CN109593996A - 一种高强韧挤压铸造铝镁硅合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铝合金材料，具体是一种采用挤压铸造技术，并采用T6热处理工艺制备的挤压铸造高强韧性铝镁硅铬合金材料；其主要成分及其质量百分比含量为：镁4.80～5.50％，硅1.50～2.50％，铬0.30～0.50％，铁≤0.30％，其他合金元素之和≤0.50％，剩余为铝；固溶温度为560～580℃，时间为2‑3小时；时效温度为180～220℃，时间为2～3小时。本发明的合金不仅具有较高的强度和韧性，且粘模倾向小，成形性能好，原材料成本低廉、来源广泛；特别适合制造具有轻量化要求的零件或构件，在汽车领域中有着十分广阔的应用前景。

Description

一种高强韧挤压铸造铝镁硅合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金材料的制备领域，具体是指一种高强度、高韧性、成本低、可热处理强化的挤压铸造铝镁硅合金材料及其制备方法。
背景技术
电子技术的发展日新月异，据研究表明，汽车每减轻100kg重量，油耗就可以减少0.7L/100km。随着当今世界环境污染和资源枯竭问题的日益加剧，节能减排越来越受到国家和社会的重视。铝合金材料来源广泛，可回收利用，成本低廉，且天生具有良好的塑韧性、耐蚀性、导热性和加工性，而其密度只有钢铁材料的1/3，比强度较高，是取代钢铁材料的理想选择。开发高强度和高韧性的铝合金材料，用于在工业生产当中取代钢铁材料，可以大大较少能源浪费和环境污染。
通常来说，合金的强度和韧性是负相关的：如果一种合金强度较高，其韧性就较差；如果韧性较好，其强度就较低。当前限制铸造铝合金材料应用的主要问题就是强度不高，例如，最常用的初次铸造A356铝合金，其典型抗拉强度为290MPa、延伸率10％；而二次A356合金，其典型抗拉强度为250MPa、延伸率7％。
常用的铸造铝合金包括Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系合金四种。Al-Mg系铸造合金在四种铸造铝合金当中密度最小，Mg在Al中的固溶度较高，在450℃下可以达到20％，远高于其他三种合金，因此其固溶强化作用强，可以大大提高合金的强度，同时对韧性的影响相对较少，因此Al-Mg系合金是开发轻质高强韧铸造铝合金材料的理想选择。以Al-Mg系铸造合金为基础，通过添加其他的合金元素，利用热处理工艺提高其力学性能，同时保证一定韧性，兼备较高的强度和韧性，将可以拓展铸造铝合金材料在汽车上的应用前景。
Al-Mg系铸造合金的主要组织为初生α-Al基体和Al3Mg2相，其中的Al3Mg2相往往沿晶界分布。随着使用时间的增加，Al3Mg2相会从基体当中析出，引起晶界弱化，产生晶间腐蚀，使合金“变脆”。研究表明，在Al-Mg系二元合金中加入Si元素，会使Al-Mg系合金中的Al3Mg2相减少甚至消失。原因在于镁元素倾向于与加入的硅元素形成更加稳定的Mg2Si相。Mg2Si在组织中与铝形成共晶，且随着硅元素的增多而逐渐增多。Al-Mg2Si为层片状的共生共晶，由软韧的Al相和硬脆的Mg2Si相组成，在铸态下就可以使合金具有良好的综合力学性能。在固溶过程中，Mg2Si相中的镁、硅元素部分溶入到基体当中，使Mg2Si形状变为圆润的颗粒状；在随后的时效过程中，溶入基体中的镁、硅元素又以纳米相的形式析出，起到了很好的弥散强化效果。这些机制协同作用，不仅使合金的力学性能大大提高，而且降低了层片状Al-Mg2Si共晶对合金性能的不良影响。另外，Al-Mg系二元合金的黏度较高，容易发生粘模问题，对模具的寿命有十分不好的影响，加入适量的硅元素可以提高Al-Mg系合金的流动性和成型性。因此适量的硅元素是必要的。
Fe元素在熔炼和铸造过程中是难以避免的，同时，一定Fe元素含量也是材料回收和重熔所需要的。Fe元素在Al-Mg系铸造合金中往往会生成粗大的针片状β-Fe相，不仅会引起严重的应力集中，成为裂纹产生和扩展的起源，而且可以通过阻塞枝晶间的补缩通道，降低合金的疲劳强度。研究表明，适量的Cr不仅能够改变合金中的针状铁相的形态，使粗大的针状β-Fe相转变为块状的α-Fe相，而且可以在固溶时效过程中析出含Cr的弥散强化相。该弥散强化相拥有很高的弥散强化效果，可以显著地提高合金的屈服强度和抗拉强度。
挤压铸造过程中，金属液在压力下成型，冷却速度较快，因此晶粒细密，产生较好的细晶强化效果。在压力下，金属液强制补缩，因此制得的铸件无缩松、气孔等不良缺陷。凝固后的铸件还在压力下发生了一定的塑性变形，产生了一定的形变强化效果。在随后的热处理中，塑性变形储备的形变储能可以成为合金回复和再结晶的能量来源，使合金内产生亚晶粒或是使合金晶粒细化。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高强韧挤压铸造铝镁硅合金及其制备方法，针对铸造铝合金力学性能不高的现状，通过优化设计合金成分及其制备和热处理工艺，利用回收铝合金材料和其他中间合金，开发出一种同时具备高强度和高韧性的挤压铸造铝镁硅合金材料。
本发明的另一目的在于提供一种高强韧挤压铸造铝镁硅合金及其制备方法，其具有较高的强度(热处理后抗拉强度＞340MPa)和较好的韧性(热处理后延伸率＞6％)，并且可通过回收铝合金废料进行配制，成本低且环保。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为一种高强韧挤压铸造铝镁硅合金的主要成分及其质量百分比含量为：镁4.80～5.50％，硅1.50％～2.50％，铬0.30～0.50％，铁≤0.30％，其他合金元素之和≤0.50％，剩余为铝。
优选地，所述高强韧挤压铸造铝镁硅合金的原料由回收6061铝合金或回收A356铝合金、Al-Mg50或Al-Mg10中间合金、Al-Si20中间合金和Al-Cr5中间合金配制而成。
一种高强韧挤压铸造铝镁硅合金的制备方法，其包括步骤：
S100根据设计的合金成分准备原料及配料，原料由回收6061铝合金或回收A356铝合金、Al-Mg50或Al-Mg10中间合金、Al-Si20中间合金和Al-Cr5中间合金配制而成；
S200对合金原料进行熔炼，得到合金熔体；
S300挤压铸造，模具预涂脱模剂并预热到180℃～200℃，控制温度在680℃-720℃范围内进行浇注，在50MPa～75MPa的压力下进行挤压铸造成型；
S400热处理，将铸件在电阻炉中进行T6热处理，热处理固溶后淬火，随后进行时效，出炉空冷。
根据本发明的一实施例，所述步骤S200具体包括步骤：
S210在熔化炉中加入粉碎的6061回收料、Al-Si20中间合金和Al-Cr5中间合金，随后每小时升温150℃直到720℃；
S220待合金全部融化后，加入Al-Mg50中间合金，融化后搅拌3min，使得合金成分均匀；
S230按照千分之四的比例向铝液中加入商用精炼剂，在720～730℃下精炼，并用氩气或氮气除气，静置15分钟后扒渣。
根据本发明的一实施例，所述步骤S200具体包括步骤：
S210在熔化炉中加入粉碎的A356回收料和Al-Cr5中间合金，随后每小时升温150℃直至720℃；
S220将Al-Mg10中间合金分为三组，分3次加入熔化，每次合金熔化后，都要升温至720℃再加入下一组Al-Mg10中间合金；
S230待合金全部融化后搅拌3min，使得合金成分均匀；
S240按照千分之四的比例向铝液中加入商用精炼剂，在720～730℃下精炼，并用氩气或氮气除气，静置15分钟后扒渣。
根据本发明的一实施例，在所述步骤S400中，热处理的固溶温度为560～580℃，时间为2-3小时，时效温度为180～220℃，时效时间为2～3小时。
本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明的合金材料同时具有较高的强度和较好的塑韧性，在挤压铸造后，铸态时抗拉强度可达290～310MPa，延伸率可达11～13％；T6热处理后抗拉强度可达340～360MPa，延伸率可达6％～9％。
(2)本发明的合金材料通过添加Cr，将回收合金中的Fe元素形成相形貌改变，降低了Fe对合金性能的不良影响。
(3)本发明合金采用回收铝合金废料制成，原材料来源广泛且成本低廉，符合节能减排的要求。
(4)本发明的合金材料含有1.50％-2.50％的Si，使Al-Mg合金具有较高的流动性和较低的粘模倾向，可提高合金的成型性和模具的使用寿命。
(5)本发明合金中一定的Cr、Fe元素可以降低该合金的粘模倾向，提高模具的使用寿命。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
实施例一
步骤一：配料
步骤二：熔炼
在熔化炉中加入粉碎的6061回收料、Al-Si20中间合金和Al-Cr5中间合金，随后每小时升温150℃直到720℃。待合金全部融化后，加入Al-Mg50中间合金，融化后搅拌3min，确保合金成分均匀。按照千分之四的比例向铝液中加入商用精炼剂，在720～730℃下精炼，并用氩气或氮气除气，静置15分钟后扒渣。
步骤三：挤压铸造
模具预涂脱模剂并预热到200℃，控制温度在700℃～720℃范围内进行浇注，在50MPa的压力下进行挤压铸造成型。
步骤四：热处理
将铸件在电阻炉中进行T6热处理，热处理工艺为580℃下固溶2h后淬火，随后在180℃下时效3h，出炉空冷。
通过上述步骤获得的合金材料含有镁4.83％，硅1.51％，铬0.32％，铁0.29％，其他合金元素之和0.46％，剩余为铝。铸件铸态和T6热处理后的力学性能如表1所示。
表1本发明合金的力学性能
实施例二
步骤一：配料
步骤二：熔炼
在熔化炉中加入粉碎的A356回收料和Al-Cr5中间合金，随后每小时升温150℃直至720℃。将Al-Mg10中间合金分为三组，分3次加入熔化。每次合金熔化后，都要升温至720℃再加入下一组Al-Mg10中间合金。待合金全部融化后搅拌3min，确保合金成分均匀。按照千分之四的比例向铝液中加入商用精炼剂，在720～730℃下精炼，并用氩气或氮气除气，静置15分钟后扒渣。
步骤三：挤压铸造
模具预涂脱模剂并预热到180℃，控制温度在680℃-700℃范围内进行浇注，在75MPa的压力下进行挤压铸造成型。
步骤四：热处理
将铸件在电阻炉中进行T6热处理，热处理工艺为560℃下固溶3h后淬火，随后在220℃下时效2h，出炉空冷。
通过上述步骤获得的合金材料含有镁5.50％，硅2.49％，铬0.50％，铁0.17％，其他合金元素之和0.21％，剩余为铝。铸件铸态和T6热处理后的力学性能如表2所示。
表2本发明合金的力学性能和导热性能
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种高强韧挤压铸造铝镁硅合金，其特征在于，其主要成分及其质量百分比含量为：镁4.80～5.50％，硅1.50％～2.50％，铬0.30～0.50％，铁≤0.30％，其他合金元素之和≤0.50％，剩余为铝。
2.根据权利要求1所述的高强韧挤压铸造铝镁硅合金，其特征在于，所述高强韧挤压铸造铝镁硅合金的原料由回收6061铝合金或回收A356铝合金、Al-Mg50或Al-Mg10中间合金、Al-Si20中间合金和Al-Cr5中间合金配制而成。
3.一种如权利要求1或2所述的高强韧挤压铸造铝镁硅合金的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S100根据设计的合金成分准备原料及配料，原料由回收6061铝合金或回收A356铝合金、Al-Mg50或Al-Mg10中间合金、Al-Si20中间合金和Al-Cr5中间合金配制而成；
S200对合金原料进行熔炼，得到合金熔体；
S300挤压铸造，模具预涂脱模剂并预热到180℃～200℃，控制温度在680℃-720℃范围内进行浇注，在50MPa～75MPa的压力下进行挤压铸造成型；
S400热处理，将铸件在电阻炉中进行T6热处理，热处理固溶后淬火，随后进行时效，出炉空冷。
4.根据权利要求3所述的高强韧挤压铸造铝镁硅合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S200具体包括步骤：
S210在熔化炉中加入粉碎的6061回收料、Al-Si20中间合金和Al-Cr5中间合金，随后每小时升温150℃直到720℃；
S220待合金全部融化后，加入Al-Mg50中间合金，融化后搅拌3min，使得合金成分均匀；
S230按照千分之四的比例向铝液中加入商用精炼剂，在720～730℃下精炼，并用氩气或氮气除气，静置15分钟后扒渣。
5.根据权利要求3所述的高强韧挤压铸造铝镁硅合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S200具体包括步骤：
S210在熔化炉中加入粉碎的A356回收料和Al-Cr5中间合金，随后每小时升温150℃直至720℃；
S220将Al-Mg10中间合金分为三组，分3次加入熔化，每次合金熔化后，都要升温至720℃再加入下一组Al-Mg10中间合金；
S230待合金全部融化后搅拌3min，使得合金成分均匀；
S240按照千分之四的比例向铝液中加入商用精炼剂，在720～730℃下精炼，并用氩气或氮气除气，静置15分钟后扒渣。
6.根据权利要求3～5中任一所述的高强韧挤压铸造铝镁硅合金的制备方法，其特征在于，热处理的固溶温度为560～580℃，时间为2-3小时，时效温度为180～220℃，时效时间为2～3小时。
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