CN103160713A - 过共晶Al-Fe合金半固态挤压及热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及过共晶Al-Fe合金半固态挤压及热处理方法，属于挤压和半固态成形技术领域。所述方法包括半固态浆料的制备和半固态成形工艺参数的设计。合金的化学成分按重量百分数计算为：Fe：4.0～6.0；Cu：3.0～5.0；Zn：3.0～4.0；Mn：0.5～1.5；Mg：0.4～1.5；其余为Al。成分设计的目的是利用合金化消减粗大Al3Fe相的有害作用，成形工艺是将合金熔炼后采用半固态挤压成形。该工艺可以实现铝合金良好的耐磨、耐热性能、高强度特点，同时具有流程短、耗能低、质量高和近净成型的优点。
Description
技术领域
本发明涉及半固态挤压成形工艺方法及半固态成型后铸件的热处理强化工艺方法，具体指一种过共晶Al-Fe合金铸件的半固态挤压成型以及热处理方法。
背景技术
铝铁合金具有质轻，高硬度、耐磨、耐热、抗腐蚀等优良的力学性能，从20世纪70年代开始，受到人们的广泛关注。然而由于铁与铝的固溶度相差太远，因此铁在铝中非常容易形成脆性的针状或片状富铁相，这些富铁相的具有非常尖锐的尖端，能够严重割裂基体，从而成为应力集中源，很大程度上降低了铝合金的力学性能。为了找到一条适合Al-Fe合金生产和应用的简单易行的方法，使之在普通熔铸条件下实现规模化生产也能达到细化富铁相的目的，仍有必要深入研究如何使Al-Fe合金组织达到最大程度的细化，使其真正成为一种具有优良性能的工业实用材料。半固态成形技术具有以下优点：工艺成品率高，加工温度低，制品尺寸可精确控制，产品质量好，并且具有节能、环保等优势。经过30多年的研究和发展，已经受到人们的高度重视，并进入到工业生产阶段，被认为是本世纪具有广阔发展前景的新材料制备技术和近净成型工艺之一。
铝合金的常规热处理工艺是将合金铸件固溶处理后，再次进行人工时效处理，即常规的T6热处理，但在半固态成型的铸件中发现，常规的T6热处理工艺不但不能提高合金铸件的力学性能，反而使合金的力学性能进一步恶化，基于这样一个背景，本专利发明了一种适合于半固态成型铸件，提高其力学性能的热处理新工艺。
发明内容
本发明提供一种过共晶Al-Fe合金半固态挤压及热处理工艺方法，其目的是提高生产率、力学性能和降低成本。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
过共晶Al-Fe合金半固态挤压成型及热处理方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
（1）半固态坯锭的制备：将化学成分按重量百分数计算为：Fe：4.0~6.0、Cu：3.0~5.0、Zn：3.0~4.0、Mn：0.5~1.5、Mg：0.4~1.5、其余为Al。将合金在井式电阻炉中熔炼，熔炼温度为820-880℃，将溶清的铝液浇铸到石墨坩埚中，石墨坩埚外加电磁搅拌器，铝液在电磁搅拌下凝固，搅拌电压为120-160V，得到铸态坯锭。
（2）半固态挤压成型：将铸态过共晶Al-Fe合金坯锭在电阻炉中再次加热，加热温度为550-600℃，加热保温时间为1-2小时，得到具有半固态组织特征的坯料，然后将坯料放入半固态成形模具中，将坯料和模具一起加热到600-660℃，保温15-90min。随后，将具有半固态组织特征的坯料挤压成型，采用挤压比6MPa~250MPa，挤压速度0.5-12mm/s，保压时间为10-300s，得到半固态成型铸件。
（3）半固态成型铸件的热处理：将半固态成型铸件在300~400℃出模，铸件出模后在温水中直接淬火，将淬火后的半固态铸件进行人工时效处理，时效温度为150~195℃，时效时间为4~16小时。
通过本发明所述技术方案的实施，方法操作简单，便于控制，产品质量高，可以提高过共晶Al-Fe合金产品的合格率和生产效率，并降低成本。
附图说明：
图1为合金半固态挤压成型热处理前晶粒变化图片；
图2为合金半固态挤压成型采用常规热处理后晶粒变化图片；
图3为合金半固态挤压成型采用本发明所述热处理后晶粒变化图片；
图4为合金半固态挤压成形热处理前的组织图片；
图5为合金半固态挤压成形采用常规热处理后组织图片；
图6为合金半固态挤压成形采用本发明所述热处理后组织图片；
具体实施方式：
本发明采用半固态挤压工艺来改进成型技术，半固态成形中的重要环节为二次加热。为了获得液相体积分数在40%~60%范围内的具有良好触变性的半固态浆料，将化学成分按重量百分数计算为：Fe：4.0~6.0；Cu：3.0~5.0；Zn：3.0~4.0；Mn：0.5~1.5；Mg：0.4~1.5；其余为Al的共晶Al-Fe合金二次加热得到具有半固态组织特征的坯料，然后将坯料利用半固态成形模具进行半固态挤压，将坯料和模具一起加热到600-660℃，保温15-90min，挤压比6MPa~250MPa，保压时间为10-300s，挤压速度0.5-12mm/s进行挤压，得到半固态坯锭；将半固态坯锭出模后立即在冷水中淬火，坯锭出模温度为300~400℃；
（2）半固态坯锭的热处理：将半固态坯锭进行人工时效处理，时效温度为150~195℃，时效时间为4~16小时。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
图1-图3为本发明所述的合金半固态挤压成形热处理前后晶粒变化图片，如图所示，合金经过半固态成形后，晶粒得到了明显的细化，但晶粒尺寸分布不均匀。Al3Fe相周围晶粒比较细小，而远离富铁相的基体晶粒偏大。基体中晶粒虽然大小分布不均匀，但保持着等轴晶的组织特征。粗大的针片状Al3Fe相经过半固态挤压后变为粒状和短棒状，第二相在基体上的分布趋于均匀。上述实验现象说明，半固态挤压可以有效地细化Al-5Fe基合金组织，尤其对针片状Al3Fe相的细化作用更加明显，因此合金的力学性能得到大幅度的提高。而经过常规的固溶和时效热处理后，合金晶粒尺寸明显增大，尤其是Al3Fe相周围的细小晶粒长大最为明显。在固溶处理过程中，Al3Fe相的形貌基本没有发生变化，仍保持粒状和短棒状的形貌特征。半固态成型后的合金在较高的固溶温度长时间保温，导致基体的晶粒长大，是造成合金力学性能降低的原因之一。合金经过本发明所述热处理后，晶粒均分布均匀，且非常细小圆整。由于半固态挤压后合金的基体中Cu原子处于过饱和状态，经过低温时效后，过饱和的Cu原子在基体中以Al2Cu的形式弥散沉淀析出，因此合金的力学性能得到提高见表1：
表1
图4-图6为合金经过半固态挤压成形热处理前后组织图片，如图所示，合金经过常规热处理后，第二相发生长大趋势，棱角发生钝化。经过本发明所述热处理后，第二相由长条状变成颗粒状和小块状，因此合金的力学性能提高。
下面为本发明的具体实施例：
实施例1：
（1）半固态坯锭的制备：将化学成分按重量百分数计算为：Fe：4.0、Cu：3.0、Zn：3.0、Mn：0.5、Mg：0.4、其余为Al的合金在井式电阻炉中熔炼，熔炼温度为820℃，将溶清的铝液浇铸到石墨坩埚中，石墨坩埚外加电磁搅拌器，铝液在电磁搅拌下凝固，搅拌电压为120V，得到铸态过共晶Al-Fe合金坯锭；
（2）半固态挤压成型：将铸态过共晶Al-Fe合金坯锭在电阻炉中再次加热，加热温度为550℃，加热保温时间为1小时，得到具有半固态组织特征的坯料，然后将坯料放入半固态成形模具中，将坯料和模具一起加热到600℃，保温15min；随后将具有半固态组织特征的坯料挤压成型，采用挤压比6MPa，挤压速度0.5mm/s，保压时间为10s，得到半固态成型铸件；
（3）半固态成型铸件的热处理：将半固态成型铸件在300℃出模，铸件出模后在温水中直接淬火，将淬火后的半固态铸件进行人工时效处理，时效温度为150℃，时效时间为4小时，该热处理工艺不但拿提高了合金铸件的力学性能，也简化了热处理工艺节约了能源，降低了生产成本。
实施例2：
（1）半固态坯锭的制备：将化学成分按重量百分数计算为：Fe：6.0、Cu：5.0、Zn：4.0、Mn：1.5、Mg：1.5、其余为Al的合金在井式电阻炉中熔炼，熔炼温度为880℃，将溶清的铝液浇铸到石墨坩埚中，石墨坩埚外加电磁搅拌器，铝液在电磁搅拌下凝固，搅拌电压为160V，得到铸态过共晶Al-Fe合金坯锭；
（2）半固态挤压成型：将铸态过共晶Al-Fe合金坯锭在电阻炉中再次加热，加热温度为600℃，加热保温时间为2小时，得到具有半固态组织特征的坯料，然后将坯料放入半固态成形模具中，将坯料和模具一起加热到660℃，保温90min；随后将具有半固态组织特征的坯料挤压成型，采用挤压比250MPa，挤压速度12mm/s，保压时间为300s，得到半固态成型铸件；
（3）半固态成型铸件的热处理：将半固态成型铸件在400℃出模，铸件出模后在温水中直接淬火，将淬火后的半固态铸件进行人工时效处理，时效温度为195℃，时效时间为16小时，该热处理工艺不但拿提高了合金铸件的力学性能，也简化了热处理工艺节约了能源，降低了生产成本。
实施例3：
（1）半固态坯锭的制备：将化学成分按重量百分数计算为：Fe：5.0、Cu：4.0、Zn：3.5、Mn：1、Mg：1、其余为Al的合金在井式电阻炉中熔炼，熔炼温度为850℃，将溶清的铝液浇铸到石墨坩埚中，石墨坩埚外加电磁搅拌器，铝液在电磁搅拌下凝固，搅拌电压为140V，得到铸态过共晶Al-Fe合金坯锭；
（2）半固态挤压成型：将铸态过共晶Al-Fe合金坯锭在电阻炉中再次加热，加热温度为580℃，加热保温时间为1.5小时，得到具有半固态组织特征的坯料，然后将坯料放入半固态成形模具中，将坯料和模具一起加热到630℃，保温50min；随后将具有半固态组织特征的坯料挤压成型，采用挤压比150MPa，挤压速度5mm/s，保压时间为100s，得到半固态成型铸件；
（3）半固态成型铸件的热处理：将半固态成型铸件在350℃出模，铸件出模后在温水中直接淬火，将淬火后的半固态铸件进行人工时效处理，时效温度为180℃，时效时间为10小时，该热处理工艺不但拿提高了合金铸件的力学性能，也简化了热处理工艺节约了能源，降低了生产成本。
实施例4：
（1）半固态坯锭的制备：将化学成分按重量百分数计算为：Fe：4.2、Cu：4.5、Zn：3.2、Mn：0.6、Mg：0.8、其余为Al的合金在井式电阻炉中熔炼，熔炼温度为840℃，将溶清的铝液浇铸到石墨坩埚中，石墨坩埚外加电磁搅拌器，铝液在电磁搅拌下凝固，搅拌电压为130V，得到铸态过共晶Al-Fe合金坯锭；
（2）半固态挤压成型：将铸态过共晶Al-Fe合金坯锭在电阻炉中再次加热，加热温度为560℃，加热保温时间为2小时，得到具有半固态组织特征的坯料，然后将坯料放入半固态成形模具中，将坯料和模具一起加热到610℃，保温30min；随后将具有半固态组织特征的坯料挤压成型，采用挤压比50MPa，挤压速度1.0mm/s，保压时间为80s，得到半固态成型铸件；
（3）半固态成型铸件的热处理：将半固态成型铸件在320℃出模，铸件出模后在温水中直接淬火，将淬火后的半固态铸件进行人工时效处理，时效温度为170℃，时效时间为6小时，该热处理工艺不但拿提高了合金铸件的力学性能，也简化了热处理工艺节约了能源，降低了生产成本。
实施例5：
（1）半固态坯锭的制备：将化学成分按重量百分数计算为：Fe：:5.5、Cu：4.5、Zn：3.8、Mn：1.2、Mg：1.4、其余为Al的合金在井式电阻炉中熔炼，熔炼温度为860℃，将溶清的铝液浇铸到石墨坩埚中，石墨坩埚外加电磁搅拌器，铝液在电磁搅拌下凝固，搅拌电压为150V，得到铸态过共晶Al-Fe合金坯锭；
（2）半固态挤压成型：将铸态过共晶Al-Fe合金坯锭在电阻炉中再次加热，加热温度为590℃，加热保温时间为1小时，得到具有半固态组织特征的坯料，然后将坯料放入半固态成形模具中，将坯料和模具一起加热到650℃，保温70min；随后将具有半固态组织特征的坯料挤压成型，采用挤压比30MPa，挤压速度5mm/s，保压时间为250s，得到半固态成型铸件；
（3）半固态成型铸件的热处理：将半固态成型铸件在370℃出模，铸件出模后在温水中直接淬火，将淬火后的半固态铸件进行人工时效处理，时效温度为165℃，时效时间为13小时，该热处理工艺不但拿提高了合金铸件的力学性能，也简化了热处理工艺节约了能源，降低了生产成本。
Claims (1)
1.过共晶Al-Fe合金半固态挤压及热处理方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
（1）半固态坯锭的制备：将化学成分按重量百分数计算为：Fe：4.0~6.0、Cu：3.0~5.0、Zn：3.0~4.0、Mn：0.5~1.5、Mg：0.4~1.5、其余为Al的合金在井式电阻炉中熔炼，熔炼温度为820-880℃，将溶清的铝液浇铸到石墨坩埚中，石墨坩埚外加电磁搅拌器，铝液在电磁搅拌下凝固，搅拌电压为120-160V，得到铸态过共晶Al-Fe合金坯锭；
（2）半固态挤压成型：将铸态过共晶Al-Fe合金坯锭在电阻炉中再次加热，加热温度为550-600℃，加热保温时间为1-2小时，得到具有半固态组织特征的坯料，然后将坯料放入半固态成形模具中，将坯料和模具一起加热到600-660℃，保温15-90min；随后将具有半固态组织特征的坯料挤压成型，采用挤压比6MPa~250MPa，挤压速度0.5-12mm/s，保压时间为10-300s，得到半固态成型铸件；
（3）半固态成型铸件的热处理：将半固态成型铸件在300~400℃出模，铸件出模后在温水中直接淬火，将淬火后的半固态铸件进行人工时效处理，时效温度为150~195℃，时效时间为4~16小时，该热处理工艺不但拿提高了合金铸件的力学性能，也简化了热处理工艺节约了能源，降低了生产成本。
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