CN109778027A - 一种高强度a356合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度A356合金及其制备方法，采用变质处理、固溶强化、细晶强化及第二相强化等手段制备出一种新型低成本、高强度A356合金。（1）通过添加变质剂Ba和Zr以改善合金铸态组织；（2）利用高压凝固技术制备出晶粒更加细小且Mg、Si等元素在基体中具有更高的过饱和溶解度的高压凝固A356合金；（3）进一步通过时效强化提升高压凝固A356合金的强度。

Description

一种高强度A356合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度A356合金及其制备方法，属于金属材料工程技术领域。

背景技术

铝合金具有高的强度和硬度、良好的可切削加工性和铸造性、优异的减震性和散热性以及回收性强、耐蚀性好等特点，广泛应用于汽车、航空、航天以及电子电器等领域。

A356合金（我国的牌号为ZL101）属于铸造Al-Si系合金，不仅具有优良的铸造性能，而且可用于铸造薄壁或复杂形状的铸件，因此广泛应用于汽车铝合金轮毂方面。但由于铸态A356合金中初生α-Al相组织粗大且存在枝晶偏析，针状共晶Si相易割裂基体，其综合力学性能往往达不到实际生产要求。

为进一步提高A356合金的各项力学性能，常采用变质处理、合金化及热处理工艺来消除组织中的枝晶偏析及针状组织，同时提高合金的抗拉强度、去除合金内应力。例如专利CN 108588513 A公开了一种改性A356铝合金，通过添加微量元素Zr和Sr细化晶粒及变质处理，其组分的重量百分比为：Si 6.5～7.5%，Mg 0.25～0.30%，Ti 0.10～0.50%，Zr 0.10～0.50%，Sr 0.02～0.20%，余量为Al，经多次时效热处理后最大抗拉强度为319MPa、最大延伸率为12%，布氏硬度分别达105HBW。专利CN 103866166 A公开了一种铝合金，在传统ZL101铝合金成分基础上添加变质剂Te、Sb及稀土元素La、Ce、Hf、Y，经T6处理后最大抗拉强度为300MPa、最大延伸率为18%。

尽管上述方法对A356合金的力学性能有所改善，但效果仍不理想，且贵金属元素（如La、Ce、Y等）的引入也在一定程度上增加了合金成本。目前，单一的强化方式已不能满足工业生产对A356合金的性能要求，而综合利用各种强化手段进行复合强化被认为是开发低成本高性能铝合金行之有效方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，采用变质处理、固溶强化、细晶强化及第二相强化等手段制备出一种新型低成本、高强度A356合金。（1）在传统铸造A356合金基础上添加Ba元素作为变质剂，抑制共晶Si相的生长速度，改善共晶Si相形貌；（2）添加Zr元素一方面细化铸造合金晶粒，降低其他杂质元素对合金组织和性能的损害，另一方面Zr可以在后续时效处理过程中作为变质剂改善强化相β’-Mg₂Si的形貌，使其由棒状或针状变为球状；（3）利用高压凝固技术进一步细化A356合金凝固组织，改善初生α-Al相和共晶Si相的形态与分布。

本发明采用如下技术方案：

一种高强度A356合金，其各组分的质量百分数为：Si 6.5～7.5%，Mg 0.3～0.5%，Cu0.05～0.1%，Ti 0.05～0.2%，Ba 0.1～0.5%，Zr 0.5～1.5%，杂质元素≤0.15%，余量为Al。

前述合金组分的质量百分数的优选范围为：Si7%，Mg 0.35%，Cu 0.05，Ti 0.08%，Ba 0.3%，Zr 0.6%，杂质元素≤0.15%，余量为Al。

所述高强度A356合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）采用A356铸造铝锭、纯Mg锭、Al-Ba中间合金以及Al-Zr中间合金作为原材料，根据目标合金成分计算各原料所需质量百分数；

（2）将步骤（1）所述原料在300℃进行预热；

（3）将坩埚电阻炉的加热温度设定为720～780℃，当坩埚温度达到300～350℃时加入A356铸造铝锭，待其完全融化且坩埚温度达到600～650℃时依次加入Al-Ba中间合金和Al-Zr中间合金；待原料完全熔化后加入C₂Cl₆精炼剂并轻轻搅拌；当炉温达到720～780℃时除去熔液表面浮渣，保温15～30min，然后将金属熔液浇到预热好的金属型中，得到所需A356铸态合金；

（4）将步骤（3）得到的A356铸态合金机加工成高压用试样后放入高压六面顶中进行高压凝固：设定凝固压力2～5 GPa，同时启动测温装置并快速加热到750℃～850℃，在该温度下保温保压15～20min，关闭电源停止加热，待冷却到室温后卸压并取出，得到进一步细化的高压凝固A356合金；

（5）将步骤（4）得到的高压凝固A356合金在150~200℃时效2～100h，最终得到具有高强度的A356合金。

前述步骤（1）中，选择Al-Ba中间合金以及Al-Zr中间合金作为原材料，可有效避免Ba和Zr在合金熔炼过程中过度烧损。

前述步骤（2）中各熔炼原料放入坩埚前需充分预热，防止原料中含有水份引起爆炸。

前述步骤（3）中，采用金属型铸造合金，利用金属传热快的特点，加速合金熔液冷却速度，从而获得组织更加细小的A356合金。

前述步骤（4）中，采用高压六面顶压机进行高压凝固实验，与两面顶压机系统相比，六面顶压机省去一个预应力模具和一个大型机架，同时高压腔内的压力场更为理想。

前述步骤（4）中，设定加热温度前需测试各试样样品在GPa级高压作用下的液相线温度。根据Clausius-Clapeyren方程，物质熔点随压力变化受固-液相变时体积变化的影响，由于Al在高压作用下的熔化过程为膨胀反应，故Al熔点随压力增加而升高。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、单一的强化方式已不能满足工业生产对A356合金的性能要求，本发明：（1）通过添加变质剂Ba和Zr以改善合金铸态组织；（2）利用高压凝固技术制备出晶粒更加细小且Mg、Si等元素在基体中具有更高的过饱和溶解度的高压凝固A356合金；（3）进一步通过时效强化提升高压凝固A356合金的强度。其强化手段有变质处理、固溶强化、细晶强化及第二相强化。

2、通过该方法制备出的A356合金最大抗压强度为371Mpa，最大延伸率为12.7%。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但本发明的内容不限于下述实施例。

实施例1：

一种高强度A356合金及其制备方法，其各组分的质量百分数为：Si7%，Mg 0.3%，Cu0.06，Ti 0.1%，Ba 0.2%，Zr 0.5%，杂质元素≤0.15%，余量为Al。

其制备方法如下：

（1）采用A356铸造铝锭、纯Mg锭、Al-Ba中间合金以及Al-Zr中间合金作为原材料，根据目标合金成分计算各原料所需质量百分数；

（2）将步骤（1）所述原料在300℃进行预热；

（3）将坩埚电阻炉的加热温度设定为740℃，当坩埚温度达到300℃时加入A356铸造铝锭，待其完全融化且坩埚温度达到650℃时依次加入Al-Ba中间合金和Al-Zr中间合金；待原料完全熔化后加入C₂Cl₆精炼剂并轻轻搅拌；当炉温达到740℃时除去熔液表面浮渣，保温15min，然后将金属熔液浇到预热好的金属型中，得到所需A356铸态合金；

（4）将步骤（3）得到的A356铸态合金机加工成高压用试样后放入高压六面顶中进行高压凝固：设定凝固压力2 GPa，同时启动测温装置，并快速加热到770℃，在该温度下保温保压15min，关闭电源停止加热，待自然冷却到室温后卸压并取出，得到进一步细化的高压凝固A356合金；

（5）将步骤（4）得到的高压凝固A356合金在180℃时效8h，最终得到具有高强度的A356合金。

实施例2：

一种高强度A356合金及其制备方法，其各组分的质量百分数为：Si 6.5%，Mg 0.4%，Cu0.06%，Ti 0.1%，Ba 0.4%，Zr 0.7%，杂质元素≤0.15%，余量为Al。

其制备方法如下：

（1）采用A356铸造铝锭、纯Mg锭、Al-Ba中间合金以及Al-Zr中间合金作为原材料，根据目标合金成分计算各原料所需质量百分数；

（2）将步骤（1）所述原料在300℃进行预热；

（3）将坩埚电阻炉的加热温度设定为750℃，当坩埚温度达到300℃时加入A356铸造铝锭，待其完全融化且坩埚温度达到640℃时依次加入Al-Ba中间合金和Al-Zr中间合金；待原料完全熔化后加入C₂Cl₆精炼剂并轻轻搅拌；当炉温达到750℃时除去熔液表面浮渣，保温20min，然后将金属熔液浇到预热好的金属型中，得到所需A356铸态合金；

（4）将步骤（3）得到A356铸态合金机加工成高压用试样后放入高压六面顶中进行高压凝固：设定凝固压力3 GPa，同时启动测温装置，并快速加热到800℃，在该温度下保温保压15min，关闭电源停止加热，待自然冷却到室温后卸压并取出，得到进一步细化的高压凝固A356合金；

（5）将步骤（4）得到的高压凝固A356合金在150℃时效10h，最终得到具有高强度的A356合金。

实施例3：

一种高强度A356合金及其制备方法，其各组分的质量百分数为：Si 7%，Mg 0.35%，Cu0.05%，Ti 0.08%，Ba 0.3%，Zr 0.6%，杂质元素≤0.15%，余量为Al。

其制备方法如下：

（1）采用A356铸造铝锭、纯Mg锭、Al-Ba中间合金以及Al-Zr中间合金作为原材料，根据目标合金成分计算各原料所需质量百分数；

（2）将步骤（1）所述原料在300℃进行预热；

（3）将坩埚电阻炉的加热温度设定为730℃，当坩埚温度达到350℃时加入A356铸造铝锭，待其完全融化且坩埚温度达到620℃时依次加入Al-Ba中间合金和Al-Zr中间合金；待原料完全熔化后加入C₂Cl₆精炼剂并轻轻搅拌；当炉温达到730℃时除去熔液表面浮渣，保温20min，然后将金属熔液浇到预热好的金属型中，得到所需A356铸态合金；

（4）将步骤（3）得到A356铸态合金机加工成高压用试样后放入高压六面顶中进行高压凝固：设定凝固压力4GPa，同时启动测温装置，并快速加热到840℃，在该温度下保温保压20min，关闭电源停止加热，待自然冷却到室温后卸压并取出，得到进一步细化的高压凝固A356合金；

（5）将步骤（4）得到的高压凝固A356合金在150℃时效10h，最终得到具有高强度的A356合金。

性能对比：下表为上述实施例中不同成分A356合金的室温拉伸性能，其中对比合金1为专利CN 108588513 A制备的改性A356铝合金，对比合金2为专利CN 103866166 A制备的ZL101铝合金，实施例1～3为采用本发明技术得到的高强度A356合金。

由上表可见，本发明综合利用变质处理、固溶强化、细晶强化及第二相强化等手段制备的高强度合金，其最大抗压强度为371Mpa，最大延伸率为12.7%

其强度显著优异于对比合金1和2。

Claims (3)

1.一种高强度A356合金，其特征在于，其各组分的质量百分数为：Si 6.5～7.5%，Mg0.3～0.5%，Cu 0.05～0.1%，Ti 0.05～0.2%，Ba 0.1～0.5%，Zr 0.5～1.5%，杂质元素≤0.15%，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的一种高强度A356合金，其特征在于，其各组分的质量百分数为：Si 7%，Mg 0.35%，Cu 0.05，Ti 0.08%，Ba 0.3%，Zr 0.6%，杂质元素≤0.15%，余量为Al。

3.权利要求1或2所述高强度A356合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）采用A356铸造铝锭、纯Mg锭、Al-Ba中间合金以及Al-Zr中间合金作为原材料，根据目标合金成分计算各原料所需质量；

（2）将步骤（1）所述原料在300℃进行预热；

（3）将坩埚电阻炉的加热温度设定为720～780℃，当坩埚温度达到300～350℃时加入A356铸造铝锭，待其完全融化且坩埚温度达到600～650℃时依次加入Al-Ba中间合金和Al-Zr中间合金；待原料完全熔化后加入C2Cl6精炼剂并轻轻搅拌；当炉温达到720～780℃时除去熔液表面浮渣，保温15～30min，然后将金属熔液浇到预热好的金属型中，得到所需A356铸态合金；

（4）将步骤（3）得到的A356铸态合金进行高压凝固：设定凝固压力2～5 GPa，同时快速加热到750℃～850℃，在该温度下保温保压15～20min，关闭电源停止加热，待冷却到室温后卸压并取出，得到进一步细化的高压凝固A356合金；

（5）将步骤（4）得到的高压凝固A356合金在150~200℃时效2～100h，最终得到具有高强度的A356合金。