一種替代qt400起重導(dǎo)軌系統(tǒng)的鋁合金材料及其擠壓成型方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種替代QT400起重導(dǎo)軌系統(tǒng)的鋁合金材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比計(jì)：釩V:0.03％～0.08％，錳Mn:≤2％，鎘Cd:0.05％～0.5％，銅0.5％≤Cu≤3％且Cu≥1.5Mn；路易斯酸堿對(duì)總量7.0％～9.0％，余量為鋁Al。
【專利說(shuō)明】
一種替代QT400起重導(dǎo)軌系統(tǒng)的鋁合金材料及其擠壓成型 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[00011本發(fā)明涉及一種替代QT400起重導(dǎo)軌系統(tǒng)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)是導(dǎo)軌產(chǎn)業(yè)中的主要運(yùn)用的材料之一，究其原因就在于球鐵 的低廉價(jià)格、穩(wěn)定的力學(xué)性能及物理指標(biāo)。
[0003] 球鐵400的牌號(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。
[0004] 球鐵的這種機(jī)械性能指標(biāo)及其分類(lèi)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)；目前的軌道市場(chǎng)追求低碳、集約化、高效率(高效能）、靈活性，是制造業(yè)從傳 統(tǒng)形態(tài)向尚端形態(tài)跨越的標(biāo)志。
[0005] 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 在錯(cuò)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。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1~30μπι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l〇nm~<1μπι)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] 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Cu2Mri3，分子物相特征是 直徑約lOOnm、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。
[0008] 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)。
[0009] 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)。
[0010] 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。
[0011] 國(guó)內(nèi)外的鋁合金導(dǎo)軌選用的都是牌號(hào)為6063鋁合金，這種鋁合金在強(qiáng)度方面最高 360MPa左右，只能滿足負(fù)荷1噸以下的輕型吊裝，并且在150°C以上的高溫環(huán)境下運(yùn)行容易 變形；

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種替代QT400起重導(dǎo)軌系統(tǒng)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起重導(dǎo)軌系統(tǒng)的鋁合金制品。
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0014] 一種替代QT400起重導(dǎo)軌系統(tǒng)的鋁合金材料，主成分含量按重量百分比計(jì)：釩V: 0.03%~0.08%，錳111:彡2%，鎘〇(1:0.05%~0.5%，銅0.5%彡〇1彡3%且〇1彡1.5111 ;路易 斯酸堿對(duì)總量7.0 %~9.0 %，使合金平均晶粒度< 120微米，余量為鋁A1。
[0015]所述的合金晶粒為等軸晶。
[0016] 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。
[0017] 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、金屬的氮化物、主族類(lèi) 元素中的一種，或者一種以上混合。
[0018] 所述的金屬與配體結(jié)合而成的正負(fù)離子體:包括六硫氰合錳負(fù)離子體[Mn(SCN)6 ]4一、二乙二胺合二氯合鈷正離子體[C0Cl2(en)2] 2+
[0019] 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT400起重導(dǎo)軌系統(tǒng)的鋁合金材料，其特征
[0020] 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：7.0% <Si< 9.0%，Ce<0.1%，C<0.1%，WN2<0.03%，[CoCl2(en)2] 2+<0.05%〇
[0021] 一種替代QT400起重導(dǎo)軌系統(tǒng)的鋁合金材料的制備方法，包含以下步驟：
[0022] (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；
[0023] (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；
[0024] (3)加入錳Μη、鎘Cd、銅Cu，釩V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；
[0025] (4)然后對(duì)上述合金熔體進(jìn)行爐內(nèi)精煉；
[0026] (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；
[0027] (6)半連續(xù)垂直水凝鑄造；
[0028] (7)擠壓成型鑄造成鋁合金圓棒；
[0029] (8)錯(cuò)合金圓棒均質(zhì)。
[0030]所述鋁合金圓棒均質(zhì)后進(jìn)行擠壓成型，步驟如下：
[0031]①錯(cuò)合金圓棒均質(zhì)，
[0032] ②將鋁合金圓棒進(jìn)行升溫，模具凈預(yù)熱后放入擠壓筒內(nèi)，按照工藝所需的擠壓速 度進(jìn)行對(duì)圓棒進(jìn)行擠壓。
[0033] ③在線擠壓的鋁合金導(dǎo)軌從模具中擠壓成型后，進(jìn)行機(jī)上淬火。
[0034]④將鋁合金導(dǎo)軌進(jìn)行矯直。
[0035]⑤外觀質(zhì)量檢測(cè):錯(cuò)合金導(dǎo)軌在進(jìn)行外觀質(zhì)量檢驗(yàn)之前，清理毛刺。
[0036]⑥內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)；
[0037]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；
[0038]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；
[0039] ⑨表面處理。
[0040]⑩實(shí)用性能驗(yàn)證。
[00411本發(fā)明的有益效果：
[0042]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。
[0043]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)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;增加 (Τ+Θ H)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。
[0044] 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。
[0045] 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。
[0046] 復(fù)雜配體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⑶2、014、他、腿或秘)或進(jìn) 入熔渣（比如似(：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。
[0047] 氮化鎢WN2分解出來(lái)的Ν與Α1反應(yīng)生成的Α1Ν是原子晶體，屬類(lèi)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，主成分設(shè) 計(jì)為按重量百分比：釩V: 0.03~0.08% ;錳Μη:彡2%，鎘Cd: 0.05~0.5%，銅0.5%彡Cu彡 3 %且Cu彡1.5Mn;路易斯酸堿對(duì)總量7.0 %~9.0 %，余量為鋁A1。添加釩V在鋁合金中生成 AlnV難溶化合物，在熔煉和鑄造過(guò)程中起細(xì)化晶粒的作用，有細(xì)化再結(jié)晶組織，提高再結(jié)晶 溫度的作用。
[0048] 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，穩(wěn)定性得到良好控制，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。
[0049] 在合金熔體中，不同子轉(zhuǎn)移)而形成金屬間化合物的模式，由于形成了不同于基體 晶態(tài)的分子結(jié)構(gòu)，具有較好的熱穩(wěn)定性，故而也適用路易斯酸堿理論。比如在金屬間化合物 分子AlxCu和Al2〇Cu2Mri3中，根據(jù)電負(fù)性大小，可知A1比Cu、Mn更容易失去電子，因此，A1是路 易斯堿，Cu、Mn是金屬原子或離子的接近，它們之間也會(huì)產(chǎn)生能級(jí)分裂發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)(不 發(fā)生電路易斯酸，AlxCu和Al 2QCu2Mn3都可以看成路易斯"酸堿對(duì)"。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)/[Mi] 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。
[0050] 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；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。
[0051] 由于(Τ+ΘΗ)組合相與各級(jí)Al-Cu二元彌散相Θ'、Θ〃、6ΡΙ區(qū)依次分別具有次微米級(jí)、 亞納米級(jí)和納米級(jí)的晶格畸變作用，只要如本發(fā)明技術(shù)方案把基體中（Τ+ΘΗ)組合相的數(shù)量 和分布密度提高，就能實(shí)現(xiàn)與Al-Cu二元彌散相在大小、數(shù)量和分布狀態(tài)方面搭配相對(duì)均 勻、結(jié)構(gòu)緊湊，則其相互之間就會(huì)產(chǎn)生最強(qiáng)晶格畸變應(yīng)力場(chǎng)(最大點(diǎn)陣失配度），同時(shí)又與基 體整體完全共格或半共格，因此在整個(gè)晶粒三維空間中形成了一個(gè)立體彈塑性網(wǎng)陣，在整 個(gè)晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了類(lèi)似"鋼筋混凝土"對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用的層級(jí)式強(qiáng)化結(jié)構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱 "類(lèi)砼強(qiáng)化結(jié)構(gòu)"），大大改善了合金的力學(xué)性能;這種在晶粒尺度范圍內(nèi)均勻分布的超彈塑 性張力結(jié)構(gòu)具有能夠有效調(diào)動(dòng)盡可能多的質(zhì)點(diǎn)共同參與抵抗、分?jǐn)偤臀胀獠繘_擊動(dòng)量 (動(dòng)靜載荷)的能力，從而微觀上具有強(qiáng)大的抗疲勞特性，在宏觀上具有高強(qiáng)、高韌、高硬"三 高統(tǒng)一"的特征，這種"類(lèi)砼強(qiáng)化結(jié)構(gòu)"與鋼鐵材料類(lèi)的球墨鑄鐵中只有球狀石墨與鐵基體 兩種平行結(jié)構(gòu)、且晶粒度須從15~500μπι之間變化以獲得強(qiáng)硬度與韌性不可共同提高(一方 的提高以降低另一方為前提)的基體特性相比較，顯然具有更高的工程應(yīng)用價(jià)值。
[0052]根據(jù)路易斯酸堿理論，鋁熔體是一個(gè)富電子高溫體系，即屬于強(qiáng)的路易斯堿，當(dāng)過(guò) 量的銅錳加入以后，由于銅錳的電負(fù)性較強(qiáng)，吸聚了較多的電子云，使形成的合金熔體的堿 性降低，表面張力增加，不利于臨界晶核的產(chǎn)生;加入富電子物質(zhì)后，平衡了銅錳的酸性效 應(yīng)，原始晶核面臨的界面張力降低，因而促進(jìn)了（Τ+ΘΗ)組合相的主干T相的原始晶核成長(zhǎng)為 臨界晶核，從而決定了（Τ+ΘΗ)組合相在合金中數(shù)量和分布密度顯著提高。
【具體實(shí)施方式】
[0053]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。
[0054]第一部分:提示和說(shuō)明
[0055] 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；
[0056] (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；
[0057] (3)加入錳Μη、鎘Cd、銅Cu，釩V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；
[0058] (4)然后對(duì)上述合金熔體進(jìn)行爐內(nèi)精煉；
[0059] (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；
[0060] (6)半連續(xù)垂直水凝鑄造。
[00611 (7)鑄造成鋁合金圓棒。
[0062] (8)錯(cuò)合金圓棒均質(zhì)，
[0063] (9)將鋁合金圓棒進(jìn)行升溫，模具凈預(yù)熱后放入擠壓筒內(nèi)，按照工藝所需的擠壓速 度進(jìn)行對(duì)圓棒進(jìn)行擠壓。
[0064] (10)在線擠壓的鋁合金導(dǎo)軌從模具中擠壓成型后，進(jìn)行機(jī)上淬火。
[0065] (11)將鋁合金導(dǎo)軌進(jìn)行矯直。
[0066] (12)外觀質(zhì)量檢測(cè):鋁合金導(dǎo)軌在進(jìn)行外觀質(zhì)量檢驗(yàn)之前，清理毛刺。
[0067] (13)內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)；
[0068] (14)固溶處理:將鑄件完成粗加工和內(nèi)外質(zhì)量檢測(cè)的導(dǎo)軌送入固溶爐，進(jìn)行560°C 以下固溶處理，保溫完成后立刻淬火，使用水冷；
[0069] (15)時(shí)效強(qiáng)化:將完成固溶處理的導(dǎo)軌送入時(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；
[0070] (16)表面處理。
[0071] (17)實(shí)用性能驗(yàn)證。通過(guò)機(jī)械加工、表面處理和裝配后，進(jìn)行模擬使用工況的實(shí)用 性能檢測(cè)試驗(yàn)，包括選擇疲勞試驗(yàn)、磨損試驗(yàn)、逆向超載試驗(yàn)或超壓試驗(yàn)。
[0072]第二部分:具體實(shí)施例 [0073] 實(shí)施例1
[0074] 一種替代QT400的鋁合金起重導(dǎo)軌系統(tǒng)及其擠壓成型方法 [0075] 1、制品參數(shù)：
[0077] 2、生產(chǎn)流程:鑄錠均質(zhì)-擠壓-機(jī)上淬火-矯直-熱處理-表面處理；
[0078] 3、合金配方重量百分比（％ )
[0080] 4、鑄錠均質(zhì)：均勻化退火：彡440°C，保溫彡lh，冷卻方式為出爐強(qiáng)迫風(fēng)冷或噴
[0081] 水急冷；
[0082] 5、擠壓:擠壓鑄錠溫度：多400°C，擠壓速度(金屬的流出速度)為20-50米/分；
[0083] 6、機(jī)上淬火:冷卻速度彡40 °C/分；
[0084] 7、矯直:溫度彡50Γ;
[0085] 8、熱處理:T8(固溶變形加人工時(shí)效）；
[0086] 9、表面處理：陽(yáng)極氧化；
[0087] 10、制品微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo):金相組織為等軸晶，平均晶粒度30~40μπι，晶粒內(nèi)（Τ+ΘΗ) [0088] 組合相數(shù)量1~2個(gè)/[μπι]2;
[0089] 11、機(jī)械性能
[0090]
[0091] 實(shí)施例2
[0092] 一種替代QT400的鋁合金起重導(dǎo)軌系統(tǒng)及其擠壓成型方法 [0093] 1、制品參數(shù)：
[0095] 2、生產(chǎn)流程:鑄錠均質(zhì)-擠壓-機(jī)上淬火-矯直-熱處理-表面處理；
[0096] 3、合金配方重量百分比（％ )
[0097]
[0098] 4、鑄錠均質(zhì)：均勻化退火：彡440°C，保溫彡lh，冷卻方式為出爐強(qiáng)迫風(fēng)冷或噴水急 冷；
[0099] 5、擠壓:擠壓鑄錠溫度：多400°C，擠壓速度(金屬的流出速度)為20-50米/分；
[0100] 6、機(jī)上淬火:冷卻速度彡40 °C/分；
[0101] 7、矯直:溫度彡50°C;
[0102] 8、熱處理:T8(固溶變形加人工時(shí)效）；
[0103] 9、表面處理：陽(yáng)極氧化；
[0104] 10、制品微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo):金相組織為等軸晶，平均晶粒度50~60μπι，晶粒內(nèi)（Τ+ΘΗ) 組合相數(shù)量1~2個(gè)/[μπι]2;
[0105] 11、機(jī)械性能
[0106]
[0107] 實(shí)施例3
[0108] 一種替代QT400的鋁合金起重導(dǎo)軌系統(tǒng)及其擠壓成型方法
[0109] 1、制品參數(shù)：
[0110]
[0111] 2、生產(chǎn)流程:鑄錠均質(zhì)4擠壓4機(jī)上淬火4矯直4熱處理4表面處理；
[0112] 3、合金配方重量百分比（％ )
[0113]
[0114] 4、鑄錠均質(zhì)：均勻化退火：多440°C，保溫》lh，冷卻方式為出爐強(qiáng)迫風(fēng)冷或噴水急 冷；
[0115] 5、擠壓:擠壓鑄錠溫度：多400°C，擠壓速度(金屬的流出速度)為20-50米/分；
[0116] 6、機(jī)上淬火:冷卻速度彡40 °C/分；
[0117] 7、矯直:溫度彡50°C;
[0118] 8、熱處理:T8(固溶變形加人工時(shí)效）；
[0119] 9、表面處理：陽(yáng)極氧化；
[0120] 10、制品微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo):金相組織為等軸晶，平均晶粒度30~40μπι，晶粒內(nèi)（Τ+ΘΗ) 組合相數(shù)量1~2個(gè)/[μπι]2;
[0121] 11、機(jī)械性能
[0122]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種替代QT400起重導(dǎo)軌系統(tǒng)的鋁合金材料，其特征在于:主成分含量按重量百分比 計(jì)：釩￥:0.03%~0.08%，錳血：彡2%，鎘〇(1:0.05%~0.5%，銅0.5%彡(：11彡3%且〇1彡 1.5Mn;路易斯酸堿對(duì)總量7.0 %~9.0 %，合金平均晶粒度< 120微米，余量為鋁A1。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT400起重導(dǎo)軌系統(tǒng)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QT400起重導(dǎo)軌系統(tǒng)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起重導(dǎo)軌系統(tǒng)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、金屬的氮化物、主族類(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起重導(dǎo)軌系統(tǒng)的鋁合金材料，其特征在于:所 述的金屬與配體結(jié)合而成的正負(fù)離子體:包括六硫氰合錳負(fù)離子體[Mn(SCN) 6]4'二乙二胺 合二氯合鈷正離子體[CoCl2(en)2]2+。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種替代QT400起重導(dǎo)軌系統(tǒng)的鋁合金材料，其特征在于:所 述的氮化物，包括氮化鎢WN2。7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的一種替代QT400起重導(dǎo)軌系統(tǒng)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:7.0%<Si<9.0%，Ce <0.1%，C<0.1%，WN2<0.03%，[CoCl2(en)2]2+<0.05%〇8. 如權(quán)利要求7所述的一種替代QT400起重導(dǎo)軌系統(tǒng)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) 加入猛Μη、鎘Cd、銅Cu，釩V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) 半連續(xù)垂直水凝鑄造； (7) 鑄造成鋁合金圓棒； (8) 鋁合金圓棒均質(zhì)。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種替代QT400起重導(dǎo)軌系統(tǒng)的鋁合金材料的制備方法，其特 征在于:所述鋁合金圓棒均質(zhì)后進(jìn)行擠壓成型，步驟如下： ① 錯(cuò)合金圓棒均質(zhì)， ② 將鋁合金圓棒進(jìn)行升溫，模具凈預(yù)熱后放入擠壓筒內(nèi)，按照工藝所需的擠壓速度進(jìn) 行對(duì)圓棒進(jìn)行擠壓； ③ 在線擠壓的鋁合金導(dǎo)軌從模具中擠壓成型后，進(jìn)行機(jī)上淬火； ④ 將鋁合金導(dǎo)軌進(jìn)行矯直； ⑤ 外觀質(zhì)量檢測(cè):鋁合金導(dǎo)軌在進(jìn)行外觀質(zhì)量檢驗(yàn)之前，清理毛刺； 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)的導(dǎo)軌送入固溶爐，進(jìn)行560Γ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:將完成固溶處理的導(dǎo)軌送入時(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 表面處理； ⑩ 實(shí)用性能驗(yàn)證。
【文檔編號(hào)】C22C21/00GK105970029SQ201610494665
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月29日
【發(fā)明人】陳凱, 余晟, 李祥, 胥光酉, 毛春榮
【申請(qǐng)人】貴州華科鋁材料工程技術(shù)研究有限公司