CN110952009A - 一种合金铸件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种合金铸件的制备方法，绘制铸件三维结构，设计铸件浇注***，并完成组型，在薄厚壁交接处增加防裂筋，制备铸件硅溶胶模壳，对ZL210A合金进行熔炼，将熔炼后的合金低压浇注铸件硅溶胶模壳，得到铸件，对铸件进行退火处理，热处理，然后进行固溶处理，去除防裂筋。本发明在薄厚壁交接处增加防裂筋，在一定程度上改变了铸件的模组系数，提高了该位置的散热性，有利于薄厚壁连接处金属液的凝固，其次防裂筋也可以在热处理过程中保护铸件，降低外部应力的干扰；Zr、B与V不仅可以减少铸造热应力，而且提高了ZL210A合金的综合力学性能；还能有效的消除铸件的热应力，避免铸件的薄厚壁交界处在固溶处理过程中出现热裂缺陷。

Description

一种合金铸件的制备方法
技术领域
本发明涉及一种合金铸件的制备方法，该方法适用于以ZL210A合金作为材质的铸件，在固溶处理过程中出现热裂缺陷的解决方法。
背景技术
现阶段，新研制的高强度优质铝合金都基于Al-Cu系合金，其通过添加Mn、Cd等合金元素以及其他的微量元素发展而成。对于Al-Cu系铸造合金而言，Cu在α-Al固溶体内的溶解度较大，在共晶点548℃时溶解度约为5.65％，随着温度的降低，溶解度也随之降低，合金的强度可通过时效强化而得到提高。Al-Cu系多种合金已经被广泛应用于航空、航天以及重要的民用工业领域，成为航空航天主要的结构产品用材料之一。
ZL210A合金是我国新近研制的高强度Al-Cu-Mn系铸造合金，该合金具备优异的综合力学性能，如高强度、良好的塑性、易于切削加工和表面处理等特点，目前已经在飞机受力结构件上得到了广泛的应用，并且取得了很好的效果。但同时该类合金铸件也不可避免的出现Al-Cu系合金所存在的热裂缺陷，特别是针对于薄厚差异较大的铸件，在薄厚壁拐角处，铸造过程中会存在巨大的热应力，铸件经过固溶处理后，易于在该位置出现热裂缺陷。ZL210A合金铸件在固溶处理后出现的热裂缺陷将直接造成铸件报废，造成不可挽回的损失，而ZL210A合金铸件受限于本身材质的影响，又不可避免的会存在巨大的铸造热应力。该问题的出现严重限制了高强度铝合金铸件的设计与开发，因此现阶段迫切需要找出一种新型合理的方法来解决ZL210A合金固溶处理过程中出现的热裂缺陷问题。
发明内容
为克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种合金铸件的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案：
一种合金铸件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：绘制铸件三维结构；
步骤2：设计铸件浇注***，并完成组型，在薄厚壁交接处增加防裂筋；
步骤3：制备铸件硅溶胶模壳；
步骤4：对ZL210A合金进行配料，ZL210A合金中含有Zr、B与V元素；
步骤5：对步骤4中ZL210A合金进行熔炼；
步骤6：将熔炼后的合金低压浇注步骤3中铸件硅溶胶模壳，得到铸件；
步骤7：对步骤6中铸件进行退火处理；
步骤8：对步骤7中铸件进行热处理，然后进行固溶处理；
步骤9：去除防裂筋。
本发明进一步的改进在于，步骤2中，防裂筋与铸件接触部位进行圆滑处理。
本发明进一步的改进在于，步骤3中，ZL210A合金按质量百分比计，包括4.5～5.1％的Cu，0.35～0.80％的Mn，0.07～0.25％的Cd，0.15～0.35％的Ti，0.05～0.15％的Zr，0.005～0.06％的B，0.05～0.30％的V，Si≤0.2％，Mg≤0.05％，Fe≤0.15％，杂质总和≤0.6％，余量为Al。
本发明进一步的改进在于，步骤7中，退火处理的具体条件为：炉温低于100℃入炉，升温至300℃保温2h，随炉冷却至155℃，出炉空冷。
本发明进一步的改进在于，步骤8中，热处理具体为T5热处理。
本发明进一步的改进在于，步骤8中，固溶处理的冷却温度为80～85℃。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1)在薄厚壁交接处增加防裂筋，在一定程度上改变了铸件的模组系数，提高了该位置的散热性，有利于薄厚壁连接处金属液的凝固，其次防裂筋也可以在热处理过程中保护铸件，降低外部应力的干扰。
2)在原某企业标准的基础上，借鉴ZL205A合金化学成分配比，Zr、B、V元素作为金属液在结晶时的非自发核心，具有细化铝合金晶粒的作用，从改变ZL210A合金化学成分的角度出发，细化了ZL210A合金的显微组织，不仅可以减少铸造热应力，而且提高了ZL210A合金的综合力学性能。
3)本发明中ZL210A合金铸件的去应力退火工艺，该退火工艺可以有效的消除铸件的热应力，避免铸件的薄厚壁交界处在固溶处理过程中出现热裂缺陷。
进一步的，适当调整铸件固溶处理后的水浴冷却温度，将水温调整至80～85℃，可以减弱铸件在水浴冷却时的热应力，降低了铸件二次热裂的可能性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
为了促进高强度ZL210A合金更好的应用于航空航天以及重要的民用工业领域，为了解决ZL210A合金铸件固溶处理过程中出现的热裂问题，最终提高铸件的生产效率和工艺成品率。从工艺方案、ZL210A合金成分设计以及研制铸件的退火工艺角度出发，设计了一种ZL210A合金铸件固溶处理过程中热裂缺陷的解决方法。其一，在热裂部位增加防裂筋，其二，通过对比应用更为成熟的ZL205A和ZL210A合金材质的化学成分要求，在不改变ZL210A合金成分要求的基础上，微量调整ZL210A合金的成分配比；其三，提出了ZL210A合金铸件的退火工艺方法，最低成本的消除ZL210A合金铸件的铸造热应力。本发明从工艺方案角度出发，在薄厚壁交接处增加防裂筋，以改变该位置的铸件模数；其次借鉴设计应用更为成熟的ZL205A合金成分配比，在符合ZL210A合金成分要求的基础上，微量调整合金元素配比，通过细化ZL210A合金晶粒，降低了铸件的铸造热应力，在不影响ZL210A合金力学性能的基础上，发明了新型的ZL210A合金固溶前退火工艺方法，进一步消除了ZL210A合金的铸造热应力。
本发明中的ZL210A合金成分见表1。
表1 ZL210A合金成分要求
Figure BDA0002324644360000041
实施例1
以尺寸450×300×100mm的铸件为例，材质为ZL210A，薄厚壁尺寸分别为7mm和26mm，比例接近1:4，其实现的具体步骤如下：
步骤1：绘制铸件三维；
步骤2：设计铸件浇注***，并完成组型，在薄厚壁交接处增加防裂筋，尺寸为：1×15×50mm，1×15mm端面接触铸件，高为15mm，防裂筋与铸件接触部位需圆滑处理；
步骤3：制备铸件硅溶胶模壳；
步骤4：完成铸件ZL210A合金配料，适量添加Zr、B、V细化晶粒元素，具体成分配比如表2所示；
步骤5：完成步骤4中合金的熔炼；
步骤6：低压浇注步骤4中铸件硅溶胶模壳；
步骤7：清理步骤6铸件表面模壳，切除浇冒口，打磨铸件表面毛刺，但应保留防裂筋；
步骤8：对步骤7中铸件进行退火处理，退火工艺为：炉温低于100℃入炉，升温至300℃保温2h，随炉冷却至155℃，出炉空冷；
步骤9：对步骤8中铸件进行T5热处理，固溶处理的水浴冷却温度为85℃；
步骤10：打磨去除防裂筋；
步骤11：对步骤10中铸件进行X射线和荧光检测，并检测附铸化学成分试样和力学性能试棒。
按照此方法针对铸件进行化学成分调整和去应力退火处理，成分结果如表2所示，铸件经T5热处理后，射线和荧光均未发现热裂缺陷，铸件的化学成分和力学性能经检测后，均满足技术指标要求。
表2 ZL210A合金成分配比及检测结果
Figure BDA0002324644360000051
实施例2
以尺寸230×270×180mm的铸件为例，材质为ZL210A，薄厚壁尺寸分别为5mm和15mm，比例为1:3，其实现的具体步骤如下：
步骤1：绘制铸件三维；
步骤2：设计铸件浇注***，并完成组型，在薄厚壁交接处增加防裂筋，尺寸为：1×15×50mm，1×15mm端面接触铸件，与铸件接触部位需圆滑处理；
步骤3：制备铸件硅溶胶模壳；
步骤4：完成铸件ZL210A合金配料，适量添加Zr、B、V细化晶粒元素，具体成分配比如表3所示；
步骤5：完成步骤4中合金的熔炼；
步骤6：低压浇注步骤4中铸件硅溶胶模壳；
步骤7：清理步骤6铸件表面模壳，切除浇冒口，打磨铸件表面毛刺，但应保留防裂筋；
步骤8：对步骤7中铸件进行退火处理，退火工艺为：炉温低于100℃入炉，升温至300℃保温2h，随炉冷却至155℃，出炉空冷；
步骤9：对步骤8中铸件进行T5热处理，固溶处理的水浴冷却温度为85℃；
步骤10：打磨去除防裂筋；
步骤11：对步骤10中铸件进行X射线和荧光检测，并检测附铸化学成分试样和力学性能试棒。
按照此方法针对铸件进行化学成分调整和去应力退火处理，成分结果如表3所示，铸件经T5热处理后，射线和荧光均未发现热裂缺陷，铸件的化学成分和力学性能经检测后，均满足技术指标要求。
表3 ZL210A合金成分配比及检测结果
Figure BDA0002324644360000061
实施例3
以尺寸682×368×260mm的铸件为例，材质为ZL210A，薄厚壁尺寸分别为4.5mm和13mm，比例接近1:3，其实现的具体步骤如下：
步骤1：绘制铸件三维；
步骤2：设计铸件浇注***，并完成组型，在薄厚壁交接处增加防裂筋，尺寸为：1×15×50mm，1×15mm端面接触铸件，与铸件接触部位需圆滑处理；
步骤3：制备铸件硅溶胶模壳；
步骤4：完成铸件ZL210A合金配料，适量添加Zr、B、V细化晶粒元素，具体成分配比如表4所示；
步骤5：完成步骤4中合金的熔炼；
步骤6：低压浇注步骤4中铸件硅溶胶模壳；
步骤7：清理步骤6铸件表面模壳，切除浇冒口，打磨铸件表面毛刺，但应保留防裂筋；
步骤8：对步骤7中铸件进行退火处理，退火工艺为：炉温低于100℃入炉，升温至300℃保温2h，随炉冷却至155℃，出炉空冷；
步骤9：对步骤8中铸件进行T5热处理，固溶处理的水浴冷却温度为80℃；
步骤10：打磨去除防裂筋；
步骤11：对步骤10中铸件进行X射线和荧光检测，并检测附铸化学成分试样和力学性能试棒。
按照此方法针对铸件进行化学成分调整和去应力退火处理，成分结果如表4所示，铸件经T5热处理后，射线和荧光均未发现热裂缺陷，铸件的化学成分和力学性能经检测后，均满足技术指标要求。
表4 ZL210A合金成分配比及检测结果
Figure BDA0002324644360000071
实施例4
以尺寸450×300×100mm的铸件为例，材质为ZL210A，薄厚壁尺寸分别为7mm和26mm，比例接近1:4，其实现的具体步骤如下：
步骤1：绘制铸件三维；
步骤2：设计铸件浇注***，并完成组型，在薄厚壁交接处增加防裂筋，尺寸为：1×15×50mm，1×15mm端面接触铸件，高为15mm，防裂筋与铸件接触部位需圆滑处理；
步骤3：制备铸件硅溶胶模壳；
步骤4：完成铸件ZL210A合金配料，适量添加Zr、B、V细化晶粒元素，具体成分配比如表5所示；
步骤5：完成步骤4中合金的熔炼；
步骤6：低压浇注步骤4中铸件硅溶胶模壳；
步骤7：清理步骤6铸件表面模壳，切除浇冒口，打磨铸件表面毛刺，但应保留防裂筋；
步骤8：对步骤7中铸件进行退火处理，退火工艺为：炉温低于100℃入炉，升温至300℃保温2h，随炉冷却至155℃，出炉空冷；
步骤9：对步骤8中铸件进行T5热处理，固溶处理的水浴冷却温度为80℃；
步骤10：打磨去除防裂筋；
步骤11：对步骤10中铸件进行X射线和荧光检测，并检测附铸化学成分试样和力学性能试棒。
表5 ZL210A合金成分配比及检测结果
Figure BDA0002324644360000081
实施例5
以尺寸450×300×100mm的铸件为例，材质为ZL210A，薄厚壁尺寸分别为7mm和26mm，比例接近1:4，其实现的具体步骤如下：
步骤1：绘制铸件三维；
步骤2：设计铸件浇注***，并完成组型，在薄厚壁交接处增加防裂筋，尺寸为：1×15×50mm，1×15mm端面接触铸件，高为15mm，防裂筋与铸件接触部位需圆滑处理；
步骤3：制备铸件硅溶胶模壳；
步骤4：完成铸件ZL210A合金配料，适量添加Zr、B、V细化晶粒元素，具体成分配比如表6所示；
步骤5：完成步骤4中合金的熔炼；
步骤6：低压浇注步骤4中铸件硅溶胶模壳；
步骤7：清理步骤6铸件表面模壳，切除浇冒口，打磨铸件表面毛刺，但应保留防裂筋；
步骤8：对步骤7中铸件进行退火处理，退火工艺为：炉温低于100℃入炉，升温至300℃保温2h，随炉冷却至155℃，出炉空冷；
步骤9：对步骤8中铸件进行T5热处理，固溶处理的水浴冷却温度为80℃；
步骤10：打磨去除防裂筋；
步骤11：对步骤10中铸件进行X射线和荧光检测，并检测附铸化学成分试样和力学性能试棒。
表6 ZL210A合金成分配比及检测结果
Figure BDA0002324644360000091
实施例6
以尺寸450×300×100mm的铸件为例，材质为ZL210A，薄厚壁尺寸分别为7mm和26mm，比例接近1:4，其实现的具体步骤如下：
步骤1：绘制铸件三维；
步骤2：设计铸件浇注***，并完成组型，在薄厚壁交接处增加防裂筋，尺寸为：1×15×50mm，1×15mm端面接触铸件，高为15mm，防裂筋与铸件接触部位需圆滑处理；
步骤3：制备铸件硅溶胶模壳；
步骤4：完成铸件ZL210A合金配料，适量添加Zr、B、V细化晶粒元素，具体成分配比如表7所示；
步骤5：完成步骤4中合金的熔炼；
步骤6：低压浇注步骤4中铸件硅溶胶模壳；
步骤7：清理步骤6铸件表面模壳，切除浇冒口，打磨铸件表面毛刺，但应保留防裂筋；
步骤8：对步骤7中铸件进行退火处理，退火工艺为：炉温低于100℃入炉，升温至300℃保温2h，随炉冷却至155℃，出炉空冷；
步骤9：对步骤8中铸件进行T5热处理，固溶处理的水浴冷却温度为80℃；
步骤10：打磨去除防裂筋；
步骤11：对步骤10中铸件进行X射线和荧光检测，并检测附铸化学成分试样和力学性能试棒。
表7 ZL210A合金成分配比及检测结果
Figure BDA0002324644360000101

Claims (6)

1.一种合金铸件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：绘制铸件三维结构；
步骤2：设计铸件浇注***，并完成组型，在薄厚壁交接处增加防裂筋；
步骤3：制备铸件硅溶胶模壳；
步骤4：对ZL210A合金进行配料，ZL210A合金中含有Zr、B与V元素；
步骤5：对步骤4中ZL210A合金进行熔炼；
步骤6：将熔炼后的合金低压浇注步骤3中铸件硅溶胶模壳，得到铸件；
步骤7：对步骤6中铸件进行退火处理；
步骤8：对步骤7中铸件进行热处理，然后进行固溶处理；
步骤9：去除防裂筋。
2.根据权利要求1所述的一种合金铸件的制备方法，其特征在于，步骤2中，防裂筋与铸件接触部位进行圆滑处理。
3.根据权利要求1所述的一种合金铸件的制备方法，其特征在于，步骤3中，ZL210A合金按质量百分比计，包括4.5～5.1％的Cu，0.35～0.80％的Mn，0.07～0.25％的Cd，0.15～0.35％的Ti，0.05～0.15％的Zr，0.005～0.06％的B，0.05～0.30％的V，Si≤0.2％，Mg≤0.05％，Fe≤0.15％，杂质总和≤0.6％，余量为Al。
4.根据权利要求1所述的一种合金铸件的制备方法，其特征在于，步骤7中，退火处理的具体条件为：炉温低于100℃入炉，升温至300℃保温2h，随炉冷却至155℃，出炉空冷。
5.根据权利要求1所述的一种合金铸件的制备方法，其特征在于，步骤8中，热处理具体为T5热处理。
6.根据权利要求1所述的一种合金铸件的制备方法，其特征在于，步骤8中，固溶处理的冷却温度为80～85℃。
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