CN107058816A - 一种半固态成形过共晶Al‑Si合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种半固态成形过共晶Al‑Si合金及其制备方法，属于金属热处理领域；合金组成及质量百分比为，Si：16～18％，Cu：1～5.0％，Mg：0.45～2％，Ti：0.1～0.2％、Fe：0.3～0.5％，余量为Al和不可避免的杂质；制备方法：1)按半固态成形过共晶Al‑Si合金成分配比，熔炼，旋转磁场下浇铸和凝固，得合金铸锭；2)在一定温度下保温后，将半固态坯料进行挤压，空冷至室温，得半固态成形工件；3)短时固溶处理后，水中淬火；4)人工时效处理后，空冷至室温，得半固态成形过共晶Al‑Si合金；本发明半固态成形过共晶Al‑Si的抗拉强度265～275MPa，延长率2.45～2.72％；本发明制备方法流程短、工艺简单，明显降低了热处理的能耗，能耗可降低2倍以上。

Description

一种半固态成形过共晶Al-Si合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属热处理领域，具体涉及一种半固态成形过共晶Al-Si合金及其制备方法。
背景技术
半固态成型工艺，是指在金属凝固过程中，施以剧烈的搅拌或扰动、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂、或进行快速凝固，即改变初生固相的形核和长大过程，从而得到一种液态金属母液中均匀的悬浮着一定数量球状初生固相的固-液混合浆料，利用这种固-液混合浆料直接成形加工，或先将这种固-液混合浆料完全凝固成坯料，根据需要切分，再将切分的坯料重新加热到固液两相区，然后成形。这两种方法都称为金属半固态成形。目前此技术主要在铝合金和镁合金做主材料的通信、电器、航空航天和医疗器械的零部件生产上，如各种制动泵、连杆断头、发动机油道等。
一直以来，热处理是提高力学性能的重要手段，含Cu和/或Mg元素的铝合金经过固溶热处理后，第二相(Al2Cu、Mg2Si等)充分溶解，淬火后形成Cu、Mg等合金元素的过饱和固溶体，时效处理时过饱和合金元素沉淀析出形成弥散强化相，阻碍位错运动，从而提高合金力学性。因而，为了进一步发掘半固态成形过共晶Al-Si合金潜能，使其力学性能满足工业要求，广泛应用于工业生产，可通过热处理强化进一步提高半固态成形的过共晶Al-Si合金的力学性能。
半固态成型工艺能够改善合金组织形貌，形成特殊的组织形态：合金的基体能量高、位错密度大、晶粒细化、Si颗粒变小且均匀分布，因此，半固态成形铝合金的热处理强化行为不同于铸造合金，传统的T6热处理工艺难以发掘半固态成形铝合金的潜能，而高效节能的短流程热处理更能发挥铝合金半固态成形组织的优势。
传统的长时间固溶处理会使半固态成形Al-Si合金组织恶化：晶粒合并长大、Si相粗化、合金元素在界面等高能量处发生偏析等，从而导致合金性能降低。反之，借助Al-Si合金半固态成形组织优势，在获得溶质原子过饱和度与基体晶粒尺寸协调关系的基础上，对合金进行短时固溶淬火处理，可获得晶粒细小、溶质过饱和度高、位错密度和空位浓度大的合金组织，从而为随后的时效处理提供良好的析出条件，并可缩短时效处理时间。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供的一种半固态成形过共晶Al-Si及其制备方法；目的在充分利用半固态成形过共晶Al-Si合金组织的特殊性，发挥半固态成形过共晶Al-Si合金组织的优势，通过较短的热处理工艺流程，达到大幅度提高合金力学性能的目的。短流程热处理工艺一方面节省了大量能源，降低了工件的成本；另一方面简化了热处理工艺，提高了合金的热处理生产效率，对于半固态成形过共晶Al-Si合金的实际生产应用有重要意义。
本发明的半固态成形过共晶Al-Si合金，组成成分及其质量百分比为，Si：16～18％，Cu：1～5.0％，Mg：0.45～2％，Ti：0.1～0.2％、Fe：0.3～0.5％，余量为Al和不可避免的杂质。
本发明的半固态成形过共晶Al-Si合金，其抗拉强度为265～275MPa，延长率为2.45～2.72％。
本发明的半固态成形过共晶Al-Si合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，熔炼：
(1)按半固态成形过共晶Al-Si合金成分配比，熔炼制得Al-Si合金液；
(2)将Al-Si合金液，浇铸后凝固制得Al-Si合金铸锭，其中，在浇铸和凝固过程均施加旋转磁场，电磁搅拌的频率为2～30Hz，电磁搅拌的电流为40～100A；
步骤2，半固态成形：
(1)将Al-Si合金铸锭，在560～600℃保温0.5～1h，制得半固态坯料；
(2)将半固态坯料，置入预热的金属模具中，进行挤压，空冷至室温，制得半固态成形工件；其中，模具预热温度为300～400℃，挤压速度8～12mm/s，挤压比为20～100，保压时间为20～120s；
步骤3，短时固溶处理：
(1)将半固态成形工件，在盐浴条件下进行固溶处理，固溶温度为480～530℃，固溶时间为0.25～2h；
(2)将固溶处理后的工件，在20～60℃水中淬火；
步骤4，人工时效处理：
(1)将淬火后的工件，进行人工时效处理，温度160～185℃，时间4～8h；
(2)将人工时效处理后的工件，空冷至室温，制得半固态成形过共晶Al-Si合金。
上述的半固态成形过共晶Al-Si合金的制备方法中：
所述步骤1(1)的具体方法为：将金属铝加热至720～820℃成为液态，按设定半固态成形过共晶Al-Si合金成分配比加入硅、铜、镁、钛和铁；或者按设定半固态成形过共晶Al-Si合金成分配比将硅、铜、镁、钛、铁与铝的合金，在720～820℃条件下将全部金属熔化为液态；将熔化后的金属熔液用铝合金商用精炼剂精炼处理，在720～780℃条件下保温5～15min；再加入Al-10Sr变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在720～780℃条件下保温5～15min。
所述步骤1(2)中，将Al-Si合金液，注入石墨模具的坯锭型腔中凝固，制得Al-Si合金铸锭，在整个过程中均施加了旋转磁场。
所述步骤2(1)中，Al-Si合金铸锭在560～600℃保温0.5～1h，使其组织中的液相率为40～60％，以满足半固态挤压成形的要求。
所述步骤2(1)中，Al-Si合金铸锭在加入保温前，经过车床加工。
所述步骤2(2)中，操作方法为：半固态坯料放入事先预热好的金属模具中，挤压机压头迅速下降进行挤压，保压一段时间，升起挤压头，取出坯锭。
所述步骤3中，固溶处理采用盐浴炉。
所述步骤4中，采用时效炉进行人工时效处理。
本发明的半固态成形过共晶Al-Si合金的制备方法，与现有技术相比，有益效果为：本发明包括合金的制备，半固态成形，然后进行短流程热处理，半固态成形过共晶Al-Si合金的热处理工艺流程短、工艺简单，明显降低了热处理的能耗，能耗可降低2倍以上，并且保证了半固态成形过共晶Al-Si合金力学性能得到了大幅度提高，确保达到实际使用要求。
附图说明
图1对比例重力铸造无电磁搅拌条件下制备的Al-Si合金铸锭的合金显微组织图；
图2本发明实施例1步骤1制备的Al-Si合金铸锭的合金显微组织图；
图3本发明实施例1制备的半固态成形过共晶Al-Si合金显微组织图；
图4本发明实施例2制备的半固态成形过共晶Al-Si合金显微组织图；
图5本发明实施例3制备的半固态成形过共晶Al-Si合金显微组织图；
图6本发明实施例4制备的半固态成形过共晶Al-Si合金显微组织图。
具体实施方式
对比例为Al-Si合金铸锭，其成成分及其质量百分比为Si：17.5％，Cu：4.5％，Mg：0.5％，Ti：0.2％、Fe：0.5％，余量为Al和不可避免的杂质；在无电磁搅拌条件下制备合金铸锭，其合金显微组织图如图1所示。
实施例1
一种半固态成形过共晶Al-Si合金，组成成分及其质量百分比为Si：17.5％，Cu：4.5％，Mg：0.5％，Ti：0.2％、Fe：0.5％，余量为Al和不可避免的杂质。
上述的半固态成形过共晶Al-Si合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，熔炼：
(1)将金属铝加热至820℃成为液态，按设定半固态成形过共晶Al-Si合金成分配比加入硅、铜、镁、钛和铁；将熔化后的金属熔液用铝合金商用精炼剂精炼处理，在780℃条件下保温15min；再加入Al-10Sr变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在780℃条件下保温15min，制得Al-Si合金液；
(2)将Al-Si合金液，注入石墨模具的坯锭型腔中凝固，制得Al-Si合金铸锭，其中，在浇注和凝固过程均施加旋转磁场，合金凝固后关闭旋转磁场，电磁搅拌的频率为30Hz，电磁搅拌的电流为100A；
此步骤制备的Al-Si合金铸锭的合金显微组织图如图2所示；
步骤2，半固态成形：
(1)将Al-Si合金铸锭经过车床加工后，在560℃保温1h，使其组织中的液相率满足挤压要求，制得半固态坯料；
(2)将半固态坯料，置入预热的金属模具中，挤压机压头迅速下降进行挤压，保压一段时间，升起挤压头，取出坯锭，空冷至室温，制得半固态成形工件；其中，模具预热温度为300℃，挤压速度8mm/s，挤压比为20，保压时间为20s；
步骤3，短时固溶处理：
(1)将半固态成形工件，采用盐浴炉在盐浴条件下进行固溶处理，固溶温度为525℃，固溶时间为0.5h；
(2)将固溶处理后的工件，在25℃水中淬火；
步骤4，人工时效处理：
(1)将淬火后的工件，采用时效炉进行人工时效处理，温度180℃，时间5h；
(2)将人工时效处理后的工件，空冷至室温，制得半固态成形过共晶Al-Si合金。
本发明制备的半固态成形过共晶Al-Si合金，其抗拉强度达到265MPa。比热处理前提高了25％；延长率为2.68％。
本实施例制备的半固态成形过共晶Al-Si合金的进行组织图如图3所示。
实施例2
一种半固态成形过共晶Al-Si合金，组成成分及其质量百分比为，Si：16％，Cu：1％，Mg：0.45％，Ti：0.1％、Fe：0.3％，余量为Al和不可避免的杂质。
上述的半固态成形过共晶Al-Si合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，熔炼：
(1)按设定半固态成形过共晶Al-Si合金成分配比将硅、铜、镁、钛、铁与铝的合金，在720℃条件下将全部金属熔化为液态；将熔化后的金属熔液用铝合金商用精炼剂精炼处理，在720℃条件下保温5min；再加入Al－10Sr变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在720℃条件下保温5min，制得Al-Si合金液；
(2)将Al-Si合金液，注入石墨模具的坯锭型腔中凝固，制得Al-Si合金铸锭，其中，在浇注和凝固过程均施加旋转磁场，合金凝固后关闭旋转磁场，电磁搅拌的频率为20Hz，电磁搅拌的电流为80A；
步骤2，半固态成形：
(1)将Al-Si合金铸锭经过车床加工后，在575℃保温50min，使其组织中的液相率为40～60％，以满足挤压要求，制得半固态坯料；
(2)将半固态坯料，置入预热的金属模具中，挤压机压头迅速下降进行挤压，保压一段时间，升起挤压头，取出坯锭，空冷至室温，制得半固态成形工件；其中，模具预热温度为340℃，挤压速度10mm/s，挤压比为40，保压时间为50s；
步骤3，短时固溶处理：
(1)将半固态成形工件，采用盐浴炉在盐浴条件下进行固溶处理，固溶温度为530℃，固溶时间为15min；
(2)将固溶处理后的工件，在30℃水中淬火；
步骤4，人工时效处理：
(1)将淬火后的工件，采用时效炉进行人工时效处理，温度175℃，时间6h；
(2)将人工时效处理后的工件，空冷至室温，制得半固态成形过共晶Al-Si合金。
本发明制备的半固态成形过共晶Al-Si合金，其抗拉强度达到270MPa。比热处理前提高了27.4％；延长率为2.72％。
本实施例制备的半固态成形过共晶Al-Si合金的进行组织图如图4所示。
实施例3
一种半固态成形过共晶Al-Si合金，组成成分及其质量百分比为，Si：18％，Cu：5.0％，Mg：2％，Ti：0.2％、Fe：0.5％，余量为Al和不可避免的杂质。
上述的半固态成形过共晶Al-Si合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，熔炼：
(1)将金属铝加热至760℃成为液态，按设定半固态成形过共晶Al-Si合金成分配比加入硅、铜、镁、钛和铁；在760℃条件下将全部金属熔化为液态；将熔化后的金属熔液用铝合金商用精炼剂精炼处理，在750℃条件下保温10min；再加入Al－10Sr变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在750℃条件下保温8min，制得Al-Si合金液；
(2)将Al-Si合金液，注入石墨模具的坯锭型腔中凝固，制得Al-Si合金铸锭，其中，在浇注和凝固过程均施加旋转磁场，合金凝固后关闭旋转磁场，电磁搅拌的频率为6Hz，电磁搅拌的电流为80A；
步骤2，半固态成形：
(1)将Al-Si合金铸锭经过车床加工后，在585℃保温40min，使其组织中的液相率为40～60％，以满足挤压要求，制得半固态坯料；
(2)将半固态坯料，置入预热的金属模具中，挤压机压头迅速下降进行挤压，保压一段时间，升起挤压头，取出坯锭，空冷至室温，制得半固态成形工件；其中，模具预热温度为370℃，挤压速度11mm/s，挤压比为60，保压时间为90s；
步骤3，短时固溶处理：
(1)将半固态成形工件，采用盐浴炉在盐浴条件下进行固溶处理，固溶温度为510℃，固溶时间为1h；
(2)将固溶处理后的工件，在25℃水中淬火；
步骤4，人工时效处理：
(1)将淬火后的工件，采用时效炉进行人工时效处理，温度160℃，时间8h；
(2)将人工时效处理后的工件，空冷至室温，制得半固态成形过共晶Al-Si合金。
本发明制备的半固态成形过共晶Al-Si合金，其抗拉强度达到275MPa。比热处理前提高了29.4％；延长率为2.66％。
本实施例制备的半固态成形过共晶Al-Si合金的进行组织图如图5所示。
实施例4
一种半固态成形过共晶Al-Si合金，组成成分及其质量百分比为，Si：17％，Cu：2.5％，Mg：1.5％，Ti：0.15％、Fe：0.4％，余量为Al和不可避免的杂质。
上述的半固态成形过共晶Al-Si合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，熔炼：
(1)按设定半固态成形过共晶Al-Si合金成分配比将硅、铜、镁、钛、铁与铝的合金，在800℃条件下将全部金属熔化为液态；将熔化后的金属熔液用铝合金商用精炼剂精炼处理，在760℃条件下保温8min；再加入Al-10Sr变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在760℃条件下保温12min，制得Al-Si合金液；
(2)将Al-Si合金液，注入石墨模具的坯锭型腔中凝固，制得Al-Si合金铸锭，其中，在浇注和凝固过程均施加旋转磁场，合金凝固后关闭旋转磁场，电磁搅拌的频率为2Hz，电磁搅拌的电流为40A；
步骤2，半固态成形：
(1)将Al-Si合金铸锭经过车床加工后，在600℃保温30min，使其组织中的液相率为40～60％，以满足挤压要求，制得半固态坯料；
(2)将半固态坯料，置入预热的金属模具中，挤压机压头迅速下降进行挤压，保压一段时间，升起挤压头，取出坯锭，空冷至室温，制得半固态成形工件；其中，模具预热温度为400℃，挤压速度12mm/s，挤压比为100，保压时间为120s；
步骤3，短时固溶处理：
(1)将半固态成形工件，采用盐浴炉在盐浴条件下进行固溶处理，固溶温度为480℃，固溶时间为2h；
(2)将固溶处理后的工件，在45℃水中淬火；
步骤4，人工时效处理：
(1)将淬火后的工件，采用时效炉进行人工时效处理，温度185℃，时间4h；
(2)将人工时效处理后的工件，空冷至室温，制得半固态成形过共晶Al-Si合金。
本发明制备的半固态成形过共晶Al-Si合金，其抗拉强度达到268MPa。比热处理前提高了26.4％；延长率为2.45％。
本实施例制备的半固态成形过共晶Al-Si合金的进行组织图如图6所示。

Claims (10)

1.一种半固态成形过共晶Al-Si合金，其特征在于，所述合金的组成成分及其质量百分比为，Si：16～18％，Cu：1～5.0％，Mg：0.45～2％，Ti：0.1～0.2％、Fe：0.3～0.5％，余量为Al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的半固态成形过共晶Al-Si合金，其特征在于，所述合金的抗拉强度为265～275MPa，延长率为2.45～2.72％。
3.权利要求1所述的半固态成形过共晶Al-Si合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，熔炼：
(1)按半固态成形过共晶Al-Si合金成分配比，熔炼制得Al-Si合金液；
(2)将Al-Si合金液，浇铸后凝固制得Al-Si合金铸锭，其中，在浇铸和凝固过程均施加旋转磁场，电磁搅拌的频率为2～30Hz，电磁搅拌的电流为40～100A；
步骤2，半固态成形：
(1)将Al-Si合金铸锭，在560～600℃保温0.5～1h，制得半固态坯料；
(2)将半固态坯料，置入预热的金属模具中，进行挤压，空冷至室温，制得半固态成形工件；其中，模具预热温度为300～400℃，挤压速度8～12mm/s，挤压比为20～100，保压时间为20～120s；
步骤3，短时固溶处理：
(1)将半固态成形工件，在盐浴条件下进行固溶处理，固溶温度为480～530℃，固溶时间为0.25～2h；
(2)将固溶处理后的工件，在20～60℃水中淬火；
步骤4，人工时效处理：
(1)将淬火后的工件，进行人工时效处理，温度160～185℃，时间4～8h；
(2)将人工时效处理后的工件，空冷至室温，制得半固态成形过共晶Al-Si合金。
4.根据权利要求3所述的半固态成形过共晶Al-Si合金的制备方法，其特征在于，所述步骤1(1)的具体方法为：将金属铝加热至720～820℃成为液态，按设定半固态成形过共晶Al-Si合金成分配比加入硅、铜、镁、钛和铁；或者按设定半固态成形过共晶Al-Si合金成分配比将硅、铜、镁、钛、铁与铝的合金，在720～820℃条件下将全部金属熔化为液态；将熔化后的金属熔液用铝合金商用精炼剂精炼处理，在720～780℃条件下保温5～15min；再加入Al－10Sr变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在720～780℃条件下保温5～15min。
5.根据权利要求3所述的半固态成形过共晶Al-Si合金的制备方法，其特征在于，所述步骤1(2)中，将Al-Si合金液，注入石墨模具的坯锭型腔中凝固，制得Al-Si合金铸锭，在整个过程中均施加了旋转磁场。
6.根据权利要求3所述的半固态成形过共晶Al-Si合金的制备方法，其特征在于，所述步骤2(1)中，Al-Si合金铸锭在560～600℃保温0.5～2h，使其组织中的液相率为40～60％，以满足半固态挤压成形的要求。
7.根据权利要求3所述的半固态成形过共晶Al-Si合金的制备方法，其特征在于，所述步骤2(1)中，Al-Si合金铸锭在加入保温前，经过车床加工。
8.根据权利要求3所述的半固态成形过共晶Al-Si合金的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，固溶处理采用盐浴炉。
9.根据权利要求3所述的半固态成形过共晶Al-Si合金的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，采用时效炉进行人工时效处理。
10.根据权利要求3所述的半固态成形过共晶Al-Si合金的制备方法，其特征在于，所制备的半固态成形过共晶Al-Si合金的抗拉强度为265～275MPa，延长率为2.45～2.72％。
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