CN105543584A - 重力铸造与热挤出组合工艺制备高强高塑高韧亚共晶铝硅合金材料的方法 - Google Patents

重力铸造与热挤出组合工艺制备高强高塑高韧亚共晶铝硅合金材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种重力铸造与热挤出组合工艺制备高强高塑高韧亚共晶铝硅合金材料的方法，制得的亚共晶Al-Si合金具有抗拉强度为300～470MPa，屈服强度在260～390MPa，延伸率在16～22％，冲击韧性在80～120J/cm2的性能。本发明采用重力铸造与热挤出相结合的制备工艺，克服了传统重力铸造制备Al-Si合金材料的强度、塑性、韧性不高的缺点，同时也拓展了热挤出工艺在亚共晶Al-Si合金材料制备中的应用空间。该工艺将Al-Si合金中的共晶硅破碎、球化并均匀分散在合金基体中，同时增加了织构组织和再结晶晶粒，优化了合金组织，从而大幅度提高合金的强度、塑性、韧性。

Description

重力铸造与热挤出组合工艺制备高强高塑高韧亚共晶铝硅合金材料的方法
技术领域
本发明涉及一种制备铝硅合金材料的方法，更特别地说，是指一种采用重力铸造与热挤出组合工艺来制造具有高强、高塑、高韧的亚共晶铝硅合金材料，以及其组合的方法。
背景技术
Al-Si铸造合金，作为铸造铝合金中重要系列之一，具有低密度，低膨胀系数、高耐磨性、高抗腐蚀性、优良的铸造性能，无热裂倾向，小的线收缩，好的气密性，易气焊等优点，广泛应用于航空工业和汽车工业等。能源、环保、安全是当今世界工业面临的三大课题。减轻产品自重，可以降低能耗，减少环境污染，节约有限的资源。在科学技术飞速发展的今天，新一代的航空工业和汽车工业对材料又提出了更轻、更强，塑性和韧性更高的要求。因此，在传统合金材料的基础上开发新材料、研究新工艺的需求已十分迫切。
重力铸造是指金属液在地球重力作用下注入铸型的工艺，也称重力浇铸。广义的重力铸造包括砂型浇铸、金属型浇铸、熔模铸造、消失模铸造，泥模铸造等；窄义的重力铸造主要指金属型浇铸。
热挤压是对放在容器中的金属坯料在高于室温的条件下施加外力，使之从特定的模空中挤出，获得所需要断面形状和尺寸的一种塑性加工方法。
然而，由于Al-Si铸造合金在铸造过程产生的铸造缺陷、组织晶粒粗大等原因，限制了该合金力学性能，制约了该合金的应用范围。同时，对于变形铝合金以及过共晶高硅(含量)，经过热处理后具有高强度。因此，将Al-Si铸造合金采用合理的挤出工艺和热处理工艺相结合的方式开发新型高强高塑高韧亚共晶Al-Si合金具有一定的意义。
发明内容
本发明的目的是采用重力铸造与热挤出相结合的制备工艺，克服了传统重力铸造制备Al-Si合金材料的强度、塑性、韧性不高的缺点，同时也拓展了热挤出工艺在亚共晶Al-Si合金材料制备中的应用空间。该工艺将Al-Si合金中的共晶硅破碎、球化并均匀分散在合金基体中，同时增加了织构组织和再结晶晶粒，优化了合金组织，从而大幅度提高合金的强度、塑性、韧性。
本发明提出了一种重力铸造与热挤出组合工艺制备高强高塑高韧亚共晶铝硅合金材料的方法，其特征在于包括有下列步骤：
步骤一，配目标成分；
依据目标成分选取质量分数99.0％～99.9％的纯铝、质量分数98％的金属硅、质量分数99.85％～99.95％的纯镁和/或质量分数99.5％的纯铜；
步骤二，采用重力铸造工艺制合金锭；
步骤21，将步骤一中的原料加入石墨坩埚内，使用高频感应炉进行熔炼；调节熔炼工艺参数：熔炼温度为720℃～800℃，保温时间为10～30min后，得到Al-Si液态合金；
步骤22，采用CCl6除渣3～10min后，将Al-Si液态合金浇注到预热到120℃的金属模具中，冷却，得到Al-Si合金锭；
步骤三，采用热挤出工艺制挤出合金；
将步骤二制得的Al-Si合金锭加入真空热压机中，在真空度为1.0×10-3MPa，挤出温度为400℃～500℃，挤压强度为200～350MPa，挤出比为16:1～10:1的条件下，制得挤出合金。
步骤四，热处理；
将步骤三制得的挤出合金经过515℃，16小时的固溶处理，室温冷水淬火，175℃，7小时时效处理，得到目标亚共晶Al-Si合金。
经本发明方法制得的亚共晶铝硅合金具有抗拉强度为300MPa～470MPa，屈服强度在260MPa～390MPa，延伸率在16～22％，冲击韧性在80J/cm2～120J/cm2的性能。
经本发明方法制得的亚共晶铝硅合金材料能够用于加工卡车或者巴士的铝合金轮毂中。
本发明采用重力铸造与热挤出相结合的制备工艺，其优点在于：将重力铸造和热挤出应用于亚共晶Al-Si合金当中；显著改善了合金组织形貌，促进了共晶硅组织的均匀分布；力学性能显著改善，尤其是塑性。
附图说明
图1A是经实施例1中经重力铸造后的Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金锭的晶相照片。
图1B是经实施例1中经热挤出后的Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金的晶相照片。
图1C是经实施例1中经热处理后的Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金的晶相照片。
图1D是经实施例1工艺制得的亚共晶Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金的拉伸性能曲线。
图2A是经实施例2中经重力铸造后的Al-7Si-0.4Mg合金锭的晶相照片。
图2B是经实施例2中经热挤出后的Al-7Si-0.4Mg合金的晶相照片。
图2C是经实施例2中经热处理后的Al-7Si-0.4Mg合金的晶相照片。
图2D是经实施例2工艺制得的亚共晶Al-7Si-0.4Mg合金的拉伸性能曲线。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种重力铸造与热挤出组合工艺制备高强高塑高韧亚共晶铝硅合金材料的方法，该方法包括有步骤：
步骤一，配目标成分；
依据目标成分选取纯铝(Al，工业级，质量分数99.0％～99.9％)、金属硅(Si，工业级，质量分数98％左右)、纯镁(Mg，工业级，质量分数99.85％～99.95％)和/或纯铜(Cu，工业级，质量分数大于99.5％)。
步骤二，采用重力铸造工艺制合金锭；
步骤21，将步骤一中的原料加入石墨坩埚内，使用高频感应炉进行熔炼；调节熔炼工艺参数：熔炼温度为720℃～800℃，保温时间为10～30min后，得到Al-Si液态合金；
步骤22，采用CCl6除渣3～10min后，将Al-Si液态合金浇注到预热到120℃的金属模具中，冷却，得到Al-Si合金锭；
步骤三，采用热挤出工艺制挤出合金；
将步骤二制得的Al-Si合金锭加入真空热压机中，在真空度为1.0×10-3MPa，挤出温度为400℃～500℃，挤压强度为200～350MPa，挤出比为16:1～10:1的条件下，制得挤出合金。
步骤四，热处理；
将步骤三制得的挤出合金经过515℃，16小时的固溶处理，室温冷水淬火，175℃，7小时时效处理，得到目标亚共晶Al-Si合金。
实施例1
制亚共晶Al-7Si-0.5Mg-3Cu(wt.％)合金
步骤一，配Al-7Si-0.5Mg-3Cu目标成分；
依据目标成分Al-7Si-0.5Mg-3Cu选取纯铝、金属硅、纯镁和纯铜。
步骤二，采用重力铸造工艺制合金锭；
步骤21，将步骤一中的原料加入石墨坩埚内，使用高频感应炉进行熔炼；调节熔炼工艺参数：熔炼温度为740℃，保温时间为20min后，得到Al-7Si-0.5Mg-3Cu液态合金；
在本发明中，重力铸造中的熔炼设备选用香港东达实业有限公司生产的DD-25型号高频感应炉。
步骤22，采用CCl6除渣10min后，将Al-7Si-0.5Mg-3Cu液态合金浇注到预热到120℃的金属模具中，冷却，得到Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金锭；
制得的Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金锭的晶相照片如图1A所示，图中，硅相呈片状或长针状，弥散分布。采用电子探针进行晶相分析
步骤三，采用热挤出工艺制挤出合金；
将步骤二制得的Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金锭加入真空热压机中，在真空度为1.0×10-3MPa，挤出温度为450℃，挤压强度为300MPa，挤出比为10:1的条件下，制得挤出Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金。
在本发明中，真空热压机选用沈阳威泰科技发展有限公司生产的WT1700真空热压机。
制得的挤出Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金的晶相照片如图1B所示，图中，硅相晶粒细小，沿挤出方向均匀分布。富铜相(白色颗粒)沿挤出方向均匀分布。
步骤四，热处理；
将步骤三制得的挤出Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金经过515℃，16小时的固溶处理，室温冷水淬火，175℃，7小时时效处理，得到亚共晶Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金。
制得的亚共晶Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金的晶相照片如图1C所示，图中，硅相晶粒更加细小，分布更加均匀。富铜相(白色颗粒)经热处理后变成为纳米级析出相，均匀分布在基体中。图1C与图1A相比，可知硅相被破碎为细小颗粒，且沿挤出方向均匀分布；同时富铜相变成为纳米级析出相，均匀分布在基体中。
对实施1制得的亚共晶Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金进行性能分析；
采用Instron8801，50KN液压伺服疲劳试样机设备分析经实施例1制得的亚共晶Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金的拉伸性能：从图1D中能够看出抗拉强度为470MPa，屈服强度在390MPa，延伸率在16％。
采用SANS(ZBC2302-B)冲击试验机分析制得的亚共晶Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金的冲击性能：其冲击韧性在70J/cm2。
经实施例1制得的亚共晶Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金能够用于加工卡车或者巴士的铝合金轮毂中。
采用实施例1相同的合金成分，不同挤出温度，不同挤压强度，不同挤出比的条件下，将合金材料挤出成型。
在挤出温度400℃，挤压强度300MPa，挤出比10:1的条件下，将合金材料挤出成型。其抗拉强度为420MPa，屈服强度在360MPa，延伸率在15％，冲击韧性在120J/cm2。
在挤出温度500℃，挤压强度300MPa，挤出比10:1的条件下，将合金材料挤出成型。其抗拉强度为440MPa，屈服强度在380MPa，延伸率在16％，冲击韧性在64J/cm2。
实施例2
制亚共晶Al-7Si-0.4Mg(wt.％)合金
步骤一，配Al-7Si-0.4Mg目标成分；
依据目标成分Al-7Si-0.4Mg(wt.％)选取纯铝、金属硅和纯镁。
步骤二，采用重力铸造工艺制合金锭；
步骤21，将步骤一中的原料加入石墨坩埚内，使用高频感应炉进行熔炼；调节熔炼工艺参数：熔炼温度为740℃，保温时间为20min后，得到Al-7Si-0.4Mg液态合金；
步骤22，采用CCl6除渣10min后，将Al-7Si-0.4Mg液态合金液浇注到预热到120℃的金属模具中，冷却，得到Al-7Si-0.4Mg合金锭；
制得的Al-7Si-0.4Mg合金锭的晶相照片如图2A所示，图中，硅相呈片状或长针状，弥散分布。采用光学显微镜进行晶相分析。
步骤三，采用热挤出工艺制挤出合金；
将步骤二制得的Al-7Si-0.4Mg合金锭加入真空热压机中，在真空度为1.0×10-3MPa，挤出温度为400℃，挤压强度为300MPa，挤出比为10:1的条件下，制得挤出Al-7Si-0.4Mg合金。
制得的挤出Al-7Si-0.4Mg合金的晶相照片如图2B所示，图中，硅相晶粒细小，沿挤出方向均匀分布。
步骤四，热处理；
将步骤三制得的挤出Al-7Si-0.4Mg合金经过515℃，16小时的固溶处理，室温冷水淬火，175℃，7小时时效处理，得到亚共晶Al-7Si-0.4Mg合金。
制得的亚共晶Al-7Si-0.4Mg合金的晶相照片如图2C所示，图中，硅相晶粒更加细小，分布更加均匀。硅颗粒经热处理后变成为纳米级析出相，均匀分布在基体中。图2C与图2A相比，可知硅相被破碎为细小颗粒，且沿挤出方向均匀分布。
对实施2制得的亚共晶Al-7Si-0.4Mg合金进行性能分析；
采用Instron8801，50KN液压伺服疲劳试样机设备分析经实施例2制得的亚共晶Al-7Si-0.4Mg合金的拉伸性能：从图2D中能够看出抗拉强度为390MPa，屈服强度在360MPa，延伸率在21％。
采用实施例2相同的合金成分，不同的挤出温度，挤压强度，不同挤出比的条件下，将合金材料挤出成型。
在挤出温度450℃，挤压强度200MPa，挤出比10:1的条件下，将合金材料挤出成型。其抗拉强度为360MPa，屈服强度在310MPa，延伸率在21％，冲击韧性在88J/cm2。
在挤出温度450℃，挤压强度250MPa，挤出比16:1的条件下，将合金材料挤出成型。其抗拉强度为390MPa，屈服强度在330MPa，延伸率在22％，冲击韧性在96J/cm2。
实施例3
制亚共晶Al-6Si-0.5Mg-2Cu(wt.％)合金
步骤一，配Al-6Si-0.5Mg-2Cu目标成分；
依据目标成分Al-6Si-0.5Mg-2Cu(wt.％)选取纯铝、金属硅、纯镁和纯铜。
步骤二，采用重力铸造工艺制合金锭；
步骤21，将步骤一中的原料加入石墨坩埚内，使用高频感应炉进行熔炼；调节熔炼工艺参数：熔炼温度为740℃，保温时间为20min后，得到Al-6Si-0.5Mg-2Cu液态合金；
步骤22，采用CCl6除渣10min后，将Al-6Si-0.5Mg-2Cu液态合金液浇注到预热到120℃的金属模具中，冷却，得到
Al-6Si-0.5Mg-2Cu合金锭；经电子探针分析，Al-6Si-0.5Mg-2Cu合金锭中硅相呈片状或长针状，弥散分布。
步骤三，采用热挤出工艺制挤出合金；
将步骤二制得的Al-6Si-0.5Mg-2Cu合金锭加入真空热压机中，在真空度为1.0×10-3MPa～1.0×10-3MPa，挤出温度400℃，挤压强度为300MPa，挤出比为10:1的条件下，制得挤出Al-6Si-0.5Mg-2Cu合金。经电子探针分析Al-6Si-0.5Mg-2Cu合金硅相晶粒细小，沿挤出方向均匀分布。富铜相(白色颗粒)沿挤出方向均匀分布。
步骤四，热处理；
将步骤三制得的挤出Al-6Si-0.5Mg-2Cu合金经过515℃，16小时的固溶处理，室温冷水淬火，175℃，7小时时效处理，得到亚共晶Al-6Si-0.5Mg-2Cu合金。经电子探针分析，亚共晶Al-6Si-0.5Mg-2Cu合金硅相被破碎为细小颗粒，且沿挤出方向均匀分布；同时富铜相变成为纳米级析出相，均匀分布在基体中。
对实施3制得的亚共晶Al-6Si-0.5Mg-2Cu合金进行性能分析；
采用Instron8801，50KN液压伺服疲劳试样机设备分析经实施例3制得的亚共晶Al-6Si-0.5Mg-2Cu合金的拉伸性能：抗拉强度为470MPa，屈服强度在390MPa，延伸率在16％。
采用实施例3相同的合金成分，不同的挤出温度，挤压强度，不同挤出比的条件下，将合金材料挤出成型。
在挤出温度450℃，挤压强度350MPa，挤出比10:1的条件下，将合金材料挤出成型。其抗拉强度为400MPa，屈服强度在350MPa，延伸率在18％，冲击韧性在110J/cm2。
在挤出温度500℃，挤压强度350MPa，挤出比10:1的条件下，将合金材料挤出成型。其抗拉强度为380MPa，屈服强度在330MPa，延伸率在17％，冲击韧性在109J/cm2。
本发明提出了一种重力铸造与热挤出工艺的组合方法，所要解决的是在重力铸造过程产生的铸造缺陷、组织晶粒粗大的技术问题，该方法通过对重力铸造制得的合金锭经热挤出再处理，最后经热处理制得亚共晶Al-Si合金的技术手段，使得亚共晶Al-Si合金具有抗拉强度为300MPa～470MPa，屈服强度在260MPa～390MPa，延伸率在16～22％，冲击韧性在80J/cm2～120J/cm2的性能。

Claims (6)

1.一种重力铸造与热挤出组合工艺制备高强高塑高韧亚共晶铝硅合金材料的方法，其特征在于包括有下列步骤：
步骤一，配目标成分；
依据目标成分选取质量分数99.0％～99.9％的纯铝、质量分数98％的金属硅、质量分数99.85％～99.95％的纯镁和/或质量分数99.5％的纯铜；
步骤二，采用重力铸造工艺制合金锭；
步骤21，将步骤一中的原料加入石墨坩埚内，使用高频感应炉进行熔炼；调节熔炼工艺参数：熔炼温度为720℃～800℃，保温时间为10～30min后，得到Al-Si液态合金；
步骤22，采用CCl6除渣3～10min后，将Al-Si液态合金浇注到预热到120℃的金属模具中，冷却，得到Al-Si合金锭；
步骤三，采用热挤出工艺制挤出合金；
将步骤二制得的Al-Si合金锭加入真空热压机中，在真空度为1.0×10-3MPa，挤出温度为400℃～500℃，挤压强度为200～350MPa，挤出比为16:1～10:1的条件下，制得挤出合金。
步骤四，热处理；
将步骤三制得的挤出合金经过515℃，16小时的固溶处理，室温冷水淬火，175℃，7小时时效处理，得到目标亚共晶Al-Si合金。
2.根据权利要求1所述的一种重力铸造与热挤出组合工艺制备高强高塑高韧亚共晶铝硅合金材料的方法，其特征在于：制得的亚共晶铝硅合金成分为Al-7Si-0.5Mg-3Cu。
3.根据权利要求1所述的一种重力铸造与热挤出组合工艺制备高强高塑高韧亚共晶铝硅合金材料的方法，其特征在于：制得的亚共晶铝硅合金成分为Al-6Si-0.5Mg-2Cu。
4.根据权利要求1所述的一种重力铸造与热挤出组合工艺制备高强高塑高韧亚共晶铝硅合金材料的方法，其特征在于：制得的亚共晶铝硅合金成分为Al-7Si-0.4Mg。
5.根据权利要求1所述的一种重力铸造与热挤出组合工艺制备高强高塑高韧亚共晶铝硅合金材料的方法，其特征在于：制得的亚共晶铝硅合金具有抗拉强度为300MPa～470MPa，屈服强度在260MPa～390MPa，延伸率在16～22％，冲击韧性在80J/cm2～120J/cm2的性能。
6.根据权利要求1所述的一种重力铸造与热挤出组合工艺制备高强高塑高韧亚共晶铝硅合金材料的方法，其特征在于：制得的亚共晶铝硅合金材料能够用于加工卡车或者巴士的铝合金轮毂中。
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