CN111041285A - 一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法 - Google Patents

一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法，该方法包括以下步骤：步骤一、制备铝合金熔体：步骤二、铝合金熔体浇注到转动输送管的型腔入口，铝合金熔体由熔融状态转变为初生相分布均匀、晶粒圆整的半固态浆料；铝合金熔体浇注到转动输送管的型腔入口浇注温度为650‑680℃，所述转动输送管的转速为80‑100转/分钟；步骤三、铸压得到铝合金铸件。本发明一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法制备得到铝合金铸件具有强度高、韧性好，且抗开裂能力强的特点，压装不易产生裂纹，能满足需承受较大动载荷工件的使用要求，适用于对强度和韧性要求较高的汽车、航空等领域，而且本申请的工艺还具有方法简单、工艺稳定性好、工艺可控度高的优点。

Description

一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法
技术领域
本发明涉及铝合金制备技术领域，尤其是一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法。
背景技术
铝合金铸压是利用机器、模具和合金等三大要素，将压力、速度及时间统一的过程。压力铸造是近代金属加工工艺中发展较快的一种少无切削的特种铸造方法。它是将熔融金属在高压高速下充填铸型，并在高压下结晶凝固形成铸件的过程。高压高速是压力铸造的主要特征。常用的压力为数十兆帕，填充速度(内浇口速度)约为16～80米/秒，金属液填充模具型腔的时间极短，约为0.01～0.2秒。
铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。近年来铝合金在汽车行业应用越来越多，汽车行业的应用对铝合金性能提出了更高的要求，一些重要部件，如汽车卡钳，不但要求铝合金具有较高的强度，同时还需要高的抗开裂性能，现有的铝合金无法满足其用于制备汽车零部件的使用要求。因此，需要设计一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，提供一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法。
本发明通过下述方案实现：
一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、制备铝合金熔体：将半固态铝合金浆料的原料分别预热至200-350℃，保温0.5～2小时；然后温度加热至200～300℃时加入工业纯铝，搅拌至熔清；熔体升温至740～800℃后向铝液中加入除工业纯镁之外的中间合金；随后将温度降至660℃～700℃，将工业纯镁镁完全加入合金液中；将熔体升温至735-745℃，加入精炼剂进行精炼10～20分钟；撇去浮渣，静置得到铝合金熔体；
步骤二、制备半固态铝合金浆料：将步骤一得到的铝合金熔体浇注到转动输送管的型腔入口，在重力和转动输送管内壁剪切及冷却作用下，铝合金熔体由熔融状态转变为初生相分布均匀、晶粒圆整的半固态浆料；铝合金熔体浇注到转动输送管的型腔入口浇注温度为650-680℃，所述转动输送管的转速为80-100转/分钟；
步骤三、铸压得到铝合金铸件：将步骤二得到的半固态浆料在温度为650-680℃、压力为50～200MPa、压射速度为1～4m/s、冷却速率为100～1000K/s的条件下铸压，制备得到铝合金铸件。
在步骤一中，以质量百分比计，所述半固态铝合金浆料的原料包括以下组份：硅2.5～3.5％、镁3～5％、铁0.5～1.0％、铜0.7-1.5％、锌0.1～0.3％、镱0.07～0.15％、铬0.05～0.2％、钛0.1-0.3％、铈0.05-0.1％、铕0.01-0.03％、钇0.01-0.03％、锶0.03-0.06％、其他杂质总质量百分比小于0.25％，余量为铝。
在步骤一中，所述镱、铈、铕、钇、锶以铝-稀土中间合金的形式加入。
在步骤一中，所述精炼剂为无钠盐的铝合金精炼剂，且精炼剂的添加量为熔体总质量的0.3％～1％。
在步骤一中，向撇去浮渣后制备所得的熔体中加入覆盖剂，保护气氛中搅拌除气5～10分钟，采用的保护气氛为氮气保护；所述覆盖剂为氯化镁或者氯化钾，且覆盖剂的添加量为熔体总质量的0.2％～1.5％。
本发明的有益效果为：
本发明一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法制备得到铝合金铸件具有强度高、韧性好，且抗开裂能力强的特点，压装不易产生裂纹，能满足需承受较大动载荷工件的使用要求，适用于对强度和韧性要求较高的汽车、航空等领域，而且本申请的工艺还具有方法简单、工艺稳定性好、工艺可控度高的优点。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步说明：
一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、制备铝合金熔体：将半固态铝合金浆料的原料分别预热至200-350℃，保温0.5～2小时；然后温度加热至200～300℃时加入工业纯铝，搅拌至熔清；熔体升温至740～800℃后向铝液中加入除工业纯镁之外的中间合金；随后将温度降至660℃～700℃，将工业纯镁镁完全加入合金液中；将熔体升温至735-745℃，加入精炼剂进行精炼10～20分钟；撇去浮渣，静置得到铝合金熔体；
步骤二、制备半固态铝合金浆料：将步骤一得到的铝合金熔体浇注到转动输送管的型腔入口，在重力和转动输送管内壁剪切及冷却作用下，铝合金熔体由熔融状态转变为初生相分布均匀、晶粒圆整的半固态浆料；铝合金熔体浇注到转动输送管的型腔入口浇注温度为650-680℃，所述转动输送管的转速为80-100转/分钟；
步骤三、铸压得到铝合金铸件：将步骤二得到的半固态浆料在温度为650-680℃、压力为50～200MPa、压射速度为1～4m/s、冷却速率为100～1000K/s的条件下铸压，制备得到铝合金铸件。
在步骤一中，以质量百分比计，所述半固态铝合金浆料的原料包括以下组份：硅2.5～3.5％、镁3～5％、铁0.5～1.0％、铜0.7-1.5％、锌0.1～0.3％、镱0.07～0.15％、铬0.05～0.2％、钛0.1-0.3％、铈0.05-0.1％、铕0.01-0.03％、钇0.01-0.03％、锶0.03-0.06％、其他杂质总质量百分比小于0.25％，余量为铝。
在步骤一中，所述镱、铈、铕、钇、锶以铝-稀土中间合金的形式加入。
在步骤一中，所述精炼剂为无钠盐的铝合金精炼剂，且精炼剂的添加量为熔体总质量的0.3％～1％。
在步骤一中，向撇去浮渣后制备所得的熔体中加入覆盖剂，保护气氛中搅拌除气5～10分钟，采用的保护气氛为氮气保护；所述覆盖剂为氯化镁或者氯化钾，且覆盖剂的添加量为熔体总质量的0.2％～1.5％。
下面结合具体的实施例和对比例对本申请做进一步阐述：
实施例1
一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、制备铝合金熔体：将半固态铝合金浆料的原料分别预热至200℃，保温0.5小时；然后温度加热至200℃时加入工业纯铝，搅拌至熔清；熔体升温至740℃后向铝液中加入除工业纯镁之外的中间合金；随后将温度降至660℃，将工业纯镁镁完全加入合金液中；将熔体升温至735℃，加入精炼剂进行精炼10分钟；撇去浮渣，静置得到铝合金熔体；
以质量百分比计，所述半固态铝合金浆料的原料包括以下组份：硅2.5％、镁3％、铁0.5％、铜0.7％、锌0.1％、镱0.07％、铬0.05％、钛0.1％、铈0.05％、铕0.01％、钇0.01％、锶0.03％、其他杂质总质量百分比小于0.25％，余量为铝。
步骤二、制备半固态铝合金浆料：将步骤一得到的铝合金熔体浇注到转动输送管的型腔入口，在重力和转动输送管内壁剪切及冷却作用下，铝合金熔体由熔融状态转变为初生相分布均匀、晶粒圆整的半固态浆料；铝合金熔体浇注到转动输送管的型腔入口浇注温度为650℃，所述转动输送管的转速为80转/分钟；
步骤三、铸压得到铝合金铸件：将步骤二得到的半固态浆料在温度为650℃、压力为50MPa、压射速度为1m/s、冷却速率为1000K/s的条件下铸压，制备得到铝合金铸件。
实施例2
一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、制备铝合金熔体：将半固态铝合金浆料的原料分别预热至300℃，保温1小时；然后温度加热至250℃时加入工业纯铝，搅拌至熔清；熔体升温至780℃后向铝液中加入除工业纯镁之外的中间合金；随后将温度降至680℃，将工业纯镁镁完全加入合金液中；将熔体升温至740℃，加入精炼剂进行精炼15分钟；撇去浮渣，静置得到铝合金熔体；
以质量百分比计，所述半固态铝合金浆料的原料包括以下组份：硅3％、镁3～5％、铁0.7％、铜1％、锌0.2％、镱0.1％、铬0.1％、钛0.2％、铈0.07％、铕0.02％、钇0.02％、锶0.05％、其他杂质总质量百分比小于0.25％，余量为铝。
步骤二、制备半固态铝合金浆料：将步骤一得到的铝合金熔体浇注到转动输送管的型腔入口，在重力和转动输送管内壁剪切及冷却作用下，铝合金熔体由熔融状态转变为初生相分布均匀、晶粒圆整的半固态浆料；铝合金熔体浇注到转动输送管的型腔入口浇注温度为665℃，所述转动输送管的转速为100转/分钟；
步骤三、铸压得到铝合金铸件：将步骤二得到的半固态浆料在温度为665℃、压力为100MPa、压射速度为2m/s、冷却速率为500K/s的条件下铸压，制备得到铝合金铸件。
实施例3
一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、制备铝合金熔体：将半固态铝合金浆料的原料分别预热至350℃，保温2小时；然后温度加热至300℃时加入工业纯铝，搅拌至熔清；熔体升温至800℃后向铝液中加入除工业纯镁之外的中间合金；随后将温度降至700℃，将工业纯镁镁完全加入合金液中；将熔体升温至745℃，加入精炼剂进行精炼20分钟；撇去浮渣，静置得到铝合金熔体；
以质量百分比计，所述半固态铝合金浆料的原料包括以下组份：硅3.5％、镁5％、铁1.0％、铜1.5％、锌0.3％、镱0.15％、铬0.2％、钛0.3％、铈0.1％、铕0.03％、钇0.03％、锶0.06％、其他杂质总质量百分比小于0.25％，余量为铝。
步骤二、制备半固态铝合金浆料：将步骤一得到的铝合金熔体浇注到转动输送管的型腔入口，在重力和转动输送管内壁剪切及冷却作用下，铝合金熔体由熔融状态转变为初生相分布均匀、晶粒圆整的半固态浆料；铝合金熔体浇注到转动输送管的型腔入口浇注温度为650℃，所述转动输送管的转速为90转/分钟；
步骤三、铸压得到铝合金铸件：将步骤二得到的半固态浆料在温度为650℃、压力为200MPa、压射速度为4m/s、冷却速率为100K/s的条件下铸压，制备得到铝合金铸件。
对比例1
一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、制备铝合金熔体：将半固态铝合金浆料的原料分别预热至300℃，保温1小时；然后温度加热至250℃时加入工业纯铝，搅拌至熔清；熔体升温至780℃后向铝液中加入除工业纯镁之外的中间合金；随后将温度降至680℃，将工业纯镁镁完全加入合金液中；将熔体升温至740℃，加入精炼剂进行精炼15分钟；撇去浮渣，静置得到铝合金熔体；
以质量百分比计，所述半固态铝合金浆料的原料包括以下组份：硅3％、镁3～5％、铁0.7％、铜1％、锌0.2％、镱0.1％、铬0.1％、钛0.2％、铈0.07％、铕0.02％、钇0.02％、锶0.05％、其他杂质总质量百分比小于0.25％，余量为铝。
步骤二、将步骤一得到的铝合金熔体在温度为665℃、压力为100MPa、压射速度为2m/s、冷却速率为500K/s的条件下铸压，制备得到铝合金铸件。
对比例2
一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、制备铝合金熔体：将半固态铝合金浆料的原料分别预热至300℃，保温1小时；然后温度加热至250℃时加入工业纯铝，搅拌至熔清；熔体升温至780℃后向铝液中加入除工业纯镁之外的中间合金；随后将温度降至680℃，将工业纯镁镁完全加入合金液中；将熔体升温至740℃，加入精炼剂进行精炼15分钟；撇去浮渣，静置得到铝合金熔体；
以质量百分比计，所述半固态铝合金浆料的原料包括以下组份：硅3％、镁3～5％、铁0.7％、铜1％、锌0.2％，其他杂质总质量百分比小于0.25％，余量为铝。
步骤二、制备半固态铝合金浆料：将步骤一得到的铝合金熔体浇注到转动输送管的型腔入口，在重力和转动输送管内壁剪切及冷却作用下，铝合金熔体由熔融状态转变为初生相分布均匀、晶粒圆整的半固态浆料；铝合金熔体浇注到转动输送管的型腔入口浇注温度为665℃，所述转动输送管的转速为100转/分钟；
步骤三、铸压得到铝合金铸件：将步骤二得到的半固态浆料在温度为665℃、压力为100MPa、压射速度为2m/s、冷却速率为500K/s的条件下铸压，制备得到铝合金铸件。
本申请各个实施例和对比例制备的铝合金铸件的力学性能如表1所示，从表1中可以看出，添加少量稀土元素后，铝合金的弹性模量显著提高，且能保持高的强韧性。
表1不同实施例铝合金的性能
Figure BDA0002281934600000091
本申请的对比例1没有采用半固态铝合金浆料铸压制备铝合金铸件，结果表明，其抗拉强度、延伸率等数据均差于同等条件下的实施例2，本申请的技术方案采用半固态铝合金浆料作为铸压的原料，与采用液态压铝合金浆料铸造相比，本申请的铝合金铸件在成形时金属以半固态的形式存在，成形温度较低，可以明显延长模具的使用寿命，同时可提高制件精度与生产效率，并且制件可获得相对较高的综合力学性能。通过对本申请半固态铝合金浆料进行铸压得到的铝合金铸件进行金相观察，由于半固态铝合金浆料包含了液、固两相，铸件侧部凝固组织呈现典型的树枝晶结构，球状晶数量较少，本申请采用半固态铝合金浆料挤压铸造组织的初生α相晶粒细化、组织致密且分布均匀，其晶粒平均尺寸为50～70μm，铸件的表面品质较好。
本申请通过加入铬0.05～0.2％、钛0.1-0.3％，形成Al7Cr相和Al3Ti相，弥散分布在铝合金的晶粒中，起到弥散强化效果，为α-Al基体结晶过程中非均质形核提供核心，促进晶粒细化，起到细晶强化效果，提高再结晶温度，阻碍再结晶晶粒的长大，使组织最为细小，对晶粒组织的细化效果最好，同时避免Cr与其他合金元素形成粗大的金属间化合物，从而影响铝合金的加工成型性及断裂韧性。铬和钛在铝合金组织中发生协同配合作用，有效改善铝合金中组织致密性，提高铝合金的抗拉强度、屈服强度、韧性、抗开裂性。
本申请的铝合金中融入元素镱、铕、钇，与锶元素进行配合，有效改善合金中夹杂物及析出相的形态和分布，净化合金组织，使得合金中的等轴晶组织细小且分布均匀，提高铝合金的位错密度及组织密度，提高材料的抗拉强度、屈服强度、抗冲击性。
尽管已经对本发明的技术方案做了较为详细的阐述和列举，应当理解，对于本领域技术人员来说，对上述实施例做出修改或者采用等同的替代方案，这对本领域的技术人员而言是显而易见，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、制备铝合金熔体：将半固态铝合金浆料的原料分别预热至200-350℃，保温0.5～2小时；然后温度加热至200～300℃时加入工业纯铝，搅拌至熔清；熔体升温至740～800℃后向铝液中加入除工业纯镁之外的中间合金；随后将温度降至660℃～700℃，将工业纯镁镁完全加入合金液中；将熔体升温至735-745℃，加入精炼剂进行精炼10～20分钟；撇去浮渣，静置得到铝合金熔体；
步骤二、制备半固态铝合金浆料：将步骤一得到的铝合金熔体浇注到转动输送管的型腔入口，在重力和转动输送管内壁剪切及冷却作用下，铝合金熔体由熔融状态转变为初生相分布均匀、晶粒圆整的半固态浆料；铝合金熔体浇注到转动输送管的型腔入口浇注温度为650-680℃，所述转动输送管的转速为80-100转/分钟；
步骤三、铸压得到铝合金铸件：将步骤二得到的半固态浆料在温度为650-680℃、压力为50～200MPa、压射速度为1～4m/s、冷却速率为100～1000K/s的条件下铸压，制备得到铝合金铸件。
2.根据权利要求1所述的一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法，其特征在于，在步骤一中，以质量百分比计，所述半固态铝合金浆料的原料包括以下组份：硅2.5～3.5％、镁3～5％、铁0.5～1.0％、铜0.7-1.5％、锌0.1～0.3％、镱0.07～0.15％、铬0.05～0.2％、钛0.1-0.3％、铈0.05-0.1％、铕0.01-0.03％、钇0.01-0.03％、锶0.03-0.06％、其他杂质总质量百分比小于0.25％，余量为铝。
3.根据权利要求2所述的一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法，其特征在于：在步骤一中，所述镱、铈、铕、钇、锶以铝-稀土中间合金的形式加入。
4.根据权利要求1所述的一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法，其特征在于：在步骤一中，所述精炼剂为无钠盐的铝合金精炼剂，且精炼剂的添加量为熔体总质量的0.3％～1％。
5.根据权利要求1所述的一种高强度抗开裂的铝合金铸压方法，其特征在于：在步骤一中，向撇去浮渣后制备所得的熔体中加入覆盖剂，保护气氛中搅拌除气5～10分钟，采用的保护气氛为氮气保护；所述覆盖剂为氯化镁或者氯化钾，且覆盖剂的添加量为熔体总质量的0.2％～1.5％。
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