CN110607471B - Sr、Zr、Ti三元复合微合金化Al-Si-Cu系铸造铝合金及制备方法 - Google Patents

Sr、Zr、Ti三元复合微合金化Al-Si-Cu系铸造铝合金及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al‑Si‑Cu系铸造铝合金,其特征在于:它主要由Al、Si、Cu、Sr、Zr、Ti组成。制备方法包括:1.熔炼;2.除杂浇铸;3.均匀化退火—固溶—淬火—时效处理。本发明的Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的Al‑Si‑Cu系铸造铝合金的强度为334.347~371.884 MPa、延伸率为4.3~5.25%,断口呈韧窝特征的典型韧性断裂,硬度为137.6~144.1HV,相比Al3Ti、A13Zr单一化合物相具有更好的微合金化作用,在不降低合金铸造性能保证合金组织致密的同时高效细化了合金中的Si相和化合物相,有效提高了铸造铝合金的强度和塑性。

Description

Sr、Zr、Ti三元复合微合金化Al-Si-Cu系铸造铝合金及制备 方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金材料及其制备方法,尤其是一种三元复合铝合金技术,具体地说是一种Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金及其制备方法。
背景技术
Al-Si-Cu铸造铝合金具有较高的抗拉强度和延伸率、比较好的铸造性能以及耐蚀性,广泛应用于工业制造的各个领域,如:汽车、航空航天等领域。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。
众所周知,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,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,促进细小等轴晶形成,而且提高液态合金的流动性和元素分布均匀性。钛(Ti)元素是铝合金中常用的添加元素,主要作用是细化铸造组织,减小开裂倾向,提高材料力学性能。钛(Ti)加入铝中形成Al3Ti,与熔体发生包晶反应而形成非自发核心,起细化作用。尤其Zr、Ti复合微合金化形成Al3(Zrx,Ti1-x)相比Al3Ti、A13Zr单一化合物相具有更好的微合金化作用。因此,Zr、Sr复合微合金化和Ti合金化合金化可以在不降低合金铸造性能、强度等性能的同时,大幅提高合金的塑性和韧性。
到目前为止,我国尚未有一种具有自主知识产权的Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金及其制备方法可供使用。
发明内容
本发明的目的是在Al-Si-Cu系铸造铝合金成分设计的基础上,通过调整Si、Cu元素含量,同时添加微量锶(Sr)、锆(Zr)和钛(Ti)进行三元复合微合金化,在不降低合金成型性能(流动性)的同时,高效细化合金中的Si相和化合物相,提高合金的韧性,获得一种高强度高硬度的Al-Si-Cu系铸造铝合金,同时提供其制备方法。
本发明的技术方案之一是:
一种Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金,其特征在于:它主要由铝(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8.43~8.73%,铜(Cu)的质量百分比为5.29~5.36%,锶(Sr)的质量百分比为0.54~0.57%,锆(Zr)的质量百分比为0.60~0.65%,钛(Ti)的质量百分比为0.15~0.23%,余量为铝和少量杂质元素,各组份的质量百分比之和为100%。
本发明的技术方案之二是:
(1)首先,将纯Al、Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金置于电阻丝熔炼炉中熔化后升温至850±10℃,再依次加入Al-Sr中间合金、Al-Zr中间合金和Al-Ti-B中间合金。
(2)其次,保温1.5~2h,待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至760±10℃,加入六氯乙烷一次除气至没有气体逸出,静置保温15 min后,再加入六氯乙烷二次除气直至没有气体逸出,静置保温15 min后去渣并浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭。
(3)最后,进行均匀化退火—固溶—淬火—时效处理。
所述步骤(3)中的均匀化退火采用250±10℃×6h+350±10℃×6h+450±10℃×6h+480±10℃×6h的退火制度;
所述步骤(3)中的固溶采用480±10℃×1h+490±10℃×1h的固溶制度;
所述步骤(3)中的淬火采用60±5℃的温水;
所述步骤(3)中的时效采用191±10℃×12h的时效制度,随炉冷至室温。
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中间合金中Ti的质量百分比为5.11%。
本发明的有益效果:
(1)本发明在Al-Si-Cu系铸造铝合金成分设计的基础上,通过调整Si、Cu元素含量,同时添加微量Sr、Zr、Ti进行三元复合微合金化。Sr细化Si相,Zr、Ti复合微合金化形成Al3(Zrx,Ti1-x)相比Al3Ti、A13Zr单一化合物相具有更好的微合金化作用。在不降低合金铸造性能保证合金组织致密的同时,高效细化了合金中的Si相和化合物相,大幅提高了合金的强度和硬度。
(2)本发明获得了一种强度为334.347~371.884 MPa、延伸率为4.3~5.25%,断口呈韧窝特征的典型韧性断裂,硬度为137.6~144.1HV的Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金。与未添加Ti的Sr、Zr二元2复合微合金化的铸造铝合金相比(以对比例一、对比例二为例),其强度、硬度均有很大提高,延伸率也相对提高。
(3)本发明公开了一种Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金及制备方法,一定程度上打破了国外对高性能铝合金的技术封锁,可满足我国对高强度高硬度铸造铝合金的需求。
附图说明
图1是本发明实施例一的三元复合微合金化的高强度高硬度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是本发明实施例一的三元复合微合金化的高强度高硬度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是本发明对比例一的未添加Ti的Sr、Zr二元复合微合金化的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是本发明对比例一的未添加Ti的Sr、Zr二元复合微合金化的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是本发明对比例二的未添加Ti的Sr、Zr二元复合微合金化的Al-Si-Cu系铸造铝合金的金相组织扫描电子显微镜照片。
图6是本发明对比例二的一种未添加Ti的Sr、Zr二元复合微合金化的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。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明,但本发明不仅限于实施例。本实施例中使用的中间合金中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中间合金中Ti的质量百分比为5.11%。
实施例一。
如图1、2所示。
一种Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金,其由以下方法制备而成:
首先,将纯Al、Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金置于电阻丝熔炼炉中熔化后升温至850±10℃,再依次加入Al-Sr中间合金、Al-Zr中间合金和Al-Ti-B中间合金。其次,保温1.5~2h,待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至760±10℃,加入六氯乙烷一次除气至没有气体逸出,静置保温15 min后,再加入六氯乙烷二次除气直至没有气体逸出,静置保温15 min后去渣并浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭。最后,依次进行250±10℃×6h+350±10℃×6h+450±10℃×6h+480±10℃×6h均匀化退火,480±10℃×1h+490±10℃×1h固溶,60±5℃温水淬火,191±10℃×12h时效处理,随炉冷至室温,即获得一种Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金。
本实施例的Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金经EDS实际测量成分为:8.43%Si, 5.29%Cu,0.54%Sr, 0.60%Zr,0.15%Ti, 余量为铝和杂质元素。
本实施例的Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金组织致密,Si相细小,形状呈颗粒状或短棒状(图1A);强度为371.884MPa、延伸率为5.25%,断口呈韧窝特征的典型韧性断裂,撕裂棱细小且多(图2B),硬度为144.1HV。
实施例二。
一种Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金,其由以下步骤制备而成:
首先,将纯Al、Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金置于电阻丝熔炼炉中熔化后升温至850±10℃,再依次加入Al-Sr中间合金、Al-Zr中间合金和Al-Ti-B中间合金。其次,保温1.5~2h,待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至760±10℃,加入六氯乙烷一次除气至没有气体逸出,静置保温15 min后,再加入六氯乙烷二次除气直至没有气体逸出,静置保温15 min后去渣并浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭。最后,依次进行250±10℃×6h+350±10℃×6h+450±10℃×6h+480±10℃×6h均匀化退火,480±10℃×1h+490±10℃×1h固溶处理,60±5℃温水淬火,191±10℃×12h时效处理,随炉冷至室温,即获得一种Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金。
本实施例的Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金经EDS实际测量成分为:8.73%Si, 5.36%Cu, 0.57%Sr, 0.65%Zr, 0.23%Ti, 余量为铝和杂质元素。
本实施例的Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金组织致密,Si相细小,形状呈颗粒状或短棒状;强度为334.347MPa、延伸率为4.3%,断口呈韧窝特征的典型韧性断裂,断口呈韧窝特征的典型韧性断裂,撕裂棱细小且多,硬度为137.6HV。
实施例三。
本实施例三的制备方法与实施例一、二相同,所不同的是本实施例的Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金经EDS实际测量成分为:8.57%Si,5.32%Cu, 0.55%Sr, 0.62%Zr, 0.19%Ti, 余量为铝和杂质元素。本实施例的Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金组织致密,Si相细小,形状呈颗粒状或短棒状;强度为350.387MPa、延伸率为4.8%,断口呈韧窝特征的典型韧性断裂,断口呈韧窝特征的典型韧性断裂,撕裂棱细小且多,硬度为140.6HV。
对比例一。
如图3、4所示。
一种未添加Ti的Sr、Zr二元复合微合金化的Al-Si-Cu系铸造铝合金,其制备方法:
首先,将纯Al、Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金置于电阻丝熔炼炉中熔化后升温至850℃,再依次加入Al-Sr中间合金和Al-Zr中间合金。其次,保温1.5~2h,待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至760±10℃,加入六氯乙烷一次除气至没有气体逸出,静置保温15 min后,再加入六氯乙烷二次除气直至没有气体逸出,静置保温15 min后去渣并浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭。最后,依次进行250℃×6h+350℃×6h+450℃×6h+480℃×6h均匀化退火,480℃×1h+490℃×1h固溶,60±5℃温水淬火,191℃×12h时效处理,随炉冷至室温,即获得一种未添加Ti的Sr、Zr二元复合微合金化的Al-Si-Cu系铸造铝合金。
本对比例的未添加Ti的Sr、Zr二元复合微合金化的Al-Si-Cu系铸造铝合金经EDS实际测量成分为:7.78%Si, 4.98%Cu, 0.51%Sr, 0.33%Zr, 余量为铝和杂质元素。
本对比例的未添加Ti的Sr、Zr二元复合微合金化的Al-Si-Cu系铸造铝合金组织致密,Si相较大,形状呈颗粒状或短棒状(图3C);强度为218.972MPa、延伸率为3.25%,断口呈韧窝特征的典型韧性断裂,撕裂棱少(图4D),硬度为132.3HV。
对比例二。
如图5、6所示。
一种未添加Ti的Sr、Zr二元复合微合金化的Al-Si-Cu系铸造铝合金,其制备方法:
首先,将纯Al、Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金置于电阻丝熔炼炉中熔化后升温至850℃,再依次加入Al-Sr中间合金和Al-Zr中间合金。其次,保温1.5~2h,待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至760±10℃,加入六氯乙烷一次除气至没有气体逸出,静置保温15 min后,再加入六氯乙烷二次除气直至没有气体逸出,静置保温15 min后去渣并浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭。最后,依次进行250℃×6h+350℃×6h+450℃×6h+480℃×6h均匀化退火,480℃×1h+490℃×1h固溶,60±5℃温水淬火,191℃×12h时效处理,随炉冷至室温,即获得一种未添加Ti的Sr、Zr二元复合微合金化的Al-Si-Cu系铸造铝合金。
本对比例的未添加Ti的Sr、Zr二元复合微合金化的Al-Si-Cu系铸造铝合金经EDS实际测量成分为:6.11%Si, 3.31%Cu, 0.46%Sr, 0.54%Zr, 余量为铝和杂质元素。
本对比例的未添加Ti的Sr、Zr二元复合微合金化的Al-Si-Cu系铸造铝合金组织致密,Si相较大,宏观缺陷相对明显,形状呈颗粒状或短棒状(图5E、F);强度为299.672MPa、延伸率为4.0%,断口呈韧窝特征的典型韧性断裂,撕裂棱少(图6G),硬度为124.7HV。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金,其特征在于:它由以下方法制备而成:
(1)首先,将纯Al、Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金置于电阻丝熔炼炉中熔化后升温至850±10℃,再依次加入Al-Sr中间合金、Al-Zr中间合金和Al-Ti-B中间合金;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中间合金中Ti的质量百分比为5.11%;
(2)其次,保温1.5~2h,待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至760±10℃,加入六氯乙烷一次除气至没有气体逸出,静置保温15 min后,再加入六氯乙烷二次除气直至没有气体逸出,静置保温15 min后去渣并浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭;
(3)最后,对浇铸成锭的铝合金铸锭进行热处理,所述的热处理为均匀化退火—固溶—淬火—时效处理,即得到强度为334.347~371.884 MPa、延伸率为4.3~5.25%,断口呈韧窝特征的典型韧性断裂,硬度为137.6~144.1HV的Sr、Zr、Ti三元复合微合金化的高强度高硬度Al-Si-Cu系铸造铝合金;该铝合金由铝(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8.43~8.73%,铜(Cu)的质量百分比为5.29~5.36%,锶(Sr)的质量百分比为0.54~0.57%,锆(Zr)的质量百分比为0.60~0.65%,钛(Ti)的质量百分比为0.15~0.23%,余量为铝和少量杂质元素,各组份的质量百分比之和为100%。
2.根据权利要求1所述的铝合金,其特征是所述的步骤(3)中的均匀化退火采用250±10℃×6h+350±10℃×6h+450±10℃×6h+480±10℃×6h的退火制度。
3.根据权利要求1所述的铝合金,其特征是所述的步骤(3)中的固溶采用480℃×1h+490℃×1h的固溶制度。
4.根据权利要求1所述的铝合金,其特征是所述的步骤(3)中的淬火采用60±5℃的温水。
5.根据权利要求1所述的铝合金,其特征是所述的步骤(3)中的时效采用191℃×12h的时效制度,随炉冷至室温。
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