一种降低热裂敏感倾向性的Al-4Cu(TiZr)合金及工艺
阅读说明：本技术 一种降低热裂敏感倾向性的Al-4Cu(TiZr)合金及工艺 (Al-4Cu (TiZr) alloy capable of reducing hot cracking sensitivity tendency and process ) 是由 王志 王峰 周乐 毛萍莉 刘诗萌 魏子淇 刘正 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：一种降低热裂敏感倾向性的Al-4Cu(TiZr)合金及工艺,Al-4Cu(TiZr)合金的原料包括：工业纯Al、Al-30wt.％Cu中间合金和晶粒细化剂Al-0.3Ti-0.6Zr；该材料各元素质量百分比含量为：Cu：3.5-4.5wt.％、Ti0.1-0.4wt.％、Zr0.3-0.6wt.％,杂质总量小于等于0.40wt.％和余量为Al。工艺为：先将纯Al预热20-30min,180-200℃温度；熔化纯Al；将预热后的Al-30wt.％Cu中间合金和晶粒细化剂Al-0.3Ti-0.6Zr直接加入纯Al熔体中,搅拌混合均匀后,熔体温度继续升高到790-800℃,保温1-1.5小时；再降低到720-740℃,静置20-30分钟,扒去表面浮渣后浇铸到预热温度为200-250℃的热裂测试模具中30-60分钟,待铸件完全凝固后取出样品观察合金的热裂敏感倾向性。(An Al-4Cu (TiZr) alloy for reducing the susceptibility to heat cracking and a process thereof, wherein the Al-4Cu (TiZr) alloy comprises the following raw materials: commercially pure Al, Al-30 wt.% Cu master alloy and grain refiner Al-0.3Ti-0.6 Zr; the material comprises the following elements in percentage by mass: cu: 3.5-4.5 wt.%, Ti0.1-0.4 wt.%, Zr0.3-0.6 wt.%, total impurities less than or equal to 0.40 wt.%, and the balance Al. The process comprises the following steps: firstly, preheating pure Al for 20-30min at the temperature of 180-; melting pure Al; directly adding preheated Al-30 wt.% Cu intermediate alloy and grain refiner Al-0.3Ti-0.6Zr into a pure Al melt, stirring and mixing uniformly, continuously increasing the temperature of the melt to 790 ℃ and 800 ℃, and preserving heat for 1-1.5 hours; and then reducing the temperature to 720-740 ℃, standing for 20-30 minutes, removing surface scum, casting into a thermal cracking test mould with the preheating temperature of 200-250 ℃ for 30-60 minutes, and taking out a sample after the casting is completely solidified to observe the thermal cracking sensitivity tendency of the alloy.)
技术领域
本发明属于材料性能优化领域，涉及一种降低热裂敏感倾向性的Al-4Cu(TiZr)合金及性能优化工艺。
背景技术
Al-Cu铸造合金是应用最早的一种可热处理型铸造合金，其最大的特点是耐热性高，是所有铸造铝合金中耐热性最高的一类合金。其高温强度随着铜含量的增加而提高。但铜含量增加，合金的密度增加，脆性增大，焊接性能下降，耐蚀性降低。Al-Cu合金中的Cu元素含量为4％～6wt.％时，Al-Cu合金的热处理强化效果最好；该合金具有高的热处理效果和热稳定性，适于铸造高温铸件。但这种合金的线收缩和热裂倾向大，铸造性能差，易产生热裂纹，产生铸造缺陷的问题。
发明内容
发明目的
本发明为了解决现有Al-4Cu合金热裂倾向性高，产生铸造缺陷的问题，提供一种降低Al-4Cu(TiZr)即Al-4Cu合金中添加晶粒细化剂Al-0.3Ti-0.6Zr的合金热裂敏感倾向性的优化工艺，使Al-4Cu(TiZr)合金的热裂敏感倾向性降低或不产生热裂纹，以满足工业领域的需要。
技术方案
一种降低热裂敏感倾向性的Al-4Cu(TiZr)合金，所述Al-4Cu(TiZr)合金的原料包括：工业纯Al、Al-30wt.％Cu中间合金和晶粒细化剂Al-0.3Ti-0.6Zr；该材料各元素质量百分比含量为：Cu：3.5-4.5wt.％、Ti0.1-0.4wt.％、Zr0.3-0.6wt.％，杂质总量小于等于0.40wt.％和余量为Al。
降低热裂敏感倾向性的Al-4Cu(TiZr)合金的工艺为：
预热熔化：先将工业纯Al预热20-30min，温度为180-200℃，以减少其表面的水分；用氧化铝坩埚在井式电炉中熔化工业纯Al；
混合：待作为母合金的工业纯Al全部熔化后，先将Al-30wt.％Cu中间合金和晶粒细化剂Al-0.3Ti-0.6Zr在高于工业纯Al预热温度的20-50℃条件下预热20-30min，将预热后的Al-30wt.％Cu中间合金和晶粒细化剂Al-0.3Ti-0.6Zr直接加入工业纯Al熔体中，经机械搅拌5-10分钟，搅拌速率为100-120rpm，混合均匀后，熔体温度继续升高到790-800℃，并在该温度下保温1-1.5小时；
铸模：保温后再降低到720-740℃，静置20-30分钟，扒去表面浮渣后浇铸到预热温度为200-250℃的热裂测试模具中30-60分钟，待铸件完全凝固后取出样品观察合金的热裂敏感倾向性。
优点及效果：
通过上述成分配比和制备工艺制出的Al-4Cu(TiZr)合金热裂敏感倾向性显著降低，熔体在790-800℃下保温1-1.5小时，合金液中的所有固相晶粒及原子集团被“溶解”，完全消失，破坏原始合金的组织遗传性，不必添加合金元素就能达到变质效果，从而降低合金的热裂敏感倾向性。
附图说明
图1为本发明实施例1的Al-4Cu(TiZr)合金热裂曲线；
图2为本发明实施例2的Al-4Cu(TiZr)合金热裂曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
一种降低热裂敏感倾向性的Al-4Cu(TiZr)合金，所述Al-4Cu(TiZr)合金的原料包括：工业纯Al、Al-30wt.％Cu中间合金和晶粒细化剂Al-0.3Ti-0.6Zr；该材料各元素质量百分比含量为：Cu：3.5-4.5wt.％、Ti0.1-0.4wt.％、Zr0.3-0.6wt.％，杂质总量小于等于0.40wt.％和余量为Al。
实施例1
先将工业纯Al在180-200℃下预热20min，以减少其表面的水分；采用氧化铝坩埚在井式电炉中先熔化工业纯Al，待母合金全部熔化后，将Al-30wt.％Cu中间合金和晶粒细化剂Al-0.3Ti-0.6Zr在高于纯Al预热温度的20-50℃条件下预热20-30min预热后直接加入熔体中，经搅拌速率为120rpm机械搅拌5-10min混合均匀后，熔体温度升高到740℃后静置20-30min，扒去表面浮渣后，浇铸到预热时间为60min、预热温度为250℃的热裂测试模具中，待铸件完全凝固后取出样品观察合金热裂敏感倾向性。合金中，Cu3.8wt.％、Ti0.2wt.％、Zr0.5wt.％，杂质总量0.35wt.％和余量为Al。
随着凝固过程的进行，合金逐渐冷却产生凝固收缩力，并且凝固收缩力随着凝固时间逐渐增大。一旦试样中萌生裂纹，就会出现收缩力松弛的现象，表现为凝固收缩力曲线上力的突然下降或者是不再增长(即水平阶段)。图1为Al-4Cu(TiZr)合金热裂曲线，具体在浇铸温度为740℃，模具温度为250℃时，黑色的凝固收缩力曲线上有一段明显的力下降阶段(竖虚线标识阶段)，表明该合金产生了明显的裂纹，通过观察其样品实例宏观照片也表明其产生了较大的热裂纹。
实施例2
先将工业纯Al在190℃下预热25min，以减少其表面的水分；采用氧化铝坩埚在井式电炉中先熔化工业纯Al，待母合金全部熔化后，将Al-30wt.％Cu中间合金和晶粒细化剂Al-0.3Ti-0.6Zr在高于纯Al预热温度的35℃条件下预热25min预热后直接加入熔体中，经搅拌速率为110rpm机械搅拌8min混合均匀后，熔体温度继续升高到800℃，并在该温度下保温1小时，然后再降低到740℃，静置25min，扒去表面浮渣后，浇铸到预热时间为45min、预热温度为250℃的热裂测试模具中，待铸件完全凝固后取出样品观察合金热裂敏感倾向性。合金中，Cu4.0wt.％、Ti0.3wt.％、Zr0.6wt.％，杂质总量0.28wt.％和余量为Al。
通过分析图2中Al-4Cu(TiZr)合金热裂曲线可知，Al-4Cu(TiZr)熔体温度升高到800℃，并在该温度下保温1小时后，熔体温度降低至740℃下浇铸，模具温度为250℃，黑色的凝固收缩力曲线上没有明显的力的突然下降或者是水平阶段，表明该合金没有产生明显的裂纹，通过观察其样品宏观实例照片也表明其没有裂纹产生。
实施例3
先将工业纯Al在180℃下预热20min，以减少其表面的水分；采用氧化铝坩埚在井式电炉中先熔化工业纯Al，待母合金全部熔化后，将Al-30wt.％Cu中间合金和晶粒细化剂Al-0.3Ti-0.6Zr在高于纯Al预热温度的20℃条件下预热30min预热后直接加入熔体中，经搅拌速率为110rpm机械搅拌10min混合均匀后，熔体温度继续升高到795℃，并在该温度下保温1.2小时，然后再降低到730℃，静置20min，扒去表面浮渣后，浇铸到预热时间为30min、预热温度为230℃的热裂测试模具中，待铸件完全凝固后取出样品观察合金热裂敏感倾向性。合金中，Cu4.5wt.％、Ti0.4wt.％、Zr0.3wt.％，杂质总量0.38wt.％和余量为Al。
实施例4
先将工业纯Al在200℃下预热30min，以减少其表面的水分；采用氧化铝坩埚在井式电炉中先熔化工业纯Al，待母合金全部熔化后，将Al-30wt.％Cu中间合金和晶粒细化剂Al-0.3Ti-0.6Zr在高于纯Al预热温度的50℃条件下预热20min预热后直接加入熔体中，经搅拌速率为120rpm机械搅拌5min混合均匀后，熔体温度继续升高到800℃，并在该温度下保温1.5小时，然后再降低到740℃，静置30min，扒去表面浮渣后，浇铸到预热时间为60min、预热温度为250℃的热裂测试模具中，待铸件完全凝固后取出样品观察合金热裂敏感倾向性；合金中，Cu4.3wt.％、Ti0.1wt.％、Zr0.4wt.％，杂质总量0.28wt.％和余量为Al。
实验表明：试件在实施例3和实施例4的试验参数条件下，黑色的凝固收缩力曲线上没有明显的力的突然下降或者是水平阶段，表明该合金没有产生明显的裂纹，通过观察其样品宏观实例照片也表明其没有裂纹产生，同样能够实现本发明的技术效果；实施例2为本发明技术方案中最优试验数据，因此说明书附图中给出了实施例2的Al-4Cu(TiZr)合金热裂曲线。
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