CN108396204B - 一种亚共晶铝硅合金铸件及提高其性能的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种亚共晶铝硅合金铸件及提高其性能的工艺方法，该工艺适用的合金成分及重量百分比为：Si 5.5～8.5%，Mg 0.25～0.65%，Ti 0.08～0.2%以及Sr 0.02～0.10%，Er 0.05～0.50%，Sb 0.05～0.40%任意一种或多种，杂质元素含量Fe≤0.12%，其它杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，余量为Al，在铝硅合金熔炼过程中采取熔体过热处理，同时，结合合金化过程及在线精炼过程，分两次加入Ti元素；通过熔体过热处理、Ti元素的分步加入，使合金在随后的冷却凝固过程中形成更为细小的晶粒或颗粒，使铸造过程中的铝基体以及共晶Si颗粒充分细化，提高合金的性能，从而使最终铸件的性能获得较大改善，适用于航空、航天、汽车领域所用的中强铝硅合金铸件。

Description

一种亚共晶铝硅合金铸件及提高其性能的工艺方法
技术领域
本发明涉及铝合金铸造领域技术，特别是涉及一种亚共晶铝硅合金铸件及提高其性能的工艺方法。
背景技术
亚共晶铝硅合金具有流动性好，无热裂倾向，线收缩小的特点，同时具有较高的比强度和较好的铸造性能，广泛的应用于航空、航天、汽车建筑等领域。未经变质处理的铸态亚共晶铝硅合金中，共晶硅相以粗大的片针状分布在铝基体中，在受力过程中非常容易在这些部位引起应力集中，导致合金的强度、塑性显著降低。目前，在工业生产中，一般采取在熔体中加入变质剂进行变质处理，改善硅相的形态和大小，从而改善合金力学性能。
除硅相的形态、大小及分布会对亚共晶铝硅合金的性能产生较大影响外，α-Al的组织形态和大小也对合金性能有一定的影响，因此，在改变硅相形态的同时还需要对α-Al进行细化处理。为了获得这种效果，一般采取在Al-Sr中间合金中加入Ti和B元素的方式，使变质和细化同时完成(CN 201010501445.X)，部分研究者采用先后加入Sr及B的方式来分别进行变质和细化(CN 103981386A)。其中前者由于Al-Sr-Ti-B合金丝热加工工艺性能较差，丝材制备难度大且成分难以精确调控实际应用受到限制；而后者仅通过B进行细化，避免了TiB2颗粒的出现，但影响了细化效果，而且较多B的加入会对合金的焊接性能产生不良影响，从而影响铸件的性能。因此，需要针对合金熔体特性，在对整体工艺流程不进行较大调整的前提下，通过工艺的改善来实现α-Al以及硅相的细化，从而提高铸件的性能。
发明内容
为了提高亚共晶铝硅合金性能，本发明通过两次添加钛Ti金属进行细化、以及变质剂和溶体过热处理的工艺，来实现铸态组织的细化与性能提高，具体技术方案如下：
一种亚共晶铝硅合金铸件，该合金成分及其重量百分比如下：
硅Si：5.5～8.5％，镁Mg：0.25～0.65％，钛Ti：0.08～0.2％，变质剂：0.02～0.50％，杂质总量≤0.15％，余量为Al；
所述变质剂选用Sr 0.02～0.10％，Er 0.05～0.50％，Sb 0.05～0.40％其中的任意一种或多种；
所述杂质总量中包含杂质元素Fe≤0.12％，其余杂质中单个元素≤0.05％。
一种提高亚共晶铝硅合金铸件性能的工艺方法，包括溶体过热处理、添加微合金化元素、固溶时效处理步骤，其中采用溶体过热处理，同时在熔炼过程中及铸件浇铸之前两次加入钛Ti元素，提高铸造过程中α-Al铝以及共晶硅颗粒充分细化，提高亚共晶铝硅合金铸件的性能。
进一步的，所述熔体过热处理具体步骤如下：
(1)配制纯铝熔液，向纯铝熔液中以Al-Si中间合金的方式添加Si金属，缓慢搅拌使其充分溶解；
(2)将步骤(1)中熔体加热至830～900℃，保温30～60min。
进一步的，所述添加微合金化元素具体步骤如下：
(3)将上述步骤(2)中熔体的温度降低至720～750℃，添加镁Mg金属、以Al-Ti中间合金的方式添加金属钛Ti、以中间合金的方式添加变质剂；
(4)将上述步骤(3)中混合物充分搅拌混合均匀，除气精炼后静置10～30min；
(5)将上述步骤(4)中混合熔体扒渣后，将其温度降低至690～710℃，再以Al-Ti-B丝的方式加入金属钛Ti，搅拌均匀后并浇铸成型。
进一步的，所述固溶时效处理具体步骤如下：
(6)将上述步骤(5)中浇铸好的铸件表面清理后，放入带有循环装置的空气炉内进行固溶处理，固溶工艺为528℃±5℃/6～10h+537±5℃/6～8h，室温水冷；
(7)待上述步骤(6)固溶完成后，将铸件放入带有空气循环装置的烘箱内进行时效处理，时效工艺155℃±5℃/2～12h。
进一步的，所述步骤(3)中中间合金的方式添加变质剂选自Al-Sb，Al-Sr，Al-Er其中的一种或多种。
本发明具有的有益效果如下：
本发明通过熔体过热处理的方式，使合金熔体中的硅Si元素分布更为均匀，从而可以减少凝固过程中硅相的尺寸；同时通过在熔铸过程中以及浇注之前分两次加入Ti元素的方式，一方面避免了大尺寸TiB2颗粒的形成及沉淀，使Ti元素的细化效果充分发挥，另一方面控制了B元素的加入量，减少了B元素对焊接性能的影响；相对于现有技术，本发明采用的制备工艺流程，操作方便，制备成本低廉，便于工业规模化生产的推广。
附图说明
图1为实施例2处理后铸件的高倍显微组织形貌图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为了达到本发明的目的，一种亚共晶铝硅合金铸件，该合金成分及其重量百分比如下：
硅Si：5.5～8.5％，镁Mg：0.25～0.65％，钛Ti：0.08～0.2％，变质剂：0.02～0.50％，杂质总量≤0.15％，余量为Al；所述变质剂选用Sr 0.02～0.10％，Er 0.05～0.50％，Sb 0.05～0.40％其中的任意一种或多种；所述杂质总量中包含杂质元素Fe≤0.12％，其余杂质中单个元素≤0.05％。
一种提高亚共晶铝硅合金铸件性能的工艺方法，包括溶体过热处理、添加微合金化元素、固溶时效处理步骤，其中采用溶体过热处理，同时在熔炼过程中及铸件浇铸之前两次加入钛Ti元素，提高铸造过程中α-Al铝以及共晶硅颗粒充分细化，提高亚共晶铝硅合金铸件的性能，具体步骤如下：
(1)配制纯铝熔液，向纯铝熔液中以Al-Si中间合金的方式添加Si金属，缓慢搅拌使其充分溶解；
(2)将步骤(1)中熔体加热至830～900℃，保温30～60min。
(3)将上述步骤(2)中熔体的温度降低至720～750℃，添加镁Mg金属、以Al-Ti中间合金的方式添加金属钛Ti、以中间合金的方式添加变质剂，其中变质剂选自Al-Sb，Al-Sr，Al-Er其中的一种或多种；
(4)将上述步骤(3)中混合物充分搅拌混合均匀，除气精炼后静置10～30min；
(5)将上述步骤(4)中混合熔体扒渣后，将其温度降低至690～710℃，再以Al-Ti-B丝的方式加入金属钛Ti，搅拌均匀后并浇铸成型。
(6)将上述步骤(5)中浇铸好的铸件表面清理后，放入带有循环装置的空气炉内进行固溶处理，固溶工艺为528℃±5℃/6～10h+537±5℃/6～8h，室温水冷；
(7)待上述步骤(6)固溶完成后，将铸件放入带有空气循环装置的烘箱内进行时效处理，时效工艺155℃±5℃/2～12h。
表1 依据本发明制备合金的成分及拉伸性能
实施例1：
按照上述表1重量百分比配制合金A。具体的操作步骤如下：
向石墨或带有涂料的不锈钢坩埚中加入纯铝，待完全融化后加入Al-Si中间合金，其中Si含量为5.5～6.5％，缓慢搅拌至充分熔化，然后将熔体升温至830～900℃，保温40min；接着降温至720～750℃，然后分别以纯金属的形式加入0.25～0.65％的Mg，以中间合金的形式加入0.05～0.10％的Ti，以中间合金的形式加入变质剂0.02～0.10％的Sr，并搅拌均匀，在熔体内通入高纯氩气、氮气或六氯乙烷精炼除气，精炼后静置10～30min，扒去表面浮渣，熔体温度进一步降低至690～710℃，然后采用Al-Ti-B丝的方式加入0.03～0.08％的Ti，搅拌均匀后浇入水冷铁模以及金属型拉伸性模中成形。
将获得的铸件放入带有循环空气的电阻炉内进行固溶处理，具体处理工艺为：
528℃±5℃/6～10h+537±5℃/6～8h，室温水冷；
固溶完成后，将铸件放入带有空气循环装置的烘箱内进行时效处理，具体时效工艺为：155～175℃±5℃/2～12h。
测量时效处理后铸棒的拉伸性能，如表1所示，可以发现A合金的抗拉强度达到了290MPa以上，延伸率达到了18％。
实施例2：
按照上述表1重量百分比配制合金B。具体的操作步骤如下：
向石墨或带有涂料的不锈钢坩埚中加入纯铝，待完全融化后加入Al-Si中间合金，其中Si含量为6.5～7.5％，缓慢搅拌至充分熔化，然后将熔体升温至830～900℃，保温40min；接着降温至720～750℃，然后分别以纯金属的形式加入0.25～0.65％的Mg，以中间合金的形式加入0.05～0.10％的Ti，以中间合金的形式加入两种变质剂0.02～0.10％的Sr和0.05～0.15％的Er，并搅拌均匀，在熔体内通入高纯氩气、氮气或六氯乙烷精炼除气，精炼后静置10～30min，扒去表面浮渣，熔体温度进一步降低至690～710℃，然后采用Al-Ti-B丝的方式加入0.03～0.08％的Ti，搅拌均匀后浇入水冷铁模以及金属型拉伸性模中成形。
将获得的铸件放入带有循环空气的电阻炉内进行固溶处理，具体处理工艺为：
528℃±5℃/6～10h+537±5℃/6～8h，室温水冷；
固溶完成后，将铸件放入带有空气循环装置的烘箱内进行时效处理，具体时效工艺为：155～175℃±5℃/2～12h。
测量时效处理后铸棒的拉伸性能，如表1所示，可以发现B合金的抗拉强度达到了320MPa以上，延伸率超过了15％。
从拉伸试样上取高倍试样，结果如图1所示，可以发现经过上述工艺处理后α-Al晶粒及硅相均发生了细化。
实施例3：
按照上述表1重量百分比配制合金C。具体的操作步骤如下：
向石墨或带有涂料的不锈钢坩埚中加入纯铝，待完全融化后加入Al-Si中间合金，其中Si含量为7.5～8.5％，缓慢搅拌至充分熔化，然后将熔体升温至830～900℃，保温40min；接着降温至720～750℃，然后分别以纯金属的形式加入0.25～0.65％的Mg，以中间合金的形式加入0.05～0.10％的Ti，以中间合金的形式加入0.05～0.40％的Sb，并搅拌均匀，在熔体内通入高纯氩气、氮气或六氯乙烷精炼除气，精炼后静置10～30min，扒去表面浮渣，熔体温度进一步降低至690～710℃，然后采用Al-Ti-B丝的方式加入0.03～0.08％的Ti，搅拌均匀后浇入水冷铁模以及金属型拉伸性模中成形。
将获得的铸件放入带有循环空气的电阻炉内进行固溶处理，具体处理工艺为：
528℃±5℃/6～10h+537±5℃/6～8h，室温水冷；
固溶完成后，将铸件放入带有空气循环装置的烘箱内进行时效处理，具体时效工艺为：155～175℃±5℃/2～12h。
测量时效处理后铸棒的拉伸性能，如表1所示，可以发现B合金的抗拉强度达到了340MP以上，延伸率超过了10％。
实施例4：
按照上述表1重量百分比配制合金C。具体的操作步骤如下：
向石墨或带有涂料的不锈钢坩埚中加入纯铝，待完全融化后加入Al-Si中间合金，其中Si含量为8.0％，缓慢搅拌至充分熔化，然后将熔体升温至865℃，保温40min；接着降温至735℃，然后分别以纯金属的形式加入0.45％的Mg，以中间合金的形式加入0.75％的Ti，以中间合金的形式加入0.20％的Sb，并搅拌均匀，在熔体内通入高纯氩气、氮气或六氯乙烷精炼除气，精炼后静置25min，扒去表面浮渣，熔体温度进一步降低至700℃，然后采用Al-Ti-B丝的方式加入0.05％的Ti，搅拌均匀后浇入水冷铁模以及金属型拉伸性模中成形。
将获得的铸件放入带有循环空气的电阻炉内进行固溶处理，具体处理工艺为：
528℃±5℃/6～10h+537±5℃/6～8h，室温水冷；
固溶完成后，将铸件放入带有空气循环装置的烘箱内进行时效处理，具体时效工艺为：155～175℃±5℃/2～12h。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种提高亚共晶硅铝合金铸件性能的工艺方法，其特征在于：该合金成分及其重量百分比如下：
硅Si：8.0-8.5％，镁Mg：0.25-0.65％，钛Ti：0.08-0.2％，变质剂：0.02-0.50％，杂质总量≤0.15％，余量为Al；
所述变质剂选用Sr0.02-0.10％，Sb0.05-0.40％其中的任意一种或两种；
所述杂质总量中包含杂质元素Fe≤0.12％，其余杂质中单个元素≤0.05％；
所述亚共晶铝硅合金铸件的制备方法，包括熔体过热处理、添加微合金化元素、固溶时效处理步骤，其中熔体过热处理步骤为：(1)配制纯铝熔液，向纯铝熔液中以Al-Si中间合金的方式添加Si金属，缓慢搅拌使其充分溶解；(2)将步骤(1)中熔体加热至830-900℃，保温30-60min；添加微合金化元素步骤为：(3)将上述步骤(2)中熔体的温度降低至720-750℃，添加镁Mg金属、以Al-Ti中间合金的方式添加金属钛Ti、以中间合金的方式添加变质剂；(4)将上述步骤(3)中混合物充分搅拌混合均匀，除气精炼后静置10-30min；(5)将上述步骤(4)中中混合熔体扒渣后，将其温度降低至690-710℃，再以Al-Ti-B丝的方式加入金属钛Ti，搅拌均匀后并浇铸成型；固溶时效处理步骤为：(6)将上述步骤(5)中浇铸好的铸件表面清理后，放入带有循环装置的空气炉内进行固溶处理，固溶工艺为528℃±5℃/6-10h+537±5℃/6-8h，室温水冷；(7)将上述步骤(6)固溶完成后，将铸件放入带有空气循环装置的烘箱内进行时效处理，时效工艺155℃±5℃/2-12h。
2.如权利要求1所述的一种提高亚共晶铝硅合金铸件性能的工艺方法，其特征在于：所述步骤(3)中中间合金的方式添加变质剂选自Al-Sb，AL-Sr其中的一种或两种。
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