CN102337429A

CN102337429A - 高强度Al-Mg-Si-Cu合金及其制备方法

Info

Publication number: CN102337429A
Application number: CN2011102373347A
Authority: CN
Inventors: 长海博文; 韩逸; 李炼; 马科; 顾凤仙; 郭世杰
Original assignee: Suzhou Nonferrous Metal Research Institute Co Ltd
Current assignee: JIANGSU CNPT-RABILY INDUSTRY Co.,Ltd.
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2031-08-18
Also published as: CN102337429B

Abstract

本发明涉及高强度Al-Mg-Si-Cu合金及其制备方法，合金中：Mg0.8~1.4wt.%，Si0.8~1.6wt.%，Cu0.2~0.8wt.%，Mn0.2~1.0wt.%，Cr0.1~0.4wt.%，Ti0.01~0.1wt.%，Fe≤0.25wt.%，不可避免的杂质总和≤0.15wt.%，余量为Al。其制法：采用半连续铸造方式制备合金铸锭，将半连续铸锭随炉升温至300~350oC后，以1~10oC/min的升温速率升温至520~570oC，保温4~10h后空冷，然后将均匀化处理后的铸锭重新加热至450~500oC后进行锻造，终锻温度不低于350oC；最后对锻件进行T6热处理。

Description

高强度Al-Mg-Si-Cu合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度Al-Mg-Si-Cu合金锻造材及其制备方法，属于有色金属技术领域。

背景技术

世界交通运输车辆总的发展趋势是轻量化，以达到节能降耗和减小污染的目的。多年来，铝材以众多独特的性能、良好的加工成形性和较低的生产成本，逐渐替代汽车中的钢材，成为促进汽车轻量化的重要材料之一。

与传统铸铁材料相比，采用铝合金锻件生产汽车部件不仅可以使重量大大减轻，强度、韧性及延展性大幅度提高，而且还可以使材料获得可靠的内部质量和优异的综合性能。因此，开发具有优异性能的铝合金锻件产品为实现汽车轻量化，降低污染和能源消耗具有重要意义。

汽车上采用的传统锻造铝合金是6061合金，由于其Mg和Si含量较低，热处理后材料的屈服强度仅为280MPa左右。随着汽车轻量化的发展需要，对材料的力学性能提出了更加严格的要求，同时要求材料更易于加工，生产成本更低。研究表明，在6×××系合金中，通过增加Mg和Si的含量来提高Mg₂Si强化相的数量可以进一步提高合金的强度，但增加到一定程度后，不仅不能获得期望的强度值，还会严重降低材料的塑性及韧性。此外，6×××系铝合金在锻造和固溶过程中易发生再结晶，产生粗大晶粒，导致力学性能急剧降低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种高强度Al-Mg-Si-Cu合金及其制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

高强度Al-Mg-Si-Cu合金，特点是其成分的质量百分含量为：Mg 0.8~1.4wt.%，Si 0.8~1.6wt.%，Cu 0.2~0.8wt.%，Mn 0.2~1.0wt.%，Cr 0.1~0.4wt.%，Ti 0.01~0.1wt.%，Fe≤0.25wt.%，不可避免的杂质总和≤0.15wt.%，余量为Al。

进一步地，上述的高强度Al-Mg-Si-Cu合金，其特征在于：所述合金的铸态晶粒尺寸小于130μm，二次枝晶臂间距不大于40μm， T6态晶粒尺寸小于15μm，材料的屈服强度370MPa以上，延伸率大于12%。

本发明高强度Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，采用半连续铸造方式制备合金铸锭，在制造过程中控制成分含量Mg 0.8~1.4wt.%，Si 0.8~1.6wt.%，Cu 0.2~0.8wt.%，Mn 0.2~1.0wt.%，Cr 0.1~0.4wt.%，Ti 0.01~0.1wt.%，Fe≤0.25wt.%，不可避免的杂质总和≤0.15wt.%，余量为Al，其特征在于：将半连续铸锭随炉升温至300~350oC后，以1~10oC/min的升温速率升温至520~570oC，保温4~10h后空冷，然后将均匀化处理后的铸锭重新加热至450~500oC后进行锻造，终锻温度不低于350oC；最后对锻件进行T6热处理，经530~570oC固溶处理1~2h，淬火，再经170~200oC时效处理4~9h。

更进一步地，上述的高强度Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，所述半连续铸造方式为热顶铸造方式，半连续铸造方式制备的合金铸锭的直径为Φ80~200mm，铸造速度为70~170mm/min，冷却水流量控制在1~4m³/h。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明通过合理调整合金元素含量，优化工艺制度，严格控制加工及热处理过程中的晶粒尺寸，使得合金铸态晶粒尺寸小于130μm，二次枝晶臂间距不大于40μm，同时避免材料在锻造及固溶过程中发生粗大再结晶，控制晶粒尺寸小于15μm，从而保证材料的屈服强度达到370MPa，延伸率大于12%，显著地提高了材料的力学性能，具有明显的减重效果。均匀化工艺是在系统研究了均匀化处理过程中弥散相粒子的析出、形核和长大过程，以及非平衡结晶相回溶入基体等行为规律的基础上优化的，能有效调控发明合金中弥散相粒子尺寸、数量和分布，同时获得亚结晶组织控制的锻造工艺以及强化相粒子细小、弥散、均匀分布的T6热处理制度。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1为实施例1合金的铸态组织照片；

图2为实施例1合金的T6态EBSD组织照片；

图3为比较例1合金的铸态组织照片；

图4为比较例1合金的T6态EBSD组织照片。

具体实施方式

高强度Al-Mg-Si-Cu合金，成分的质量百分含量为：Mg 0.8~1.4wt.%，Si 0.8~1.6wt.%，Cu 0.2~0.8wt.%，Mn 0.2~1.0wt.%，Cr 0.1~0.4wt.%，Ti 0.01~0.1wt.%，Fe≤0.25wt.%，不可避免的杂质总和≤0.15wt.%，余量为Al。合金的铸态晶粒尺寸小于130μm，二次枝晶臂间距不大于40μm， T6态晶粒尺寸小于15μm，材料的屈服强度370MPa以上，延伸率大于12%。

Mg和Si是6×××系铝合金中的主要合金元素，形成了合金的主要强化相Mg₂Si。该系合金通过Mg/Si比及过剩Si含量控制来提高材料强度，当Mg和Si含量过低时，时效过程中Mg₂Si强化相生成数量少，材料强度较低；当Mg和Si含量过高时，一方面，材料的成型性能降低，另一方面，在铸造过程中可能会生成初生Si相，显著降低材料的韧性及疲劳性能。因此Mg和Si元素含量分别控制在0.8~1.4wt.%和0.8~1.6wt.%范围内。

Cu和其他合金元素一起形成第二相，通过固溶强化来提高材料强度。此外，Cu作为时效处理过程中Mg和Si元素的形核核心，使得强化相细小弥散均匀分布，显著提高材料的时效硬化性能，但Cu含量不能过高，否则降低材料的耐腐蚀性能，因此其含量控制在0.2~0.8wt.%范围内。

Mn在合金中主要起抑制再结晶、稳定亚结晶组织的作用，既提高材料强度又提高韧性和耐腐蚀性能，但Mn含量过高会在铸造过程中形成过多粗大金属间化合物，严重降低材料的铸造性、成型性能以及韧性，因此Mn含量不宜低于0.2wt.%，同时不宜高于1.0wt.%。

Cr在合金中的作用与Mn类似，但其作用效果略差，一般控制在0.1~0.4wt.%之间。同时Cr与Mn的总含量控制在0.5wt.%和1.3wt.%范围内时，既能促进两种元素的弥散相对亚结晶组织的控制作用，又能防止形成过多的粗大金属间化合物，降低材料的韧性。

Ti在合金中起细化铸态晶粒作用，以不超过0.1wt.%为宜。如果Ti含量过高，则容易生成粗大含Ti相，降低材料的韧性和疲劳性能。

Fe在合金中与其他元素一起形成Al₇Cu₂Fe、Al₁₂(Fe,Mn)₃Cu₂、(Fe,Mn)Al₆以及AlFeSi(Mn,Cr)等含Fe相，不宜超过0.25wt.%，否则含Fe相数量过多降低材料的韧性和疲劳性能。

本发明高强度Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，采用半连续铸造方式制备合金铸锭，半连续铸造方式为热顶铸造方式，半连续铸造方式制备的合金铸锭的直径为Φ80~200mm，铸造速度为70~170mm/min，冷却水流量控制在1~4m³/h；在制造过程中控制成分含量Mg 0.8~1.4wt.%，Si 0.8~1.6wt.%，Cu 0.2~0.8wt.%，Mn 0.2~1.0wt.%，Cr 0.1~0.4wt.%，Ti 0.01~0.1wt.%，Fe≤0.25wt.%，不可避免的杂质总和≤0.15wt.%，余量为Al，其特征在于：将半连续铸锭随炉升温至300~350oC后，以1~10oC/min的升温速率升温至520~570oC，保温4~10h后空冷，均匀化的目的是：溶解非平衡低熔点共晶组织，为后续时效强化析出提供足够的过饱和度，同时使弥散粒子均匀弥散析出，以利于在锻造过程中控制晶粒结构，获得亚结晶组织。一般而言，采用较慢的升温速率有利于促进弥散粒子均匀弥散析出；然后将均匀化处理后的铸锭重新加热至450~500oC后进行锻造，终锻温度不低于350oC，以避免加工过程中发生再结晶而产生粗大晶粒；最后对锻件进行T6热处理，经530~570oC固溶处理1~2h，淬火，再经170~200oC时效处理4~9h。

如表1所示成分组成（wt％）的实施例合金№ 1～6，以及比较例合金№ 1～3。

表1 实施例和比较例合金化学成分(质量百分数，wt.%)

获得上述成分的合金采用热顶铸造方式铸成直径为Φ127mm圆锭，铸造速度为140mm/min，冷却水流量为3.5m³/h，测量合金铸态晶粒尺寸及二次枝晶臂间距。将合金铸锭在循环风炉中进行均匀化处理，随炉升温至300oC后以7oC/min的升温速率升温至550oC，保温4h，空冷。然后将均匀化处理后的铸锭加热至450oC后进行锻造，锻造加工率为50%，终锻温度不低于350oC，以避免加工过程中发生再结晶而产生粗大晶粒。最后对锻件进行T6热处理，经550oC固溶处理2h，淬火，再经180oC时效处理6h，测量T6态合金晶粒尺寸及力学性能。

从图1、图2和图3、图4以及表1可以看出，采用本发明方法，通过合理控制合金中各元素含量以及优化铸造、锻造及热处理工艺制度，使得合金铸态晶粒尺寸小于130μm，二次枝晶臂间距不大于40μm，同时经T6热处理后，合金晶粒尺寸小于15μm，材料的屈服强度达到370MPa以上，延伸率大于12%，较好地满足了汽车用高强度铝合金的要求。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.高强度Al-Mg-Si-Cu合金，其特征在于其成分的质量百分含量为：Mg 0.8~1.4wt.%，Si 0.8~1.6wt.%，Cu 0.2~0.8wt.%，Mn 0.2~1.0wt.%，Cr 0.1~0.4wt.%，Ti 0.01~0.1wt.%，Fe≤0.25wt.%，不可避免的杂质总和≤0.15wt.%，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的高强度Al-Mg-Si-Cu合金，其特征在于：所述合金的铸态晶粒尺寸小于130μm，二次枝晶臂间距不大于40μm， T6态晶粒尺寸小于15μm，材料的屈服强度370MPa以上，延伸率大于12%。

3.权利要求1所述的高强度Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，采用半连续铸造方式制备合金铸锭，在制造过程中控制成分含量Mg 0.8~1.4wt.%，Si 0.8~1.6wt.%，Cu 0.2~0.8wt.%，Mn 0.2~1.0wt.%，Cr 0.1~0.4wt.%，Ti 0.01~0.1wt.%，Fe≤0.25wt.%，不可避免的杂质总和≤0.15wt.%，余量为Al，其特征在于：将半连续铸锭随炉升温至300~350oC后，以1~10oC/min的升温速率升温至520~570oC，保温4~10h后空冷，然后将均匀化处理后的铸锭重新加热至450~500oC后进行锻造，终锻温度不低于350oC；最后对锻件进行T6热处理，经530~570oC固溶处理1~2h，淬火，再经170~200oC时效处理4~9h。

4.根据权利要求3所述的高强度Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，其特征在于：所述半连续铸造方式为热顶铸造方式，半连续铸造方式制备的合金铸锭的直径为Φ80~200mm，铸造速度为70~170mm/min，冷却水流量控制在1~4m³/h。