CN110592440A - 高性能高稳定性Al-Si-Cu系铸造铝合金构件短流程制备方法 - Google Patents

高性能高稳定性Al-Si-Cu系铸造铝合金构件短流程制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高性能高稳定性Al‑Si‑Cu系铸造铝合金构件短流程制备方法，其特征在于依次包括：（1）熔铸预成型；（2）固态锻压终成型；（3）强韧化热处理（固溶处理、淬火、时效处理）。本发明以亚共晶Al‑Si‑Cu为基础，通过Sr、Zr、Ti复合微合金化细化化合物相尺寸，确保熔铸预成型的Al‑Si‑Cu系铸造铝合金具有良好的流动性，对熔铸预成型的Al‑Si‑Cu系铸造铝合金进行固态锻造终成型，使得亚晶界均匀强化，合金出现锻造流线，脆性化合物相被打碎，塑性化合物相沿主要伸长方向分布更加均匀，组织更加致密，分布均匀，断口样貌韧窝数量多而密集，构件塑性大幅提升。

Description

高性能高稳定性Al-Si-Cu系铸造铝合金构件短流程制备方法
技术领域
本发明涉及Al-Si-Cu系铸造铝合金构件的制备方法，尤其是一种高性能高稳定性Al-Si-Cu系铸造铝合金构件短流程制备方法，具体地说是一种经过固态锻造省略常规Al-Si-Cu系铸造铝合金退火过程，可大幅提高生产效率的短流程制备方法。
背景技术
Al-Si-Cu系铸造铝合金具有极好的流动性，具有非常好的铸造性能以及耐腐蚀性，不需要庞大的附加设备就可制成形状复杂的零件，具有节约金属、降低成本、减少工时等优点。因此被广泛应用于工业制造的各个领域，如：汽车、航空航天等领域。但其综合力学性能较差，主要体现在抗拉强度与塑性不高。随着汽车数量的快速增长、汽车性能的不断提升以及能源资源问题的日益凸显，汽车工业对产品轻量化和高强化的要求越来越严格，提高铸造铝合金的力学性能就成为当今社会迫切需要解决的问题。
锻造可以成型力学性能较好且组织致密度高的零件拥有较高的塑性，但其成型工艺流程比较复杂，生产成本较高，生产周期也相对较长，但常规的铸态铝合金由于Si相粗大导致塑性较差，因此难以进行锻造加工。
Sr元素能显著影响合金中初生相尺寸、共晶硅相形貌及合金力学性能，可用于铝合金变质。而Zr加入到铝合金中，可形成A13Zr等高熔点物相，不仅细化合金铸态基体组织，而且促进细小等轴晶形成，提高液态合金的流动性和元素分布均匀性。Ti也是铝合金常用添加的微量元素，为铝合金最常用的细化剂之一。
发明内容
本发明的目的是克服现有铸造铝合金构件性能不稳定与生产周期过长的问题，提供一种高性能高稳定性Al-Si-Cu系铸造铝合金构件短流程制备方法。
本发明的技术方案是：
一种高性能高稳定性的Al-Si-Cu系铸造铝合金构件短流程制备方法，其特征是依次包括：（1）熔铸预成型；（2）固态锻造终成型；（3）强韧化热处理。
所述的熔铸预成型：其过程为先把纯Al、Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金熔化后升温至850±10℃，然后依次加入Al-Sr中间合金、Al-Zr中间合金和Al-Ti-B中间合金，待所有中间合金和金属熔化后，保持850±10℃的温度，保温1.5h后，调节温度至750±10℃，加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出，静置保温10～15 min后除渣，再次加入六氯乙烷精炼除气，静置保温10~15min除渣后浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭，得到铸造铝合金构件；
所述的固态锻造终成型：将熔铸预成型的Al-Si-Cu系铸造铝合金构件在450±10℃下进行固态锻造，其变形量为40～60%；
所述的强韧化热处理依次包括固溶处理、淬火、时效处理：固溶处理为480±10℃×2h+ 490±10℃×2h，固溶处理后进行60±5℃温水淬火，淬火后再进行190±2℃×12h的时效处理，即得到高性能高稳定性的Al-Si-Cu系铸造铝合金构件。
所述的Al-Si中间合金中Si的质量百分比为16%，Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12%，Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89%，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.12%，Al-Ti-B合金中Ti的质量百分比为5.11%。
所述的高性能高稳定性的Al-Si-Cu系铸造铝合金构件主要由铝（Al）、硅（Si）、铜（Cu）、锶（Sr）、锆（Zr）和钛（Ti）组成；其中硅（Si）的质量百分比为10.84%~10.92%，铜（Cu）的质量百分比为3.21%~3.30%，锶（Sr）的质量百分比为0.55~0.60%，锆（Zr）的质量百分比为0.27%，钛（Ti）的质量百分比为0.10%-0.15%，余量为铝和少量杂质元素，各组份之和为100%。
本发明在Al-Si-Cu系铸造铝合金中添加Sr、Zr、Ti等元素复合微合金化，利用Sr元素的变质作用，以及Zr、Ti复合微合金化形成Al3(Zrx, Ti1-x)复合相，对Al-Si-Cu系铸造铝合金的起到了极好的细化作用，使得本发明Al-Si-Cu系铸造铝合金可进行固态锻造，结合铸造、锻造的优点于一身，具有液态锻造和固态锻造所不具备的特点，在保持其铸造性能的同时获得良好的力学性能和高稳定性。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明熔铸预成型的Al-Si-Cu系铸造铝合金具有优良铸造性能，又以亚共晶Al-Si-Cu为基础，通过Sr、Zr、Ti复合微合金化细化合金组织，确保熔铸预成型的Al-Si-Cu系铸造铝合金具有良好的流动性，为接下来的固态锻造终成型提供保障。
（2）本发明通过对熔铸预成型的Al-Si-Cu系铸造铝合金进行固态锻造塑性变形加工，使得亚晶界均匀强化，合金出现锻造流线，脆性化合物相被打碎，塑性化合物相沿主要伸长方向分布更加均匀，组织更加致密。
（3）本发明所述采用固态锻造加工的短流程工艺所制备的Al-Si-Cu系铸造铝合金具有液态锻造和半固态锻造加工所不具备的良好的铸造性能与力学性能，性能和稳定性大幅提高，且性能指标易重复。
（4）本发明拉伸断口呈典型韧窝状，断口样貌韧窝数量多并且小而密集，撕裂棱明显，其塑性、综合力学性能较常规Al-Si-Cu系铸造铝合金大幅提升。
（5）本发明所制备的Al-Si-Cu系铸造铝合金，其强度可达353.15MPa，断裂延伸率可达11.25%（以实施例一为例）。相比于进行常规均质化退火热处理的Al-Si-Cu系铸造铝合金374.85MPa的强度以及10.5%的断裂延伸率（以对比例一为例），抗拉强度和断裂延伸率基本持平。故本发明所述的高性能高稳定性Al-Si-Cu系铸造铝合金制备流程可省略常规铸造铝合金长时间均质化退火工艺的步骤，大幅提高生产效率，节约能源降低成本。
附图说明
图1 是本发明实施例一经短流程制备的高性能高稳定性的Al-Si-Cu系铸造铝合金的金相组织扫描电子显微镜照片。
图2 是本发明实施例一经短流程制备的高性能高稳定性的Al-Si-Cu系铸造铝合金的拉伸试样断口扫描电子显微镜照片。
图3是本发明实施例二经短流程制备的高性能高稳定性的Al-Si-Cu系铸造铝合金的金相组织扫描电子显微镜照片。
图4是本发明实施例二经短流程制备的高性能高稳定性的Al-Si-Cu系铸造铝合金的拉伸试样断口扫描电子显微镜照片。
图5是对比例一经过常规250±10℃×6h + 350±10℃×6h + 450±10℃×6h +480±10℃×6h均质化退火工艺的高性能Al-Si-Cu系铸造铝合金的金相组织扫描电子显微镜照片。
图6是对比例一经过常规250±10℃×6h + 350±10℃×6h + 450±10℃×6h +480±10℃×6h均质化退火工艺的高性能Al-Si-Cu系铸造铝合金的拉伸试样断口扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
下面结合实施例和对比例以及附图对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1、2所示。
一种高性能高稳定性Al-Si-Cu系铸造铝合金构件，其短流程制备方法为：
先将A00等级纯Al，Al-Si中间合金(16% Si)和Al-Cu合金(50.12% Cu)放入坩埚（本发明所有组份均采用质量百分比表示，本领域技术人员可通过常规算法将其换算成重量或质量，下同，凡组份相加不足100%的部分均为杂质）。待所有合金熔化后升温至850±10℃，然后依次加入Al-Sr中间合金(9.89% Sr)、Al-Zr中间合金(4.12% Zr )以及Al-Ti-B中间合金(5.11% Ti)。待所有中间合金和金属熔化后，在850±10℃温度下保温1.5h后，在温度为750±10℃时加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出，静置保温10～15 min后去渣，再次加入六氯乙烷精炼除气去渣并浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭，对熔铸预成型的合金在450±10℃下进行变形量为40-60%（最佳为50%）的固态锻造终成型，再进行强韧化热处理（480±10℃×2h + 490±10℃×2h的固溶处理后，60±5℃温水淬火，最后进行190±2℃×12h的时效处理）。即获得一种通过短流程方法制备的高性能高稳定性Al-Si-Cu系铸造铝合金。
本实施例的铝合金经EDS实际测量成分（以质量百分比记）为：10.92%Si，3.21%Cu，0.60%Sr，0.27%Zr和0.15%Ti，余量为铝和杂质元素。
本实施例通过短流程方法制备的高性能高稳定性Al-Si-Cu系铸造铝合金的实测抗拉强度为353.61MPa，断裂延伸率为11.25%，硬度为137.43HV。金相组织非常致密，脆性化合物相被打碎，分布沿主要伸长方向分布更加均匀（如图1所示）。拉伸断口形貌呈典型塑性断裂，撕裂棱明显，韧窝多而密（如图2所示）。
实施例二。
如图3，4所示。
一种高性能高稳定性Al-Si-Cu系铸造铝合金构件，其短流程制备方法为：
先将A00等级纯Al，Al-Si中间合金(16% Si)和Al-Cu合金(50.12% Cu)放入坩埚（本发明所有组份均采用质量百分比表示，本领域技术人员可通过常规算法将其换算成重量或质量，下同，凡组份相加不足100%的部分均为杂质）。待所有合金熔化后升温至850±10℃，然后依次加入Al-Sr中间合金(9.89% Sr)、Al-Zr中间合金(4.12% Zr )以及Al-Ti-B中间合金(5.11% Ti)。待所有中间合金和金属熔化后，在850±10℃温度下保温1.5h后，在温度为750±10℃时加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出，静置保温10～15 min后去渣，再次加入六氯乙烷精炼除气去渣并浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭，对熔铸预成型的合金在450℃下进行变形量为50%的固态锻造终成型，再进行强韧化热处理（480±10℃×2h + 490±10℃×2h的固溶处理后，60℃温水淬火，最后进行190±2℃×12h的时效处理）。即获得一种通过短流程方法制备的高性能高稳定性Al-Si-Cu系铸造铝合金。
本实施例的铝合金经EDS实际测量成分（以质量百分比记）为：10.84%Si，3.30%Cu，0.55%Sr，0.27%Zr和0.10%Ti，余量为铝和杂质元素。
本实施例通过短流程方法制备的高性能高稳定性Al-Si-Cu系铸造铝合金的实测抗拉强度为354.15MPa，断裂延伸率为10.25%，硬度为135.4HV。金相组织非常致密，脆性化合物相被打碎，分布沿主要伸长方向分布更加均匀（如图3所示）。拉伸断口形貌呈典型塑性断裂，撕裂棱明显，韧窝多而密（如图4所示）。
对比例一。
如图5，6所示。
一种经过均质化退火工艺的高性能Al-Si-Cu系铸造铝合金构件，其制备方法为：
先将A00等级纯Al，Al-Si中间合金(16% Si)和Al-Cu合金(50.12% Cu)放入坩埚（本发明所有组份均采用质量百分比表示，本领域技术人员可通过常规算法将其换算成重量或质量，下同，凡组份相加不足100%的部分均为杂质）。待所有合金熔化后升温至850±10℃，然后依次加入Al-Sr中间合金(9.89% Sr)、Al-Zr中间合金(4.12% Zr )以及Al-Ti-B中间合金(5.11% Ti)。待所有中间合金和金属熔化后，在850±10℃温度下保温1.5h后，在温度为750±10℃时加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出，静置保温10～15 min后去渣，再次加入六氯乙烷精炼除气去渣并浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭，对熔铸成锭的合金进行250±10℃×6h + 350±10℃×6h + 450±10℃×6h + 480±10℃×6h均质化退火后随炉冷却，再进行480±10℃×1h + 490±10℃×1h+500±10℃×1h的固溶处理后，60±5℃温水淬火，最后进行190±2℃×12h的时效处理。即获得一种进行常规热处理工艺的高性能Al-Si-Cu系铸造铝合金。
本对比例的铝合金经EDS实际测量成分（以质量百分比记）为：6.26%Si，3.59%Cu，0.52%Sr，0.51%Zr和0.17%Ti，余量为铝和杂质元素。
本对比例经过常规均质化退火工艺的高性能Al-Si-Cu系铸造铝合金的实测抗拉强度为374.85MPa，断裂延伸率为10.5%，硬度为133.03HV。金相组织较均匀致密（如图5所示），拉伸断口形貌亦呈典型塑性断裂，撕裂棱亦明显，如图6所示。
以上仅列出了几个常见配比的铝合金的配比及制造方法，本领域的技术人员可以根据上述实例适当地调整各组份的配比并严格按上述步骤进行制造即可获得短流程方法制备的高性能高稳定性Al-Si-Cu系铸造铝合金。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种高性能高稳定性的Al-Si-Cu系铸造铝合金构件短流程制备方法，其特征是依次包括：（1）熔铸预成型；（2）固态锻造终成型；（3）强韧化热处理。
所述的熔铸预成型：其过程为先把纯Al、Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金熔化后升温至850±10℃，然后依次加入Al-Sr中间合金、Al-Zr中间合金和Al-Ti-B中间合金，待所有中间合金和金属熔化后，保持850±10℃的温度，保温1.5h后，调节温度至750±10℃，加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出，静置保温10～15 min后除渣，再次加入六氯乙烷精炼除气，静置保温10~15min除渣后浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭，得到铸造铝合金构件；
所述的固态锻造终成型：将熔铸预成型的Al-Si-Cu系铸造铝合金构件在450±10℃下进行固态锻造，其变形量为40～60%；
所述的强韧化热处理依次包括固溶处理、淬火、时效处理：固溶处理为480±10℃×2h+ 490±10℃×2h，固溶处理后进行60±5℃温水淬火，淬火后再进行190±2℃×12h的时效处理，即得到高性能高稳定性的Al-Si-Cu系铸造铝合金构件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的Al-Si中间合金中Si的质量百分比为16%，Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12%，Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89%，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.12%，Al-Ti-B合金中Ti的质量百分比为5.11%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的高性能高稳定性的Al-Si-Cu系铸造铝合金构件主要由铝（Al）、硅（Si）、铜（Cu）、锶（Sr）、锆（Zr）和钛（Ti）组成；其中硅（Si）的质量百分比为10.84%~10.92%，铜（Cu）的质量百分比为3.21%~3.30%，锶（Sr）的质量百分比为0.55~0.60%，锆（Zr）的质量百分比为0.27%，钛（Ti）的质量百分比为0.10%-0.15%，余量为铝和少量杂质元素，各组份之和为100%。
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