CN110408821B - 一种Al-Si-Zn-Mg-Ti合金及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Al‑Si‑Zn‑Mg‑Ti合金及其制造方法，其中Al‑Si‑Zn‑Mg‑Ti合金的合金成分按质量百分比构成为：Si6.50～7.50％，Zn1.50～1.80％，Mg0.45～0.70％，Ti0.15～0.25％，Mn0.3～0.4％，Sc0.02～0.04％，Cr0～0.006％，Ni0～0.02％，余量为Al。本发明铝合金在可以保证具有较高的强度和硬度的同时，又具有较高的抗应力腐蚀开裂的性能，并且通过热处理进行强化，可以达到更高的使用性能，广泛应用于汽车零部件的制造及建筑行业。

Description

一种Al-Si-Zn-Mg-Ti合金及其制造方法
技术领域
本发明属于金属材料及制备技术领域，具体涉及一种Al-Si-Zn-Mg-Ti合金及其制造方法。
背景技术
随着社会的快速发展，汽车行业及建筑行业越来越成为整个工业领域发展的重点，因而，以轻质、高强的铝合金替代传统的钢铁材料成为研究的热门。亚共晶Al-Si系铝合金，由于Si含量较高，其铸造性能及流动性能好；但其热处理强化效果不明显，通常添加一定量的Mg元素使其在时效过程中可以析出Mg2Si强化相，达到可热处理强化的目的，具有较为广泛的应用。但是，由于Si含量较高，在铸造过程中，会产生长片状或者长条状的共晶硅，不均匀的分布在铝基体上，严重割裂铝基体，影响合金的强韧性；通常，在亚共晶Al-Si合金中添加微量的Ti元素，以达到细化晶粒、改善共晶硅形态与分布的目的。但是，对于亚共晶Al-Si合金，如果强化元素只有一定量的Mg元素和微量的Ti元素，其对于共晶硅的形态及分布的改善有限，也不能完全发挥合金元素的强化作用。另外，目前Al-Si-Mg系铝合金大多采用固溶和单级时效的方式进行热处理，不经过在较低温度下的时效孕育期，会导致时效析出相分布不均匀，可能会破坏基体结构，没有完全发挥时效强化相的有益作用，且时效周期过长，造成能源浪费。
发明内容：
本发明是为了避免上述合金成分及时效工艺所存在的不足之处，在传统含有Mg、Ti等元素的Al-Si合金的基础上，提供了一种新型的复合添加Zn、Mn等元素的Al-Si-Zn-Mg-Ti合金及其制造方法，以提升合金的综合性能并达到节约能源的效果。
本发明Al-Si-Zn-Mg-Ti合金，其合金成分按质量百分比构成为：
Si6.50～7.50％，Zn1.50～1.80％，Mg0.45～0.70％，Ti0.15～0.25％，Mn 0.3～0.4％，Sc0.02～0.04％，Cr0～0.006％，Ni0～0.02％，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Al。
本发明Al-Si-Zn-Mg-Ti合金的制造方法，包括如下步骤：
步骤1：制备合金铸锭
1a、按照配比量称取Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Zn中间合金、Al-Mn中间合金以及纯度为99.9％的工业纯铝；
1b、按照九水硅酸钠、氧化锌和水的质量比5：15：80的比例配制涂料，将所得涂料均匀的涂在石墨黏土坩埚、熔炼工具和模具上，并在200-300℃下预热；
1c、熔化：先将Al-Si中间合金加入随炉预热的坩埚底部，随后加入工业纯铝，随炉升温至750℃，待合金全部熔化后静置并保温20-30min；然后向已熔化的合金熔液中依次加入Al-Ti中间合金、Al-Zn中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Mg中间合金，每次加料间隔10-15min，待合金全部熔化后静置并保温10min。
1d、精炼：用扒渣勺将合金熔液表层浮渣快速除去，撇渣后加入C2Cl6(占总质量的1％-1.5％)精炼除气，静置保温10-20min，除渣；
1e、浇注：将1d中的合金熔液升温至730℃，浇注到200-300℃预热的金属模具中，得到铸锭；
步骤2：将步骤1中所得到的合金铸锭进行固溶处理；
步骤3：将步骤2中所得到的合金试样进行双级人工时效处理；
步骤2中，所述固溶处理的工艺参数为：540℃固溶处理300min，随后在70～80℃温水中淬火处理3～5min，间隔时间不超过10s。
步骤3中，所述双级人工时效处理的工艺参数为：在125℃下时效处理120min，随后在160℃时效处理120～200min，空冷。
本发明方法的设计依据是：
铝合金的性能优化通常是通过成分设计和改善热处理工艺来实现的，其中，成分设计是微量添加一些合金元素，从而改善基体形态以及形成强化相来达到强化的目的；而改善热处理工艺是通过不同于传统热处理的工艺对铸态合金进行热处理，使固溶到基体中的合金元素从基体中析出且分布均匀，最大限度的发挥合金元素强化作用，还可以节省热处理时间，从而达到节约能源的目的。本发明中添加1.5～1.8％Zn、0.30～0.40％Mn，一方面可有效细化晶粒，并且在时效后可以析出较多MgZn2等强化相，且MgZn2分布弥散，可以成为该铝合金中的主要强化相，；另一方面，Zn的含量较高，可较大幅度的提高合金的抗应力腐蚀开裂能力；其次，本发明铝合金中Mg的含量为0.45～0.70％，除了形成Mg2Si、MgZn2强化相外，多余的Mg还会产生补充强化的作用，Mg和Zn共同加入到合金中，可以在基体中产生固溶强化的同时，在时效过程中还会与基体产生Al2Zn3Mg3强化相；除此之外，本发明添加0.30～0.40％的Mn元素，可以起到增补强化的作用，且添加Mn后，可降低Mg的含量，从而使得多余的Mg元素能够充分发挥补充强化的作用；另外，Mn还可以使Mg5Al8化合物平均沉淀，改善抗蚀性和焊接性能。最后，对本发明的铸态合金进行双级人工时效处理，首先在125℃时效120min，使合金元素析出、富集得更加充分，获得较高密度的G.P区；随后在160℃时效处理120～200min，使G.P区转化为稳定的Al3Ti、Mg2Si、MgZn2、Al2Zn3Mg3等强化相，并且分布更加弥散、均匀，对合金产生明显的强化作用，因而可较大幅度的提升合金的综合力学性能。针对本发明所述合金，采用该工艺较之传统的单级时效工艺，合金抗拉强度提升8％～12％，延伸率可提升15％，并且可以缩短时效处理时间，减少能源消耗。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明添加Zn、Mn等合金元素的Al-Si-Mg铝合金，其中，Zn的含量为1.5～1.8％，合金在铸造和T6热处理后组织中分布着弥散、均匀的Al3Ti、Mg2Si、MgZn2等强化相，可显著提高合金的强度等力学性能，其抗拉强度可达250～290MPa，明显高于一般Al-Si铸造合金的抗拉强度(一般不高于240MPa)，同时可显著提高抗应力腐蚀性能，可获得强度和抗应力腐蚀开裂等性能较优的铸铝合金。
2、本发明制造方法中为上述合金设计了双级时效工艺，一方面可以较大限度的发挥上述合金中合金元素的强化作用，另一方面，可以缩短时效处理时间，节约时间和能源消耗，降低成本。
具体实施方式
本发明实施例中铝合金按质量百分比的材料成分为：Si6.50～7.50％，Zn1.50～1.80％，Mg0.45～0.70％，Ti0.15～0.25％，Mn 0.30～0.40％％，Sc0.02～0.04％，Cr0～0.006％，Ni0～0.02％，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Al。
本发明实施例铝合金按质量百分比的材料成分举例如下表：
表1 各实施例的合金成分及热处理工艺
Figure BDA0002179082100000031
Figure BDA0002179082100000041
实施例1：
本实施例按如下步骤制备合金试样：
1、制备合金铸锭
(1)配料计算：按照Al91.08％、Si6.5％、Zn1.5％、Mg0.45％、Ti0.15％、Mn0.30％、Sc0.02％的质量百分比称取工业纯铝。Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Zn中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Sc中间合金，完成配料；
(2)按照九水硅酸钠(5％)+氧化锌(15％)+水(余量)的配比配置涂料，将涂料均匀的涂在石墨黏土坩埚、熔炼工具和模具上，并在200-300℃预热；
(3)熔化：先将Al-Si中间合金加入随炉预热350℃的坩埚底部，随后加入工业纯铝，然后随炉升温至750℃，待合金全部熔化后，静置并保温20-30min；然后向已熔化的合金熔液中依次加入Al-Ti中间合金、Al-Zn中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Mg中间合金，每次间隔约10min，待合金全部熔化后，静置并保温10min；
(4)精炼：用扒渣勺将熔液表层浮渣快速除去，撇渣后加入C2Cl6(占总质量的1％-1.5％)精炼除气，静置保温20min，除渣；
(5)浇注：将1d中的合金熔液升温至730℃，浇注到在200℃预热的金属模具中，得到铸锭；
2、将步骤1中所得到的合金铸锭进行固溶处理，固溶处理工艺为:540℃固溶处理300min，随后在80℃温水中淬火处理3min，间隔时间不超过10s。
3、将步骤2中所得到的合金试样进行双级人工时效处理，时效处理工艺为：在125℃下低温时效处理120min，随后在160℃时效处理120min，出炉空冷，得到最终合金试样。
本实施例中，Si的质量百分比为6.50％，可以保证具有相对较高的流动性，铸造性能较好；0.45％Mg可以与1.5％Zn和Si形成少量的MgZn2、Mg2Si等强化相，保证合金具有一定的强度，同时，0.30％的Mn的添加可以降低Mg的使用量，达到补充强化的作用，Mn可与Al形成MnAl6，MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒的长大起阻碍作用，显著细化再结晶晶粒，而且，MnAl6还可以溶解杂质铁元素，减小铁的有害影响；0.15％的Ti和0.02％的Sc可以起到细化晶粒、净化和改善组织的作用，保证合金具有一定的塑韧性。此外，铸态合金试样在540℃固溶处理300min，在125℃时效处理120min，使得各合金元素能够均匀析出，形成密度较大的G.P区，随后在160℃在时效处理120min，部分稳定的强化相在时效过程中形成，可以充分发挥所添加合金元素的强化作用，使得合金的综合性能得到提升。对经过热处理后的合金试样在型号为CMT-5105电子万能实验机上进行拉伸试验，拉伸速率为2mm/min，试验结果取三次独立测量的平均值，所得到的试样的力学性能指标为：抗拉强度为256Mpa、延伸率为6.3％。
实施例2：
本实施例的制备过程参见实施例1，不同之处在于合金成分以及热处理工艺，具体见表1，即得到合金试样。
本实施例中，Si的含量增加至6.8％，其铸造性能可以得到提升。与实施例1相比，Mg、Zn、Ti、Mn的含量均有所提高，合金中强化相的含量也有所提高，合金的力学性能也进一步提高。铸态试样经过540℃固溶处理300min，125℃时效处理120min和160℃时效处理150min后，可以析出较多的MgZn2、Mg2Si等强化相，合金元素的强化效果得到提升。所得到的的热处理后的试样的力学性能指标为：抗拉强度为262MPa，延伸率为6.8％。
实施例3：
本实施例的制备过程参见实施例1，不同之处在于合金成分以及热处理工艺，具体见表1，即得到合金试样。
本实施例中，Si的含量进一步提高至7.0％，Zn的含量较实施例1提高了6.7％，Mg的含量提高11.1％，可与Si形成Mg2Si等强化相，通过固溶和双级人工时效后从基体中析出，分布弥散且均匀，使得合金时效硬化效果提高；并且，较实施例1，Ti的含量提高33.3％，Sc元素的含量提高50％，净化了合金铸态组织，使得合金铸态组织晶粒的到明显细化，保证了合金具有较好的强度和延伸率。铸态合金经过540℃固溶处理300min，125℃时效处理120min和160℃时效处理180min，时效时间增加30min，可充分发挥各强化元素的作用，热处理后合金试样的抗拉强度为275MPa，延伸率为7.3％。
实施例4：
本实施例的制备过程参见实施例1，不同之处在于合金成分以及热处理工艺，具体见表1，即得到合金试样。
本实施例中，Si的含量为7.20％，合金的铸造流动性有所提高，同时，由于Zn、Mg、Ti、Mn等元素含量的提升，晶粒得到明显细化，合金的力学性能也有所提升。铸态合金经过540℃固溶处理300min，125℃时效处理120min和160℃时效处理200min，时效时间较实施例3继续增加20min，各强化相的析出更加充分，但总的热处理时间较长，其抗拉强度为283MPa，延伸率为7.8％。
实施例5：
本实施例的制备过程参见实施例1，不同之处在于合金成分以及热处理工艺，具体见表1，即得到合金试样。
本实施例中，Si的含量提高至7.5％，合金经固溶处理后，组织中的共晶组织含量较高。Zn、Mg、Ti、Mn含量有所增加，则晶粒细化程度进一步提高，且Zn、Mg等元素所形成的MgZn2等强化相的分布更加弥散、均匀，合金的强度和延伸率明显增加；此外，Sc元素的含量较实施例4提高了33.3％，可明显细化合金组织。铸态合金经过540℃固溶处理300min，125℃时效处理120min和160℃时效处理180min，强化相充分析出，充分发挥合金元素的作用，其抗拉强度可达到295MPa，延伸率为8.9％。
实施例6：
本实施例的制备过程参见实施例1，不同之处在于合金成分以及热处理工艺，具体见表1，即得到合金试样。
实施例6中，较之实施例5，Si、Ti、Mn，Sc等元素含量并未提高，只提高了Zn、Mg元素的含量，合金的抗应力腐蚀性能进一步提高，对合金强化效果有所提升，但效果并不明显。铸态合金经过540℃固溶处理300min，125℃时效处理120min和160℃时效处理200min，合金元素的析出完全，但总的热处理时间较长，其抗拉强度为292MPa，延伸率为9.1％。

Claims (5)

1.一种Al-Si-Zn-Mg-Ti合金，其特征在于其合金成分按质量百分比构成为：
Si6.50~7.50%，Zn1.50~1.80%，Mg0.45~0.70%，Ti0.15~0.25%，Mn 0.3~0.4%，Sc0.02~0.04%，Cr0~0.006%，Ni0~0.02%，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的Al-Si-Zn-Mg-Ti合金，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%。
3.一种权利要求1或2所述的Al-Si-Zn-Mg-Ti合金的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：制备合金铸锭
1a、按照配比量称取Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Zn中间合金、Al-Mn中间合金以及纯度为99.9%的工业纯铝；
1b、按照九水硅酸钠、氧化锌和水的质量比5：15：80的比例配制涂料，将所得涂料均匀的涂在石墨黏土坩埚、熔炼工具和模具上，并在200-300℃下预热；
1c、熔化：先将Al-Si中间合金加入随炉预热的坩埚底部，随后加入工业纯铝，随炉升温至750℃，待合金全部熔化后静置并保温20-30min；然后向已熔化的合金熔液中依次加入Al-Ti中间合金、Al-Zn中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Mg中间合金，每次加料间隔10-15min，待合金全部熔化后静置并保温10min；
1d、精炼：用扒渣勺将合金熔液表层浮渣快速除去，撇渣后加入C2Cl6精炼除气，静置保温10-20min，除渣；
1e、浇注：将1d中的合金熔液升温至730℃，浇注到200-300℃预热的金属模具中，得到铸锭；
步骤2：将步骤1中所得到的合金铸锭进行固溶处理；
步骤3：将步骤2中所得到的合金试样进行双级人工时效处理。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于：
步骤2中，所述固溶处理的工艺参数为：540℃固溶处理300min，随后在70~80℃温水中淬火处理3~5min，间隔时间不超过10s。
5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于：
步骤3中，所述双级人工时效处理的工艺参数为：在125℃下时效处理120min，随后在160℃时效处理120~200min，空冷。
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