CN108103332A - 一种低温稳定化处理高强韧铸态铝合金的方法 - Google Patents

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李强
姜启川
董柏欣
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Abstract

本发明涉及了一种低温稳定化处理高强韧铸态铝合金的方法，具体包括以下四个步骤：(1)铝合金配比及熔炼、(2)铝合金精炼、(3)铝合金铸造成型、(4)铝合金铸件低温稳定化处理。本发明通过铝合金成分设计，熔炼、精炼及低温稳定工艺，严格控制Fe、Ti、Zn杂质元素含量，制备一种不经高温热处理的高强韧铸态铝合金。该产品具有高强度和高塑性，可用于铝合金大型复杂结构件，防止铝合金大型复杂结构件高温热处理过程中产生变形而需要后续的加工及校正，从而大量节省高温热处理和校正所需的工装、工时、人工，减少能源能耗，降低铝合金大型结构件制备成本，满足现代工业对于材料的轻量化、高强韧性的需求，具有重要的实际应用价值。

Description

一种低温稳定化处理高强韧铸态铝合金的方法
技术领域
本发明涉及铝合金加工和制备领域，具体涉及一种低温稳定化处理高强韧铸态铝合金的方法。
背景技术
近年来，节能、环保、安全是运输业特别是汽车行业可持续发展的战略方向。汽车自主创新迫切需要先进、轻量化、高强韧性的汽车关键零部件的材料和制造技术。其中，铝合金作为一种密度低、比强度高、耐腐蚀性较好的合金，逐渐代替部分钢材冲压件，成为轻量化发展的重要组成部分。但目前，我国汽车产业中，使用铝合金构件作为车身材料的应用还较少，大部分白车身仍为钢材。因此，考虑使用铝合金来代替钢材，最多可以使整体车身减重将近50％。所以，铝合金结构件及其材质的生产和研发，尤其是大型复杂结构铝合金结构件及其材质的研发至关重要，关系到乘用车轻量化发展进程、技术创新及轻量化的成败。然而，部分前期研发可应用于乘用车的大型复杂铝合金结构件多为压铸件，一般压铸件无法热处理，因此强度低、塑性差，无法满足车身结构件所需的塑性以及安全性的要求。其他的铸造方法如真空压铸件、低压铸造件和倾转铸造件，尽管这几种方法可以热处理，但是后续T6热处理过程中，需要约10小时的500℃左右的固溶热处理，高温热处理对能耗和工装、工时、人工都要求加高，这提高了结构件的制造成本。另外高温下热处理铝合金的变形严重，后续还需对热处理后铝合金结构件进行校正变形，也会进一步增加制造成本，并且增加制造周期。基于以上原因，目前的汽车制造产业急需一种新型的，无需后续高温热处理的高强韧铸态铝合金。本发明涉及的技术方案是通过铝合金成分设计，熔炼、精炼及低温稳定工艺，同时严格控制Fe、Ti、Zn杂质元素的含量，制备一种新型不经高温热处理的高强韧铸态铝合金。经过本工艺处理后的铝合金具有高强度和高塑性，可用于铝合金大型复杂结构件，防止铝合金大型复杂结构件高温热处理过程中产生变形而需要后续的加工及校正，从而大量节省高温热处理和校正所需的工装、工时、人工，且减少能源能耗，降低铝合金大型结构件的制备成本，满足现代工业对于材料的轻量化、高强韧性的需求，具有重要的实际应用价值。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种低温稳定化处理高强韧铸态铝合金的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种低温稳定化处理高强韧铸态铝合金的方法，包括以下步骤：
(1)铝合金配比及熔炼：
以纯铝、Al-Si12中间合金、纯镁、纯铜、Al-Mn10中间合金、Al-Sr10中间合金为原料备料。按照铝合金的成分为：Si：9.30wt.％～10.5wt.％；Mg：1.25wt.％～2.70wt.％；Mn：0.00wt.％～0.30wt.％；Cu：0.00wt.％～1.00wt.％；Sr：0.000wt.％～0.010wt.％；Zn：≤0.15wt.％；Ti：≤0.10wt.％；Fe：≤0.10wt.％；余量为Al，配制铝合金。将配制铝合金的原料一起加入到干燥的熔炼炉中，加热到温度为1003-1023K条件下熔炼0.5h～1h，得到铝合金熔液；
(2)铝合金精炼：
经熔炼的铝液转至保温炉保温，然后进行炉内精炼，在温度为1003-1023K条件下，将旋转吹气探头伸入保温炉底部，由旋转吹气探头向铝液通入氯气和氩气进行精炼，吹气处理5-10min，精炼时采用在线测氢仪测定铝液的液态氢含量，气体净化熔体结束后加入0.05-0.10wt.％铝合金精炼剂进行除气精炼、扒渣、静置5-10min；经过最后除渣的铝液可以直接进行浇铸；
(3)铝合金铸造成型：
将铝液浇铸到一系列金属型模具中成板状铝合金铸坯，板状铸坯的厚度为20mm，浇铸控制温度为973-1003K；
(4)铝合金铸件低温稳定化处理：
将步骤3得到的铝合金铸件放入电热鼓风干燥箱中进行低温稳定化处理，温度383-433K，时效时间为10-40h；最终得到经过稳定化处理的铝合金铸件。
优选的，步骤2中所述精炼剂成分为：35-50wt.％KCl、30-40wt.％MgCl2、5-10wt.％AlF3、10-15wt.％Na3AlF6、5-10wt.％Mg3N2、2-5wt.％Na2CO3、2-5wt.％C2Cl6。
优选的，步骤3中金属型模具的材质为：45#钢。金属型模具的尺寸为：200mm×150mm×20mm。
该发明的有益效果：本发明涉及一种低温稳定化处理高强韧铸态铝合金的方法，具体包括以下四个步骤：(1)铝合金配比及熔炼、(2)铝合金精炼、(3)铝合金铸造成型、(4)铝合金铸件低温稳定化处理。本发明通过铝合金成分设计，熔炼、精炼及低温稳定工艺，严格控制Fe、Ti、Zn杂质元素含量，制备一种不经高温热处理的高强韧铸态铝合金。该产品具有高强度和高塑性，可用于铝合金大型复杂结构件，防止铝合金大型复杂结构件高温热处理过程中产生变形而需要后续的加工及校正，从而大量节省高温热处理和校正所需的工装、工时、人工，减少能源能耗，降低铝合金大型结构件制备成本，满足现代工业对于材料的轻量化、高强韧性的需求，具有重要的实际应用价值。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1：
本实例的一种低温稳定化处理高强韧铸态铝合金的方法，包括以下步骤：
(1)步骤一、铝合金配比及熔炼：
以纯铝、Al-Si12中间合金、纯镁、Al-Sr10合金为原料备料。按照铝合金的成分为：Si：9.50wt.％；Mg：2.60wt.％；Sr：0.010wt.％；Zn：≤0.15wt.％；Ti：≤0.10wt.％；Fe：≤0.10wt.％；余量为Al，配制铝合金。将配制铝合金的原料一起加入到干燥的熔炼炉中，加热到温度为1023K条件下熔炼0.5h，得到铝合金熔液；
(2)步骤二、铝合金精炼：
经熔炼的铝液转至保温炉保温，然后进行炉内精炼，在温度为1023K条件下，将旋转吹气探头伸入保温炉底部，由旋转吹气探头向铝液通入氯气和氩气进行精炼，吹气处理5min，精炼时采用在线测氢仪测定铝液的液态氢含量，气体净化熔体结束后加入0.10wt.％铝合金精炼剂进行除气精炼、扒渣、静置5min；经过最后除渣的铝液可以直接进行浇铸；
(3)步骤三、铝合金铸造成型：
将铝液浇铸到一系列金属型模具中成板状铝合金铸坯，板状铸坯的厚度为20mm，浇铸控制温度为1003K；
(4)步骤四、铝合金铸件低温稳定化处理：
将步骤三得到的铝合金铸件放入电热鼓风干燥箱中进行低温稳定化处理，温度383K，时效时间为20h；最终得到经过稳定化处理的铝合金铸件。
其中，步骤二中所述精炼剂成分为：40wt.％KCl、32wt.％MgCl2、8wt.％AlF3、6wt.％Na3AlF6、9wt.％Mg3N2、2wt.％Na2CO3、3wt.％C2Cl6。
其中，步骤三中金属型模具的材质为：45#钢。金属型模具的尺寸为：200mm×150mm×20mm。
所述实例1中，经383K下低温稳定化20h处理的Al-Si9.5-Mg2.6-Sr0.01铝合金，其力学性能优良：屈服强度为190.5MPa，抗拉强度为276.3MPa，延伸率为10.1％。如表1所示。
实施实例2
本实例的一种低温稳定化处理高强韧铸态铝合金的方法，包括以下步骤：
(1)步骤一、铝合金配比及熔炼：
以纯铝、Al-Si12中间合金、纯镁、Al-Sr10中间合金为原料备料。按照铝合金的成分为：Si：9.80wt.％；Mg：2.25wt.％；Sr：0.010wt.％；Zn：≤0.15wt.％；Ti：≤0.10wt.％；Fe：≤0.10wt.％；余量为Al，配制铝合金。将配制铝合金的原料一起加入到干燥的熔炼炉中，加热到温度为1003K条件下熔炼1h，得到铝合金熔液；
(2)步骤二、铝合金精炼：
经熔炼的铝液转至保温炉保温，然后进行炉内精炼，在温度为1003K条件下，将旋转吹气探头伸入保温炉底部，由旋转吹气探头向铝液通入氯气和氩气进行精炼，吹气处理8min，精炼时采用在线测氢仪测定铝液的液态氢含量，气体净化熔体结束后加入0.05wt.％铝合金精炼剂进行除气精炼、扒渣、静置10min；经过最后除渣的铝液可以直接进行浇铸；
(3)步骤三、铝合金铸造成型：
将铝液浇铸到一系列金属型模具中成板状铝合金铸坯，板状铸坯的厚度为20mm，浇铸控制温度为973K；
(4)步骤四、铝合金铸件低温稳定化处理：
将步骤三得到的铝合金铸件放入电热鼓风干燥箱中进行低温稳定化处理，温度393K，时效时间为20h；最终得到经过稳定化处理的铝合金铸件。
其中，步骤二中所述精炼剂成分为：35wt.％KCl、45wt.％MgCl2、5wt.％AlF3、5wt.％Na3AlF6、5wt.％Mg3N2、3wt.％Na2CO3、2wt.％C2Cl6。
其中，步骤三中金属型模具的材质为：45#钢。金属型模具的尺寸为：200mm×150mm×20mm。
所述实例2中，经393K下低温稳定化20h处理的Al-Si9.8-Mg2.25-Sr0.01铝合金，其力学性能优良：屈服强度为181.0MPa，抗拉强度为273.1MPa，延伸率为8.1％。如表1所示。
实施例3
本实例的一种低温稳定化处理高强韧铸态铝合金的方法，包括以下步骤：
(1)步骤一、铝合金配比及熔炼：
以纯铝、Al-Si12中间合金、纯镁、纯铜、Al-Mn10中间合金、Al-Sr10中间合金为原料备料。按照铝合金的成分为：Si：10.0wt.％；Mg：1.25wt.％；Mn：0.30wt.％；Cu：0.50wt.％；Sr：0.010wt.％；Zn：≤0.15wt.％；Ti：≤0.10wt.％；Fe：≤0.10wt.％；余量为Al，配制铝合金。将配制铝合金的原料一起加入到干燥的熔炼炉中，加热到温度为1003K条件下熔炼1h，得到铝合金熔液；
(2)步骤二、铝合金精炼：
经熔炼的铝液转至保温炉保温，然后进行炉内精炼，在温度为1003K条件下，将旋转吹气探头伸入保温炉底部，由旋转吹气探头向铝液通入氯气和氩气进行精炼，吹气处理8min，精炼时采用在线测氢仪测定铝液的液态氢含量，气体净化熔体结束后加入0.10wt.％铝合金精炼剂进行除气精炼、扒渣、静置6min；经过最后除渣的铝液可以直接进行浇铸；
(3)步骤三、铝合金铸造成型：
将铝液浇铸到一系列金属型模具中成板状铝合金铸坯，板状铸坯的厚度为20mm，浇铸控制温度为973K；
(4)步骤四、铝合金铸件低温稳定化处理：
将步骤三得到的铝合金铸件放入电热鼓风干燥箱中进行低温稳定化处理，温度393K，时效时间为20h；最终得到经过稳定化处理的铝合金铸件。
其中，步骤二中所述精炼剂成分为：44wt.％KCl、30wt.％MgCl2、5wt.％AlF3、12wt.％Na3AlF6、5wt.％Mg3N2、2wt.％Na2CO3、2wt.％C2Cl6。
其中，步骤三中金属型模具的材质为：45#钢。金属型模具的尺寸为：200mm×150mm×20mm。
所述实例3中，经393K下低温稳定化20h处理的Al-Si10-Mg1.25-Cu0.5-Mn0.3-Sr0.01铝合金，其力学性能优良：屈服强度为188.3MPa，抗拉强度为301.7MPa，延伸率为7.3％。如表1所示。
实施例4
本实例的一种低温稳定化处理高强韧铸态铝合金的方法，包括以下步骤：
(1)步骤一、铝合金配比及熔炼：
以纯铝、Al-Si12中间合金、纯镁、纯铜、Al-Mn10中间合金、Al-Sr10中间合金为原料备料。按照铝合金的成分为：Si：10.5wt.％；Mg：1.40wt.％；Mn：0.30wt.％；Cu：1.00wt.％；Zn：≤0.15wt.％；Ti：≤0.10wt.％；Fe：≤0.10wt.％；余量为Al，配制铝合金。将配制铝合金的原料一起加入到干燥的熔炼炉中，加热到温度为1023K条件下熔炼0.5h，得到铝合金熔液；
(2)步骤二、铝合金精炼：
经熔炼的铝液转至保温炉保温，然后进行炉内精炼，在温度为1023K条件下，将旋转吹气探头伸入保温炉底部，由旋转吹气探头向铝液通入氯气和氩气进行精炼，吹气处理5min，精炼时采用在线测氢仪测定铝液的液态氢含量，气体净化熔体结束后加入0.06wt.％铝合金精炼剂进行除气精炼、扒渣、静置8min；经过最后除渣的铝液可以直接进行浇铸；
(3)步骤三、铝合金铸造成型：
将铝液浇铸到一系列金属型模具中成板状铝合金铸坯，板状铸坯的厚度为20mm，浇铸控制温度为1003K；
(4)步骤四、铝合金铸件低温稳定化处理：
将步骤三得到的铝合金铸件放入电热鼓风干燥箱中进行低温稳定化处理，温度433K，时效时间为20h；最终得到经过稳定化处理的铝合金铸件。
其中，步骤二中所述精炼剂成分为：35wt.％KCl、30wt.％MgCl2、6wt.％AlF3、15wt.％Na3AlF6、8wt.％Mg3N2、4wt.％Na2CO3、2wt.％C2Cl6。
其中，步骤三中金属型模具的材质为：45#钢。金属型模具的尺寸为：200mm×150mm×20mm。
所述实例4中，经433K下低温稳定化20h处理的Al-Si10-Mg1.5-Cu1-Mn0.3铝合金，其力学性能优良：屈服强度为245.7MPa，抗拉强度为350.5MPa，延伸率为4.6％。如表1所示。
实施例5
本实例的一种低温稳定化处理高强韧铸态铝合金的方法，包括以下步骤：
(1)步骤一、铝合金配比及熔炼：
以纯铝、Al-Si12中间合金、纯镁、纯铜、Al-Mn10中间合金、Al-Sr10中间合金为原料备料。按照铝合金的成分为：Si：10.30wt.％；Mg：1.45wt.％；Mn：0.30wt.％；Cu：1.00wt.％；Sr：0.010wt.％；Zn：≤0.15wt.％；Ti：≤0.10wt.％；Fe：≤0.10wt.％；余量为Al，配制铝合金。将配制铝合金的原料一起加入到干燥的熔炼炉中，加热到温度为1003K条件下熔炼1h，得到铝合金熔液；
(2)步骤二、铝合金精炼：
经熔炼的铝液转至保温炉保温，然后进行炉内精炼，在温度为1003K条件下，将旋转吹气探头伸入保温炉底部，由旋转吹气探头向铝液通入氯气和氩气进行精炼，吹气处理10min，精炼时采用在线测氢仪测定铝液的液态氢含量，气体净化熔体结束后加入0.10wt.％铝合金精炼剂进行除气精炼、扒渣、静置6min；经过最后除渣的铝液可以直接进行浇铸；
(3)步骤三、铝合金铸造成型：
将铝液浇铸到一系列金属型模具中成板状铝合金铸坯，板状铸坯的厚度为20mm，浇铸控制温度为973K；
(4)步骤四、铝合金铸件低温稳定化处理：
将步骤三得到的铝合金铸件放入电热鼓风干燥箱中进行低温稳定化处理，温度423K，时效时间为20h；最终得到经过稳定化处理的铝合金铸件。
其中，步骤二中所述精炼剂成分为：40wt.％KCl、30wt.％MgCl2、6wt.％AlF3、10wt.％Na3AlF6、6wt.％Mg3N2、4wt.％Na2CO3、4wt.％C2Cl6。
其中，步骤三中金属型模具的材质为：45#钢。金属型模具的尺寸为：200mm×150mm×20mm。
所述实例5中，经423K下低温稳定化20h处理的Al-Si10.3-Mg1.45-Cu1-Mn0.3-Sr0.01铝合金，其力学性能优良：屈服强度为217.6MPa，抗拉强度为310.5MPa，延伸率为4.9％。如表1所示。
表1为实例1-5中不同合金成分、不同精炼工艺、不同低温稳定化处理工艺下的铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率数值。
表1
样品 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(％)
实施实例1 190.5 276.3 10.1
实施实例2 181.0 271.3 8.1
实施实例3 188.3 301.7 7.3
实施实例4 245.7 350.5 4.6
实施实例5 217.6 310.5 4.9
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种低温稳定化处理高强韧铸态铝合金的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)铝合金配比及熔炼：以纯铝、Al-Si12中间合金、纯镁、纯铜、Al-Mn10中间合金、Al-Sr10中间合金为原料备料；按照铝合金的成分为：Si：9.30wt.％～10.5wt.％；Mg：1.25wt.％～2.70wt.％；Mn：0.00wt.％～0.30wt.％；Cu：0.00wt.％～1.00wt.％；Sr：0.000wt.％～0.010wt.％；Zn：≤0.15wt.％；Ti：≤0.10wt.％；Fe：≤0.10wt.％；余量为Al，配制铝合金；将配制铝合金的原料一起加入到干燥的熔炼炉中，加热到温度为1003-1023K条件下熔炼0.5h～1h，得到铝合金熔液；
(2)铝合金精炼：经熔炼的铝液转至保温炉保温，然后进行炉内精炼，在温度为1003-1023K条件下，将旋转吹气探头伸入保温炉底部，由旋转吹气探头向铝液通入氯气和氩气进行精炼，吹气处理5-10min，精炼时采用在线测氢仪测定铝液的液态氢含量，气体净化熔体结束后加入0.05-0.10wt.％铝合金精炼剂进行除气精炼、扒渣、静置5-10min；经过最后除渣的铝液直接进行浇铸；
(3)铝合金铸造成型：将铝液浇铸到一系列金属型模具中成板状铝合金铸坯，板状铸坯的厚度为20mm，浇铸控制温度为973-1003K；
(4)铝合金铸件低温稳定化处理：将步骤3得到的铝合金铸件放入电热鼓风干燥箱中进行低温稳定化处理，温度383-433K，时效时间为10-40h；最终得到经过稳定化处理的铝合金铸件。
2.根据权利要求1所述的一种低温稳定化处理高强韧铸态铝合金的方法，其特征在于：步骤2中所述精炼剂成分为：35-50wt.％KCl、30-40wt.％MgCl2、5-10wt.％AlF3、10-15wt.％Na3AlF6、5-10wt.％Mg3N2、2-5wt.％Na2CO3、2-5wt.％C2Cl6。
3.根据权利要求1所述的一种低温稳定化处理高强韧铸态铝合金的方法，其特征在于：步骤3中金属型模具的材质为：45#钢；金属型模具的尺寸为：200mm×150mm×20mm。
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