專利名稱：摻雜WB及NaBH₄的高強度鋁合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強度鋁合金，還涉及其制備方法。
背景技術(shù)：
當Al-Si-Cu系鋁合金中由于成分和澆注工藝不當，容易形成高硬度化合物。尤其對于含硅量小于12% (質(zhì)量分數(shù))，Mn+Fe的含量高于0.8% (質(zhì)量分數(shù))時，非常容易生成All2Si (FeMn)2化合物。由于該鋁合金成形后的硬度較高，機械加工時刀具磨損嚴重，加工后的表面肉眼可見鼓起的白亮色硬質(zhì)點，顯微觀察硬質(zhì)點呈骨骼狀或不規(guī)則顆粒狀。經(jīng)能譜成分測定這種硬質(zhì)點的成分組成為Al-Si-Mn-Fe，其形態(tài)極易與合金中初晶硅相混淆。 當具有這種硬質(zhì)點化合物的鋁合金成形后的零件，不僅加工性差，而且嚴重影響加工表面的粗糙度和陽極化膜的質(zhì)量。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。例如為了細化晶粒而添加Ti這種難熔金屬與Al形成高熔點的片狀化合物Al3Ti會較早的從合金液中結(jié)晶出來，當長成較大時就容易下沉產(chǎn)生局部規(guī)程的密度偏析，偏析較嚴重時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，強度低，加工時不僅粘刀，惡化加工性能，在切削力的作用下會使α (Al)固溶體變形導致加工面出現(xiàn)白斑。當ZL108(ZAlSil2Cu2Mgl)鋁合金中含鎂量小于0. 6% (質(zhì)量分數(shù))時，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，在采用這種鋁合金進行鑄造時，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材料和結(jié)構(gòu)的進程中形成了難以跨越的技術(shù)斷點。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種摻雜WB及NaBH4的高強度鋁合金，能夠克服現(xiàn)有鋁合金性能的不足，提高其強韌性、成形性和淬透性，為高效深加工提供高端基材。一種摻雜WB及NaBH4的高強度鋁合金，其特征在于以質(zhì)量百分比計，包括0. 4 0. 8%的Si，小于等于0. 7%的Fe，0. 15 0. 4%的Cu，小于等于0. 15 %的Μη，0. 04 0. ；35%的0，0.8 1. 2%的Mg，小于等于0. 25%的Si，小于等于0. 15%的Ti，1. 0 2. 0% 的W，0. 06 0. 12%的B和0. 125 0. 25%的Na，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)；所述單一雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 05%，雜質(zhì)總含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 15%。一種制備摻雜WB及NaBH4的高強度鋁合金的方法，其特征在于步驟如下步驟1 將鋁錠加入熔煉爐中加熱使之完全熔化，然后加入總產(chǎn)品質(zhì)量百分比 0. 4 0. 8%的Si，小于等于0. 7%的Fe，0. 15 0. 4%的Cu，小于等于0. 15%的Μη，0. 04 0. 的Cr，0. 8 1. 2%的Mg，小于等于0. 25%的Si和小于等于0. 15%的Ti，完全溶解和熔化；所述熔化過程在封閉環(huán)境內(nèi)完成；步驟2 在700 1000°C下保溫，得到合金熔體；步驟3 采用混合氣體對鋁合金熔體進行除氣凈化作業(yè)，并將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比1. 06 2. 12的WB和0. 205 0. 41%的NaBH4粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到鋁合金熔體中進行混合，使WB和NaBH4在鋁合金熔體中分布均勻，并持續(xù)通氣直至反應完畢； 所述混合氣體為氮氣或惰性氣體或氮氣與惰性氣體按照任意比例混合得到；步驟4 反應結(jié)束后調(diào)溫至680 730°C，得到熔煉完成的鋁合金熔體。步驟1中的鋁錠以熔融鋁液替換。一種將所述的摻雜WB及NaBH4的高強度鋁合金進行鑄造的方法，其特征在于將權(quán)利要求2所熔煉的鋁合金熔體沿流槽傾倒出爐，至立式水冷鑄造機系統(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。一種將所述的摻雜WB及NaBH4的高強度鋁合金進行鑄造的方法，其特征在于將權(quán)利要求2所熔煉的鋁合金熔體轉(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、薄壁或復雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。本發(fā)明提供的摻雜WB及NaBH4的高強度鋁合金及其制備方法，在變形鋁合金中以粉末狀加入1. 06 2. 12的WB和0. 205 0. 41%的NaBH4,以流態(tài)化形式隨保護性氣體加入鋁合金熔體過程中，具有比一般塊狀物質(zhì)大得多的比表面積，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的分散并與熔體充分接觸，顯著縮短了分散和均勻的時間。同時采用本發(fā)明的高強度鋁合金在鑄造過程中，可以在合金凝固過程中有效增加異質(zhì)形核核心，從而達到晶粒細化的效果，增強合金強度；并且加入的元素可以促進形成間隙原子和間隙相，高溫時在α (Al)固溶體中溶解度大，而在室溫時很小，從而使合金具有較高的可熱處理性質(zhì)，熱處理后，其強度和硬度都有很大程度的提高。具體分析如下在本合金未經(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(Al1Je3Si)、S 相(Al2CuMg)；這些金屬化合物在熔體冷卻時，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，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，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+時效”的熱處理之后才能具有滿足需要的力學性能和其它技術(shù)指標。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，開發(fā)了過渡族元素的處理熔體的方式，通過加入1.0 2.0%的W，2.0 4.0%的B、1.0 2.0%的Na元素，另外在熔煉過程中充入的氮氣，有利于鋁在800 1000°C的氮氣氛中合成A1N。原子態(tài)的W容易與Al發(fā)生合金化反應，它們分別在溫度697°C、870°C下按包晶反應生成ALW、Al#，。在快速淬火的合金體系中，除了 W 在(Al)中的過飽和固溶體外，還有各種亞穩(wěn)定相，對提高合金強度和高溫穩(wěn)定性有顯著作用。由于N與Al反應生成的AlN是原子晶體，屬類金剛石氮化物，最高可穩(wěn)定到2200°C ； 室溫強度高，且強度隨溫度的升高下降較慢，能夠有效提高合金的高溫強度和抗腐蝕能力； 導熱性好，熱膨脹系數(shù)小，可提高基體材料耐熱沖擊性能。因此，當隊充入高溫鋁合金熔體時，本身就具有了與多種金屬金發(fā)生反應的活性。所以適當調(diào)節(jié)熔體凈化作業(yè)時的溫度和保護性氮氣的濃度，可調(diào)節(jié)熔體中AlN的含量，這進一步為調(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，把強化基體和細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，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，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化元素、質(zhì)點，對防止基體和強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，成為新的高效強化相，使材料的強度和硬度得到提高。下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進一步說明。
具體實施例方式實施例1 一種摻雜WB及NaBH4的高強度鋁合金，以質(zhì)量百分比計，包括0. 4%的Si，0. 7 %的 Fe，0. 15% 的 Cu，0. 15% 的 Mn，0. 04% 的 Cr，0. 8% 的 Mg，0. 25% 的 Zn，0. 15% 的 Ti，1. 0% 的 W,2.0%的B、1. 0 %的Na，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)明還提供所述高強度鋁合金的制備方法，以復合處理方式加入WB和NaBH4，包括以下步驟步驟一按照所述高強度鋁合金的組分備料，包括占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0.4%的 Si，0. 7% 的 Fe，0. 15% 的 Cu，0. 15% 的 Μη，0· 04% 的 Cr，0. 8% 的 Mg，0. 25% 的 Ζη，0. 15% 的 Ti ；步驟二 先往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱使之完全熔化，按配方比例先加入步驟一的備料，使之完全溶解和熔化，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；步驟三使用氮氣或惰性氣體或氮氣與惰性氣體任意比例的混合氣體對合金熔體進行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應完畢；同時將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比1.0%的WB和 1. 0%的NaBH4粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進行攪拌，使WB和NaBH4 在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應；靜置、調(diào)溫至680 730°C，得到熔煉完成的鋁合金熔體。實施例2 一種摻雜WB及NaBH4的高強度鋁合金，以質(zhì)量百分比計，包括0. 6%的Si，0. 5% 的 Fe，0. 25%的 Cu，0. 的 Μη，0· 15%的 Cr，1. 0%的 Mg，0. 2%的 Ζη,Ο. 的 Ti，l. 5%的 W,3.0%的B、1. 5 %的Na，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)明還提供所述高強度鋁合金的制備方法，以復合處理方式加入WB和NaBH4，包括以下步驟步驟一按照所述高強度鋁合金的組分備料，包括占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0.6%的 Si，0. 5%的 Fe，0. 25%的 Cu，0. 的Μη，0· 15%的 Cr，1. 0%的Mg，0. 2%的 Si，0. 的 Ti ；步驟二 先往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱使之完全熔化，按配方比例先加入步驟一的備料，使之完全溶解和熔化，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；步驟三使用氮氣或惰性氣體或氮氣與惰性氣體任意比例的混合氣體對合金熔體進行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應完畢；同時將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比1.5%的WB和 1. 5%的NaBH4粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進行攪拌，使WB和NaBH4 在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應；靜置、調(diào)溫至680 730°C，得到熔煉完成的鋁合金熔體。實施例3:一種摻雜WB及NaBH4的高強度鋁合金，以質(zhì)量百分比計，包括0. 8%的Si，0. 5% 的 Fe，0. 4%的 Cu，0. 09%的Mn，0. 35%的 Cr，1. 2%的Mg，0. 的 Ζη，0. 06%的 Ti，2. 0%的 W, 4.0%的B、2. 0%的Na，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)明還提供所述高強度鋁合金的制備方法，以復合處理方式加入WB和NaBH4，包括以下步驟步驟一按照所述高強度鋁合金的組分備料，包括占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0.8%的 Si，0. 5 % 的 Fe，0. 4 % 的 Cu, 0. 09 % 的 Mn, 0. 35 % 的 Cr, 1. 2 % 的 Mg, 0. 1 % 的 Zn, 0. 06 % 的 Ti ；
步驟二 先往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱使之完全熔化，按配方比例先加入步驟一的備料，使之完全溶解和熔化，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；步驟三使用氮氣或惰性氣體或氮氣與惰性氣體任意比例的混合氣體對合金熔體進行除氣凈化作業(yè)，并持續(xù)通氣直至反應完畢；同時將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比2.0%的WB和 2. 0%的NaBH4粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到合金熔體中；進行攪拌，使WB和NaBH4 在合金熔體中分布均勻，并與合金熔體充分反應；靜置、調(diào)溫至680 730°C，得到熔煉完成的鋁合金熔體。采用本發(fā)明方法熔煉的高強度鋁合金液出爐后，沿以下兩種流程分別進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、薄壁或復雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。
權(quán)利要求
1.一種摻雜WB及NaBH4的高強度鋁合金，其特征在于以質(zhì)量百分比計，包括0. 4 0. 8%的Si，小于等于0. 7%的Fe，0. 15 0. 4%的Cu，小于等于0. 15 %的Μη，0. 04 0. 35%的Cr，0. 8 1. 2%的Mg，小于等于0. 25%的Zn，小于等于0. 15%的Ti，1. 0 2. 0% 的W，0. 06 0. 12%的B和0. 125 0. 25%的Na，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)；所述單一雜質(zhì)的含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 05%，雜質(zhì)總含量不超過總質(zhì)量百分比的0. 15%。
2.一種制備權(quán)利要求1所述的摻雜WB及NaBH4的高強度鋁合金的方法，其特征在于步驟如下步驟1 將鋁錠加入熔煉爐中加熱使之完全熔化，然后加入總產(chǎn)品質(zhì)量百分比0. 4 0. 8%的Si，小于等于0. 7%的Fe，0. 15 0. 4 %的Cu，小于等于0. 15%的Mn，0. 04 0.35%的Cr，0. 8 1. 2%的Mg，小于等于0. 25%的Zn和小于等于0. 15%的Ti，完全溶解和熔化；所述熔化過程在封閉環(huán)境內(nèi)完成；步驟2 在700 1000°C下保溫，得到合金熔體；步驟3 采用混合氣體對鋁合金熔體進行除氣凈化作業(yè)，并將占總產(chǎn)品質(zhì)量百分比1.06 2. 12%的WB和0. 205 0. 41 %的NaBH4粉末以流態(tài)化方式隨上述氣體加入到鋁合金熔體中進行混合，使WB和NaBH4在鋁合金熔體中分布均勻，并持續(xù)通氣直至反應完畢；所述混合氣體為氮氣或惰性氣體或氮氣與惰性氣體按照任意比例混合得到；步驟4 反應結(jié)束后調(diào)溫至680 730°C，得到熔煉完成的鋁合金熔體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟1中的鋁錠以熔融鋁液替換。
4.一種將權(quán)利要求1所述的摻雜WB及NaBH4的高強度鋁合金進行鑄造的方法，其特征在于將權(quán)利要求2所熔煉的鋁合金熔體沿流槽傾倒出爐，至立式水冷鑄造機系統(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。
5.一種將權(quán)利要求1所述的摻雜WB及NaBH4的高強度鋁合金進行鑄造的方法，其特征在于將權(quán)利要求2所熔煉的鋁合金熔體轉(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、薄壁或復雜結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種摻雜WB及NaBH4的高強度鋁合金及其制備方法，在變形鋁合金中以粉末狀加入1.0～2.0％的W，2.0～4.0％的B、1.0～2.0％的Na元素，以流態(tài)化形式隨保護性氣體加入鋁合金熔體過程中，具有比一般塊狀物質(zhì)大得多的比表面積，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的分散并與熔體充分接觸，顯著縮短了分散和均勻的時間。同時采用本發(fā)明的高強度鋁合金在鑄造過程中，可以在合金凝固過程中有效增加異質(zhì)形核核心，從而達到晶粒細化的效果，增強合金強度；并且加入的元素可以促進形成間隙原子和間隙相，高溫時在α(Al)固溶體中溶解度大，而在室溫時很小，從而使合金具有較高的可熱處理性質(zhì)，熱處理后，其強度和硬度都有很大程度的提高。
文檔編號C22C21/00GK102433473SQ20111042114
公開日2012年5月2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, 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