一種替代qt450織機(jī)平衡塊的鋁合金材料及其金屬型重力鑄造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種替代QT450織機(jī)平衡塊的鋁合金材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比計(jì)：錳Mn:≤2%，鎘Cd:0.05%～0.5%，銅Cu:4.2%～8.0%且Cu≥0.8Mn+4.05%，鈹Be：0.05%～0.6%；路易斯酸堿對(duì)總量1%×10?2～2.0%，使合金平均晶粒度＜120微米，余量為鋁Al。
【專利說(shuō)明】
一種替代QT450織機(jī)平衡塊的鋁合金材料及其金屬型重力鑄 造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種替代QT450織機(jī)平衡塊的鋁合金材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 球墨鑄鐵(簡(jiǎn)稱球鐵)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、鑄造、紡 織、機(jī)床、電力、石化、船舶零件等，主要形態(tài)和類型為液壓殼體、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； 球鐵之所以用途廣泛，還在于它有著細(xì)分的標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)，每種牌號(hào)規(guī)定了較為嚴(yán)格精確 的化學(xué)成分組合、熱處理規(guī)范參數(shù)、力學(xué)性能和物理指標(biāo)等，從而對(duì)應(yīng)著細(xì)分應(yīng)用品類。見(jiàn) 表1。
[0003] 表1 GB/T 1348確定的球墨鑄鐵牌號(hào)對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能及組織
球鐵的這種機(jī)械性能指標(biāo)及其分類標(biāo)準(zhǔn)，可以作為鋁合金材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)、提高性能的 對(duì)標(biāo)基礎(chǔ)，同時(shí)可以作為"以鋁代鋼"的比較通道，即：如果鋁合金可以替代某牌號(hào)球鐵，則 進(jìn)一步替代與此牌號(hào)性能接近的鋼材，就足以在產(chǎn)業(yè)界引領(lǐng)一種潮流或時(shí)尚。
[0004] 從自然特性和經(jīng)驗(yàn)積累的角度來(lái)看，鋁及鋁合金較球鐵具有多種優(yōu)點(diǎn)： ①鋁材料具有極好的低溫性能，其力學(xué)性能隨溫度降低而提高，在寒冷季節(jié)和低溫環(huán) 境作為結(jié)構(gòu)材料具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而球鐵則隨溫度降低逐漸發(fā)生由韌性向脆性的轉(zhuǎn)變，尤其 在脆性轉(zhuǎn)變溫度以下，其沖擊值急劇下降，甚至發(fā)生"低溫脆斷"。
[0005] ②鋁及鋁合金比強(qiáng)度高，具有良好的斷裂韌性，而球鐵隨屈服強(qiáng)度提高而延伸率 下降，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性明顯增加，表現(xiàn)為屈服以后變形量較小即斷裂，這種"疲勞脆斷" 本性往往是重大工程結(jié)構(gòu)無(wú)征兆突然整體崩潰式破壞的潛在硬傷，是許多重大惡性事故的 罪魁禍?zhǔn)住?br>[0006] ③由于鋁及鋁合金較球鐵和鋼材的熱容大和導(dǎo)熱性好，故其防火、防爆、預(yù)警性更 好。
[0007] ④鋁及鋁合金本身的抗氧化腐蝕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼鐵且更適宜于進(jìn)行高技術(shù)表面防 腐和裝飾一體化處理。
[0008] ⑤鋁材料合金化和熱處理工藝較球鐵簡(jiǎn)單，鋁的合金化溫度一般低于750°C，熱處 理溫度在150~600°C之間，按作用劃分也只有固溶、時(shí)效、均勻化退火幾種簡(jiǎn)單工藝，而球 鐵的合金化溫度超過(guò)1400°C，熱處理溫度則在500~1000°C，按作用劃分為消應(yīng)力退火、高 溫石墨化退火、正火、淬火及回火、多溫淬火、表面淬火、化學(xué)熱處理等一系列復(fù)雜工藝，不 但過(guò)程復(fù)雜、裝備技術(shù)要求高，而且消耗和排放也是鋁材料幾倍乃至十多倍。
[0009] ⑥從機(jī)械(壓力)加工工藝和裝備來(lái)比較，鋁材料可以很容易地采用鑄、乳、擠、鍛、 鋸、銑、焊、沖壓等工藝，而球鐵不能擠壓加工，其它的加工方法也需要采用比鋁材料的規(guī)格 和功率大得多的加工設(shè)備和工裝，到成品件的制作過(guò)程，幾乎每一道工序環(huán)節(jié)球鐵和鋼材 都要消耗比鋁材料更高的功率。
[0010] ⑦沿著零部件應(yīng)用的整個(gè)壽命周期，球鐵因其慣性大、笨重、易腐蝕、易脆斷等缺 陷，其物耗、能耗和維護(hù)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁材料，其循環(huán)利用的價(jià)值也遠(yuǎn)低于鋁材料。
[0011]前述這些鋼材欠缺而鋁材料獨(dú)具的優(yōu)異品質(zhì)，為"以鋁代鋼"的顯著進(jìn)步性提供了 人類社會(huì)文明進(jìn)步追求的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。
[0012]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。
[0013]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。
[0014] 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)。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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 相周圍附著生長(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。
[0018] 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)周圍留下一圈位錯(cuò)環(huán)。
[0019] 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。
[0020] 在關(guān)于鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金的傳統(tǒng)觀念中，由于從來(lái)都認(rèn)為Al-Cu二元相是 合金強(qiáng)化的主要因素，因此，材料研究和設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)，就是使Al-Cu二元相各亞穩(wěn)態(tài)實(shí) 現(xiàn)在合金中的最佳組合。雖然也發(fā)現(xiàn)有T三元相，但都不認(rèn)為T相對(duì)合金強(qiáng)度的貢獻(xiàn)能夠與 Al-Cu二元各亞穩(wěn)相的組合相比，而且認(rèn)為Τ相容易在晶界聚集形成粗大脆性相，因此要嚴(yán) 格控制其數(shù)量。
[0021] GP區(qū)、θ"、θ'或者其它盤片狀的二元Al-Cu亞穩(wěn)相對(duì)合金強(qiáng)度的貢獻(xiàn)特點(diǎn)屬于位錯(cuò) 切過(guò)質(zhì)點(diǎn)方式，其特點(diǎn)是盤片長(zhǎng)得越大，切過(guò)越困難，因此對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也越大，但是，當(dāng)盤 片大到一定程度(直徑超過(guò)150nm而厚度只有1~3nm)，其晶格點(diǎn)陣與基體晶格點(diǎn)陣的失配 度過(guò)高，就不再能與基體保持完全共格，而逐漸顯出脆性相的特征。因此，既要保持共格又 有最大的失配應(yīng)力場(chǎng)以發(fā)揮最大阻礙位錯(cuò)滑移能力，二元Al-Cu各亞穩(wěn)相質(zhì)點(diǎn)有一個(gè)最佳 組合的問(wèn)題，同時(shí)也需要它對(duì)基體的延伸率保持較大的貢獻(xiàn)，這是以前乃至今后材料設(shè)計(jì) 始終要考慮的主要問(wèn)題之一。
[0022]如前所述，傳統(tǒng)用球鐵(QT450)制作的織機(jī)平衡塊，在實(shí)際制造、使用過(guò)程中存在 以下缺陷： ①因球鐵延伸率較低，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性明顯增加，表現(xiàn)為屈服以后變形 量較小易斷裂，造成事故。
[0023]②球鐵熱處理工藝過(guò)程復(fù)雜、裝備技術(shù)要求高，而且消耗和排放也很大。
[0024] ③沿著零部件應(yīng)用的整個(gè)壽命周期，球鐵因其慣性大、笨重、易腐蝕、易脆斷等缺 陷，其物耗、能耗和維護(hù)成本很高于，其循環(huán)利用的價(jià)值較低。
[0025] 鋁合金制作織機(jī)平衡塊在國(guó)內(nèi)未見(jiàn)相關(guān)研究，因?yàn)槠胀ㄤX合金基礎(chǔ)材料的局限 性，其力學(xué)性能較低，尤其是高溫耐熱性能，承受的溫度小于300°C，嚴(yán)重影響了織機(jī)平衡塊 的壽命，甚至增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0026]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種替代QT450織機(jī)平衡塊的鋁合金材料及其 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) 450MPa及更高的強(qiáng)度等級(jí)，從而達(dá)到生產(chǎn)替代QT450織機(jī)平衡塊的鋁合金制品。
[0027]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種替代QT450織機(jī)平衡塊的鋁合金材料，主成分含量按重 量百分比計(jì)：錳Μη:彡2%，鎘Cd: 0 · 05%~0 · 5%，銅Cu: 4 · 2%~8 · 0%且Cu彡0 · 8Mn+4 · 05%，鈹Be: 0.05%~0.6%;路易斯酸堿對(duì)總量1%X 10-2~2.0%，使合金平均晶粒度< 120微米，余量為鋁 Al〇
[0028]所述的合金晶粒為等軸晶。
[0029]所述的合金晶粒內(nèi)亞納米(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量達(dá)到多2-3個(gè)/平方微米。
[0030] 所述路易斯酸堿對(duì)為金屬與配體結(jié)合而成金屬鹵合物、復(fù)雜配體化合物、內(nèi)過(guò)渡 類元素中的一種，或者一種以上混合。
[0031] 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：Si<1.2%，Mg< 0 · 4%，Li <0 · 3%，Bi <0 · 15，CuCl3 <0 · 1%〇
[0032] 一種替代QT450織機(jī)平衡塊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、鈹Be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:采用重力鑄造澆注。
[0033] 所述重力鑄造澆注，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 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。
[0034]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。
[0035] 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。
[0036] 由于(Τ+ΘΗ)組合相的發(fā)現(xiàn)，在鋁合金強(qiáng)化設(shè)計(jì)時(shí)，就可以通過(guò)增加(Τ+ΘΗ)組合相， 使鋁合金材料的基體強(qiáng)度獲得大的提升，在屈服強(qiáng)度在400~600MPa之間得到良好控制，這 是本發(fā)明要解決的工程應(yīng)用問(wèn)題，即替代系列球鐵材料和制品。
[0037] 對(duì)鋁合金熔體來(lái)說(shuō)，復(fù)雜配體化合物如TiOCl2，Na2Ti03，Na 2[PtCl6]，Na3[AlF6]，K2 [SiF6]，Al2S3，CuFeS2，Mn(C0)4(N0)，F(xiàn)e(C 5H5)2,超大雜多化合物如 H3[P(M0301Q)4]，金屬氰合 物如K4[Fe(CN) 6]、金屬硫氰基復(fù)合配體如Tc(NCS)2、金屬鹵合物如CrCl3、金屬鹵氨合物如 [Co(NH 3)6]C13、氫合物如LiH、NaBH4,過(guò)渡元素金屬羰基配合物如V(C0) 5,這些物質(zhì)分子中提 供電子或電子對(duì)的-Cl2、-〇3、-Cl6、-F6、-F 6、-Al2、-CuFe、-(CO)4(NO)、-(Mo3〇1())4、-C 5H5、-P、- (CN)6、_(NCS)2、_Cl3、_[ (NH3)6]Cl3、_Li、-H4 和 _(C0)5 屬于路易斯喊，而-TiO、-Ti、-Pt、~A1、-31、-5 3、-32、-]?11、46、-(]\1〇3〇1())4、46、-1'(3、-〇、-(：〇、-!1、-8和，，是接受電子或電子對(duì)的受 體，屬于路易斯酸;這些分子是路易斯酸堿對(duì)。
[0038] 復(fù)雜配體化合物、金屬鹵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⑶2、CH4、N 2、 NH3或H2S)或進(jìn)入熔渣（比如他(：1、1((：1)1(!10)3^1 2〇3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。
[0039] 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、金屬鹵合物、金屬鹵氨合物、過(guò)渡族類元素、內(nèi)過(guò)渡類元素中的一種，或者一 種以上混合。
[0040] 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；由于等軸晶 的這種緣于液體內(nèi)部自由生長(zhǎng)的內(nèi)生機(jī)制，改變了平面晶、樹(shù)枝晶、柱狀晶等不規(guī)則晶體緣 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，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。
[0041] 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棒軸方向而向周圍基體生長(zhǎng)同時(shí)又與基體共格，增強(qiáng)了主干對(duì)周圍晶格點(diǎn) 陣的收緊能力，或者換句話說(shuō)，T棒軸通過(guò)附著其上向周圍生長(zhǎng)的ΘΗ次生相，把收緊作用向 周圍的基體空間傳遞和擴(kuò)散，這種作用，在次微米區(qū)域內(nèi)對(duì)基體產(chǎn)生了類似建筑結(jié)構(gòu)中鋼 筋網(wǎng)格在混凝土中的強(qiáng)化作用，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)。
[0042] (Τ+ΘΗ)組合相中的ΘΗ卻以不同位向和大得多的厚度，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 的收緊作用向周圍的基體空間傳遞和擴(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+Θ H)組合相的催生效果上。
[0043] 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2-3個(gè)/[μ m]2以上。因此，主成分設(shè)計(jì)為按重量百分比：錳Μη:彡2%，鎘Cd: 0.05%~0.5%，銅Cu: 4.2%~ 8 · 0%且Cu彡0 · 8Mn+4 · 05%，鈹Be: 0 · 05%~0 · 6%;路易斯酸堿對(duì)總量1% X 10-2~2 · 0%，使合金 平均晶粒度<120微米，余量為鋁A1。增加了過(guò)渡族類元素鈹Be作為復(fù)雜合金化的微量添加 元素，在合金中形成α、β彌散性高溫強(qiáng)化相，可防止合金元素的氧化、燒損、吸氣，提高合金 的冶金質(zhì)量及表面氧化膜的致密度，可使雜質(zhì)鐵(Fe)由針狀變?yōu)閳F(tuán)粒狀，還可防止?jié)沧r(shí) 砂型鑄件與模型的反沖。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 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。
[0045] 第一部分:提示和說(shuō)明 合金恪體準(zhǔn)備的步驟： (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，編制合金生產(chǎn)配料表，并按配料表選足各 種備料。
[0046] (2)往熔煉爐中加入適量的鋁錠或熔融鋁液，加熱使之完全融化并在700 °C以上保 溫;為防止熔體吸入過(guò)多的空氣，熔化過(guò)程應(yīng)盡可能在短時(shí)間內(nèi)和封閉環(huán)境內(nèi)完成。
[0047] (3)按配方比例加入錳Μη、鎘Cd、銅Cu、鈹Be，攪拌均勻后，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。
[0048] 所述路易斯酸堿對(duì)或者組合如果呈固體塊狀，可直接加入熔體或者以按壓輔助方 式加入熔體； 所述路易斯酸堿對(duì)或者組合如果呈固體絲線狀，可以在線自動(dòng)送絲方式，在鑄造時(shí)連 續(xù)加入，或者切成合適小段，在每次鑄造前加入澆包或舀瓢； 所述路易斯酸堿對(duì)或者組合如果呈固體粉末狀，可以選擇向熔體直接吹送或者以保護(hù) 性氣體帶動(dòng)的流態(tài)化方式連續(xù)吹送，所述吹送可以選擇從熔體上部垂直插入熔體中吹送、 從爐體側(cè)面斜插熔體吹送或者從爐底透氣磚孔吹送。
[0049] 所述路易斯酸堿對(duì)，活潑金屬元素選擇以保護(hù)形態(tài)加入熔體，高熔點(diǎn)難溶金屬元 素選擇配合物形態(tài)，易溶重金屬選擇單質(zhì)狀態(tài)。
[0050] 所述路易斯酸堿對(duì)或者組合，化合物或配合物選擇預(yù)先制成固體粉末形態(tài)。
[0051] 所述路易斯酸堿對(duì)或者組合，選擇于合金主元素熔煉完成后加入熔體，或者在熔 體精煉時(shí)加入恪體，或者在精煉凈化后加入恪體，或者在鑄造成形之前再加入恪體。
[0052] (4)然后對(duì)上述合金熔體進(jìn)行爐內(nèi)精煉，所述精煉選擇在封閉環(huán)境中操作，所述封 閉環(huán)境選擇以抽風(fēng)方式連續(xù)排除精煉產(chǎn)生的廢氣。
[0053] (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)； 所述調(diào)整化學(xué)成分選擇以加入路易斯酸堿對(duì)或者組合的方式進(jìn)行調(diào)整； 調(diào)溫至650°C以上，合金液出爐，在線除氣、除渣； 所述除氣可以選擇石墨管空心轉(zhuǎn)子攪動(dòng)吹入凈化氣體； 所述凈化氣體可以選擇氮?dú)狻鍤?、氯氣或者它們的混合物?所述除渣可以選擇表面除去浮渣或者選擇過(guò)濾法除去熔體內(nèi)粗大質(zhì)點(diǎn)或者熔體底部 的沉渣； 所述過(guò)濾法可以選擇陶瓷過(guò)濾板或者玻璃纖維或者濾布作為過(guò)濾介質(zhì)； 所述過(guò)濾可以進(jìn)行單級(jí)過(guò)濾或者雙級(jí)過(guò)濾或者多級(jí)過(guò)濾； 所述粗大質(zhì)點(diǎn)可以是顆粒度不小于10微米的質(zhì)點(diǎn)。
[0054] (6)鑄造。所述重力鑄造，步驟如下： ① 熔體過(guò)濾后可澆注鑄造，鑄造溫度控制可在700~730°C ; ② 鑄造前應(yīng)將模具預(yù)熱到450°C左右，安裝上砂芯，用壓縮空氣將模具型腔吹干凈，防 止夾雜物進(jìn)入合金造成廢品； ③ 在翻轉(zhuǎn)式重力鑄機(jī)上完成，可采取人工澆注或自動(dòng)化澆注，合上模具并使鑄機(jī)翻轉(zhuǎn) 到一定角度，用澆包從爐內(nèi)g取適量合金液倒入模具轉(zhuǎn)接包內(nèi)，使鑄機(jī)緩慢翻轉(zhuǎn)到水平位 置，在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，合金液從轉(zhuǎn)接包通過(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； 鑄件可以肉眼或用低倍放大鏡或其它試驗(yàn)方法檢驗(yàn)外觀質(zhì)量，所述鑄件外觀質(zhì)量是指 包括表面粗糙度、表面缺陷或尺寸精度； 在鑄件的非加工面上，允許鑄件有分型、頂桿及排氣塞等痕跡，允許有精加工可切除的 缺陷，但不允許有焊接、粘膠等修補(bǔ)痕跡，待加工面的澆冒口殘留量不得大于2mm; 毛坯鑄件上所有鑄造的標(biāo)識(shí)必須清晰可辨識(shí)； 對(duì)符合表面粗糙度要求的毛坯進(jìn)行封樣，待驗(yàn)收件與封樣件對(duì)比驗(yàn)收； ⑥ 內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)。剖面著色探傷檢測(cè)或者整體熒光或X光檢測(cè)； 所述剖面著色探傷檢測(cè)，可每爐批的鑄件隨機(jī)抽查一件或數(shù)件進(jìn)行解剖，檢查鑄件主 要熱節(jié)部位或壁厚較大部位的內(nèi)部質(zhì)量； 所述剖面，可鋸開(kāi)最易產(chǎn)生氣孔、砂眼的鑄造部位如殼體安裝腳、閥體安裝孔、側(cè)蓋安 裝孔或主缸尾部等的厚大部位，用著色劑檢測(cè)，目測(cè)是否有氣孔、砂眼等缺陷； 所述整體熒光檢測(cè)是將鑄件浸泡熒光液后經(jīng)照射觀察表面及一定深度有無(wú)微細(xì)裂紋、 針孔、微孔等缺陷； 所述X光檢測(cè)是鑄件經(jīng)X光透射以檢測(cè)其內(nèi)部冶金質(zhì)量，觀察有無(wú)針孔、氣孔、縮孔、疏 松、縮松、偏析、粗大相顆粒、夾雜、夾渣、冷隔、冷豆或裂紋。
[0055] 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 下的固溶處理，保溫后立刻淬火，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，時(shí)效強(qiáng)化工藝150 ~240°C，保溫后，出爐自然冷卻;鑄件表面可進(jìn)行拋丸清理。
[0056] 第二部分:具體實(shí)施例 實(shí)施例1 1、 一種替代QT450的鋁合金織機(jī)平衡塊材料組分重量百分比為：錳Μη: 0.85%，鎘Cd: 0 · 16%，銅Cu: 5 · 8%，鈹Be: 0 · 45%，Si : 1 · 2%，Li : 0 · 2%，Bi : 0 · 1%，Mg: 0 · 35%，CuCl3:0 · 04%，余量 為鋁A1; 2、 制備方法:熔體-澆注-充型凝固-開(kāi)模取件-固溶-時(shí)效； (1) 熔體澆注溫度彡715°(：; (2) 模具預(yù)熱溫度彡400 °C; (3) 充型時(shí)間<10s; (4) 熱處理:T4 一固溶加自然時(shí)效； 3、 鑄件微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo):金相組織為等軸晶，平均晶粒度90-95μπι，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：：抗拉強(qiáng)度4651^&，屈服強(qiáng)度290 1^&，斷后延伸率9.9%，布氏硬度 148〇
[0057] 實(shí)施例2 1、 一種替代QT450的鋁合金織機(jī)平衡塊材料組分重量百分比為：錳Μη: 0.88%，鎘Cd: 0 · 15%，銅Cu: 6 · 0%，鈹Be: 0 · 35%，Si : 1 · 0%，Li : 0 · 2%，Bi : 0 · 1%，Mg: 0 · 32%，CuCl3:0 · 03%，余量 為鋁A1; 2、 具體制備方法與實(shí)施例1相同； 3、 鑄件微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo):金相組織為等軸晶，平均晶粒度85-95μπι，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：：抗拉強(qiáng)度4551^&，屈服強(qiáng)度280 1^&，斷后延伸率10.5%，布氏硬度 136〇
[0058] 實(shí)施例3 1、 一種替代QT450的鋁合金織機(jī)平衡塊材料組分重量百分比為：錳Μη: 0.88%，鎘Cd: 0 · 15%，銅Cu: 6 · 5%，鈹Be:0 · 1%，Na3[A1F6]:0 · 03%，余量為鋁A1; 2、 具體制備方法與實(shí)施例1相同； 3、 鑄件微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo):金相組織為等軸晶，平均晶粒度85-95μπι，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：抗拉強(qiáng)度460Mpa，屈服強(qiáng)度282 Mpa，斷后延伸率10.5%，布氏硬度 138〇
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種替代QT450織機(jī)平衡塊的錯(cuò)合金材料，其特征在于:主成分含量按重量 百分比計(jì)：錳Μη:彡 2%，鎘Cd: 0 · 05%~0 · 5%，銅Cu: 4 · 2%~8 · 0%且Cu彡0 · 8Mn+4 · 05%，鈹 Be: 0.05%~0.6%;路易斯酸堿對(duì)總量1% X 10_2~2.0%，使合金平均晶粒度< 120微米，余量為 錯(cuò)A1 〇2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT450織機(jī)平衡塊的鋁合金材料，其特征在 于:合金晶粒為等軸晶。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT450織機(jī)平衡塊的鋁合金材料，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2-3個(gè)/平方微米。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT450織機(jī)平衡塊的鋁合金材料，其特征在 于:所述路易斯酸堿對(duì)為金屬與配體結(jié)合而成金屬鹵合物、復(fù)雜配體化合物、內(nèi)過(guò)渡類 元素中的一種，或者一種以上混合。5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的一種替代QT450織機(jī)平衡塊的鋁合金材料，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:Si<l. 2%， Mg<0.4%，Li<0.3%，Bi<0.15，CuCl3<0.1%〇6. 如權(quán)利要求5所述的一種替代QT450織機(jī)平衡塊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、鈹Be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:采用重力鑄造澆注。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種替代QT450織機(jī)平衡塊的鋁合金材料的制備方 法，其特征在于:所述重力鑄造澆注，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 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)】C22C1/02GK105970042SQ201610489770
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月29日
【發(fā)明人】車云, 張中可, 門三泉
【申請(qǐng)人】貴州華科鋁材料工程技術(shù)研究有限公司