一種替代qt400船柱的鋁合金材料及其離心鑄造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種替代QT400船柱的鋁合金材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比計(jì)：鋰：0.4%?0.5%，錳Mn:≤2%，鎘Cd:0.05%～0.5%，銅Cu:4.2%～8.0%且Cu≥0.8Mn+4.05%或銅0.5%≤Cu≤3%且Cu≥1.5Mn；路易斯酸堿對(duì)總量1%×10?4～2.0%或7.0%～9.0%，使合金平均晶粒度＜120微米，余量為鋁Al。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種替代QT400船柱的鋁合金材料及其離心鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種替代QT400船柱的鋁合金材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁在地殼中的資源量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鐵(鋁為8.2wt%，鐵為5. lwt%)，而全球每年鋼鐵產(chǎn) 銷(xiāo)量12億噸以上，鋁金屬產(chǎn)銷(xiāo)量只有0.55億噸，這種巨大反差充分反映了人類(lèi)社會(huì)對(duì)鋁及 鋁材料的資源開(kāi)發(fā)和利用水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于對(duì)鋼鐵材料的開(kāi)發(fā)利用水平。
[0003] 球墨鑄鐵(簡(jiǎn)稱(chēng)球鐵)是鋼鐵產(chǎn)業(yè)中的主要基礎(chǔ)材料之一，被廣泛而大量地用于制 造受力復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性、耐磨性等要求較高的零件，如通用機(jī)械、起重、農(nóng)業(yè)、汽車(chē)、鑄造、紡 織、機(jī)床、電力、石化、船舶零件等，主要形態(tài)和類(lèi)型為液壓殼體、栗體、管道、閥體、缸體、輪 轂、軸件、球連接、傳動(dòng)件、懸掛件、鉤扣件、導(dǎo)流件、轉(zhuǎn)向件等。
[0004] 球墨鑄鐵用途廣泛，但球墨鑄鐵產(chǎn)品生產(chǎn)制造需要在很高的溫度下進(jìn)行、與之相 對(duì)應(yīng)的能耗也高，污染大，隨著輕量化和節(jié)能環(huán)保不斷進(jìn)步的要求，相關(guān)球墨鑄鐵產(chǎn)品迫切 需要尋找新的替代品。
[0005]在"以鋁代鋼"的技術(shù)升級(jí)中，為了充分發(fā)揮鋁合金以"輕"為代表的系列優(yōu)越特 性，必須先使其在"強(qiáng)"的方面有長(zhǎng)足發(fā)展，同時(shí)不能有不可接受的制造成本增量，才能大大 拓展其使用領(lǐng)域。這就要求必須在鋁合金新材料設(shè)計(jì)上首先取得突破。
[0006] 從材料制備的方法審視，由于材料特征是由承載著該特征的功能性微觀物相組合 貢獻(xiàn)出來(lái)的，因此獲得良好的功能性物相組合，例如高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)、高塑性、高硬度、耐腐 蝕等，是各種制備方法追求的最終結(jié)果，從而，鋁合金的化學(xué)成分設(shè)計(jì)與其制備技術(shù)存在著 緊密的內(nèi)在統(tǒng)一性，這種統(tǒng)一性，簡(jiǎn)言之，是一種原子如何結(jié)合成所需的"物相分子"的關(guān) 系，即材料的物相可以看成是一種分子結(jié)構(gòu)。配方元素的混合熔煉和鑄造結(jié)晶，是熔鑄法形 成材料物相分子組合結(jié)構(gòu)的主要決定性環(huán)節(jié)，在熔鑄過(guò)程中，固溶體晶粒和晶界的金屬間 化合物分子物相決定了合金的晶態(tài)組合(亞微米級(jí)顆粒:尺度10~300μπι左右），后續(xù)熱處理 或者冷作硬化則是對(duì)晶態(tài)組合框架下微細(xì)結(jié)構(gòu)(微米級(jí)顆粒:尺度1~30ym左右)乃至更加 微觀的精微結(jié)構(gòu)(亞納米級(jí)或次微米級(jí)質(zhì)點(diǎn):尺度1 〇nm~< 1 μπι)進(jìn)行調(diào)整和完善，這種調(diào)整 和完善的程度和范圍，在公知技術(shù)和傳統(tǒng)觀念中，認(rèn)為主要由合金化學(xué)成分所處的合金相 圖區(qū)域給定的物相組合決定，但是，合金相圖沒(méi)有給出其它微量元素的添加和排除產(chǎn)生的 影響，更不具備預(yù)測(cè)添加和排除其它微量元素對(duì)物相影響的指導(dǎo)性。借鑒合金溶液化學(xué)的 理論和方法改善熔體結(jié)構(gòu)，比如保護(hù)膜的覆蓋，造渣劑、精煉劑或變質(zhì)劑的添加，除氣除渣 凈化等，是改善合金晶態(tài)組合、微細(xì)結(jié)構(gòu)乃至更加微觀的精微結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)手段，但這些 手段，由于是從制備合金的過(guò)程中摸索積累得來(lái)，因此常常被看作為"制備工藝"而不是"成 分設(shè)計(jì)"的一部分。
[0007] 在工程應(yīng)用上，鋁合金固溶體晶粒的大小和狀態(tài)，以及分布在晶界的金屬間化合 物的大小形態(tài)，對(duì)合金的力學(xué)性能有著決定性的影響。粗大的平面晶、樹(shù)枝晶、柱狀晶等不 規(guī)則晶體和分布在晶界的粗大的脆硬性金屬間化合物，能夠把合金好的微細(xì)結(jié)構(gòu)和精微結(jié) 構(gòu)對(duì)基體的強(qiáng)韌性貢獻(xiàn)全部抵消掉，因?yàn)檫@些粗大晶粒遵從的成長(zhǎng)規(guī)律是緣于鑄造型腔的 型壁生核、自外向液體內(nèi)部單向延伸的生長(zhǎng)方式，造成了合金的成分偏析、結(jié)晶粗大單向、 宏觀性能不均勻的缺陷，從而成為合金的一些常見(jiàn)缺陷，如針孔、氣孔、縮孔、縮松、偏析、粗 大固溶體、高硬度化合物、裂紋等的根源。目前采用的常規(guī)變質(zhì)手段和細(xì)化晶粒的手段，如 添加鋁鈦硼或鋁鈦碳中間合金，最好的效果只能使平均晶粒度細(xì)化到120~150微米，而枝 晶的形態(tài)往往沒(méi)有根本的轉(zhuǎn)變，這是合金力學(xué)性能提高的一個(gè)重要瓶頸問(wèn)題。因?yàn)閷?duì)鋁合 金來(lái)說(shuō)，獲得強(qiáng)度和韌性同時(shí)提高的途徑，只有晶粒的細(xì)化和圓整化;熱處理工藝的調(diào)整， 在晶態(tài)結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的狀態(tài)下，只能使強(qiáng)度或韌性一個(gè)方面獲得優(yōu)化。因此，如何進(jìn)一步細(xì) 化和圓整合金的平均晶粒度，是產(chǎn)業(yè)界始終追求的目標(biāo)。
[0008] 從材料設(shè)計(jì)角度看，211Z材料也存在一些難以克服的問(wèn)題。微觀分析發(fā)現(xiàn)，有一些 大顆粒有很高的鈦Ti和稀土濃度，作為用來(lái)促使晶粒細(xì)化的物質(zhì)，這種現(xiàn)象表明Ti和稀土 走向了需要解決問(wèn)題的對(duì)立面;而在211Z合金鑄件的生產(chǎn)過(guò)程中，也發(fā)生著與普通鋁合金 一樣常見(jiàn)的缺陷，包括針孔、氣孔、縮孔、縮松、偏析、粗大固溶體、高硬度化合物、夾雜(渣）、 冷隔、冷豆、裂紋、變質(zhì)缺陷、固溶不足和過(guò)燒等。
[0009] 這些缺陷，主要原因仍然要從合金本身的化學(xué)成分及其形成的微觀物相結(jié)構(gòu)入手 來(lái)研究，尤其是對(duì)物相分子組合結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理進(jìn)行深入研究，才能認(rèn)清本質(zhì)，進(jìn)而找到解 決問(wèn)題、消除缺陷的有效途徑。
[0010]通過(guò)對(duì)鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金最高達(dá)0.08nm的極高分辨率的球差校正掃描透 射電子顯微鏡(STEM)精微選區(qū)分析，獲得了建立在原子尺度上的各種物相結(jié)構(gòu)、原子分辨 和化學(xué)元素分布。證實(shí)其中存在一系列強(qiáng)化相，包括眾所周知的Al-Cu二元亞穩(wěn)相(GP區(qū)、 θ"、θ〇、新的盤(pán)片相和平衡相0(A12Cu);其中在基體晶粒內(nèi)部，新發(fā)現(xiàn)一種棒叉狀(Τ+ΘΗ)組 合相，該組合相的主干部分T相是Al-Cu-Mn三元相，分子結(jié)構(gòu)式Al2〇Cu2Mn3，分子物相特征是 直徑約100nm、長(zhǎng)度約600~lOOOnm呈棒軸狀且其(010)面與鋁合金基體的{010}面共格;而T 相周?chē)街L(zhǎng)了尺寸較大(厚度約20nm、長(zhǎng)約50nm)的Al-Cu二元次生相，由于該次生相與 基體中其它Al-Cu亞穩(wěn)相(GP區(qū)、θ"、θ'或者其它盤(pán)片相）比較，在結(jié)構(gòu)上有很大差別，特別是 厚度比其它Al-Cu亞穩(wěn)相厚得多，因此本發(fā)明稱(chēng)之為ΘΗ相，其分子結(jié)構(gòu)式AlxCu(x可能小于 2)，是一種富Cu分子。
[0011] 根據(jù)合金強(qiáng)化理論，合金的強(qiáng)度是材料中界面或位錯(cuò)滑移受到質(zhì)點(diǎn)的阻礙而產(chǎn)生 的，阻礙越強(qiáng)，材料的強(qiáng)度也越大。而質(zhì)點(diǎn)阻礙行為與材料中界面或位錯(cuò)滑移相互作用的結(jié) 果，有兩種:一種是當(dāng)質(zhì)點(diǎn)本身強(qiáng)硬度不夠高時(shí)，位錯(cuò)將切過(guò)質(zhì)點(diǎn)繼續(xù)滑移，另一種是質(zhì)點(diǎn) 強(qiáng)度很高，位錯(cuò)無(wú)法切過(guò)，則只能繞過(guò)質(zhì)點(diǎn)而繼續(xù)滑移，而在質(zhì)點(diǎn)周?chē)粝乱蝗ξ诲e(cuò)環(huán)。
[0012] 兩種結(jié)果對(duì)材料強(qiáng)度貢獻(xiàn)的大小是顯而易見(jiàn)的:繞過(guò)質(zhì)點(diǎn)比切過(guò)質(zhì)點(diǎn)對(duì)材料強(qiáng)度 的貢獻(xiàn)大;切過(guò)質(zhì)點(diǎn)能夠提供材料較好的延伸率，而繞過(guò)質(zhì)點(diǎn)由于位錯(cuò)環(huán)的增強(qiáng)作用，將提 供材料更高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。
[0013] 鋁合金船柱在國(guó)內(nèi)有相關(guān)研究，但因?yàn)榛A(chǔ)材料的局限性，其力學(xué)性能較低，尤其 是抗拉強(qiáng)度和耐腐蝕性能差，嚴(yán)重影響了船柱的壽命，增加了使用部門(mén)的使用成本和維護(hù) 成本，甚至增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種替代QT400船柱的鋁合金材料及其制備方 法，其中添加路易斯酸堿對(duì)，以有效催生臨界晶核(得到等軸晶），使合金在凝固之前獲得最 佳的分子物相組合結(jié)構(gòu)（（Τ+ΘΗ)組合相），促使合金晶態(tài)優(yōu)化，使鋁合金基材實(shí)現(xiàn)400MPa及 更高的強(qiáng)度等級(jí)，從而達(dá)到生產(chǎn)替代QT400船柱的鋁合金制品。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種替代QT400船柱的鋁合金材料，主成分含量按重量百分 比計(jì)：鋰Li : 0 · 4%-0 · 5%，錳Μη:彡 2%，鎘Cd: 0 · 05%~0 · 5%，銅Cu: 4 · 2%~8 · 0%且Cu彡 0 · 8Mn+ 4 · 05%或銅0 · 5%彡Cu彡3%且Cu彡1 · 5Mn;路易斯酸堿對(duì)總量1% X 10-4~2 · 0%或7 · 0%~9 · 0%， 使合金平均晶粒度< 120微米，余量為鋁A1。
[0016] 所述的合金晶粒為等軸晶。
[0017]所述的合金晶粒內(nèi)亞納米(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量達(dá)到彡1個(gè)/平方微米。
[0018] 所述路易斯酸堿對(duì)為金屬與配體結(jié)合而成的正、負(fù)離子體、復(fù)雜配體化合物、超大 雜多化合物、金屬的氮化物、過(guò)渡族類(lèi)元素中的一種，或者一種以上混合。
[0019] 所述的金屬與配體結(jié)合而成的正離子體、負(fù)離子體包含六氯合鉻負(fù)離子體 [CrCl6]3-。
[0020] 所述的復(fù)雜配體化合物或超大雜多化合物包含磷鎢酸H3[p(w301Q)4]。
[0021 ]所述路易斯酸堿對(duì)，按元素添加量占 A1基體重量百分比，范圍為：Zr<0.3%，W< 0.5%,Y<0.15%,[CrCl6]3_<0.5%,ffN2<0.05%,H3[P(ff30io)4] <0.05%〇 [0022] 一種替代QT400船柱的鋁合金材料的制備方法，包含以下步驟： (1) 在前述路易斯酸堿對(duì)、元素比例范圍內(nèi)，選定一組物質(zhì)組合，確定重量比，根據(jù)需要 配制的合金總量，推算出所需的每種物料的重量； (2) 往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱并在700 °C以上保溫； (3) 加入錳Μη、鎘Cd、銅Cu，鋰Li攪拌，加入選定的路易斯酸堿對(duì)，或者加入選定的路易 斯酸堿對(duì)組合，攪拌均勻； (4) 然后對(duì)上述合金熔體進(jìn)行爐內(nèi)精煉； (5) 精煉后除渣、靜置、取樣分析合金化學(xué)成分，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整化學(xué)成分至規(guī)定的 偏差范圍內(nèi)；調(diào)溫至650 °C以上，合金液出爐，在線除氣、除渣； (6) 鑄造:采用離心鑄造澆注。
[0023] 所述離心鑄造澆注，步驟如下： ① 過(guò)濾后可澆注鑄造； ② 鑄造前應(yīng)將模具預(yù)熱，安裝上砂芯，用壓縮空氣將模具型腔吹干凈； ③ 啟動(dòng)離心裝置，采取人工澆注或自動(dòng)化澆注，用澆包從爐內(nèi)g取合金液倒入模具澆 口通過(guò)內(nèi)澆道充滿型腔；自然冷卻或強(qiáng)冷； ④ 開(kāi)模取出產(chǎn)品，自然冷卻，清理砂芯、鋸切冒口、打磨飛邊； ⑤ 外觀質(zhì)量檢測(cè)：毛坯鑄件在進(jìn)行外觀質(zhì)量檢驗(yàn)之前，應(yīng)清理干凈平整，非加工面的澆 冒口應(yīng)清理到鑄件表面齊平； ⑥ 內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)； ⑦ 固溶處理:將鑄件完成粗加工和內(nèi)外質(zhì)量檢測(cè)的毛坯送入固溶爐，進(jìn)行560°C以下固 溶處理，保溫完成后立刻淬火，使用水冷或油冷； ⑧ 時(shí)效強(qiáng)化:將完成固溶處理的鑄件送入時(shí)效爐進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理，在230°C以下時(shí)效 強(qiáng)化，保溫后，出爐自然冷卻； ⑨ 取樣分析測(cè)試驗(yàn)證； ⑩ 實(shí)用性能驗(yàn)證。
[0024] 本發(fā)明的有益效果:把路易斯酸堿理論所指向的、能在鋁合金熔體中發(fā)生分子解 體或有助于次納米區(qū)域內(nèi)（即小于1納米的范圍）物相分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化的"酸堿對(duì)"物質(zhì)，應(yīng)用 于熔體納米尺度范圍的精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，是本發(fā)明的最主要的創(chuàng)造性技術(shù)手段。
[0025] 通過(guò)運(yùn)用路易斯酸堿理論，使有關(guān)路易斯酸堿對(duì)承載的微量元素的添加和排除， 在鋁合金熔體環(huán)境發(fā)生分子解體和轉(zhuǎn)化，以提供熔體超精細(xì)微區(qū)內(nèi)（〇 . lnm~10nm尺度范 圍）的充分?jǐn)_動(dòng)和激活效應(yīng)，達(dá)到催生臨界晶核大量形成，使合金晶粒度得到進(jìn)一步細(xì)化， 形態(tài)更加圓整；同時(shí)優(yōu)化微細(xì)區(qū)域(微米級(jí)：尺度1~30μπι左右)和精微區(qū)域(亞納米級(jí)或次 微米級(jí)質(zhì)點(diǎn)：尺度l〇nm~<1μπι)的物相分子組合結(jié)構(gòu)，增加(Τ+ΘΗ)組合相在合金基體中的 含量，是本發(fā)明解決的合金強(qiáng)化的機(jī)理問(wèn)題。
[0026] 本發(fā)明前述路易斯酸堿對(duì)為金屬與配體結(jié)合而成的正、負(fù)離子體、復(fù)雜配體化合 物、超大雜多化合物、金屬的氮化物、過(guò)渡族類(lèi)元素中的一種，或者一種以上混合。
[0027] 比如，負(fù)離子體[CrCl6]3_是路易斯"酸堿對(duì)"，物質(zhì)中的能接受電子對(duì)的Cr+是路 易斯酸，相應(yīng)的提供電子對(duì)的配體-C1是路易斯堿。
[0028]正離子體和負(fù)離子體作為路易斯"酸堿對(duì)"，對(duì)合金晶粒細(xì)化具有普通物質(zhì)無(wú)法實(shí) 現(xiàn)的優(yōu)異效果，這是由于:這些離子體在常溫下與正常的物質(zhì)分子一樣能穩(wěn)定存在，而在鋁 合金熔體這樣的高溫酸堿環(huán)境中發(fā)生分子解體，生成路易斯酸和路易斯堿；由于是分子解 體，故而是一種次納米范圍的原子組合結(jié)構(gòu)的"散架"，其配體部分以氣態(tài)排放出來(lái)，釋放出 來(lái)的核心金屬離子則重新選擇結(jié)合其它原子。
[0029]這種發(fā)生在鋁合金熔體中的解體和重構(gòu)，與普通的物質(zhì)溶解不同，因?yàn)?①高溫下 分解釋放的氣態(tài)物質(zhì)形成的初始?xì)馀葜挥幸粋€(gè)分子大小(小于lnm，即次納米級(jí)），比表面積 最大，具有極強(qiáng)的活性和納米范圍的擾動(dòng)能力，正處于結(jié)晶臨界晶核形成的尺寸范圍，由此 而造成的熔體超精微區(qū)內(nèi)原子的能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏和濃度起伏等狀態(tài)起伏都帶有極強(qiáng)的 突變特征，促使鄰近的更多原子跨越結(jié)晶勢(shì)皇，故而特別有利于臨界晶核的大量形成，對(duì)金 屬間化合物生成反應(yīng)的催化和合金組織晶粒細(xì)化都產(chǎn)生了優(yōu)于普通變質(zhì)劑如鋁鈦硼的好 作用；同時(shí)正、負(fù)離子體這種在次納米范圍的超精微區(qū)內(nèi)擾動(dòng)和激活效應(yīng)，是常規(guī)外加凈化 氣體形成的氣泡(直徑大于〇.5mm)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的；②分解釋放的金屬原子或正離子具有比配 體更小的體積和更大的比表面積，其對(duì)周?chē)拥臄_動(dòng)和激活效應(yīng)更強(qiáng)，造成的超精微區(qū) 狀態(tài)起伏更加顯著，對(duì)金屬間化合物生成反應(yīng)催化和合金基體組織晶粒細(xì)化作用也更強(qiáng)； ③酸堿對(duì)在高溫熔體中的分裂和重構(gòu)增強(qiáng)了質(zhì)點(diǎn)在微區(qū)的分散和擴(kuò)散速度，不會(huì)象普通金 屬或添加劑那樣造成團(tuán)簇化，而有效地抑制了因添加劑造成的合金成分偏析以及大顆粒質(zhì) 點(diǎn)的聚集和長(zhǎng)大，這能有效解決常規(guī)晶粒細(xì)化劑在結(jié)晶過(guò)程中粗大化的傾向，例如可防止 鈦Ti和稀土相的粗化;④配體氣泡還可以發(fā)生次生反應(yīng)，經(jīng)過(guò)一系列變化后隨從凈化氣體 排出熔體(比如生成〇) 2、〇14、他、順3或!123)或進(jìn)入熔渣（比如六120 3^1(!10)3或六14(：3)，這種凈 化作用，能夠以最穩(wěn)定的固態(tài)或氣態(tài)物質(zhì)，把溶解在熔體中的Η和氧化物雜質(zhì)吸收和分解， 從而其凈化作用比常規(guī)的氣體凈化方式效果更好。這就是正、負(fù)離子體作為路易斯酸堿對(duì) 的添加和排除，在鋁合金熔體環(huán)境發(fā)生分子解體、酸堿轉(zhuǎn)化和超精微區(qū)內(nèi)原子重構(gòu)，以提供 熔體超精微區(qū)內(nèi)的充分?jǐn)_動(dòng)和激活效應(yīng)，達(dá)到催生臨界晶核大量生成和抑制晶粒長(zhǎng)大作 用，并實(shí)現(xiàn)更好凈化效果的機(jī)理。通過(guò)這種機(jī)理，使基體結(jié)晶狀態(tài)普遍成為等軸晶，晶粒度 平均小于120μηι，進(jìn)一步的優(yōu)化效果可達(dá)到晶粒度平均在50~100μπι。這種效果，是單純使用 鋁鈦硼和鋁鈦碳等常規(guī)晶粒細(xì)化劑以及常規(guī)的氣體凈化技術(shù)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
[0030] 復(fù)雜配體化合物、超大雜多化合物作為路易斯酸堿對(duì)，對(duì)合金晶粒細(xì)化也具有普 通物質(zhì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的良好效果，因?yàn)樗鼈兊姆肿咏Y(jié)構(gòu)與正、負(fù)離子體的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，都能在鋁合 金熔體這樣的環(huán)境中發(fā)生分子的解體、酸堿轉(zhuǎn)化和超精微區(qū)內(nèi)原子重構(gòu)，也能在分子解體 時(shí)釋放出氣態(tài)或液態(tài)的配體，經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)后隨從凈化氣體排出熔體(比如生成C0 2、CH4、 N2、NH3或H2S)或進(jìn)入熔渣（比如他(：1、1((：1^1(!10) 3^12〇3或414(：3)，其中釋放的金屬原子或離 子，非金屬原子或離子，都是次納米級(jí)的超細(xì)小質(zhì)點(diǎn)，有著最大的比表面積，能提供熔體超 精微區(qū)內(nèi)的充分?jǐn)_動(dòng)和激活效應(yīng)，達(dá)到催生臨界晶核大量生成和抑制晶粒長(zhǎng)大作用的機(jī) 理。通過(guò)這種機(jī)理，使基體結(jié)晶狀態(tài)普遍成為等軸晶，晶粒度平均小于120μπι，進(jìn)一步的優(yōu)化 效果可達(dá)到晶粒度平均在50~100μπι。這種效果，是單純使用鋁鈦硼和鋁鈦碳等常規(guī)晶粒細(xì) 化劑以及常規(guī)的氣體凈化技術(shù)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
[0031] 當(dāng)加入熔體中的外來(lái)路易斯酸堿對(duì)分解時(shí)，與基體存在界面能差的金屬間化合物 前驅(qū)體顯然也受到擾動(dòng)和激活而發(fā)生結(jié)構(gòu)起伏，產(chǎn)生更多的臨界晶核，使(Τ+ΘΗ)組合相在 合金中的濃度和平均分布密度，使之達(dá)到1個(gè)/[μπι] 2以上，這就是路易斯酸堿對(duì)在納米尺度 的擾動(dòng)和激活效應(yīng)能夠增加亞納米級(jí)質(zhì)點(diǎn)（Τ+ΘΗ)組合相和納米級(jí)質(zhì)點(diǎn)GP區(qū)、θ"、θ'系列強(qiáng) 化相的機(jī)理。
[0032] 綜上，本發(fā)明所述路易斯酸堿對(duì)，可以表現(xiàn)為多種形態(tài)，包括金屬與配體結(jié)合而成 的正、負(fù)離子體、復(fù)雜配體化合物、超大雜多化合物、金屬的氮化物、過(guò)渡族類(lèi)元素中的一 種，或者一種以上混合。
[0033] 另外，由于路易斯酸堿對(duì)能夠提供給合金熔體更大的異類(lèi)物質(zhì)濃度，因此增大了 熔體結(jié)晶過(guò)程的成分過(guò)冷度，導(dǎo)致晶核在更強(qiáng)結(jié)晶動(dòng)力下快速越過(guò)臨界尺寸，而在過(guò)冷的 液體中自由成核和生長(zhǎng)，形成具有各向同性和形狀更接近于球形的等軸晶粒；因此避免或 減輕了合金的成分偏析、結(jié)晶粗大單向、宏觀性能不均勻的缺陷，從而有效避免或減輕了合 金的一些常見(jiàn)缺陷，如針孔、氣孔、縮孔、縮松、偏析、粗大固溶體、高硬度化合物、裂紋等。
[0034] 本發(fā)明基于對(duì)合金微觀結(jié)構(gòu)極高分辨率的襯度圖像和精微選區(qū)結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)了 晶內(nèi)存在著次微米級(jí)的(Τ+ΘΗ)棒叉狀組合相的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。與Al-Cu各二元相比較，（Τ+ΘΗ) 組合相有許多優(yōu)點(diǎn)，包括:質(zhì)點(diǎn)粒度大，抗位錯(cuò)滑移面大;主干部分T是高硬高穩(wěn)定化合物聚 合而成的棒狀孿晶，能夠以位錯(cuò)繞過(guò)方式為合金提供強(qiáng)度支撐;其次生ΘΗ附著相在主干上 斜向或垂直于T棒軸方向而向周?chē)w生長(zhǎng)同時(shí)又與基體共格，增強(qiáng)了主干對(duì)周?chē)Ц顸c(diǎn) 陣的收緊能力，或者換句話說(shuō)，T棒軸通過(guò)附著其上向周?chē)L(zhǎng)的ΘΗ次生相，把收緊作用向 周?chē)幕w空間傳遞和擴(kuò)散，這種作用，在次微米區(qū)域內(nèi)對(duì)基體產(chǎn)生了類(lèi)似建筑結(jié)構(gòu)中鋼 筋網(wǎng)格在混凝土中的強(qiáng)化作用(可稱(chēng)為"類(lèi)砼強(qiáng)化結(jié)構(gòu)"），使基體強(qiáng)度大大提高。這種作用， 如果從單體比較，是基體中薄片狀A(yù)l-Cu亞穩(wěn)相(GP區(qū)、θ"、θ'或者其它盤(pán)片相)或者其組合 都遠(yuǎn)不能相比的；但是，在常見(jiàn)的鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金中，由于各二元Al-Cu亞穩(wěn)相在 基體內(nèi)部的分布密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于(Τ+ΘΗ)組合相的分布密度，致使(Τ+ΘΗ)組合相的作用被掩蓋 而一直沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。
[0035] (Τ+ΘΗ)組合相中的ΘΗ卻以不同位向和大得多的厚度(約20nm)，對(duì)合金基體產(chǎn)生了 優(yōu)于以游離態(tài)存在的GP區(qū)、θ"、θ'或者其它盤(pán)片狀的二元Al-Cu亞穩(wěn)相的強(qiáng)化貢獻(xiàn)：ΘΗ除了 把主干T相的收緊作用向周?chē)幕w空間傳遞和擴(kuò)散外，由于抗基體滑移面更大，故對(duì)基體 增強(qiáng)作用更大；由于方向更多，故對(duì)基體的強(qiáng)化作用顯出各向同性的均勻性；由于不屬于高 硬性質(zhì)點(diǎn)，所以仍可以位錯(cuò)切過(guò)方式提供給基體較好的塑韌性;總之，（Τ+ΘΗ)組合相優(yōu)化了 鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金的物相分子組合結(jié)構(gòu)，為基體提供了高硬質(zhì)點(diǎn)T相的繞過(guò)強(qiáng)化效 應(yīng)和高于游離態(tài)Al-Cu亞穩(wěn)相組合的切過(guò)強(qiáng)化效應(yīng)兩種作用;所以，研究發(fā)揮這種優(yōu)異的綜 合效應(yīng)，必須把材料設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)從傳統(tǒng)單純對(duì)Al-Cu亞穩(wěn)相組合轉(zhuǎn)移出來(lái)，而集中在對(duì) (Τ+ΘΗ)組合相的催生效果上。
[0036] 本發(fā)明配方設(shè)計(jì)作為主要技術(shù)手段之一，是使合金的晶態(tài)組合實(shí)現(xiàn)平均晶粒度< 120微米的等軸晶前提下，還可實(shí)現(xiàn)合金晶粒內(nèi)部（Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量在1個(gè)/[μπι] 2以上。因 此，主成分含量按重量百分比計(jì)：鋰Li : 0.4%-0.5%，錳Μη:彡2%，鎘Cd: 0.05%~0.5%，銅Cu: 4 · 2%~8 · 0%且Cu彡0 · 8Mn+4 · 05%或銅0 · 5%彡Cu彡3%且Cu彡1 · 5Mn;路易斯酸堿對(duì)總量1%X 10_4~2.0%或7.0%~9.0%，使合金平均晶粒度< 120微米，余量為鋁A1。通過(guò)添加鋰Li在合金 中形成4121^3)11^ 5等5種彌散性高溫強(qiáng)化相，能提高合金的硬度和耐蝕性能，為力學(xué)指標(biāo) 提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 本發(fā)明【具體實(shí)施方式】包括2個(gè)部分，第一部分為提示和說(shuō)明，第二部分為具體實(shí)施 例。
[0038]第一部分:提示和說(shuō)明 所述離心鑄造，步驟如下： 1、 采用金屬型模具，預(yù)熱大于350°c; 2、 熔煉，往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱并在700 °C以上保溫； 3、 合金化，加入錳Μη、鎘Cd、銅Cu，鋰Li攪拌，加入選定的路易斯酸堿對(duì)，或者加入選定 的路易斯酸堿對(duì)組合，攪拌均勻； 4、 然后對(duì)上述合金熔體進(jìn)行爐內(nèi)用精煉劑精煉； 5、 精煉后除渣、靜置、取樣分析合金化學(xué)成分，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整化學(xué)成分至規(guī)定的偏 差范圍內(nèi)；調(diào)溫至660°C以上，合金液出爐，在線除氣、除渣； 6、 過(guò)濾后采取人工澆注或自動(dòng)化澆注，用澆包從爐內(nèi)g取合金液倒入模具澆口通過(guò)內(nèi) 澆道充滿型腔并啟動(dòng)離心澆注；自然冷卻或強(qiáng)冷； 7、 開(kāi)模取出產(chǎn)品，自然冷卻，清理表面型砂、鋸切冒口、打磨飛邊； 8、 外觀質(zhì)量檢測(cè):毛坯鑄件在進(jìn)行外觀質(zhì)量檢驗(yàn)之前，應(yīng)清理干凈平整，非加工面的澆 冒口應(yīng)清理到鑄件表面齊平； 9、 內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)； 10、 固溶處理:將鑄件完成粗加工和內(nèi)外質(zhì)量檢測(cè)的毛坯送入固溶爐，進(jìn)行560°C以下 固溶處理，保溫完成后立刻淬火，使用水冷或油冷； 11、 時(shí)效強(qiáng)化:將完成固溶處理的鑄件送入時(shí)效爐進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理，在230°C以下時(shí) 效強(qiáng)化，保溫后，出爐自然冷卻。
[0039] 第二部分:具體實(shí)施例 實(shí)施例1 1、 一種替代QT400船柱的鋁合金材料成分重量百分比為:鋰Li : 0.5%，銅Cu: 5.4%，猛Μη: 0 · 6%，鎘 Cd: 0 · 15%，鋯Zr: 0 · 2%，鎢W: 0 · 43%，釔Υ: 0 · 14%，六氯合鉻負(fù)離子體[CrCl 6 ]3一: 0 · 05%， 氮化鎢WN2:0 · 05%，磷鎢酸H3[P(W301())4]: 0 · 05%; 2、 制備方法:熔體-澆注-轉(zhuǎn)動(dòng)型腔-充型凝固-停轉(zhuǎn)開(kāi)模取件-固溶-時(shí)效； 3、 熔體澆注溫度>660 °C; 4、 模具預(yù)熱溫度>350 °C; 5、 充型時(shí)間< 30s; 6、 型腔轉(zhuǎn)速> 500r/min，保持時(shí)間> 2 min; 7、 熱處理:T6-固溶加完全人工時(shí)效； 8、 鑄件微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo):金相組織為等軸晶，平均晶粒度80~100μπι，晶粒內(nèi)（Τ+ΘΗ)組合相 數(shù)量2~4個(gè)/[μπι] 2。
[0040] 9、鑄件機(jī)械性能
[0041 ] 實(shí)施例2 1、 一種替代QT400船柱的鋁合金材料成分重量百分比為:鋰Li : 0.4%，銅Cu: 5.5%，猛Μη: 0 · 8%，鎘Cd: 0 · 1%，鋯Zr: 0 · 2%，鎢W: 0 · 4%，釔Υ: 0 · 1%，六氯合鉻負(fù)離子體[CrCl6 ]3-: 0 · 05%，氮 化鎢WN2:0.05%，磷鎢酸H3[P(W30iq)4]: 0.05%; 2、 具體制備方法與實(shí)施例1相同； 3、 制品微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo):金相組織為等軸晶，平均晶粒度80~120μπι，晶粒內(nèi)（Τ+ΘΗ)組合 相數(shù)量2~3個(gè)/[μπι] 2; 4、 鑄件機(jī)械性能
[0042] 實(shí)施例3 1、 一種替代QT400船柱的鋁合金材料成分重量百分比為：鋰Li : 0.45%，銅Cu: 2.5%，錳 Μη: 0 · 8%，鎘Cd: 0 · 1 %，磷鎢酸H3 [P(W30iq)4]: 0 · 05%; 2、 具體制備方法與實(shí)施例1相同； 3、 制品微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo):金相組織為等軸晶，平均晶粒度80~120μπι，晶粒內(nèi)（Τ+ΘΗ)組合 相數(shù)量2~3個(gè)/[μπι] 2; 4、 鑄件機(jī)械性能
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種替代QT400船柱的鋁合金材料，其特征在于:主成分含量按重量百分比計(jì):鋰Li : 0 · 4%-0 · 5%，錳Μη:彡2%，鎘Cd: 0 · 05%~0 · 5%，銅Cu: 4 · 2%~8 · 0%且Cu彡0 · 8Mn+4 · 05%或銅0 · 5% 彡Cu彡3%且Cu彡1.5Mn;路易斯酸堿對(duì)總量1% X 10-4~2.0%或7.0%~9.0%，使合金平均晶粒 度<120微米，余量為鋁Α1。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT400船柱的鋁合金材料，其特征在于:合金晶粒為 等車(chē)由晶。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT400船柱的鋁合金材料，其特征在于:合金晶粒內(nèi) 亞納米(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量達(dá)到多1個(gè)/平方微米。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT400船柱的鋁合金材料，其特征在于:所述路易斯 酸堿對(duì)為金屬與配體結(jié)合而成的正、負(fù)離子體、復(fù)雜配體化合物、超大雜多化合物、金屬的 氮化物、過(guò)渡族類(lèi)元素中的一種，或者一種以上混合。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種替代QT400船柱的鋁合金材料，其特征在于:所述的金屬 與配體結(jié)合而成的正離子體、負(fù)離子體包含六氯合鉻負(fù)離子體[CrCl 6]3'6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種替代QT400船柱的鋁合金材料，其特征在于:所述的復(fù)雜 配體化合物或超大雜多化合物包含磷鎢酸H3[P(W 301Q)4]。7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的一種替代QT400船柱的鋁合金材料，其特征在于:所述 路易斯酸堿對(duì)，按元素添加量占 A1基體重量百分比，范圍為:Zr <0.3%，W<0.5%，Y<0.15%， [CrCl6]3_<0.5%,ffN2<0.05%,H3[P(ff3〇io)4] <0.05%〇8. 如權(quán)利要求7所述的一種替代QT400船柱的鋁合金材料的制備方法，其特征在于:包 含以下步驟： (1) 在前述路易斯酸堿對(duì)、元素比例范圍內(nèi)，選定一組物質(zhì)組合，確定重量比，根據(jù)需要 配制的合金總量，推算出所需的每種物料的重量； (2) 往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱并在700 °C以上保溫； (3) 加入錳Μη、鎘Cd、銅Cu，鋰Li攪拌，加入選定的路易斯酸堿對(duì)，或者加入選定的路易 斯酸堿對(duì)組合，攪拌均勻； (4) 然后對(duì)上述合金熔體進(jìn)行爐內(nèi)精煉； (5) 精煉后除渣、靜置、取樣分析合金化學(xué)成分，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整化學(xué)成分至規(guī)定的 偏差范圍內(nèi)；調(diào)溫至650 °C以上，合金液出爐，在線除氣、除渣； (6) 鑄造:采用離心鑄造澆注。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種替代QT400船柱的鋁合金材料的制備方法，其特征在于所 述離心鑄造澆注，步驟如下： ① 過(guò)濾后可澆注鑄造； ② 鑄造前應(yīng)將模具預(yù)熱，安裝上砂芯，用壓縮空氣將模具型腔吹干凈； ③ 啟動(dòng)離心裝置，采取人工澆注或自動(dòng)化澆注，用澆包從爐內(nèi)g取合金液倒入模具澆 口通過(guò)內(nèi)澆道充滿型腔；自然冷卻或強(qiáng)冷； ④ 開(kāi)模取出產(chǎn)品，自然冷卻，清理砂芯、鋸切冒口、打磨飛邊； ⑤ 外觀質(zhì)量檢測(cè)：毛坯鑄件在進(jìn)行外觀質(zhì)量檢驗(yàn)之前，應(yīng)清理干凈平整，非加工面的澆 冒口應(yīng)清理到鑄件表面齊平； ⑥ 內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)； ⑦ 固溶處理:將鑄件完成粗加工和內(nèi)外質(zhì)量檢測(cè)的毛坯送入固溶爐，進(jìn)行560°C以下固 溶處理，保溫完成后立刻淬火，使用水冷或油冷； ⑧ 時(shí)效強(qiáng)化:將完成固溶處理的鑄件送入時(shí)效爐進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理，在230°C以下時(shí)效 強(qiáng)化，保溫后，出爐自然冷卻； ⑨ 取樣分析測(cè)試驗(yàn)證； ⑩ 實(shí)用性能驗(yàn)證。
【文檔編號(hào)】C22C21/12GK105937000SQ201610493118
【公開(kāi)日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年6月29日
【發(fā)明人】門(mén)三泉, 車(chē)云, 張中可
【申請(qǐng)人】貴州華科鋁材料工程技術(shù)研究有限公司