一種消失模鑄造鋁合金材料及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種消失模鑄造鋁合金材料及其制備方法，該材料的化學(xué)成分重量百分比組成為：Si：10.0-11.0％，Cu：0.6-1.0％，Mg：0.3-0.5％，Mn：0.1-0.5％，Ti：0.1-0.2％，Zr：0.05-0.1％，Sr：0.02-0.05％，RE：0.02-0.05%，其余為Al和不可避免的限制雜質(zhì)。本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：消除了合金粗大組織引起的力學(xué)性能的降低，提高合金的力學(xué)性能；通過(guò)提高合金中硅含量和強(qiáng)化元素Cu、Mg的含量，縮小合金的結(jié)晶溫度范圍，提高了鋁合金消失模鑄造的充型能力；制備工藝滿(mǎn)足工業(yè)化放大生產(chǎn)要求，并且能保障前述的兩點(diǎn)技術(shù)效果的全面體現(xiàn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種消失模鑄造鋁合金材料及其制備方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及輕金屬材料領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種消失模鑄造鋁合金材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0003]消失模鑄造(LostFoam Casting,簡(jiǎn)稱(chēng) LFC)是美國(guó)人 Shroyer H F 于 1956 年首先試驗(yàn)成功、并在1958年以專(zhuān)利形式公布于世。消失模鑄造的基本原理是采用與所需鑄件形狀完全相同的泡沫塑料模代替鑄模進(jìn)行造型，泡沫模樣不取出呈實(shí)體鑄型，澆入金屬液使其汽化形成鑄件。1960s年代初，美國(guó)人Smith T R發(fā)明了無(wú)粘接劑的干砂消失模鑄造；1969年日本秋田株氏會(huì)社和長(zhǎng)野縣工業(yè)試驗(yàn)所發(fā)明真空密封造型法，其負(fù)壓干砂緊實(shí)技術(shù)被迅速引入到消失模鑄造中。與傳統(tǒng)的砂型鑄造相比，消失模鑄造取消了混砂、制芯工序，省去了傳統(tǒng)造型工序中分箱、起模、修型、組芯與下芯、合箱等操作，大大簡(jiǎn)化了落砂、鑄件清理及砂處理工序，因而縮短了生產(chǎn)周期；同時(shí)負(fù)壓下鑄型剛度大，鑄鐵件易于實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)縮，從而減小鑄件所需的冒口尺寸，提高了工藝出品率。而且消失模造型干砂中無(wú)需粘結(jié)劑和添加物(煤粉、膨潤(rùn)土、水)，有利于舊砂循環(huán)使用，減輕環(huán)境污染。近二十年來(lái)，隨著化工和機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展，消失模鑄造技術(shù)日臻完善，消失模鑄造技術(shù)被譽(yù)為“21世紀(jì)的鑄造新技術(shù)”和“鑄造中的綠色工程”。
[0004]盡管消失模鑄造具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但高性能鋁合金鑄件的消失模鑄造生產(chǎn)和應(yīng)用仍受到很大的限制，其面臨的主要技術(shù)難題在于:(1)由于消失模鑄造在金屬充型和凝固期間同時(shí)進(jìn)行著金屬一鑄型(包括涂料)界面間的泡沫塑料模樣液態(tài)熱解產(chǎn)物的排除過(guò)程，液態(tài)產(chǎn)物排除后增大了因金屬表面凝固收縮而形成的金屬一鑄型界面的間隙，從而大大降低了金屬一鑄型界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；另一方面，消失模鑄造的澆注溫度比傳統(tǒng)空腔鑄造澆注溫度高得多，且由于消失模鑄造采用的是無(wú)粘結(jié)劑的干砂造型，干砂蓄熱系數(shù)低，澆注時(shí)傳熱只能通過(guò)砂粒之間極小的近于點(diǎn)接觸的導(dǎo)熱面?zhèn)鞒?，消失模鑄造的冷卻速度明顯低于普通粘土砂型鑄造，反映在組織上，消失模鑄造合金的晶粒粗大而大幅度降低了材料的機(jī)械性能，并且易出現(xiàn)嚴(yán)重的縮松缺陷，鑄件致密性差；(2)模樣的熱解是一個(gè)吸熱反應(yīng)，對(duì)流動(dòng)的液態(tài)金屬前沿有明顯的激冷作用，由于鋁合金的密度低、熱含量小，并且現(xiàn)有機(jī)械性能高的鑄造鋁合金的凝固溫度范圍較大，導(dǎo)致鋁合金的消失模鑄造充型能力較差，從而制約了鋁合金消失模鑄造技術(shù)在復(fù)雜薄壁鑄件生產(chǎn)中應(yīng)用。
[0005]
【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是提供一種消失模鑄造鋁合金材料及其制備方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是按以下方式實(shí)現(xiàn)的，該材料的化學(xué)成分重量百分比組成為: Si:10.0-11.0%, Cu:0.6-1.0%,Mg:0.3-0.5%, Mn:0.1-0.5%, Ti: 0.1-0.2%, Zr:
0.05-0.1%, Sr:0.02-0.05%, RE:0.02-0.05%，其余為 Al 和不可避免的限制雜質(zhì)。[0007]所述的限制雜質(zhì)的重量百分比組成為:Fe < 0.1%，Ni < 0.05%，Pb < 0.05%，Sn < 0.05%。
[0008]消失模鑄造鋁合金材料的制備方法的步驟如下:
將工業(yè)純鋁在坩鍋中熔化后除凈熔渣，加入覆蓋劑，在690-710°C，分別以鋁硅中間合金、工業(yè)純鎂、工業(yè)純銅、鋁錳中間合金的形式加入合金化元素，待加入的爐料完全熔化后攪拌混合均勻，并且繼續(xù)升溫至720-740°C，接著通入體積百分比為20%氯氣和80%氮?dú)獾幕旌蠚怏w將合金液精煉除氣10-15分鐘，靜置10-15分鐘后將鋁鈦中間合金、鋁鋯中間合金、鋁鍶中間合金、鋁稀土中間合金由鐘罩壓入合金熔液內(nèi)熔化后靜置5-10分鐘，撈取表面浮渣后澆注得到消失模鑄造鋁合金材料。
[0009]該材料的化學(xué)成分重量百分比組成如上所述；所述的覆蓋劑的化學(xué)成分重量百分比為:40%氯化鉀、30%氯化鈉、20%氟鋁酸鈉、10%光鹵石。
[0010]本發(fā)明的一種消失模鑄造鋁合金材料及其制備方法和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)；
1)通過(guò)提高Si含量和調(diào)整合金強(qiáng)化元素Cu、Mg的含量使消失模鑄造鋁合金具有最佳的力學(xué)性能和流動(dòng)性。本發(fā)明的消失模鑄造鋁合金的Si重量百分含量提高至10.0-11.0%以縮小合金的凝固溫度范圍，同時(shí)通過(guò)添加稀土元素精煉、除氣和夾雜作用進(jìn)一步提高合金的流動(dòng)性；合金中具有顯著固溶和析出強(qiáng)化作用的Cu和Mg元素是為解決Si含量提高帶來(lái)的微觀(guān)組織中大量的共晶硅對(duì)力學(xué)性能的降低而加入的，但銅的添加增加了合金的熱裂傾向，并且提高了合金的結(jié)晶溫度范圍而惡化了合金的流動(dòng)性，鎂又極易氧化使合金液卷入的氧化皮增多而惡化了合金的流動(dòng)性，合金中Cu和Mg含量調(diào)整為:0.6-1.0% Cu，0.3-0.5% Mg。
[0011]2)消失模鑄造的冷卻速度低，易造成消失模鑄造鋁合金的晶粒粗大和嚴(yán)重的縮松缺陷，本發(fā)明添加的微量T1、Zr、Sr、RE對(duì)冷卻速度慢的近共晶消失模鑄造鋁合金的晶粒和共晶硅具有顯著的協(xié)同晶粒細(xì)化作用，保持了良好的長(zhǎng)效變質(zhì)效果，并且合金重熔也不失效；與此同時(shí)在合金中形成的Al3T1、Al3Zr, Al2Sr和Al-RE高熔點(diǎn)相對(duì)合金有彌散強(qiáng)化作用，從而進(jìn)一步改善了合金的機(jī)械性能。
[0012]3)合金中Mn的作用在于消除熔煉過(guò)程中鐵雜質(zhì)的影響，與合金中的Mg和RE協(xié)同作用提高了合金的耐蝕性能。
【具體實(shí)施方式】
[0013]實(shí)施例1:
化學(xué)成分重量百分比組成為:
Si:10.0%, Cu:0.6%，Mg:0.3%，Mn:0.I %，T1: 0.1 %, Zr:0.05%, Sr:0.02%,RE:0.02%，其余為 Al 和不可避免的限制雜質(zhì):Fe < 0.1%，Ni < 0.05%，Pb < 0.05%，Sn
<0.05%。
[0014]其中Si以鋁硅中間合金，Cu以工業(yè)純銅，Mg以工業(yè)純鎂，Mn以鋁錳中間合金，Ti以鋁鈦中間合金，Zr以鋁鋯中間合金，Sr以鋁鍶中間合金，RE以鋁稀土中間合金的形式加入。
[0015]將工業(yè)純鋁在坩鍋中熔化后除凈熔渣，加入化學(xué)成分重量百分比為:40%氯化鉀、30%氯化鈉、20%氟鋁酸鈉、10%光鹵石的覆蓋劑，在690°C，分別以鋁硅中間合金、工業(yè)純鎂、工業(yè)純銅、鋁錳中間合金的形式加入合金化元素，待加入的爐料完全熔化后攪拌混合均勻，并且繼續(xù)升溫至720°C，接著通入體積百分比為20%氯氣和80%氮?dú)獾幕旌蠚怏w將合金液精煉除氣10分鐘，靜直10分鐘后將招欽中間合金、招錯(cuò)中間合金、招銀中間合金、招稀土中間合金由鐘罩壓入合金熔液內(nèi)靜置5分鐘，撈取表面浮渣后澆注得到消失模鑄造鋁合金材料。[0016]經(jīng)測(cè)試，本實(shí)例的鋁合金常溫抗拉強(qiáng)度ob、延伸率δ和布氏硬度HBS (5/250/30)分別為162MPa，4.5%，70。晶粒尺寸為80 μ m。
[0017]實(shí)施例2:
化學(xué)成分重量百分比組成為:
Si:11.0%, Cu:1.0%, Mg:0.5%, Mn:0.5%, Ti: 0.2%, Zr:0.1%, Sr:0.05%, RE:
0.05%，其余為Al和不可避免的限制雜質(zhì):Fe < 0.1%, Ni < 0.05%, Pb < 0.05%, Sn
<0.05%。
[0018]其中Si以鋁硅中間合金，Cu以工業(yè)純銅，Mg以工業(yè)純鎂，Mn以鋁錳中間合金，Ti以鋁鈦中間合金，Zr以鋁鋯中間合金，Sr以鋁鍶中間合金，RE以鋁稀土中間合金的形式加入。
[0019]將工業(yè)純鋁在坩鍋中熔化后除凈熔渣，加入化學(xué)成分重量百分比為:40%氯化鉀、30%氯化鈉、20%氟鋁酸鈉、10%光鹵石的覆蓋劑，在710°C，分別以鋁硅中間合金、工業(yè)純鎂、工業(yè)純銅、鋁錳中間合金的形式加入合金化元素，待加入的爐料完全熔化后攪拌混合均勻，并且繼續(xù)升溫至740V，接著通入體積百分比為20%氯氣和80%氮?dú)獾幕旌蠚怏w將合金液精煉除氣15分鐘，靜置15分鐘后將鋁鈦中間合金、鋁鋯中間合金、鋁鍶中間合金、鋁稀土中間合金由鐘罩壓入合金熔液內(nèi)靜置10分鐘，撈取表面浮渣后澆注得到消失模鑄造鋁合金材料。
[0020]經(jīng)測(cè)試，本實(shí)例的鋁合金常溫抗拉強(qiáng)度ob、延伸率δ和布氏硬度HBS (5/250/30)分別為188MPa，2.5%，85。晶粒尺寸為65 μ m。
[0021]實(shí)施例3:
化學(xué)成分重量百分比組成為:
Si:10.0%, Cu:0.8%，Mg:0.5%，Mn:0.3%，T1: 0.1 %, Zr:0.08%, Sr:0.05%,RE:0.04%，其余為 Al 和不可避免的限制雜質(zhì):Fe < 0.1%，Ni < 0.05%，Pb < 0.05%，Sn
<0.05%。
[0022]其中Si以鋁硅中間合金，Cu以工業(yè)純銅，Mg以工業(yè)純鎂，Mn以鋁錳中間合金，Ti以鋁鈦中間合金，Zr以鋁鋯中間合金，Sr以鋁鍶中間合金，RE以鋁稀土中間合金的形式加入。
[0023]將工業(yè)純鋁在坩鍋中熔化后除凈熔渣，加入化學(xué)成分重量百分比為:40%氯化鉀、30%氯化鈉、20%氟鋁酸鈉、10%光鹵石的覆蓋劑，在690 V，分別以鋁硅中間合金、工業(yè)純鎂、工業(yè)純銅、鋁錳中間合金的形式加入合金化元素，待加入的爐料完全熔化后攪拌混合均勻，并且繼續(xù)升溫至730°C，接著通入體積百分比為20%氯氣和80%氮?dú)獾幕旌蠚怏w將合金液精煉除氣15分鐘，靜直12分鐘后將招欽中間合金、招錯(cuò)中間合金、招銀中間合金、招稀土中間合金由鐘罩壓入合金熔液內(nèi)靜置5分鐘，撈取表面浮渣后澆注得到消失模鑄造鋁合金材料。
[0024]經(jīng)測(cè)試，本實(shí)例的鋁合金常溫抗拉強(qiáng)度ob、延伸率δ和布氏硬度HBS (5/250/30)分別為176MPa,3%, 770晶粒尺寸為75 μ m。
[0025]實(shí)施例4:
化學(xué)成分重量百分比組成為:
Si:10.5%, Cu:1.0%, Mg:0.4%, Mn:0.1 %, Ti: 0.15%, Zr:0.1%, Sr:0.03%,RE:0.02%，其余為 Al 和不可避免的限制雜質(zhì):Fe < 0.1%，Ni < 0.05%，Pb < 0.05%，Sn
<0.05%。[0026]其中Si以鋁硅中間合金，Cu以工業(yè)純銅，Mg以工業(yè)純鎂，Mn以鋁錳中間合金，Ti以鋁鈦中間合金，Zr以鋁鋯中間合金，Sr以鋁鍶中間合金，RE以鋁稀土中間合金的形式加入。
[0027]將工業(yè)純鋁在坩鍋中熔化后除凈熔渣，加入化學(xué)成分重量百分比為:40%氯化鉀、30%氯化鈉、20%氟鋁酸鈉、10%光鹵石的覆蓋劑，在700°C，分別以鋁硅中間合金、工業(yè)純鎂、工業(yè)純銅、鋁錳中間合金的形式加入合金化元素，待加入的爐料完全熔化后攪拌混合均勻，并且繼續(xù)升溫至740°C，接著通入體積百分比為20%氯氣和80%氮?dú)獾幕旌蠚怏w將合金液精煉除氣12分鐘，靜直10分鐘后將招欽中間合金、招錯(cuò)中間合金、招銀中間合金、招稀土中間合金由鐘罩壓入合金熔液內(nèi)靜置8分鐘，撈取表面浮渣后澆注得到消失模鑄造鋁合金材料。
[0028]經(jīng)測(cè)試，本實(shí)例的鋁合金常溫抗拉強(qiáng)度ob、延伸率δ和布氏硬度HBS (5/250/30)分別為180MPa，2.8%，80。晶粒尺寸為70 μ m。
[0029]實(shí)施例5:
化學(xué)成分重量百分比組成為:
Si:11.0%, Cu:0.6%, Mg:0.5%, Mn:0.3%, Ti:0.2%, Zr:0.08%, Sr:0.02%, RE:
0.04%，其余為Al和不可避免的限制雜質(zhì):Fe < 0.1%, Ni < 0.05%, Pb < 0.05%, Sn
<0.05%。
[0030]其中Si以鋁硅中間合金，Cu以工業(yè)純銅，Mg以工業(yè)純鎂，Mn以鋁錳中間合金，Ti以鋁鈦中間合金，Zr以鋁鋯中間合金，Sr以鋁鍶中間合金，RE以鋁稀土中間合金的形式加入。
[0031]將工業(yè)純鋁在坩鍋中熔化后除凈熔渣，加入化學(xué)成分重量百分比為:40%氯化鉀、30%氯化鈉、20%氟鋁酸鈉、10%光鹵石的覆蓋劑，在710°C，分別以鋁硅中間合金、工業(yè)純鎂、工業(yè)純銅、鋁錳中間合金的形式加入合金化元素，待加入的爐料完全熔化后攪拌混合均勻，并且繼續(xù)升溫至730°C，接著通入體積百分比為20%氯氣和80%氮?dú)獾幕旌蠚怏w將合金液精煉除氣12分鐘，靜置12分鐘后將鋁鈦中間合金、鋁鋯中間合金、鋁鍶中間合金、鋁稀土中間合金由鐘罩壓入合金熔液內(nèi)靜置10分鐘，撈取表面浮渣后澆注得到消失模鑄造鋁合金材料。
[0032]經(jīng)測(cè)試，本實(shí)例的鋁合金常溫抗拉強(qiáng)度ob、延伸率δ和布氏硬度HBS (5/250/30)分別為170MPa，3.5%，74。晶粒尺寸為75 μ m。
【權(quán)利要求】
1.一種消失模鑄造鋁合金材料，其特征在于，該材料的化學(xué)成分重量百分比組成為:
Si:10.0-11.0%, Cu:0.6-1.0%,Mg:0.3-0.5%, Mn:0.1-0.5%, Ti: 0.1-0.2%, Zr:0.05-0.1%, Sr:0.02-0.05%, RE:0.02-0.05%，其余為 Al 和不可避免的限制雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消失模鑄造鋁合金材料，其特征在于，所述的限制雜質(zhì)的重量百分比組成為:Fe < 0.1%，Ni < 0.05%, Pb < 0.05%, Sn < 0.05%。
3.一種消失模鑄造鋁合金材料的制備方法，其特征在于，制備方法如下: 將工業(yè)純鋁在坩鍋中熔化后除凈熔渣，加入覆蓋劑，在690-710°C，分別以鋁硅中間合金、工業(yè)純鎂、工業(yè)純銅、鋁錳中間合金的形式加入合金化元素，待加入的爐料完全熔化后攪拌混合均勻，并且繼續(xù)升溫至720-740°C，接著通入體積百分比為20%氯氣和80%氮?dú)獾幕旌蠚怏w將合金液精煉除氣10-15分鐘，靜置10-15分鐘后將鋁鈦中間合金、鋁鋯中間合金、鋁鍶中間合金、鋁稀土中間合金由鐘罩壓入合金熔液內(nèi)熔化后靜置5-10分鐘，撈取表面浮渣后澆注得到消失模鑄造鋁合金材料； 上述鋁合金材料的化學(xué)成分重量百分比組成為:
Si:10.0-11.0%, Cu:0.6-1.0%,Mg:0.3-0.5%, Mn:0.1-0.5%, Ti: 0.1-0.2%, Zr:0.05-0.1%, Sr:0.02-0.05%, RE:0.02-0.05%，其余為 Al 和不可避免的限制雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消失模鑄造鋁合金材料的制備方法，其特征在于，所述的覆蓋劑的化學(xué)成分重量百分比為:40%氯化鉀、30%氯化鈉、20%氟鋁酸鈉、10%光鹵石。
【文檔編號(hào)】C22C21/02GK103556011SQ201310591143
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】張志東, 劉子利, 吳偉, 張少運(yùn), 劉希琴, 彭玉蘭, 王守仁, 馬衛(wèi)東, 何等舉 申請(qǐng)人:山東臨沂臨工汽車(chē)橋箱有限公司, 南京航空航天大學(xué)