CN108624788A - 高强韧铸造铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强韧铸造铝合金及其制备方法，由以下成分制备：硅8.5‑12.0重量份、铜1.0‑4.0重量份、镁0.2‑0.5重量份、锰0.55‑0.7重量份、钛0.05‑0.1重量份、硼0.001‑0.003重量份、铼0.0‑0.2重量份、变质剂0.0‑0.25重量份、杂质元素0.0‑0.5重量份、余量为铝。本发明采用上述结构的高强韧铸造铝合金及其制备方法，解决了易产生粘膜的问题，保证了良好的脱模性，增强了压铸件的力学性能，尤其是提高了材料强度和韧性，增加了产品的成品率，降低了成本。

Description

高强韧铸造铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金材料技术领域，尤其是涉及一种高强韧铸造铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金压铸成型工艺可以制造形状复杂、轮廓清晰、薄壁深腔的金属零件，具有工序简单、生产效率高、铸件公差等级较高、表面粗糙度好、力学性能优良、材料利用率高等优点，现已成为我国铸造业中的一个重要组成部分。但是在现有的技术中，铝合金在压铸过程中会与铁质模具接触，由于铝合金对铁有很强的亲和力，会发生物理化学反应，产生粘模现象，粘模缺陷是严重影响产品质量、降低成品率、大幅提高模具制造维修成本的关键因素，这是因为Fe含量偏高，铁大部分以粗大片状或针状的β(Al9Fe2Si2)相存在于合金中，不仅使合金的流动性降低，热裂性增大，还严重割裂基体，降低力学性能，尤其是降低延伸率，因此在承受复杂应力的结构件上很少有应用。鉴于以上原因，设计一种高强韧铸造铝合金及其制备方法是很有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强韧铸造铝合金及其制备方法，解决了易产生粘膜的问题，保证了良好的脱模性，增强了压铸件的力学性能，尤其是提高了材料强度和韧性，增加了产品的成品率，降低了成本。
为实现上述目的，本发明提供了高强韧铸造铝合金及其制备方法，由以下成分制备：硅8.5-12.0重量份、铜1.0-4.0重量份、镁0.2-0.5重量份、锰0.55-0.7重量份、钛0.05-0.1重量份、硼0.001-0.003重量份、铼0.0-0.2重量份、变质剂0.0-0.25重量份、杂质元素0.0-0.5重量份、余量为铝。
优选地，所述变质剂为锑，含量为0.0-0.25重量份。
优选地，所述变质剂为锶，含量为0.0-0.2重量份。
优选地，所述杂质元素为铁0.0-0.2重量份、锌0.0-0.2重量份、铬0.0-0.5重量份、钙0.0-0.004重量份、磷0.0-0.002重量份。
一种高强韧铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：
A、将铝、硅升温并进行合金化，并调整Ca含量为0.0-0.004重量份，合金化温度为750-850摄氏度；
B、将锰进行电解并预热得到电解锰，并将所述电解锰和铜加入到步骤A中，充分搅拌合金化；
C、将变质剂和铼做成变质剂中间合金和铝稀土中间合金，加入到步骤B中，充分搅拌合金化，取样进行过程成分检测并进行调整，所述变质剂为锑或锶；
D、采用无钠或低钠清渣剂喷粉除渣精炼并扒渣，所述清渣剂的含量为熔体重量的0.5-3‰；
E、将钛和硼做成中间合金得到铝钛和铝钛硼，将镁、铝钛、铝钛硼加入到步骤D中，充分搅拌合金化，取样进行过程成分检测并进行调整；
F、在炉内通入99.999％高纯氮气或氩气精炼，至针孔度为2级，静置，清理表面浮渣，炉内精炼温度为700-740摄氏度，静止时间为5-10分钟；
G、在炉内进行铝合金铸锭铸造或转入铸造机保温炉得到铝合金锭，将所述铝合金锭重熔、除气、除渣、精炼，精炼后转入铸造机保温炉，压铸得到压铸件，铸锭温度为670-720摄氏度，除气温度为680-740摄氏度，压铸温度为620-660摄氏度；
H、将所述压铸件进行脱模，脱模后，立即水冷或强制风冷快速冷却，脱模温度大于350摄氏度；
J、将压铸件进行时效热处理强化得到铸造铝合金，时效温度140-180摄氏度，时效时间1-8小时；
所述铸造铝合金的成分为硅8.5-12.0重量份、铜1.0-4.0重量份、镁0.2-0.5重量份、锰0.55-0.7重量份、钛0.05-0.1重量份、硼0.001-0.003重量份、铼0.0-0.2重量份、变质剂0.0-0.25重量份、铁0.0-0.2重量份、锌0.0-0.2重量份、铬0.0-0.5重量份、钙0.0-0.004重量份、磷0.0-0.002重量份、余量为铝。
优选地，所述铸造铝合金的成分为硅8.7重量份、铜3.7重量份、镁0.46重量份、锰0.65重量份、钛0.07重量份、硼0.0019重量份、铼0.2重量份、锑0.13重量份、铁0.13重量份、锌0.03重量份、铬0.012重量份、钙0.0034重量份、磷0.0018重量份、余量为铝，所述合金化温度为780摄氏度，所述清渣剂的含量为熔体重量的1.0‰，所述炉内精炼温度为725摄氏度，所述静止时间为10分钟，所述铸锭温度为705摄氏度，除气温度为730摄氏度，压铸温度为645摄氏度，所述时效温度180摄氏度，所述时效时间2小时。
优选地，所述铸造铝合金的成分为硅11.8重量份、铜1.2重量份、镁0.22重量份、锰0.57重量份、钛0.09重量份、硼0.0027重量份、铼0.0重量份、锑0.2重量份、铁0.19重量份、锌0.18重量份、铬0.042重量份、钙0.0026重量份、磷0.0016重量份、余量为铝，所述合金化温度为810摄氏度，所述清渣剂的含量为熔体重量的0.7‰，所述炉内精炼温度为705摄氏度，所述静止时间为5分钟，所述铸锭温度为675摄氏度，除气温度为700摄氏度，压铸温度为625摄氏度，所述时效温度145摄氏度，所述时效时间7小时。
优选地，所述铸造铝合金的成分为硅10.5重量份、铜2.7重量份、镁0.36重量份、锰0.63重量份、钛0.06重量份、硼0.0020重量份、铼0.13重量份、锶0.02重量份、铁0.15重量份、锌0.02重量份、铬0.009重量份、钙0.0021重量份、磷0.0015重量份、余量为铝，所述合金化温度为830摄氏度，所述清渣剂的含量为熔体重量的1.3‰，所述炉内精炼温度为735摄氏度，所述静止时间为8分钟，所述铸锭温度为715摄氏度，除气温度为710摄氏度，压铸温度为635摄氏度，所述时效温度165摄氏度，所述时效时间4小时。
因此，本发明采用上述结构的高强韧铸造铝合金及其制备方法，解决了易产生粘膜的问题，保证了良好的脱模性，增强了压铸件的力学性能，尤其是提高了材料强度和韧性，增加了产品的成品率，降低了成本。
下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施方式
本发明提供了高强韧铸造铝合金及其制备方法，由以下成分制备：硅8.5-12.0重量份、铜1.0-4.0重量份、镁0.2-0.5重量份、锰0.55-0.7重量份、钛0.05-0.1重量份、硼0.001-0.003重量份、铼0.0-0.2重量份、变质剂0.0-0.25重量份、杂质元素0.0-0.5重量份、余量为铝。
作为优选方案，所述变质剂为锑，含量为0.0-0.25重量份。
作为优选方案，所述变质剂为锶，含量为0.0-0.2重量份。
作为优选方案，所述杂质元素为铁0.0-0.2重量份、锌0.0-0.2重量份、铬0.0-0.5重量份、钙0.0-0.004重量份、磷0.0-0.002重量份。
本发明中使用的Si可以提高铝合金中的流动性，保障铸造充型能力。
Mg可以与S i形成Mg2Si相，与Cu形成W相(AlxMg5Cu4Si4)，在压铸过程的激冷中固溶在α铝中，通过时效析出后弥散强化，随着Mg含量的提高，抗拉强度逐渐提高，延伸率逐渐下降，同时，加入Mg、Mn还可以提高合金的抗腐蚀性能。
Cu可以与Al形成θ相(Al2Cu)、且与Cu形成W相(AlxMg5Cu4Si4)，在压铸过程的激冷中固溶在α铝中，通过时效析出后弥散强化。随着Cu含量的提高，抗拉强度逐渐提高，延伸率逐渐下降。且随着Cu含量的提高，合金的抗腐蚀性能下降。
Mn促进针片状β(Al9Fe2Si2)向汉字状α(Al12Fe3Si)转变，降低因粗大针片状Fe相对基体割裂形成的应力集中，提高合金的综合力学性能，尤其是提高延伸率和抗冲击性，还可以形成MnAl6，细化再结晶晶粒，降低热裂倾向，铝合金中的Fe相和Mn相大部分相互溶入，形成AlFeMnSi相、(Fe、Mn)Al6相，因此Mn可以替代铝合金中的部分Fe，来降低低铁铝合金的粘模倾向，使低Fe铝合金具备较好的压铸工艺性能。
Sb和Re是变质剂，可以使共晶硅由粗大针片状转变为短杆状，提高合金的综合力学性能，但其变质效果对冷却速度十分敏感，而压铸件的凝固过程本身就是一个激冷过程，可以为Sb和Re变质创造良好的条件，Sb变质合金重熔之后的铝液吸氢能力较弱，Re还具有除氢精炼的作用，可以减少铸件针孔，提高铸件的热处理工艺能力，同时Re的加入，还提高了合金的抗腐蚀性能。
Sr也是变质剂，对共晶硅的变质效果优于Sb和Re，可以使共晶硅由粗大针片状转变为蠕虫状或点状，但Sr有严重的吸氢倾向，重熔之后的铝液氢含量较高。
Ti和B作为α铝的晶粒细化剂，可以提高产品的综合力学性能。
Fe在合金中在一定条件下会形成粗大片状或针状的β(Al9Fe2Si2)中，不仅使合金的流动性减低，热裂性增大，还严重割裂基体，降低力学性能，尤其是降低延伸率，因此作为杂质元素严格控制。
Cr容易与Mn、Fe形成粗大片状金属间化合物，形成重力偏析，降低合金流动性，或者进入铸件形成硬质点，恶化加工性能，加剧刀具磨损，因此作为杂质元素严格控制。
P会促进初晶硅的析出，本系列合金为亚共晶、近共晶铝硅合金，不希望因为出现初晶硅降低力学性能，因此作为杂质元素严格控制。
一种高强韧铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：
A、将铝、硅升温并进行合金化，并调整Ca含量为0.0-0.004重量份，合金化温度为750-850摄氏度；
B、将锰进行电解并预热得到电解锰，并将所述电解锰和铜加入到步骤A中，充分搅拌合金化；
C、将变质剂和铼做成变质剂中间合金和铝稀土中间合金，加入到步骤B中，充分搅拌合金化，取样进行过程成分检测并进行调整，所述变质剂为锑或锶；
D、采用无钠或低钠清渣剂喷粉除渣精炼并扒渣，所述清渣剂的含量为熔体重量的0.5-3‰；
E、将钛和硼做成中间合金得到铝钛和铝钛硼，将镁、铝钛、铝钛硼加入到步骤D中，充分搅拌合金化，取样进行过程成分检测并进行调整；
F、在炉内通入99.999％高纯氮气或氩气精炼，至针孔度为2级，静置，清理表面浮渣，炉内精炼温度为700-740摄氏度，静止时间为5-10分钟；
G、在炉内进行铝合金铸锭铸造或转入铸造机保温炉得到铝合金锭，将所述铝合金锭重熔、除气、除渣、精炼，精炼后转入铸造机保温炉，压铸得到压铸件，铸锭温度为670-720摄氏度，除气温度为680-740摄氏度，压铸温度为620-660摄氏度；
H、将所述压铸件进行脱模，脱模后，立即水冷或强制风冷快速冷却，脱模温度大于350摄氏度；
J、将压铸件进行时效热处理强化得到铸造铝合金，时效温度140-180摄氏度，时效时间1-8小时；
所述铸造铝合金的成分为硅8.5-12.0重量份、铜1.0-4.0重量份、镁0.2-0.5重量份、锰0.55-0.7重量份、钛0.05-0.1重量份、硼0.001-0.003重量份、铼0.0-0.2重量份、变质剂0.0-0.25重量份、铁0.0-0.2重量份、锌0.0-0.2重量份、铬0.0-0.5重量份、钙0.0-0.004重量份、磷0.0-0.002重量份、余量为铝。
实施例1
一种高强韧铸造铝合金，其组成为：硅8.7重量份、铜3.7重量份、镁0.46重量份、锰0.65重量份、钛0.07重量份、硼0.0019重量份、锑0.13重量份、铼0.2重量份、铁0.13重量份、锌0.03重量份、铬0.012重量份、钙0.0034重量份、磷0.0018重量份、余量为Al。
所述合金的制备方法如下：
(1)首先将铝锭、金属硅升温至780℃合金化，检测、并调整Ca含量至合格；(2)加入已预热的电解锰，充分搅拌合金化；(3)加入铜，充分搅拌合金化；(4)加入铝锑和铝稀土中间合金，充分搅拌合金化，取样进行过程成分检测、调整至工艺要求；(5)采用熔体重量1.0‰的无钠清渣剂喷粉除渣精炼，扒渣；(6)加入金属镁、铝钛、铝钛硼中间合金，充分搅拌合金化，取样进行过程成分检测、调整至合格；(7)炉内温度为725℃时，在炉内通入99.999％高纯氮气精炼，至针孔度2级；(8)静置10min，轻轻清理表面浮渣；(9)在705℃进行铝合金铸锭铸造，取样检测，获得此实例成分数据；(10)将(9)铸造的铝合金锭重熔至温度730℃，除气除渣精炼、检测调整成分后，转入铸造机保温炉，在645℃压铸检测试样；(11)试样脱模温度＞350℃，脱模后，立即水冷；(12)将压铸件进行时效热处理强化，时效温度180℃，时效时间2小时；(13)检测合金压铸件性能，铸态性能为：抗拉强度(σb)384MPa、屈服强度(σ0.2)213MPa，延伸率(δ)3.7％；时效后的性能为：抗拉强度(σb)442MPa、屈服强度(σ0.2)356MPa，延伸率(δ)1.8％。
实施例2
一种高强韧铸造铝合金，其组成为：硅11.8重量份、铜1.2重量份、镁0.22重量份、锰0.57重量份、钛0.09重量份、硼0.0027重量份、锑0.22重量份、铁0.19重量份、锌0.18重量份、铬0.042重量份、钙0.0026重量份、磷0.0016重量份、余量为Al。
所述合金的制备方法如下：
(1)首先将铝锭、金属硅升温至810℃合金化，检测、并调整Ca含量至合格；(2)加入已预热的电解锰，充分搅拌合金化；(3)加入铜，充分搅拌合金化；(4)加入铝锑和铝稀土中间合金，充分搅拌合金化，取样进行过程成分检测、调整至工艺要求；(5)采用熔体重量0.7‰的无钠清渣剂喷粉除渣精炼，扒渣；(6)加入金属镁、铝钛、铝钛硼中间合金，充分搅拌合金化，取样进行过程成分检测、调整至合格；(7)炉内温度为705℃，在炉内通入99.999％高纯氩气精炼，至针孔度2级；(8)静置5min，轻轻清理表面浮渣；(9)在675℃进行铝合金铸锭铸造，取样检测，获得此实例成分数据。(10)将(9)铸造的铝合金锭重熔至温度700℃，除气除渣精炼、检测调整成分后，转入铸造机保温炉，在625℃压铸检测试样；(11)试样脱模温度＞350℃，脱模后，立即水冷；(12)将部分压铸试样进行时效热处理强化，时效温度145℃，时效时间7小时；(13)检测合金压铸试样性能，铸态性能为：抗拉强度(σb)310MPa、屈服强度(σ0.2)172MPa，延伸率(δ)9.3％。时效后的性能为：抗拉强度(σb)355MPa、屈服强度(σ0.2)233MPa，延伸率(δ)5.4％。
实施例3
一种高强韧铸造铝合金，其组成为：硅10.5重量份、铜2.7重量份、镁0.36重量份、锰0.63重量份、钛0.06重量份、硼0.0020重量份、锶0.02重量份、铁0.15重量份、锌0.02重量份、铬0.009重量份、钙0.0021重量份、磷0.0015重量份、余量为Al。
所述合金的制备方法如下：
(1)首先将铝锭、金属硅升温至830℃合金化，检测、并调整Ca含量至合格；(2)加入已预热的电解锰，充分搅拌合金化；(3)加入铜，充分搅拌合金化；(4)加入铝稀土中间合金，充分搅拌合金化，取样进行过程成分检测、调整至工艺要求；(5)采用熔体重量1.3‰的无钠清渣剂喷粉除渣精炼，扒渣；(6)加入金属镁、铝钛、铝锶合金、铝钛硼中间合金，充分搅拌合金化，取样进行过程成分检测、调整至合格；(7)炉内温度为735℃，在炉内通入99.999％高纯氩气精炼，至针孔度2级；(8)静置8min，轻轻清理表面浮渣；(9)在715℃进行铝合金铸锭铸造，取样检测，获得此实例成分数据；(10)将(9)铸造的铝合金锭重熔至温度710℃，除气除渣精炼、检测调整成分后，转入铸造机保温炉，在635℃压铸检测试样；(11)试样脱模温度＞350℃，脱模后，立即水冷；(12)将部分压铸试样进行时效热处理强化，时效温度165℃，时效时间4小时；(13)检测合金压铸试样性能，铸态性能为：抗拉强度(σb)352MPa、屈服强度(σ0.2)196MPa，延伸率(δ)5.9％。时效后的性能为：抗拉强度(σb)406MPa、屈服强度(σ0.2)304MPa，延伸率(δ)3.2％。
因此，本发明采用上述结构的高强韧铸造铝合金及其制备方法，解决了易产生粘膜的问题，保证了良好的脱模性，增强了压铸件的力学性能，尤其是提高了材料强度和韧性，增加了产品的成品率，降低了成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种高强韧铸造铝合金，其特征在于，由以下成分制备：硅8.5-12.0重量份、铜1.0-4.0重量份、镁0.2-0.5重量份、锰0.55-0.7重量份、钛0.05-0.1重量份、硼0.001-0.003重量份、铼0.0-0.2重量份、变质剂0.0-0.25重量份、杂质元素0.0-0.5重量份、余量为铝。
2.根据权利要求1所述的高强韧铸造铝合金，其特征在于：所述变质剂为锑，含量为0.0-0.25重量份。
3.根据权利要求1所述的高强韧铸造铝合金，其特征在于：所述变质剂为锶，含量为0.0-0.2重量份。
4.根据权利要求2-3任意一项所述的高强韧铸造铝合金，其特征在于：所述杂质元素为铁0.0-0.2重量份、锌0.0-0.2重量份、铬0.0-0.5重量份、钙0.0-0.004重量份、磷0.0-0.002重量份。
5.一种高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将铝、硅升温并进行合金化，并调整Ca含量为0.0-0.004重量份，合金化温度为750-850摄氏度；
B、将锰进行电解并预热得到电解锰，并将所述电解锰和铜加入到步骤A中，充分搅拌合金化；
C、将变质剂和铼做成变质剂中间合金和铝稀土中间合金，加入到步骤B中，充分搅拌合金化，取样进行过程成分检测并进行调整，所述变质剂为锑或锶；
D、采用无钠或低钠清渣剂喷粉除渣精炼并扒渣，所述清渣剂的含量为熔体重量的0.5-3‰；
E、将钛和硼做成中间合金得到铝钛和铝钛硼，将镁、铝钛、铝钛硼加入到步骤D中，充分搅拌合金化，取样进行过程成分检测并进行调整；
F、在炉内通入99.999％高纯氮气或氩气精炼，至针孔度为2级，静置，清理表面浮渣，炉内精炼温度为700-740摄氏度，静止时间为5-10分钟；
G、在炉内进行铝合金铸锭铸造或转入铸造机保温炉得到铝合金锭，将所述铝合金锭重熔、除气、除渣、精炼，精炼后转入铸造机保温炉，压铸得到压铸件，铸锭温度为670-720摄氏度，除气温度为680-740摄氏度，压铸温度为620-660摄氏度；
H、将所述压铸件进行脱模，脱模后，立即水冷或强制风冷快速冷却，脱模温度大于350摄氏度；
J、将压铸件进行时效热处理强化得到铸造铝合金，时效温度140-180摄氏度，时效时间1-8小时；
所述铸造铝合金的成分为硅8.5-12.0重量份、铜1.0-4.0重量份、镁0.2-0.5重量份、锰0.55-0.7重量份、钛0.05-0.1重量份、硼0.001-0.003重量份、铼0.0-0.2重量份、变质剂0.0-0.25重量份、铁0.0-0.2重量份、锌0.0-0.2重量份、铬0.0-0.5重量份、钙0.0-0.004重量份、磷0.0-0.002重量份、余量为铝。
6.根据权利要求5所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征在于：所述铸造铝合金的成分为硅8.7重量份、铜3.7重量份、镁0.46重量份、锰0.65重量份、钛0.07重量份、硼0.0019重量份、铼0.2重量份、锑0.13重量份、铁0.13重量份、锌0.03重量份、铬0.012重量份、钙0.0034重量份、磷0.0018重量份、余量为铝，所述合金化温度为780摄氏度，所述清渣剂的含量为熔体重量的1.0‰，所述炉内精炼温度为725摄氏度，所述静止时间为10分钟，所述铸锭温度为705摄氏度，除气温度为730摄氏度，压铸温度为645摄氏度，所述时效温度180摄氏度，所述时效时间2小时。
7.根据权利要求5所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征在于：所述铸造铝合金的成分为硅11.8重量份、铜1.2重量份、镁0.22重量份、锰0.57重量份、钛0.09重量份、硼0.0027重量份、铼0.0重量份、锑0.2重量份、铁0.19重量份、锌0.18重量份、铬0.042重量份、钙0.0026重量份、磷0.0016重量份、余量为铝，所述合金化温度为810摄氏度，所述清渣剂的含量为熔体重量的0.7‰，所述炉内精炼温度为705摄氏度，所述静止时间为5分钟，所述铸锭温度为675摄氏度，除气温度为700摄氏度，压铸温度为625摄氏度，所述时效温度145摄氏度，所述时效时间7小时。
8.根据权利要求5所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征在于：所述铸造铝合金的成分为硅10.5重量份、铜2.7重量份、镁0.36重量份、锰0.63重量份、钛0.06重量份、硼0.0020重量份、铼0.13重量份、锶0.02重量份、铁0.15重量份、锌0.02重量份、铬0.009重量份、钙0.0021重量份、磷0.0015重量份、余量为铝，所述合金化温度为830摄氏度，所述清渣剂的含量为熔体重量的1.3‰，所述炉内精炼温度为735摄氏度，所述静止时间为8分钟，所述铸锭温度为715摄氏度，除气温度为710摄氏度，压铸温度为635摄氏度，所述时效温度165摄氏度，所述时效时间4小时。
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