一種替代qt500的鋁合金起重臂材料及其砂型鑄造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種替代QT500的鋁合金起重臂材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比計：鋰Li:0.1％～0.4％，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％，余量為鋁Al。
【專利說明】
一種替代QT500的鋁合金起重臂材料及其砂型鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種替代QT500的鋁合金起重臂材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁在地殼中的資源量遠遠超過鐵(鋁為8.2wt%，鐵為5. lwt% )，而全球每年鋼鐵 產(chǎn)銷量12億噸以上，鋁金屬產(chǎn)銷量只有0.55億噸，這種巨大反差充分反映了人類社會對鋁 及鋁材料的資源開發(fā)和利用水平遠遠落后于對鋼鐵材料的開發(fā)利用水平。
[0003] 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，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。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。
[0004]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。
[0005] 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)組合框架下微細結(jié)構(gòu)(微米級顆粒:尺度1~30ym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1 〇nm~< 1 μπι)進行調(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。
[0006] 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)。
[0007] 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〇、新的盤片相和平衡相0(A12Cu);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Al2〇Cu2Mn3，分子物相特征是 直徑約100nm、長度約600~lOOOnm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AlxCu(x可能小于 2)，是一種富Cu分子。
[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] 兩種結(jié)果對材料強度貢獻的大小是顯而易見的:繞過質(zhì)點比切過質(zhì)點對材料強度 的貢獻大;切過質(zhì)點能夠提供材料較好的延伸率，而繞過質(zhì)點由于位錯環(huán)的增強作用，將提 供材料更高的屈服強度和抗拉強度。
[0012] 國內(nèi)大多數(shù)起重臂都是使用球鐵或者鑄鋼材料，性能穩(wěn)定、價格低廉;但由于自身 重量大，抗腐蝕性能差，在安裝及后期維護過程中，成本高;而常規(guī)鋁合金材料由于性能較 前者有較大的差距，起重能力很差且不穩(wěn)定，存在著一定的安全隱患。

【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QT500的鋁合金起重臂材料及其制備 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，從而達到生產(chǎn)替代QT500的鋁合金起重臂制品。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0015] 一種替代QT500的鋁合金起重臂材料，主成分含量按重量百分比計:鋰Li : 0.1 %~ 0.4%，猛Μη:彡2%，鎘Cd:0.05%~0.5%，銅Cu:4.2%~8.0%且Cu彡0·8Μη+4·05% ;路易 斯酸堿對總量1 % X 10-4~2.0%，余量為鋁Α1。
[0016] 所述的合金晶粒為等軸晶。
[0017] 所述的合金平均晶粒度< 120微米，合金晶粒內(nèi)亞納米(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量達到彡1 個/平方微米。
[0018] 所述路易斯酸堿對為金屬與配體結(jié)合而成的負離子體、金屬鹵合物、氫合物、過渡 類元素、內(nèi)過渡類元素中的一種，或者一種以上混合。
[0019] 所述的金屬與配體結(jié)合而成的負離子體:包括六硫氰合錳負離子體[Mn(SCN)6]4' 四羰合鈷負離子體C 〇(C0)f。
[0020] 所述的金屬鹵合物，包括三氯化金AuC13。
[0021] 所述路易斯酸堿對，按元素添加量占 A1基體重量百分比，范圍為:Pr<0.1%，B< 0.1% ,M〇B<0.08% ,AuC13<0.03% , [Mn(SCN)6]4_<0.04% , [CrCl6]3_<0.03 % . Sc< 0.1% ,Hf<0.1% ,Ti<0.2% ,YbH2<0.03%,H2Se<0.06% ,Co(C0)4~<0.03% .
[0022] 一種替代QT500的鋁合金起重臂材料的制備方法，包含以下步驟：
[0023] (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；
[0024] (2)往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱并在700°C以上保溫；
[0025] (3)加入猛Μη、鎘Cd、銅Cu，鋰Li攪拌，加入選定的路易斯酸堿對組合，攪拌均勻；
[0026] (4)然后對上述合金熔體進行爐內(nèi)精煉；
[0027] (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；
[0028] (6)鑄造:采用砂型鑄造
[0029] 所述砂型鑄造，步驟如下：
[0030]①過濾后可澆注鑄造；
[0031 ]②鑄造前應(yīng)將砂模預(yù)熱，安裝上砂芯，用壓縮空氣將型腔吹干凈；
[0032] ③采取人工澆注，用澆包從爐內(nèi)g取合金液倒入砂型模具澆口通過內(nèi)澆道充滿型 腔；自然冷卻及部分位置強冷；
[0033] ④敲碎砂模取出產(chǎn)品，自然冷卻，清理、鋸切冒口、打磨飛邊；
[0034]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；
[0035]⑥內(nèi)部質(zhì)量檢測；
[0036]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；
[0037]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；
[0038]⑨取樣分析測試驗證；
[0039]⑩實用性能驗證。
[0040]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1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。
[0041]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)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;增加(Τ+Θ H)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。
[0042]正離子體和負離子體作為路易斯"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。
[0043] 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(直徑大于〇.5mm)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(比如生成〇) 2、〇14、他、順3或!123)或進入熔渣（比如六120 3^1(!10)3或六14(：3)，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Η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50~100μπι。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。
[0044] 復(fù)雜配體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⑶2、014、他、腿或秘)或進 入熔渣（比如似(：1、1((：1^1(!10) 3^12〇3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50~100μπι，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。
[0045]四羰合鈷負離子體Co(C0)f與Α1基體Μη共存時，形成Al4(C〇FeMn)，復(fù)雜的強化相 彌散于枝晶間，阻礙位錯、阻止晶?；?，有效地提高了合金的室溫和高溫(400°C下）強度； 配體還可以發(fā)生次生反應(yīng)生成⑶ 2,經(jīng)過一系列變化后隨從凈化氣體排出熔體，這種凈化作 用能夠以最穩(wěn)定的氣態(tài)把溶解在熔體中的Η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。因此，主成分設(shè)計為按重量百分比：鋰Li :0.1~0.4%，錳 Μη:彡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% ΧΗΓ4~2.0%，余量為鋁A1。鋰Li作為復(fù)雜合金化的微量添加元素，在合金中形成 Al2Li3、AlLi5等彌散性高溫強化相，能提高合金的硬度和耐蝕性能；
[0046] 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，穩(wěn)定性得到良好控制，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。
[0047] 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)電負性大小，可知A1比Cu、Mn更容易失去電子，因此，A1是路易斯 堿，Cu、Mn是路易斯酸，AlxCu和Al 2QCu2Mn3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1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。
[0048] 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。
[0049] 由于(Τ+ΘΗ)組合相與各級Al-Cu二元彌散相Θ'、Θ〃、6ΡΙ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。
[0050] 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，因而促進了（Τ+ΘΗ)組合相的主干Τ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。
[0051] 本文涉及的鋁合金材料能很好的綜合鋁硅系與常規(guī)鋁銅系材料的力學(xué)與鑄造性 能;該鋁合金材料的力學(xué)性能達到Q500材料的指標(biāo)，鑄造性能突出，產(chǎn)品成品率高。
[0052]鋁合金材料起重臂較球鐵材料具有以下幾種優(yōu)點：
[0053]①鋁合金材料的起重臂具有極好的低溫性能，其力學(xué)性能隨溫度降低而提高，在 寒冷季節(jié)和低溫環(huán)境中，戶外工作的安全性得到很好的保障，而球鐵材料的起重臂則隨溫 度降低逐漸發(fā)生由韌性向脆性的轉(zhuǎn)變，尤其在脆性轉(zhuǎn)變溫度以下，其沖擊值急劇下降，甚至 發(fā)生"低溫脆斷"，影響起重的安全。
[0054]②鋁材料較球鐵材料自身重量減輕約2/3，能耗及維護成本低。
[0055] ③鋁材料回收利用價值高且再生性好(工業(yè)廢鋁回收再加工利用的成本只有電解 鋁的5%)，優(yōu)于球鐵。
[0056] ④鋁材料本身的抗氧化腐蝕性遠遠高于球鐵。
【具體實施方式】
[0057] 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。
[0058]第一部分:提示和說明
[0059] 一種替代QT500的鋁合金起重臂材料的制備方法，包含以下步驟：
[0060] (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；
[0061 ] (2)往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱并在700 °C以上保溫；
[0062] (3)加入猛Μη、鎘Cd、銅Cu，鋰Li攪拌，加入選定的路易斯酸堿對組合，攪拌均勻；
[0063] (4)然后對上述合金熔體進行爐內(nèi)精煉；
[0064] (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；
[0065] (6)鑄造:采用砂型鑄造
[0066] 所述砂型鑄造，步驟如下：
[0067] ①熔體過濾后可澆注鑄造，鑄造溫度控制可在690~710°C ;
[0068] ②鑄造前應(yīng)將砂模預(yù)熱到300°C左右，安裝上型芯合模，用壓縮空氣將模具型腔吹 干凈，防止夾雜物進入合金造成廢品；
[0069] ③采取人工澆注，用澆包從爐內(nèi)g取適量合金液從澆口處緩慢倒入，合金液經(jīng)過 澆道直至充滿型腔；自然冷卻；
[0070] ④開模取出產(chǎn)品，自然冷卻，清理砂芯、鋸切冒口、打磨飛邊；
[0071 ]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；
[0072]⑥內(nèi)部質(zhì)量檢測。剖面著色探傷檢測或者整體熒光或X光檢測；
[0073]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 下的固溶處理，保溫后立刻淬火，水冷；
[0074]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，時效強化工 藝150~230°C，保溫后，出爐自然冷卻;鑄件表面可進行拋丸清理。
[0075]⑨取樣分析測試驗證。從經(jīng)過熱處理以后的鑄件上切取試棒，取樣部位選在毛坯 本體有加工余量的適當(dāng)位置、鑄件本體受載荷均勻或集中的部位，每個取樣部位應(yīng)切取三 根試棒；
[0076]⑩實用性能驗證。通過機械加工、表面處理和裝配后，進行模擬使用工況的實用性 能檢測試驗，包括選擇疲勞試驗、磨損試驗、逆向超載試驗或超壓試驗。
[0077]第二部分:具體實施例 [0078] 實施例1
[0079] 一種替代QT500的鋁合金起重臂材料及其砂型鑄造方法 [0080] 1、制品參數(shù)：
[0082] 2、生產(chǎn)流程：制作型砂-烘干-合箱-熔煉-澆注-冷卻-開箱取件-清理、鋸 切-熱處理
[0083] 3、合金配方重量百分比（％ )
[0084]
[0085] 4、制型:加工余量多0.5臟，起模斜度：多1°，鑄造圓角彡R2
[0086] 5、砂型預(yù)熱溫度彡200°C(保溫彡3小時），空冷降至室溫后進行澆注。
[0087] 6、澆注溫度：彡670 Γ，充型時間：彡100s;
[0088] 7、冷卻時間：彡20min;
[0089] 8、熱處理:T5(固溶加不完全人工時效）；
[0090] 9、制品微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo):金相組織為等軸晶，平均晶粒度30~40μπι，晶粒內(nèi)（Τ+ΘΗ)組 合相數(shù)量1~2個/[μL?]2;
[0091] 10、機械性能
[0092]
[0093] 實施例2
[0094] -種鋁合金起重臂材料及其砂型鑄造的方法
[0095] 1、制品參數(shù)：
[0097] 2、生產(chǎn)流程:制作型砂-烘干-合箱-熔煉-澆注-冷卻-開箱取件-清理、
[0098]鋸切-固溶-時效
[0099] 3、合金配方重量百分比（％ )
[0100]
[0101] 4、制型：加工余量0.5~3mm，起模斜度：1~3°，鑄造圓角R2~R10;
[0102] 5、砂型預(yù)熱溫度250~320°C (保溫2~3小時），空冷降至室溫后進行澆注。
[0103] 6、澆注溫度：690~740°C，充型時間：2~5min;
[0104] 7、冷卻時間：30~60min;
[0105] 8、固溶溫度560~570°C，保溫8小時，快速入水冷卻<10s，水溫50~60°C ;
[0106] 9、人工時效溫度140-150°C，保溫5小時，空冷。
[0107] 10、鑄件微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo):金相組織為等軸晶，平均晶粒度35~42μπι，晶粒內(nèi)（Τ+ΘΗ) 組合相數(shù)量1~2個/[μπι]2;
[0108] 11、鑄件機械性能
[0109]
[0110] 實施例3
[0111] 一種替代QT500的鋁合金起重臂材料及其砂型鑄造方法
[0112] 1、制品參數(shù)：
[0114] 2、生產(chǎn)流程：制作型砂-烘干-合箱-熔煉-澆注-冷卻-開箱取件-清理、鋸 切-熱處理
[0115] 3、合金配方重量百分比（％ )
[0117] 4、制型：加工余量多0.5臟，起模斜度：多1°，鑄造圓角彡R2
[0118] 5、砂型預(yù)熱溫度彡200°C(保溫彡3小時），空冷降至室溫后進行澆注。
[0119] 6、澆注溫度：多670°C，充型時間：< 100s;
[0120] 7、冷卻時間：彡20min;
[0121] 8、熱處理:T5(固溶加不完全人工時效）；
[0122] 9、制品微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo):金相組織為等軸晶，平均晶粒度30~40μπι，晶粒內(nèi)（Τ+ΘΗ)組 合相數(shù)量1~2個/[μπι]2;
[0123] 10、機械性能
【主權(quán)項】
1. 一種替代QT500的鋁合金起重臂材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比計：鋰 Li:0.1%~0.4%，錳Μη:彡2%，鎘Cd:0.05%~0.5%，銅Cu:4.2%~8.0%且Cu彡0·8Μη+ 4.05% ;路易斯酸堿對總量1% Χ10_4~2.0%，余量為鋁Α1。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT500的鋁合金起重臂材料，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的鋁合金起重臂材料，其特征在于:合金平均 晶粒度< 120微米，合金晶粒內(nèi)亞納米(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量達到多1個/平方微米。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT500的鋁合金起重臂材料，其特征在于:所述路易 斯酸堿對為金屬與配體結(jié)合而成的負離子體、金屬鹵合物、氫合物、過渡類元素、內(nèi)過渡類 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的鋁合金起重臂材料，其特征在于:所述的金 屬與配體結(jié)合而成的負離子體:包括六硫氰合錳負離子體[Mn(SCN) 6]4'四羰合鈷負離子體 Co(C0)4-〇6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種替代QT500的鋁合金起重臂材料，其特征在于:所述的金 屬鹵合物，包括三氯化金AuCl 3。7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的一種替代QT500的鋁合金起重臂材料，其特征在于:所 述路易斯酸堿對，按元素添加量占 A1基體重量百分比，范圍為:Pr<0.1%，B<0.1%，M〇B< 0.08% ,AuC13<0.03% , [Mn(SCN)6]4_<0.04% , [CrCl6]3_<0.03 % . Sc <0.1 % ,Hf < 0.1%，Ti<0.2%，YbH2<0.03%，H2Se<0.06%，C〇(CO)4-<0.03%。8. 如權(quán)利要求7所述的一種替代QT500的鋁合金起重臂材料的制備方法，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700 °C以上保溫； (3) 加入猛Mn、鎘Cd、銅Cu，鋰Li攪拌，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) 鑄造:采用砂型鑄造。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種替代QT500的鋁合金起重臂材料的制備方法，其特征在 于:所述砂型鑄造，步驟如下： ① 過濾后可澆注鑄造； ② 鑄造前應(yīng)將砂模預(yù)熱，安裝上砂芯，用壓縮空氣將型腔吹干凈； ③ 采取人工澆注，用澆包從爐內(nèi)g取合金液倒入砂型模具澆口通過內(nèi)澆道充滿型腔； 自然冷卻及部分位置強冷； ④ 敲碎砂模取出產(chǎn)品，自然冷卻，清理、鋸切冒口、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； 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】C22C1/06GK105970050SQ201610494664
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】陳凱, 黃亮, 李祥, 胥光酉, 余晟
【申請人】貴州華科鋁材料工程技術(shù)研究有限公司