CN108251710A

CN108251710A - 一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金及其制备工艺

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Publication number: CN108251710A
Application number: CN201810075148.XA
Authority: CN
Inventors: 朱定; 朱定一; 江峻; 王连登
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2018-07-06
Anticipated expiration: 2038-01-26
Also published as: CN108251710B

Abstract

本发明公开了一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金及其制备工艺，其组分按重量百分比计为:17‑23%Si,0.5‑1%Cu,0.3‑0.8%Mg,0.2‑0.5%Fe,0.5‑0.8%Mn,0.2‑0.6%RE,0.05‑0.1%P,0.3%为其他微量元素，如Cr、Ti，余量为Al。本发明中高硅铝合金具有优异的金相组织结构，可适合于制造需要承受重载荷，高强度的铝合金结构零部件，且高硅铝合金产品具有优良的机械性能，免除了热处理工序，节约能耗，生产效率高，节省了生产成本。

Description

一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种属于高硅铝合金产品制备的领域，具体涉及一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金的制备工艺。

背景技术

高硅铝合金具有热膨胀系数小、硬度高、强度高、耐磨性好且密度低等特点，能很好的满足现代环保要求和改善能源消耗问题，并大量应用在刹车盘，缸套，活塞等零部件。而高硅铝合金的力学性能直接取决于Si相组织的形貌、晶粒尺寸、分布情况及与Al基体的生长方式、Si相本身的断裂特性等，组织中粗大的初生Si和长针状的共晶Si，严重割裂了铝基体的连续性，从而使高硅铝合金的应用受到了限制。

本发明采用挤压铸造成型能使液态的高硅铝合金在高压下迅速凝固成型，解决了传统制备条件下高硅铝合金铸件中初生Si组织粗大的问题，使合金的初生Si晶粒显著细化，共晶Si分布均匀，具有优良的机械性能，适合于制造需要承受重载荷，高强度，高耐磨的铝合金结构零部件，为高硅铝合金生产高强韧挤压铸件产品实现工业化生产应用提供了稳定的生产工艺。

发明内容

本发明所解决的技术问题是针对高硅铝合金产品强度不足，提供一种成型简单，热膨胀系数小，Si相晶粒尺寸细小的高强韧高硅铝合金及其制备工艺方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

所述一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金的材料，其组分按重量百分比计为:17-23%Si，0.5-1%Cu，0.3-0.8%Mg，0.2-0.5%Fe，0.5-0.8%Mn，0.2-0.6%RE，0.05-0.1%P，0.3%为其他微量元素，如Cr、Ti，余量为Al。

其中优化最佳组分按重量百分比计为:22%Si，0.8%Cu，,0.6%Mg，0.4%Fe，0.6%Mn，0.4%RE，0.08%P，0.3%为其他微量元素，如Cr、Ti，余量为Al。

所述一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金的制备工艺，按以下步骤进行:

（1）根据所述一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金的材料的组分及各组分的重量百分比，称取纯铝锭、纯镁锭、工业结晶硅、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-RE中间合金、P-Cu中间合金为原料进行铝合金熔炼配料;

（2）先将工业结晶硅加入到电磁感应熔炼炉底部，再把相应的纯铝锭加入到工业结晶硅上面压实覆盖，用惰性气体或保护熔剂进行保护，防止铝锭表面氧化，开启熔炼炉电源，调整熔炉温度至760-850℃，待材料完全熔化后，再将Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金加入熔炼炉中；

（3）控制铝液温度为760-820℃，再通入氮气或惰性气体对铝液内部进行除气处理，静置10-15min后对铝液表面上氧化皮及杂质进行清理，随后再补加一层覆盖剂（60wt.%NaCl和40wt.%KCl混合物），并添加P-Cu中间合金变质剂细化铝液中的初生Si，保温30-80min，变质时间到达后，进行充分搅拌，调整铝液的温度至760-780℃，然后，采用钟罩方式将纯镁锭压入熔体中熔化制得铝液，再添加变质剂Al-RE中间合金对共晶Si进行变质处理，变质时间为20-40min;

（4）预热模具至150-230℃，浇注温度为760-780℃，压射比压为60-90Mpa，增压时间为60-90ms，挤压速度分别为0.2-0.5m/s，一次循环时间为100s;

（5）浇注合模结束时，对未完全凝固的高强韧铝合金铸件进行快速激冷，冷却速度控制在300-500℃/s，然后开模取出高强韧铝合金铸件;

（6）对挤压成型生产的高硅铝合金产品进行常规金相分析及力学性能测试。

本发明中添加Cu、Mg、Mn元素，能有效地增大合金的抗拉强度，且在合金中添加RE、P变质元素，各元素之间的相互协同作用可提高合金的机械性能，还能有效地克服产品在挤压铸造成型过程中产生的裂纹。本发明通过优化高硅铝合金成分配料，对材料采用P和RE复合变质处理和合金元素强化处理，并采用挤压铸造成型使液态的高硅铝合金在高压下迅速凝固成型，直接获得Si相组织形貌细小均匀的高强韧挤压铸件产品，挤压铸造对合金材料的利用率高，工序简单，产品质量稳定，且不需要后续热处理，能为高硅铝合金生产高强韧铸件产品实现工业化生产提供了稳定的生产工艺。

通过挤压铸造成型工艺制备的高硅铝合金产品，在金属液熔炼过程中会带入有害Fe元素，Fe元素会在熔体中形成针状的FeAl₃和Al-Fe-Si等中间化合物, 此类化合物严重削弱产品的力学性能，通过添加Mn元素合金化处理可以中和Fe元素，形成有利于产品性能的第二相组织；对合金材料采用P和RE复合变质处理，能充分细化合金组织中粗大的初生Si相和改善长针状的共晶Si相形貌；采用挤压铸造成型使Si相组织在高压下迅速凝固成型，直接获得细小均匀伪共晶组织。因此，通过对高硅铝合金的金相组织分析，优化高硅铝合金配料和挤压成型工艺，使得制备出高强韧高硅铝合金材料适合于制造需要承受重载荷的铝合金结构零部件。

本发明的显著优点在于：

1、一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金的制备工艺，通过对高硅铝合金的性能分析，优化Al-Si合金的设计和配料，对合金材料采用P和RE复合变质处理和合金元素处理，使制备出高硅铝合金材料适合于制造需要承受重载荷高耐磨的铝合金结构零部件。

2、本发明采用P和RE复合变质剂，复合变质剂的变质细化Si的效果优于单一的变质剂，而且烧损量少，污染轻，P-Cu中间合金和Al-RE中间合金变质细化剂价格便宜，容易添加，对合金中的Si相变质效果好，可以形成外来形核点AlP细化初生Si，减少材料在受力过程硬脆相粒子的应力集中，提高材料的强度。

3、本发明采用Mn、Cu、Mg、Cr、Ti元素作为合金强化元素，Mn元素能中和合金中有害的Fe元素，减少组织中FeAl₃针状化合物出现，形成有利于组织形貌的第二相组织，Cu、Mg、Ti元素作为强化元素可以与Al基体和Si相形成强化相Al₂Cu、Mg₂Si、AlTi₃，提高材料的强度。

4、本发明采用高速挤压铸造成型技术制备产品铸件，预热模具温度至150-230℃，浇注温度为760-780℃，压射比压为60-90MPa，增压时间为60-90ms，挤压速度分别为0.2-0.5m/s，一次循环时间为100s;

5、本发明采用激冷处理，即当铝合金液填充结束时，还未完全凝固时，使模具温度快速降低，降温速度为400℃/s，降温至100℃以下，以控制铝合金的Si相及其它有效合金相尺寸与分布，促使晶粒进一步变细，从而提高材料的抗拉强度、屈服强度与伸长率。

6、将现有的铸造Al-20Si铝合金板制成拉伸毛坯，并按照GB-T228.1-2010标准加工成拉伸试样，采用金相分析仪和万能试验机分别进行常规金相分析及力学性能分析，其金相分析结果见图1，力学性能抗拉强度小于200MPa,屈服强度小于90MPa、延伸率小于1%、初生硅晶粒直径d≥50um。

7、将制备的高硅铝合金板制成拉伸毛坯，并按照GB/T228.1-2010标准加工成拉伸试样，采用金相分析仪和万能试验机分别进行常规金相分析及力学性能分析，其金相分析结果见图2，力学性能抗拉强度大于350MPa,屈服强度大于160MPa、延伸率大于3%、初生硅晶粒直径d≤5um。

8、本发明的高强高硅合金其力学性能参数不仅高于常规的高硅铝合金强度，而且其较高的力学性能参数及良好的金相组织可应用于制造需要承受重载荷，高强度，高耐磨的铝合金结构零部件。

附图说明

图1:常规Al-20Si合金金相分析组织X200图；

图2:本发明中高硅铝合金产品金相分析组织X200图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1:

一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金，其组分按重量百分比计为:19%Si，0.6%Cu，0.8%Mg，0.5%Fe，0.8%Mn，0.3%RE，0.06%P，0.3%为其他微量杂质元素，如Cr、Ti，余量为Al。

一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金的制备工艺，按以下步骤进行:

①根据所述一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金的材料的组分及各组分的重量百分比，采用纯铝锭、纯镁锭、工业结晶硅、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-RE中间合金、P-Cu中间合金为原料进行铝合金熔炼配料;

②先将工业结晶硅加入到电磁感应熔炼炉底部，再把相应的纯铝锭加入到工业结晶硅上面压实覆盖，用惰性气体或保护熔剂进行保护，防止铝锭表面氧化，开启熔炼炉电源，调整熔炉温度至800℃，待材料完全熔化后，再将Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金加入熔炼炉中。

③控制铝液温度为780℃，再通入氮气或惰性气体对铝液内部进行除气处理，静置10min后对铝液表面上氧化皮及杂质进行清理，随后再补加一层覆盖剂，并添加P-Cu中间合金变质剂细化铝液中的初生Si，保温40min，变质时间到达后，进行充分搅拌，调整铝液的温度至760℃，然后，采用钟罩方式将纯镁锭压入熔体中熔化制得铝液，再添加变质剂Al-RE中间合金对共晶Si进行变质处理，变质时间20min;

④预热模具至200℃，浇注温度为760℃，压射比压为70MPa，增压时间为80ms，挤压速度分别为0.4m/s，一次循环时间为100s；

⑤浇注合模结束时，对未完全凝固的高强韧铝合金铸件进行快速激冷，冷却速度控制在400℃/s，然后开模取出高强韧铝合金铸件；

经过机加工后制得高强韧铝合金产品，初生Si晶粒直径d≤5um，抗拉强度大于350MPa，屈服强度大于160MPa，伸长率大于3%。

实施例2:

一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金，其组分按重量百分比计为: 22%Si，0.8%Cu，0.6%Mg，0.4%Fe，0.6%Mn，0.4%RE，0.08%P，0.3%为其他微量杂质元素，如Cr、Ti，余量为Al。

②先将工业结晶硅加入到电磁感应熔炼炉底部，再把相应的纯铝锭加入到工业结晶硅上面压实覆盖，用惰性气体或保护熔剂进行保护，防止铝锭表面氧化，开启熔炼炉电源，调整熔炉温度至820℃，待材料完全熔化后，再将Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金加入熔炼炉中。

③控制铝液温度为800℃，再通入氮气或惰性气体对铝液内部进行除气处理，静置15min后对铝液表面上氧化皮及杂质进行清理，随后再补加一层覆盖剂，并添加P-Cu中间合金变质剂细化铝液中的初生Si，保温60min，变质时间到达后，进行充分搅拌，调整铝液的温度至770℃，然后，采用钟罩方式将纯镁锭压入熔体中熔化制得铝液，再添加变质剂Al-RE中间合金对共晶Si进行变质处理，变质时间30min;

④预热模具至200℃，浇注温度为770℃，压射比压为80MPa，增压时间为90ms，挤压速度分别为0.5m/s，一次循环时间为100s；

Claims

1.一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金，其特征在于：其组分按重量百分比计为:17-23%Si，0.5-1%Cu，0.3-0.8%Mg，0.2-0.5%Fe，0.5-0.8%Mn，0.2-0.6%RE，0.05-0.1%P，0.3%微量元素，余量为Al。

2.根据权利要求1所述一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金，其特征在于：所述微量元素包括Cr或Ti。

3.根据权利要求1所述一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金，其特征在于：其组分按重量百分比计为: 22%Si，0.8%Cu，0.6%Mg，0.4%Fe，0.6%Mn，0.4%RE，0.08%P，0.3%微量元素，余量为Al。

4.一种制备如权利要求1所述的一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金的工艺，其特征在于：按以下步骤进行:

（1）按照材料组分配比，称取纯铝锭、纯镁锭、工业结晶硅、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-RE中间合金、P-Cu中间合金为原料进行合金熔炼配料；

（3）控制铝液温度为760-820℃，再通入氮气或惰性气体对铝液内部进行除气处理，静置10-15min后对铝液表面上氧化皮及杂质进行清理，随后再补加一层覆盖剂，并添加P-Cu中间合金变质剂细化铝液中的初生Si，保温30-80min，变质时间到达后，进行充分搅拌，调整铝液的温度至760-780℃，然后，采用钟罩方式将纯镁锭压入熔体中熔化制得铝液，再添加变质剂Al-RE中间合金对共晶Si进行变质处理，变质时间为20-40min；

（4）预热模具至150-230℃，将步骤（3）获得的铝液进行浇注，浇注温度为760-780℃，压射比压为60-90Mpa，增压时间为60-90ms，挤压速度分别为0.2-0.5m/s，一次循环时间为100s；

（5）浇注合模结束时，对未完全凝固的高硅铝合金铸件进行快速激冷，冷却速度控制在300-500℃/s，然后开模取出高硅铝合金铸件产品。

5.根据权利要求4所述的一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金的制备工艺，其特征在于：步骤（3）所述覆盖剂为60wt.%NaCl和40wt.%KCl混合物。