CN107400809A - 锆锶复合微合金化的高强韧耐腐蚀低硅含量铝硅铜系铸造铝合金及制备方法 - Google Patents
锆锶复合微合金化的高强韧耐腐蚀低硅含量铝硅铜系铸造铝合金及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀低Si含量Al‑Si‑Cu系铸造铝合金及其制备方法,其特征是所述的铝合金主要由铝、质量百分比为3.55~3.65 %的硅、1.39~1.43%的铜、0.397~0.403%的锌、0.271~0.272%的锆和0.0083~0.0085%的锶(Sr)组成,余量为铝和少量杂质元素。所述的制备方法依次包括:(1)将纯Al和Al‑Si中间合金熔化后升温至850℃,然后依次加入中间合金,融化后加入纯Zn;(2)待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至750℃,没有气体逸出,静置保温后去渣并浇入预热至300℃的金属模具中浇铸成锭。本发明铝合金铸态组织致密,铸态合金实测室温无缺口冲击韧性平均值为35.95J/cm2。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金材料,尤其是一种新型高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金及其制备方法,具体地说是一种Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀低Si含量Al-Si-Cu系铸造铝合金及其制备方法。
背景技术
Al-Si(-Cu)系铸造铝合金是当前在工业中应用最多的铸造铝合金材料,这类合金的编号有:国内的YL102(AlSi12)、YL112(AlSi8.5Cu3.5)、YL113(AlSi811Cu3),日本的ADC12(AlSi11Cu3)、ADC10(AlSi8.5Cu3.5)以及美国的A380(AlSi8.5Cu3.5)等,这些合金具有优良的铸造性能、较高的强度和良好的抗腐蚀性能,但是其塑性、韧性相对较低,限制了其应用。
Al-Si(-Cu)系铸造铝合金的力学性能与其组织中的第二相(硅相等)的形态、尺寸、分布紧密相关。细化Si相是降低Si相对基体Al的割裂从而提高Al-Si(-Cu)系铸造铝合金性能的有效途径。锶(Sr)元素是铝合金中的一种很有效的长效变质剂,不仅可以有效细化Al-Si(-Cu)系铸造铝合金中的Si相,而且可以有效细化合金中的FeSiAl5等化合物相。锆(Zr)元素是一种与Al亲和力强的3d过度元素,加入到铝合金中,在合金凝固过程中锆(Zr)元素与Al形成A13Zr(熔点1580℃)等高熔点物相,对合金的后续凝固起到非均质形核作用,不仅细化合金铸态基体组织,促进细小等轴晶形成,而且提高液态合金的流动性和元素分布均匀性,因此,Zr、Sr的复合微合金化可以在不降低合金铸造性能、强度、抗腐蚀性等性能的同时,大幅提高合金的塑性和韧性。
到目前为止,我国尚未有一种具有自主知识产权的Zr和Sr复合微合金化的高强韧Al-Si(-Cu)系铸造铝合金及其制备方法可供使用,这一定程度上制约了我国高性能铸造铝合金及其产品制造业的发展。
发明内容
本发明的目的是针对目前Al-Si(-Cu)系铸造铝合金塑性、韧性较低的问题,发明一种在Al-Si-Cu系铸造铝合金成分设计的基础上,通过调整Si、Cu元素含量,同时添加锆(Zr)和锶(Sr)元素进行复合合金化,在不降低合金铸造性能(流动性)的同时,高效细化合金中的Si相和化合物相,大幅提高合金的塑性、韧性,获得一种兼具优良铸造性能和强韧性耐腐蚀性的Al-Si-Cu系铸造铝合金,同时提供其制备方法。
本发明的技术方案之一是:
一种Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀低Si含量Al-Si-Cu系铸造铝合金,其特征在于:它主要由铝(Al)、硅(Si)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)和锶(Sr)组成,其中,硅(Si)的质量百分比为3.55~3.65 %,铜(Cu)的质量百分比为1.39~1.43%,锌(Zn)的质量百分比为0.397~0.403%,锆(Zr)的质量百分比为0.271~0.272%,锶(Sr)的质量百分比为0.0083~0.0085%,,余量为铝和少量杂质元素(如质量百分比为0.153~0.158%的铁),各组份的质量百分比之和为100%。
本发明的技术方案之二是:
一种Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀低Si含量Al-Si-Cu系铸造铝合金的制备方法,其特征是其制备过程依次包括:
(1)首先,将纯Al和Al-Si中间合金熔化后升温至850±10℃,然后依次加入Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金和Al-Sr中间合金,待加入的中间合金及纯Al融化后加入纯Zn;
(2)其次,待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至750±10℃,加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出,静置保温5~10 min后去渣并浇入预热至300℃的金属模具中浇铸成锭,即获得Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀低Si含量Al-Si-Cu系铸造铝合金。
所述的Al-Si中间合金中Si的质量百分比为10.21%,Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12%,Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11%,Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89%。
本发明的有益效果:
(1) 本发明获得了一种室温无缺口冲击韧性为35.95J/cm2(按GB/T 229-2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法);室温拉伸强度为194.0475MPa、延伸率为17.475%;硬度为83.567HV、电导率为43.46625% IACS;在3.5% NaCl水溶液中37℃温度下浸泡93 h时的均匀腐蚀速率(按GB 1024-88金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法)为0.216770566658317mm/y的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金。
(2) 本发明在Al-Si-Cu系铸造铝合金成分设计的基础上,通过调整Si、Cu元素含量,同时添加锆(Zr)和锶(Sr)元素进行复合微合金化,在不降低合金铸造性能保证合金组织致密性的同时,高效细化了合金中的Si相和化合物相,大幅提高了合金的韧性、强度、塑性和耐腐蚀。
(3) 本发明Al-Si-Cu系铸造铝合金的Si相尺寸在1-2μm,形状呈颗粒状或短棒状,并且长径比小于等于2。
(4) 本发明获得了一种冲击和拉伸断口呈韧窝特征的典型韧性断裂的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金。
(5) 本发明公开了一种高强韧耐腐蚀低Si含量Al-Si-Cu系铸造铝合金的成分及制备方法,一定程度上打破了国外对高性能铸造铝合金的技术封锁,可满足我国大型复杂薄壁高强韧耐腐蚀铸造铝合金产品的制造需求。
(6) 本发明通过大量的试验获得了理想的制备方法,尤其是通过采用按次序加入各中间合金及纯金属的方法来控制各组份含量,按本发明的工艺能容易地得到符合要求的铝合金材料。
附图说明
图1是本发明实施例一的Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金的金相组织光学显微镜照片。
图2是本发明实施例一的Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金的金相组织扫描电子显微镜照片。
图3是本发明实施例一的Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金的室温无缺口冲击韧性性能测试试样断口扫描电子显微镜照片。
图4是本发明实施例一的Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金的室温拉伸性测试试样断口扫描电子显微镜照片。
图5是本发明实施例一的Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金的耐腐蚀性测试试样表面扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1、2、3、4、5所示。
一种Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀低Si含量Al-Si-Cu系铸造铝合金,它通过以下方法制备而成:
先将A00等级纯Al(99.79%Al, 0.14%Fe, 0.04%Si)和Al-Si (89.62 %Al, 10.21%Si,0.17% Fe,本发明所有组份均采用质量百分比表示,本领域技术人员能通过常规算法得到各组份对应的质量和重量,下同,凡组份相加不足100%的部分均为杂质)中间合金熔化后升温至850±10℃,然后依次加入Al-Cu(49.62%Al, 50.12%Cu,0.15%Fe, 0.11%Si )中间合金、Al-Zr (95.69%Al, 4.11%Zr,0.20%Fe, 0.10%Si )中间合金和Al-Sr(89.86%Al, 9.89%Sr,0.15%Fe, 0.10%Si )中间合金,待加入的中间合金及纯Al融化后加入纯Zn;待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至750±10℃,加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出,静置保温5~10 min后去渣并浇入预热至300℃的金属模具中浇铸成锭;即获得一种Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金。
本实施例的Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金经光谱实际测量等成分为:3.62%Si,1.41%Cu, 0.4%Zn,0.271%Zr, 0.0084 %Sr, 1.55%Fe, 余量为铝和杂质元素。
本实施例的Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金组织致密(图1),Si相细小,尺寸在1~2μm,形状呈颗粒状或短棒状,并且长径比小于等于2(图1、图2);室温无缺口冲击韧性平均值为35.95J/cm2(按GB/T 229-2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法),冲击韧性试样断口呈韧窝特征的典型韧性断裂(图3);强度为194.0475MPa、延伸率为17.475%,拉伸试样断口亦呈韧窝特征的典型韧性断裂(图4);硬度为83.56667HV、电导率为43.46625% IACS、在3.5% NaCl水溶液中37℃温度下浸泡93 h时的均匀腐蚀速率(按GB 1024-88金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法)为0.216770566658317 mm/y,腐蚀表面Si相尺寸细小(图5)。
实施例二。
一种Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀低Si含量Al-Si-Cu系铸造铝合金,它通过以下方法制备而成:
先将A00等级纯Al(99.79%Al, 0.14%Fe, 0.04%Si)和Al-Si (89.62 %Al, 10.21%Si,0.17% Fe)中间合金熔化后升温至850±10℃,然后依次加入Al-Cu(49.62%Al, 50.12%Cu,0.15%Fe, 0.11%Si )中间合金、Al-Zr (95.69%Al, 4.11%Zr,0.20%Fe, 0.10%Si )中间合金和Al-Sr(89.86%Al, 9.89%Sr,0.15%Fe, 0.10%Si )中间合金,待加入的中间合金及纯Al融化后加入纯Zn;待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至750±10℃,加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出,静置保温5~10 min后去渣并浇入预热至300±10℃的金属模具中浇铸成锭;即获得一种Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金。
本实施例的Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金经光谱实际测量等成分为:3.65%Si, 1.43%Cu, 0.397%Zn,0.271%Zr, 0.0085%Sr, 1.58%Fe, 余量为铝和杂质元素。
本实施例的Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金组织致密,Si相细小,尺寸在1~2μm,形状呈颗粒状或短棒状,并且长径比小于等于2;室温无缺口冲击韧性平均值为37.4J/cm2(按GB/T 229-2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法),冲击韧性式样断口呈韧窝特征的典型韧性断裂;强度为195.933MPa、延伸率为17.76471%,断口呈韧窝特征的典型韧性断裂;硬度为85.5HV、电导率为43.25% IACS、在3.5% NaCl水溶液中37℃温度下浸泡93 h时的均匀腐蚀速率(按GB 1024-88金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法)为0.22164217 mm/y,腐蚀表面Si相尺寸细小。
实施例三。
一种Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀低Si含量Al-Si-Cu系铸造铝合金,它通过以下方法制备而成:
先将A00等级纯Al(99.79%Al, 0.14%Fe, 0.04%Si)和Al-Si (89.62 %Al, 10.21%Si,0.17% Fe)中间合金熔化后升温至850±10℃,然后依次加入Al-Cu(49.62%Al, 50.12%Cu,0.15%Fe, 0.11%Si )中间合金、Al-Zr (95.69%Al, 4.11%Zr,0.20%Fe, 0.10%Si )中间合金和Al-Sr(89.86%Al, 9.89%Sr,0.15%Fe, 0.10%Si )中间合金,待加入的中间合金及纯Al融化后加入纯Zn;待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至750±10℃,加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出,静置保温5~10 min后去渣并浇入预热至300±10℃的金属模具中浇铸成锭;即获得一种Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金。
本实施例的Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金经光谱实际测量等成分为:3.64%Si, 1.41 %Cu, 0.403%Zn,0.271%Zr, 0.0085 %Sr, 1.54%Fe,余量为铝和杂质元素。
本实施例的Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金组织致密,Si相细小,尺寸在1~2μm,形状呈颗粒状或短棒状,并且长径比小于等于2;室温无缺口冲击韧性平均值为34.5J/cm2(按GB/T 229-2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法),冲击韧性式样断口呈韧窝特征的典型韧性断裂;强度为192.162MPa、延伸率 为17.29412%,断口呈韧窝特征的典型韧性断裂;硬度为81HV、电导率为44.115% IACS、在3.5% NaCl水溶液中37℃温度下浸泡93 h时的均匀腐蚀速率(按GB 1024-88金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法)为0.21947358 mm/y,腐蚀表面Si相尺寸细小。
实施例四(质量)。
一种Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀低Si含量Al-Si-Cu系铸造铝合金,它通过以下方法制备而成:
先将55.345克A00等级纯Al和34.770克Al-Si中间合金熔化后升温至850±10℃,然后依次加入2.773克Al-Cu中间合金、6.618克Al-Zr中间合金和0.084克Al-Sr中间合金,待加入的中间合金及纯Al融化后加入0.410克纯Zn;待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至750±10℃,加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出,静置保温5~10 min后去渣并浇入预热至300℃的金属模具中浇铸成锭;即获得一种Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金。
本实施例的Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金经光谱实际测量等成分为:3.55%Si,1.39%Cu, 0.410%Zn,0.272%Zr, 0.0083 %Sr, 1.53%Fe, 余量为铝和杂质元素。
本实施例的Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金组织致密,Si相细小,尺寸在1~2μm,形状呈颗粒状或短棒状,并且长径比小于等于2;室温无缺口冲击韧性平均值为34.8J/cm2(按GB/T 229-2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法),冲击韧性式样断口呈韧窝特征的典型韧性断裂;强度为194.242MPa、延伸率 为17.3859%,断口呈韧窝特征的典型韧性断裂;硬度为85.1HV、电导率为45.25% IACS、在3.5% NaCl水溶液中37℃温度下浸泡93 h时的均匀腐蚀速率(按GB 1024-88金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法)为0.2234416 mm/y,腐 蚀表面Si相尺寸细小。以上仅列出了几个常见配比的铝合金的配比及制造方法,本领域的技术人员可以根据上述实例适当地调整各组份的配比并严格按上述步骤进行制造即可获得理想的Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (3)
1.一种Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀低Si含量Al-Si-Cu系铸造铝合金,其特征在于:它主要由铝(Al)、硅(Si)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)和锶(Sr)组成,其中,硅(Si)的质量百分比为3.55~3.65 %,铜(Cu)的质量百分比为1.39~1.43%,锌(Zn)的质量百分比为0.397~0.403%,锆(Zr)的质量百分比为0.271~0.272%,锶(Sr)的质量百分比为0.0083~0.0085%,余量为铝和少量杂质元素,各组份的质量百分比之和为100%。
2.一种权利要求1所述的Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀低Si含量Al-Si-Cu系铸造铝合金的制备方法,其特征是其制备过程依次包括:
(1)首先,将纯Al和Al-Si中间合金熔化后升温至850±10℃,然后依次加入Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金和Al-Sr中间合金,待加入的中间合金及纯Al融化后加入纯Zn;
(2)其次,待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至750±10℃,加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出,静置保温5~10 min后去渣并浇入预热至300℃的金属模具中浇铸成锭,即获得Zr和Sr复合微合金化的高强韧耐腐蚀低Si含量Al-Si-Cu铸造铝合金。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征是所述的Al-Si中间合金中Si的质量百分比为10.21%,Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12%, Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11%,Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89%。
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