CN108425043B

CN108425043B - 一种稀土变质的Al-Si-Mg-Mn铸造合金及其制备方法

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Publication number: CN108425043B
Application number: CN201810189937.6A
Authority: CN
Inventors: 刘玉林; 毕常兰; 何芳; 何国元; 裔国宇
Original assignee: Dare Wheel Manufacture Co ltd; Shenyang Aerospace University
Current assignee: Dare Wheel Manufacture Co ltd; Shenyang Aerospace University
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2038-03-08
Also published as: CN108425043A

Abstract

一种稀土变质的Al‑Si‑Mg‑Mn铸造合金及其制备方法，属于金属材料及冶金技术领域，成分按重量百分比含Si 6.0～8.5％，Mg 0.65～1.5％，Mn 0.25～0.75％，Ti 0.08～0.25％，Be≤0.2％，Zn≤0.5％，Cr≤0.5％，Zr≤0.5％，余量为Al；制备方法为：(1)准备原料；(2)铝锭加热成铝熔体，加入其他原料铝熔体中，熔化后搅拌均匀；(3)加入精炼剂进行精炼处理；然后加入Al‑10RE变质剂进行变质处理；(4)除气后扒渣，700～800℃静置，然后浇注成铸件；(5)将铸件进行固溶处理和时效处理。本发明的方法利用稀土变质后，解决了提高Mn含量导致的变质效果退化衰退的问题，充分发挥高Mg合金的沉淀强化效果，实现合金力学性能提升。

Description

一种稀土变质的Al-Si-Mg-Mn铸造合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种稀土变质的Al-Si-Mg-Mn铸造合金及其制备方法。

背景技术

Al-Si铸造合金具有良好的铸造工艺性能和气密性，可用于砂型、金属型铸造和压力铸造，是当前工业中应用最广泛的铸造铝合金；它们还具有良好的机械性能和抗腐蚀性能，可用于各种承受中等载荷的结构件和附件，以及耐腐蚀的零件。

Al-Si二元合金中添加Mg形成Al-Si-Mg系合金，Mg和Si结合形成Mg₂Si相，能参与合金的固溶—沉淀强化，因而可通过热处理提高合金的机械性能；比如，ZL101和ZL101A，含有0.25～0.45wt％的Mg，具有显著的沉淀强化效应；进一步提高Mg含量，比如，ZL114A，Mg含量提高到0.45～0.6wt％，力学性能显著提高；根据这个规律，再进一步提高Mg含量，可以形成更多的强化相Mg₂Si，从而可以进一步提高合金的力学性能。

但是，研究表明，简单地进一步提高Mg含量并不能显著改善合金的力学性能，可能是因为提高Mg含量导致共晶Si颗粒的分解和粗化温度降低；在固溶处理过程中导致共晶Si颗粒过分粗化。

发明内容

本发明的目的是提供一种稀土变质的Al-Si-Mg-Mn铸造合金及其制备方法，提高Mg和Mn含量，通过添加稀土元素达到最佳变质效果，从而实现比现有亚共晶型Al-Si合金更高的力学性能，同时简化工艺步骤，降低生产成本。

本发明的稀土变质的Al-Si-Mg-Mn铸造合金的成分按重量百分比含Si 6.0～8.5％，Mg0.65～1.5％，Mn 0.25～0.75％，Ti 0.08～0.25％，Be≤0.2％，Zn≤0.5％，Cr≤0.5％，Zr≤0.5％，余量为Al和杂质，所述杂质中，Fe≤0.5％，其它杂质元素总含量≤1.0％，抗拉强度345～375MPa，延伸率5.4～6.4％。

上述的稀土变质的Al-Si-Mg-Mn铸造合金的优选成分按重量百分比含Si 6.5～7.5％、Mg0.8～1.25％、Mn 0.35～0.55％、Ti 0.1～0.25％、Be≤0.1％、Zn≤0.5％、Cr≤0.5％、Zr≤0.5％，余量为Al和杂质，所述杂质中：Fe≤0.5％；其它杂质元素总含量≤1.0％，抗拉强度355～375MPa，延伸率5.9～6.4％。

上述的稀土变质的Al-Si-Mg-Mn铸造合金，利用RE(稀土元素)做变质剂。RE为La，或者Ce，或者为以La和Ce为主的混合稀土。用量为0.03-0.3wt％

本发明的稀土变质的Al-Si-Mg-Mn铸造合金的制备方法按以下步骤进行：

1、按上述设定成分准备原料；所述原料为铝锭、镁锭、锌锭、锰添加剂、钛添加剂、锆添加剂、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金、铝硅中间合金、铝铬中间合金和/或铝铍中间合金；

2、将铝锭加热熔化形成铝熔体，温度控制在700～800℃，将其他原料加入铝熔体中，至全部原料熔化后，搅拌均匀，形成合金熔体，温度控制在700～800℃；

3、向合金熔体中加入精炼剂进行精炼处理；然后向合金熔体中加入Al-10RE变质剂进行变质处理，加入量为铝合金熔体总重量的0.3～3％；所述的RE选用La和/或Ce；

4、将经过变质处理的合金熔体除气后扒渣，再在700～800℃静置15～25min，使熔体中的杂质沉淀或上浮，然后浇注成铸件；

5、将铸件进行固溶处理和时效处理，制成稀土变质的Al-Si-Mg-Mn铸造合金的铸件。

上述的精炼剂选用任何具有精炼效果的精炼剂，比如RJ-1精炼剂，精炼剂的加入量为铝合金熔体总重量的0.2～0.8％。

上述的除气是采用除气机向铝水中通入氩气或氮气，氩气或氮气的流量为0.2～0.3m³/h。

上述的固溶处理是在520～560℃保温3～30小时，然后淬火冷却。

上述的时效处理是在150～200℃保温3～30小时，然后空冷。

上述方法中，加入Cr和Be元素时，分别选用铝铬中间合金和铝铍中间合金。

上述方法中，加入Mn、Ti和Zr元素时，分别选用铝锰中间合金、铝钛中间合金和铝锆中间合金，或者分别选用锰添加剂、钛添加剂和锆添加剂。

上述方法中，加入Mg和Zn元素时，分别选用镁锭和锌锭。

上述方法中，加入Si，选用金属硅或铝硅中间合金。

在Al-Si合金中，元素Mn一直被认为是有害杂质元素，其含量被限制在0.1％以下；研究发现提高合金的Mn含量，解决了提高Mg含量导致的共晶Si颗粒过度粗化问题，抑制了共晶Si颗粒粗化；从而，可以使Mg含量大幅度提高，充分发挥Mg₂Si相的强化效果，大幅度提高了Al-Si合金的力学性能；但是，大幅度提高Mn含量后，导致Sr变质剂变质能力退化，而且，衰退快，变质有效期缩短，生产时，需要加大变质剂用量，在铸造后期，需要追加变质。

试验表明，利用稀土变质后，变质效果大为提高，解决了由于提高Mn含量导致的变质效果退化和衰退的问题，从而可以在Al-Si为主成分的基础上提高合金元素Mg和Mn的含量；提高Mg含量促进了强化相Mg₂Si的析出，提高了沉淀强化的效果，达到提高合金力学性能的目的；提高Mn含量，提高了共晶Si颗粒的分解和粗化温度，抑制了共晶Si颗粒粗化，从而减小甚至消除了因为提高Mg含量导致的共晶Si颗粒的分解和粗化温度降低的负面影响，能够充分发挥高Mg合金的沉淀强化效果，实现合金力学性能提升。

附图说明

图1为本发明对比例1采用Al-10Sr变质剂时获得的铸锭铸态共晶Si的金相组织图；

图2为本发明实施例1采用稀土变质剂时获得的铸锭铸态共晶Si的金相组织图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；本发明实施例提供一种Al-Si-Mg-Mn铸造合金材料，通过以下具体实施例对本发明的Al-Si系铸造铝合金材料及其制备方法做详细说明；每个实施例均为制备100kg合金；本发明实施例中选用的重熔用铝锭为国家标准GB/T 1196-2008《重熔用铝锭》中的Al99.70，其含铝量不小于99.70wt％；或铸造行业常用的预合金化铸造铝合金锭，比如国家标准GB/T 8733-2016《铸造铝合金锭》中的356Z.3，含Si 6.5～7.5wt％，Mg 0.3～0.4wt％，Ti 0.1～0.2wt％，Fe≤0.12wt％，Mn≤0.05wt％，余量为Al和其它杂质元素。

本发明实施例中除气是采用除气机向加入铝水中通入氩气，氩气的流量为0.2～0.3m³/h。

本发明实施例中变质剂在铸件中的残余量忽略不计。

本发明实施例中变质处理后，向铝合金熔体中加入或不加入Al-5Ti-B晶粒细化剂细化晶粒，加入量为铝合金熔体总重量的0.1～0.2％。

对比例1

合金设计成分为Si 7.0wt％，Mg 1.0wt％，Mn0.45wt％，Ti 0.15wt％，余量为Al；准备铝锭、铝钛中间合金、镁锭和85锰剂(含85％Mn的铝合金元素添加剂)；铝锭为预合金化铝锭356z.3；将铝锭加热熔化形成铝熔体，温度控制在720℃，将铝钛中间合金、镁锭和85锰剂加入铝熔体中，至全部原料熔化后，搅拌均匀，形成合金熔体，温度控制在720℃；

向合金熔体中加入RJ-1精炼剂，进行精炼处理；精炼剂的加入量为铝合金熔体总重量的0.5％；然后向合金熔体中加入Al-10Sr变质剂进行变质处理，加入量为铝合金熔体总重量的0.3％；

将经过变质处理的合金熔体除气后扒渣，再在720℃静置20min，使熔体中的杂质沉淀或上浮，然后浇注成铸锭；凝固后的铸态组织如图1所示，由图可见，共晶硅变质不充分。

将铸锭进行固溶处理和时效处理，固溶处理是在540℃保温6小时，然后淬火冷却；时效处理是在160℃保温6小时，然后空冷；获得的铸件抗拉强度331MPa，延伸率5.1％；

实施例1

合金成分和制备方法同对比例1，不同点在于：

向合金熔体中加入Al-10Re(其中Re为La-Ce混合稀土)中间合金作为变质剂，进行变质处理，加入量为铝合金熔体总重量的0.9％；铸件凝固后的共晶硅组织如图2所示，由图可见，共晶硅变质很充分；热处理后铸件抗拉强度365MPa，延伸率6.2％；

实施例2

方法同实施例1，不同点在于：

(1)设计成分为Si 6.5wt％，Mg 0.8wt％，Mn 0.45wt％，Ti 0.25wt％，Be0.02wt％，余量为Al；准备铝锭、铝铍中间合金、铝钛中间合金、镁锭和85锰剂作为原料；

(2)合金熔体温度控制在750℃；

(3)精炼剂的加入量为铝合金熔体总重量的0.2％；向合金熔体中加入Al-10La中间合金作为变质剂，进行变质处理，加入量为铝合金熔体总重量的0.7％；向合金熔体中加入Al-5Ti-B晶粒细化剂细化晶粒，加入量为铝合金熔体总重量的0.1％；

(4)固溶处理是在560℃保温13小时，然后淬火冷却；时效处理是在200℃保温3小时，然后空冷；铸件抗拉强度355MPa，延伸率5.9％；

实施例3

方法同实施例1，不同点在于：

(1)合金设计成分为Si 7.5wt％，Mg 1.25wt％，Mn0.35wt％，Ti 0.2wt％，Zr0.09wt％，余量为Al；准备铝锭、铝锆中间合金、铝钛中间合金、镁锭和85锰剂作为原料；

(2)合金熔体温度控制在730℃；

(3)精炼剂的加入量为铝合金熔体总重量的0.8％；向合金熔体中加入Al-10La中间合金作为变质剂，进行变质处理，加入量为铝合金熔体总重量的0.8％；

(4)固溶处理是在540℃保温20小时，然后淬火冷却；时效处理是在180℃保温10小时，然后空冷；铸件抗拉强度372MPa，延伸率6.1％。

实施例4

方法同实施例1，不同点在于：

(1)设计成分为Si 6.8wt％，Mg 0.85wt％，Mn 0.35wt％，Ti 0.1wt％，Zn0.35wt％，余量为Al；准备铝锭、锌锭、铝钛中间合金、镁锭和85锰剂作为原料；

(2)合金熔体温度控制在720℃；

(3)精炼剂的加入量为铝合金熔体总重量的0.4％；向合金熔体中加入Al-10La中间合金作为变质剂，进行变质处理，加入量为铝合金熔体总重量的0.5％；

(4)固溶处理是在550℃保温12小时，然后淬火冷却；时效处理是在190℃保温10小时，然后空冷；铸件抗拉强度357MPa，延伸率6.0％。

实施例5

方法同实施例1，不同点在于：

(1)设计成分为Si 7.2wt％，Mg 1.20wt％，Mn 0.55wt％，Ti 0.22wt％，Cr0.15wt％，Be0.05wt％，余量为Al；准备铝锭、铝铍中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、镁锭和85锰剂作为原料；

(2)合金熔体温度控制在740℃；

(3)精炼剂的加入量为铝合金熔体总重量的0.6％；向合金熔体中加入Al-10Ce中间合金作为变质剂，进行变质处理，加入量为铝合金熔体总重量的1.0％；向合金熔体中加入Al-5Ti-B晶粒细化剂细化晶粒，加入量为铝合金熔体总重量的0.2％；

(4)固溶处理是在530℃保温24小时，然后淬火冷却；时效处理是在160℃保温24小时，然后空冷；铸件抗拉强度375MPa，延伸率6.4％。

实施例6

方法同实施例1，不同点在于：

(1)合金设计成分为Si 6.0wt％，Mg 0.65wt％，Mn0.25wt％，Ti 0.08wt％，余量为Al；

(2)铸件抗拉强度345MPa，延伸率5.4％。

实施例7

方法同实施例2，不同点在于：

(1)合金设计成分为Si 8.5wt％，Mg 1.5wt％，Mn0.75wt％，Ti 0.09wt％，Be0.02wt％，余量为Al；

(2)铸件抗拉强度352MPa，延伸率5.5％。

实施例8

方法同实施例3，不同点在于：

(1)合金设计成分为Si 6.2wt％，Mg 1.4wt％，Mn0.65wt％，Ti 0.15wt％，Zr0.09wt％，余量为Al；

(2)铸件抗拉强度357MPa，延伸率5.8％。

实施例9

方法同实施例4，不同点在于：

(1)合金设计成分为Si 8.2wt％，Mg 0.7wt％，Mn0.3wt％，Ti 0.25wt％，Zn0.35wt％，余量为Al；

(2)铸件抗拉强度350MPa，延伸率5.5％。

实施例10

方法同实施例5，不同点在于：

(1)合金设计成分为Si 8.0wt％，Mg 1.3wt％，Mn0.6wt％，Ti 0.15wt％，Cr0.15wt％，Be 0.05wt％，余量为Al；

(2)铸件抗拉强度361MPa，延伸率6.3％。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种稀土变质的Al-Si-Mg-Mn铸造合金的制备方法，其特征在于所述的稀土变质的Al-Si-Mg-Mn铸造合金的成分按重量百分比含Si 6.0~8.5%，Mg 0.65~1.5%，Mn 0.25~0.75%，Ti 0.08~0.25%，Be ≤0.2%， Zn ≤0.5%，Cr ≤0. 5%，Zr ≤0.5%，余量为Al和杂质，所述杂质中，Fe≤0.5%，其它杂质元素总含量≤1.0%，抗拉强度345~375MPa，延伸率5.4~6.4%；

制备方法按以下步骤进行：

（1）按上述设定成分准备原料；所述原料为铝锭、镁锭、锌锭、锰添加剂、钛添加剂、锆添加剂、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金、铝硅中间合金、铝铬中间合金和/或铝铍中间合金；

（2）将铝锭加热熔化形成铝熔体，温度控制在700~800℃，将其他原料加入铝熔体中，至全部原料熔化后，搅拌均匀，形成合金熔体，温度控制在700~800℃；

（3）向合金熔体中加入精炼剂进行精炼处理；然后向合金熔体中加入Al-10RE变质剂进行变质处理，加入量为铝合金熔体总重量的0.3~3%；所述的RE选用La和/或Ce；

（4）将经过变质处理的合金熔体除气后扒渣，再在700~800℃静置15~25min，使熔体中的杂质沉淀或上浮，然后浇注成铸件；

（5）将铸件进行固溶处理和时效处理，制成稀土变质的Al-Si-Mg-Mn铸造合金铸件。

2.根据权利要求1所述的稀土变质的Al-Si-Mg-Mn铸造合金的制备方法，其特征在于所述的精炼剂选用RJ-1精炼剂，精炼剂的加入量为铝合金熔体总重量的0.2~0.8%。

3.根据权利要求1所述的稀土变质的Al-Si-Mg-Mn铸造合金的制备方法，其特征在于所述的固溶处理是在520~560℃保温3~30小时，然后淬火冷却。

4.根据权利要求1所述的稀土变质的Al-Si-Mg-Mn铸造合金的制备方法，其特征在于所述的时效处理是在150~200℃保温3~30小时，然后空冷。