CN101376937A - 一种挤压铸造铝硅铜合金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝合金材料，具体是一种采用挤压铸造技术，并分别采用固溶热处理(T4热处理)和固溶热处理+完全人工时效(T6热处理)工艺制备的挤压铸造铝硅铜合金材料；其主要成分及其质量百分比含量为：硅5.30～6.20％，铜3.80～4.30％，微量合金强化元素0.60～0.91％，杂质元素铁为0.20～0.30％，其余为铝和不可避免的微量杂质。本发明不仅具有较高的强度和良好的塑性，且铸造成形性能好，原材料成本低、来源方便；特别适用于制造具有轻量化和减重要求的零部件，在汽车、航空等工业中有着十分广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金材料，具体是指一种力学性能优良和铸造成形性好的挤压铸造铝硅铜合金材料。
背景技术
汽车零部件的轻量化是汽车减重而实现节能的主要途径之一。它既可以通过采用轻金属来实现，也可以通过采用高强度材料来实现。铝合金强韧化涵括了零部件轻量化发展的上述两个方面，因而备受广泛重视。
铝合金主要有变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金通过挤压、轧制、拉拔、锻造等手段减少了缺陷，细化了晶粒，提高了组织致密度，因而强度高、韧性好，得到了广泛的应用。但是，变形铝合金对加工设备和工装模具要求高、工序多，因而生产周期长、成本很高。与变形铝合金相比，铸造铝合金具有工艺流程短、易于生产形状复杂的零部件、即可小批量生产也可大批量生产等诸多优点，广泛适用于汽车零部件的成形制造。
A356(Al-7％Si-0.4％Mg)是目前使用最为广泛的铸造铝合金，具有优异的铸造成形性能，良好的抗磨损和抗腐蚀性能，Fe元素含量不超过0.25％，因此，铸件的浇冒系统和报废铸件可以回炉重新使用，提高了材料利用率，可降低生产成本。但是，该合金在T6热处理后，其参照抗拉强度为290MPa，伸长率为3％，力学性能偏低，在使用该合金进行零部件“以铝代铁”的换代中，通常要改变零件结构设计，增加零件壁厚等，降低了“以铝代铁”的减重效果。
为了提高铸造铝合金的性能，各国研究者开发了一些高强度铸造铝合金，法国牌号的A-U5GT合金、美国铝协会牌号的A201.0合金和我国牌号的ZL205A合金是其中的典型代表。这些铸造铝合金都属于Al-Cu-Mn系合金，但这些高强度铸造铝合金存在以下不足：
1)这些合金结晶温度范围宽，铸造性能很差，具体表现为偏析和热裂倾向严重、流动性较差、补缩困难，容易出现缩孔、缩松等缺陷；同时，难以应用于刚性模生产，主要采用砂型铸造工艺进行零件的成形，成形零件性能与试棒性能相差很远，与刚性模铸造成形相比，成形零件表面质量不高，尺寸精度差。
2)为了获得良好的性能，上述合金对杂质元素含量的控制非常严格，如A-U5GT合金要求铁控制在0.1％以下，ZL205A合金要求铁控制在0.15％以下，因此，原材料需要使用成本贵的高纯铝锭，且工艺控制的难度大，铸件的浇冒系统和报废铸件难以回收利用，实际工业应用困难。
3)为了获得良好的性能，这些合金还需要添加一些贵重合金元素，如美国铝协会牌号201.0合金(AlCu4AgMgMn)含有0.40～1.00％的银，国标ZL205A合金中含有镉等贵金属，导致这些合金材料的成本较高。
4)这些合金熔点高，均超过630℃，为了保证铸造成形需要，通常熔炼温度达到750℃，合金烧损、氧化、吸气严重，能源消耗大；此外，这些合金液态金属粘度达到0.4Pa.s，约为Al-Si系合金的4倍，精炼处理中清渣、除气困难，铸件易出现缺陷。
铝硅铜系(Al-Si-Cu)铸造合金，利用Si元素可提高成形和抗腐蚀性能，以及Cu元素的固溶强化作用，提高合金的抗拉强度。但是，现有该系列铸造合金由于成分及制备方法的不足，力学性能不高，其中ZL105A(4.50～5.50％Si，1.00～1.50％Cu，0.40～0.55％Mg，其余为Al)参照的力学性能最高，T5状态下抗拉强度和延伸率分别达到290MPa和2％(《铸造工程师手册》，机械工业出版社，2001年)。
挤压铸造是一种结合铸造和锻造特点于一体的成形工艺，兼有铸造和锻造的优点。挤压铸造成形技术主要针对轻合金，可获得内部组织致密、晶粒细小、表面光洁的优质挤压铸造件，具有广泛的适用性、技术上的领先性和经济上的低成本，是一种获得高性能铸件的液态成形技术。通过优化与改进铝合金化学成分，开发高性能铝合金新材料，同时结合挤压铸造成形工艺，提高成形零件的力学性能，可实现零件的高性能化和轻量化，在汽车、航空等工业中有着十分广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于针对现有铸造铝合金的不足，通过优化合金成分设计和采用挤压铸造工艺开发出一种力学性能优良和铸造成形性好的挤压铸造铝硅铜合金材料，以实现铸造铝合金零件的高性能化和轻量化。
本发明的目的可以通过如下措施来实现：
一种挤压铸造铝硅铜合金材料，其特征在于：采用挤压铸造技术，并分别采用固溶热处理(T4热处理)和固溶热处理+完全人工时效(T6热处理)工艺制备的挤压铸造铝硅铜合金材料；其主要成分及其质量百分比含量为：硅5.30～6.20％，铜3.80～4.30％，微量合金强化元素0.60～0.91％，杂质元素铁为0.20～0.30％，其余为铝和不可避免的微量杂质；所添加的微量合金强化元素为：镁0.19～0.40％，钛0.24～0.30％，硼0.01～0.03％，锌0.08～0.09％，锰0.08～0.09％。
上述原材料采用A356、工业铝锭、铝铜合金和铝钛硼合金配制而成。
本发明合金与现有铸造铝合金相比具有如下突出的优点：
1、本发明的合金材料同时具有较高的强度和良好的塑性。例如，在挤压比压为75MPa，淬火+完全人工时效(T6)热处理条件下，本发明合金材料的典型力学性能为：抗拉强度370MPa，伸长率5.1％，大幅超过现有A356、ZL105A合金的力学性能。
2、本发明铝合金含有硅5.30～6.20％，合金熔炼温度为720～730℃，粘度低，精炼处理易于除气、清渣，在铸造成形性能方面，与A356、ZL105合金相当，而明显优于ZL205、A201合金。
3、本发明合金的要求杂质元素铁控制在0.30％即可，对比ZL205A合金，可以采用成本较低的99.8％工业铝锭作为原材料，合金旧料可回收重熔铸造。
4、本发明合金不含银、镉等贵重金属，成本低于ZL205A、A201合金。
5、综上所述，本发明不仅具有较高的强度和良好的塑性，且铸造成形性能好，原材料成本低、来源方便；特别适用于制造具有轻量化和减重要求的零部件，在汽车、航空等工业中有着十分广阔的应用前景。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明，本发明实施方式不仅限于此。
实施例一：
步骤一：配料
| 成分 | 规格 | 质量百分比用量 |
| 铝硅镁合金(A356) | 7.00％Si，0.45％Mg，0.10％Mn，0.25％Fe， | 88.30％ |
| 0.10％Zn，0.20％Ti，其余为铝 | ||
| 铝铜合金 | 50.00％Cu，0.90％Fe，其余为铝 | 7.60％ |
| 工业铝锭 | 0.15％Fe，0.02％Mn，0.03％Zn，其余为铝 | 2.10％ |
| 铝钛硼合金 | 5.00％Ti，1.00％B，其余为铝 | 2.00％ |
步骤二：熔炼
合金在石墨坩埚电阻炉中熔炼。加料前将坩埚烧至暗红，炉温在300～400℃时，同时加入A356铝硅镁合金和工业铝锭；700℃时加入铝铜合金；720℃时加入铝钛硼合金，然后搅拌3min。用商用固体精炼剂在720～730℃下精炼除气、除渣，加少量覆盖剂，静置5min，搅拌均匀后在700℃下浇注。
步骤三：挤压铸造
挤压铸造用压机为100吨四柱液压机，在直接挤压铸造模具上进行，挤压比压分别为25，50，75MPa，挤压速度为0.01～0.03m/s，保压30s左右，铸件外形为长100mm×宽80mm×高40mm。
步骤四：热处理
将铸件切割成条形方块进行热处理，热处理炉为带鼓风机的电阻炉，温控精度±1℃。采用的热处理工艺分别为T4和T6，T4工艺参数为：495℃固溶6小时，室温水淬；T6工艺参数为：495℃固溶6小时，室温水淬，然后在170℃下时效6小时，空冷。
通过上述步骤获得的合金材料含有硅6.18％，铜3.80％，镁0.40％，钛0.29％，硼0.02％，锌0.09％，锰0.09％，铁0.29％，其余为铝和不可避免的杂质。不同比压下合金材料T4和T6热处理后的力学性能如表1和表2所示。
表1 不同挤压比压下T4热处理后的合金力学性能
| 挤压比压 | 25MPa | 50MPa | 75MPa |
| 抗拉强度(MPa) | 319 | 325 | 330 |
| 伸长率(％) | 7.36 | 8.52 | 7.25 |
表2 不同挤压比压下T6热处理后的合金力学性能
| 挤压比压 | 25MPa | 50MPa | 75MPa |
| 抗拉强度(MPa) | 328 | 362 | 368 |
| 伸长率(％) | 3.52 | 4.40 | 5.02 |
实施例二：
步骤一：配料
| 成分 | 规格 | 质量百分比用量 |
| 铝硅镁合金(A356) | 7.00％Si，0.25％Mg，0.10％Mn，0.20％Fe，0.10％Zn，0.20％Ti，其余为铝 | 75.7％ |
| 铝铜合金 | 50.00％Cu，0.40％Fe，其余为铝 | 8.50％ |
| 工业铝锭 | 0.15％Fe，0.02％Mn，0.03％Zn，其余为铝 | 12.80％ |
| 铝钛硼合金 | 5.00％Ti，1.00％B，其余为铝 | 3.00％ |
步骤二：熔炼；步骤三：挤压铸造；步骤四：热处理均与实施例一相同。
通过上述步骤获得的合金材料含有硅5.30％，铜4.25％，镁0.19％，钛0.30％，硼0.03％，锌0.08％，锰0.08％，铁0.20％，其余为铝和不可避免的杂质。不同比压下合金材料T4和T6热处理后的力学性能如表3和表4所示。
表3 不同挤压比压下T4热处理后的合金力学性能
| 挤压比压 | 25MPa | 50MPa | 75MPa |
| 抗拉强度(MPa) | 315 | 323 | 335 |
| 伸长率(％) | 7.22 | 8.42 | 7.56 |
表4 不同挤压比压下T6热处理后的合金力学性能
| 挤压比压 | 25MPa | 50MPa | 75MPa |
| 抗拉强度(MPa) | 330 | 365 | 370 |
| 伸长率(％) | 3.64 | 4.6 | 5.1 |
实施例三：
步骤一：配料
步骤二：熔炼；步骤三：挤压铸造；步骤四：热处理均与实施例一相同。
通过上述步骤获得的合金材料含有硅5.80％，铜4.15％，镁0.29％，钛0.24％，锌0.09％，硼0.01％，锰0.08％，铁0.26％，其余为铝和不可避免的杂质。不同比压下合金材料T4和T6热处理后的力学性能如表5和表6所示。
表5 不同挤压比压下T4热处理后的合金力学性能
| 挤压比压 | 25MPa | 50MPa | 75MPa |
| 抗拉强度(MPa) | 318 | 326 | 332 |
| 伸长率(％) | 7.36 | 8.52 | 7.25 |
表6 不同挤压比压下T6热处理后的合金力学性能
| 挤压比压 | 25MPa | 50MPa | 75MPa |
| 抗拉强度(MPa) | 325 | 360 | 367 |
| 伸长率(％) | 3.52 | 4.40 | 5.06 |
Claims (2)
1、一种挤压铸造铝硅铜合金材料，其特征在于：采用挤压铸造技术，并分别采用固溶热处理和固溶热处理+完全人工时效工艺制备的挤压铸造铝硅铜合金材料；其主要成分及其质量百分比含量为：硅5.30～6.20％，铜3.80～4.30％，微量合金强化元素0.60～0.91％，杂质元素铁为0.20～0.30％，其余为铝和不可避免的微量杂质；所添加的微量合金强化元素为：镁0.19～0.40％，钛0.24～0.30％，硼0.01～0.03％，锌0.08～0.09％，锰0.08～0.09％。
2、根据权利要求1所述的一种挤压铸造铝合金材料，其特征在于：采用A356、工业铝锭、铝铜合金和铝钛硼合金配制而成。
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