CN108486428A - 一种制备复合强化合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备复合强化合金的方法，本发明在传统A356合金的成分基础上，添加微量Ti、Zr元素进行合金化改性，通过熔炼铸造得到铸锭。经本发明工艺制得的A356合金与目前传统工艺生产的A356铸造合金相比，性能得到显著提高，而且采用此工艺方法制备A356铸造合金简单易行，生产成本低廉，在航空、航天、汽车、机械制造领域具有非常广阔的生产应用前景，适用于大规模工业化生产。

Description

一种制备复合强化合金的方法

技术领域

本发明主要涉及合金加工的技术领域，具体涉及一种制备复合强化合金的方法。

背景技术

第二次工业革命之后，特别是进入新世纪以来，汽车行业逐渐兴盛，随着科学技术的发展和能源消耗所带来问题的日益严重，部分汽车零部件中的钢结构被逐渐摒弃，取而代之的是铝合金零件，这大大减轻了汽车的自身重量。目前，绝大多数轿车轮穀、活塞材料均已采用铅合金，如A356,A390等。

近几年，我国很多城市出现了非常严重的雾靈天气，影响了人们的正常生活，治理空气污染经到了刻不容缓的地步，而汽车尾气的大量排放是造成雾靈天气的主要原因之一。因此，在汽车行业大力发展环境友好、节约能源的新型轻质铅合金材料势在必行。

依据国家对铝工业发展的规划和期许，开发出低成本、高性能的铝合金产品迫在眉睫，对推动社会进步和人民生活水平的提高具有重大意义。

过渡族金属元素Ti，Zr在铝合金中因形成初生相或沉淀相而发挥着强化作用。

发明内容

本发明主要提供了一种制备复合强化合金的方法，用以解决上述背景技术中提出的技术问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

本发明所提供的合金成分（质量百分比，%）为：Si为7.0%、Mg为0.35%、Cu为0.05%、Zr为0.20%、Ti为0.05~0.20%、铝为平衡余量。

本发明主要通过以下步骤制得该复合强化合金：

步骤一，按目标成分配原料；

按照合金中Al、Si、Mg、Cu、Zr和Ti的质量百分比，称取对应质量的A356一次铝材料、Al-Zr中间合金及Al-Ti-B中间合金；

步骤二，熔炼铸造制备合金铸锭；

（1）将步骤1配制的A356一次铝材料加入到预热好的坩埚内，而后随炉一起升温到730℃，待其全部熔化，静置并保温25min；

（2）将步骤1配制的Al-Zr中间合金及Al-Ti-B中间合金加入到已熔化的合金熔液中，待其全部熔化，静置并保温15min, 待其全部熔化后搅拌，并保温静置10min，使其成分扩散均匀；

（3）采用占熔体质量分数1%~1.5%的C2Cl6精炼剂进行精炼除气，将精炼后所得的铝合金熔体在700℃静置保温10~15min，用扒渣工具除渣后进行浇注；

步骤三，将铸锭切为拉伸试样；

将步骤二所得到的铸锭使用DK77-20型电火花数控线切割机切为100mm´10mm´10mm的长方体试样，使用CJ0625型车床加工成标准拉伸试样，得到所需的样品。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

（1）本发明由于合金中所设计的Si元素含量为7.0%，使得此成分的Al-Si合金铸造成型，液态金属流动性好可以很好的填充型腔；

（2）本发明合金中复合添加了微量的合金元素Zr、Ti元素在后期的热处理过程中形成TiAl3、 Mg2Si、ZrAl3等析出时效相，起到了强化合金性能的作用。Ti的作用可主要从三方面考虑：一是晶粒细化作用，铝合金材料细化后可获得较高的强度和延伸率，热膨胀系数小，铸造性能好；二是Ti可在合金中形成金属间化合物，使合金的组织发生复杂性变化；经过设定的热处理工艺能使Ti一定程度溶入α-Al固溶体中，并在时效处理后产生沉淀强化，提高合金的强度。Zr元素可对合金的共晶Mg2Si相产生明显的变质效果，并可提高合金的巧伸强度和热稳定性；

（3）本发明在于采用一种制备Ti，Zr复合强化A356合金的方法，通过Ti，Zr复合强化的方式提高强度，制得的A356铸造合金的最高抗拉强度可达150MPa，明显超过传统A356铸造合金的力学性能。

附图说明

图1原材料与不同Zr,Ti含量A356合金金相（100X）。

具体实施方式

以下将通过具体实施例来进一步说明本发明，本技术领域技术人员应该可以理解，实施例仅用于示意说明，而不能限制本发明的权利要求的范围。

本发明所用铝中间合金原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。

下面结合表1中各实施例的具体制备参数对本发明作进一步描述。

表1 实施例1-3的实验参数

实施例1：

本实施例制备Ti，Zr复合强化A356合金的方法如下：

步骤一，配料；

按照表1中7.0%Si、0.30%Mg、0.05%Cu、0.20%Zr和0.20%Ti的质量百分比，称取562.92g原材料A356合金、30.69gAl-3.91%Zr中间合金、8.23gAl- 5.1% Ti-B中间合金，配料总质量为600g；

步骤二，熔炼铸造制备合金铸锭；

（1）将步骤1配制的A356一次铝材料加入到预热好的坩埚内，而后随炉一起升温到730℃，待其全部熔化，静置并保温25min；

（2）将步骤1配制的Al-Zr中间合金及Al-Ti-B中间合金加入到已熔化的合金熔液中，待其全部熔化，静置并保温15min, 待其全部熔化后搅拌，并保温静置10min，使其成分扩散均匀；

（3）采用占熔体质量分数1%~1.5%的C2Cl6精炼剂进行精炼除气，将精炼后所得的铝合金熔体在700℃静置保温10~15min，用扒渣工具除渣后进行浇注；

步骤三，将铸锭切为拉伸试样与金相试样；

将步骤二所得到的铸锭使用DK77-20型电火花数控线切割机切为100mm´10mm´10mm的长方体试样和10mm´10mm´10mm的正方体试样，使用CJ0625型车床加工成标准拉伸试样，得到所需的样品；使用MR2000型金相显微镜观察试样并拍摄金相照片；拍摄结束后在试样表面使用HV-5型维氏硬度计测试试样硬度。

对本实施例制得的样品进行性能分析：

采用“50KN SANS CMT-5105电子万能试验机”测量样品的抗拉强度为177MPa，延伸率为6%。

对本实施例采用HV-5型维氏硬度计测试试样硬度，测试样品表面5个区域点，平均硬度112HV。

实施例2：

本实施例制备Ti，Zr复合强化A356合金的方法如下：

步骤一，配料；

按照表1中7.0%Si、0.30%Mg、0.05%Cu、0.25%Zr和0.20%Ti的质量百分比，称取553.41g原材料A356合金、38.36gAl-3.91%Zr中间合金、8.23gAl- 5.1% Ti-B中间合金，配料总质量为600g；

步骤二，熔炼铸造制备合金铸锭；

（1）将步骤1配制的A356一次铝材料加入到预热好的坩埚内，而后随炉一起升温到730℃，待其全部熔化，静置并保温25min；

（2）将步骤1配制的Al-Zr中间合金及Al-Ti-B中间合金加入到已熔化的合金熔液中，待其全部熔化，静置并保温15min, 待其全部熔化后搅拌，并保温静置10min，使其成分扩散均匀；

（3）采用占熔体质量分数1%~1.5%的C2Cl6精炼剂进行精炼除气，将精炼后所得的铝合金熔体在700℃静置保温10~15min，用扒渣工具除渣后进行浇注；

步骤三，将铸锭切为拉伸试样与金相试样；

将步骤二所得到的铸锭使用DK77-20型电火花数控线切割机切为100mm´10mm´10mm的长方体试样和10mm´10mm´10mm的正方体试样，使用CJ0625型车床加工成标准拉伸试样，得到所需的样品；使用MR2000型金相显微镜观察试样并拍摄金相照片；拍摄结束后在试样表面使用HV-5型维氏硬度计测试试样硬度。

对本实施例制得的样品进行性能分析：

采用“50KN SANS CMT-5105电子万能试验机”测量样品的抗拉强度为195MPa，延伸率为6.5%。

对本实施例采用HV-5型维氏硬度计测试试样硬度，测试样品表面5个区域点，平均硬度119HV。

实施例3：

本实施例制备Ti，Zr复合强化A356合金的方法如下：

步骤一，配料；

按照表1中7.0%Si、0.30%Mg、0.05%Cu、0.20%Zr和0.20%Ti的质量百分比，称取545.73g原材料A356合金、46.04gAl-3.91%Zr中间合金、8.23gAl- 5.1% Ti-B中间合金，配料总质量为600g；

步骤二，熔炼铸造制备合金铸锭；

（1）将步骤1配制的A356一次铝材料加入到预热好的坩埚内，而后随炉一起升温到730℃，待其全部熔化，静置并保温25min；

（2）将步骤1配制的Al-Zr中间合金及Al-Ti-B中间合金加入到已熔化的合金熔液中，待其全部熔化，静置并保温15min, 待其全部熔化后搅拌，并保温静置10min，使其成分扩散均匀；

（3）采用占熔体质量分数1%~1.5%的C2Cl6精炼剂进行精炼除气，将精炼后所得的铝合金熔体在700℃静置保温10~15min，用扒渣工具除渣后进行浇注；

步骤三，将铸锭切为拉伸试样与金相试样；

将步骤二所得到的铸锭使用DK77-20型电火花数控线切割机切为100mm´10mm´10mm的长方体试样和10mm´10mm´10mm的正方体试样，使用CJ0625型车床加工成标准拉伸试样，得到所需的样品；使用MR2000型金相显微镜观察试样并拍摄金相照片；拍摄结束后在试样表面使用HV-5型维氏硬度计测试试样硬度。

对本实施例制得的样品进行性能分析：

采用“50KN SANS CMT-5105电子万能试验机”测量样品的抗拉强度为151MPa，延伸率为6.5%。

对本实施例采用HV-5型维氏硬度计测试试样硬度，测试样品表面5个区域点，平均硬度95HV。

图1原材料与不同Zr,Ti含量A356合金金相（100X）

图1为添加不同含量Zr,Ti的A356合金金相图，图片像素均为1280*1024。由金相图可以看出由于从浇注到开模的时间短，析晶温度不相同，存在温度差，造成结晶顺序不相同，铝合金组织形状大多为鱼骨状或者树枝状，但是晶粒大小存在较大差别，通过软件Digimizer测量枝晶间距，原材料A356合金枝晶间距范围在55-70μm，添加0.20%Zr,0.20%Ti的A356组织枝晶间距范围在30-50μm，添加0.25%Zr,0.20%Ti的A356组织枝晶间距范围在23-35μm，添加0.30%Zr,0.20%Ti的A356组织枝晶间距范围在35-50μm。合金组织中共晶硅分布均匀、较为细小。

本发明制得的0.2%Ti，0.25%Zr复合强化A356合金的抗拉强度范围可达到195MPa，维氏硬度119HV，延伸率6.5%，枝晶间距23-35μm，优于一般A356材料， Al-Si合金的力学性能（A356合金抗拉强度一般不高于120 MPa）。

本发明中合金制备方法简单，设备成本低廉，成本控制较有优势，有利于后期大批量的工业化生产。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员理解和使用发明。熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明创造并不限于所述实施例，本领域的技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明的范畴所做出的等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种制备复合强化合金的方法，其特征在于，所述复合强化合金主要主要包括 Si、Mg、Cu、Zr、Ti、Sr和AL，其中，Si占总重量份的7%。

2.根据权利要求1所述的一种制备复合强化合金的方法，其特征在于，所述复合强化合金各成分重量份如下： Si为7.0%、Mg为0.30%、Cu为0.05%、Zr为0.20%、Ti为0.08~0.20%、Sr0.008~0.016%，铝为平衡余量。

3.根据权利要求2所述的一种制备复合强化合金的方法，其特征在于，步骤一，按目标成分配原料；

按照合金中Al、Si、Mg、Cu、Zr和Ti的质量百分比，称取对应质量的A356一次铝材料、Al-Zr中间合金及Al-Ti-B中间合金；

步骤二，熔炼铸造制备合金铸锭；

（1）将步骤1配制的A356一次铝材料加入到预热好的坩埚内，而后随炉一起升温到730℃，待其全部熔化，静置并保温25min；

（2）将步骤1配制的Al-Zr中间合金及Al-Ti-B中间合金加入到已熔化的合金熔液中，待其全部熔化，静置并保温15min, 待其全部熔化后搅拌，并保温静置10min，使其成分扩散均匀；

（3）采用占熔体质量分数1%~1.5%的C2Cl6精炼剂进行精炼除气，将精炼后所得的铝合金熔体在700℃静置保温10~15min，用扒渣工具除渣后进行浇注；

步骤三，将铸锭切为拉伸试样；

将步骤二所得到的铸锭使用DK77-20型电火花数控线切割机切为100mm´10mm´10mm的长方体试样，使用CJ0625型车床加工成标准拉伸试样，得到所需的样品。