專利名稱：摻雜Co₂N的鋁合金及其熔煉方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度鋁合金，還涉及其制備方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的鋁合金中，由于合金成分或化合物中密度大的成分會沉淀于鑄件下部， 密度小的成分上浮于上部。例如為了細(xì)化晶粒而添加Ti這種難熔金屬與Al形成高熔點(diǎn)的片狀化合物Al3Ti會較早的從合金液中結(jié)晶出來，當(dāng)長成較大時(shí)就容易下沉產(chǎn)生局部規(guī)程的密度偏析，偏析較嚴(yán)重時(shí)可在鑄件斷口上看到表面平整的白亮灰的化合物，過共晶的 Al-Si鋁合金中粗大的初生硅由于密度較小也容易形成偏析。另外當(dāng)這種合金液在澆注前由于攪拌不均勻而引起共晶偏析，在共晶硅集中處， 硬度高脆性大，加工刀具磨損大；共晶硅少的部位形成α (Al)固溶體軟點(diǎn)，強(qiáng)度低，加工時(shí)不僅粘刀，惡化加工性能，在切削力的作用下會使α (Al)固溶體變形導(dǎo)致加工面出現(xiàn)白斑。當(dāng)ZL108(ZAlSil2Cu2Mgl)鋁合金中含鎂量小于0. 6% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，加工表面也容易出現(xiàn)白斑。再有Al-Si-Cu鋁合金中Cu元素的偏析引起局部區(qū)域出現(xiàn)粗大的Al2Cu相并沿晶呈網(wǎng)狀分布，就算采用熱處理不能將其完全溶解于α (Al)固溶體而保留于晶間，從而使得該種合金脆性增加。同時(shí)，在采用這種鋁合金進(jìn)行鑄造時(shí)，鑄造完成的鑄件中常出現(xiàn)各種夾雜，主要有氧化物夾雜、造型材料和熔劑夾渣等。其中，以鋁氧化物夾雜最為普遍。尤其在含Mg的鋁合金中，多數(shù)夾雜為氧化鋁和氧化鎂的混合物，所以在鋁合金熔煉過程中，氧化物夾雜的含量是反映鋁液冶金質(zhì)量的重要標(biāo)質(zhì)之一。由此可見目前的鋁合金材料除了熔鑄大型錠坯時(shí)的成形性能較差外，大型錠坯在熱處理過程的淬透性不高、耐回火性較差和不能滿足更高的力學(xué)性能要求或某些特殊性能(如耐熱、耐蝕)等，也是重大缺陷。這些缺陷使其在工程技術(shù)領(lǐng)域替代鋼制品等重強(qiáng)材料和結(jié)構(gòu)的進(jìn)程中形成了難以跨越的技術(shù)斷點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種高強(qiáng)度鋁合金，能夠克服現(xiàn)有鋁合金性能的不足，提高其強(qiáng)韌性、成形性和淬透性，為高效深加工提供高端基材。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種高強(qiáng)度鋁合金，以質(zhì)量百分比計(jì),包括0. 7 1. 3%的Si，小于等于0. 5%的i^e，小于等于0. 1 %的Cu，0. 4 0. 8%的Mn， 0. 4 0. 8%的Mg，小于等于0. 2%的Zn，小于等于0. 2%的Ti，l. 8 2. 8%的Co，0. 21 0. 33 %的N，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)，每種雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0.05%， 所有雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 15%。本發(fā)明還提供所述高強(qiáng)度鋁合金的制備方法，以復(fù)合處理方式加入Co2N,包括以下步驟
步驟一先往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱使之完全熔化；步驟二 加入占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0. 7 1. 3 %的Si，小于等于0. 5%的Fe，小于等于0. 1 %的Cu，0. 4 0. 8 %的Mn，0. 4 0. 8 %的Mg，小于等于0. 2 %的Zn，小于等于 0. 2%的Ti，使之完全溶解和熔化；步驟三精煉后在700 1000°C下保溫，得到合金熔體；熔化過程在封閉環(huán)境內(nèi)完成；步驟四使用氮?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體任意比例的混合氣體對合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；同時(shí)將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比2. 01 3. 13% 的Co2N粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進(jìn)行攪拌，使Co2N在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應(yīng)；靜置、調(diào)溫至680 730°C，合金液出爐，沿以下兩種流程分別進(jìn)行不同制品的鑄造生產(chǎn)。流程一沿流槽傾倒出爐，至立式水冷鑄造機(jī)系統(tǒng)，鑄造加工用錠坯，特別是鑄造厚度500mm以上的大型扁錠和直徑500mm以上的圓棒。流程二 轉(zhuǎn)注入鑄件的鑄模中，使用金屬型、砂型或混合型鑄方式，采用重力鑄造、 壓力鑄造或差壓鑄造工藝，鑄造鋁合金鑄件，特別是鑄造大型、薄壁或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。本發(fā)明在變形鋁合金中加入1.8 2. 8%的Co和0.9 1.4%的N元素，可以在合金凝固過程中有效增加異質(zhì)形核核心，從而達(dá)到晶粒細(xì)化的效果，增強(qiáng)合金強(qiáng)度；并且加入的元素可以促進(jìn)形成間隙原子和間隙相，高溫時(shí)在α (Al)固溶體中溶解度大，而在室溫時(shí)很小，從而使合金具有較高的可熱處理性質(zhì)，熱處理后，其強(qiáng)度和硬度都有很大程度的提
尚ο在本合金未經(jīng)加入上述元素之前，熔體中除形成各種元素的共溶體之外，還含有下列一些金屬間形成的化合物相Mg2Si 相、N 相(Al7Cu2Fe)、α 相(Al12Fe3Si)、S 相(Al2CuMg)；這些金屬化合物在熔體冷卻時(shí)，由于體系最低自由能原理，在形成的晶粒中不能穩(wěn)定存在，將在晶格畸變能差的驅(qū)動下向晶界移動和集中，同時(shí)，由于合金元素在鋁基體中的飽和溶解度隨著溫度下降而顯著降低，所以隨著熔體的冷卻，過飽和的熔體不斷地析出富含合金元素的金屬間化合物，這些化合物在晶間富集，彼此間不易融合，在微觀結(jié)構(gòu)中成為粗大的晶間化合物群，對合金產(chǎn)生脆硬化影響，惡化合金鑄造成形性能，降低其均勻性、 韌性、耐蝕性和淬透性能。所以，當(dāng)合金凝固成為過飽和固溶體基體+晶間金屬化合物的基本結(jié)構(gòu)時(shí)，通常稱為純鑄態(tài)組織，具有這種組織的合金必須經(jīng)過“固溶+時(shí)效”的熱處理之后才能具有滿足需要的力學(xué)性能和其它技術(shù)指標(biāo)。雖然，經(jīng)過配方優(yōu)化處理和提高合金性能的熱處理能夠得到改善，但是合金本身仍然還是存在很多缺陷強(qiáng)度不夠高，不能鑄造大規(guī)格型錠等。本發(fā)明通過比較選擇，通過加入1.8 2. 8%的Co元素，另外在熔煉過程中充入的氮?dú)猓欣阡X在800 1000°C的氮?dú)夥罩泻铣搔?Ν。由于N與Al反應(yīng)生成的AlN是原子晶體，屬類金剛石氮化物，最高可穩(wěn)定到2200°C ；室溫強(qiáng)度高，且強(qiáng)度隨溫度的升高下降較慢，能夠有效提高合金的高溫強(qiáng)度和抗腐蝕能力；導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小，可提高基體材料耐熱沖擊性能。因此，當(dāng)隊(duì)充入高溫鋁合金熔體時(shí)，本身就具有了與多種金屬金發(fā)生反應(yīng)的活性。所以適當(dāng)調(diào)節(jié)熔體凈化作業(yè)時(shí)的溫度和保護(hù)性氮?dú)獾臐舛?，可調(diào)節(jié)熔體中AlN的含量，這進(jìn)一步為調(diào)節(jié)熔體中過渡金屬元素的含量提供了方法。可見由于在本發(fā)明中使用流態(tài)化氮化物處理的手段，把強(qiáng)化基體和細(xì)化晶粒的多種效果集成在一起，取代中間合金，使鋁合金制造企業(yè)不再受制于中間合金生產(chǎn)商，有利于創(chuàng)建“近成型、短流程、集約化”的綠色生產(chǎn)線，節(jié)能降耗，降低綜合成本；同時(shí)，在熱處理過程中，由于形成了優(yōu)異的材料微觀結(jié)構(gòu)，錠坯的殘余應(yīng)力較小，因此可以顯著提高熱處理效能，提高錠坯的淬透性，在與同類合金比較時(shí)，能夠以“鑄造+熱處理方式”生產(chǎn)更厚的坯料(厚度500mm以上的板材和直徑500mm以上的棒材)，在系列規(guī)格(厚度15 200mm)的中厚板制造技術(shù)上實(shí)現(xiàn)“以鑄代軋”?？偠灾?，本發(fā)明的有益效果是在鋁熔體中造成了多種晶粒細(xì)化元素、質(zhì)點(diǎn)，對防止基體和強(qiáng)化相的粗大化有良好效果。在冷卻后的鋁基體中造成了穩(wěn)定性極高的間隙原子和間隙相，成為新的高效強(qiáng)化相，使材料的強(qiáng)度和硬度得到提高。下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 一種高強(qiáng)度鋁合金，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括0. 7%的Si，0. 5%的狗，0. 1 %的Cu， 0. 4% 的 Μη，0· 4% 的 Mg，0. 2% 的 Ζη，0. 2% 的 Ti，l. 8% 的 Co，0. 21% 的 N，余量為 Al 和不可避免的雜質(zhì)，每種雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 05%，所有雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 15%。本發(fā)明還提供所述高強(qiáng)度鋁合金的制備方法，以復(fù)合處理方式加入Co2N,包括以下步驟步驟一先往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱使之完全熔化，步驟二 按照所述高強(qiáng)度鋁合金的組分備料，包括占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0. 7%的 Si，0. 5%的 Fe，0. 的 Cu，0. 4%的Μη，0· 4%的Mg，0. 2%的 Ζη，0. 2%的 Ti ；使之完全溶解和熔化，步驟三精煉后在700 1000°C下保溫，得到合金熔體；熔化過程在封閉環(huán)境內(nèi)完成；步驟四使用氮?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體任意比例的混合氣體對合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；同時(shí)將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比2. 01%的Co2N 粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進(jìn)行攪拌，使Co2N在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應(yīng)；靜置、調(diào)溫至680 730°C，合金液出爐，沿以下兩種流程分別進(jìn)行不同制品的鑄造生產(chǎn)。流程一沿流槽傾倒出爐，至立式水冷鑄造機(jī)系統(tǒng)，鑄造加工用錠坯，特別是鑄造厚度500mm以上的大型扁錠和直徑500mm以上的圓棒。流程二 轉(zhuǎn)注入鑄件的鑄模中，使用金屬型、砂型或混合型鑄方式，采用重力鑄造、 壓力鑄造或差壓鑄造工藝，鑄造鋁合金鑄件，特別是鑄造大型、薄壁或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。
實(shí)施例2 一種高強(qiáng)度鋁合金，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括0. 9%的Si，0. 4%的Fe，0. 08%的Cu， 0. 6%的 Μη，0· 6%的 Mg，0. 的 Ζη，0. 的 Ti，2. 2%的 Co，0. 26%的 N，余量為 Al 和不可避免的雜質(zhì)，每種雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 05%，所有雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 15%。本發(fā)明還提供所述高強(qiáng)度鋁合金的制備方法，以復(fù)合處理方式加入Co2N,包括以下步驟步驟一先往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱使之完全熔化，步驟二 按照所述高強(qiáng)度鋁合金的組分備料，包括占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0.9%的 Si，0. 4% 的 Fe，0. 08% 的 Cu，0. 6% 的 Mn，0. 6% 的 Mg，0. 的 Ζη,Ο. 的 Ti，使之完全溶解和熔化，步驟三精煉后在700 1000°C下保溫，得到合金熔體；熔化過程在封閉環(huán)境內(nèi)完成；步驟四使用氮?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體任意比例的混合氣體對合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；同時(shí)將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比2. 46%的Co2N 粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進(jìn)行攪拌，使Co2N在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應(yīng)；靜置、調(diào)溫至680 730°C，合金液出爐，沿以下兩種流程分別進(jìn)行不同制品的鑄造生產(chǎn)。流程一沿流槽傾倒出爐，至立式水冷鑄造機(jī)系統(tǒng)，鑄造加工用錠坯，特別是鑄造厚度500mm以上的大型扁錠和直徑500mm以上的圓棒。流程二 轉(zhuǎn)注入鑄件的鑄模中，使用金屬型、砂型或混合型鑄方式，采用重力鑄造、 壓力鑄造或差壓鑄造工藝，鑄造鋁合金鑄件，特別是鑄造大型、薄壁或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。實(shí)施例3 一種高強(qiáng)度鋁合金，以質(zhì)量百分比計(jì)，包括1. 3%的Si，0. 35%的狗，().07%的Cu， 0. 8% 的 Μη，0· 8% 的 Mg，0. 09% 的 Zn，0. 12% 的 Ti，2. 8% 的 Co，0. 33% 的 N，余量為 Al 和不可避免的雜質(zhì)，每種雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 05%，所有雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 15%。本發(fā)明還提供所述高強(qiáng)度鋁合金的制備方法，以復(fù)合處理方式加入Co2N,包括以下步驟步驟一先往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱使之完全熔化，步驟二 按照所述高強(qiáng)度鋁合金的組分備料，包括占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比1. 3%的 Si，0. 35% 的 Fe，0. 07% 的 Cu，0. 8% 的 Μη，0· 8% 的 Mg，0. 09% 的 Ζη，0. 12% 的 Ti，使之完全溶解和熔化，步驟三精煉后在700 1000°C下保溫，得到合金熔體；熔化過程在封閉環(huán)境內(nèi)完成；步驟四使用氮?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體任意比例的混合氣體對合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；同時(shí)將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比3. 13%的Co2N 粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進(jìn)行攪拌，使Co2N在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應(yīng)；靜置、調(diào)溫至680 730°C，合金液出爐，沿以下兩種流程分別進(jìn)行不同制品的鑄造生產(chǎn)。流程一沿流槽傾倒出爐，至立式水冷鑄造機(jī)系統(tǒng)，鑄造加工用錠坯，特別是鑄造厚度500mm以上的大型扁錠和直徑500mm以上的圓棒。流程二 轉(zhuǎn)注入鑄件的鑄模中，使用金屬型、砂型或混合型鑄方式，采用重力鑄造、 壓力鑄造或差壓鑄造工藝，鑄造鋁合金鑄件，特別是鑄造大型、薄壁或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。
權(quán)利要求
1.一種摻雜Co2N的鋁合金，其特征在于以質(zhì)量百分比計(jì)，包括0. 7 1. 3%的Si，小于等于0. 5%的Fe，小于等于0. 的Cu，0. 4 0. 8%的Mn，0. 4 0. 8%的Mg，小于等于 0. 2 %的Zn，小于等于0. 2 %的Ti，1. 8 2. 8 %的Co，0. 21 0. 33 %的N，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)，每種雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 05%，所有雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 15%。
2.—種權(quán)利要求1所述摻雜Co2N的鋁合金的熔煉方法，其特征在于包括下述步驟 步驟一先往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱使之完全熔化；步驟二 加入占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0. 7 1. 3%的Si，小于等于0. 5%的Fe，小于等于 0. 1 %的Cu，0. 4 0. 8 %的Mn，0. 4 0. 8 %的Mg，小于等于0. 2 %的Si，小于等于0. 2 %的 Ti，使之完全溶解和熔化；步驟三精煉后在700 1000°C下保溫，得到合金熔體；熔化過程在封閉環(huán)境內(nèi)完成； 步驟四使用氮?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體任意比例的混合氣體對合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；同時(shí)將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比2. 01 3. 13%的 Co2N粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進(jìn)行攪拌，使Co2N在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應(yīng)；靜置、調(diào)溫至680 730°C，合金液出爐，進(jìn)行鑄造生產(chǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種摻雜Co2N的鋁合金及其熔煉方法，先加熱鋁錠或熔融鋁液使之完全熔化；加入Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Zn和Ti，使之完全溶解和熔化；精煉后在700～1000℃下保溫，得到合金熔體；使用氮?dú)饣蚨栊詺怏w或氮?dú)馀c惰性氣體任意比例的混合氣體對合金熔體進(jìn)行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應(yīng)完畢；同時(shí)將Co2N粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進(jìn)行攪拌，使Co2N在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應(yīng)；靜置、調(diào)溫至680～730℃，合金液出爐，進(jìn)行鑄造生產(chǎn)。本發(fā)明能夠克服現(xiàn)有鋁合金性能的不足，提高其強(qiáng)韌性、成形性和淬透性，為高效深加工提供高端基材。
文檔編號C22C21/00GK102424925SQ20111042087
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者張中可, 李祥, 車云, 門三泉 申請人:貴州華科鋁材料工程技術(shù)研究有限公司