CN104099496B - 一种高强韧重力铸造铝硅合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用金属型重力铸造技术，并进行T6（固溶+完全人工时效）热处理工艺制备的高强韧铝硅合金。该铝硅合金主要成分及其质量百分比含量为：硅6.60～7.40%，镁0.18～0.20%，铜0.06～0.08%，钛0.07～0.10%，锌0.035～0.040%，锰0.012～0.013%，锶0.008～0.009%，杂质元素铁≤0.16%，其他微量元素总和≤0.002%，其余为铝。本发明合金在保持良好铸造性能的同时具有较高的力学性能，并且不需要添加特殊合金元素或采用特殊的制备工艺，且原材料成本低、来源与配制方便；特别适用于制造对于强度和韧性都有较高要求的轻量化零部件，适合在汽车零部件制造工业中进行推广应用。

Description

一种高强韧重力铸造铝硅合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料，特别是涉及一种力学性能优良和铸造成形性好的高强韧重力铸造铝硅合金及其制备方法。

背景技术

铝合金以其较高的比强度、优异的耐蚀性能等优点逐步取代密度较大的铸铁，在汽车、航空等领域得到了广泛的应用。

在铝合金中，铝硅系铸造铝合金具有良好的铸造性能、耐蚀性能和力学性能，因而成为应用最广泛的铸造铝合金。在实际生产应用中，即使经过变质处理，铝硅系合金的力学性能仍明显低于铸铁及铝铜系铸造铝合金。例如，常用的A356铝合金铸造成形性能优异，美国铝业协会标准AA18-2008中规定T61态的A356合金参考力学性能为：抗拉强度255MPa；伸长率5%，而国标GB/T1173-1995中规定T5态铝铜系铸造铝合金ZL201的参考力学性能为：抗拉强度335MPa；伸长率4%，可见A356合金的力学性能相对较低，不能满足高性能结构件的要求，或者使用该材料实现零件轻量化时，不得不改变或加厚零件壁厚，降低了轻量化效果。

为了提高铝硅系铸造铝合金的力学性能，通常加入铜、镁、锰等多种合金元素，并配合适当的热处理工艺，在铝合金基体中产生固溶强化或第二相粒子强化效果；或者添加贵重的稀土元素进一步强化。但是，添加大量的合金元素不仅增加了生产成本，而且合金元素之间形成的一些脆性的金属间化合物也会降低合金力学性能，减弱合金化的效果。例如，中国专利CN1619003A公开的合金成分相当于在ZL101A合金的基础上增加铜和锌元素的含量，并添加稀土元素，该合金热处理后的抗拉强度能达到320MPa，但伸长率仅为1.5%。

另一方面，研究者也使用特种铸造工艺来提高铸造铝合金的力学性能。比如中国专利CN101376937公开的铝硅铜合金是通过配合使用挤压铸造工艺改善合金内部组织，该合金在挤压比压为75MPa条件下并经过T6热处理后的抗拉强度高达370MPa。然而，特种铸造工艺需要特殊设备，工艺复杂性增加，也增加了生产成本。实际生产中，仍然有众多的铝合金铸件使用重力铸造工艺来生产。

发明内容

针对现有铸造铝硅合金的不足，本发明的目的在于提供一种高强韧重力铸造铝硅合金，通过合金成分优化设计，开发研制一种铸造成型性能好、在重力铸造条件下即可具备优良力学性能的铝硅合金，无需特别添加稀土金属元素或使用特种铸造设备和工艺，实现铸造铝硅合金材料的高强韧化。

本发明的另一目的在于，提供一种上述高强韧重力铸造铝硅合金的制备方法。

本发明的目的可以通过如下措施来实现：

一种高强韧重力铸造铝硅合金材料，其主要成分及其质量百分比含量为：硅6.60～7.40%，镁0.18～0.20%，铜0.06～0.08%，钛0.07～0.10%，锌0.035～0.040%，锰0.012～0.013%，锶0.008～0.009%，杂质元素铁≤0.16%，其他微量元素总和≤0.002%，其余为铝。

一种高强韧重力铸造铝硅合金材料的制备方法，采用金属型重力铸造技术，并进行T6热处理工艺制备的铝硅合金；其主要包括步骤：配料、熔炼和热处理工艺。

进一步而言，上述原材料采用A356合金、工业纯铝、铝硅合金、铝锶合金配制而成，其中铝锶合金作为变质剂加入，工业纯铝中铝元素的纯度≥99.8%（质量百分比）。

进一步而言，所述铝硅合金的配料包含以下重量百分比含量的各组分：47.5-50.0%的A356合金、34.6-40.0%的工业纯铝、及13.5-15.4%的中间合金。

进一步而言，所述A356合金包含的主要成分及质量百分比含量为：7.00%硅，0.40%镁，0.15-0.16%铜，0.16-0.20%铁，0.08%锌，0.02-0.05%锰，0.20%钛；

所述工业纯铝包含的主要成分及质量百分比含量为：0.10-0.15%铁，0.01-0.04%锌，0.01%锰；

所述中间合金包含的主要成分及质量百分比含量为：25.00%硅，0.10%铁。

进一步而言，所述熔炼步骤包括：

21）将A356合金、工业纯铝和中间合金预热到200℃；将A356合金和工业纯铝加入到熔炼炉中，合金熔炼温度720～730℃；

22）待A356合金和工业纯铝熔化至呈糊状时加入铝硅中间合金，并铺撒覆盖剂；

23）保温约1小时左右合金全部熔化，用钟形罩将铝锶变质剂压入熔体进行变质处理，锶的量控制在熔体总质量的0.01%左右（～100ppm）；

24）用GBF（气泡流过滤法）设备对熔体进行除气除渣精炼；静置，待熔体温度降至680～700℃后，快速平稳地浇注到预热的金属模具中。

进一步而言，所述覆盖剂成分及重量百分比：50%氯化钾与50%氯化钠的混合，覆盖剂用量控制在熔体总质量的4%左右。

进一步而言，所述热处理后的合金室温抗拉强度达到308MPa，断后伸长率8.3%。

本发明的合金与现有铸造铝硅合金相比具有如下突出的优点：

1、本发明的铝硅合金同时具有较高的强度和良好的塑性，在T6热处理工艺条件下，本发明合金典型力学性能为：抗拉强度308MPa、伸长率8.3%。与成分相近的A356合金、ZL101合金、ZL101A合金相比，抗拉强度和伸长率均有明显提升。

2、与同类型的铝硅合金相比，降低了合金元素的含量，在提高力学性能的同时未添加贵金属或稀土金属元素，没有增加合金成本。

3、本发明的合金中主合金元素含量和ZL101等合金相当，因此具有良好的铸造成形性能。

4、本发明铝硅合金广泛适用于重力铸造生产有轻量化要求的零部件，在汽车零部件生产工业中具有广阔的应用前景。

具体实施方式

本发明提出了一种高强韧重力铸造铝硅合金，其主要成分及其质量百分比含量为：硅6.60～7.40%，镁0.18～0.20%，铜0.06～0.08%，钛0.07～0.10%，锌0.035～0.040%，锰0.012～0.013%，锶0.008～0.009%，杂质元素铁≤0.16%，其他微量元素总和≤0.002%，其余为铝。

下面通过具体较佳实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例1

按照本发明铝硅合金的成分配制熔炼合金材料，采用金属型重力铸造工艺浇注一批汽车制动钳体铸件，并进行T6热处理；下表1为步骤一的配料表。

表1步骤一的配料组分及其含量

步骤二：熔炼

将A356合金、工业纯铝和中间合金预热到200℃。将A356合金和工业纯铝加入到熔炼炉中，合金熔炼温度720～730℃。待A356合金和工业纯铝熔化至呈糊状时加入铝硅中间合金，并铺撒覆盖剂（覆盖剂成分重量百分比：50%氯化钾+50%氯化钠），覆盖剂用量控制在熔体总质量的4%左右。保温约1小时左右合金全部熔化，用钟形罩将铝锶变质剂压入熔体进行变质处理，锶的量控制在熔体总质量的0.01%左右（～100ppm）。用GBF（GasBubblingFiltration）设备对熔体进行除气除渣精炼。静置，待熔体温度降至680～700℃后，快速平稳地浇注到预热的金属模具中。

步骤三：热处理工艺

热处理工艺的具体工艺参数如下：

固溶温度：535±5℃；固溶时间：5h；淬火介质：水；淬火温度：60～80℃；时效温度：170℃；时效时间：6h。

通过上述步骤获得汽车制动钳体一批，用光谱仪分析获知该批铸件材料中含有硅7.36%，镁0.20%，铁0.16%，铜0.07%，钛0.08%，锌0.04%，锰0.01%，锶0.009%，其余为铝和极微量不可避免的杂质。按照国标GB/T228-2002取标准试样进行力学性能测试的结果为：抗拉强度306MPa；伸长率6.5%。

实施例2

按照本发明铝硅合金的成分配制熔炼合金材料，采用金属型重力铸造工艺浇注一批汽车制动钳体铸件，并进行T6热处理。

步骤一：配料

表2步骤一的配料组分及其含量

步骤二：熔炼；步骤三：热处理；

步骤二、三的工艺均与实施例一相同。

通过上述步骤获得汽车制动钳体一批，用光谱仪分析获知该批铸件材料中含有硅6.68%，镁0.19%，铁0.13%，铜0.07%，钛0.10%，锌0.04%，锰0.01%，锶0.008%，其余为铝和极微量不可避免的杂质。按照国标GB/T228-2002取标准试样进行力学性能测试的结果为：抗拉强度308MPa；伸长率8.3%。

实施例3

按照本发明铝硅合金的成分配制熔炼合金材料，采用金属型重力铸造工艺浇注一批通讯扣件铸件，并进行T6热处理；表3步骤一的配料组分及其含量。

表3步骤一：配料

步骤二：熔炼；步骤三：热处理工艺；

步骤二、三的工艺均与实施例一相同。

本发明合金与硅含量相近的部分铝硅合金的的室温拉伸力学性能对比，列于下表，下表4为合金性能对比表。

表4合金性能对比表

通过上述步骤获得通讯扣件一批，用光谱仪分析获知该批铸件材料中含有硅6.70%，镁0.18%，铁0.16%，铜0.07%，钛0.10%，锌0.06%，锰0.01%，锶0.009%，其余为铝和极微量不可避免的杂质。按照国标GB/T228-2002取标准试样进行力学性能测试的结果为：抗拉强度306MPa；伸长率7.0%。

综上所述，本发明的铝硅合金在保持良好铸造性能的同时具有较高的力学性能，并且不需要添加特殊合金元素或采用特殊的制备工艺，且原材料成本低、来源与配制方便；特别适用于制造对于强度和韧性都有较高要求的轻量化零部件，适合在汽车零部件制造工业中进行推广应用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种高强韧重力铸造铝硅合金，其特征在于：其主要成分及其质量百分比含量为：硅6.60～7.40％，镁0.18～0.20％，铜0.06～0.08％，钛0.07～0.10％，锌0.035～0.040％，锰0.012～0.013％，锶0.008～0.009％，杂质元素铁≤0.16％，其他微量元素总和≤0.002％，其余为铝；

采用金属型重力铸造技术，并进行T6热处理工艺制备的铝硅合金；其主要包括步骤：配料、熔炼和热处理工艺；

所述熔炼步骤包括：

21)将A356合金、工业纯铝和中间合金预热到200℃；将A356合金和工业纯铝加入到熔炼炉中，合金熔炼温度720～730℃；

22)待A356合金和工业纯铝熔化至呈糊状时加入铝硅中间合金，并铺撒覆盖剂；

23)保温1小时合金全部熔化，用钟形罩将铝锶变质剂压入熔体进行变质处理，锶的量控制在熔体总质量的0.01％；

24)用GBF设备对熔体进行除气除渣精炼；静置，待熔体温度降至680～700℃后，快速平稳地浇注到预热的金属模具中。

2.根据权利要求1所述的高强韧重力铸造铝硅合金，其特征在于：所述铝硅合金的配料包含以下重量百分比含量的各组分：47.5-50.0％的A356合金、34.6-40.0％的工业纯铝、及13.5-15.4％的中间合金。

3.根据权利要求2所述的高强韧重力铸造铝硅合金，其特征在于：所述A356合金包含的主要成分及质量百分比含量为：7.00％硅，0.40％镁，0.15-0.16％铜，0.16-0.20％铁，0.08％锌，0.02-0.05％锰，0.20％钛；所述工业纯铝包含的主要成分及质量百分比含量为：0.10-0.15％铁，0.01-0.04％锌，0.01％锰；所述中间合金包含的主要成分及质量百分比含量为：25.00％硅，0.10％铁。

4.根据权利要求1所述的高强韧重力铸造铝硅合金，其特征在于：所述覆盖剂成分及重量百分比：50％氯化钾与50％氯化钠的混合，覆盖剂用量控制在熔体总质量的4％。

5.根据权利要求1所述的高强韧重力铸造铝硅合金，其特征在于：热处理后的合金室温抗拉强度达到308MPa，断后伸长率8.3％。