CN109609822B - 一种半固态成型铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种半固态成型铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半固态成型铝合金及其制备方法，包括以下成分及其质量百分比含量：Cu：4.0~6.0%，Mn：0.1~0.6%，Fe：0.1~1.5%，Si：7.0~12.0%，Ti：0.1~1.0%，余量为Al和不可避免的杂质；其制备方法步骤为：1)熔炼；2)浇铸；3)对铸坯进行半固态保温处理；4）对半固态坯料进行触变成型；本发明的合金经热处理后具有高温强度高和高温持久性能好的优势：在315℃保温30分钟抗拉强度和屈服强度最高达到175~245MPa和160~225MPa；315℃保温10小时的抗拉强度和屈服强度为135~170MPa和110~135MPa；315℃保温100小时的抗拉强度和屈服强度为125~150MPa和100~125MPa。本发明为废铝回收高效利用开辟新的途径。

Description

一种半固态成型铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种半固态成型铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金具有密度低、比强度高、导热性好等优点，广泛应用于制造航空、交通等领域的耐热零部件。随着全球绿色经济的发展要求和能源法规限制越来越严格，对铝合金的耐热性能也提出了更高的要求。
铁是铝合金中最有害的杂质元素之一，主要呈针状的硬脆相，在凝固过程中通常导致应力的集中和干扰液体在枝晶间通道中的流动，一般恶化合金的力学性能，尤其是伸长率。因此，铝合金中的铁含量必须得到严格的控制。为保证耐热铝合金高性能，铁含量一般严格控制在0.15 %以下。目前，耐热铝合金中对杂质铁含量的控制需要消耗大量电解铝，这导致其成本大幅增加。此外，电解铝在电解过程中还会产生大量废气和废料等污染物，不利于节能减排。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种半固态成型铝合金及其制备方法，在获得球状半固态枝晶的基础上，达到变质富铁相，降低富铁相危害的目的，为废铝回收高效利用开辟新的途径，还能有效解决耐热铝合金还存在着高温瞬时强度和高温持久强度偏低的问题，以解决上述现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为：一种半固态成型铝合金，包括以下成分及其质量百分比含量：Cu：4.0~6.0 %，Mn：0.1~0.6 %，Fe：0.1~1.5 %，Si：7.0~12.0 %，Ti：0.1~1.0 %，余量为Al和不可避免的杂质。
一种半固态成型铝合金的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）熔炼：按配比的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金、铝硅中间合金、铝钛中间合金和纯铝，待炉料全部熔化后，将炉温降至720~730℃保温15~20min；待炉温稳定后，扒去熔渣，加入氩气精炼后，在725~730℃下保温10~15min后撇渣，得到精炼金属熔液；
（2）浇铸：将铸造模具预热至210~260℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；
（3）半固态等温处理：将铸坯放入箱式电阻炉中进行560~580 ℃和30~90min的半固态等温处理，温度控制精度为±2 ℃，得到一种半固态的坯料；
（4）触变成型：将半固态等温处理后的坯料在压力铸造模具中进行触变成型，得到一种半固态等温处理铝合金。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
（1）本发明通过成分进行配比将杂质元素铁控制在0.1~1.5 %；
（1）本发明采用半固态成型技术，从而有效提高合金的力学性能。由于半固态等温处理技术制备半固态坯料，在获得球状半固态枝晶的基础上，达到变质富铁相，改变针状富铁相形貌使其转化为危害较小的颗粒状或汉字状结构，达到降低富铁相危害的目的，提高了合金的力学性能；
（3）本发明中加元素Cu的成分范围为4.0~6.0 %，选择在这个范围的目的：一是为了改善铸造性能；二是为了有足够量的Cu元素形成含Cu的耐高温的第二相；
（4）在Al-Si合金成分的基础上，添加Cu、Mn、Fe、Ti合金元素，这样能够有效提高合金的耐热稳定性。由于Mn、Fe、Cu、Ti多种合金元素的加入使合金中析出了稳定性好的第二相。这些第二相大多数为硬度较高的金属间化合物，由于它们在合金中可以起到阻碍晶界滑移及位错运动的作用，提高晶界强度和抗蠕变能力，合金的强度和耐热性得到了提高；
（5）本发明合金经热处理后具有高温强度高和高温持久性能好：在315℃保温30分钟抗拉强度和屈服强度最高达到175~245MPa和160~225MPa；315℃保温10小时的抗拉强度和屈服强度为135~170MPa和110~135MPa；315℃保温100小时的抗拉强度和屈服强度为125~150MPa和100~125MPa，本发明为废铝回收高效利用开辟新的途径。
附图说明
图1是为实施例7显微组织图；其中：图(a)半固态成型铝合金显微组织，图(b)565℃保温处理90 min时合金中富铁相形貌。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
本发明实施例中采用的铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金、铝硅中间合金、铝钛中间合金和纯铝为工业产品，采用纯度为99.9 %的氩气进行精炼。
实施例1：一种半固态成型铝合金，总质量为4kg，包括以下成分及其质量百分比含量：Cu：4.0%，Mn：0.1%，Fe：0.1 %，Si：7.0 %，Ti：0.1 %，余量为Al和不可避免的杂质，该半固态成型铝合金的制备方法包括以下步骤：
（1）熔炼：按配比的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金、铝硅中间合金、铝钛中间合金和纯铝，待炉料全部熔化后，将炉温降至720℃保温20min；待炉温稳定后，扒去熔渣，加入氩气精炼后，在725℃下保温15min后撇渣，得到精炼金属熔液；
（2）浇铸：将铸造模具预热至240℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；
（3）半固态等温处理：将铸坯放入箱式电阻炉中进行580 ℃和60min的半固态等温处理，温度控制精度为±2 ℃，得到一种半固态的坯料；
（4）触变成型：将半固态等温处理后的坯料在压力铸造模具中进行触变成型，得到一种半固态等温处理铝合金。
将本实施例制备的半固态成型铝合金，进行显微组织的观察：
在315℃条件下进行拉伸实验，315℃的高温保温30分钟抗拉强度和屈服强度为为178MPa和161MPa。
将本实施例制备的半固态成型铝合金，进行高温持久性能测试：将合金在315℃条件下保温10小时后，合金拉伸试样的抗拉强度和屈服强度为135MPa和109MPa；将合金在315℃条件下保温100小时后，合金拉伸试样的抗拉强度和屈服强度为128MPa和100MPa。
实施例2：一种半固态成型铝合金，总质量为4kg，包括以下成分及其质量百分比含量：Cu： 6.0 %，Mn： 0.6 %，Fe： 1.5 %，Si： 12.0 %，Ti： 1.0 %，余量为Al和不可避免的杂质，该半固态成型铝合金的制备方法包括以下步骤：
（1）熔炼：按配比的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金、铝硅中间合金、铝钛中间合金和纯铝，待炉料全部熔化后，将炉温降至730℃保温15min；待炉温稳定后，扒去熔渣，加入氩气精炼后，在730℃下保温10min后撇渣，得到精炼金属熔液；
（2）浇铸：将铸造模具预热至210℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；
（3）半固态等温处理：将铸坯放入箱式电阻炉中进行560℃和90min的半固态等温处理，温度控制精度为±2 ℃，得到一种半固态的坯料；
（4）触变成型：将半固态等温处理后的坯料在压力铸造模具中进行触变成型，得到一种半固态等温处理铝合金。
将本实施例制备的半固态成型铝合金，在315℃条件下进行拉伸实验，315℃的高温保温30分钟抗拉强度和屈服强度为197MPa和185MPa。
将本实施例制备的半固态成型铝合金，进行高温持久性能测试：将合金在315℃条件下保温10小时后，合金拉伸试样的抗拉强度和屈服强度为142MPa和128MPa；将合金在315℃条件下保温100小时后，合金拉伸试样的抗拉强度为127MPa和106MPa。
实施例3：一种半固态成型铝合金，总质量为4kg，包括以下成分及其质量百分比含量：Cu：5.0%，Mn：0.3 %，Fe：0.75 %，Si：10 %，Ti：0.45%，余量为Al和不可避免的杂质，该半固态成型铝合金的制备方法包括以下步骤：
（1）熔炼：按配比的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金、铝硅中间合金、铝钛中间合金和纯铝，待炉料全部熔化后，将炉温降至725℃保温18min；待炉温稳定后，扒去熔渣，加入氩气精炼后，在728℃下保温13min后撇渣，得到精炼金属熔液；
（2）浇铸：将铸造模具预热至260℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；
（3）半固态等温处理：将铸坯放入箱式电阻炉中进行570℃和90min的半固态等温处理，温度控制精度为±2 ℃，得到一种半固态的坯料；
（4）触变成型：将半固态等温处理后的坯料在压力铸造模具中进行触变成型，得到一种半固态等温处理铝合金。
将本实施例制备的半固态成型铝合金，在315℃条件下进行拉伸实验，315℃的高温保温30分钟抗拉强度和屈服强度为221MPa和203MPa。
将本实施例制备的半固态成型铝合金，进行高温持久性能测试：将合金在315℃条件下保温10小时后，合金拉伸试样的抗拉强度和屈服强度为152MPa和118MPa；将合金在315℃条件下保温100小时后，合金拉伸试样的抗拉强度和屈服强度为133MPa和111MPa。
实施例4：一种半固态成型铝合金，总质量为4kg，包括以下成分及其质量百分比含量：Cu：4.5 %，Mn：0.6 %，Fe：1.0 %，Si：7.0 %，Ti：0.5 %，余量为Al和不可避免的杂质，该半固态成型铝合金的制备方法包括以下步骤：
（1）熔炼：按配比的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金、铝硅中间合金、铝钛中间合金和纯铝，待炉料全部熔化后，将炉温降至730℃保温20min；待炉温稳定后，扒去熔渣，加入氩气精炼后，在730℃下保温10min后撇渣，得到精炼金属熔液；
（2）浇铸：将铸造模具预热至250℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；
（3）半固态等温处理：将铸坯放入箱式电阻炉中进行565℃和60min的半固态等温处理，温度控制精度为±2 ℃，得到一种半固态的坯料；
（4）触变成型：将半固态等温处理后的坯料在压力铸造模具中进行触变成型，得到一种半固态等温处理铝合金。
将本实施例制备的半固态成型铝合金，在315℃条件下进行拉伸实验，315℃的高温保温30分钟抗拉强度和屈服强度为228MPa和210MPa。
将本实施例制备的半固态成型铝合金，进行高温持久性能测试：将合金在315℃条件下保温10小时后，合金拉伸试样的抗拉强度和屈服强度为151MPa和117MPa，将合金在315℃条件下保温100小时后，合金拉伸试样的抗拉强度和屈服强度为131MPa和110MPa。
实施例5：一种半固态成型铝合金，总质量为4kg，包括以下成分及其质量百分比含量：Cu：4.5 %，Mn：0.6 %，Fe：1.0 %，Si：7.0 %，Ti：1.0 %，余量为Al和不可避免的杂质，该半固态成型铝合金的制备方法包括以下步骤：
（1）熔炼：按配比的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金、铝硅中间合金、铝钛中间合金和纯铝，待炉料全部熔化后，将炉温降至730℃保温20min；待炉温稳定后，扒去熔渣，加入氩气精炼后，在730℃下保温10min后撇渣，得到精炼金属熔液；
（2）浇铸：将铸造模具预热至250℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；
（3）半固态等温处理：将铸坯放入箱式电阻炉中进行560℃和60min的半固态等温处理，温度控制精度为±2 ℃，得到一种半固态的坯料；
（4）触变成型：将半固态等温处理后的坯料在压力铸造模具中进行触变成型，得到一种半固态等温处理铝合金。
将本实施例制备的半固态成型铝合金，在315℃条件下进行拉伸实验，315℃的高温保温30分钟抗拉强度和屈服强度为198MPa和185MPa。
将本实施例制备的半固态成型铝合金，进行高温持久性能测试：将合金在315℃条件下保温10小时后，合金拉伸试样的抗拉强度和屈服强度为143MPa和112MPa；将合金在315℃条件下保温100小时后，合金拉伸试样的抗拉强度和屈服强度为126MPa和107MPa。
实施例6：一种半固态成型铝合金，总质量为4kg，包括以下成分及其质量百分比含量：Cu：5.0 %，Mn：0.6 %，Fe：0.5 %，Si：8.0 %，Ti：0.5 %，余量为Al和不可避免的杂质，该半固态成型铝合金的制备方法包括以下步骤：
（1）熔炼：按配比的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金、铝硅中间合金、铝钛中间合金和纯铝，待炉料全部熔化后，将炉温降至730℃保温20min；待炉温稳定后，扒去熔渣，加入氩气精炼后，在730℃下保温10min后撇渣，得到精炼金属熔液；
（2）浇铸：将铸造模具预热至250℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；
（3）半固态等温处理：将铸坯放入箱式电阻炉中进行560℃和60min的半固态等温处理，温度控制精度为±2 ℃，得到一种半固态的坯料；
（4）触变成型：将半固态等温处理后的坯料在压力铸造模具中进行触变成型，得到一种半固态等温处理铝合金。
将本实施例制备的半固态成型铝合金，在315℃条件下进行拉伸实验，315℃的高温保温30分钟抗拉强度和屈服强度为232MPa和215MPa。
将本实施例制备的半固态成型铝合金，进行高温持久性能测试：将合金在315℃条件下保温10小时后，合金拉伸试样的抗拉强度和屈服强度为161MPa和126MPa；将合金在315℃条件下保温100小时后，合金拉伸试样的抗拉强度和屈服强度为141MPa和119MPa。
实施例7：一种半固态成型铝合金，总质量为4kg，包括以下成分及其质量百分比含量：Cu：6.0 %，Mn：0.6 %，Fe：0.5 %，Si：7.0 %，Ti：0.5 %，余量为Al和不可避免的杂质，该半固态成型铝合金的制备方法包括以下步骤：
（1）熔炼：按配比的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金、铝硅中间合金、铝钛中间合金和纯铝，待炉料全部熔化后，将炉温降至725℃保温18min；待炉温稳定后，扒去熔渣，加入氩气精炼后，在728℃下保温13min后撇渣，得到精炼金属熔液；
（2）浇铸：将铸造模具预热至250℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；
（3）半固态等温处理：将铸坯放入箱式电阻炉中进行565℃和90min的半固态等温处理，温度控制精度为±2 ℃，得到一种半固态的坯料；
（4）触变成型：将半固态等温处理后的坯料在压力铸造模具中进行触变成型，得到一种半固态等温处理铝合金。
将本实施例制备的半固态成型铝合金，在315℃条件下进行拉伸实验，315℃的高温保温30分钟抗拉强度和屈服强度为245MPa和225MPa。合金的显微组织见图1。将本实施例制备的半固态成型铝合金，进行高温持久性能测试：将合金在315℃条件下保温10小时后，合金拉伸试样的抗拉强度和屈服强度为168MPa和135MPa；将合金在315℃条件下保温100小时后，合金拉伸试样的抗拉强度和屈服强度为148MPa和125MPa。
本发明相比其他合金性能明显提高，如下表1所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种半固态成型铝合金，其特征在于：包括以下成分及其质量百分比含量：Cu：4.0~6.0 %，Mn：0.1~0.6 %，Fe：0.1~1.5 %，Si：7.0~12.0 %，Ti：0.1~1.0 %，余量为Al和不可避免的杂质；半固态成型铝合金的制备方法包括以下步骤：
（1）熔炼：按配比的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金、铝硅中间合金、铝钛中间合金和纯铝，待炉料全部熔化后，将炉温降至720~730℃保温15~20min；待炉温稳定后，扒去熔渣，加入氩气精炼后，在725~730℃下保温10~15min后撇渣，得到精炼金属熔液；
（2）浇铸：将铸造模具预热至210~260℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；
（3）半固态等温处理：将铸坯放入箱式电阻炉中进行560~580 ℃和30~90min的半固态等温处理，温度控制精度为±2 ℃，得到一种半固态的坯料；
（4）触变成型：将半固态等温处理后的坯料在压力铸造模具中进行触变成型，得到一种半固态等温处理铝合金。
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