一種替代qt500汽車連桿的鋁合金材料及擠壓鑄造成型方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種替代QT500汽車連桿的鋁合金材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比計：五氰合鎳負(fù)離子體[Ni(CN)5]3?：0.05%?0.15%，錳Mn:≤2%，鎘Cd:0.05%～0.5%，銅Cu0.5～3%且Cu≥1.5Mn；路易斯酸堿對總量7.0%～9.0%，合金平均晶粒度＜120微米，余量為鋁Al。
【專利說明】
一種替代QT500汽車連桿的鋁合金材料及擠壓鑄造成型方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種替代QT500汽車連桿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;在汽車工業(yè)中，鋼鐵材料的用量占汽車用材總量的60?70%，其中的三分之二以上又是球鐵類鐵合金。
[0003]球鐵之所以用途廣泛，還在于它有著細(xì)分的標(biāo)準(zhǔn)牌號，每種牌號規(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，從而對應(yīng)著細(xì)分應(yīng)用品類。
[0004]追求低碳、集約化、高效率(高效能)、靈活性和個性化，是制造業(yè)從傳統(tǒng)形態(tài)向高端形態(tài)跨越的標(biāo)志，以鋁代鋼、以輕強結(jié)構(gòu)普遍替代鋼鐵重強結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)這種跨越的主要手段。
[0005]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。
[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)出來的，因此獲得良好的功能性物相組合，例如高強度、高熔點、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，從而，鋁合金的化學(xué)成分設(shè)計與其制備技術(shù)存在著緊密的內(nèi)在統(tǒng)一性，這種統(tǒng)一性，簡言之，是一種原子如何結(jié)合成所需的“物相分子”的關(guān)系，即材料的物相可以看成是一種分子結(jié)構(gòu)。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(亞微米級顆粒:尺度10?300μπι左右)，后續(xù)熱處理或者冷作硬化則是對晶態(tài)組合框架下微細(xì)結(jié)構(gòu)(微米級顆粒:尺度I?30μπι左右)乃至更加微觀的精微結(jié)構(gòu)(亞納米級或次微米級質(zhì)點:尺度1nm?< Iμπι)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)測添加和排除其它微量元素對物相影響的指導(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程中摸索積累得來，因此常常被看作為“制備工藝”而不是“成分設(shè)計”的一部分。
[0007]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(xì)結(jié)構(gòu)和精微結(jié)構(gòu)對基體的強韌性貢獻(xiàn)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(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(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，只能使強度或韌性一個方面獲得優(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)。
[0008]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(jìn)入了鋁材料國際領(lǐng)先水平。
[0009]但是，從材料設(shè)計角度看，211Z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(xì)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。
[0010]根據(jù)合金強化理論，合金的強度是材料中界面或位錯滑移受到質(zhì)點的阻礙而產(chǎn)生的，阻礙越強，材料的強度也越大。而質(zhì)點阻礙行為與材料中界面或位錯滑移相互作用的結(jié)果，有兩種:一種是當(dāng)質(zhì)點本身強硬度不夠高時，位錯將切過質(zhì)點繼續(xù)滑移，另一種是質(zhì)點強度很高，位錯無法切過，則只能繞過質(zhì)點而繼續(xù)滑移，而在質(zhì)點周圍留下一圈位錯環(huán)。
[0011 ]通過對鋁銅錳系(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。
[0012]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(rèn)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(rèn)為T相對合金強度的貢獻(xiàn)能夠與Al-Cu二元各亞穩(wěn)相的組合相比，而且認(rèn)為T相容易在晶界聚集形成粗大脆性相，因此要嚴(yán)格控制其數(shù)量。
[0013]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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)，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。
[0014]目前，國內(nèi)的招合金連桿均采用I系列鑄造招合金制造，合金最高強度在450Mpa以下，材料性能跟不上汽車技術(shù)的需求，限制了鋁合金汽車連桿的推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種替代QT500汽車連桿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)500MPa及更高的強度等級，從而達(dá)到生產(chǎn)替代QT500汽車連桿的鋁合金制品。
[0016]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種替代QT500汽車連桿的鋁合金材料，主成分含量按重量百分比計:五氰合鎳負(fù)離子體[Ni (CN)5 ]3-: 0.05%-0.15%，錳Mn: (2%，鎘Cd: 0.05%?0.5%，銅Cu0.5?3%且Cu彡1.5Mn ；路易斯酸堿對總量7.0%?9.0%，合金平均晶粒度< 120微米，余量為鋁Al。
[0017]所述的合金晶粒為等軸晶。
[0018]所述的合金晶粒內(nèi)亞納米(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量達(dá)到彡I個/平方微米。
[0019]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。
[0020]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+。
[0021]所述的復(fù)雜配體化合物或超大雜多化合物，包括[Ag(NH3)2]Cl。
[0022]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:Li彡0.3%，Si7.5-9.0%,Mg0.3-0.45%,T1.1-0.2%,[Ag(NH3)2JCl 彡0.03。
[0023]一種替代QT500汽車連桿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和五氰合鎳負(fù)離子體[Ni(CN)5]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(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)擠壓鑄造:是指合金液注入澆注系統(tǒng)內(nèi)，在熔融狀態(tài)時加壓充型、凝固結(jié)晶。
[0024]所述擠壓鑄造，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，安裝上砂芯，用壓縮空氣將模具型腔吹干凈；
③采取自動澆注，從爐內(nèi)g取合金液倒入盛錠筒，將盛錠筒移動到模具澆口，熔融態(tài)時擠壓成型，保壓凝固結(jié)晶。
[0025]④開模取出產(chǎn)品，自然冷卻，鋸切冒口、打磨飛邊；
⑤外觀質(zhì)量檢測:毛坯鑄件在進(jìn)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(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；
⑧時效強化:將完成固溶處理的鑄件送入時效爐進(jìn)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。
[0026]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(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。
[0027]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(xì)微區(qū)內(nèi)(0.1nm?1nm尺度范圍)的充分?jǐn)_動和激活效應(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；同時優(yōu)化微細(xì)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。
[0028]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。
[0029]按照路易斯酸堿理論，酸是任意可以接受電子的分子或離子，堿是可以給出電子的分子或離子，酸堿之間的化合以共價鍵相結(jié)合，并不發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。
[0030]所有金屬與非金屬之間生成的配合物，都可以看成“酸堿對”。按照路易斯酸堿理論，當(dāng)金屬與配體接近時，將發(fā)生能級分裂，形成金屬與配體間發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)而形成相對穩(wěn)定的配位化合物。
[0031]本發(fā)明前述金屬與配體結(jié)合而成的正負(fù)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(tuán)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”。
[0032]正離子體作為路易斯“酸堿對”，對合金晶粒細(xì)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。
[0033]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(xì)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(jìn)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(xì)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?jǐn)_動和激活效應(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(jìn)一步的優(yōu)化效果可達(dá)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(xì)化劑以及常規(guī)的氣體凈化技術(shù)所無法實現(xiàn)的。
[0034]在合金熔體中，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Al2QCu2Mn3中，根據(jù)電負(fù)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(dá)到I個/[μπι]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+ΘΗ)組合相和納米級質(zhì)點GP區(qū)、θ"、θ'系列強化相的機理。
[0035]鋁合金熔體整體作為一個高溫富電子體系，對于電負(fù)性高于它的金屬元素，是給電子體，而對于電負(fù)性低于它的活潑金屬元素，又是電子受體，可見鋁合金熔體也具有路易斯酸堿的一般共性，它本身與添加到它之中的元素，也會形成廣義的“路易斯酸堿對”，因此，可以把調(diào)整熔體化學(xué)活性的各種元素，統(tǒng)一視為鋁合金的“路易斯酸”或“路易斯堿”，當(dāng)使用本發(fā)明給出的主族類元素如硅S1、過渡族類元素如Fe、內(nèi)過渡類元素如Ce時，為了簡化描述，同時也為了突出對鋁合金熔體的優(yōu)化作用，把單個元素也簡稱為“路易斯酸堿對”。
[0036]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)合而成的正負(fù)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。
[0037]本發(fā)明基于對合金微觀結(jié)構(gòu)極高分辨率的襯度圖像和精微選區(qū)結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)了晶內(nèi)存在著次微米級的(Τ+ΘΗ)棒叉狀組合相的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。與Al-Cu各二元相比較，(Τ+ΘΗ)組合相有許多優(yōu)點，包括:質(zhì)點粒度大，抗位錯滑移面大;主干部分T是高硬高穩(wěn)定化合物聚合而成的棒狀孿晶，能夠以位錯繞過方式為合金提供強度支撐;其次生ΘΗ附著相在主干上斜向或垂直于T棒軸方向而向周圍基體生長同時又與基體共格，增強了主干對周圍晶格點陣的收緊能力，或者換句話說，T棒軸通過附著其上向周圍生長的ΘΗ次生相，把收緊作用向周圍的基體空間傳遞和擴(kuò)散，這種作用，在次微米區(qū)域內(nèi)對基體產(chǎn)生了類似建筑結(jié)構(gòu)中鋼筋網(wǎng)格在混凝土中的強化作用(可稱為“類砼強化結(jié)構(gòu)”)，使基體強度大大提高。這種作用，如果從單體比較，是基體中薄片狀A(yù)l-Cu亞穩(wěn)相(GP區(qū)、θ"、θ'或者其它盤片相)或者其組合都遠(yuǎn)不能相比的；但是，在常見的鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金中，由于各二元Al-Cu亞穩(wěn)相在基體內(nèi)部的分布密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于(Τ+ΘΗ)組合相的分布密度，致使(Τ+ΘΗ)組合相的作用被掩蓋而一直沒有被發(fā)現(xiàn)。
[0038](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(xiàn):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(kuò)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。
[0039]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。因此，主成分設(shè)計為按重量百分比:五氰合鎳負(fù)離子體[Ni (CN) 5 ]3—彡0.15%，錳Mn:彡2%，鎘Cd: 0.05%?0.5%，銅Cu0.5?3%且Cu彡1.5Mn ；路易斯酸堿對總量7.0%?9.0%，合金平均晶粒度<120微米，余量為鋁Al。加入五氰合鎳負(fù)離子體[Ni(CN)5]3'提高了連桿的強度和剛度。
[0040]由于(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+ΘH)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(dá)到3個/[μπι]2以上。
[0041]根據(jù)材料強化理論一一位錯對質(zhì)點的繞過和切過理論，材料的破壞過程首先是其中大顆粒質(zhì)點的集中受力，然后是次一級的較小顆粒質(zhì)點集中受力，然后是更小顆粒的質(zhì)點受力，以次類推；當(dāng)發(fā)生破壞時，綜合抗力最弱的質(zhì)點先破壞，綜合抗力最強的質(zhì)點最后破壞，只有當(dāng)所有的顆粒都抵抗不住時，材料才發(fā)生宏觀的破壞。
[0042]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。
[0043]根據(jù)路易斯酸堿理論，鋁熔體是一個富電子高溫體系，即屬于強的路易斯堿，當(dāng)過量的銅錳加入以后，由于銅錳的電負(fù)性較強，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。
[0044]對于要求達(dá)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:Li彡0.3%，Si7.5-9.0%，Mg0.3-0.45%，T1.1-0.2%, [Ag(NH3)2JCl 彡0.03%。
[0045]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?<1μπι)到微細(xì)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(dá)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】
[0046]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。
[0047]第一部分:提示和說明
一種替代QT500汽車連桿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和五氰合鎳負(fù)離子體[Ni(CN)5]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(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)擠壓鑄造:是指合金液注入澆注系統(tǒng)內(nèi)，在熔融狀態(tài)時加壓充型、凝固結(jié)晶。
[0048]所述擠壓鑄造，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，安裝上砂芯，用壓縮空氣將模具型腔吹干凈；
③采取自動澆注，從爐內(nèi)g取合金液倒入盛錠筒，將盛錠筒移動到模具澆口，熔融態(tài)時擠壓成型，保壓凝固結(jié)晶。
[0049 ]④開模取出產(chǎn)品，自然冷卻，鋸切冒口、打磨飛邊；
⑤外觀質(zhì)量檢測:毛坯鑄件在進(jìn)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(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；
⑧時效強化:將完成固溶處理的鑄件送入時效爐進(jìn)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。
[0050]第二部分:具體實施例實施例1
1、一種替代QT500的鋁合金汽車連桿材料組分重量百分比為:Cu: 2.5%，Mn: 0.13%，Cd:0.02%，異硫氰合鐵正離子體[Fe(NCS)]2+:0.05%，L1.1%，S1:7.8%，Mg:0.35%,T1:0.13%,[Ag(NH3)2JCl 0.01%，[Ni(CN)5]3—:0.08%;
2、生產(chǎn)流程:恪煉—精煉—靜置—饒注—擠壓成型—開模取件—固溶—時效；
3、熔體澆注溫度:>700°(:;
4、模具預(yù)熱溫度:>350°(:;
5、充型時間:<5s;
6、擠壓壓力為>12MPa，保壓時間:> 30s;
7、熱處理狀態(tài):T7-固溶加過時效；
8、制品微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo):金相組織為等軸晶，平均晶粒度70?ΙΟΟμπι，晶粒內(nèi)(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量2?3個/[μπι]2;
9、制品機械性能:抗力強度530Mpa，屈服強度470Mpa，斷后延伸率12%，布氏硬度160。[0051 ] 實施例2
1、一種替代QT500的鋁合金汽車連桿材料組分重量百分比為:Cu:2.7%，Mn: 0.18%,Cd:0.05%, L1.2%,Si:8.5%,Mg:0.42%,Ti:0.17%, [Ag(NH3)2JCl 0.02%, [Ni(CN)5J3^0.13%；
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80?ΙΙΟμπι，晶粒內(nèi)(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量I?2個/[μπι]2;
4、制品機械性能:抗力強度520Mpa，屈服強度450Mpa，斷后延伸率10%，布氏硬度155。
[0052] 實施例3
1、一種替代QT500的鋁合金汽車連桿材料組分重量百分比為:Cu:1.7%, Mn: 0.18%，Cd:
0.05%, [Ag(NH3)2JCl 0.03%, [Ni(CN)5]3-:0.06%；
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80?ΙΙΟμπι，晶粒內(nèi)(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量I?2個/[μπι]2;
4、制品機械性能:抗力強度510Mpa，屈服強度435Mpa，斷后延伸率10%，布氏硬度145。
【主權(quán)項】
1.一種替代QT500汽車連桿的鋁合金材料，其特征在于:主成分含量按重量百分比計:五氰合鎳負(fù)離子體[Ni (CN) 5 ]3—: 0.05%-0.15%,錳Mn:彡 2%，鎘Cd: 0.05%?0.5%，銅Cu0.5?3%且Cu彡1.5Mn;路易斯酸堿對總量7.0%?9.0%，合金平均晶粒度< 120微米，余量為鋁Al。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT500汽車連桿的鋁合金材料，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QT500汽車連桿的鋁合金材料，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I個/平方微米。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT500汽車連桿的鋁合金材料，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QT500汽車連桿的鋁合金材料，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QT500汽車連桿的鋁合金材料，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[Ag(NH3)2]Cl。7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的一種替代QT500汽車連桿的鋁合金材料，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:Li彡0.3%，Si7.5-9.0%，Mg0.3-0.45%,T1.1-0.2%,[Ag(NH3)2JCl 彡0.03。8.如權(quán)利要求7所述的一種替代QT500汽車連桿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和五氰合鎳負(fù)離子體[Ni(CN)5]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(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)擠壓鑄造:是指合金液注入澆注系統(tǒng)內(nèi)，在熔融狀態(tài)時加壓充型、凝固結(jié)晶。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種替代QT500汽車連桿的鋁合金材料的制備方法，其特征在于:所述擠壓鑄造，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，安裝上砂芯，用壓縮空氣將模具型腔吹干凈； ③采取自動澆注，從爐內(nèi)g取合金液倒入盛錠筒，將盛錠筒移動到模具澆口，熔融態(tài)時擠壓成型，保壓凝固結(jié)晶； ④開模取出產(chǎn)品，自然冷卻，鋸切冒口、打磨飛邊； ⑤外觀質(zhì)量檢測:毛坯鑄件在進(jìn)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(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； ⑧時效強化:將完成固溶處理的鑄件送入時效爐進(jìn)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】C22C1/02GK105936991SQ201610492978
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】車云, 門三泉, 張中可
【申請人】貴州華科鋁材料工程技術(shù)研究有限公司