CN111074111A - 一种高强度铸造铝硅合金及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度铸造铝硅合金及其制造方法,铝硅合金的组成按重量百分比计包括:硅6.50~7.50%,镁0.30~0.45%,铁≤0.15%,钛0.10~0.20%,锆0.05~0.15%,锶0.01%~0.02%,硼≤0.20‰,不可避免的杂质≤0.10%,余量为铝,本发明提出使用适量Zr和Ti元素微合金强化传统AlSiMg铸造合金,通过(Al,Si)3(Zr,Ti)相提供形核,细化晶粒,通过Zr元素的偏析改变液相浓度分布,阻碍枝晶长大,从而减小枝晶间距。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金材料的制备领域,具体地说是一种高强度铸造铝硅合金及其制造方法。
背景技术
为了减少燃油消耗和降低二氧化碳排放,汽车的轻量化已经成为众所关注的焦点之一。研究表明,汽车整车重量每减少100 kg,油耗可降低0.3~0.6 L/100km。此外,汽车轻量化还可以提高汽车动力性,节省材料,降低成本。铝由于具有比强度高、密度低、产量大的优点,因此成为了汽车减重的重要材料。开发高强度和高韧性的铝合金材料,提高汽车的铝合金用量成为了汽车行业的共识。
铸造铝合金具有良好的铸造性能、耐腐蚀性、高的强重比和铸件制造成本低,被广泛应用在汽车和航空工业等领域。其中铸造Al-Si合金由于比强度高,铸造性能好以及较好的热处理性能,成为减重节能的主要轻量化构件材料。作为铸造Al-Si合金最常用系列之一的A356.2(AlSi7Mg0.4)合金具有良好的液态流动性,抗腐蚀性,良好的可焊性,低收缩率以及低热膨胀系数,其用量占铸造铝合金的80%。一般来说,合金的强度和韧性是负相关的:如果一种合金强度较高,其韧性就较差;如果韧性较好,其强度就较低。目前铸造铝合金材料应用的主要问题就是强韧性不高,例如,铸造A356.2合金,其典型抗拉强度为280MPa,延伸率5-6%,从而限制了其在汽车等构件方面的更广泛应用。
提高材料强度的途径主要有:固溶强化、细晶强化、形变强化和第二相强化。不同的强化途径的强化机制也有所不同,其中固溶强化通过溶质原子与位错的弹性相互作用以及溶质原子与溶剂原子的化学交互作用;细晶强化主要是是通过细化晶粒增加晶界来阻碍位错运动,从而使金属强化;形变强化则是通过在冷变形时金属内部位错密度增大,是位错运动时易发生相互交割,形成割阶,引起位错缠结,形成胞状结构,造成位错运动的障碍,时不能移动位错数量剧增,给继续塑性变形造成困难,以致需要更大的里才能使位错克服障碍而运动,从而提高材料强度;第二相强化指运动者的位错遇到滑移面上的第二相粒子时,或切过或绕过,阻碍位错运动。其中,只有细晶强化既提高材料强度,又提高材料韧性。
微合金化是提高合金性能的主要手段之一,大量研究表明,Al3M型金属化合物能够有效的提高铸造铝合金的性能。一般在铝合金中形成Al3M型金属间化合物的过渡金属元素主要有:Sc、Y、Ti、Zr和Hf。研究表明,使用Sc、Y、Hf可以提高合金强韧性,但这些元素价格昂贵,实际应用无法推广。
发明内容
有鉴于此,本发明旨在提出一种高强度铸造铝硅合金及其制造方法,能够将Zr和Ti元素微合金化,细化α-Al晶粒,同时利用热处理析出含Zr纳米相强化合金,开发出高强度和高韧性铸造铝硅合金及其制造方法。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种高强度铸造铝硅合金,所述铝硅合金的组成按重量百分比计包括:硅6.50~7.50%,镁0.30~0.45%,铁≤0.15%,钛0.10~0.20%,锆0.05~0.15%,锶0.01%~0.02%,硼≤0.20‰,不可避免的杂质≤0.10%,余量为铝。
一种高强度铸造铝硅合金的铸造方法,包括以下步骤:
S1、配料,按比例配置A356.2铝合金、Al-Zr10中间合金、Al-Ti5中间合金和Al-Sr10中间合金;
S2、熔炼,在熔化炉中加入A356.2合金,随后每小时升温150℃,升温至720℃,待合金全部融化后,加入Al-Zr10中间合金,融化后搅拌3min,确保合金成分均匀,在铝液中加入Al-Sr10中间合金,随后按照千分之四的比例向铝液中加入固体精炼剂,在720~730℃下精炼;
S3、出气和扒渣,通入高纯氩气进行除气,静置15分钟后扒渣;
S4、重力铸造或低压铸造,模具预涂脱模剂并预热到250℃,控制铝液温度在700℃~720℃范围内进行铸造;
S5、热处理,将铸件在数控电阻炉中进行T6热处理,顺序进行固溶、淬火、时效、出炉空冷。
在一些实施例中,固溶温度为530~550℃,时间为8~10小时;时效温度为160~200℃,时间为6~10小时。
相对于现有技术,本发明所述的高强度铸造铝硅合金具有以下优势:
1、本发明的合金材料同时具有较高的强度和较好的塑韧性。铸态时抗拉强度可达195~215MPa,屈服强度130~150MPa,延伸率7%~9%;热处理后抗拉强度可达320~340MPa,屈服强度280~300MPa,延伸率8%~11%。
2、本发明的合金材料含有硅6.50~7.50%,合金熔炼温度为720~730℃,粘度低,具有良好的流动性,与现有AlSiMg合金一样,具有良好的铸造成形性,既可应用于重力铸造,也可应用于低压铸造。
3、本发明的合金材料通过A356.2铝合金、Al-Zr10中间合金、Al-Ti5中间合金和Al-Sr10中间合金配制而成,生产成分控制容易。
4、本发明的合金材料可以通过热处理析出含Zr的纳米析出相,大幅提高合金的强度。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明中热处理析出含Zr纳米相的TEM图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下面参考图1描述本发明实施例的高强度铸造铝硅合金。
实施例一
步骤一:配料
步骤二:熔炼
在熔化炉中加入A356.2合金,随后每小时升温150℃,升温至720℃,待合金全部融化后,加入Al-Zr10中间合金,融化后搅拌3min,确保合金成分均匀。在铝液中加入Al-Sr10中间合金,随后按照千分之四的比例向铝液中加入商用固体精炼剂,在720~730℃下精炼,并用高纯氩气进行除气,静置15分钟后扒渣。
步骤三:重力铸造
模具预涂脱模剂并预热到250℃,控制铝液温度在700℃~720℃范围内进行浇注。
步骤四:热处理
将铸件在数控电阻炉中进行T6热处理,热处理工艺为540℃下固溶8h后淬火,随后在180℃下时效8h,出炉空冷。
通过上述步骤获得的合金材料含有硅7.42%,镁0.43%,铁 0.13%,钛0.12%,锶0.018%,锆0.05%,硼≤0.20‰,其他元素≤0.10%,其余为铝。铸件铸态和T6热处理后的力学性能如表1所示。
表1 实例1合金的力学性能
实施例二
步骤一:配料
步骤二:熔炼
在熔化炉中加入A356.2合金,随后每小时升温150℃,升温至720℃,待合金全部融化后,加入Al-Zr10中间合金,融化后搅拌3min,确保合金成分均匀。在铝液中加入Al-Sr10中间合金,随后按照千分之四的比例向铝液中加入商用固体精炼剂,在720~730℃下精炼,并用高纯氩气进行除气,静置15分钟后扒渣。
步骤三:低压铸造
模具预涂脱模剂并预热到250℃,控制铝液温度在700℃~720℃范围内进行低压铸造。
步骤四:热处理
将铸件在数控电阻炉中进行T6热处理,热处理工艺为540℃下固溶8h后淬火,随后在180℃下时效8h,出炉空冷。
通过上述步骤获得的合金材料含有硅7.03%,镁0.40%,铁 0.14%,钛0.15%,锶0.015%,锆0.10%,硼≤0.20‰,其他元素≤0.10%,其余为铝。铸件铸态和T6热处理后的力学性能如表1所示。
表1 实例2合金的力学性能
实施例三
步骤一:配料
步骤二:熔炼
在熔化炉中加入A356.2合金,随后每小时升温150℃,升温至720℃,待合金全部融化后,加入Al-Zr10中间合金和Al-Ti5中间合金,融化后搅拌3min,确保合金成分均匀。在铝液中加入Al-Sr10中间合金,随后按照千分之四的比例向铝液中加入商用固体精炼剂,在720~730℃下精炼,并用高纯氩气进行除气,静置15分钟后扒渣。
步骤三:重力铸造
模具预涂脱模剂并预热到250℃,控制铝液温度在700℃~720℃范围内进行浇注。
步骤四:热处理
将铸件在数控电阻炉中进行T6热处理,热处理工艺为540℃下固溶8h后淬火,随后在180℃下时效8h,出炉空冷。
通过上述步骤获得的合金材料含有硅6.62%,镁0.34%,铁 0.13%,钛0.18%,锶0.018%,锆0.15%,硼≤0.20‰,其他元素≤0.10%,其余为铝。铸件铸态和T6热处理后的力学性能如表1所示。
表1 实例3合金的力学性能
相对于现有技术,本发明的高强度铸造铝硅合金具有以下优势:
1、本发明的合金材料同时具有较高的强度和较好的塑韧性。铸态时抗拉强度可达195~215MPa,屈服强度130~150MPa,延伸率7%~9%;热处理后抗拉强度可达320~340MPa,屈服强度280~300MPa,延伸率8%~11%。
2、本发明的合金材料含有硅6.50~7.50%,合金熔炼温度为720~730℃,粘度低,具有良好的流动性,与现有AlSiMg合金一样,具有良好的铸造成形性,既可应用于重力铸造,也可应用于低压铸造。
3、本发明的合金材料通过A356.2铝合金、Al-Zr10中间合金、Al-Ti5中间合金和Al-Sr10中间合金配制而成,生产成分控制容易。
4、本发明的合金材料可以通过热处理析出含Zr的纳米析出相,大幅提高合金的强度。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作,因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接或可以互相通讯;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高强度铸造铝硅合金,其特征在于:所述铝硅合金的组成按重量百分比计包括:硅6.50~7.50%,镁0.30~0.45%,铁≤0.15%,钛0.10~0.20%,锆0.05~0.15%,锶0.01%~0.02%,硼≤0.20‰,不可避免的杂质≤0.10%,余量为铝。
2.一种高强度铸造铝硅合金的铸造方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1、配料,按比例配置A356.2铝合金、Al-Zr10中间合金、Al-Ti5中间合金和Al-Sr10中间合金;
S2、熔炼,在熔化炉中加入A356.2合金,随后每小时升温150℃,升温至720℃,待合金全部融化后,加入Al-Zr10中间合金,融化后搅拌3min,确保合金成分均匀,在铝液中加入Al-Sr10中间合金,随后按照千分之四的比例向铝液中加入固体精炼剂,在720~730℃下精炼;
S3、出气和扒渣,通入高纯氩气进行除气,静置15分钟后扒渣;
S4、重力铸造或低压铸造,模具预涂脱模剂并预热到250℃,控制铝液温度在700℃~720℃范围内进行铸造;
S5、热处理,将铸件在数控电阻炉中进行T6热处理,顺序进行固溶、淬火、时效、出炉空冷。
3.根据权利要求2所述的高强度铸造铝硅合金的铸造方法,其特征在于:固溶温度为530~550℃,时间为8~10小时;时效温度为160~200℃,时间为6~10小时。
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