一种Al-5%Cu基合金的高压差压铸造方法[发明专利]

[12]发明专利申请公布说明书

[21]申请号200910307618.1

[51]Int.CI.

B22D 17/00 (2006.01)C22C 21/12 (2006.01)

[43]公开日2010年2月24日[22]申请日2009.09.24[21]申请号200910307618.1

[71]申请人哈尔滨工业大学

地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街

92号[72]发明人王宏伟 李敏 邹鹑鸣 曹磊 魏尊杰

[11]公开号CN 101653825A

[74]专利代理机构哈尔滨市松花江专利商标事务所

代理人韩末洙

权利要求书 2 页 说明书 7 页 附图 3 页

[54]发明名称

一种Al－5%Cu基合金的高压差压铸造方法

[57]摘要

一种Al－5％Cu基合金的高压差压铸造方法，它涉及一种Al－5％Cu基合金的差压铸造方法。本发明解决了现有差压铸造方法得到的Al－5％Cu基合金的抗拉强度小、延伸率低及致密度低的问题。本发明的铸造方法是：一、调整差压铸造机形成高压差压铸造机；二、称取原料，并将其熔化得熔体；三、将熔体进行高压差压铸造得Al－5％Cu基合金。本发明的铸造方法将高压凝固技术与差压铸造技术相结合，得到的Al－5％Cu基合金的抗拉强度达到519.5MPa，延伸率达到16.97％，致密度高。本发明Al－5％Cu基合金可以更好地应用于航空、航天、核工业及兵器工业。

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权 利 要 求 书

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1.一种Al-5％Cu基合金的高压差压铸造方法，其特征在于Al-5％Cu基合金的高压差压铸造方法是通过以下步骤实现的：

一、调整差压铸造机：将差压铸造机的上工作罐和下工作罐的罐壁的厚度分别增加至12～16mm，将气路控制系统的低压气阀调整为高压气阀，调整锁紧环的锁紧力使差压铸造机的工作承受压力达到3.0MPa，形成高压差压铸造机，其中，差压铸造机中铸型和坩埚分别置于上工作罐和下工作罐中，上工作罐与下工作罐间利用互通阀密封隔绝；

二、Al-5％Cu基合金熔体的制备：a、按质量百分比称取如下原料：67.25％～83.35％的铝、10％的铝铜中间合金、2％～5％的铝锰中间合金、1.25％～5％的铝锆中间合金、1.25％～7.5％的铝钒中间合金、2％～5％的铝钛硼中间合金、0.15％～0.25％的镉，然后将原料进行表面清洗，再自然干燥；b、将a步骤中除铝钛硼中间合金和镉之外的其它原料混合装入高压差压铸造机的坩埚中，加热至完全熔化，溶体温度达到720℃时再加入镉，静置10min～20min，然后待熔体温度升至725℃～730℃时，再加入铝钛硼中间合金，保温10～20min，待熔体温度重新升至725℃～730℃时，向坩埚中喷吹氩气进行精炼处理20min～40min，其中，熔体温度始终控制在720℃～730℃；

三、高压差压铸造方法制备Al-5％Cu基合金：a、将步骤二得到的熔体的温度控制在720℃～740℃，并将铸型安放完成后锁紧工作罐，然后设定高压差压铸造的工艺参数：升液充型速度为60mm/s，增压速度为100mm/s；b、打开互通阀和高压气阀，使上、下工作罐中同步达到相同的工作压力2.2MPa，然后关闭互通阀和高压气阀；c、进行高压差压铸造升液、充型，即排出上工作罐内的气体，使升液压力达到0.1～0.12MPa，即充型压力达到0.1～0.12MPa，使下工作罐内坩埚中的溶体经升液管沿反重力方向充填至铸型中，充型结束后按照预设的增压速率增压，当上、下工作罐间的压力差达到0.07MPa时进行保压，保压时间为3～5min，铸件始终在2.2MPa高压环境下补缩凝固，补缩凝固结束后打开互通阀同时排气卸压，取出铸件，得Al-5％Cu基合金。

2.根据权利要求1所述的一种Al-5％Cu基合金的高压差压铸造方法，

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其特征在于步骤一中将差压铸造机的上工作罐和下工作罐的罐壁的厚度分别增加至14mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种Al-5％Cu基合金的高压差压铸造方法

，其特征在于步骤二的a步骤中铝的质量纯度为99.99％，铝铜中间合金含铜50％(重量)，铝

锰中间合金含锰10％(重量)，铝锆中间合金含锆4％(重量)，铝钒中间合金含钒4％(重量

)，铝钛硼中间合金含钛5％(重量)，含硼1％(重量)，镉的质量纯度为99.9999％。

4.根据权利要求3所述的一种Al-5％Cu基合金的高压差压铸造方法，

其特征在于步骤二的a步骤中采用质量浓度为10％的氢氧化钠溶液对原料进行清洗。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种Al-5％Cu基合金的高压差压铸造

方法，其特征在于步骤二的b步骤中所述的氩气的质量纯度为99.99％。

6.根据权利要求5所述的一种Al-5％Cu基合金的高压差压铸造方法，

其特征在于步骤二的b步骤中向坩埚中喷吹氩气进行精炼处理30min。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的一种Al-5％Cu基合金的高压差压铸

造方法，其特征在于步骤三的a步骤中将步骤二得到的合金熔体的温度控制在725℃～730℃

。

8.根据权利要求7所述的一种Al-5％Cu基合金的高压差压铸造方法，

其特征在于步骤三的a步骤中所述的铸型为石英砂铸型、碳化硅砂铸型或者冷铁铸型。

9.根据权利要求1、2、4、6或8所述的一种Al-5％Cu基合金的高压差

压铸造方法，其特征在于步骤三的c步骤中保压时间为4min。

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说 明 书

一种Al-5%Cu基合金的高压差压铸造方法

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技术领域

本发明涉及一种Al-5％Cu基合金的差压铸造方法。背景技术

Al-Cu系合金作为铝合金材料的一种，具有很高的室温及高温力学性能，尤其是强度和延伸率指标的搭配范围宽，性能潜力大，热处理强化明显而广泛使用于航空、航天、汽车、机械等行业中。Al-Cu系中Al-5％Cu基合金(ZL205A)是我国自行研制的高强度铸造铝合金，是目前世界工业生产中强度较高的铸造铝合金之一，因而其在航空、航天、核工业、兵器工业中逐渐展现了广泛的应用前景。

近年来，随着航空航天事业的发展，对大型、复杂、薄壁、精密、优质高强度铝合金铸件的需求日益提高，采用传统的差压铸造技术，由于铸造机的工作压力一般低于0.8MPa，对铸件致密度提高及缺陷改善有限，难以满足生产高力学性能、低缺陷率和高致密度铸件的要求。发明内容

本发明的目的是为了解决现有差压铸造方法得到的Al-5％Cu基合金的抗拉强度小、延伸率低及致密度低的问题，本发明提供了一种Al-5％Cu基合金的高压差压铸造方法。 本发明的一种Al-5％Cu基合金的高压差压铸造方法是通过以下步骤实现的： 一、调整差压铸造机：将差压铸造机的上工作罐和下工作罐的罐壁的厚度分别增加至12～16mm，将气路控制系统的低压气阀调整为高压气阀，调整锁紧环的锁紧力使差压铸造机的工作承受压力达到3.0MPa，形成高压差压铸造机，其中，差压铸造机中铸型和坩埚分别置于上工作罐和下工作罐中，上工作罐与下工作罐间利用互通阀密封隔绝；

二、Al-5％Cu基合金熔体的制备：a、按质量百分比称取如下原料：67.25％～83.35％的铝、10％的铝铜中间合金、2％～5％的铝锰中间合金、1.25％～5％的铝锆中间合金、1.25％～7.5％的铝钒中间合金、2％～5％的铝钛硼中间合金、0.15％～0.25％的镉，然后将原料进行表面清洗，再自然干燥；b、将a步骤中除铝钛硼中间合金和镉之外的其它原料混合装入高压差压铸造机的坩埚中，加热至完全熔化，溶体温度达到720℃时再加入镉，静置10min～20min，然后待熔体温度升至725℃～730℃时，再加入铝钛硼中间合金，保温10～20min，待熔体温度重新升至725℃～730℃时，向坩埚中喷吹氩气进行精炼处理20min～40min，其中，熔体温度

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始终控制在720℃～730℃；

三、高压差压铸造方法制备Al-5％Cu基合金：a、将步骤二得到的合金熔体的温度控制在720℃～740℃，并将铸型安放完成后锁紧工作罐，然后设定高压差压铸造的工艺参数：升液充型速度为60mm/s，增压速度为100mm/s；b、打开互通阀和高压气阀，使上、下工作罐中同步达到相同的工作压力2.2MPa，然后关闭互通阀和高压气阀；c、进行高压差压铸造升液、充型，即排出上工作罐内的气体，使升液压力达到0.1～0.12MPa，即充型压力达到0.1～0.12MPa，使下工作罐内坩埚中的溶体经升液管沿反重力方向充填至铸型中，充型结束后按照预设的增压速率增压，当上、下工作罐间的压力差达到0.07MPa时进行保压，保压时间为3～5min，铸件始终在2.2MPa高压环境下补缩凝固，补缩凝固结束后打开互通阀同时排气卸压，取出铸件，得Al-5％Cu基合金。

本发明将差压铸造机罐壁的厚度进行调整，使工作承受压力提高到3.0MPa，得到高压差压铸造机，熔体在2.2MPa的高压下充填铸型，使具有更好的充型能力。同时，熔体的补缩凝固过程始终是在高压下进行的，熔体液相在枝晶间的补缩流动驱动力更大，可以提高熔体的显微缩松补缩能力，显著消除铸件缩松、缩孔及微裂纹等内部缺陷，减小了Al-5％Cu基合金的偏析及微裂纹，提高了合金组织的致密度，及抗抗拉和延伸力学性能。

本发明将熔体在高压下充型凝固，压力使得熔体紧贴铸型壁，减少了熔体与铸型壁之间的热阻，使得铸件的凝固速率加快，使合金组织变得更加细小、致密，进一步提高了铸件的抗拉强度和延伸力学性能。

本发明通过金相显微镜对合金组织进行观察，可以看到晶粒间紧密结合，没有裂纹，Al-5％Cu基合金具有高的致密度。

本发明将高压凝固技术与差压铸造技术相结合，利用高压差压铸造方法得到抗拉强度达到519.5MPa，延伸率达到16.97％，致密度高的Al-5％Cu基合金。

本发明的高压差压铸造方法工艺简单，操作方便简易，制备周期短，得到的Al-5％Cu基合金可以更好地应用于航空、航天、核工业及兵器工业。附图说明

图1是具体实施方式十五得到Al-5％Cu基合金的金相显微镜合金组织形貌图；图2是具体实施方式十六得到的Al-5％Cu基合金的金相显微镜合金组织形貌图；图3是具体实施方式十七得到的Al-5％Cu基合金的金相显微镜合金组织形貌图。 具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组

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合。

具体实施方式一：本实施方式Al-5％Cu基合金的高压差压铸造方法是通过以下步骤实现的：

一、调整差压铸造机：将差压铸造机的上工作罐和下工作罐的罐壁的厚度分别增加至12～16mm，将气路控制系统的低压气阀调整为高压气阀，调整锁紧环的锁紧力使差压铸造机的工作承受压力达到3.0MPa，形成高压差压铸造机，其中，差压铸造机中铸型和坩埚分别置于上工作罐和下工作罐中，上工作罐与下工作罐之间利用互通阀密封隔绝；

二、Al-5％Cu基合金熔体的制备：a、按质量百分比称取如下原料：67.25％～83.35％的铝、10％的铝铜中间合金、2％～5％的铝锰中间合金、1.25％～5％的铝锆中间合金、1.25％～7.5％的铝钒中间合金、2％～5％的铝钛硼中间合金、0.15％～0.25％的镉，然后将原料进行表面清洗，再自然干燥；b、将a步骤中除铝钛硼中间合金和镉之外的其它原料混合装入高压差压铸造机的坩埚中，加热至完全熔化，溶体温度达到720℃时再加入镉，静置10min～20min，然后待熔体温度升至725℃～730℃时，再加入铝钛硼中间合金，保温10～20min，待熔体温度重新升至725℃～730℃时，向坩埚中喷吹氩气进行精炼处理20min～40min，其中，熔体温度始终控制在720℃～730℃；

三、高压差压铸造方法制备Al-5％Cu基合金：a、将步骤二得到的合金熔体的温度控制在720℃～740℃，并将铸型安放完成后锁紧工作罐，然后设定高压差压铸造的工艺参数：升液充型速度为60mm/s，增压速度为100mm/s；b、打开互通阀和高压气阀，使上、下工作罐中同步达到相同的工作压力2.2MPa，然后关闭互通阀和高压气阀；c、进行高压差压铸造升液、充型，即排出上工作罐内的气体，使升液压力达到0.1～0.12MPa，即充型压力达到0.1～0.12MPa，使下工作罐内坩埚中的溶体经升液管沿反重力方向充填至铸型中，充型结束后按照预设的增压速率增压，当上、下工作罐间的压力差达到0.07MPa时进行保压，保压时间为3～5min，铸件始终在2.2MPa高压环境下补缩凝固，补缩凝固结束后打开互通阀同时排气卸压，取出铸件，得Al-5％Cu基合金。

本实施方式将高压凝固技术与差压铸造技术相结合，利用高压差压铸造方法得到Al-5％Cu基合金，其抗拉强度达到519.5MPa，延伸率达到16.97％，低缺陷率和高致密度，均比现有差压铸造方法得到的Al-5％Cu基合金的抗拉强度和延伸率提高。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中将差压铸造机的上工作罐和下工作罐的罐壁的厚度分别增加至14mm。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二的a步骤中按质量

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百分比称取如下原料：70.25％～78％的铝、10％的铝铜中间合金、3％～4.5％的铝锰中间合金、2.5％～4.5％的铝锆中间合金、3.5％～7％的铝钒中间合金、2.5％～4％的铝钛硼中间合金、0.2％的镉。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是步骤二的a步骤中铝的质量纯度为99.99％，铝铜中间合金含铜50％(重量)，铝锰中间合金含锰10％(重量)，铝锆中间合金含锆4％(重量)，铝钒中间合金含钒4％(重量)，铝钛硼中间合金含钛5％(重量)，含硼1％(重量)，镉的质量纯度为99.9999％。其它步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。

本实施方式的铝是由众和股份有限公司生产的，铝锆中间合金和铝锰中间合金是由北京航空材料研究院研制的，铝钒中间合金是由东港市东方高新金属材料有限公司生产的，铝钛硼中间合金是由哈尔滨市东轻铝材经销有限公司提供，镉是由哈尔滨龙葳稀有金属有限公司提供的。

本实施方式的铝铜中间合金的制备方法为：将纯铝和纯铜按照质量比为1∶1的比例，置于760℃下的在电阻炉中熔炼制得。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是步骤二的a步骤中采用质量浓度为10％的氢氧化钠溶液对原料进行清洗。其它步骤及参数与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至同的是步骤二的b步骤中溶体温度达到720℃时再加入镉，静置15min。其它步骤及参数与具体实施方式一至五相同。 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是步骤二的b步骤中待熔体温度升至725℃时，再加入铝钛硼中间合金，保温15min。其它步骤及参数与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是步骤二的b步骤中采用旋转喷吹方式喷吹氩气。其它步骤及参数与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八不同的是步骤二的b步骤中所述的氩气的质量纯度为99.99％。其它步骤及参数与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九不同的是步骤二的b步骤中待熔体温度重新升至725℃时，向坩埚中喷吹氩气进行精炼处理。其它步骤及参数与具体实施方式一至九相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十不同的是步骤二的b步骤中向坩

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埚中喷吹氩气进行精炼处理30min。其它步骤及参数与具体实施方式一至十相同。 具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一不同的是步骤三的a步骤中将步骤二得到的合金熔体的温度控制在725℃～730℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至十二相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二不同的是步骤三的a步骤中所述的铸型为石英砂铸型、碳化硅(SiC)砂铸型或者加冷铁铸型。其它步骤及参数与具体实施方式一至十二相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三不同的是步骤三的b步骤中保压时间为4min。其它步骤及参数与具体实施方式一至十三相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中将差压铸造机的上工作罐和下工作罐的罐壁的厚度分别增加至14mm；步骤二的a步骤中按质量百分比称取如下原料：70.25％的铝、10％的铝铜中间合金、2％的铝锰中间合金、5％的铝锆中间合金、7.5％的铝钒中间合金、5％的铝钛硼中间合金、0.25％的镉，然后采用质量浓度为10％的氢氧化钠溶液对原料进行清洗；步骤二的b步骤中溶体温度达到720℃时再加入镉，静置15min，然后待熔体温度升至725℃时，再加入铝钛硼中间合金，保温15min，待熔体温度重新升至725℃时，向坩埚中喷吹氩气进行精炼处理30min；步骤三的a步骤中将步骤二得到的熔体的温度控制在725℃～730℃，并将石英砂铸型安放完成后锁紧工作罐，步骤三的c步骤中保压时间为4min。其它步骤与具体实施方式一相同。

本实施方式得到的Al-5％Cu基合金的50倍金相显微镜的合金组织形貌图，如图1所示。由图1可见，本实施方式的Al-5％Cu基合金的合金晶粒细小，合金组织致密。

本实施方式利用美国instron1186型的电子万能试验机将得到的Al-5％Cu基合金进行测试，得到Al-5％Cu基合金的抗拉伸强度为513.4MPa，延伸率为14.8％，相比现有的Al-5％Cu基合金的抗拉伸强度和延伸率有了很大的提高。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中将差压铸造机的上工作罐和下工作罐的罐壁的厚度分别增加至12mm；步骤二的a步骤中按质量百分比称取如下原料：74.8％的铝、10％的铝铜中间合金、4％的铝锰中间合金、3％的铝锆中间合金、5％的铝钒中间合金、3％的铝钛硼中间合金、0.2％的镉，然后采用质量浓度为10％的氢氧化钠溶液对原料进行清洗；步骤二的b步骤中溶体温度达到720℃时再加入镉，静置20min，然后待熔体温度升至725℃时，再加入铝钛硼中间合金，保温20min，待熔体温度重新升至725℃时，向坩埚中喷吹氩气进行精炼处理40min；步骤三的a步骤中将步骤二得到的熔体的温度控制在

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725℃～730℃，并将碳化硅砂铸型安放完成后锁紧工作罐，步骤三的c步骤中保压时间为5min。其它步骤与具体实施方式一相同。

本实施方式得到的Al-5％Cu基合金的50倍金相显微镜的合金组织形貌图，如图2所示。由图2可见，本实施方式的Al-5％Cu基合金的合金晶粒细小，合金组织致密。

本实施方式利用美国instron1186型的电子万能试验机将得到的Al-5％Cu基合金进行测试，得到Al-5％Cu基合金的抗拉伸强度为499.9MPa，延伸率为16.97％，相比现有的Al-5％Cu基合金的抗拉伸强度和延伸率有了很大的提高。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中将差压铸造机的上工作罐和下工作罐的罐壁的厚度分别增加至16mm；步骤二的a步骤中按质量百分比称取如下原料：83.35％的铝、10％的铝铜中间合金、2％的铝锰中间合金、1.25％的铝锆中间合金、1.25％的铝钒中间合金、2％的铝钛硼中间合金、0.15％的镉，然后采用质量浓度为10％的氢氧化钠溶液对原料进行清洗；步骤二的b步骤中溶体温度达到720℃时再加入镉，静置10min，然后待熔体温度升至725℃时，再加入铝钛硼中间合金，保温10min，待熔体温度重新升至725℃时，向坩埚中喷吹氩气进行精炼处理20min；步骤三的a步骤中将步骤二得到的熔体的温度控制在725℃～730℃，并将冷铁铸型安放完成后锁紧工作罐，步骤三的c步骤中保压时间为3min。其它步骤与具体实施方式一相同。

本实施方式得到的Al-5％Cu基合金的50倍金相显微镜的合金组织形貌图，如图3所示。由图3可见，本实施方式的Al-5％Cu基合金的合金晶粒细小，合金组织致密。

本实施方式利用美国instron1186型的电子万能试验机将得到的Al-5％Cu基合金进行测试，得到Al-5％Cu基合金的抗拉伸强度为519.5MPa，延伸率为14.98％，相比现有的Al-5％Cu基合金的抗拉伸强度和延伸率有了很大的提高。

具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中将差压铸造机的上工作罐和下工作罐的罐壁的厚度分别增加至16mm；步骤二的a步骤中按质量百分比称取如下原料：73.3％的铝、10％的铝铜中间合金、3％的铝锰中间合金、4％的铝锆中间合金、6.5％的铝钒中间合金、3％的铝钛硼中间合金、0.2％的镉，然后采用质量浓度为10％的氢氧化钠溶液对原料进行清洗；步骤二的b步骤中溶体温度达到720℃时再加入镉，静置10min，然后待熔体温度升至725℃时，再加入铝钛硼中间合金，保温10min，待熔体温度重新升至725℃时，向坩埚中喷吹氩气进行精炼处理20min；步骤三的a步骤中将步骤二得到的熔体的温度控制在725℃～730℃，并将石英砂铸型安放完成后锁紧工作罐，步骤三的c步骤中保压时间为4min。其它步骤与具体实施方式一相同。

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本实施方式利用美国instron1186型的电子万能试验机将得到的Al-5％Cu基合金进行测试，得到Al-5％Cu基合金的抗拉伸强度为515.9MPa，延伸率为15.67％，相比现有的Al-5％Cu基合金的抗拉伸强度和延伸率有了很大的提高。

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说 明 书 附 图

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图1

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图2

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图3

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