CN107217181B - 一种高强Al-Si铸锻合金的制备方法 - Google Patents

一种高强Al-Si铸锻合金的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用微合金化和温压工艺复合制备高强Al‑Si铸锻合金的方法,在传统Al‑Si铸锻合金的成分基础上,添加微量Mg、Cu、Zr和稀土Sc元素进行合金化改性,通过熔炼铸造得到铸锭,而后对铸锭在适当的温度和应变速率下进行温压处理制备出高强Al‑Si铸锻合金。本发明制得的高强Al‑Si铸锻合金与目前传统工艺生产的Al‑Si铸造合金相比,性能得到显著提高,而且采用此工艺方法制备高强Al‑Si铸锻合金简单易行,生产成本低廉,在航空、航天、汽车、机械制造领域具有非常广阔的生产应用前景,适用于大规模工业化生产。

Description

一种高强AI-S i铸锻合金的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种采用微合金化和温压工艺复合制备高强Al-Si铸锻合金的方法, 属于金属材料及制备技术领域。
背景技术
[0002] 在航空航天及汽车等领域,在保证强度的条件下减轻重量以节约材料和减少运行 中的能量消耗是人们长期追求的目标,也是现代先进制造技术发展的趋势之一。密度小、比 强度高的铝合金作为优良的轻质结构材料成为了首选。
[0003] 铸造铝合金具有优良的力学性能、铸造成型性能、生产效率高等优势,因而受到国 内外研究工作者的广泛重视。其中Al-Si合金因其良好的铸造流动性、较好的力学性能、低 的热膨胀系数和良好的耐腐蚀性能而成为最为广泛的铸造铝合金系列。
[0004] 传统Al-Si铸造合金虽然能成形较复杂的零件,但强度有限,性能较低,变形性能 较差。常规条件下,合金组织中的共晶硅相以针状、棒状或者板条状析出,在受力过程中易 产生应力集中,存在对基体的割裂作用,致使合金的变形和力学性能受到很大限制。
发明内容
[0005] 为了克服现有技术的不足,本发明旨在提供一种采用微合金化和温压工艺复合制 备高强Al-Si铸锻合金的方法。
[0006] 本发明所制备的高强Al-Si铸锻合金的成分按质量百分比构成如下:
[0007] Si2.98〜3.50%,Mg0.50〜0.65%,Cu0.50〜0.65%,Zr0.15〜0.25%,Sc 0.05%,铝为平衡余量。
[0008] 各成分按质量百分比优选如下:
[0009] Al 95.24%,Si 3.5%,Mg 0.50%,Cu 0.50%,Zr 0.21%,Sc 0.05%。
[0010] 本发明采用微合金化和温压工艺复合制备高强Al-Si铸锻合金的方法,包括如下 步骤:
[0011] 步骤1:配料
[0012] 按照配比量称取对应质量的纯Al、A1-Si中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cu中间合 金、Al-Zr中间合金及Al-Sc中间合金;
[0013] 步骤2:熔炼铸造制备合金铸锭
[0014] 2a、将步骤1称取的纯AUAl-Si中间合金加入到预热好的坩埚内,预热温度为350 °C,而后随炉一起升温到730°C,全部熔化后静置并保温25min;
[0015] 2b、将步骤1称取的Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金加入到2a中获得的合金熔液 中,全部熔化后静置并于730°C保温15min;
[0016] 2c、将2b获得的合金熔液的温度降至700°C,用铝箱包裹加入步骤1称取的Al-Sc中 间合金、Al-Mg中间合金,全部熔化后搅拌,并于700°C保温静置lOmin,使其成分扩散均匀;
[0017] 2d、向2c获得的合金熔液中加入精炼剂(:2(:16精炼除气,将精炼后所得的铝合金熔 体在700°C保温静置10〜15min后用扒渣工具除渣,最后在矩形金属模具中浇铸成型,获得 合金铸锭;精炼剂C2Cl6的添加质量为2c获得的合金熔液质量的1〜1.5%;
[0018] 步骤3:温压处理
[0019] 将步骤2获得的合金铸锭在温度和速率可控的压力机上进行压制,压制完成后将 试样迅速置入水中,冷却后即得高强Al-Si铸锻合金。
[0020] 步骤3中,压制温度为250〜350°C,应变速率为0 · 4 X 10_3s_1〜0 · 4 X 10_1s_1,压缩量 为70% 〇
[0021] 与现有技术相比,本发明的有益效果体现在:
[0022] 1、本发明由于合金中所设计的Si元素含量为3.5%,使得此成分的Al-Si合金既可 以铸造成型,又因铸后组织中Si相含量较低,使合金也具有一定的变形性能。
[0023] 2、本发明合金中复合添加了微量的合金元素1%、&1、2^5(:,1%、(:11元素在后期的热 处理过程中形成Mg2SiXuAl2等析出时效相,起到了强化合金性能的作用。稀土元素Sc不仅 可以细化晶粒,还可与杂质元素结合形成稀土化合物,净化了晶界,消除了杂质元素的有害 作用,在热处理过程中,能够析出细小、弥散、与基体保持共格关系的112型六13 (Sc,Zr)相, 该析出相对提高铝合金强韧性和抑制合金变形组织再结晶具有显著效果。
[0024] 3、本发明在于采用控制温度和应变速率的温压工艺对合金铸锭进行变形处理,通 过亚结构控制的方式提高强度,制得的高强Al-Si铸锻合金的抗拉强度范围为259.2〜 338. IMPa,均优于一般Al-Si铸造合金的力学性能(A356合金T6态抗拉强度一般不高于 240MPa)。
具体实施方式
[0025] 以下将通过具体的实施例来进一步说明本发明,本技术领域技术人员应该可以理 解,实施例仅用于示意说明,而不能限制本发明的权利要求的范围。
[0026] 本发明所用铝中间合金原料,对其来源没有特别限制,在市场上购买的或按照本 领域技术人员熟知的常规方法制备的均可。
[0027] 本发明所制备的高强Al-Si铸锻合金的成分按质量百分比构成如下:
[0028] Si2.98〜3.50%,Mg0.50〜0.65%,Cu0.50〜0.65%,Zr0.15〜0.25%,Sc 0.05%,铝为平衡余量。
[0029] 本发明采用微合金化和温压工艺复合制备高强Al-Si铸锻合金的方法如下:
[0030] 步骤1:配料
[0031] 按照配比量称取对应质量的纯AUAl-Si中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cu中间合 金、Al-Zr中间合金及Al-Sc中间合金;
[0032] 步骤2:熔炼铸造制备合金铸锭
[0033] 2a、将步骤1称取的纯AUAl-Si中间合金加入到预热好的坩埚内,预热温度为350 °C,而后随炉一起升温到730°C,全部熔化后静置并保温25min;
[0034] 2b、将步骤1称取的Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金加入到2a中获得的合金熔液 中,全部熔化后静置并于730°C保温15min;
[0035] 2c、将2b获得的合金熔液的温度降至700°C,用铝箱包裹加入步骤1称取的Al-Sc中 间合金、Al-Mg中间合金,全部熔化后搅拌,并于700°C保温静置lOmin,使其成分扩散均匀;
[0036] 2d、向2c获得的合金熔液中加入精炼剂(:2(:16精炼除气,将精炼后所得的铝合金熔 体在700°C保温静置10〜15min后用扒渣工具除渣,最后在矩形金属模具中浇铸成型,获得 合金铸锭;精炼剂C2Cl6的添加质量为2c获得的合金熔液质量的1〜1.5%;
[0037] 步骤3:温压处理
[0038] 将步骤2获得的合金铸锭在温度和速率可控的压力机上进行压制,压制完成后将 试样迅速置入水中,冷却后即得高强Al-Si铸锻合金。
[0039] 步骤3中,压制温度为250〜350°C,应变速率为0 · 4 X 10_3s_1〜0 · 4 X 10_1s_1,压缩量 为70% 〇
[0040] 下面结合表1中各实施例的具体制备参数对本发明作进一步描述。
[0041] 表1实施例1-9的实验参数
Figure CN107217181BD00051
[0043] 实施例1:
[0044] 本实施例中采用微合金化和温压工艺复合制备高强Al-Si铸锻合金的方法如下:
[0045] 步骤1:配料
[0046] 按照表 1 中95.24%厶1、3.5%51、0.50%]\%、0.50%〇1、0.21%2『和0.05%5。的质量 百分比,称取736.3g纯铝(纯度为99.99%)、162.5gAl-21.54%Si 中间合金、10gAl-50.38% Mg中间合金、12.58厶1-39.97%〇1中间合金、53.98厶1-3.9%21中间合金和24.88厶1-2.02% Sc中间合金,配料总质量为IOOOg;
[0047] 步骤2:熔炼铸造制备合金铸锭
[0048] 2a、将步骤1称取的纯AUAl-Si中间合金加入到预热好的坩埚内,预热温度为350 °C,而后随炉一起升温到730°C,全部熔化后静置并保温25min;
[0049] 2b、将步骤1称取的Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金加入到2a中获得的合金熔液 中,全部熔化后静置并于730°C保温15min;
[0050] 2c、将2b获得的合金熔液的温度降至700°C,用铝箱包裹加入步骤1称取的Al-Sc中 间合金、Al-Mg中间合金,全部熔化后搅拌,并于700°C保温静置lOmin,使其成分扩散均匀;
[0051] 2d、向2c获得的合金熔液中加入合金熔液质量1〜1.5%的精炼剂(:2(:16精炼除气, 将精炼后所得的铝合金熔体在700°C保温静置10〜15min后用扒渣工具除渣,最后在矩形金 属模具中浇铸成型,获得合金铸锭;
[0052] 步骤3:温压处理
[0053] 将步骤2获得的合金铸锭在温度和速率可控的压力机上进行压制,压制温度为250 °C,应变速率为0.4 X HT1iT1,压缩量为70% ;压制完成后将试样迅速置入水中,冷却后即得 高强Al-Si铸锻合金。
[0054] 对本实施例制得的样品进行性能分析:
[0055] 采用“50KN SANS CMT-5105电子万能试验机”测量样品的抗拉强度达到338. IMPa。
[0056] 实施例2:
[0057] 本实施例的制备过程参见实施例1,不同的是制备参数的区别,具体见表1。
[0058] 对实施例2制得的样品进彳丁性能分析:
[0059] 采用“50KN SANS CMT-5105电子万能试验机”测量样品的抗拉强度达到325.7MPa。
[0060] 实施例3:
[0061] 本实施例的制备过程参见实施例1,不同的是制备参数的区别,具体见表1。
[0062] 对实施例3制得的样品进行性能分析:
[0063] 采用“50KN SANS CMT-5105电子万能试验机”测量样品的抗拉强度达到311.9MPa。
[0064] 实施例4:
[0065] 本实施例的制备过程参见实施例1,不同的是制备参数的区别,具体见表1。
[0066] 对实施例4制得的样品进行性能分析:
[0067] 采用“50KN SANS CMT-5105电子万能试验机”测量样品的抗拉强度达到326.2MPa。
[0068] 实施例5:
[0069] 本实施例的制备过程参见实施例1,不同的是制备参数的区别,具体见表1。
[0070] 对实施例5制得的样品进行性能分析:
[0071] 采用“50KN SANS CMT-5105电子万能试验机”测量样品的抗拉强度达到292.7MPa。
[0072] 实施例6:
[0073] 本实施例的制备过程参见实施例1,不同的是制备参数的区别,具体见表1。
[0074] 对实施例6制得的样品进行性能分析:
[0075] 采用“50KN SANS CMT-5105电子万能试验机”测量样品的抗拉强度达到279.4MPa。
[0076] 实施例7:
[0077] 本实施例的制备过程参见实施例1,不同的是制备参数的区别,具体见表1。
[0078] 对实施例7制得的样品进行性能分析:
[0079] 采用“50KN SANS CMT-5105电子万能试验机”测量样品的抗拉强度达到280.3MPa。
[0080] 实施例8:
[0081] 本实施例的制备过程参见实施例1,不同的是制备参数的区别,具体见表1。
[0082] 对实施例8制得的样品进彳丁性能分析:
[0083] 采用“50KN SANS CMT-5105电子万能试验机”测量样品的抗拉强度达到273.4MPa。
[0084] 实施例9:
[0085] 本实施例的制备过程参见实施例I,不同的是制备参数的区别,具体见表1。
[0086] 对实施例9制得的样品进行性能分析:
[0087] 采用“50KN SANS CMT-5105电子万能试验机”测量样品的抗拉强度达到259.2MPa。
[0088] 本发明制得的高强Al-Si铸锻合金的抗拉强度范围为259.2〜338. IMPa,均优于一 般铸造Al-Si铸造合金的力学性能(A356合金T6态抗拉强度一般不高于240MPa)。而且采用 此工艺方法制备高强Al-Si铸锻合金简单易行,生产成本低廉,在航空、航天、汽车、机械制 造领域具有非常广阔的生产应用前景,适用于大规模工业化生产。
[0089] 以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明,但本发明创造并不限于所述 实施例,熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的 变型或替换,这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1. 一种采用微合金化和温压工艺复合制备高强Al-Si铸锻合金的方法,其特征在于包 括如下步骤: 步骤1:配料 按照配比量称取对应质量的纯AKAl-Si中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cu中间合金、 Al-Zr中间合金及Al-Sc中间合金; 步骤2:熔炼铸造制备合金铸锭 2a、将步骤1称取的纯AUAl-Si中间合金加入到预热好的坩埚内,而后随炉一起升温到 730°C,全部熔化后静置并保温25min; 2b、将步骤1称取的Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金加入到2a中获得的合金熔液中,全 部熔化后静置并于730°C保温15min; 2c、将2b获得的合金熔液的温度降至700°C,用铝箱包裹加入步骤1称取的Al-Sc中间合 金、Al-Mg中间合金,全部熔化后搅拌,并于700°C保温静置lOmin,使其成分扩散均匀; 2d、向2c获得的合金熔液中加入精炼剂(:2(:16精炼除气,将精炼后所得的铝合金熔体在 700°C保温静置10〜15min后用扒渣工具除渣,最后在矩形金属模具中浇铸成型,获得合金 铸锭; 步骤3:温压处理 将步骤2获得的合金铸锭在温度和速率可控的压力机上进行压制,压制完成后将试样 迅速置入水中,冷却后即得高强Al-Si铸锻合金;压制温度为250〜350°C,应变速率为0.4X 10_3s_1 〜0 · 4 X 10_1s_1,压缩量为70 % ; 所述高强Al-Si铸锻合金的成分按质量百分比构成如下: Al 95.24%,Si 3.5%,Mg 0.50%,Cu 0.50%,Zr 0.21%,Sc 0.05%。
2. 根据权利要求I所述的方法,其特征在于: 步骤2a中,i甘埚的预热温度为350 °C。
3. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于: 精炼剂C2Cl6的添加质量为2c获得的合金熔液质量的1〜1.5%。
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