CN105671376B - 高强高塑重力铸造与室温冷轧亚共晶铝硅合金材料及其制造方法 - Google Patents

高强高塑重力铸造与室温冷轧亚共晶铝硅合金材料及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强高塑重力铸造与室温冷轧亚共晶铝硅合金材料及其制造方法，其制得的亚共晶Al‑Si合金具有抗拉强度为350MPa～490MPa，屈服强度在280MPa～390MPa，延伸率在13～17％的性能。其方法采用重力铸造与室温冷轧的组合工艺，即通过对重力铸造制得的合金锭经室温冷轧的再处理，最后经热处理制得亚共晶Al‑Si合金。本发明的组合工艺能够显著提高合金的综合力学性能尤其是塑性。

Description

高强高塑重力铸造与室温冷轧亚共晶铝硅合金材料及其制造 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室温冷轧组合工艺来制造具有高强、高塑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；狭义的重力铸造主要指金属型浇铸。
冷轧是使用冷轧机在再结晶温度以下对金属坯料进行轧制，使之获得一定的变形量的一种塑性加工方法。本专利采用室温下进行冷轧。
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，对于可变形处理和可热处理强化的铝合金，经过变形处理和热处理后，可以获得很好的力学性能。因此，将Al-Si铸造合金采用合理的轧制工艺和热处理工艺相结合的方式开发新型高强高塑亚共晶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室温冷轧相结合的制备工艺，克服了传统重力铸造制备Al-Si合金材料的强度、塑性不高的缺点，同时也拓展了室温冷轧工艺在亚共晶Al-Si合金材料制备中的应用空间。该工艺可以显著提高合金的综合力学性能尤其是塑性。
本发明是一种采用重力铸造与室温冷轧制备高强高塑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C2Cl6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，室温冷轧和热处理；
将步骤二制得的Al-Si合金锭，经过495～515℃，8～16小时固溶处理，室温冷水淬火，室温冷轧以及退火循环处理，175℃，7小时时效处理，得到目标亚共晶Al-Si合金；
其中，室温冷轧每道次变形量约15％，最大变形量60％；退火处理温度与固溶温度相同，即495～515℃下退火处理10～30min。
采用重力铸造与室温冷轧制备高强高塑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为亚共晶Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金或亚共晶Al-7Si-0.2Mg-3.5Cu合金。
本发明采用重力铸造与室温冷轧相结合的制备工艺，其优点在于：将重力铸造和室温冷轧应用于亚共晶Al-Si合金当中；使得制得的亚共晶Al-Si合金具有抗拉强度为350～490MPa，屈服强度在280～390MPa，延伸率在13～17％的性能，尤其是塑性得到了显著提高。
附图说明
图1是经本发明组合方法制得的亚共晶Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金的拉伸性能图。
图2是经本发明组合方法制得的亚共晶Al-7Si-0.2Mg-3.5Cu合金的拉伸性能图。
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室温冷轧组合工艺制备高强高塑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C2Cl6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，室温冷轧和热处理；
将步骤二制得的Al-Si合金锭，经过495～515℃，8～16小时固溶处理，室温冷水淬火，室温冷轧以及退火循环处理，175℃，7小时时效处理，得到目标亚共晶Al-Si合金。其中，室温冷轧每道次变形量约15％，最大变形量60％；退火处理温度与固溶温度相同，即495～515℃下退火处理10～30min。
实施例1
制亚共晶Al-7Si-0.5Mg-3Cu(wt.％)合金材料
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(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C2Cl6除渣10min后，将Al-7Si-0.5Mg-3Cu液态合金液浇注到预热到120℃的金属模具中，冷却，得到Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金锭；
步骤三，室温冷轧和热处理；
将步骤二制得的Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金锭经过515℃，16小时固溶处理，室温(25℃)冷水淬火，室温冷轧以及退火循环处理，175℃，7小时时效处理，得到目标亚共晶Al-Si合金。其中，室温(25℃)冷轧每道次变形量约15％，经过四道次室温冷轧，最终变形量约50％；退火处理温度515℃，时间30min。
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1中能够看出抗拉强度为445MPa，屈服强度在325MPa，延伸率在17％。
经实施例1制得的亚共晶Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金能够应用到铝合金发动力机缸体中。
采用实施例1相同的合金成分及工艺，不同之处是轧制道次，对应不同的变形量，制得目标合金的性能为：
经过二道次的室温冷轧，变形量约30％的条件下制得合金。其抗拉强度为490MPa，屈服强度在400MPa，延伸率在13％。
经过三道次的室温冷轧，变形量约40％的条件下制得合金。其抗拉强度为450MPa，屈服强度在350MPa，延伸率在15％。
经过五道次的室温冷轧，变形量约60％的条件下制得合金。其抗拉强度为350MPa，屈服强度在280MPa，延伸率在18％。
实施例2
制亚共晶Al-7Si-0.2Mg-3.5Cu(wt.％)合金
步骤一，配Al-7Si-0.2Mg-3.5Cu目标成分；
依据目标成分Al-7Si-0.2Mg-3.5Cu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800℃，保温时间为10min后，得到Al-7Si-0.2Mg-3.5Cu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C2Cl6除渣5min后，将Al-7Si-0.2Mg-3.5Cu液态合金液浇注到预热到120℃的金属模具中，冷却，得到Al-7Si-0.2Mg-3.5Cu合金锭；
步骤三，室温冷轧和热处理；
将步骤二制得的Al-7Si-0.2Mg-3.5Cu合金锭经过495℃，8小时固溶处理，室温(31℃)冷水淬火，室温冷轧以及退火循环处理，175℃，7小时时效处理，得到目标亚共晶Al-Si合金。其中，室温(31℃)冷轧每道次变形量约15％，经过四道次室温冷轧，最终变形量约50％；退火处理温度495℃，时间22min。
对实施2制得的亚共晶Al-7Si-0.2Mg-3.5Cu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-0.2Mg-3.5Cu合金的拉伸性能：从图1中能够看出抗拉强度为450MPa，屈服强度在330MPa，延伸率在16％。
经实施例2制得的亚共晶Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金能够应用到铝合金发动力机缸体中。
采用实施例2相同的合金成分及工艺，不同之处是轧制道次，对应不同的变形量，制得目标合金的性能为：
经过二道次的室温冷轧，变形量约30％的条件下制得合金。其抗拉强度为460MPa，屈服强度在350MPa，延伸率在13％。
经过三道次的室温冷轧，变形量约40％的条件下制得合金。其抗拉强度为430MPa，屈服强度在330MPa，延伸率在15％。
经过五道次的室温冷轧，变形量约60％的条件下制得合金。其抗拉强度为400MPa，屈服强度在310MPa，延伸率在17％。
本发明提出了一种采用重力铸造与室温冷轧组合工艺来制备具有高强高塑亚共晶铝硅合金材料的方法，所要解决的是在重力铸造合金力学性能尤其是塑性较差的技术问题，该方法通过对重力铸造制得的合金锭经室温冷轧的再处理，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350～490MPa，屈服强度在280～390MPa，延伸率在13～17％的性能。

Claims (3)

1.一种应用到铝合金发动机缸体的采用重力铸造与室温冷轧制备高强高塑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C2Cl6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，室温冷轧和热处理；
将步骤二制得的Al-Si合金锭，经过495～515℃，8～16小时固溶处理，室温冷水淬火，室温冷轧以及退火循环处理，175℃，7小时时效处理，得到目标亚共晶Al-Si合金；
其中，室温冷轧每道次变形量15％，最大变形量60％；退火处理温度与固溶温度相同，即495～515℃下退火处理10～30min。
2.根据权利要求1所述的一种应用到铝合金发动机缸体的采用重力铸造与室温冷轧制备高强高塑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为亚共晶Al-7Si-0.5Mg-3Cu合金或亚共晶Al-7Si-0.2Mg-3.5Cu合金。
3.根据权利要求1所述的一种应用到铝合金发动机缸体的采用重力铸造与室温冷轧制备高强高塑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350～490MPa，屈服强度在280～390MPa，延伸率在13～17％的性能。
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