CN110952001A - 一种添加Mn、Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金及其热处理方法 - Google Patents

一种添加Mn、Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金及其热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及向Al‑Si合金领域，公开了一种添加Mn、Zn的高强韧Al‑Si‑Cu‑Mg铸造铝合金及其热处理方法，所述铝合金由以下重量百分比含量的元素组成：Si：9％，Cu：1％，Mg：0.4％，Sr：0.04％，Ti：0.05％，B：0.01％，Zn：0.6％，Mn：0.2％，Fe≤1.5％，其余为Al，当加入0.2％Mn、0.6％Zn时铝合金中的Fe相主要为α‑Fe，以汉字状、鱼骨状、块状存在，随后对上述铸件对上述铸件依次进行500℃×3h+520℃×4h双级固溶处理、淬火、100℃×3h+180℃×6h双级时效处理，所有的Fe相变成了细小的圆颗粒呈弥散分布，此时含Fe相对铸件的影响降到了最低，铸件的抗拉强度、屈服强度、延伸率都达到了最高。

Description

一种添加Mn、Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金及其热处理 方法
技术领域
本发明涉及铸造铝合金技术领域，更具体地说，特别涉及一种添加Mn、Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金及其热处理方法。
背景技术
铸造铝合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀好、易成型、成本低等优点，Al-Si-Cu-Mg系合金以Si为主要合金元素，Cu、Mg为辅助元素。Al-Si-Cu-Mg系合金不仅具有比其它传统铝合金质量更轻的优点，而且还具有高温强度高，耐磨耐热性好，热膨胀系数低等优良性能。在现代工业特别是在以节约能源、降低排放为发展方向的汽车工业、航空航天以及轨道交通中得到了广泛应用，对高强韧合金的需求也在迅速增长。
铸造Al-Si-Cu-Mg合金力学性能会因组织中含Fe相的存在而收到影响。Fe是铸造Al-Si合金中最主要的杂质元素,硬而脆的针状含Fe相会严重割裂基体，大幅降低合金的力学性能。目前,为了消除其有害影响,工业上采取了一些除铁净化措施和研究,但收效甚微,因此改变Fe相形貌成为降低其危害性的重要技术途径。
Al-Si-Cu-Mg系合金中主要的合金元素是Si，而实际生产中为改善合金性能会加入一些强化元素，另外，在熔炼制备过程中不可避免混入一些杂质元素。其中Fe对于铝合金的性能危害较大，会大幅降低铝合金的铸造性能、加工性能以及力学性能。目前，国内外消除铝合金中Fe危害作用的方法主要有：(1)在实际生产中通常用稀释、过滤、精炼和重力分离的方法除去已存在于铝合金中的Fe元素，这类方法很有效，但成本很高；(2)利用快速凝固、熔体过热、粉末冶金、离心铸造、电磁分离、热处理等措施，这些方法虽然可以改善和控制富铁相的形貌，但都需要专门的设备和特殊的条件；(3)是从经济价值和效率方面考虑通过加入铁相的中和变质元素，Mn、Sr等元素来改善富铁相在铝中的形貌，使之在凝固过程中形成对性能危害较小的颗粒状或其它形状的铁相。通过加入中和变质元素的方法存在着缺陷，单独使用某一种元素可在一定的使用条件下获得良好的变质效果，同时其自身也存在局限性。如，Sr变质效果稳定，变质有效时间长，变质后不出现衰退现象，但Sr化学性质活泼，易氧化烧损，不宜长时间保温；容易吸气，导致合金组织疏松和气密性下降等。Ti虽以细化有害Fe相，但是单一加Ti时熔体中的Ti含量至少达到0.15％时才能有明显的细化效果，大大增加了成本还会造成化学污染。再如Sb与Na,Sr,P等元素的变质效果相互削弱或抵消。
发明内容
本发明的目的在于，针对Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金中针状β-Fe相严重割裂基体影响合金力学性能以及现有技术中添加单一变质元素变质后，易衰退、易烧损、易吸气、成本高，以及添加两种或多种变质元素有时会产生变质效果相互削弱或抵消等问题，提供了一种添加Mn、Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金及其热处理方法，从而使Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金具有最佳的强度和韧性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种添加Mn、Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金及其热处理工艺，所述铸造铝合金由以下重量百分比含量的元素组成：Si：9％，Cu：1％，Mg：0.4％，Sr：0.04％，Ti：0.05％，B：0.01％，Zn：0.6％，Mn：0.2％，Fe≤1.5％，其余为Al；所述Zn和Mn的质量比为3：1，本发明经过实验发现，向Al-Si-Cu-Mg铝合金添加含量分别为0.6％、0.2％的Zn、Mn时，可以有效的降低含Fe相对合金的影响，从而提高合金的力学性能。对得到的铸造铝合金进行热处理，使合金的力学性能进一步提高。
方案过程包括：S1、称取如权利要求1中所述质量百分比含量的Al-33Si、Al-40Cu、Al-10Mn、Mg锭、Zn锭、Al-10Sr、Al-5Ti-B以及Al锭，将其进行预热处理，除去原料中所含的水分；S2、将预热后的Al-33Si、Al-40Cu、Al-10Mn混合并进行加热至其完全熔化，保温若干分钟后进行除渣处理；S3、降温至720℃，加入预热后的Mg锭和Zn锭，搅拌使其充分熔化扩散后升温至740℃进行精炼、除渣；S4、降温至730℃时，加入Al-5Ti-B细化晶粒，加入Al-10Sr变质处理；S5、预热模具,撇渣并降温至720℃,静置若干分钟后浇铸。
进一步地，所述步骤S5后还包括：S6、铸件进行双级固溶处理，一级固溶处理为500℃保温3h，二级固溶处理为520℃保温4h；S7、将铸件移到40-70℃的温水中进行淬火处理，转移时间小于15s，冷却时间10s；S8、进行双级时效处理，一级时效处理为100℃保温3h，二级时效处理为180℃保温6h。
进一步地，所述步骤S2具体包括：a)、将预热后的Al-33Si、Al-40Cu、Al-10Mn放至石墨坩埚中；b)、将坩埚放置电阻炉中，加热至其完全熔化；c)、保温5min后进行除渣处理。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供了一种添加Mn、Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金及其热处理方法。该方法简单易行，所用的原料均是易获得的普通材料且只需要加入Mn、Zn，对所得到的Al-9Si-1Cu-0.4Mg铝合金铸件只需要进行热处理。当加入0.2％Mn、0.6％Zn时铝合金中的Fe相主要为α-Fe，以汉字状、鱼骨状、块状存在，随后对上述铸件依次进行500℃×3h+520℃×4h双级固溶处理、淬火、100℃×3h+180℃×6h双级时效处理，所有的Fe相变成了细小的圆颗粒呈弥散分布，此时含Fe相对铸件的影响降到了最低，铸件的抗拉强度、屈服强度、延伸率都达到了最高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例添加Zn 0.6％、Mn 0.2％，Al-Si-Cu-Mg铝合金中Fe相形貌照片；
图2为本发明实施例添加Zn 0％、Mn 0.8％，Al-Si-Cu-Mg铝合金中Fe相形貌照片；
图3为本发明实施例添加Zn 0.8％、Mn 0％，Al-Si-Cu-Mg铝合金中Fe相形貌照片；
图4为本发明中方法框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
为实现上述的目的，本发明的技术方案是：
(1)对所述铝合金进行配料、熔炼、铸造得到添加Mn、Zn的铝合金铸件；
(2)对上述铸件依次进行500℃×3h+520℃×4h双级固溶处理、淬火、100℃×3h+180℃×6h双级时效处理。
可选地，所得到的铝合金的组分及其重量百分比为：Si 9％、Cu 1％、Mg 0.4％、Sr0.04％、Ti 0.05％、B 0.01％、Zn 0.6％、Mn 0.2％、Fe≤1.5％，其余为Al。
可选地，首先将Al-33Si、Al-40Cu、纯度为99.96％的Mg、纯度为99.96％的Zn、Al-10Sr、Al-5Ti-B以及99.97％的Al，加入到电阻炉中进行预热处理；预热结束后，将Al锭、Al-33Si、Al-10Mn及Al-40Cu放入石墨坩埚，再将石墨坩埚放入电阻炉中，加热至完全熔化，保温5min后除渣，然后降至720℃-730℃后加入Mg锭、Zn锭。搅拌使其完全熔化后升温到730℃-740℃进行精炼、除渣；降温至730℃，加入Al-5Ti-B细化晶粒,加入Al-10Sr变质处理；最后对已涂敷涂料的模具进行预热，铝液撇渣并降温至720℃，静置5min后浇铸。
可选地，请参阅图4所示，对所述铝合金铸件进行热处理的步骤是：
(1)对所述的添加Mn Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金进行双级溶处理；
(2)对双级固溶处理后的添加Mn Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金淬火；
(3)对淬火后的添加Mn Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金进行双级时效处理。
可选地，双级固溶处理中，一级固溶处理为500℃保温3h，二级固溶处理为520℃保温4h。
可选的，淬火处理时将铸件转移到40-70℃的温水中，转移时间小于15s，冷却时间是10s。
可选地，双级时效处理中，一级时效处理为100℃保温3h，二级时效处理的为180℃保温6h。
本发明一种添加Mn、Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金及其热处理方法，包括：(1)对所述铝合金进行配料、熔炼、铸造得到添加Mn、Zn的铝合金铸件；(2)对上述铸件依次进行500℃×3h+520℃×4h双级固溶处理、淬火、100℃×3h+180℃×6h双级时效处理。
所用到的原材料有Al-33Si、Al-40Cu、纯度为99.96％的Mg、纯度为99.96％的Zn、Al-10Sr、Al-5Ti-B、Al-10Mn以及99.97％的Al。
此方法的具体实施过程为：
(1)称取上述的Al-33Si、Al-40Cu、Al-10Mn、纯度为99.96％的Mg、纯度为99.96％的Zn、Al-10Sr、Al-5Ti-1B以及99.97％的Al，加入到电阻炉中进行预热处理，除去原材料中所含的水分；
(2)预热结束后将Al锭，Al-33Si合金、Al-10Mn合金及Al-40Cu合金放进准备好的石墨坩埚，再将石墨坩埚放入电阻炉中，加热至完全熔化，保温5min后除渣；然后降温至720℃后压入Mg锭和Zn锭，搅拌使其充分熔化扩散后升温至740℃进行精炼、除渣。然后降温至730℃。加入Al-5Ti-B细化晶粒，加入Al-10Sr变质处理；
(3)最后对已涂敷涂料模具进行预热,铝液撇渣并降温至720℃,静置5min后浇铸；
(4)铸件进行双级固溶处理，一级固溶处理为500℃保温3h，二级固溶处理为520℃保温4h。随后将铸件移到40-70℃的温水中进行淬火处理，转移时间小于15s，冷却时间10s；
(5)淬火处理之后，进行双级时效处理，一级时效处理为100℃保温3h，二级时效处理为180℃保温6h。
实施例
本实施例的铸造铝合金原料组分及其重量百分比为：Si 9％、Cu 1％、Mg 0.4％、Sr 0.04％、Ti 0.05％、B 0.01％、Zn 0.6％、Mn 0.2％、Fe≤1.5％，其余为Al。
按照上述的铝合金原料组分及其重量百分比进行配料、熔炼、铸造得到所需铸件，并随后按照上述的热处理方式进行热处理。
对比例1
本实施例的铸造铝合金原料组分及其重量百分比为：Si 9％、Cu 1％、Mg 0.4％、Sr 0.04％、Ti 0.05％、B 0.01％、Zn 0％、Mn 0.8％、Fe≤1.5％，其余为Al。
按照上述的铝合金原料组分及其重量百分比进行配料、熔炼、铸造得到所需铸件，并随后按照上述的热处理方式进行热处理。
对比例2
本实施例的铸造铝合金原料组分及其重量百分比为：Si 9％、Cu 1％、Mg 0.4％、Sr 0.04％、Ti 0.05％、B 0.01％、Zn 0.8％、Mn 0％、Fe≤1.5％，其余为Al。
按照上述的铝合金原料组分及其重量百分比进行配料、熔炼、铸造得到所需铸件，并随后按照上述的热处理方式进行热处理。
图1为实施例铝合金中的Fe相形貌的照片；图2和图3分别为对比例1和对比例2铝合金Fe相形貌的照片。从图1-图3中可见实施例中的Fe相形貌明显优于对比例中的Fe相形貌。图1中的Fe相全为细小的圆颗粒状并成弥散分布，Fe相对铝合金的有害影响降到最低，此时的抗拉强度、屈服强度、延伸率都达到了最高。图2、图3的Fe相形貌主要为细小针状。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应该理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验得到的技术方案，皆应在权利要求书所确定的保护范围内。
这就是该本发明的工作原理，同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种添加Mn、Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金，其特征在于，由以下重量百分比含量的元素组成：
Si：9％，Cu：1％，Mg：0.4％，Sr：0.04％，Ti：0.05％，B：0.01％，Zn：0.6％，Mn：0.2％，Fe≤1.5％，其余为Al。
2.一种添加Mn、Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金，其特征在于，制备包括以下步骤：
S1、称取如权利要求1中所述质量百分比含量的Al-33Si、Al-40Cu、Al-10Mn、Mg锭、Zn锭、Al-10Sr、Al-5Ti-B以及Al锭，将其进行预热处理，除去原料中所含的水分；
S2、将预热后的Al-33Si、Al-40Cu、Al-10Mn一起进行加热至其完全熔化，保温若干分钟后进行除渣处理；
S3、降温至720℃，加入预热后的Mg锭和Zn锭，搅拌使其充分熔化扩散后升温至740℃进行精炼、除渣；
S4、降温至730℃，加入Al-5Ti-B细化晶粒，加入Al-10Sr变质处理；
S5、预热模具,撇渣并降温至720℃,静置若干分钟后浇铸得到铸件。
3.根据权利要求2所述的添加Mn、Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金的热处理工艺，其特征在于，包括：
S6、对得到铸件进行固溶处理；
S7、对热处理后的铸件迅速进行淬火处理；
S8、淬火处理之后，进行时效处理。
4.根据权利要求3所述的一种添加Mn、Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金的热处理工艺，其特征在于，步骤S6所述固溶处理为双级固溶处理，一级固溶处理为500℃保温3h，二级固溶处理为520℃保温4h。
5.根据权利要求3所述的一种添加Mn、Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金的热处理工艺，其特征在于，所述步骤S7中对上述铸件的淬火处理，具体包括：将铸件转移到40-70℃的温水中，转移时间小于15s，冷却时间是10s。
6.根据权利要求3所述的一种添加Mn、Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金的热处理工艺，其特征在于，步骤S8所述时效处理为双级时效处理，一级时效处理为100℃保温3h，二级时效处理为180℃保温6h。
7.根据权利要求2所述的一种添加Mn、Zn的高强韧Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
a)将预热后的Al-33Si、Al-40Cu、Al-10Mn放至石墨坩埚中；
b)将坩埚放置电阻炉中，加热至其完全熔化；
c)保温5min后进行除渣处理。
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