CN108823446A

CN108823446A - 一种提高a356.2铝合金力学性能的工艺方法

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Publication number: CN108823446A
Application number: CN201810774341.2A
Authority: CN
Inventors: 高喜柱; 邹纯; 王际海; 钟鼓; 李志强; 邱楚; 李德杰; 张保存; 徐杰; 于恒章; 王磊; 孙瑞霞
Original assignee: China Aluminum Material Application Research Institute Co Ltd Suzhou Branch; Shandong Huayu Alloy Material Co Ltd
Current assignee: China Aluminum Material Application Research Institute Co Ltd Suzhou Branch; Shandong Huayu Alloy Material Co Ltd
Priority date: 2018-07-16
Filing date: 2018-07-16
Publication date: 2018-11-16

Abstract

本发明公开了一种提高A356.2铝合金力学性能的工艺方法。所述工艺方法包括合金熔炼后的熔体联合变质‑细化处理、铸造、固溶和双级时效热处理等主要环节。具体包括(1)将A356.2铝合金锭加热熔化后，加入细化剂和变质剂处理熔体；(2)对合金熔体进行除气精炼、静置和扒渣处理，并铸造成形为铸件；(3)将铸件在530～550℃保温4～8h后淬火，淬火介质为20～80℃的水；(4)将铸件在100～120℃保温0.5～2h，再在165～185℃保温2～6h，后出炉空冷。使用本发明所述工艺方法处理的A356.2铝合金的力学性能得到显著提高，屈服强度提高幅度可达40～50％、伸长率提高幅度20～40％。

Description

一种提高A356.2铝合金力学性能的工艺方法

技术领域

本发明涉及一种提高A356.2铝合金力学性能的工艺方法，属于有色金属材料及其制备成形领域。

背景技术

A356(AlSi7Mg0.3)铝合金由于兼具良好的铸造成形性能和力学性能而在汽车、轨道交通、航空、航天等领域得到了广泛的应用，特别是汽车行业中，轮毂、转向节、制动卡钳等铸铝零件通常都采用A356合金。A356.2合金严格控制Fe含量(≤0.12％)和杂质元素，作为生产强韧性要求高的A356合金铸件的原材料。以A356.2合金生产的铸件，即使控制生产工艺得当，T6热处理后其屈服强度仍＜200MPa，伸长率仅3～6％。通过在A356.2合金中添加Al-Sr合金变质剂，可以改善合金的组织和力学性能，屈服强度可提高至200～240MPa、伸长率可提高至8％左右，能够满足常规的汽车铸铝零部件的要求。而对于需要更高性能的铝制零部件，通常只能考虑采用铝合金锻件，其生产成本则大幅度提高。因此，若能通过改善生产工艺方法，在少量增加甚至不增加生产成本的前提下大幅度提高A356.2合金的力学性能，则能得到更高性能的轮毂、转向节、控制臂、制动卡钳等零部件甚至扩大A356.2合金铸件的应用范围，产生良好的经济效应。

发明内容

针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种能提高A356.2铝合金力学性能的工艺方法。本发明所采用的技术方案是：

一种提高A356.2铝合金力学性能的工艺方法，包括以下步骤：

(1)将A356.2铝合金锭加热到700～760℃熔化后，加入质量分数为0.4～0.8％(质量分数，下同)的细化剂和0.1～0.4％的变质剂处理合金熔体；

(2)对步骤(1)所得A356.2合金熔体进行除气精炼、静置、扒渣处理，然后铸造成形为铸件；

(3)将步骤(2)所得A356.2合金铸件进行固溶处理，即在530～550℃保温4～8小时后淬火，淬火介质为水，温度为20～80℃；

(4)将步骤(3)固溶处理后的铸件继续进行双级时效处理，即先在100～120℃保温0.5～2小时进行低温时效，再在165～185℃保温2～6小时，然后出炉空冷。

进一步地，步骤(1)添加细化剂和变质剂的顺序为两者同时添加，或者先添加细化剂，5～15分钟后再添加变质剂。

步骤(1)所述细化剂为Al-3B合金或Al-3Ti-3B合金中的任意一种。所述Al-3B合金包括下述质量百分比含量的组分：B 2.5～3.5％、Si≤0.20％、Fe≤0.30％、K≤0.12％和Na≤0.50％，其余杂质元素单个≤0.03％，合计≤0.10％，余量为Al；所述Al-3Ti-3B合金包括下述质量百分比含量的组分：Ti 2.5～3.5％、B 2.5～3.5％、Si≤0.20％、Fe≤0.30％、K≤0.12％和Na≤0.50％，其余杂质元素单个≤0.03％，合计≤0.10％，余量为Al。

步骤(1)所述变质剂为Al-10Sr合金，其包括下述质量百分比含量的组分：Sr 9.0～11.0％、Si≤0.20％、Fe≤0.30％、Ba≤0.10％、Mg≤0.05％、Ca≤0.03％和P≤0.01％，其余杂质元素单个≤0.05％，合计≤0.15％，余量为Al。

进一步地，步骤(2)所述除气精炼处理时使用气体为纯度≥99.99％的氩气或氮气，除气精炼处理时熔体温度为720～760℃，除气时间为10～20分钟。

进一步地，步骤(2)所述静置处理的时间为10～30分钟，静置过程控制熔体温度为700～740℃。

进一步地，步骤(2)所述铸造成形方式为挤压铸造、低压铸造、差压铸造、重力铸造中的任意一种。

本发明提供了一种能提高A356.2铝合金力学性能的工艺方法，主要通过两个方面的创新来实现A356.2铝合金力学性能的提升。

一方面是联合使用合适的细化剂和变质剂并确定合理的添加工艺。本发明专利选用Al-3B和Al-3Ti-3B作为晶粒细化剂。研究表明，常规的Al-5Ti-1B合金对铸造铝硅合金并没有很好的晶粒细化效果，这是由于Ti和Si反应生成的化合物会覆盖在有效形核核心Al3Ti颗粒的周围，使得晶粒细化效果降低。而Al-3B合金中的AlB2和Al-3Ti-3B合金中有(Al,Ti)B2均可有效促进铸造铝硅系合金的晶粒形核，达到良好的晶粒细化效果。同时，选用Al-10Sr作为共晶硅的变质剂。研究表明，当B和Sr的含量较高时，两者会反应生成大尺寸的SrB6颗粒甚至Sr3B4，并在熔体中沉降，从而大量消耗AlB2和Sr，降低晶粒细化和共晶硅变质的效果。本发明通过控制B含量＜300ppm、Sr含量＜400ppm来避免出现两者反应生成Sr-B化合物。另外，Al-3B/Al-3Ti-3B和Al-10Sr的加入顺序也会影响晶粒细化和共晶硅变质的效果，先加入Sr变质剂再加入含B的晶粒细化剂时，两者也会有明显的反应从而同时消耗Sr和B，因此，本发明提出通过两者同时添加或先加入Al-3B/Al-3Ti-3B再加入Al-10Sr来避免该问题。采用本发明的联合变质细化方法，在变质A356.2合金中的共晶硅的同时能有效细化α-Al晶粒，控制A356.2合金铸件的组织避免铸件厚大部位因为冷却速度偏低而出现组织粗大等问题，提高了铸件组织性能的均匀性。

另外一方面是采用固溶+双级时效热处理工艺，使得共晶硅相呈细小的颗粒状，并有效控制Mg2Si强化相更加均匀弥散地析出，以提高合金的力学性能。Al-Si-Mg合金中的时效强化相主要为β-Mg2Si的亚稳相β”和β’，通过在时效之前增加一道100～120℃保温的低温时效工序，能够有效促进原子团簇和GP区的形成，这两者是β相形成的基础，因而在后续的高温时效过程中，β”和β’相能够更加均匀弥散地析出。强化相的均匀弥散析出是A356.2合金的力学性能能够大幅度提高的主要原因。

具体而言，本发明具有以下技术效果：

(1)利用以上联合变质细化方法，可以高效快捷地将A356.2合金中的共晶硅变质到尺寸5μm以下，形貌为短棒状甚至颗粒状，且晶粒得到明显的细化，共晶硅的分布亦更加均匀。

(2)该工艺方法可使Mg2Si强化相更加均匀弥散地析出，力学性能提升显著。

(3)本发明所用变质剂和细化剂来源广，热处理工艺方法简单，可使用传统成形工艺设备，易在现有工业生产线上推广应用。

有益效果

本发明提出的工艺方法所需变质剂和细化剂来源广，变质细化处理时间短，热处理工艺操作简单，力学性能提升显著，尤其适合高性能汽车结构件的工业化生产。通过采用本发明提出的工艺方法，可得到A356.2合金的铸件其力学性能达到抗拉强度358MPa、屈服强度300MPa、断后伸长率12％。本发明相比于工业上常用的A356.2合金铸造和热处理工艺方法，显著提高了A356.2合金的力学性能，能够满足高性能汽车结构件对于A356.2合金的性能要求，扩大了A356.2铸件的应用范围。

附图说明

图1为普通A356.2合金的典型微观组织照片。

图2为实施例1所得A356.2合金的微观组织照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但不限于此。

实施例1

一种能提高A356.2铝合金力学性能的工艺方法，包括以下步骤：

(1)选用坩埚电阻炉熔炼A356.2铝合金锭，先对坩埚进行充分预热烘干，然后加入称量好的A356.2铝合金锭并继续加热熔化。当铝液温度达到740℃时，同时加入重量为所有物重量的0.6％的Al-3B细化剂和重量为所有物重量的0.3％的Al-10Sr变质剂，加入Al-3B和Al-10Sr时使用铝箔将其包裹并压入铝液液面以下轻轻搅拌。

(2)待Al-3B和Al-10Sr合金熔化后，在熔体中通入纯度≥99.99％的氩气进行除气精炼，温度为725℃，除气时长10分钟。除气精炼结束后，静置20分钟，扒去熔体表面浮渣。静置过程中控制熔体温度降至710℃。使用三基SCH-350挤压铸造机铸造一批φ8mm标准拉伸试样。

(3)使用NaberTherm N60空气循环箱式炉(配备P300型温控仪)对挤压铸造的A356.2合金试样进行固溶热处理，固溶温度545℃，保温时间6小时，然后出炉淬火，淬火介质为30-45℃的水。

(4)使用上海实验仪器101A-3E型电子温控干燥箱对固溶处理后的A356.2合金试样进行双级时效处理，即先在110℃保温1小时，再升高温度到180℃，保温4小时，然后出炉空冷。得到一批处理好的A356.2合金试样，标记为A1。

实施例2

本发明实施例2的A356.2合金的生产工艺方法和实施例1相同，但步骤(1)中加入Al-3B合金的重量为所有物重量的0.5％，实施例2得到的A356.2合金试样标记为A2。

实施例3

本发明实施例3的A356.2合金的生产工艺方法和实施例1相同，但步骤(1)中加入的细化剂为Al-3Ti-3B合金，实施例3得到的A356.2合金试样标记为A3。

实施例4

本发明实施例4的A356.2合金的生产工艺方法和实施例1相同，但步骤(1)中加入Al-3B和Al-10Sr合金的方式为先加入Al-3B合金，10分钟后加入Al-10Sr合金，实施例4得到的A356.2合金试样标记为A4。

实施例5

本发明实施例5的A356.2合金的生产工艺方法和实施例1相同，但步骤(3)中固溶热处理时保温的时间为4小时，实施例5得到的A356.2合金试样标记为A5。

实施例6

本发明实施例6的A356.2合金的生产工艺方法和实施例1相同，但步骤(4)中时效热处理时第二阶段的时效温度为170℃，保温的时间为6小时，实施例6得到的A356.2合金试样标记为A6。

对比例1

本发明对比例1的A356.2合金的生产工艺方法和实施例1相同，但步骤(1)中加入Al-3B和Al-10Sr合金的方式为先加入Al-10Sr合金，10分钟后加入Al-3B合金，对比例1得到的A356.2合金试样标记为B1。

对比例2

本发明对比例2的A356.2合金的生产工艺方法和实施例1大致相同，但步骤(2)中不添加Al-3B细化剂，步骤(4)中时效的工艺为单级时效，时效温度180℃，保温时间4小时，对比例2得到的A356.2合金试样标记为B2。

对比例3

该对比例引述ASTM B108标准中A356.0合金的T61状态的力学性能。

实施例和对比例得到的A356.2合金试样的力学性能测试结果如下表所示，每组测试5个试样取平均值。室温拉伸测试使用的设备为CSS 44100-100kN型电子拉力试验机，拉伸速率1mm/min。

表1挤压铸造A356.2合金试样的平均力学性能

对比例1改变了细化剂Al-3B合金和变质剂Al-10Sr的添加顺序，导致变质和细化的效果远不如两者同时加入或先加入Al-3B/Al-3Ti-3B合金的实施例，从而力学性能提高幅度较低。对比例2不进行联合变质细化处理，仅进行Sr变质，且不采用双级时效热处理，该方法接近目前工业生产中普遍采用的工艺，可作为性能参比的基准。通过上表可以看出，实施例中的A356.2合金具有良好的力学性能，相比对比例2，屈服强度提高幅度可达40～50％、伸长率提高幅度20～40％。

需要说明的是，上述实施例仅仅是实现本发明的优选方式的部分实施例，而非全部实施例。显然，基于本发明的上述实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种提高A356.2铝合金力学性能的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将A356.2铝合金锭加热到700～760℃熔化后，加入质量分数为0.4～0.8％的细化剂和0.1～0.4％的变质剂，得A356.2合金熔体；

(2)对步骤(1)所得A356.2合金熔体进行除气精炼、静置、扒渣处理，并铸造成形为铸件，得A356.2合金铸件；

(4)将步骤(3)固溶处理后的A356.2合金铸件进行双级时效处理，即先在100～120℃保温0.5～2小时进行低温时效，再在165～185℃保温2～6小时，然后出炉空冷。

2.根据权利要求1提高A356.2铝合金力学性能的工艺方法，其特征在于，步骤(1)中添加细化剂和变质剂的顺序为两者同时添加，或者先添加细化剂，5～15分钟后再添加变质剂。

3.根据权利要求1-2提高A356.2铝合金力学性能的工艺方法，其特征在于，步骤(1)所述细化剂为Al-3B合金或Al-3Ti-3B合金中的任意一种。

4.根据权利要求3提高A356.2铝合金力学性能的工艺方法，其特征在于，所述Al-3B合金包括下述质量百分比含量的组分：B 2.5～3.5％、Si≤0.20％、Fe≤0.30％、K≤0.12％和Na≤0.50％，其余杂质元素单个≤0.03％，合计≤0.10％，余量为Al；所述Al-3Ti-3B合金包括下述质量百分比含量的组分：Ti 2.5～3.5％、B 2.5～3.5％、Si≤0.20％、Fe≤0.30％、K≤0.12％和Na≤0.50％，其余杂质元素单个≤0.03％，合计≤0.10％，余量为Al。

5.根据权利要求1-2提高A356.2铝合金力学性能的工艺方法，其特征在于，步骤(1)所述变质剂为Al-10Sr合金，其包括下述质量百分比含量的组分：Sr 9.0～11.0％、Si≤0.20％、Fe≤0.30％、Ba≤0.10％、Mg≤0.05％、Ca≤0.03％和P≤0.01％，其余杂质元素单个≤0.05％，合计≤0.15％，余量为Al。

6.根据权利要求1提高A356.2铝合金力学性能的工艺方法，其特征在于，步骤(2)除气精炼处理时使用气体为纯度≥99.99％的氩气或氮气，除气精炼处理时熔体温度为720～760℃，除气时间为10～20分钟。

7.根据权利要求1提高A356.2铝合金力学性能的工艺方法，其特征在于，步骤(2)静置处理的时间为10～30分钟，静置过程控制熔体温度为700～740℃。

8.根据权利要求1提高A356.2铝合金力学性能的工艺方法，其特征在于，步骤(2)铸造成形方式为挤压铸造、低压铸造、差压铸造、重力铸造中的任意一种。