高强度高致密度铸造铝硅合金

1.一种高强度高致密度铸造铝硅合金，其化学成分为：Si7-10％、Mg0.15-0.3％、Cu1.75-2.5％、Mn0.2-0.35％、富铈混合稀土(RE)0.01-0.04％、杂质Fe≤0.3％、Al为余量。

[001] 本发明涉及一种铸造铝硅系合金，特别是一种高强度高致密度铸造铝硅合金。\n[002] 众所周知，目前常用铸造铝硅系合金，如ZL104、ZL101等虽有好的铸造性能及高的致密度，但其机械性能，特别是伸长率低，已不能适应日益发展的高科技的需要。\n[003] 当前国外，在高强度、高致密度铸造铝硅合金方面已取得很大进展，并已用于生产。几种有代表性的合金列于表1：(表1见文后)\n[004] 这些合金的特点是：有高的致密度和高的机械性能。在J、T6状态下，σb均大于294MPa；δ5也能大于3％；在S、T6状态下，σb虽能基本上达到294MPa的水平，但δ5仍然较低，仅处于≥2％。这些合金的机械性能之所以能达到目前的水平，主要原因是使用了高纯度的材料，合金杂质铁(Fe)含量控制在0.2％以下，或者是在合金中加入了毒性较大的合金元素铍(Be)，或者是二者兼有之。\n[005] 目前，国内在同类型合金研究与应用方面也取得了较大的进展，几种有代表性的合金列于表2。(表2见文后)\n[006] 表2所列合金机械性能提高的途径也是使用了高纯度的原材料或使用了Be，如ZL101A、ZL114A、ZL116A等；有的虽未使用高纯度的原材料或Be，如T84，尽管它的σb较高，但δ5太低，尚不足1％，因此仍不能满足需要。\n[007] 本发明的目的在于提供一种既不使用高纯度的原材料进行熔制，又不加入毒性大的合金元素铍的高强度高致密度铸造铝硅合金。\n[008] 本发明可以通过以下措施来实现：\n[009] 本发明所述合金的成分及其含量范围如下：Cu1.75-2.5％、Si7-10％、Mg0.15-0.3％、Mn0.2-0.35％、富铈混合稀土RE0.01-0.04％、B、Ti微量，主要杂质Fe≤0.3％，Al为余量。由于该合金的含硅量较高，固可保证它具有良好的铸造性能和高的致密度；Cu和Mg均参与时效强化，可比Cu或Mg单独参与时效强化得到更好的强化效果，因此该合金具有更高的抗拉强度。\n[010] 由表2可见，T85、T84合金中尽管也加入了锰，以降低杂质Fe的有害影响(同Tens-50合金相比)，合金的伸长率仍然很低，其原因显而易见的，即锰的作用远不及铍。鉴于上述这一原因，本发明则另辟新的工艺途径，通过大量试验，使用富铈混合稀土金属取代铍并取得了成功。\n[011] 当前国内外均将富铈混合稀土金属做为铸造铝硅合金的变质剂使用，其用量在0.2％以上(占合金液总重)。本发明则不同，将其做为一种添加剂，提高合金的伸长率，故用量极低。研究结果表明随合金中RE含量的变化，合金的抗拉强度变化不大，但δ5变化很大。起初随RE量的增加，δ5增加，当RE含量达到0.025％左右时，δ5达到最高值，此后若继续增加RE含量，δ5便快速下降。可见适量的RE对合金机械性能的影响与Mg、Cu等不同，它的优势在于，基本上不损失σb的同时可使原合金的δ5提高30％左右。\n[012] 合金熔炼在电阻坩埚炉中进行，合金熔制过程中合金液的最高温度≤760℃，合金在740-750C进行除气处理，除气剂为C2Cl6用量为合金液总量的0.4％；除气后合金静置5-10分钟后，进行孕育处理，然后加入铝稀土中间合金，加入温度为740-750℃，最后进行变质处理，变质剂为NaCl、NaF、KCl的混合物，用量为合金液重量的1.4-1.5％。Al-Mn、Al-Cu、Al-Si等中间合金同重熔用铝锭一起加入。重熔用镁锭在合金液除气前加入，加入温度为720℃。\n[013] 该合金的热处理工艺在空气循环电炉中进行，热处理的工艺参数见表3。(表3见文后)\n[014] 本发明所述合金符合设计和生产要求，具有良好的性能，与国内外高强度铸造铝硅系合金相比达到国际水平，具有如下优点：\n[015] 由于本发明中对合金机械性能危害极大的杂质铁的允许含量较高，可达0.3％，又不含有毒的合金元素Be等，因此本发明可以使用普通工业纯的原材料进行熔制，故可大大降低合金成本，熔炼设备无需进行技术改造，并可节省环保投资；加之合金元素含量范围宽，合金成分易于保证，熔炼工艺简便易行。有多种使用状态，易满足不同用户的使用要求。正因如此，本发明的成本与ZL104等普通铸造铝合金相近，但机械性能却达到了高纯铝生产的铝硅合金的水平。\n[016] 下面列举4个具体实施例：\n[017] 实施例1：\n[018] 合金熔炼在30Kg电阻坩埚炉中进行，原材料配比如下：    合金成分    含量    Mg    0.3    Mn    0.25    Si    8    Cu    2.2    RE    0.03    Fe    ≤0.3    Al    余量\n[019] 熔炼该合金所用金属材料如下：重熔用铝锭、重熔用镁锭、Al-Mn10％中间合金、Al-Cu50％中间合金、Al-RE10％中间合金、Al-Si14％中间合金，RE中Ce的含量在45％以上。\n[020] 熔炼工艺如下：\n[021] 717℃加镁\n[022] 742℃除气，除气剂C2Cl6≥50％\n[023] 742℃孕育处理，孕育剂Ti/B＝5\n[024] 740℃加RE\n[025] 740℃变质处理，变质剂为三元：NaCl40％、NaF45％、KCl15％\n[026] 浇注温度为690℃，熔炼总时间不超过6小时。成品成分见下表：    Si    0.92    Cu    2.30    Mg    0.19    Mn    0.27    Ti    0.0091    B    0.0017    RE    0.025    Fe(杂质)    0.26\n[027] 机械性能和热处理参数见下表：(表4见文后)\n[028] 熔炼设备及原料配比同实施例1，熔炼工艺如下：\n[029] 实施例2\n[030] 熔炼设备及原料配比同实施例1，熔炼工艺如下：\n[031] 716℃加镁\n[032] 740℃除气、孕育处理、加RE\n[033] 738℃变质处理\n[034] 浇铸温度690℃成品成分见下表：    Si    7.64    Cu    2.11    Mg    0.20    Mn    0.27    Ti    0.0064    B    RE    0.024    Fe(杂质)    0.24\n[035] 机械性能和热处理参数见下表：(表5见文后)\n[036] 实施例3\n[037] 熔炼设备及原料配比同上，熔炼工艺如下：\n[038] 720℃加镁\n[039] 740℃除气、孕育处理\n[040] 737℃加RE\n[041] 740℃变质处理\n[042] 浇铸温度690℃成品成分见下表：    Si    0.07    Cu    1.99    Mg    0.18    Mn    0.29    Ti    0.009    B    RE    0.023    Fe(杂质)    0.30机械性能和热处理参数见下表：(表6见文后)实施例4熔炼设备及原料配比同上，熔炼工艺如下：725℃加镁740℃除气、孕育处理735℃加RE730℃开始浇铸，浇铸温度690℃-700℃成品成分见下表：    Si    8.24    Cu    2.18    Mg    0.22    Mn    0.28    Ti    0.0051    B    0.0016    RE    0.022    Fe(杂质)    0.30\n[043] 机械性能和热处理参数见下表：(表7见文后)\n[044]                                           表1国别  合金牌号  杂质铁  含量％    铸型    条件  热处理  状态       机械性能         备注  σbMPa  δ5％美  A356  ≤0.2    S*    T6*  ≥234  ≥3.5    ASTMB686-85美  Tens-50  ≤0.3    S    T6  288  3    合Be0.1-0.4％美  A357  ≤0.2    J*    T6  ≥310.0  ≥3.0    AMS4219A原苏联  BAЛ5  ≤0.3    S    T5  ≥294  ≥2    含Be0.1-0.3％    OCT2685-75    J  ≥333.2  4原苏联  AЛ4Л  ≤0.2    J    T6*  274.4  3    OCT92-1516    含Zr、Be    T6*  294  3S*                                             -砂型铸造J-金属型铸造T6-固溶处理加完全人工时效T5-固溶处理加不完全人工时效T5-固溶处理加不完全人工时效\n[045]                                            表2序号合金牌号  杂质铁  含量％ 铸型条件  热处理  状态         机械性能    σbMPa    δ5％  1  ZL114A  ≤0.2    SB*    T5    ≥290.2    ≥2    J、JB    ≥310    ≥3  2  T85  ≤0.3    J    T6    343.0    1.5  3  T84  ≤0.3    S    T6    323.4    ～1.0  4  ZL101A  ≤0.2    SB    T5    ≥231    ≥4    J    ≥261    ≥4  5  ZL101A  ≤0.2    S    T6    ≥271    ≥2    J    ≥290    ≥3SB*-变质处理\n[046]                                             表3  热处理  状态                   固溶处理       时效处理    固溶处理    介质及温度    ℃        一级        二级    温度    ℃   时间    h    温度℃  时间h  温度℃  时间h  T5    485    -495    4    520    -525    8    160    -165    6    水，50-100  T6    170    -175    6\n[047]                                  表4  铸型  条件  试样  种类   热处理状态            机械性能  σbMPa  δ5  HB  SB  单铸   淬火490℃保温4h   T6 525℃保温8h   时效175℃保温6h   299.4   2.3  106\n[048]                                     表5铸型条件试样种类       热处理状态               机械性能    σbMPa    δ5    HBSB单铸  淬火490℃保温4h  T5 530℃保温8h  不完全时效162℃保温6h    280.3    3.4    103  淬火490℃保温4h  T6 525℃保温8h  时效175℃保温6h    299.9    2.4    110\n[049]                                表6铸型条件试样种类  热处理状态            机械性能  σbMPa    δ5    HBSB单铸  淬火490℃保温4h  T5 525℃保温8h  不完全时效162℃保温6h  278.6    3.4    101\n[050]                                         表7铸型条件试样种类  热处理状态            机械性能  σbMPa    δ5    HBsb单铸  淬火490℃保温4h  T5 525℃保温8h  不完全时效160℃保温6h  322    4.2    113  淬火490℃保温4h  T6 525℃保温8h  时效175℃保温6h  340    2.07    115