CN110592503A - 一种Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金的强韧化热处理工艺方法 - Google Patents

一种Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金的强韧化热处理工艺方法 Download PDF

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Abstract

一种Al‑6Si‑3.5Cu型铸造铝合金的强韧化热处理工艺方法，其特征是它包括：（1）对浇注成锭的Al‑6Si‑3.5Cu型铸造铝合金进行均质化退火后随炉降温；（2）将均质化退火后的Al‑6Si‑3.5Cu型铸造铝合金放入炉中进行强韧化固溶处理，然后进行温水水淬；（3）将固溶淬火后的合金在的温度下保温，最后取出空冷。本发明通过对铝合金进行强韧化热处理后，可以获得更高强度和塑性的Al‑6Si‑3.5Cu型铸造铝合金，较好地解决了现有的Al‑Si‑Cu系铝合金存在的强度、韧性较差的问题。

Description

一种Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金的强韧化热处理工艺方法
技术领域
本发明涉及一种Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金热处理技术，尤其是一种提高Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金强韧性的热处理工艺方法，具体地说是一种综合利用固溶处理和时效处理使得Si相充分细化来提高Al-6Si-3.5Cu系铸造铝合金强韧性的热处理方法。
背景技术
Al-Si-Cu系铸造铝合金是当前在工业中应用最多的铸造铝合金材料，这类合金的编号有：如国内的YL102（AlSi12）、YL112（AlSi8.5Cu3.5）、YL113（AlSi811Cu3），日本的ADC12（AlSi11Cu3）、ADC10（AlSi8.5Cu3.5）以及美国的A380（AlSi8.5Cu3.5）等，这些合金具有优良的铸造性能、较高的强度和良好的抗腐蚀性能，但是其塑性、韧性相对较低，限制了其应用。
Al-Si-Cu系铸造铝合金的力学性能与其组织中第二相——硅相的形态、尺寸、分布紧密相关，细化Si相是降低其对基体Al的割裂是提高Al-Si-Cu系铸造铝合金性能的有效途径。锶（Sr）元素是铝合金中的一种很有效的长效变质剂，不仅可以有效细化Al-Si-Cu系铸造铝合金中的Si相，而且可以有效细化合金中的FeSiAl5等化合物相。锆（Zr）元素是一种与Al亲和力强的3d过渡族元素，加入到铝合金中，在合金凝固过程中锆（Zr）元素与Al形成A13Zr（熔点1580℃）等高熔点物相，对合金的后续凝固起到非均质形核作用，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。
而针对Al-6Si-3.5Cu型铝合金，热处理可以进一步优化铝合金组织，通过调控固溶和时效处理工艺提高合金元素的固溶程度和时效强化相，进而提高合金的强度、韧性等性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金的强韧化热处理工艺方法。
本发明的技术方案是：
一种Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金的强韧化热处理工艺方法，其特征在于对溶铸得到的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金铸锭进行强韧化处理，所述的强韧化处理包括：（1）均质化退火；（2）固溶处理；（3）时效处理；
所述的均质化退火是指其退火制度为250±10℃ × 6h + 350±10℃ × 6h + 450±10℃ × 6h + 480±10℃ × 6h；
所述的固溶处理是指其固溶处理制度为：480±10℃×1h+490±10℃×1h+500±10℃×1h保温3h后水淬的三级固溶处理或480±10℃×1h + 490±10℃×1h + 500±10℃×1h+ 510±10℃× 1h保温4h后水淬的四级固溶处理；
所述的时效处理是指将经过固溶处理的铝合金进行190±2℃×12h保温后空冷的时效处理；
所得到的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金的成分为Al-6Si-3.5Cu-0.1Sr-0.2Zr-(0.16Ti-0.1Ce)。
所述的溶铸包括：
（1）首先，将纯Al、Al-Si-Cu锭和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中间合金以及Al-Ti-B中间合金和Al-Ce中间合金；
（2）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，即获得未经过强韧化热处理的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金铸锭。
本发明的有益效果：
（1）本发明强韧化热处理所制备的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金，其强度可达338.49MPa~357.71MPa，断裂延伸率可达6.5%~8.5%（以实施例一到四为例）。相比于进行常规热处理的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金227.89MPa~300.45MPa的强度以及3.5%~4%的断裂延伸率（以对比例一到四为例），强度与塑性均大幅提高。强度和断裂延伸率分别提高了26.99%和1.1倍（以实施例一和对比例一相比）。
（2）本发明所述方法工艺简单、对设备要求低、容易实现，具有很好的工程价值和应用前景。
附图说明
图1 是本发明实施例一经强韧化热处理Al-6Si-3.5Cu型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强韧化热处理Al-6Si-3.5Cu型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强韧化热处理Al-6Si-3.5Cu型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强韧化热处理Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金的拉伸试样断口扫描电子显微镜照片。
图5 是本发明对比例一未经充分固溶热处理Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金的金相组织扫描电子显微镜照片。
图6 是本发明对比例一未经充分固溶热处理Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金的拉伸试样断口扫描电子显微镜照片。
图7 是本发明对比例二经480℃~520℃固溶热处理的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金的金相组织扫描电子显微镜照片。
图8 是本发明对比例二经480℃~520℃固溶热处理Al-6Si-3.5Cu型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
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1，2所示。
一种Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金，其强韧化热处理工艺方法为：
将实测质量分数为Al-6.26Si-3.59Cu-0.083Sr -0.186Zr-0.17Ti-0.09Ce的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金进行切割取样后，对合金进行先进行250±10℃×6h + 350±10℃×6h+ 450±10℃× 6h + 480±10℃×6h的均质化退火，然后再进行480±10℃×1h+490±10℃×1h+500±10℃×1h的三级强韧化固溶处理，保温3h后进行60±5℃温水水淬, 之后将固溶试样进行190±2℃时效处理，保温12h 后取出后空冷。对其硬度，室温抗拉强度，断裂延伸率进行测量。
实验结果如下（表1）：
硬度（HV） 122.3
强度（MPa） 345.16
断裂延伸率（%） 8.5
实验结果表明，本实施例经强韧化热处理的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金组织致密，拉伸强度为345.16 MPa，断后延伸率为8.5％，拉伸试样断口呈韧窝特征的典型韧性断裂，韧窝小而密，硬度为122.3HV。
实施例二
如图3，4所示。
一种Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金，其强韧化热处理方法为：
将实测质量分数为Al-6.1Si-3.69Cu-0.086Sr -0.191Zr的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金进行切割取样后，对合金进行先进行250±10℃×6h + 350±10℃×6h + 450±10℃×6h + 480±10℃× 6h的均质化退火，然后再进行480±10℃×1h+490±10℃×1h+500±10℃×1h+510±10℃×1h四级强韧化固溶处理，保温4h后进行60±5℃温水水淬, 之后将固溶试样进行190±2℃时效处理，保温12h后取出后空冷。对其硬度，室温抗拉强度，断裂延伸率进行测量。
实验结果如下（表2）：
硬度（HV） 135.13
强度（MPa） 345.17
延伸率（%） 6.5
实验结果表明，本实施例经强韧化热处理的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金组织致密，拉伸强度为345.17 MPa，断后延伸率为6.5％，拉伸试样断口呈韧窝特征的典型韧性断裂，韧窝小而密，硬度为135.13HV。
实施例三
一种Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金，其强韧化热处理方法为：
将实测质量分数为Al-6.23Si-3.45Cu-0.094Sr -0.188Zr的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金进行切割取样后，对合金进行先进行250±10℃×6h + 350±10℃×6h + 450±10℃×6h + 480±10℃ ×6h的均质化退火，然后再进行480±10℃×1h+490±10℃×1h+500±10℃×1h三级强韧化固溶处理，保温3h后进行60±5℃温水水淬, 之后将固溶试样进行190±2℃时效处理，保温12h后取出后空冷。对其硬度，室温抗拉强度，断裂延伸率进行测量。
实验结果如下（表3）：
硬度（HV） 123.2
强度（MPa） 357.71
延伸率（%） 8
实验结果表明，本实施例经强韧化热处理的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金组织致密，拉伸强度为357.71 MPa，断后延伸率为8％，拉伸试样断口呈韧窝特征的典型韧性断裂，韧窝小而密，硬度为123.2HV。
实施例四
一种Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金，其强韧化热处理方法为：
将实测质量分数为Al-6.36Si-3.77Cu-0.085Sr-0.179Zr-0.11Ti-0.13Ce的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金进行切割取样后，对合金进行480±10℃×1h+490±10℃×1h+500±10℃×1h+510±10℃×1h四级强韧化固溶处理，保温4h后进行60±5℃温水水淬, 之后将固溶试样进行190±2℃时效处理，保温12h后取出后空冷。对其硬度，室温抗拉强度，断裂延伸率进行测量。
实验结果如下（表4）：
硬度（HV） 125.3
强度（MPa） 338.49
延伸率（%） 6.5
实验结果表明，本实施例经强韧化热处理的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金组织致密，拉伸强度为338.49 MPa，断后延伸率为6.5％，拉伸试样断口呈韧窝特征的典型韧性断裂，韧窝小而密，硬度为125.3HV。
对比例一
如图5，6所示。
一种Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金，其常规热处理方法为：
将实测质量分数为Al-5.67Si-3.57Cu-0.075Sr-0.187Zr-0.14Ti-0.13Ce的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金进行切割取样后，对合金进行480±10℃×1h+490±10℃×1h固溶处理，保温2h后进行60±5℃温水水淬, 之后将固溶试样进行190±2℃时效处理，保温12h 后取出后空冷。对其硬度，室温抗拉强度，断裂延伸率进行测量。
实验结果如下（表5）：
硬度（HV） 127.87
强度（MPa） 271.8
延伸率（%） 4
实验结果表明，本对比例未经强韧化热处理的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金拉伸强度为271.8MPa，拉伸试样断口韧窝较少且浅，断后延伸率为4％，与实施例一至四相比明显降低。
对比例二
如图7，8所示。
一种Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金，其热处理方法为：
将实测质量分数为Al-6.11Si-3.31Cu-0.107Sr-0.191Zr的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金进行切割取样后，对合金进行480±10℃×1h+490±10℃×1h + 500±10℃ × 1h +510±10℃ × 1h + 520±10℃ × 1h固溶处理，保温5h后进行60±5℃温水水淬, 之后将固溶试样进行190±2℃时效处理，保温12h 后取出后空冷。对其硬度，室温抗拉强度，断裂延伸率进行测量。
实验结果如下（表6）：
硬度（HV） 117.3
强度（MPa） 227.89
延伸率（%） 3.5
实验结果表明，本对比例经过520℃固溶处理的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金拉伸强度为227.89MPa，拉伸试样断口韧窝较少且浅，断后延伸率为3.5％，与实施例一至四相比明显降低。
对比例三
一种Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金，其热处理方法为：
将实测质量分数为Al-5.89Si-3.52Cu-0.082Sr-0.177Zr的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金进行切割取样后，对合金进行480±10℃×1h + 490±10℃×1h常规固溶处理，保温2h后进行60±5℃温水水淬, 之后将固溶试样进行190±2℃时效处理，保温12h 后取出后空冷。对其硬度，室温抗拉强度，断裂延伸率进行测量。
实验结果如下（表7）：
硬度（HV） 124.7
强度（MPa） 300.45
延伸率（%） 3.5
实验结果表明，本对比例经过常规热处理的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金拉伸强度为300.45MPa，拉伸试样断口韧窝较少且浅，断后延伸率为3.5％，与实施例一至四相比明显降低。
对比例四
一种Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金，其热处理方法为：
将实测质量分数为Al-6.13Si-3.46Cu-0.095Sr-0.190Zr-0.15Ti-0.10Ce的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金进行切割取样后，对合金进行480±10℃×1h + 490±10℃×1h + 500±10℃×1h + 510±10℃×1h + 520±10℃×1h固溶处理，保温5h后进行60±5℃温水水淬, 之后将固溶试样进行190±2℃时效处理，保温12h 后取出后空冷。对其硬度，室温抗拉强度，断裂延伸率进行测量。
实验结果如下（表8）：
硬度（HV） 112.67
强度（MPa） 299.69
延伸率（%） 4
实验结果表明，本对比例经过520℃固溶处理的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金拉伸强度为299.69MPa，拉伸试样断口韧窝较少且浅，断后延伸率为4％，与实施例一至四相比明显降低。
实施例与对比例的铝合金制备方法是
先将A00等级纯Al，Al-Si-Cu锭(6.46% Si, 4.46% Cu)和Al-Cu合金(50.12%Cu,0.15%Fe, 0.11%Si )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,0.15% Fe, 0.10% Si)、Al-Zr中间合金(4.11%Zr,0.20%Fe, 0.10%Si )以及Al-Ti-B中间合金(5.11% Ti)和Al-Ce中间合金(10% Ce)。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，即获得Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金。
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 (2)

1.一种Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金的强韧化热处理工艺方法，其特征在于对溶铸得到的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金铸锭进行强韧化处理，所述的强韧化处理包括：（1）均质化退火；（2）固溶处理；（3）时效处理；
所述的均质化退火是指其退火制度为250±10℃×6h + 350±10℃×6h + 450±10℃×6h + 480±10℃×6h；
所述的固溶处理是指其固溶处理制度为：480±10℃×1h+490±10℃×1h+500±10℃×1h保温3h后水淬的三级固溶处理或480±10℃×1h + 490±10℃×1h + 500±10℃×1h+ 510±10℃×1h保温4h后水淬的四级固溶处理；
所述的时效处理是指将经过固溶处理的铝合金进行190±2℃×12h保温后空冷的时效处理；
所得到的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金的成分为Al-6Si-3.5Cu-0.1Sr-0.2Zr-(0.16Ti-0.1Ce)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的溶铸包括：
（1）首先，将纯Al、Al-Si-Cu锭和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中间合金以及Al-Ti-B中间合金和Al-Ce中间合金；
（2）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，即获得未经过强韧化热处理的Al-6Si-3.5Cu型铸造铝合金铸锭。
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