CN109097639B - 一种高强高韧含钪铝硅合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强高韧含钪铝硅合金及其制备方法，所述含钪铝硅合金各组元组分按重量百分比计如下：Sc 0.1～0.5％、Si 6.5～7.5％、Mg 0.25～0.45％、其余为Al。所述制备方法将各元素按合金设计成分比例配置，经熔融、精炼、浇注和热处理完成。本发明制备的含钪铝硅合金由于添加了钪元素，达到了改善组织的作用，合金的力学性能得到了提高，抗拉强度和延伸率分别可以达到292MPa和13.4％，材料工艺简单，大大提高了铝硅合金的应用范围。
Description
技术领域
本发明属于有色金属成形加工领域，具体涉及一种高强高韧含钪铝硅合金及其制备方法。
背景技术
铝硅合金因具有结晶温度区间小、凝固潜热和比热容大以及线收缩系数、热裂和缩松倾向低等特点，其铸造性能优于其它铝合金，是铸造合金中品种最多，用途最为广泛的铸造合金。其中，亚共晶铝硅合金不仅具有极好的流动性，小的铸造收缩率、小的线膨胀系数和良好的焊接性、抗蚀性以及足够的力学性能，而且还可以薄壁件及形状复杂的铸件，通过热处理后可达到较高的强度、良好的塑性和高冲击韧性，因此，在汽车工业中得到了非常广泛的应用，成为了汽车铸造铝合金轮毂的首选材质。
亚共晶铝硅合金中粗大的片状的共晶硅形貌大大降低了其强度和塑性，为了改善铝合金的组织和性能，必须对铝合金进行变质细化处理，使硅相的形貌改变，降低粗大的硅相对基体的削弱作用。在实际生产中，企业一般在铝及铝合金中采用添加稀土元素的方法，改变其组织，采用稀土变质的方法可对铝合金的性能和使用寿命产生积极作用。目前，亚共晶铝硅合金采用稀土进行变质处理是应用前景广阔的技术，但仍有很多稀土未进行研究，有待于开发出更多稀土变质铝合金材料，研究和推广稀土铝合金在实际生产中的应用具有重要的意义。
采用微量的钪对铝合金进行合金化，可以有效的提高合金的强度、韧性、耐蚀性能和焊接性能。含钪铝合金成为继铝锂合金后新一代航空、航天、舰船用轻质结构材料。如何用钪来改善亚共晶铝硅合金的微观组织，提高亚铝硅合金的强韧性，对扩大亚铝硅合金的应用范围至关重要。
因此，需要提供一种高强高韧含钪铝硅合金及其制备方法来改善铝硅合金的微观组织，提高力学性能，扩大铝硅合金的适用范围。
发明内容
为了扩大铝硅合金的使用范围，本发明在铝硅合金中添加钪，改善合金的微观组织，提高力学性能。
本发明通过如下技术方案实现：
一种高强高韧含钪铝硅合金各组元组分按重量百分比计如下：Sc 0.1～0.5％、Si6.5～7.5％、Mg 0.25～0.45％、其余为Al。
所述的高强高韧含钪铝硅合金的制备方法，包括如下步骤：
熔炼：于750～800℃下在电阻式坩埚炉中放入工业纯铝及铝硅中间合金，待完全熔化后按配比加入纯镁和铝钪中间合金，混合形成熔体。在混合均匀的熔体加入精炼剂，静置5～10分钟后除去熔渣；
铸造：将合金熔体浇入预热好的钢模中凝固成形。
热处理：将铸件放入箱式电阻炉中进行固溶和时效热处理。
步骤(1)中所述的铝硅中间合金中Si的质量百分比为20％。
步骤(1)中所述的铝钪中间合金中钪的质量百分比为3％。
步骤(2)中所述的钢模预热温度为150～200℃。
步骤(3)中所述的的固溶热处理，温度为510～540℃，时间为6～10h。
步骤(3)中所述的的时效热处理，温度为150～160℃，时间为4～8h。
本发明的一种高强高韧含钪铝硅合金，通过向铝硅合金中添加Sc元素，制备的合金中仅含有Al、Si、Mg和Sc，即可以达到细化铝枝晶和共晶硅的作用，显著提高铝硅合金的强韧性。
本发明制备工艺简单易操作，可广泛用于大规模生产，且由本发明的方法和工艺能够有效地提高合金的强韧性。
具体实施方法
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明：
对比例1：铝硅合金制备
本实施例铝硅合金的成分及质量比组成为Mg：0.45％、Si：7.5％、余量为铝。
于750～800℃下在电阻式坩埚炉中放入工业纯铝及铝硅中间合金，铝硅中间合金中Si的质量百分比为20％，待完全熔化后按配比加入纯镁，混合形成熔体。在混合均匀的熔体加入精炼剂，静置5～10分钟后除去熔渣；将合金熔体浇入200℃预热钢模中凝固成形。将凝固铸件放入箱式炉中与530℃固溶处理4h，淬火后于175℃保温6h，空冷。
采用上述方法制备的铝硅合金在室温下的力学性能：屈服强度为163MPa，抗拉强度为220MPa，延伸率4.2％。
实施例1
本实施例含钪铝硅合金的成分及质量比组成为Mg：0.45％、Si：7.5％、Sc：0.1％、余量为铝。
于800℃下在电阻式坩埚炉中放入工业纯铝及铝硅中间合金，铝硅中间合金中Si的质量百分比为20％，待完全熔化后按配比加入纯镁。全部熔化后加入铝钪中间合金，铝钪中间合金中钪的质量百分比为3％，使钪元素的质量百分比为0.1％，混合形成熔体。在混合均匀的熔体加入精炼剂，静置5～10分钟后除去熔渣；将合金熔体浇入200℃预热钢模中凝固成形。将凝固铸件放入箱式炉中与530℃固溶处理4h，淬火后于175℃保温6h，空冷。
采用上述方法制备的铝硅合金在室温下的力学性能：屈服强度为187MPa，抗拉强度为251MPa，延伸率8.1％。
实施例2
本实施例含钪铝硅合金的成分及质量比组成为Mg：0.25％、Si：6.5％、Sc：0.2％、余量为铝。
于750℃下在电阻式坩埚炉中放入工业纯铝及铝硅中间合金，铝硅中间合金中Si的质量百分比为20％，待完全熔化后按配比加入纯镁。全部熔化后加入铝钪中间合金，铝钪中间合金中钪的质量百分比为3％，使钪元素的质量百分比为0.2％，混合形成熔体。在混合均匀的熔体加入精炼剂，静置5～10分钟后除去熔渣；将合金熔体浇入200℃预热钢模中凝固成形。将凝固铸件放入箱式炉中与530℃固溶处理4h，淬火后于175℃保温6h，空冷。
采用上述方法制备的铝硅合金在室温下的力学性能：屈服强度为201MPa，抗拉强度为292MPa，延伸率13.5％。
实施例3
本实施例含钪铝硅合金的成分及质量比组成为Mg：0.45％、Si：6.5％、Sc：0.3％、余量为铝。
于750℃下在电阻式坩埚炉中放入工业纯铝及铝硅中间合金，铝硅中间合金中Si的质量百分比为20％，待完全熔化后按配比加入纯镁。全部熔化后加入铝钪中间合金，铝钪中间合金中钪的质量百分比为3％，使钪元素的质量百分比为0.3％，混合形成熔体。在混合均匀的熔体加入精炼剂，静置5～10分钟后除去熔渣；将合金熔体浇入200℃预热钢模中凝固成形。将凝固铸件放入箱式炉中与530℃固溶处理4h，淬火后于175℃保温6h，空冷。
采用上述方法制备的铝硅合金在室温下的力学性能：屈服强度为192MPa，抗拉强度为266MPa，延伸率10.1％。
实施例4
本实施例含钪铝硅合金的成分及质量比组成为：Mg：0.25％、Si：7.5％、Sc：
0.4％、余量为铝。
于750℃下在电阻式坩埚炉中放入工业纯铝及铝硅中间合金，铝硅中间合金中Si的质量百分比为20％，待完全熔化后按配比加入纯镁。全部熔化后加入铝钪中间合金，铝钪中间合金中钪的质量百分比为3％，使钪元素的质量百分比为0.4％，混合形成熔体。在混合均匀的熔体加入精炼剂，静置5～10分钟后除去熔渣；将合金熔体浇入200℃预热钢模中凝固成形。将凝固铸件放入箱式炉中与530℃固溶处理4h，淬火后于175℃保温6h，空冷。
采用上述方法制备的铝硅合金在室温下的力学性能：屈服强度为180MPa，抗拉强度为257MPa，延伸率13.1％。
按中华人民共和国国家标准GB/T16865-2013，将实施例1-4及对比例的铝合金产品加工成标准拉伸试样，在DNS200型电子拉伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速率为2mm/min，拉伸力学性能如表1所示。
表1：铝硅合金的拉伸力学性能
| 序号 | 抗拉强度/Mpa | 屈服强度/MPa | 延伸率％ |
| 对比例1 | 220 | 163 | 4.2 |
| 实施例1 | 251 | 187 | 8.1 |
| 实施例2 | 292 | 201 | 13.5 |
| 实施例3 | 266 | 192 | 10.1 |
| 实施例4 | 257 | 180 | 13.1 |
由表1的检测结果可以得出，本发明含钪铝硅合金的室温抗拉强度高达292Mpa，延伸率高达13.5％，具有强度高、塑性好、耐腐蚀、抗磨损等特点，适合制造汽车、轿车、摩托车的轮毂、汽车变速箱、飞机配件及其他承受载荷的零件，具有广泛的应用前景。
Claims (4)
1.一种高强高韧含钪铝硅合金，其特征在于，所述含钪铝硅合金各组元组分按重量百分比计如下：Mg：0.45%、Si：7.5%、Sc：0.1%、余量为铝，或，Mg：0.25%、Si：6.5%、Sc：0.2%、余量为铝，或，Mg：0.45%、Si：6.5%、Sc：0.3%、余量为铝，或，Mg：0.25%、Si：7.5%、Sc：0.4%、余量为铝；
所述的高强高韧含钪铝硅合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)熔炼：于750～800℃下熔化工业纯铝及铝硅中间合金，待完全熔化后按配比加入纯镁和铝钪中间合金，混合形成熔体；在混合均匀的熔体加入精炼剂，静置后除去熔渣；
(2)铸造：将合金熔体浇入预热好的模具中凝固成形，形成铸件；
(3)热处理：将铸件进行固溶和时效热处理；
所述步骤(3)中所述的固溶热处理，温度为510～540℃，时间为4～10h；
所述步骤(3)中所述的时效热处理，温度为150～180℃，时间为4～8h。
2.根据权利要求1所述的高强高韧含钪铝硅合金，其特征在于：所述步骤(1)中所述的铝硅中间合金中Si的质量百分比为20％。
3.根据权利要求1所述的高强高韧含钪铝硅合金，其特征在于：所述步骤(1)中所述的铝钪中间合金中钪的质量百分比为3％。
4.根据权利要求1所述的高强高韧含钪铝硅合金，其特征在于：所述步骤(2)中所述的模具预热温度为150～200℃。
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