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一种新的高硅变形铝合金

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全国第十四届轻合金加工学术交流会论文集

一种新的高硅变形铝合金
张培良,苏振佳,杨军祖,祝伟忠,赵志升,吴英杰
(山东丛林集团铝业公司,山东龙口265705) 摘要:研制了一种新高硅变型铝合金,该合金具有良好的耐热性、耐磨性和气密性,适合于制造形态 复杂、高载荷、气密性好的机械零部件。现已大量用于生产泵体材,并已申报了国家专利和国家变 形铝合金牌号。 关键词:高硅变形铝合;成分;杂质;合金性能;泵体材

2005年某油泵厂来我公司求援,他们现用的7005铝合金挤压泵体材制作的特种高压油泵 壳体存在着热变形大,耐高温、耐磨性和气密性差等问题,降低了油泵的性能和使用寿命,进而 影响了产品的销路,希望我公司能帮助研制一种高性能的铝合金代替7005铝合金挤压泵体材 制作泵壳,以提高油泵的性能和使用寿命,重新占据市场。对此问题丛林铝业公司领导和技术 人员根据用户反映的情况进行了认真的分析研究,7005铝合金挤压泵体材是常用的泵壳材料。 如果它还不能满足用户所生产油泵的需要,那么所选择合金的高温性、热变形性、耐磨性和气 密性等就必须比7005铝合金的好,同时还要考虑该合金的铸造和挤压性能相对也要好一些, 以便于我公司生产。我们首先考虑用制造内燃机机车活塞的4032铝合金挤压泵体材,因该合 金的耐磨性、耐高温、气密性、加工等性能都比较好,但由于该合金中W(Ni)=0.8%。1.O%, 且在熔炼时Ni要以中间合金形式加入,m.Ni中间合金价格昂贵,仅此一项每吨挤压泵材的成
本就会增加2 000元~3 000元,用户表示不能承受。我们分析4032铝合金之所以具有上述一

系列优点,是由于它是以si为主要成分的合金,那么我们可不可以研制一种含Si量高的铝合 金挤压泵体材呢?而这方面国内外资料尚无相关报道。经反复调整合金成分及配比,并通过 18次试验,最后综合分析比较,选择了性能相对较好的合金配方进行试生产,暂定牌号为CL- 4A12。此后经过一年多的进一步研究、试生产和用户试用,并对使用该合金制作的泵壳考察, 证明了其热变形性、耐热性、耐磨性、耐压性和气密性均好于7005铝合金的。所制造的油泵性
能得以提高,深受用户欢迎。该用户从此也成为丛林公司的长期客户。而且又为丛林公司发

展了一批新用户,年订货量达到760 t以上。从2005年至今已生产CL-4A12铝合金挤压泵体材 2 000 t,CL-4A12铝合金挤压泵体材的研究成功不仅解决了用户急需,开拓出新市场,而且也显
现了丛林铝业的技术水*。

CL-4A12铝合金属于丛林铝业的研制发明,它属于m.Si系可热处理强化铝合金。由于含 Si量高,熔点相对较低,熔体的流动性好,容易补缩,因而铸造性能好。又因为该合金的耐磨 性、耐压性、高温性能和气密性好,铸态或热处理后力学性能在m.Si系合金中也是较好的,所 以适用于热加工方法制造形状复杂、承受高载荷、气密性要求高的零部件。


CL.4A12铝合金中的主要合金元素及杂质的作用

Si是该合金的主要合金元素,W(Si)=8%一10%,Si在合金中主要以Q+Si共晶体和8 (A15FeSi)的形式存在。由于Si的含量较高,使合金熔体有很好的流动性和铸造性能。Si的含 量高也使合金的强度和耐磨性随之增高。

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cu在合金中含量彬(Cu)=1.3%。1。8%,可以在合金中形成CuAl2相,提高合金的堡搴。.
Mg在合金中的含量硼(Mg):O.4%,O.6%,可以在合金中形成MgzSi相,亦可以提高合金

n相的誓莶嚣黧 警M篁相絮改零淼㈦日雌啪蒯n人,效Ti 的袈搿桃影凝相曼酬改冷黧却?黧麓堡霁嚣薹慧燃徽誓’挈'妻焉嘉篇蟹姜黜笑景篙赫流f淼it溢谍F …w(Fe)…<0.4%改。蛮N8嚣磊蓑嚣;嬲虢各蔷盛竺茹3篡器):
,它际赳固j谷俸强化作用少r,您眩以义节。形、囝 )=.%一. n在合金中的含量 的强烹M在合会中的含量w(Mn)=0.1%。0.35%,它除起固溶体强化作用外,还能改变针状富
0 在合金中的含量 w(Ti )=. ~0. 15%35%Ti


能1更晶粒驯化。则以m。1卜b 7沙A月u/b狱

,芏砒八 果更凳曹该合会中的有害杂质,在合金中可以生成p-si相(AlI,,FezSiz)FezSiz,N…N…耽馒…Y一-N一,呈粗大 n旱该合会中的有害杂质,在合金中可以生成p—Si相(,


(e)=0.67~O.8为好。此外在半连续铸造时,由于冷却强度大,p’S1和也芸睫乏剐’儿’圳¨1H 应也会减S

理时龛燃嚣嚣黧嚣麓裟端玎T人O而带来的,在铝液中会生成c斌它能


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n处热品制在脯共点熔低成形 在该合金中也是有害杂质,它们与合金中的
Pb


鬻霎繇嚣抵它们与合金中的
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降低合金的流动性,使铸锭产生疏松。这种化合物馒|T『】脆,舍金甲明彬L№,世任巾。1士仉叩加M

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Ⅳ(Cu)/%

在合金中同时加入Si,Cu、Mg时可以形成a(m)、Si、Mgz

Si、CuAl2、w、从cu4‰瓯?

AlsFeM93Si。、TiAl3和A1FeMnSi等相。从图1可见,在结晶过程中,首先从液体结晶出a(m’:苎
后有L-.a(AI)+Si二元共晶反应,再后合金中有L+a(A|)+si+w(舢。c№M&si4)三元晶,或者
在52l℃发生L+M&Si+a(趾)+Si+w的包晶反应,最后在505cc有L+a(AD+Si+CuAl2+w

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四元共晶反应直至结晶完毕。w(Cu)=O.8%的合金,*衡结晶后的组织由d(A1)+Si+cu鸽
+w(w相只有合金在缓慢结晶时才会形成)四相组成,不*衡结晶后的组织由a(A1)+si+

M洲:+Cum2四相组成。此合金在淬火加热时C删:、Mg:Si完全溶解于a(灿)中,w相可部分

溶人,所以,热强性以C啦为最好,w相热处理强化效果最好,Mg:Si次之。为得到好的强化
效果,对于合金中的Mg和Cu的含量要适当控制,因为Cu和Mg总量低时,强化效果不明显。 但总量高时合金变脆,塑性下降,最佳控制总量一般不超过2%,且W(Cu):W(Mg)一2:5为好。


CL-4A12铝合金的生产工艺

2.1熔炼工艺 用火焰炉熔炼,熔炼温度为7500C一7700C。 2.2精炼工艺

在温度740。C以上,用氩气喷人普通精炼剂,精炼熔体10 min,精炼剂用量为0.15%(质量 分数),精炼后扒除浮渣。
2.3熔体的变质处理工艺

由于通过变质处理可以使片状的共晶硅变为纤维状共晶硅,从而大幅地提高合金的力学
性能,对该合金用Na进行变质处理。

熔体精炼完扒净表面浮渣后,在740。C以上条件下,均匀地撒入钠变质剂,使用量为0.8% (质量分数),然后将其搅拌入熔体中,静置15 min;熔体表面要用普通覆盖剂进行保护,用量为 0.2%(质量分数)。熔体不能停留时间过长,否则会引起变质失效或效果衰减。
2.4铸造工艺

采用半连续直接水冷铸造,因为该铸造方法的冷却强度大,有利于铸造组织的细化。冷却
速度的提高也可以减轻铸锭的疏松程度,增加其致密度。 铸锭规格拳460 mm,铸造温度740℃。750。C,铸造速度30
0.03 MPa。0.06 mm/min一36

mm/min,冷却水水压

MPa,对熔体使用30ppi陶瓷板过滤,为防止铸锭底部裂纹,铸造开头时用纯铝 铺底。 对CL-4A12熔体用灿.Ti.B进行组织细化,减少铸锭的针孔状疏松,提高合金的力学性能, 减少热裂纹的倾向。A1.Ti.B丝的添加量为60
2.5铸锭的组织均匀化
mm/min。

为了减少和消除铸锭的晶内偏析,改善其化学成分和组织上的不均匀性,提高其加工性 能,对铸锭要进行均匀化。其工艺制度为:铸锭加热温度485℃~495%,保温时间12 h,出炉后 自然冷却。
2.6挤压工艺及热处理制度 挤压时用大吨位的80 MN吨油压机挤压,铸锭加热温度360。C。420':U,挤压筒温度320。C .340℃,挤压速度1
m/min。2 m/min。

由于合金中存在着多元共晶不*衡组织,经固溶热处理后C啦,Mg:si相可以完全溶入a
(m)中,w相可以部分溶入。用25 m立式淬火炉淬火,加热温度530±5℃,保温120 min后以 最快速度浸入水中。淬火后的制品用20 MN拉伸机上拉伸,拉伸变形量1%~3%矫直,随后 进行人工时效。 时效工艺为温度170±5℃,保温8 h。

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.149

3铸锭及挤压制品的检验
CI.-4A12合金铸锭实际化学成分检验结果见表2,铸锭低倍组织见图2。挤压泵体材低倍 组织见图3。由于挤压时铸锭受三向挤压力,使初晶硅及不溶解的化合物变形后严*扑槲 极小的二次晶均匀分布在基体上,低倍照片上因晶粒太细小(晶粒度为0.005 2岫符)。故显示 不够清晰。
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2578 s; 9 06 9 28 9 Fe 0 24 0 24 0 24 0 24 0 21 0 20

Cb4A12台金铺锭实际化学成分检验结果{质量分散】
Mn 0 22

% Sn 0.0l 0 Ca 02


0 47 0 49 0 53 0 56 0 50 0 57


1 50 1 55 1 51

Cr 0 01 0 01 0 07 0 0 0


17 13 14 0

*Pb 19 0 Ol 0 0l

2579
2580 3306 3307

0 24
0 24 0 25 0 23 0 24

0 20 0 19

0们0 03
0 Ol 001 0 01 O 011 0 03 0 0

结论 台格 合格

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0 0ll
0 01 0 01 O 0l

912 8 99 9 48

1 65 】47 1 67

0 06
0 01

016

0 20 0 20 0 20

0 13
0 07

合格 03合格 03 台格 合格

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Cb4A12台盒挤Ⅱi体材m倍m*



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目4

rL4A12台盒铸锭高倍组目

(2)挤压泵体材高倍组织检验见图5。挤压泵体材的纵向、横向各取试样.经高倍检验可 见a(A1)基体发亮,横向试样有方向性不强的二次晶杂乱排列,但分布均匀细小。纵向试样二 次晶亦均匀、细小,有沿挤压方向成行排列的趋势。

150.

全国第十四届轻台金加工学术交流会论文纂

明5挤压幕体材膏倍蛆扳

CLMAl2铝台金与7005铝合金的性能对比见表3。
襄3 合金 CLMAl2铸锭 CL一4A12挤压泵体材 CL-4A12铝合盒与7005铝台金的力学性能对比

R。,(N?一。)
180
335 331

R“,(N-M“)
120 305 290

A/% 3 8 10

7∞5台金挤压泵体材

1堕!量量壁壁 4分析

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半连续直接水冷铸造时,铸锭的凝固速度一般为舯p“s~120肿√s,此时c取任何值,均 在图6中C区范围内,这时共晶硅均呈相互连接无规则的片状,即常见凝固条件下的共晶形 貌。但加人微量的钠变质后,共晶硅将从片状转变为大量分枝的纤维状。而金属模铸造生产 的铸件凝固速度一般为小于5"m/s,温度梯度G均较小,在O.5 K/mm一1 K/ram,一般此时处在 B区.共晶硅呈小晶面粗棒状,具有<100>择优长大方向。因而半连续直接水冷铸造钠变质 的铸锭的组织和性能比金属模铸造的要好,这种结果也势必会遗传给挤压泵体材。使其性能 有较大幅度的提高。如表3所示。

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从图7可知,m.Si合金当w(Si)=8%.10%时,部件的泄漏壁厚度最小,仅为l rain左右。 反过来也可以印证在此Si含量范围时合金的气密性最好。这就是CL一4A12合金气密性好的 原因。此外,在20℃情况下CL-4A12合金的体膨胀系数为56×10。6矗/甜?K,而7005为67× lO“m3/m3?K,这也是装配后的油泵CL-4A12合金泵体比7005合金泵体气密性好的原因所在。

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图7合金气密性与Si含量的关系

因为挤压时铸锭在挤压变形区中处于强烈的三向应力状态,可以充分的发挥其塑性,获得

大的变形量,从而改善了合金材料的组织,提高了其力学性能。特别是淬火后的纵向力学性能 将远远高过于其他加工方法生产的同类制品。所以CL-4A12合金挤压的泵体材Rm、尺曲孙A 分别比铸态的高70
耐压30

N/舢2以上的需求。

N/耐、85 N/一、5%,比7005铝合金挤压泵体材的也高。完全可以满足

铸锭经三向应力挤压,使初晶硅及不溶解的化合物变形后破碎为二次晶均匀地分布在基 体上;合金组织成为变形组织。其力学性能也就必然比铸态的高。 通过细化处理,使铸锭组织为细晶,初生相质点也相应细小了。挤压成形的结果会使其更 细小、均匀的分布,合金组织的细化提高了合金的性能。
5结



(1)CL--4A12合金的优良性能,将为需要耐高温性、耐磨性和密封性好的铝合金机械零部 件提供了新的材料选择。 (2)CL4A12是丛林铝业公司自主研发的新合金,已向国家申请专利。并向国家轻金属标 委会申请了牌号注册。这充分显示了丛林铝业的创新能力和技术水*。
参考文献:

[1] [2] [3]

陆文华,高隆盛,董良余,等.铸造合金及其熔炼[M].北京:机械工艺出版社,1996. 张士其,任颂赞.简明铝合金手册[M].上海:上海科技文献出版社,2001. 王祝堂,田荣璋.铝合金及其加工手册.长沙:中南工业大学出版社,1988.
北京:中国知识出版社.

[4]赵志远.铝和铝舍金牌号与金相图谱速用、速查及金相检验技术创新应用指导手册[M]. [5] 陆树荪.有色铸造合金及熔炼[.M].北京:国防出版社,1983.

一种新的高硅变形铝合金
作者: 作者单位: 张培良, 苏振佳, 杨军祖, 祝伟忠, 赵志升, 吴英杰 山东丛林集团铝业公司,山东 龙口 265705

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