CN109988953A

CN109988953A - 高强高韧Al-Cu系铸造铝合金及其制备方法和铁路机车零部件

Info

Publication number: CN109988953A
Application number: CN201711482253.7A
Authority: CN
Inventors: 张章; 王沛培; 陈红圣; 马俊成; 查明晖
Original assignee: CRRC Qishuyan Institute Co Ltd
Current assignee: CRRC Qishuyan Institute Co Ltd
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2019-07-09

Abstract

本发明公开了一种高强高韧Al‑Cu系铸造铝合金及其制备方法，所述铸造铝合金的化学成分及其质量百分含量为：Cu 3%～5%，Mn 0.2%～0.8%，Ti 0.1%～0.4%，La+Gd 0.05%～0.5%，Fe≤0.20%，杂质元素≤0.50%，余量为铝。本发明的高强高韧Al‑Cu系铸造铝合金的化学成分中加入了微量的稀土元素La和Gd，合金铸态金相组织图显示这两种稀土元素沿枝晶和晶界分布，形成了连续或不连续的网膜，从而使晶间裂纹不易扩展，提高了合金的抗热裂性能，同时得到的高强高韧Al‑Cu系铸造铝合金的抗拉强度和伸长率得到了明显提升。

Description

高强高韧Al-Cu系铸造铝合金及其制备方法和铁路机车零部件

技术领域

本发明涉及一种铸造铝合金，具体涉及一种高强高韧Al-Cu系铸造铝合金及其制备方法，以及主要应用该铸造铝合金制备的铁路机车零部件。

背景技术

Al-Cu系铸造铝合金是典型的高强高韧合金，具有优良的综合力学性能，如高强度、良好的延展性和塑性、良好的高温性能及切削性，是目前军工以及民用产品的重要结构材料，广泛应用在汽车、航空和航天工业中。但是Al-Cu系合金的结晶温度范围宽，凝固时共晶组织中Al₂Cu相塑性差，易发生拉裂，造成Al-Cu系合金热裂倾向严重，严重制约了Al-Cu系合金的应用。

在Al-Cu系铸造铝合金中，法国牌号的A-U5GT合金、美国铝协会牌号的A201.0合金和我国牌号的ZL205A合金是其中的典型代表。但这些高强度铸造铝合金还存在以下不足：上述合金虽然具有较高的强度，但塑性较差，不能承受大的冲击载荷。此外，这些合金的铸造性能很差，具体表现为热裂倾向大、流动性较差、补缩困难，目前主要采用砂型铸造工艺进行零件的成形，因此在发挥材料性能潜力方面受到了限制。另外上述合金为了获得良好的性能，对杂质元素含量的控制非常严格，如A-U5GT合金要求铁控制在0.1％以下，硅控制在0.05％以下。ZL205A合金要求铁控制在0.15％以下，硅控制在0.06％以下，这不但增加了工艺控制地难度，还必须提供高品质的原材料。

为了提高合金的性能，中国专利文献CN 100410406(申请号200610017102.X)公开了一种高强高韧铸造铝合金，由以下组分按重量百分比组成： Cu 4.5～7.0；V 0.05～0.3；Mn 0.3～0.45；Ti 0.15～0.35；B 0.005～0.06；Cd 0.15～0.25；Zr 0.05～0.2；Pr0.03～0.7；Al余量。该文献公开其合金最高抗拉强度可达520MPa，延伸率为13.5%，强度和韧性均高于ZL205A合金。

中国专利文献CN 100347322 (申请号200510037105.5)公开了一种高强韧挤压铸造铝合金材料, 其主要成分及其质量百分比含量为：铜4.5～5.5％，锰0.3～0.6％，微量合金强化元素0.21～0.85％，其余为铝和不可避免的杂质；所添加的微量合金强化元素为钛、硼、钒、锆、混合稀土，其成分及其质量百分比含量为：钛0.05～0.25％，硼0.01～0.05％，钒0.05～0.20％，锆0.05～0.20％，混合稀土0.05～0.15％；杂质元素铁控制在0.2％以下，硅控制在0.1％以下。该合金材料的典型力学性能为抗拉强度440MPa，伸长率22％，适合于制造需要承受重载的铝合金结构件。

中国专利文献CN 101363092B（申请号 200810302668.6）公开了一种高强度铸造铝合金材料，按重量百分比计，该合金成分为Cu2.0～6.0%，Mn0.05%，Ti0.01～0.5%，Cr0.01～0.2%，Cd0.01～0.4%，Zr 0.01～0.25%，B0.005～0.04%，混合稀土RE0.05～0.3%，其余为Al及微量杂质元素。混合稀土RE含铈为40～50%。该合金材料的抗拉强度大于450Mpa，同时延伸率大于5%。

中国专利文献CN 101363093B（申请号 200810302669.0）公开了一种高强度铸造铝合金材料，按重量百分比计，该合金成分为Cu2.0～6.0%，Mn0.05%，Ti0.01～0.5%，Cr0.01～0.2%，Cd0.01～0.4%，Zr 0.01～0.25%，B0.005～0.04%，稀土元素 La 0.05～0.3%，其余为Al及微量杂质元素。该合金材料的抗拉强度大于430Mpa，同时延伸率大于8%。

中国专利文献CN 101319287B（申请号 200810302670.3）公开了一种高强度铸造铝合金材料，按重量百分比计，该合金成分为Cu 2.0～6.0％，Mn 0.05％，Ti0.01～0.5％，Cr 0.01～0.2％，Cd0.01～0.4％，Zr0.01～0.25％，B0.005～0.04％，稀土元素Pr0.05～0.3％，其余为Al及微量杂质元素。

上述文献所公开的合金材料侧重于Al-Cu系合金的成分配比及其力学性能参数，合金化学成分中含有有毒元素Cd和一些价格昂贵的金属元素如V，Zr，影响安全性，也提高了原材料的成本。此外公开的专利中并均未涉及该合金的铸造性能参数，如合金的流动性、抗热裂性能等，实际应用时在生产中也难以解决合金强度与可铸性的矛盾问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高强高韧、抗热裂性能优异的Al-Cu系铸造铝合金及其制备方法，以及主要应用该铸造铝合金制备的铁路机车零部件。

为实现以上目的或者其他目的，本发明提供以下技术方案。

按照本发明的第一方面，提供一种高强高韧Al-Cu系铸造铝合金，各组分及其相对于所述铸造铝合金总重的重量百分比为：Cu 3%～5%，Mn 0.2%～0.8%，Ti 0.1%～0.4%，La+Gd 0.05%～0.5%，Fe≤0.20%，杂质元素≤0.50%，余量为铝。

按照本发明的第二方面，提供一种上述高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：

将原料熔解、精炼后得到铝合金熔体；将铝合金熔体浇注到模具中，冷却得到铝合金铸件；对得到的铝合金铸件进行固溶处理；再对固溶处理后的铸件进行冷却处理；最后对冷却处理后的铸件进行时效处理后得到高强高韧铸造铝合金。

按照本发明的第三方面，提供一种铁路机车零部件，采用如上所述的Al-Cu系铸造铝合金制备而成；所述铁路机车零部件为高铁铝合金齿轮箱或具有同等机械性能要求的其他零部件。

本发明具有积极的效果：

（1）本发明的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的化学成分中加入了微量的稀土元素La和Gd，合金铸态金相组织图显示这两种稀土元素沿枝晶和晶界分布，形成了连续或不连续的网膜，从而使晶间裂纹不易扩展，提高了合金的抗热裂性能。

（2）本发明的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的化学成分中不含有毒元素Cd及Be，安全性好；也不含V、Zr等贵金属元素，成本较低。

（3）本发明通过合理的设置合金添加含量，得到的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的抗拉强度度≥380MPa，伸长率≥6.5%，相对于Al-Cu系的ZL201，ZL203合金得到了明显提升，并且铝合金的抗热裂性能得到了明显的改善。

（4）本发明的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金对其中的Fe和杂质元素的含量要求比较宽松，Fe的上限可至0.20wt%，杂质元素的上限可至0.50wt%，因此对原材料和工艺的要求降低，从而有利于工业化实施和推广。

（5）本发明的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金高强度高韧性、铸造性能优异、成本低廉，适用于制造高铁铝合金齿轮箱，以代替国内目前采用的ZL101A合金。

（6）本发明在制备高强高韧Al-Cu系铸造铝合金时，加入的Al-Gd中间合金更容易在铝合金中完全熔化；由于原子半径和电负性的差异，相对于其它稀土元素，La更有利于增强Al与Cu间相互作用强度，使Al₂Cu相在时效时更容易析出，从而有利于提高合金的强度。

附图说明

图1为现有技术中未添加La和Gd元素的合金的铸态金相组织图（100×）。

图2为本发明实施例1中制备的合金的铸态金相组织图（100×）。

图3为本发明实施例1中制备的合金热裂棒。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

本申请提供以下技术方案：

技术方案1，一种高强高韧Al-Cu系铸造铝合金，各组分及其相对于所述铸造铝合金总重的重量百分比为：Cu 3%～5%，Mn 0.2%～0.8%，Ti 0.1%～0.4%，La+Gd 0.05%～0.5%，Fe≤0.20%，杂质元素≤0.50%，余量为铝。

技术方案2，如技术方案1所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金，其中，相对于所述铸造铝合金总重，Cu的重量百分比为3.5%～4.5%。

技术方案3，如技术方案1至2中任一所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金，其中，相对于所述铸造铝合金总重，Mn的重量百分比为0.4%～0.6%。

技术方案4，如技术方案1至3中任一所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金，其中，相对于所述铸造铝合金总重，Ti的重量百分比为0.2%～0.35%。

技术方案5，如技术方案1至4中任一所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金，其中，相对于所述铸造铝合金总重，La+Gd的重量百分比为0.1%～0.3%。

技术方案6，如技术方案1至5中任一所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金，其中，La和Gd的重量比为1: 1.8～2.5。

技术方案7，如技术方案1至6中任一所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金，其中，Al-Cu系铸造铝合金的抗拉强度≥380MPa，拉伸率≥6.5%。

技术方案8，如技术方案1至7中任一所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：

技术方案9，如技术方案8所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的制备方法，固溶处理是将得到的铝合金铸件加热至535℃～545℃后保温8～10小时。

技术方案10，如技术方案8至9中任一所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的制备方法，冷却处理是将固溶处理后的铸件快速淬入20℃～40℃的水中进行冷却。

技术方案11，如技术方案8至10中任一所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的制备方法，时效处理是将冷却处理后的铸件加热到150℃～180℃，在该保温9～11小时，然后出炉空冷至室温。

技术方案12，采用如技术方案1至7中任一项所述的Al-Cu系铸造铝合金制备而成；所述铁路机车零部件为高铁铝合金齿轮箱或具有同等机械性能要求的其他零部件。

（实施例1）

本实施例的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的各组分及其相对于所述铸造铝合金总重的重量百分比为：Cu 3%，Mn 0.2%，Ti 0.15%，稀土元素La +Gd 0.05%，Fe≤0.20%，杂质元素≤0.50%，余量为铝；其中稀土元素La 和Gd的重量比为1 :2。

本实施例的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的制备方法过程如下：将原料熔解、精炼后得到铝合金熔体；将铝合金熔体浇注到模具中，冷却得到铝合金铸件；对得到的铝合金铸件进行固溶处理；再对固溶处理后的铸件进行冷却处理；最后对冷却处理后的铸件进行时效处理后得到高强高韧铸造铝合金。

具体的，包括以下步骤：

①先将工业纯铝在电阻炉中加热至700℃～720℃，然后按照铝合金的化学成分重量百分比向电阻炉中继续加入Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-La中间合金、Al-Gd中间合金，加毕保温并搅拌。

②待步骤①中所有加入的中间合金都熔解完毕后，使电阻炉中物料升温至740℃～750℃，然后向炉中加入无毒精炼剂，除气精炼后得到铝合金熔体。

③将步骤②得到的铝合金熔体在700℃～720℃下以重力铸造方式浇注到已预热至180℃～220℃的模具中，然后在空气中自然冷却得到铝合金铸件。

④对步骤③得到的铝合金铸件进行固溶处理，所述固溶处理是将步骤③得到的铝合金铸件加热至535℃～545℃后保温8～10小时。

⑤将步骤④固溶处理后的铸件快速淬入20℃～40℃的水中进行冷却处理。

⑥对步骤⑤冷却处理后的铸件进行时效处理后得到高强高韧铸造铝合金。

所述时效处理是将步骤⑤冷却处理后的铸件加热到150℃～180℃，在该保温9～11小时，然后出炉空冷至室温。

见图1，图1为未添加La和Gd的铸造铝合金的铸态金相组织图（100×），该铝合金的各组分及其相对于所述铸造铝合金总重的重量百分比为Cu 3.5%，Mn 0.2%，Ti 0.15%， Fe0.18%，其他杂质元素≤0.50%，余量为Al。

见图2，图2为本实施例制备的铸造铝合金的铸态金相组织图（100×），与图1相比，图2显示在枝晶和晶界上形成了连续或不连续的网膜，这些网膜使晶间裂纹不易扩展，从而提高了合金的抗热裂性能；而且本实施例的合金析出的Al₂Cu相数量更多，晶粒明显细化，提高了合金的力学性能。

对本实施例制得的铸造铝合金的力学性能进行测试，其中

抗拉强度 Rm (MPa)、延伸率按GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》的标准进行检测。

测试结果如下：抗拉强度380MPa，延伸率 6.5%。

见图3，图3为采用本实施例的铸造铝合金制备的合金热裂棒，采用热裂棒法评定合金的热裂倾向性，计算得到的热裂倾向因子为4。

（实施例2至实施例12）

实施例2至实施例12的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的各组分及其相对于所述铸造铝合金总重的重量百分比如下表1，各实施例的合金中不可避免的杂质含量低于0.50%：

表1 化学成分（wt%）

注：表中“La：Gd”是指稀土元素La 和Gd的重量比。

以上实施例2至实施例12的铸造铝合金的制备方法与实施例1铝合金的制备方法相同。

对实施例2至实施例12的铸造铝合金的力学性能和热裂倾向性按照实施例1的方法进行测试，测试结果见下表2。

表2 力学性能和热裂倾向因子

表2显示，本发明通过合理的设置合金添加含量，得到的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的抗拉强度和伸长率相对于Al-Cu系的ZL201，ZL203合金得到了明显提升，并且铝合金的抗热裂性能得到了明显的改善，因此本发明的合金既具有高强高韧性能，又具有优异的抗热裂性能。并且上述力学性能参数显示本发明的合金适用于制造高铁铝合金齿轮箱。

Claims

1.一种高强高韧Al-Cu系铸造铝合金，其特征在于，各组分及其相对于所述铸造铝合金总重的重量百分比为：Cu 3%～5%，Mn 0.2%～0.8%，Ti 0.1%～0.4%，La+Gd 0.05%～0.5%，Fe≤0.20%，杂质元素≤0.50%，余量为铝。

2.根据权利要求1所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金，其特征在于：相对于所述铸造铝合金总重，Cu的重量百分比为3.5%～4.5%。

3.根据权利要求1所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金，其特征在于：相对于所述铸造铝合金总重， Mn的重量百分比为0.4%～0.6%。

4.根据权利要求1所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金，其特征在于：相对于所述铸造铝合金总重， Ti的重量百分比为0.2%～0.35%。

5.根据权利要求1所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金，其特征在于：相对于所述铸造铝合金总重， La+Gd的重量百分比为0.1%～0.3%。

6.根据权利要求5所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金，其特征在于：La和Gd的重量比为1:1.8～2.5。

7.根据权利要求1至6之一所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金，其特征在于：Al-Cu系铸造铝合金的抗拉强度≥380MPa，拉伸率≥6.5%。

8.一种如权利要求1所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

将原料熔解、精炼后得到铝合金熔体；将铝合金熔体浇注到模具中，冷却得到铝合金铸件；

对得到的铝合金铸件进行固溶处理；再对固溶处理后的铸件进行冷却处理；最后对冷却处理后的铸件进行时效处理后得到高强高韧铸造铝合金。

9.根据权利要求8所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的制备方法，其特征在于：

固溶处理时，将铝合金铸件加热至535℃～545℃后保温8～10小时。

10.根据权利要求8所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的制备方法，其特征在于：

冷却处理时，将固溶处理后的铸件快速淬入20℃～40℃的水中进行冷却。

11.根据权利要求8所述的高强高韧Al-Cu系铸造铝合金的制备方法，其特征在于：

时效处理时，将冷却处理后的铸件加热到150℃～180℃，在该保温9～11小时，然后出炉空冷至室温。

12.一种铁路机车零部件，其特征在于：采用如权利要求1所述的Al-Cu系铸造铝合金制备而成；所述铁路机车零部件为高铁铝合金齿轮箱或具有同等机械性能要求的其他零部件。