CN110373581B - 一种多性能铝合金及其快速热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多性能铝合金及其快速热处理工艺，其中多性能铝合金的成分按质量百分比构成如下：Si 6～8％，Mg 0.3～0.4％，Ti 0.1～0.2％，Cr 1～3％，B 1～3％，Sr0.011～0.013％，本发明多性能铝合金合金经过快速热处理后，不仅在强度、硬度、延伸率等方面均达到现有A356成品铝合金性能，且所生成的CrB2硬质颗粒广泛分布在铝基体中让合金增添了良好的耐磨属性，使得合金具备了潜在的更广泛用途。此外，所使用热处理技术则比现行国内外通用的A356合金热处理工艺时间大幅度缩短了8小时以上，具有可观的经济意义。
Description
技术领域
本发明属于有色金属铝基合金技术领域，具体涉及一种多性能铝合金及其快速热处理工艺。
背景技术
铝合金是有色金属领域应用最为广泛的材料，多种多样牌号的铝合金应用于各个行业，A356铝合金便是其中之一。但目前国内外针对该合金的热处理工艺通常是固溶8小时以上，时效6小时以上。时间过长大大增加了企业的生产成本。一些企业为了提升效率减少了热处理的时间，但经常导致产品性能无法达标而回炉重造，有些企业甚至仅仅选取部分合格品作为实验样品，将合格率低的产品也投入市场，这不但造成了成本二次增加，而且投入市场的产品稳定性无法预测，随时可能造成更大的危害。此外A356铝合金质软，非常不耐磨，阻碍了该类合金产生更多可能的用途。
发明内容
本发明是针对A356合金现有热处理工艺时间过长、质软的问题，提供了一种多性能铝合金及其快速热处理工艺。本发明多性能铝合金经过快速热处理后，不仅在强度、硬度、延伸率等方面均达标，而且增添了耐磨属性，使得合金具备了潜在的更广泛用途。本发明所使用的热处理工艺比现行国内外通用的A356合金热处理工艺时间大幅度缩短了8小时以上，具有可观的经济意义。
本发明多性能铝合金，其成分按质量百分比构成如下：
Si 6～8％，Mg 0.3～0.4％，Ti 0.1～0.2％，Cr 1～3％，B 1～3％，Sr0.011～0.013％，除标明的元素成分外，其余金属及非金属杂质元素的总含量不超过0.3％，余量为铝。
本发明多性能铝合金的快速热处理工艺，包括如下步骤：
首先按配比量称取各原料，依次经熔炼、精炼、浇铸成型以及快速热处理后获得多性能铝合金。
所述熔炼的温度为720～750℃。
所述精炼的温度为720℃。
所述浇铸成型的浇铸温度为730℃，浇铸前铸型在250～300℃之间预热。
所述快速热处理是首先于535～545℃下保温60min，然后置于60～80℃温水中淬火，随后于100～120℃保温30min，再于180～200℃环境中保温30min，出炉空冷，即完成。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明合金是基于A356合金成分，加入适量Sr、Ti以及等比例加入1～3％的Cr、B合金元素，通过熔炼、精炼、浇铸成型及热处理后，由于在铝合金基体内生成了弥散分布的硬质颗粒相CrB2，使合金除了具有A356合金的特性外，还具备了良好的耐磨属性，耐磨性大幅提高了一倍以上。硬度为HBW 90～115，抗拉强度为280～330Mpa，屈服强度220～260Mpa，延伸率为7％～12％，在加载压力300N磨损时间3小时下磨损量为20～30mg。
2、本发明在此合金基础上设计了快速热处理技术，通过本发明设计的快速热处理技术使得该合金不但达到了A356成品的各项性能指标，且本发明热处理固溶工序时间及人工时效时间均在1小时之内，所设计之快速热处理大幅度缩短了现有A356合金国内外通用热处理工艺的时间，减少的时间在8小时以上，可以显著提高经济效益。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步描述：
本实施例所提供的合金成分(合金成分均为质量百分比，％)为：Si 6～8％，Mg0.3～0.4％，Ti 0.1～0.2％，Cr 1～3％，B 1～3％，Sr0.011～0.013％，余量为铝。
本实施例所提供的快速热处理工艺为：首先于535～545℃下保温60min，然后置于60～80℃温水中淬火，随后于100～120℃保温30min，再于180～200℃环境中保温30min，出炉空冷，即完成。
本实施例新型多性能铝合金按重量百分比的材料成分举例如下表：
| 组 | Si | Mg | Ti | Sr | Cr | B | Al |
| 1 | 6 | 0.3 | 0.1 | 0.011 | 1 | 1 | 余量 |
| 2 | 7 | 0.35 | 0.1 | 0.011 | 2 | 2 | 余量 |
| 3 | 7 | 0.35 | 0.15 | 0.012 | 2 | 2 | 余量 |
| 4 | 8 | 0.4 | 0.15 | 0.012 | 3 | 3 | 余量 |
| 5 | 8 | 0.4 | 0.2 | 0.013 | 3 | 3 | 余量 |
上表中的第一组，含Si量为6％，保证了铝合金的流动性，使合金具有可铸性，同时与Mg元素形成弥散分布的Mg2Si强化相，可大幅提升合金的性能。Mg元素能提高铝合金的耐蚀性，此外Mg对铝的强化作用较为明显，但加入过高含量的Mg会使合金变脆，因此需控制在一定含量以内。加入的Ti和Sr的作用是细化铝合金晶粒以及改善共晶Si的形貌，可以提升铝合金的性能，减少铝合金的缺陷，促进延伸率的提高。Cr和B的加入，一方面Cr可以减轻铝合金中杂质Fe相的危害，减弱针状Fe相对铝合金基体的割裂作用，B能与Ti元素配合在铝合金中生成TiB2和Al3Ti，这种双相颗粒可以显著提升细化铝合金晶粒的效力。另一方面，Cr和B生成的CrB2硬质颗粒广泛分布于铝合金基体中，使合金的耐磨性显著增加，弥补了A356合金不耐磨的缺陷。
上表中的第二组，较之第一组，Si含量增加1％，Mg含量增加0.05％，可提升合金的抗拉强度及耐蚀性，Cr、B元素各增加1％可显著增加铝合金的耐磨性。
上表中的第三组，较之第二组，Si、Mg、Cr、B量不变，增加了Ti和Sr的含量，可提高合金晶粒的细化效果和共晶Si的变性效果。
上表中的第四组，较之第三组，Si、Mg、Cr、B量增加，可进一步提升铝合金的强度、耐蚀性、耐磨性，但会阻碍晶粒的细化效果。
上表中的第五组，Ti、Sr增加有利于抵消Cr、B含量增加对合金细化的影响，增加强硬度和铝合金的延伸率，但Sr的加入量不能更高，否则对晶粒细化产生毒害作用。
实施例1：
本实施例按如下步骤制备合金：
步骤1：制备合金铸锭
(1)配料：按照Si 6％，Mg 0.3％，Ti 0.1％，Sr 0.011％，Cr 1％，B1％质量百分比称取纯Al，Al-Si中间合金及其他元素的中间合金。
(2)熔化：先将Al-Si中间合金、纯铝加入到预热至300℃的坩埚中，随炉升温到750℃，熔化后保温20min；将中间合金用铝箔包住加入熔体中，熔化后保温10min，全部熔化后搅拌，静置保温10min。
(3)精炼：把温度调至720℃，用扒渣勺将熔液表层的浮渣快速地撇去，撇渣后采用钟罩将精炼剂(C2Cl6，占总量的0.6％)置于熔体底部，精炼除气，静置保温10～20min，除渣。由于精炼后熔体表层浮渣更多，需要快速彻底地一次性将浮渣用扒渣勺撇尽。
(4)浇注：待合金熔液升温到730℃时，采用金属型模具进行浇注。
步骤2：快速热处理
(1)将步骤1所浇注的合金先进行固溶处理，固溶处理工艺为：535℃保温60min，出炉淬火(水淬，60℃温水)，出炉至水中时间控制在15s内，水中冷却时间为3～5min。
(2)将步骤2所得固溶后的合金进行人工时效处理，时效处理工艺为：100℃时效保温30min，紧接着在180℃时效保温30min，出炉空冷，得到最终产品。
本实施例所得产品硬度值约95HBW，抗拉强度值约290MPa，屈服强度230MPa，延伸率9％，在加载压力300N磨损时间3小时下磨损量约为30mg。
实施例2：
本实施例按如下步骤制备合金：
步骤1：制备合金铸锭
(1)配料：按照Si 7％，Mg 0.35％，Ti 0.1％，Sr 0.011％，Cr 2％，B 2％质量百分比称取纯Al，Al-Si中间合金及其他元素的中间合金。
(2)熔化：先将Al-Si中间合金、纯铝加入到预热至300℃的坩埚中，随炉升温到750℃，熔化后保温20min；将中间合金用铝箔包住加入熔体中，熔化后保温10min，全部熔化后搅拌，静置保温10min。
(3)精炼：把温度调至720℃，用扒渣勺将熔液表层的浮渣快速地撇去，撇渣后采用钟罩将精炼剂(C2Cl6，占总量的0.6％)置于熔体底部，精炼除气，静置保温10～20min，除渣。由于精炼后熔体表层浮渣更多，需要快速彻底地一次性将浮渣用扒渣勺撇尽。
(4)浇注：待合金熔液升温到730℃时，采用金属型模具进行浇注。
步骤2：快速热处理
(1)将步骤1所浇注的合金先进行固溶处理，固溶处理工艺为：540℃保温60min，出炉淬火(水淬，70℃温水)，出炉至水中时间控制在15s内，水中冷却时间约3～5min。
(2)将步骤2所得固溶后的合金进行人工时效处理，时效处理工艺为：110℃时效保温30min，紧接着在190℃时效保温30min，出炉空冷，得到最终产品。
本实施例所得产品硬度值约105HBW，抗拉强度值约310MPa，屈服强度220MPa，延伸率8％，在加载压力300N磨损时间3小时下磨损量为25mg。
实施例3：
本实施例按如下步骤制备合金：
步骤1：制备合金铸锭
(1)配料：按照Si 7％，Mg 0.35％，Ti 0.15％，Sr 0.012％，Cr 2％，B 2％质量百分比称取纯Al，Al-Si中间合金及其他元素的中间合金。
(2)熔化：先将Al-Si中间合金、纯铝加入到预热至300℃的坩埚中，随炉升温到750℃，熔化后保温20min；将中间合金用铝箔包住加入熔体中，熔化后保温10min。全部熔化后搅拌，静置保温10min。
(3)精炼：把温度调至720℃，用扒渣勺将熔液表层的浮渣快速地撇去，撇渣后采用钟罩将精炼剂(C2Cl6，占总量的0.6％)置于熔体底部，精炼除气。静置保温10～20min，除渣。由于精炼后熔体表层浮渣更多，需要快速彻底地一次性将浮渣用扒渣勺撇尽。
(4)浇注：待合金熔液升温到730℃时，采用金属型模具进行浇注。
步骤2：快速热处理
(1)将步骤1所浇注的合金先进行固溶处理，固溶处理工艺为：545℃保温60min，出炉淬火(水淬，80℃温水)，出炉至水中时间控制在15s内，水中冷却时间约3～5min。
(2)步骤3：将步骤2所得固溶后的合金进行人工时效处理，时效处理工艺为：120℃时效保温30min，紧接着在200℃时效保温30min，出炉空冷，得到最终产品。
本实施例所得产品硬度值约110HBW，抗拉强度值约320MPa，屈服强度240MPa，延伸率10％，在加载压力300N磨损时间3小时下磨损量为20～25mg。
Claims (2)
1.一种多性能铝合金的快速热处理工艺，其特征在于包括如下步骤：
首先按配比量称取各原料，依次经熔炼、精炼、浇铸成型以及快速热处理后获得多性能铝合金；所述熔炼的温度为720~750℃；所述精炼的温度为720℃；所述浇铸成型的浇铸温度为730℃，浇铸前铸型在250~300℃之间预热；
所述快速热处理是首先于535~545℃下保温60min，然后置于60~80℃温水中淬火，随后于100~120℃保温30min，再于180~200℃环境中保温30min，出炉空冷，即完成；
所述多性能铝合金的成分按质量百分比构成如下：
Si 6~8%，Mg 0.3~0.4%，Ti 0.1~0.2%，Cr 1~3%，B 1~3%，Sr0.011~0.013%，余量为铝。
2.根据权利要求1所述的快速热处理工艺，其特征在于：
其余金属及非金属杂质元素的总含量不超过0.3%。
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