CN108193096A - 一种高强高韧的亚共晶铝硅铸造合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强高韧的亚共晶铝硅铸造合金及其制备方法，合金化学组成的质量分数为Si：6.5‑7.0%，Mg：0.45‑0.65%，Cu：0.1‑0.15%，Be：0.05‑0.06%，Sc：0.2‑0.3%，Zr：0.2‑0.3%，Sr：0.02‑0.04%，Fe≤0.1%，余量为Al；经Sc、Zr、Sr复合细化变质处理、545‑548℃×12h固溶+双级时效（120‑130℃×4h低温预时效，170‑175℃×5‑6h终时效）热处理，本发明合金的抗拉强度达366MPa、延伸率6.5%，与成分相当的商业合金A357相比，本发明合金抗拉强度和延伸率有较大幅度提高。

Description

一种高强高韧的亚共晶铝硅铸造合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强高韧的Al-Si-Mg-Cu-Be-Sc-Zr-Sr铸造合金及其细化变质、热处理方法，属于有色金属材料技术领域。

背景技术

Al-Si-Mg亚共晶铝硅铸造合金，如A356、A357，因其良好的铸造和力学性能，在机械、汽车、航空航天、军工领域应用广泛。目前，国内多数A357生产企业因制备工艺问题难于达到该合金的性能标准（抗拉强度320MPa，延伸率5%）；加之，应用领域对亚共晶铝硅铸造合金力学性能和部件薄壁轻量化要求日益提高，这迫切需要提高A356、A357合金的性能，开发更高力学性能的亚共晶铝硅铸造合金。

Al-Si亚共晶合金的铸态组织由初生α-Al和共晶组织α-Al+Si构成。未经细化变质的合金铸态组织中，初生α-Al呈粗大枝晶形态，共晶Si呈片状严重割裂α-Al基体，大幅降低合金的力学性能。为此，提高亚共晶铝硅铸造合金力学性能主要措施为：1）优化合金成分，合理添加微量合金元素强化基体；2）金属熔体的细化变质处理，即在合金熔体中添加细化剂细化基体α-Al晶粒、添加变质剂细化并改善共晶Si形态；3）通过固溶时效处理，在合金基体中弥散析出Mg₂Si等第二相，实现对合金的弥散强化。

目前工业上广泛使用的α-Al晶粒细化剂为Al-5Ti-1B、Al-5Ti-1B-RE中间合金；改善共晶Si形态的变质剂为Al-10Sr中间合金。然而，常用Al-5Ti-1B细化剂中的Al₃Ti相在亚共晶铝硅铸造合金高温熔体中易分解，分解[Ti]与合金中高Si生成硅化钛覆盖于Al₃Ti、TiB₂表面，毒化Ti、B的细化效果.所以，Al-5Ti-1B/Al-5Ti-1B-RE细化剂对亚共晶铝硅铸造合金的细化效果远小于对铝及固溶体型铝合金的细化效果。故为进一步提高亚共晶铝硅铸造合金的力学性能，有必要改进细化变质方法。

Sc是铝合金新型、高效晶粒细化剂和强化元素。Sc主要通过细晶强化和弥散强化提高铝合金的力学性能。由于Al₃Sc与α-Al晶体结构共格，先析相Al₃Sc作为α-Al的异质晶核而细晶强化；同时析出相Al₃Sc钉扎位错又弥散强化合金。

在亚共晶Al-Si铸造合金中，Sc与其它适宜的细化变质剂复合添加，有利于提高细化变质效果。Zr能有效促进Sc异质形核，同时生成的Al₃（Sc，Zr)强化对位错的钉扎，故Sc、Zr联合添加对合金力学性能有较大的提升作用，Wang X.等人在Al-5Mg合金中证实了这一结论(Effects of Sc,Zr and Ti on the microstructure and properties of Alalloys with high Mg content.Rare Metals,2010.29(1):66-71)。在目前已公开的Sc、Ti、Sr(中国专利申请公布号CN105838937A)和Al-5Ti-1B-Sc（中国专利申请公布号CN103589916A)，以及Sr、Ti(中国专利申请公布号CN105525159A)对亚共晶Al-Si-Mg系合金（A357）的细化变质处理方法中，因细化剂中Ti易与亚共晶铝硅合金中Si生成硅化钛，毒化Ti的细化效果，由此，Sc、Ti复合细化处理或Ti细化处理提升合金力学性能受到限制。

应用广泛的Al-Si-Mg亚共晶铝硅铸造合金热处理方式是T6热处理，即固溶、时效，其强化机理为弥散强化。铸态试样通过固溶处理形成过饱和固溶体，经后续时效处理，强化相弥散析出；其过程为过饱和固溶体→GP区→β’’非平衡相(Mg₂Si) →β’非平衡相(Mg₂Si)→β平衡相(Mg₂Si) 。合金中添加微量Cu能析出CuAl₂;微量铍能促进时效过程中Mg₂Si、CuAl₂弥散析出；通过在合金基体上析出细小均匀的Mg₂Si、CuAl₂等钉扎位错而实现弥散强化。

合理的双级时效工艺能够有效地增加Al-Mg-Si合金强化相β’’、β(Mg₂Si) 在基体中的致密度，细化时效析出相β’’、β’，从而提高合金强度。这一结论已被王元庆等研究证实（王元庆 苏志权 孙昌建等 时效处理对真空增压铸造A357合金组织和性能的影响，特种铸造及有色合金，2008,28（12）:946-949）。

发明内容

本发明目的是提供一种高强高韧的亚共晶铝硅铸造合金及其制备方法，在A357合金的基础上，通过优化设计合金成分、改进细化变质工艺和热处理工艺，制备一种具有高力学性能的Al-Si-Mg-Cu-Be-Sc-Zr-Sr铸造合金，以满足高强高韧铝硅铸造合金的性能要求。

本发明通过以下技术方案实现。

本发明所述的一种高强高韧的亚共晶铝硅铸造合金，其化学组分为Al-Si-Mg-Cu-Be-Sc-Zr-Sr，各组分的质量分数为：Si：6.5-7.0%，Mg：0.45-0.65%，Cu：0.1-0.15%，Be：0.05-0.06%，Sc：0.2-0.3%， Zr：0.2-0.3%，Sr：0.02-0.04%，Fe≤0.1%，余量为Al。

为解决细化剂Ti与亚共晶铝硅合金中Si生成硅化钛而毒化细化效果问题，本发明采用Sc、Zr、Sr对合金进行复合细化变质处理；合金的细化变质剂由Al-2Sc、Al-5Zr和Al-10Sr中间合金组成；细化变质处理后，合金中Sc：0.2-0.3%，Zr：0.2-0.3%，Sr：0.02-0.04%。

对本发明铸造合金铸件进行固溶、双级时效热处理。固溶处理工艺为545-548℃×12h，40℃温水水淬；双级时效工艺为120-130℃×4h低温预时效+170-175℃×5-6h终时效。

本发明所述的一种高强高韧亚共晶铝硅铸造合金的制备方法，其步骤如下。

（1）选取Al-20Si、Al-3Be、Al-2Sc、Al-5Zr、Al-10Sr中间合金及纯铝、纯镁、纯铜为原材料，根据Al-Si-Mg-Cu-Be-Sc-Zr-Sr铸造合金化学组成（质量分数）配料；采用电阻炉、石墨坩埚熔炼合金;配好的合金原料纯铝、Al-20Si干燥后，放入预热的石墨粘土坩埚中随炉加热熔化；熔体温度690-700℃，用预热300℃的石墨钟罩压入纯镁；720℃时，加入纯铜和Al-3Be中间合金，并均匀搅拌2-3分钟；合金熔体温度730-740℃时，采用Cl₆C₂第一次精炼；扒渣后熔体温度740℃，先后加入烘干的Al-2Sc、Al-5Zr、Al-10Sr中间合金对熔体进行细化变质处理，石墨棒充分搅拌3-5分钟；熔体温度740℃时，Cl₆C₂第二次精炼； 静置10分钟、扒渣后，720℃浇入预热220℃的金属模制备合金铸件。

（2）在温度545-548℃对铸件固溶处理，固溶处理工艺为545-548℃×12h，40℃温水水淬；固溶后6-12小时内对铸件进行双级时效处理，时效工艺为120-130℃×4h低温预时效+170-175℃×5-6h终时效。

本发明具有以下特点。

（1）与亚共晶铝硅铸造合金中广泛使用的Al-5Ti-1B、Al-10Sr细化变质剂相比，Sc、Zr与Sr复合细化变质处理，既避免了Ti、Si生成硅化钛“毒化”细化效果现象，Sc、Zr又能高效细化基体晶粒，同时还能促进Sr变质共晶硅，从而提高对合金的细化变质效果。

（2）合理的固溶+双级时效热处理工艺进一步提高了本发明合金的力学性能；低温预时效有效促进Mg₂Si等第二相在基体中细小均匀析出，由此提升合金的弥散强化效果。

（3）本发明在A357合金基础上，通过添加微量强化元素Cu、Be、Sc、Zr；Sc、Zr与Sr联合细化变质处理；固溶+双级时效热处理；使本发明合金的抗拉强度达366MPa，延伸率6.5%；与成分相当的商用合金A357性能要求（抗拉强度320MPa，延伸率5%）相比，抗拉强度和延伸率有较大幅度提高。

附图说明

图1是Sc、Zr与Sr联合细化变质处理的本发明实施例1合金铸态组织。

图2是T6固溶时效处理后的本发明实施例1合金显微组织。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。本发明技术方案不局限于所列举具体实施例，还包括本发明合金成分间的各组合。

实施例1。

（1）选取Al-20Si、Al-3Be、Al-10Sr、Al-2Sc、Al-5Zr中间合金及纯铝、纯镁、纯铜为原材料，按本发明铸造合金化学组成（质量分数）Si：6.8%，Mg：0.6%，Cu：0.1%，Be：0.05%，Sc：0.2%，Zr：0.2%，Sr：0.03%，Fe≤0.1%，余量为Al配料。

（2） 采用电阻炉、石墨粘土坩埚熔炼；配好的合金原料纯铝、Al-20Si干燥后，放入预热的石墨粘土坩埚中随炉加热熔化；熔体温度690-700℃，用预热300℃的石墨钟罩压入纯镁，720℃时，加入纯铜和Al-3Be中间合金，并均匀搅拌2-3分钟。

（3）合金熔体温度730-740℃时，用预热300℃的石墨钟罩压入铝箔包裹的Cl₆C₂进行第一次精炼，扒渣后熔体温度升至740℃，先后加入烘干的Al-2Sc、Al-5Zr、Al-10Sr中间合金对熔体进行细化变质处理，预热石墨棒充分搅拌3-5分钟。

（4）熔体温度740℃，用预热300℃的石墨钟罩压入铝箔包裹的Cl₆C₂进行第二次精炼；静置10分钟，扒渣；720℃浇入预热220℃的φ10抗拉试棒金属模；0.5-1小时后开模取出铸棒。

（5）将铸棒按T6热处理工艺(545℃×12h固溶+165℃×6h时效）进行热处理。

（6）图1为合金铸棒的铸态组织，α-Al枝晶组织均匀细小，二次枝晶间距平均为17.5um；图2为T6热处理后的显微组织，经变质和热处理熔断后的硅分布于α-Al晶界，平均粒度为2.5-3.5um，α-Al晶粒大小平均25-40um.

（7）将φ10热处理态拉伸试棒加工成φ6标准拉伸试棒，电子拉伸机测试试棒热处理态的力学性能，拉伸速率0.5mm/min；该制备合金的抗拉强度为345.2MPa、延伸率6.2%。

实施例2。

（1）选取Al-20Si、Al-10Sr、Al-2Sc、Al-5Zr中间合金及纯铝、纯镁、纯铜为原材料，按本发明铸造合金化学组成（质量分数）Si：6.8%，Mg：0.6%，Cu：0.15%，Be：0.06%，Sr：0.04%，Sc：0.3%，Zr：0.3%，Fe≤0.1%，余量为Al配料.

合金熔炼及合金试样的制备、性能测试均与实施例1一致。合金试样热处理后的抗拉强度为350.3MPa，延伸率6.0%。

实施例3：热处理工艺实施例。

实例1合金试样经548 ℃保温12h固溶处理后，针对双级时效工艺的低温预时效（一级时效）温度和保温时间、终时效（二级时效）温度和保温时间4个参数，采用4因素3水平的正交实验对固溶后的实例1合金试样进行时效处理，各时效工艺下的试样布氏硬度值见表1。结果显示经低温预时效温度120-130 ℃，预时效时间4h，终时效温度170-175 ℃，时效时间5-6h处理的合金硬度最佳。

表1.各时效工艺下的合金硬度。

序号	预时效温度/℃	预时效时间/h	终时效温度/℃	终时效时间/h	布氏硬度/HBW
						1	110	4	165	4	104
2	110	6	170	5	112
						3	110	8	175	6	119
4	120	4	170	6	126
						5	120	6	175	4	121
6	120	8	165	5	115
						7	130	4	175	5	125
8	130	6	165	6	117
						9	130	8	170	4	116

实施例4。

实例1合金试样经548 ℃保温12h固溶处理后，分别进行单级时效、双级时效热处理：单级时效工艺为175℃保温6h；双级时效热处理工艺为：先在120 ℃预时效4h，后在175℃保温5h，测试热处理后的拉伸力学性能。单级时效抗拉强度为348.5MPa，双级时效抗拉强度366MPa，较单级时效提高5.0%；单级时效延伸率6.2%，双级时效延伸率6.5%，双级时效延伸率较单级时效提高4.8%。

Claims (2)

1.一种高强高韧的亚共晶铝硅铸造合金，其特征是化学组分为Al-Si-Mg-Cu-Be -Sc-Zr-Sr，各组分的质量分数为：Si：6.5-7.0%，Mg：0.45-0.65%，Cu：0.1-0.15%，Be：0.05-0.06%， Sc：0.2-0.3%， Zr：0.2-0.3%，Sr：0.02-0.04%，Fe≤0.1%，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的一种高强高韧的亚共晶铝硅铸造合金的制备方法，其特征是按如下步骤：

（1）选取Al-20Si、Al-3Be、Al-2Sc、Al-5Zr、Al-10Sr中间合金及纯铝、纯镁、纯铜为原材料，根据Al-Si-Mg-Cu-Be -Sc-Zr-Sr铸造合金化学组成的质量分数配料；采用电阻炉、石墨坩埚熔炼合金；配好的合金原料纯铝、Al-20Si干燥后，放入预热的石墨粘土坩埚中随炉加热熔化；熔体温度690-700℃，用预热300℃的石墨钟罩压入纯镁；720℃时，加入纯铜和Al-3Be中间合金，并均匀搅拌2-3分钟；合金熔体温度730-740℃时，采用Cl₆C₂第一次精炼；扒渣后熔体温度740℃，先后加入烘干的Al-2Sc、Al-5Zr、Al-10Sr中间合金对合金熔体进行细化变质处理，石墨棒充分搅拌3-5分钟；熔体温度740℃时，采用Cl₆C₂第二次精炼； 静置10分钟、扒渣后， 720℃浇入预热220℃的金属模制备合金铸件；

（2）在温度545-548℃对铸件固溶处理，固溶处理工艺为545-548℃×12h，40℃温水水淬；固溶后6-12小时内对铸件进行双级时效处理，时效工艺为120-130℃×4h低温预时效+170-175℃×5-6h终时效。