一種替代qt600軋輥的鋁合金材料及其噴射成型方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種替代QT600軋輥的鋁合金材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比計：六氟合鈷負離子體[CoF6]3－：0.005%?0.02%，錳Mn:≤2%，鎘Cd:0.05%～0.5%，銅Cu:4.2%～8.0%且Cu≥0.8Mn+4.05%；路易斯酸堿對總量1%×10?4～2.0%，合金平均晶粒度＜120微米，余量為鋁Al。
【專利說明】
一種替代QT600軋輥的鋁合金材料及其噴射成型方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種替代QT600乳輥的鋁合金材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]球墨鑄鐵(簡稱球鐵)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，強度、韌性、耐磨性等要求較高的零件，如通用機械、起重、農(nóng)業(yè)、汽車、鑄造、紡織、機床、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、傳動件、懸掛件、鉤扣件、導(dǎo)流件、轉(zhuǎn)向件等;球墨鑄鐵乳輥存在易開裂現(xiàn)象。
[0003]在“以鋁代鋼”的技術(shù)升級中，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”的方面有長足發(fā)展，同時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)計上首先取得突破。
[0004]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)，對合金的力學(xué)性能有著決定性的影響。粗大的平面晶、樹枝晶、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結(jié)構(gòu)和精微結(jié)構(gòu)對基體的強韌性貢獻全部抵消掉，因為這些粗大晶粒遵從的成長規(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化到120?150微米，而枝晶的形態(tài)往往沒有根本的轉(zhuǎn)變，這是合金力學(xué)性能提高的一個重要瓶頸問題。因為對鋁合金來說，獲得強度和韌性同時提高的途徑，只有晶粒的細化和圓整化;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，只能使強度或韌性一個方面獲得優(yōu)化。因此，如何進一步細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)。
[0005]在強度指標(biāo)上，2XXX系變形鋁合金(硬鋁)和7XXX變形鋁合金(超硬鋁)需要經(jīng)過大型坯料的熔鑄、熱處理和復(fù)式加工環(huán)節(jié)，成本高，一般只應(yīng)用于空天技術(shù)領(lǐng)域，基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域難以接受，而且其耐熱性較差。鑄造鋁合金中，鋁硅系(Al-Si)成形性好但強度偏低，鋁銅系(Al-Cu)強度可以達到很高但很不穩(wěn)定且鑄造成形性很差(不能用金屬型鑄造)?？傮w來說，能夠同時滿足鑄造性能好又容易進行變形加工的高溫高強鋁合金，在現(xiàn)有國際標(biāo)準牌號中很難實現(xiàn)。
[0006]211Z耐熱高強韌鑄造鋁合金因具有“四高三好”特征(即高強、高韌、高硬、耐高溫，同時鑄造性能好、加工性能好、循環(huán)性能好)而進入了鋁材料國際領(lǐng)先水平。
[0007]但是，從材料設(shè)計角度看，21IZ材料也存在一些難以克服的問題。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，作為用來促使晶粒細化的物質(zhì)，這種現(xiàn)象表明Ti和稀土走向了需要解決問題的對立面;而在211Z合金鑄件的生產(chǎn)過程中，也發(fā)生著與普通鋁合金一樣常見的缺陷，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、固溶不足和過燒等。
[0008]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)入手來研究，尤其是對物相分子組合結(jié)構(gòu)的形成機理進行深入研究，才能認清本質(zhì)，進而找到解決問題、消除缺陷的有效途徑。
[0009]通過對鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金最高達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。證實其中存在一系列強化相，包括眾所周知的Al-Cu 二元亞穩(wěn)相(GP區(qū)、θ"、θ。、新的盤片相和平衡相Q(Al2Cu);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Al2oCu2Mn3，分子物相特征是直徑約lOOnm、長度約600?100nm呈棒軸狀且其(010)面與鋁合金基體的{010}面共格;而T相周圍附著生長了尺寸較大(厚度約20nm、長約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AlxCuU可能小于2)，是一種富Cu分子。
[0010]在關(guān)于鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金的傳統(tǒng)觀念中，由于從來都認為Al-Cu二元相是合金強化的主要因素，因此，材料研究和設(shè)計關(guān)注的重點，就是使Al-Cu 二元相各亞穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)在合金中的最佳組合。雖然也發(fā)現(xiàn)有T三元相，但都不認為T相對合金強度的貢獻能夠與Al-Cu二元各亞穩(wěn)相的組合相比，而且認為T相容易在晶界聚集形成粗大脆性相，因此要嚴格控制其數(shù)量。
[0011]GP區(qū)、θ"、θ'或者其它盤片狀的二元Al-Cu亞穩(wěn)相對合金強度的貢獻特點屬于位錯切過質(zhì)點方式，其特點是盤片長得越大，切過越困難，因此對強度的貢獻也越大，但是，當(dāng)盤片大到一定程度(直徑超過150nm而厚度只有I?3nm)，其晶格點陣與基體晶格點陣的失配度過高，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)力場以發(fā)揮最大阻礙位錯滑移能力，二元Al-Cu各亞穩(wěn)相質(zhì)點有一個最佳組合的問題，同時也需要它對基體的延伸率保持較大的貢獻，這是以前乃至今后材料設(shè)計始終要考慮的主要問題之一。
[0012]目前在相關(guān)文獻中還問發(fā)現(xiàn)有鋁合金乳輥的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種替代QT600乳輥的鋁合金材料及其制備方法，其中添加路易斯酸堿對，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，使鋁合金基材實現(xiàn)600MPa及更高的強度等級，從而達到生產(chǎn)替代QT600乳輥的鋁合金制品。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種替代QT600乳輥的鋁合金材料，主成分含量按重量百分比計:六氟合鈷負離子體[CoF6]3-: 0.005%-0.02%，錳Mn: (2%，鎘Cd: 0.05%?0.5%，銅Cu:
4.2%?8.0%且Cu彡0.8Mn+4.05%;路易斯酸堿對總量1%X 10-4?2.0%，合金平均晶粒度<120微米，余量為鋁Al。
[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)量達到彡I個/平方微米。
[0017]所述路易斯酸堿對為金屬與配體結(jié)合而成的正離子體、復(fù)雜配體化合物或超大雜多化合物、主族類元素、過渡族類元素中的一種，或者一種以上混合。
[0018]所述的金屬與配體結(jié)合而成的正離子體:包括異硫氰合鐵正離子體[Fe(NCS)]2+。
[0019]所述的復(fù)雜配體化合物或超大雜多化合物，包括鋁鈦氮AlTiN和二硫銅鐵CuFeS2。
[0020]所述路易斯酸堿對，按元素添加量占Al基體重量百分比，范圍為:Si彡1.3%，Sc彡0.15%, V^0.05%,AlTiN^0.01%,CuFeS2^0.01%o
[0021 ] 一種替代QT600乳輥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、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7000C以上保溫；
(3)加入猛Mn、鎘Cd、銅Cu和六氟合鈷負離子體[CoF6]3—，攪拌，加入選定的路易斯酸堿對，或者加入選定的路易斯酸堿對組合，攪拌均勻；
(4)然后對上述合金熔體進行爐內(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)噴射成型:用高壓惰性氣體將合金液流霧化成細小熔滴，在高速氣流下射入模具并冷卻，凝固結(jié)晶。
[0022]所述噴射成型，步驟如下:
①過濾后可澆注鑄造；
②鑄造前應(yīng)將模具預(yù)熱，用壓縮空氣將模具型腔吹干凈；
③采取自動化饒注，將金屬液轉(zhuǎn)入霧化器中，通過惰性氣體在一定壓力下將合金液霧化射入模具強冷；
④開模取出產(chǎn)品，自然冷卻，打磨飛邊；
⑤外觀質(zhì)量檢測:毛坯鑄件在進行外觀質(zhì)量檢驗之前，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；
⑦固溶處理:將鑄件完成粗加工和內(nèi)外質(zhì)量檢測的毛坯送入固溶爐，進行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時效強化:將完成固溶處理的鑄件送入時效爐進行時效強化處理，在230°C以下時效強化，保溫后，出爐自然冷卻；
⑨取樣分析測試驗證；
⑩實用性能驗證。
[0023]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I納米的范圍)物相分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化的“酸堿對”物質(zhì)，應(yīng)用于熔體納米尺度范圍的精細結(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。
[0024]通過運用路易斯酸堿理論，使有關(guān)路易斯酸堿對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，以提供熔體超精細微區(qū)內(nèi)(0.1nm?1nm尺度范圍)的充分擾動和激活效應(yīng)，達到催生臨界晶核大量形成，使合金晶粒度得到進一步細化，形態(tài)更加圓整；同時優(yōu)化微細區(qū)域(微米級:尺度I?30μπι左右)和精微區(qū)域(亞納米級或次微米級質(zhì)點:尺度1nm?<1μηι)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)明解決的合金強化的機理問題。
[0025]由于(Τ+ΘΗ)組合相的發(fā)現(xiàn)，在鋁合金強化設(shè)計時，就可以通過增加(Τ+ΘΗ)組合相，使鋁合金材料的基體強度獲得大的提升，在屈服強度在400?600MPa之間得到良好控制，這是本發(fā)明要解決的工程應(yīng)用問題，即替代系列球鐵材料和制品。
[0026]本發(fā)明前述金屬與配體結(jié)合而成的正離子體、復(fù)雜配體化合物或超大雜多化合物，由于其離子或分子結(jié)構(gòu)中的金屬原子或離子是電子受體，為路易斯酸，而其配體非金屬原子或原子團是電子給予體，為路易斯堿，整個離子或分子則組成了路易斯“酸堿對”。正離子體作為路易斯“酸堿對”，對合金晶粒細化具有普通物質(zhì)無法實現(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，釋放出來的核心金屬離子則重新選擇結(jié)合其它原子。
[0027]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，因為:①高溫下分解釋放的氣態(tài)物質(zhì)形成的初始氣泡只有一個分子大小(小于lnm，即次納米級)，比表面積最大，具有極強的活性和納米范圍的擾動能力，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)起伏都帶有極強的突變特征，促使鄰近的更多原子跨越結(jié)晶勢皇，故而特別有利于臨界晶核的大量形成，對金屬間化合物生成反應(yīng)的催化和合金組織晶粒細化都產(chǎn)生了優(yōu)于普通變質(zhì)劑如鋁鈦硼的好作用；同時正、負離子體這種在次納米范圍的超精微區(qū)內(nèi)擾動和激活效應(yīng)，是常規(guī)外加凈化氣體形成的氣泡(直徑大于0.5mm)無法實現(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，其對周圍原子的擾動和激活效應(yīng)更強，造成的超精微區(qū)狀態(tài)起伏更加顯著，對金屬間化合物生成反應(yīng)催化和合金基體組織晶粒細化作用也更強；
③酸堿對在高溫熔體中的分裂和重構(gòu)增強了質(zhì)點在微區(qū)的分散和擴散速度，不會象普通金屬或添加劑那樣造成團簇化，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)點的聚集和長大，這能有效解決常規(guī)晶粒細化劑在結(jié)晶過程中粗大化的傾向，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)過一系列變化后隨從凈化氣體排出熔體(比如生成C02、CH4、N2、NH3或H2S)或進入熔渣(比如A1203、A1(H0)3或Al4C3),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H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、負離子體作為路易斯酸堿對的添加和排除，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)的充分擾動和激活效應(yīng)，達到催生臨界晶核大量生成和抑制晶粒長大作用，并實現(xiàn)更好凈化效果的機理。通過這種機理，使基體結(jié)晶狀態(tài)普遍成為等軸晶，晶粒度平均小于120μηι，進一步的優(yōu)化效果可達到晶粒度平均在50?ΙΟΟμπι。這種效果，是單純使用鋁鈦硼和鋁鈦碳等常規(guī)晶粒細化劑以及常規(guī)的氣體凈化技術(shù)所無法實現(xiàn)的。
[0028]復(fù)雜配體化合物、超大雜多化合物作為路易斯酸堿對，對合金晶粒細化也具有普通物質(zhì)無法實現(xiàn)的良好效果，因為它們的分子結(jié)構(gòu)與正、負離子體的結(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)，也能在分子解體時釋放出氣態(tài)或液態(tài)的配體，經(jīng)過一系列反應(yīng)后隨從凈化氣體排出熔體(比如生成C02、CH4、他、順3或!^)或進入熔渣(比如他(:1、1((:1^1(!10)3^1203或414(:3)，其中釋放的金屬原子或離子，非金屬原子或離子，都是次納米級的超細小質(zhì)點，有著最大的比表面積，能提供熔體超精微區(qū)內(nèi)的充分擾動和激活效應(yīng)，達到催生臨界晶核大量生成和抑制晶粒長大作用的機理。通過這種機理，使基體結(jié)晶狀態(tài)普遍成為等軸晶，晶粒度平均小于120μπι，進一步的優(yōu)化效果可達到晶粒度平均在50?ΙΟΟμπι。這種效果，是單純使用鋁鈦硼和鋁鈦碳等常規(guī)晶粒細化劑以及常規(guī)的氣體凈化技術(shù)所無法實現(xiàn)的。
[0029]不同金屬原子或離子的接近，它們之間也會產(chǎn)生能級分裂發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)(不發(fā)生電子轉(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Al2OCu2Mn3中，根據(jù)電負性大小，可知Al比Cu、Mn更容易失去電子，因此，Al是路易斯堿，Cu、Mn是路易斯酸，AlxCu和Al2QCu2Mn3都可以看成路易斯“酸堿對”。當(dāng)加入熔體中的外來路易斯酸堿對分解時，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，使之達到I個/ [μm]2以上，這就是路易斯酸堿對在納米尺度的擾動和激活效應(yīng)能夠增加亞納米級質(zhì)點(Τ+ΘH)組合相和納米級質(zhì)點GP區(qū)、θ"、θ '系列強化相的機理。
[0030]綜上，本發(fā)明所述路易斯酸堿對，可以表現(xiàn)為多種形態(tài)，包括金屬與配體結(jié)合而成的正離子體、復(fù)雜配體化合物或超大雜多化合物、主族類元素、過渡族類元素中的一種，或者一種以上混合。
[0031](Τ+ΘΗ)組合相中的ΘΗ卻以不同位向和大得多的厚度(約20nm)，對合金基體產(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)相的強化貢獻: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散外，由于抗基體滑移面更大，故對基體增強作用更大；由于方向更多，故對基體的強化作用顯出各向同性的均勻性；由于不屬于高硬性質(zhì)點，所以仍可以位錯切過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T相的繞過強化效應(yīng)和高于游離態(tài)Al-Cu亞穩(wěn)相組合的切過強化效應(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)計關(guān)注的重點從傳統(tǒng)單純對Al-Cu亞穩(wěn)相組合轉(zhuǎn)移出來，而集中在對(Τ+ΘΗ)組合相的催生效果上。
[0032]本發(fā)明配方設(shè)計作為主要技術(shù)手段之一，是使合金的晶態(tài)組合實現(xiàn)平均晶粒度<120微米的等軸晶前提下，還可實現(xiàn)合金晶粒內(nèi)部(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量在I個/[μπι]2以上。主成分含量按重量百分比計:六氟合鈷負離子體[CoF6 ] 3一: 0.005%-0.02%，錳Mn: ^ 2%，鎘Cd:
0.05%?0.5%，銅Cu: 4.2%?8.0%且Cu彡0.8Mn+4.05%;路易斯酸堿對總量 1% X 10-4?2.0%，合金平均晶粒度< 120微米，余量為鋁Al。六氟合鈷負離子體[CoF6 ]3—的加入，提高了乳輥的硬度和耐磨性能。
[0033](Τ+ΘΗ)組合相的主干T相中銅錳元素的質(zhì)量比約為0.8，而合金中在保證(Τ+ΘΗ)生成的同時也應(yīng)該保證各級(GP區(qū)、θ"、θ'或者其它盤片相)Al-Cu 二元彌散相的濃度和分布密度不降低，因此，把銅含量設(shè)計在超過其飽和溶解度以上的一個范圍，同時保證必須有錳存在。在一般條件下，(Τ+ΘΗ)組合相的數(shù)量不足I個/[μπι]2，所以很難被發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明通過路易斯酸堿對的優(yōu)化，可保證(Τ+ΘΗ)組合相的數(shù)量在I個/[μπι]2以上，深度優(yōu)化效果可達到3個/[μπι]2以上。
[0034](Τ+ΘΗ)組合相與各級Al-Cu二元彌散相θ'、θ〃、GPI區(qū)依次分別具有次微米級、亞納米級和納米級的晶格畸變作用，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)方面搭配相對均勻、結(jié)構(gòu)緊湊，則其相互之間就會產(chǎn)生最強晶格畸變應(yīng)力場(最大點陣失配度)，同時又與基體整體完全共格或半共格，因此在整個晶粒三維空間中形成了一個立體彈塑性網(wǎng)陣，在整個晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了類似“鋼筋混凝土”對建筑物結(jié)構(gòu)增強作用的層級式強化結(jié)構(gòu)(以下簡稱“類砼強化結(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)動盡可能多的質(zhì)點共同參與抵抗、分攤和吸收外部沖擊動量(動靜載荷)的能力，從而微觀上具有強大的抗疲勞特性，在宏觀上具有高強、高韌、高硬“三高統(tǒng)一”的特征，這種“類砼強化結(jié)構(gòu)”與鋼鐵材料類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)用價值。
[0035]對于要求達到高強性能的合金，路易斯酸堿對添加量并非越多越好，據(jù)經(jīng)驗，作為元素占Al基體重量百分比，可供選擇的優(yōu)化范圍為:Si彡1.3%，Sc<0.15%，V<0.05%，AlTiN^0.01%,CuFeS2^0.01%o
[0036]另外，由于路易斯酸堿對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)晶過程的成分過冷度，導(dǎo)致晶核在更強結(jié)晶動力下快速越過臨界尺寸，而在過冷的液體中自由成核和生長，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)部自由生長的內(nèi)生機制，改變了平面晶、樹枝晶、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。
[0037]從前述可知，多樣性的路易斯酸堿對，在鋁合金中因具有納米尺度超精微區(qū)域的分解、擾動、活化、重構(gòu)和排除效應(yīng)，從而使合金在凝固之前能夠獲得最大的分子物相組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化的自我調(diào)整能力，建立了一種從精微結(jié)構(gòu)(亞納米級或次微米級質(zhì)點:尺度1nm?<1μηι)到微細結(jié)構(gòu)(微米級顆粒:尺度I?ΙΟμπι左右)再到晶態(tài)組合(亞微米級顆粒:尺度10?ΙΟΟμπι左右)的層級化自我調(diào)整和完善通道，從而一方面解決了合金相圖理論無法解決的熔體結(jié)構(gòu)和凝固組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題，另一方面解決了對鋁合金精煉、變質(zhì)、除渣、除氣等常規(guī)技術(shù)手段無法達到的亞微米態(tài)以下微觀領(lǐng)域，對鋁合金的創(chuàng)新設(shè)計和以鋁代鋼、以輕強結(jié)構(gòu)普遍替代鋼鐵重強結(jié)構(gòu)，具有普遍指導(dǎo)意義和產(chǎn)業(yè)價值。
【具體實施方式】
[0038]本發(fā)明【具體實施方式】包括2個部分，第一部分為提示和說明，第二部分為具體實施例。
[0039]第一部分:提示和說明
一種替代QT600乳輥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、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7000C以上保溫； (3)加入猛Mn、鎘Cd、銅Cu和六氟合鈷負離子體[CoF6]3—，攪拌，加入選定的路易斯酸堿對，或者加入選定的路易斯酸堿對組合，攪拌均勻；
(4)然后對上述合金熔體進行爐內(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)噴射成型:用高壓惰性氣體將合金液流霧化成細小熔滴，在高速氣流下射入模具并冷卻，凝固結(jié)晶。
[0040]所述噴射成型，步驟如下:
①過濾后可澆注鑄造；
②鑄造前應(yīng)將模具預(yù)熱，用壓縮空氣將模具型腔吹干凈；
③采取自動化饒注，將金屬液轉(zhuǎn)入霧化器中，通過惰性氣體在一定壓力下將合金液霧化射入模具強冷；
④開模取出產(chǎn)品，自然冷卻，打磨飛邊；
⑤外觀質(zhì)量檢測:毛坯鑄件在進行外觀質(zhì)量檢驗之前，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；
⑦固溶處理:將鑄件完成粗加工和內(nèi)外質(zhì)量檢測的毛坯送入固溶爐，進行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時效強化:將完成固溶處理的鑄件送入時效爐進行時效強化處理，在230°C以下時效強化，保溫后，出爐自然冷卻；
⑨取樣分析測試驗證；
⑩實用性能驗證。
[0041 ]第二部分:具體實施例實施例1
1、一種替代QT600的鋁合金乳輥材料組分重量百分比為:Cu:7.2%，Mn: 1.6%，Cd: 0.23%，S1:0.8%，Sc:0.10%，異硫氰合鐵正離子體[Fe(NCS)]2+:0.01%，V:0.02%，AlTiN:0.01%,0^652:0.01%，[(:0卩6]3—:0.01%，其余為八1;
2、生產(chǎn)流程:恪煉—精煉—靜置—霧化—凝固—開模取件—固溶—時效；
3、熔體霧化溫度:>750°(:;
4、模具預(yù)熱溫度:>350°(:;
5、霧化壓力:>0.5Mpa；
6、熱處理狀態(tài):T6-固溶加完全人工時效；
7、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?70μπι，晶粒內(nèi)(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量8?10個/[μπι]2;
8、制品機械性能:抗力強度640Mpa，屈服強度570Mpa，斷后延伸率10%，布氏硬度190。
[0042]實施例2
1、一種替代QT600的鋁合金乳輥材料組分重量百分比為:Cu:7.4%，Mn: 1.9%，Cd: 0.27%，Si: 1.2%,Sc:0.14%,V:0.04%,AlTiN:0.01%，CuFeS2:0.01%，[CoF6]3—:0.02%，其余為Al;
2、具體制造方法與實施例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30?60μπι，晶粒內(nèi)(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量9?11個/[μπι]2;
4、制品機械性能:抗力強度650Mpa，屈服強度580Mpa，斷后延伸率9%，布氏硬度195。
[0043]實施例3
1、一種替代QT600的鋁合金乳輥材料組分重量百分比為:Cu:7.4%，Mn: 1.9%，Cd: 0.27%，AlTiN:0.01%，[CoF6]3—:0.008%，其余為Al;
2、具體制造方法與實施例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30?60μπι，晶粒內(nèi)(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量7?9個/[μπι]2;
4、制品機械性能:抗力強度635Mpa，屈服強度560Mpa，斷后延伸率9%，布氏硬度185。
【主權(quán)項】
1.一種替代QT600乳輥的鋁合金材料，其特征在于:主成分含量按重量百分比計:六氟合鈷負離子體[CoF6]3—: 0.005%-0.02%，錳Mn:彡2%，鎘Cd: 0.05%?0.5%，銅Cu: 4.2%?8.0%且Cu彡0.8Mn+4.0 5%;路易斯酸堿對總量I % X I O—4?2.0%，合金平均晶粒度< 120微米，余量為招Al。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT600乳輥的鋁合金材料，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QT600乳輥的鋁合金材料，其特征在于:合金晶粒內(nèi)亞納米(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量達到多I個/平方微米。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT600乳輥的鋁合金材料，其特征在于:所述路易斯酸堿對為金屬與配體結(jié)合而成的正離子體、復(fù)雜配體化合物或超大雜多化合物、主族類元素、過渡族類元素中的一種，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QT600乳輥的鋁合金材料，其特征在于:所述的金屬與配體結(jié)合而成的正離子體:包括異硫氰合鐵正離子體[Fe(NCS)]2+。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種替代QT600乳輥的鋁合金材料，其特征在于:所述的復(fù)雜配體化合物或超大雜多化合物，包括鋁鈦氮AlTiN和二硫銅鐵CuFeS2。7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的一種替代QT600乳輥的鋁合金材料，其特征在于:所述路易斯酸堿對，按元素添加量占Al基體重量百分比，范圍為:Si彡1.3%，Sc彡0.15%，V彡0.05%,AlTiN^0.01%,CuFeS2^0.01%o8.如權(quán)利要求7所述的一種替代QT600乳輥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、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7000C以上保溫； (3)加入猛Mn、鎘Cd、銅Cu和六氟合鈷負離子體[CoF6]3—，攪拌，加入選定的路易斯酸堿對，或者加入選定的路易斯酸堿對組合，攪拌均勻； (4)然后對上述合金熔體進行爐內(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)噴射成型:用高壓惰性氣體將合金液流霧化成細小熔滴，在高速氣流下射入模具并冷卻，凝固結(jié)晶。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種替代QT600乳輥的鋁合金材料的制備方法，其特征在于:所述噴射成型，步驟如下: ①過濾后可澆注鑄造； ②鑄造前應(yīng)將模具預(yù)熱，用壓縮空氣將模具型腔吹干凈； ③采取自動化饒注，將金屬液轉(zhuǎn)入霧化器中，通過惰性氣體在一定壓力下將合金液霧化射入模具強冷； ④開模取出產(chǎn)品，自然冷卻，打磨飛邊； ⑤外觀質(zhì)量檢測:毛坯鑄件在進行外觀質(zhì)量檢驗之前，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； ⑦固溶處理:將鑄件完成粗加工和內(nèi)外質(zhì)量檢測的毛坯送入固溶爐，進行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時效強化:將完成固溶處理的鑄件送入時效爐進行時效強化處理，在230°C以下時效強化，保溫后，出爐自然冷卻； ⑨取樣分析測試驗證； ⑩實用性能驗證。
【文檔編號】C22C21/14GK105937002SQ201610492979
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】車云, 張中可, 門三泉
【申請人】貴州華科鋁材料工程技術(shù)研究有限公司