百分含量为0.6%，cu的质量百分含量为40%，其余为铝及不可避免的杂质元素）。
32.具体变质处理步骤如下。
33.（1）将al
‑
40%cu合金熔化至750℃（液相线以上约180℃），得到合金熔体。
34.（2）将质量比例为4:6的cu
‑
30wt.%ca和al
‑
30wt.%ca中间合金混合加入上述熔体中，使钙元素在合金熔体中的含量比例为0.6wt.%，保温20分钟，对熔体进行搅拌，使ca元素在熔体中均匀分布。
35.（3）然后将所得熔体浇注入模具中，冷却后得到变质处理的al
‑
40cu
‑
0.6ca合金。
36.与变质前相比较（图1），本实例变质后所得al
‑
40cu
‑
0.6ca合金中初生θ
‑
al2cu相几乎无二次分枝、且一次枝晶粒尺寸大大减小，为30μm以下（图4），变质效果非常明显。
37.实施例四用钙元素对al
‑
10cu合金（其中cu的质量百分含量为10%）共晶组织（α
‑
al+θ
‑
al2cu）中的θ
‑
al2cu相进行变质处理，钙元素添加比例为0.4wt%，获得组织结构得到改善的一种al
‑
10cu
‑
0.4ca合金（其中ca的质量百分含量为0.4%，cu的质量百分含量为10%，其余为铝及不可避免的杂质元素）。
38.具体变质处理步骤如下。
39.（1）将al
‑
10cu合金熔化至710℃（液相线以上约100℃），得到合金熔体。
40.（2）将质量比例为1:9的cu
‑
20wt.%ca和al
‑
20wt.%ca中间合金混合加入上述熔体中，使钙元素在合金熔体中的含量比例为0.4wt.%，保温20分钟，对熔体进行搅拌，使ca元素在熔体中均匀分布。
41.（3）然后将所得熔体浇注入模具中，冷却后得到变质处理的al
‑
10cu
‑
0.4ca合金。
42.图5为al
‑
10cu合金变质前的组织结构图：在初生α
‑
al晶粒之间的晶界上生成了粗长片状、包围初生α
‑
al晶粒的共晶θ
‑
al2cu相，未能形成典型的α
‑
al与
‑
al2cu间隔分布的共晶组织。用本实例变质后所得al
‑
10cu
‑
0.4ca合金，粗长片状的θ
‑
al2cu相被打断，在初生α
‑
al晶粒之间的晶界上出现了数量更多、尺寸更细小（更短、更窄）且分散的θ
‑
al2cu相，从而与铝相形成数量更多的（α
‑
al+θ
‑
al2cu）共晶组织（图6）。
43.实施例五用钙元素对al
‑
10cu合金（其中cu的质量百分含量为10%）共晶组织（α
‑
al+θ
‑
al2cu）中的al2cu相进行变质处理，钙元素添加比例为1wt.%，获得组织结构得到改善的一种al
‑
10cu
‑
1ca合金（其中ca的质量百分含量为1%，cu的质量百分含量为10%，其余为铝及不可避免的杂质元素）。
44.具体变质处理步骤如下。
45.（1）将al
‑
10cu合金熔化至730℃（液相线以上约120℃），得到合金熔体。
46.（2）将质量比例为1:9的cu
‑
30wt.%ca和al
‑
30wt.%ca中间合金混合加入上述熔体中，使钙元素在合金熔体中的含量比例为1wt.%，保温15分钟，对熔体进行搅拌，使ca元素在熔体中均匀分布。
47.（3）然后将所得熔体浇注入模具中，冷却后得到变质处理的al
‑
10cu
‑
1ca合金。
48.用本实例变质后所得al
‑
10cu
‑
1ca合金的组织结构见图7，可以看到，在初生α
‑
al晶粒之间的晶界上出现了大量尺寸细小、间隔分布的共晶θ
‑
al2cu相，在晶界上形成了大量（α
‑
al+θ
‑
al2cu）共晶组织，完全消除了变质前包围初生α
‑
al晶粒的粗长片状θ
‑
al2cu相（图5）。