CN105112743A - 一种高韧性铸锻铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高韧性铸锻合金及其制备方法，其中铸锻合金的合金成分按质量百分比构成为：Si？2.50～2.88％，Zn0.25～0.50%，Mg？0.35～0.45％，Cu？0.35～0.45％，Ti？0.12～0.19％，Sc？0.10～0.23％，余量为铝。本发明通过合理的熔炼、铸造工艺，并经适宜的热加工和热处理，可获得晶粒细小、与基体保持共格关系第二相粒子弥散发布的组织，合金综合力学性能明显高于一般铸造铝合金的性能。本发明高韧性铸锻合金兼顾铸造法和锻造法两种工艺的优点，使合金具有较高力学性能的同时还具有一定的锻造变形能力，能够实现铸件锻造成型，适用于高强度高韧性需求的汽车轮毂制造。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种高韧性铸锻合金及其制备方法，属于有色金属铝基合金技术领域。
二、背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术的飞速发展，对铝合金材料的需求日益增多。但同时在长期的应用实践中，一些领域对铝合金材料的强度、韧性及高温性能等要求越来越高。常用的铝合金根据其成形方法可以分为铸造铝合金和锻造铝合金。其中，铸造铝合金虽然能成形较复杂的零件，但强度有限，性能较低；锻造铝合金性能较高，但不易制备复杂零件，且成形工序复杂、成本高。若通过合金设计和工艺设计制成铸锻合金，可兼顾铸造和锻造两种工艺的优点，即先通过铸造实现净近成形，通过锻造减少缺陷、提高性能，在性能接近于锻造铝合金的同时，能够节省原料、减少工序、降低生产成本。通过合理设计Al、Si的相对含量，可以在铸造合金基础上使其具有一定的塑性，但如果不借助于微量Sc和Ti、Zr等合金元素的多元合金化作用或其他合金化手段，并设计出与此相配的制备技术，则无法使其具备优秀的铸造性能、锻造性能和综合力学性能。
三、发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种具备优良的铸造性能、锻造性能和综合力学性能的高韧性铸锻合金及其制备方法。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明通过合金设计、控制Si、Zn、Cu含量并通过元素Sc、Ti的复合添加及微合金化，制备得到具有优良成形性和综合力学性能的高韧性铸锻合金。
本发明高韧性铸锻合金的合金成分按质量百分比构成如下：
Si2.50～2.88％，Zn0.25～0.50%，Mg0.35～0.45％，Cu0.35～0.45％，Ti0.12～0.19％，Sc0.10～0.23％，余量为铝。
本发明高韧性铸锻合金是通过如下工艺制备得到的：
(1)配料：按配比量称取纯铝、Al-Si中间合金、Al-Zn中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Ti中间合金及Al-Sc中间合金；
(2)熔化：向预热至280℃~320℃的坩埚中先加入烘干的Al-Si中间合金和Al-Zn中间合金，随后加入纯铝覆盖，然后随炉一起升温到750℃，待全部熔化后静置并保温20min；将Al-Cu中间合金和Al-Ti中间合金加入到已熔化的合金熔液中，然后随炉一起升温到800℃，待全部熔化后静置并保温10min；将温度调至730℃，加入Al-Sc中间合金和Al-Mg中间合金，然后随炉一起升温到800℃，全部熔化后用搅拌棒搅拌均匀，静置并保温10min；
(3)精炼：将步骤(2)得到的合金熔液撇渣后将精炼剂置于合金熔液的底部，精炼除气，于730℃静置保温10～20min，除渣,所述精炼剂为C2Cl6，精炼剂的添加量为合金熔液质量的0.7％；
(4)浇注：将精炼后的合金熔液升温至800℃，采用金属型模具进行浇注；
(5)固溶处理：将步骤(4)浇注的合金于500℃固溶保温5h，出炉淬火，所述淬火是于70-90℃的循环水中水淬，出炉至淬入水中时间≤25s，水中冷却时间3～5min；
(6)锻造：将步骤(5)淬火后的合金在自由锻机上进行10％的锻造变形，预锻温度控制在450℃，终锻温度控制在400℃。
(7)热处理：将步骤(6)锻造后的合金于540℃固溶保温5h，出炉淬火，然后于160℃保温3h，出炉后置于空气中冷却，所述淬火是于65-85℃的循环水中水淬，出炉至淬入水中时间≤30s，水中冷却时间4～6min。
相对于国内外使用的铸造铝合金，本发明由于设计的合金Si含量为2.50～2.88％，据此所得到的Al-Zn-Si-Mg-Cu合金可以通过铸造成型，由于铸后组织中Si相比例低，结合适当的热处理进一步减少共晶Si相，可使合金具有锻造成形性,Zn、Cu元素的加入可进一步提高合金的韧性，适合进一步的锻造成型。本发明将稀土Sc与过渡金属Ti联合作用在铝合金中，对性能的提高效果比之单独添加更加明显。Ti的某些物理及力学性能与Sc接近，在Al-Sc合金中Ti能够置换Al3Sc相中Sc原子而形成Al3(Sc,Ti)相，该相与Al3Sc相比，晶格常数(a＝0.407nm)与基体更接近，与基体错配度(约为0.5％)更小，晶格常数的差异率降低，非均质形核效率增高，晶粒细化效果显著增强。
本发明合金在时效过程中析出的次生Al3(Sc,Ti)粒子强烈的钉扎位错，阻碍位错运动，同时阻止了亚晶界迁移与合并，提高了合金的再结晶温度，从而对合金产生了亚结构强化作用。此外，次生Al3(Sc,Ti)在合金中以弥散、细小的方式析出，其本身对合金也具有极为显著的析出强化作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明设计的合金Si含量为2.50～2.88％，据此所得到的Al-Zn-Si-Mg-Cu合金可以通过铸造成型，由于铸后组织中Si相比例低，结合适当的热处理进一步减少共晶Si相，Zn、Cu元素的加入可进一步提高合金的韧性，可使合金具有锻造成形性。本发明合金中添加了微量的稀土Sc元素，在铝合金铸造工艺实施时具有细化、净化作用，在时效工艺中，可以析出含Sc、Ti的细小、弥散、与基体保持共格关系的L12型Al3(Sc,Ti)相粒子，该粒子能显著强化合金、提高合金性能。本发明在合金制备时采用铸造+锻造的工艺，兼顾了铸造合金和锻造合金的优点，较之铸造合金其组织改善、性能提高，较之锻造合金节约了原料、降低了成本。本发明合金高韧性铸锻合金兼顾了铸造合金和锻造合金的优点，具有较高力学性能的同时还具有一定的锻造变形能力。合金锻造后态抗拉强度可达到280～294MPa，伸长率达到12.7～16.2％，明显超过一般铸造铝合金的力学性能。
四、具体实施方式
下面结合实施例详细说明，下面实施例是说明性的，而不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
本发明所提供的合金成分(合金成分均为质量百分比，％)范围为：Si2.50～2.88％，Zn0.25～0.50%，Mg0.35～0.45％，Cu0.35～0.45％，Ti0.12～0.19％，Sc0.10～0.23％，余量为铝。
表1实施例1-3中合金配比构成如下：
实施例1：
本实施例按如下步骤制备Al-Si-Mg-Cu-Ti-Sc铸锻合金：
1、配料：按照96.33％Al、2.50％Si、0.25％Zn、0.35％Mg、0.35％Cu、0.12％Ti和0.10％Sc的质量百分比，称取纯铝(纯度为99.99％)、Al-21.54％Si中间合金、Al-60.32％Zn中间合金、Al-50.38％Mg中间合金、Al-39.37％Cu中间合金、Al-3.93％Ti中间合金和Al-2.02％Sc中间合金，配料总质量为1000g；
2、熔化：向预热至300℃的坩埚中先加入烘干的Al-Si中间合金和Al-Zn中间合金，随后加入纯铝覆盖，然后随炉一起升温到750℃，待全部熔化后静置并保温20min；将Al-Cu中间合金和Al-Ti中间合金加入到已熔化的合金熔液中，然后随炉一起升温到800℃，待全部熔化后静置并保温10min；将温度调至730℃，加入Al-Sc中间合金和Al-Mg中间合金，然后随炉一起升温到800℃，全部熔化后用搅拌棒搅拌均匀，静置并保温10min。
3、精炼：用扒渣勺将步骤2得到的合金熔液表层的浮渣快速撇去，撇渣后将精炼剂C2Cl6置于合金熔液的底部，精炼除气，于730℃静置保温10～20min。精炼剂C2Cl6的添加量为合金熔液质量的0.7％。
4、浇注：将精炼后的合金熔液升温至800℃，采用金属型模具进行浇注。
5、固溶处理：将步骤4浇注的合金于500℃固溶保温5h，出炉后于70-90℃水中水淬。出炉至淬入水中时间≤25s，水中冷却时间3～5min。
6、锻造：将步骤5淬火后的合金在自由锻打机上进行10％的锻造变形，预锻温度控制在450℃，终锻温度控制在400℃。
7、热处理：将步骤(6)锻造后的合金于540℃固溶保温5h，出炉淬火，然后于160℃保温3h，出炉后置于空气中冷却既得成品，所述淬火是于65-85℃的循环水中水淬，出炉至淬入水中时间≤30s，水中冷却时间4～6min。
实施例2：
本实施例配料见表1。
本实施例制备方法同实施例1。
实施例3：
本实施例配料见表1。
本实施例制备方法同实施例1。
实验例
在相同实验条件下对实施例1－3和A356铝合金进行对比，比较其抗拉强度和伸长比，实验结果如表2所示
表2实施例1－3和A356铝合金的实验指标对比
| 样本 | 抗拉强度（MPa） | 伸长率（％） |
| 实施例1 | 280 | 16.2 |
| 实施例2 | 294 | 12.7 |
| 实施例3 | 290 | 14.9 |
| A356铝合金 | 240 | 8.0 |
由表2可以看出，与现有的A356铝合金相比，本发明实施例1－3制得的合金在物理性能上得到了明显的提升，具有较高的韧性和抗拉性能，可使合金具有锻造成形性。
本发明的高韧性铸锻合金用于汽车轮毂、拨叉与其他材质的相同零件相比，具有降低的成本和较高的性能，与相同承载性能的铸造轮毂相比，可减重25％，与相同承载性能的的锻造合金轮毂相比，在不降低整体性能的情况下可进一步的降低成本。
Claims (5)
1.一种高韧性铸锻合金，其特征在于所述铸锻合金的合金成分按质量百分比构成如下：
Si2.50～2.88％，Zn0.25～0.50%，Mg0.35～0.45％，Cu0.35～0.45％，Ti0.12～0.19％，Sc0.10～0.23％，余量为铝。
2.一种权利要求1所述的高韧性铸锻合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)配料：按配比量称取纯铝、Al-Si中间合金、Al-Zn中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Ti中间合金及Al-Sc中间合金；
(2)熔化：向预热至280℃~320℃的坩埚中先加入烘干的Al-Si中间合金和Al-Zn中间合金，随后加入纯铝覆盖，然后随炉一起升温到750℃，待全部熔化后静置并保温20min；将Al-Cu中间合金和Al-Ti中间合金加入到已熔化的合金熔液中，然后随炉一起升温到800℃，待全部熔化后静置并保温10min；将温度调至730℃，加入Al-Sc中间合金和Al-Mg中间合金，然后随炉一起升温到800℃，全部熔化后用搅拌棒搅拌均匀，静置并保温10min；
(3)精炼：将步骤(2)得到的合金熔液撇渣后将精炼剂置于合金熔液的底部，精炼除气，于730℃静置保温10～20min，除渣；
(4)浇注：将精炼后的合金熔液升温至800℃，采用金属型模具进行浇注；
(5)固溶处理：将步骤(4)浇注的合金于500℃固溶保温5h，出炉淬火；
(6)锻造：将步骤(5)淬火后的合金在自由锻机上进行10％的锻造变形，预锻温度控制在450℃，终锻温度控制在400℃；
(7)热处理：将步骤(6)锻造后的合金于540℃固溶保温5h，出炉淬火，然后于160℃保温3h，出炉后置于空气中冷却。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
所述精炼剂为C2Cl6，精炼剂的添加量为合金熔液质量的0.7％。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
步骤(5)中所述淬火是于70-90℃的循环水中水淬，出炉至淬入水中时间≤25s，水中冷却时间3～5min。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
步骤(7)中所述淬火是于65-85℃的循环水中水淬，出炉至淬入水中时间≤30s，水中冷却时间4～6min。
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