一种高强度铸造铝合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高强度铸造铝合金及其制备方法 (High-strength cast aluminum alloy and preparation method thereof ) 是由 尹文君 赵一钢 陈红伟 王庆云 杨冰儒 向祯晖 何子瑜 常开应 查少雄 白爽 于 2021-06-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种高强度铸造铝合金及其制备方法,其特征在于由下列质量百分比的组分制成：3.0～6.5% Cu、0.3～1.2% Mn、0.4～1.0% Mg、0.2～1.6%Ag、1.5～3.0%Ti、0.6～1.5%B、0～0.2%稀土元素和余量的Al组成。通过各组分科学、合理的配比,工艺处理,析出强化效果显著的CuAl-(2)相、Al-(2)CuMg过渡相,提高其耐热性,弥散分布的MnAl-(6)相能阻止铝合金的结晶过程和晶粒长大、显著细化晶粒,Ag-Mg原子团的耐热性好,形成非自发核心的TiAl-(2)相,有效细化内部组织,提高铝合金的室温和高温力学性能,使高强度铸造铝合金在室温下的抗拉强度σ-(b)达506MPa,室温硬度HB达147；200℃高温抗拉强度σ-(b)达447MPa,290℃高温抗拉强度σ-(b)达308MPa。(The invention provides a high-strength cast aluminum alloy and a preparation method thereof, which are characterized by being prepared from the following components in percentage by mass: 3.0-6.5% of Cu, 0.3-1.2% of Mn, 0.4-1.0% of Mg, 0.2-1.6% of Ag, 1.5-3.0% of Ti, 0.6-1.5% of B, 0-0.2% of rare earth element and the balance of Al. CuAl with obvious precipitation strengthening effect is separated out through scientific and reasonable proportioning and process treatment of all components 2 Phase, Al 2 CuMg transition phase, improved heat resistance, and dispersed MnAl 6 The phase can prevent the crystallization process and grain growth of the aluminum alloy, obviously refine grains, have good heat resistance of Ag-Mg atomic groups and form TiAl of a non-spontaneous core 2 Effectively refines the internal structure, improves the room-temperature and high-temperature mechanical properties of the aluminum alloy, and ensures that the tensile strength sigma of the high-strength cast aluminum alloy at room temperature b Up to 506MPa, roomThe temperature hardness HB reaches 147; tensile strength sigma at high temperature of 200 DEG C b Reaches 447MPa and high-temperature tensile strength sigma at 290 DEG C b Reaching 308 MPa.)
技术领域
本发明涉及一种铝合金及其制备方法，特别是一种高强度铸造铝合金及其制备方法，属于冶金材料技术领域。
背景技术
铝合金作为轻质的商用金属工程结构材料，具有比强度高、比弹性模量大、耐腐蚀性能强、加工成型性好、易于回收利用等优点，是一种广泛应用于航空、航天、航海、汽车、机械制造及化学工业等领域的有色金属结构材料。铝合金以铝为基础，通过添加铜、镁、锌或锰等合金化元素，使铝合金的强度有了显著提高。铸造铝合金以熔融金属充填到铸型腔中冷却成型，具有受零件结构设计限制小的优点，广泛作为轻量化要求较高的结构件，如航空航天器壳体、水下航行器壳体、汽车气缸盖、变速箱壳体、仪器仪表壳体等。铸造AlCu系合金是一种强度较高的铸造铝合金，具有低密度比强度高、抗蚀性和铸造工艺性好的特点，其抗拉强度在200～300Mpa，ZL204A、ZL205A经T5热处理后，抗拉强度甚至可达450MPa，但该材料的硬度较低（通常HB≤120），并且采用T5不完全人工时效热处理，内部组织结构处于亚稳定状态，在较高温度时其抗拉强度下降显著，难以满足高性能铸造铝合金材料的要求，特别是随着工业技术的发展，零部件的服役环境发生了变化，对材料的性能要求越来越高，不仅要求材料具有更高的室温性能，而且要求在较高温度环境下，也能保持足够的机械性能。因此，开发高强度铸造铝合金材料是目前铝合金研发的重要目标之一。
发明内容
为解决现有铝合金存在的室温硬度低、高温环境下抗拉强度急剧下降等问题，本发明提供一种高强度铸造铝合金及其制备方法。
本发明通过下列技术方案完成：一种高强度铸造铝合金，其特征在于由下列质量百分比的组分制成：
Cu 3.0～6.5%、
Mn 0.3～1.2%、
Mg 0.4～1.0%、
Ag 0.2～1.6%、
Ti 1.5～3.0%、
B 0.6～1.5%、
稀土元素 0～0.2%、
Al 余量、
上述各组分总和为100%。
所述稀土元素为Ce、Y、Nd、La、Pr、Er、Sc中的一种或者任意的2-3种，且2-3几种是等比例配入。
本发明提供的高强度铸造铝合金通过下列步骤制备：
1）、按下列质量百分比备料：
Cu 3.0～6.5%、
Mn 0.3～1.2%、
Mg 0.4～1.0%、
Ag 0.2～1.6%、
Ti 1.5～3.0%、
B 0.6～1.5%、
稀土元素 0～0.2%、
Al 余量、
上述各组分总和为100%；
上述组分为铝锭、纯铜、纯锰、纯镁、纯银、纯钛、纯硼、稀土元素；
或者为Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Ag中间合金、Al-Ti中间合金、Al-B中间合金；
2）、将铝锭放入熔炉内加热至溶化后，依次加入纯铜、纯锰、纯银、稀土元素；或者加入Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ag中间合金、Al-Ti中间合金、Al-B中间合金，在750℃～800℃恒温下加入精炼剂、通入气体，精炼5～30min；
3）、将熔炉温度降至680℃～720℃时，加入纯镁或者Al-Mg中间合金，之后升温至740℃～780℃，加入纯钛、纯硼或者Al-Ti中间合金、Al-B中间合金，并充分搅拌10～30min；
4）、将熔炉温度降至680℃～720℃时，再次加入精炼剂、通入气体，精炼5～30min，之后静置5～20min，得合金熔体；
5）、将模具预热至150℃～250℃，然后在模具内壁喷上脱模剂，将步骤4）的合金熔体浇铸到该模具中，冷却；
6）、步骤5）的浇铸成型件冷却至300～480℃时，进行三级固溶处理，随后冷却至110～140℃时，进行二级时效热处理，最后随炉冷却至室温，脱模，得高强度铸造铝合金。
所述步骤1）的铝锭、纯铜、纯锰、纯镁、纯银、纯钛、纯硼、稀土元素为市购工业级产品。
所述步骤1）的Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Ag中间合金、Al-Ti中间合金、Al-B中间合金为市购工业级产品。
优选的是，所述步骤1）中控制Ag、Mg质量比为：Ag/Mg=0.2～4。
优选的是，所述步骤1）中控制Ti、B质量比为：Ti/B=1～5。
所述步骤2）、4）中的精炼剂为六氯乙烷或氯盐，其与铝合金熔体的质量比为：铝合金熔体:精炼剂=400～300:1。
所述步骤2）、4）中通入的气体是氩气或氮气，保持熔炉气氛为氩气或氮气氛围。
所述三级固溶处理具体如下：在300℃～480℃下保温16～24h，然后升温至500℃～510℃下保温4～16h，最后再升温至515℃～550℃下保温4～16h；通过三级固溶处理，能大大提高铝合金的淬火温度，使铸态铝合金中的析出相溶到α-Al基体中；同时，通过控制固溶升热温度和保温时间，抑制晶粒长大。
所述二级时效热处理具体如下：在110℃～140℃下保温10～20h，然后升温至170℃～200℃下保温4～16h；通过二级时效热处理，使不同强化相按顺序弥散析出并长大，形成均匀分布、多尺度的析出相，最终提高合金的室温和高温强度。
所述步骤5）的脱模剂为常规产品。
本发明的：
高强度铸造铝合金中的3.0～6.5%Cu，可通过时效析出CuAl2相，具有显著的时效强化效果，并有一定固溶强化效果。时效形成GP区和细小沉淀，对铝合金起到强化效果，并形成Al2CuMg过渡相，强化效果最大。同时，Al2CuMg过渡相有较好的耐热性；
高强度铸造铝合金中的0.3～1.2%Mn，可形成弥散分布的MnAl6相，可阻止铝合金的结晶过程和晶粒长大，显著细化晶粒；
高强度铸造铝合金中的0.2～1.6%Ag，可在界面偏聚，易与Mg发生作用，形成Ag-Mg原子团，具有较好的耐热性；
高强度铸造铝合金中的1.5～3.0%Ti和0.6～1.5%B，其中的钛能与铝形成TiAl2相，结晶时成为非自发核心，起到细化内部组织的作用；其中的B能形成微小的TiB2颗粒强化相；
高强度铸造铝合金中的0～0.2%稀土元素，起到细化晶粒、增强机械性能的作用。
本发明具有下列优点及效果：采用上述方案，即通过各组分科学、合理的配比，尤其是控制合金中Ag/Mg和Ti/B的比例，再通过三级固溶和二级时效热处理，析出强化效果显著的CuAl2相、Al2CuMg过渡相，提高铝合金的耐热性，形成可阻止铝合金的结晶过程和晶粒长大、显著细化晶粒的弥散分布的MnAl6相，形成耐热性好的Ag-Mg原子团，形成结晶时能成为非自发核心的TiAl2相，细化内部组织，形成微小的TiB2颗粒强化相，提高了铝合金的室温和高温力学性能，使高强度铸造铝合金在室温下的抗拉强度σb达506MPa，室温硬度HB达147；200℃高温抗拉强度σb达447MPa，290℃高温抗拉强度σb达308MPa。
附图说明
图1为实施例1的高强度铸造铝合金高温性能图。
图2为实施例1的高强度铸造铝合金微观组织形貌图。
图3为实施例2的高强度铸造铝合金微观组织形貌图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步描述，但本发明技术方案不局限于以下所列举的实施例，还包括各具体实施方式间的任意组合。
本发明没有特别说明的设备均为常规设备。
实施例1
一种高强度铸造铝合金的制备方法，包括下列步骤：
1、按下列质量百分比备原料：6.5%Cu、1.2%Mn、0.4%Mg、1.6%Ag、3.0%Ti、0.6%B、0.2%Ce和86.5%Al；其中原料为：铝锭、纯铜、纯镁、纯银、稀土元素铈和Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-B中间合金；且Ag和Mg的质量比为Ag/Mg＝4；Ti和B的质量比为Ti/B＝5；
2、将铝锭放入熔炉内加热至溶化，依次加入纯铜、纯银、稀土元素铈和Al-Mn中间合金，并加入六氯乙烷、通入氩气，使熔炉保持氩气氛围，在750℃下精炼30min，其中：六氯乙烷与铝合金溶体的质量比为：铝合金熔体:精炼剂=300:1；
3、将熔炉温度降至720℃，加入纯镁，随后升温至740℃，加入Al-Ti中间合金、Al-B中间合金，并充分搅拌30min；
4、待熔炉温度降至680℃，再次加入六氯乙烷、通入氩气，使熔炉保持氩气氛围，精炼30min，六氯乙烷与合金溶体的质量比同步骤2，之后静置20min，得合金熔体；
5、将模具预热至250℃，然后在模具内壁喷上常规脱模剂，将步骤4）的合金熔体浇铸到该模具中，冷却；
6、铸件冷却至450℃时保温16h，然后升温至510℃保温4h，最后再升温至550℃保温4h；
7、铸件冷却至140℃时保温10h，然后升温至195℃保温4h，最后随炉冷却至室温，脱模，得高强度铸造铝合金，其室温机械性能为：抗拉强度σb=506MPa，屈服强度σ0.2=467MPa，弹性模量E=77.2GPa，硬度HB=147，延伸率δ5=4.2%。高温性能：200℃高温抗拉强度σb=447MPa，290℃高温抗拉强度σb=308MPa，如图1所示，显微组织如图2所示。
实施例2
一种高强度铸造铝合金的制备方法如下：
1、按下列质量百分比备原料：3.0%Cu、0.3%Mn、1.0%Mg、0.2%Ag、3.0%Ti、1.5% B和91%的Al；其中原料为：铝锭、纯镁、纯银、纯钛、纯硼和Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-B中间合金；并且Ag和Mg的质量比为Ag/Mg＝0.2；Ti和B的质量比为Ti/B＝1；
2、将铝锭放入熔炉内加热至溶化，依次加入纯银、纯钛、纯硼和Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金，并加入六氯乙烷，通入氮气，在800℃下精炼5min，其中：六氯乙烷与合金溶体的质量比为400:1；
3、将熔炉温度降至700℃时，加入纯镁，随后升温至780℃，加入Al-Ti中间合金、Al-B中间合金，并充分搅拌10min；
4、待熔炉温度降至720℃时，再次加入六氯乙烷、通入氮气，精炼5min且六氯乙烷与合金溶体的质量比为400:1，之后静置5min，得合金熔体；
5、将模具预热至150℃，然后在模具内壁喷上常规脱模剂，将步骤4）的合金熔体浇铸到该模具中，冷却；
6、铸件冷却至300℃时保温24h，然后升温至500℃保温16h，最后再升温至515℃保温16h；
7、铸件冷却至110℃时保温20h，然后升温至170℃保温16h，最后随炉冷却至室温，脱模，得高强度铸造铝合金，其室温机械性能为：抗拉强度σb=477MPa，屈服强度σ0.2=454MPa，弹性模量E=72.2GPa，硬度HB=146，延伸率δ5=2.0%。高温性能：200℃高温抗拉强度σb=345MPa，290℃高温抗拉强度σb=264MPa，显微组织如图3所示。
实施例3
一种高强度铸造铝合金的制备方法如下：
1、按下列质量百分比备原料：4.8% Cu、0.5%Mn、0.8%Mg、0.6% Ag、2.5%Ti、1.0% B、0.2%Y、0.2%Nd和89.4%的Al；其中原料为：铝锭、纯铜、纯锰、纯镁、纯银、纯钛、纯硼、稀土元素钇和钕；且Ag和Mg的质量比为Ag/Mg＝0.75；Ti和B的质量比为Ti/B＝2.5；
2、将铝锭放入熔炉内加热至溶化，依次加入纯铜、纯锰、纯银、稀土元素钇和钕，在780℃保温，并加入六氯乙烷，通入氩气，精炼15min，其中：六氯乙烷与合金溶体的质量比为350:1；
3、将熔炉温度降至710℃，加入纯镁，随后升温至750℃，加入纯钛、纯硼，并充分搅拌20min；
4、待熔炉温度降至700℃时，再次加入六氯乙烷、通入氩气，精炼15min，其中：六氯乙烷与合金溶体的质量比为350:1，之后静置15min，得合金熔体；
5、将模具预热至200℃，然后在模具内壁喷上常规脱模剂，将步骤4）的合金熔体浇铸到该模具中，冷却；
6、铸件冷却至400℃时保温20h，然后升温至505℃保温10h，最后再升温至525℃保温10h；
7、铸件冷却至130℃时保温14h，然后升温至185℃保温8h，最后随炉冷却至室温，脱模，得高强度铸造铝合金，其室温机械性能为：抗拉强度σb=492MPa，屈服强度σ0.2=456MPa，弹性模量E=73.6GPa，硬度HB=144，延伸率δ5=4.4%。高温性能：200℃高温抗拉强度σb=360MPa，290℃高温抗拉强度σb=277MPa。