一种碳粉改性铸造铝合金及其制备方法

摘要

本发明公开了一种碳粉改性铸造铝合金及其制备方法，该碳粉改性铸造铝合金的组分按重量百分比为：铜4.0～6.5％、锰0.08～0.6％、硅2.8～4.0%、碳粉0.1～15％，余量为铝及不可避免的杂质。本发明通过在铝合金中添加普通碳粉进行改性，得到了一种新型的高性能铝合金材料，具有优良的机械性能，其韧性和延伸率比传统铝合金大大提升，具有广阔的市场发展前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料及其制备方法，特别是一种碳粉改性铸造铝合金及其制备方法。

背景技术

随着汽车和航空航天等领域的快速发展，铝合金铸件 （尤其是大型、复杂的铸件）对产品质量的要求也越来越高。为了提升铝合金的机械性能，可以根据产品对材料性能需求在铝合金铸造过程中添加材料和元素形成新型合金材料，也可采用不同类型的制备方法如真空压铸、超声处理等工艺，获得高性能铝合金材料。目前，有很多学者研究含碳的物质对铝合金的增强研究，但基本上集中在碳化物纤维或颗粒增强复合材料，普通碳粉对铝合金的增强研究未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种碳粉改性铸造铝合金材料及该铸造铝合金的制备方法，从而探索普通碳粉在铸造铝合金中的作用机理，扩大普通碳粉在铸造铝合金领域的应用。

    为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种碳粉改性铸造铝合金，其组分按重量百分比为：铜4.0～6.5％、锰0.08～0.6％、硅2.8～4.0%、碳粉0.1～15％，余量为铝及不可避免的杂质。

    上述的碳粉改性铸造铝合金，优选的，其组分按重量百分比为：铜5.0～6.0％、锰0.3～0.4％、硅3.1～3.8%、碳粉2.0～2.2％，余量为铝及不可避免的杂质。

    一种碳粉改性铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）在烘箱中对普通碳粉进行脱水处理，温度控制在100～300℃之间，时间控制在2～4小时，然后使用200目的筛网进行筛分处理，获得干燥、颗粒均匀的碳粉；

（2）将铝锭进行熔炼，熔炼温度控制在700～800℃，熔炼的同时加入中间合金或金属；然后将熔融铝液降温至580～630℃之间，在隔绝空气的氛围中将碳粉加入铝合金熔体中，搅拌15～20分钟，然后升温到780～800℃之间对铝合金进行除渣、除气并静置，然后采用经过预热处理的浇铸模具浇铸成型，获得铝合金铸件；

（3）将铝合金铸件在温度500～540℃范围内进行固溶处理，时间控制在8～18小时，在出炉时采用温度为40～60℃的冷水进行激冷，转移时间不超过3分钟；之后在130～180℃范围内进行人工时效处理4～8小时。

上述的碳粉改性新型铸造铝合金制备方法，优选的，步骤（2）中所述隔绝空气的氛围是指填充氮气或抽真空处理。

前述的碳粉改性新型铸造铝合金制备方法，优选的，步骤（2）中浇铸模具需进行预热处理至300℃左右。

前述的碳粉改性新型铸造铝合金制备方法，优选的，步骤（2）中的浇铸成型可以采用砂型铸造、金属型铸造或其他铸造方式。

碳粉在制备铸造铝合金中的应用。

与现有技术相比，本发明通过在铝合金中添加普通碳粉改性，得到了一种新型的高性能铝合金材料-碳粉改性铸造铝合金，其具有优良的机械性能，韧性和延伸率比传统铝合金大大提升，延伸率可提升接近3倍，用途广泛，具有广阔的市场发展前景。

为验证本发明的性能，申请人进行了实验，其过程及结果如下：

1.实验过程

1.1碳粉处理

①在烘箱中对普通碳粉进行脱水处理，处理温度在100～300℃之间，干燥约2～4小时；②采用200目的筛网进行筛分。

    1.2铝合金配制与熔炼

①配方：按照重量百分比，选用铜（Cu）4.0～6.5％、锰（Mn）0.08～0.6％、硅（Si） 2.8～4.0%、碳粉（C）0.1～15％，余量为铝（Al）及杂质，按照比例配制合金并浇铸试棒。

②制备过程：将铝锭（双零铝）放入石墨坩埚进行熔炼，熔炼温度控制在700～800℃，熔炼的同时加入中间合金或金属。由于碳粉与铝合金液体之间的沁润角很小，投入铝合金液体中的碳粉将漂浮在熔融铝液中，为了使得碳粉进入熔融铝液体系内，将熔融铝液降温至580～630℃之间；在该温度下铝液将处于半凝固状态，通过电动搅拌系统对该状态的铝合金搅拌约二十分钟后碳粉将被搅拌并分散到半固态的铝液体系内；之后升温到780～800℃之间对铝合金进行除渣、除气并静置，为浇铸做准备。按GB/T228～2002制作拉伸试棒，试棒用金属型重力浇注成形，浇铸模具需进行预热至300℃左右。

1.3热处理

铸件获得后需要对其进行固溶和时效处理。其处理工艺为：在500～540℃范围内进行固溶处理，时间在8～18小时，在出炉时采用冷水（40～60℃）进行激冷（转移时间不超过3分钟）；之后在130～180℃范围内进行时效处理4～8小时。

   1.4性能测试

处理过的试棒经过砂纸磨平后用抛光机（PG～1）抛光。采用HF酸水溶液对试棒进行腐蚀后采用电子金相显微镜（4XC～TV）对试棒金相组织进行观察。采用Quanta 400 FEG型场发射环境扫描电子显微镜（FEI）对腐蚀后的表面形貌进行观测，并采用能量色散X射线微区分析（EDAX）对局部质点进行成分分析。Thermo Scientific公司的电子能谱分析仪（XPS～ESCALAB 250Xi）对表面元素进行扫描，并对碳的结合能带进行分析以确定其在合金中的形态。使用X射线衍射仪（XRD～X'pert Pro）分析合金的相组成。对热处理完毕的材料采用电子式万能材料试验机（CBW～10T）开展力学性能测试，通过电子引伸计（北京钢铁研究所）测量试件延伸率。采用KYKY～2800B型扫描电子显微镜（中科院）观察拉断试棒断裂貌。

2.结果

2.1微观组织形貌

2.1.1金相组织

图1、图2分别是未添加碳粉和添加碳粉铝合金的金相组织图，可以看出两者的组织形态有较大的差异。图1的金相组织较大，呈枝状分布，有大块条带，部分晶界不完整，增强物沿着晶界分布。图2的金相显示，其晶粒细小，以圆形或椭圆形的为主，其在基体上大部分均匀分布，部分呈现一定的线状分布。从其腐蚀后的表面上还有局部的黑色物质团聚，部分团聚物较大，且在团聚物周围比较集中的分布着圆形的晶粒。

2.1.2表面形貌及元素分布

对表面腐蚀后的合金进行扫描电镜分析、电子能谱分析以及X射线衍射分析。图3是未添加碳粉的形貌，可以从图上看出合金组织较为粗大，且局部存在大块条带状组织。对图3中C点的能谱成份分析（EDAX）显示主要元素为铜、硅和铝，如图4所示。这些元素所构成的化合物能够对合金起到强化作用。图5是添加碳粉后组织形貌图。从图上可以看出添加碳粉的合金组织如其金相显示一样较均匀细腻，且其析出物以圆形或椭圆形物质为主。对图5中的D点和E点分析分别含有7.82%（Wt%）和9.84%（Wt%）的含碳量，如图6，图7所示，其他的主要元素有硅、锰以及少量的铜。

 通过XPS对合金表面进行扫描。从其结合能来看合金其主要元素有Cu、O、C、Si、Al。对碳的能带分析显示碳含有四个能带峰，主要是碳～金属、碳～碳及碳～氧之间的结合能峰值。这说明合金中存在碳与金属的化合物和碳单质。为了显示合金中碳的具体形态，对表面进行XRD测试，如图8所示。XRD结果显示合金中含有Al、Si以及SiC，这说明在合金中形成了碳化硅。

2.2力学性能分析

表1显示了碳粉添加与否的拉伸强度及延伸率。从表上可以看出，添加碳粉后的强度未见明显下降，但是其延伸率获得很大的提升。图9是材料拉伸的应力～应变曲线。相对于普通材料，含碳铝合金的弹性阶段会结束较早而塑性阶段提前出现，材料屈服点下降（约100MPa）。随着塑性变形加剧，出现了与普通材料不一样的现象：应变2%之后,在应力没有明显增加的情况下应变突然增加，随后出现短暂类似于弹性的应力～应变突变；在这个突变之后材料又恢复了塑性变形，之后在一定的应变后出现类似的弹性突变；这样反复持续，直至材料被完全拉断；从图9上可以看出突变周期在塑性开始阶段较短（0.5%应变量），随着塑性变形加深，其发生弹性突变的周期也在逐步延长（后期达到1.2%应变量），在塑性变形后期甚至出现了内部应力的突然下降（类似于材料的断裂，如图9中 F点），之后又继续发生持续的塑性应变，直至完全断裂。从图10拉伸位移可以看到含碳材料位移出现了若干个位移不变的平台，随着拉伸的不断增加，其平台也相应的变长。

表1  碳添加对材料力学性能影响

注：A～不含碳铝合金；B含碳铝合金

2.3断口形貌

图11、图12分别是未加碳粉与添加碳粉的拉断试棒的断口形貌，从图上可以看出，含有碳粉的断口组织精细均匀，有大量的穿晶韧窝的存在，表现出明显的韧性断裂。反之，未加碳粉的材料其存在较多的丘壑纹路，且其韧窝尺寸更为粗大。对添加碳粉的区域A放大后得到图13。从图13中心区域可以看到拉伸断裂区域中心存在一个大型孔洞，在孔洞周围沿着拉伸断裂方向有光滑纹路（区域B），在光滑纹路中还含有一定微型的小孔洞。

3.讨论

（1）从XPS以及XRD测试表面来看，碳已经被添加进铝合金系统中。在测试结果中还含有Ｏ，这可能是由于在铸造过程或者样品在空气中被氧化所致。XPS检测出了碳的不同结合能带峰值。对照能带，其中C1s Scan A和B分别对应的是C～金属和C～C的能带，而C1s Scan C和D则是碳与氧结合的能带，这主要是氧化效应所致。因此，碳在合金中将以碳化物以及碳单质存在。XRD测试表面材料中含有SiC颗粒，这说明碳在铸造过程中能够同合金元素形成了相关化合物。这可能是由于在熔融状态添加碳粉能够使得在铸造合金系统中原位生成SiC颗粒。这些原位生成的SiC颗粒较细不仅能够在结晶过程中充当形核还期待其成为增强颗粒。XRD未测出碳单质，这可能是由于碳单质含量太少。

（2）添加碳粉使得铝合金延伸率有大幅提升（接近3倍）。从微观组织来看，碳粉添加的合金组织更细腻，强化相分均匀，以圆形或椭圆的强化相为主。这可能是由于加入较轻的碳原子以及原位生成的SiC颗粒能够在熔体凝固过程中充当形核有效细化晶粒，形成圆形或椭圆的组织。碳的含量较高且不能被完全吸收，将在合金系统内局部团聚。这些团聚的碳可能在高温作用下以石墨形态或类似石墨形态的化合物存在于铝合金系统中。通过碳或石墨的整体滑移的方式抵抗外界作用力，可显著提升材料延伸率。从断口形貌来看，含碳的断口形貌表现出显著的韧性断裂特征。含碳合金有较大的孔洞，而且在拉伸方向上形成了层状的光滑平台。这可能是由于碳的团聚，碳与材料结合力被削弱，在拉力作用下小的孔洞形成、扩展、聚合，最终形成大的孔洞，而碳单质的存在能够在孔洞扩展过程中对晶界滑移起到了润滑的作用，这样能够使得整个晶界在更长的路径内滑移，增强了材料的塑性，大幅提升了材料的韧性。但是，对于强度而言，未添加碳元素合金则有着更好的强度。这可能是由于铜、锰所形成的条带状强化相阻碍了位错运动，使得在拉伸过程中导致其有着较高的强度；但是由于形成的大块条状强化相对材料组织起到了割裂作用，在拉伸时强化相同基体组织结合力较小，导致其出沿晶断裂，材料韧性下降。

（3）碳与其他元素形成化合物对韧性的影响。拉伸试验表明含碳材料随着拉力的增加不是完全的塑性变形，在开始出现塑性变形后会出现周期性的弹性应力～应变。有研究表明，当存在刚性陶瓷SiC颗粒时则材料在外力作用下无法均匀地发生塑性变形，复合材料内部存在严重的变形不均匀，此时SiC陶瓷颗粒仅发生弹性变形，而铝合金基体可进行大量的塑性变形。碳粉的添加在合金系统中生成了SiC，这些SiC同铝合金产生了上述效应: SiC在受拉伸时产生弹性变形，当弹性变形完成后铝合金基体继续进行塑性变形，合金利用SiC阶段性的弹性形变来抵消外界应力。这在宏观表现出材料的逐步滑移，从断口上可以清晰地看出各级滑移平台。由于SiC含量及强度有限，随着拉伸的不断加剧，弹性阶段不断降低，材料表现出塑性增强。在材料接近断裂时可能是由于SiC滑移并与铝合金基体分离形成图9中F点的伪断裂，至此SiC与铝合金的完全脱离，最后在拉应力作用下，材料被完全拉断。随着塑性增强，SiC与合金结合程度下降，其弹性突变的周期也会逐步延长，该周期越多则表明材料的拉伸位移越大，也就表明韧性越好。

4.结论

1）碳粉加入铸造铝合金中将会以碳单质和碳的化合物形式存在，这两类物质能够对铝合金的韧性有较大的提升。

2）一定粒度的碳粉添加能够有效提升材料的延伸率（延伸率提升接近3倍），但是其强度有待提升；

3）碳的添加所生成的SiC能够使得在拉伸过程中出现塑性应变与弹性应变交替发生，随着塑性变形加剧，弹性突变的周期会逐步变长，这些突变周期一定程度上反映了材料的韧性。

附图说明

图1是未添加碳粉的铝合金的金相组织图；

图2是添加碳粉的铝合金的金相组织图；

图3是未添加碳粉的铝合金表面形貌图；

图4是图3中C点的能谱成份分析图；

图5是添加碳粉的铝合金表面形貌图；

图6是图5中D点的能谱成份分析图；

图7是图5中E点的能谱成份分析图；

图8是合金表面的XRD分析图；

图9是材料拉伸的应力～应变曲线；

图10是材料位移曲线；

图11是未加碳粉的拉断试棒的断口形貌图；

图12是添加碳粉的拉断试棒的断口形貌图;

图13是图12中A区域放大图。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

实施例1。碳粉改性铸造铝合金，组分按重量百分比为：铜5.5％、锰0.5％、硅3.5%、碳粉2.1％，余量为铝及不可避免杂质。 

     制备时，按照以下步骤：

（1）在烘箱中对普通碳粉进行脱水处理，温度控制在200℃左右，时间控制在3小时，然后使用200目的筛网进行筛分处理，获得干燥、颗粒均匀的碳粉；

（2）将铝锭（双零铝）进行熔炼，熔炼温度控制在750℃左右，熔炼的同时加入中间合金或金属；为了使得碳粉与合金充分搅拌和充分接触，需要将熔融铝液降温至600℃左右，使合金处于半凝固状态，过高或过低的温度下碳粉与铝液无法充分沁润；然后在隔绝空气的氛围中（采用填充氮气或抽真空处理）将碳粉加入铝合金熔体中，搅拌15分钟，混匀，然后升温到780℃左右对铝合金进行除渣、除气并静置，之后采用经过预热处理的浇铸模具浇铸成型，获得铝合金铸件，浇铸模具需预热至300℃左右，采用砂型铸造或金属型铸造；

（3）将铝合金铸件在温度520℃左右进行固溶处理，时间控制在10小时，在出炉时采用温度为50℃左右的冷水进行激冷，转移时间不超过3分钟；之后在150℃左右进行人工时效处理6小时，以进一步提升铸件的机械性能。

实施例2。碳粉改性铸造铝合金，组分按重量百分比为：铜4.0％、锰0.08％、硅2.8%、碳粉0.1％，余量为铝及不可避免杂质。 

     制备时，按照以下步骤：

（1）在烘箱中对普通碳粉进行脱水处理，温度控制在100℃左右，时间控制在4小时，然后使用200目的筛网进行筛分处理，获得干燥、颗粒均匀的碳粉；

（2）将铝锭（双零铝）进行熔炼，熔炼温度控制在700℃左右，熔炼的同时加入中间合金或金属；为了使得碳粉与合金充分搅拌和充分接触，需要将熔融铝液降温至580℃左右，使合金处于半凝固状态，过高或过低的温度下碳粉与铝液无法充分沁润；然后在隔绝空气的氛围中（采用填充氮气或抽真空处理）将碳粉加入铝合金熔体中，搅拌15分钟，混匀，然后升温到780℃左右对铝合金进行除渣、除气并静置，之后采用经过预热处理的浇铸模具浇铸成型，获得铝合金铸件，浇铸模具需预热至300℃左右，采用砂型铸造或金属型铸造；

（3）将铝合金铸件在温度500℃左右进行固溶处理，时间控制在8小时，在出炉时采用温度为40℃左右的冷水进行激冷，转移时间不超过3分钟；之后在130℃左右进行人工时效处理4小时，以进一步提升铸件的机械性能。

实施例3。碳粉改性铸造铝合金，组分按重量百分比为：铜6.5％、锰0.6％、硅4.0%、碳粉10％，余量为铝及不可避免的杂质。

制备时，按照以下步骤：

（1）在烘箱中对普通碳粉进行脱水处理，温度控制在300℃左右，时间控制在2小时，然后使用200目的筛网进行筛分处理，获得干燥、颗粒均匀的碳粉；

（2）将铝锭进行熔炼，熔炼温度控制在800℃左右，熔炼的同时加入中间合金或金属；为了使得碳粉与合金充分搅拌和充分接触，需要将熔融铝液降温至630℃左右，使合金处于半凝固状态，过高或过低的温度下碳粉与铝液无法充分沁润；然后在隔绝空气的氛围中（采用填充氮气或抽真空处理）将碳粉加入铝合金熔体中，搅拌20分钟，然后升温到800℃左右对铝合金进行除渣、除气并静置，然后采用经过预热处理的浇铸模具浇铸成型，获得铝合金铸件，浇铸模具需预热至300℃左右，采用砂型铸造或金属型铸造；

（3）将铝合金铸件在温度540℃左右进行固溶处理，时间控制在18小时，在出炉时采用温度为60℃左右的冷水进行激冷，转移时间不超过3分钟，之后在180℃左右进行人工时效处理8小时。

实施例4。碳粉改性铸造铝合金，组分按重量百分比为：铜5.0％、锰0.3％、硅3.1%、碳粉2.0％，余量为铝及不可避免的杂质。

制备时，按照以下步骤：

（1）在烘箱中对普通碳粉进行脱水处理，温度控制在200℃左右，时间控制在3小时，然后使用200目的筛网进行筛分处理，获得干燥、颗粒均匀的碳粉；

（2）将铝锭进行熔炼，熔炼温度控制在800℃左右，熔炼的同时加入中间合金或金属；为了使得碳粉与合金充分搅拌和充分接触，需要将熔融铝液降温至600℃左右，使合金处于半凝固状态，过高或过低的温度下碳粉与铝液无法充分沁润；然后在隔绝空气的氛围中（采用填充氮气或抽真空处理）将碳粉加入铝合金熔体中，搅拌18分钟，然后升温到790℃左右对铝合金进行除渣、除气并静置，之后采用经过预热处理的浇铸模具浇铸成型，获得铝合金铸件，浇铸模具需预热至300℃左右，可采用砂型铸造或金属型铸造；

（3）将铝合金铸件在温度520℃左右进行固溶处理，时间控制在12小时，在出炉时采用温度为50℃左右的冷水进行激冷，转移时间不超过3分钟；之后在160℃左右进行人工时效处理6小时。