CN111074114B - 一种Al-Si-Mg-Li系铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种Al‑Si‑Mg‑Li系铝合金及其制备方法，合金成分为：Si含量为3.2～22％，Mg含量为3.1～15％，Li含量为0.01～10％，其余为Al；合金还含有Cu、Ge、Ag、Zn、Mn、Zr、Cr、Ti、Bi、Sc、Y、Ni、Mo元素中的至少一种。制备方法包含以下3种制备工艺中的任何一种：工艺1：定向凝固→热轧→预时效→反复冷轧时效；工艺2：铸造→固溶→淬火→激光表面处理→温轧→时效；工艺3：快速凝固→激光表面处理→冷轧→时效。本发明合金的屈服强度为100～300MPa，抗拉强度为150～500MPa，延伸率为5～30％，硬度为50～200HV，作为钎焊合金使用时，最低钎焊温度可达565℃，与其他铝合金的钎焊润湿角<15°。可用于制造汽车发动机缸体、活塞、钎焊材料等。

Description

一种Al-Si-Mg-Li系铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种Al-Si-Mg-Li系铝合金及其制备方法，属于有色金属材料及冶金领域。
背景技术
铝合金密度低，符合轻量化的要求，同时具有较高的比强度、良好的延展性、优异的导电性、良好的导热性等优点；铝的回收成本低，回收再利用率高，符合可持续发展的要求，大量应用于航天、航空、汽车、建筑等行业。Al-Si合金具有良好的流动性和可铸造性，耐磨性和耐热性好，在汽车和航空航天工业中广泛应用于发动机缸体、活塞等部件的制造。向Al-Si合金中添加Mg得到可热处理强化Al-Si-Mg合金，强度高，耐蚀性好，可焊性好，是制造汽车散热器和建筑门窗等的重要材料。Al-Si-Mg合金真空钎焊时，Mg较活泼，作为活化剂与环境中残留的氧和水反应，保证真空度，还与Al2O3反应除去铝合金表面的氧化物，有利于钎焊的进行。
专利文献1公开了一种轻质铸造Al-Si-Li合金材料及其制备方法，该合金的质量百分比为Si：2～7％，Li：1～5％，Mg：0.1～3％，Mn：0～0.5％，Ti：0～0.5％，Be：0～0.5％，Zr：0～0.5％，Cr：0～0.5％，余量为Al和杂质。
专利文献2提供了一种轻质铸造Al-Si-Li-Cu合金材料及其制备方法，该合金的质量百分比为Si：2.5～7.0％，Li：1.0～4.0％，Cu：0.5～3.5％，Mg：0.5～3.0％，Zn：0.1～1.0％；Mn：0～0.5％，Zr：0～0.5％，Ti：0～0.5％，Be：0～0.5％，余量为Al和杂质。
专利文献3提供了一种高Cu含量Al-Si-Li-Cu铸造合金及其制备方法，该合金的质量百分比为Si：2～6％，Li：1～2.5％，Cu：3.5～5.5％，Mg：0.1～0.5％，Cr：0～0.5％，Zn：0.1～1％，Ti：0～0.5％，Zr：0～0.5％，Be：0～0.5％，余量为Al和杂质。
现有技术文献：
专利1：CN107587012B，一种轻质铸造Al-Si-Li合金材料及其制备方法；
专利2：CN107675038B，一种轻质铸造Al-Si-Li-Cu合金材料及其制备方法；
专利3：CN107699747B，一种高Cu含量Al-Si-Li-Cu铸造合金及其制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种Al-Si-Mg-Li系铝合金及其制备方法。
本发明的要旨如下所述，如无特别说明，成分百分比均默认为质量百分比，合金组织中第二相的尺寸为等效直径。
一种Al-Si-Mg-Li系铝合金，其特征在于合金成分为：Si：3.2～22％，Mg：3.1～15％，Li：0.01～10％，其余为Al。
所述铝合金经过定向凝固、激光表面处理、快速凝固、轧制变形和热处理后，合金力学性能显著提高，屈服强度为100～300MPa，抗拉强度为150～500MPa，延伸率为5～30％，硬度为50～200HV。
所述铝合金中Mg含量较高，使合金密度降低1.2～5.9％；使合金熔点降低至557～635℃，降低钎焊温度，保证环境的真空度，去除合金表面的氧化膜，提高钎焊效果；形成大量纳米级强化相Mg2Si，提高合金强度。
所述铝合金中的Li降低合金熔体的表面张力，提高其流动性，提高钎焊效果。当Li含量为0.01～0.99％时，也就是低Li含量时，所述铝合金经过固溶处理得到Al基单相固溶体，时效处理后析出纳米级Al3Li强化相，提高合金强度。当Li含量为1～4％(即是中Li含量)和Li含量为4.01～10％(即是高Li含量)时，所述铝合金经激光表面处理得到梯度组织，表层为含Si、Mg和Li等多种元素的Al基过饱和固溶体，内层组织含有较多第二相颗粒，经过后续轧制和时效处理后，其中的Si相细化至2～10μm，且析出纳米级Mg2Si和Al3Li强化相，表层硬度达到80～200HV，耐磨性好，内层强韧性高，可以获得耐磨高韧铝合金。Li的加入能进一步降低所述合金的密度，高、中、低Li含量分别将密度降低11.3～24.3％、3.1～11.3％、0.03～3.1％。
所述合金中Si、Mg和Li的共同加入使合金密度降低1.7～31％，达到1.86～2.65g/cm3，符合轻量化的要求。
进一步地，所述铝合金中还含有Cu、Ge、Ag、Zn、Mn、Zr、Cr、Ti、Bi、Sc、Y、Ni、Mo元素中的至少一种，它们的元素含量为Cu：0.01～5％，Ge：0.01～5％，Ag：0.01～5％，Zn：0.01～5％，Mn：0.01～3％，Zr：0.01～5％，Cr：0.01～5％，Ti：0.01～5％，Bi：0.01～5％，Sc：0.01～5％，Y：0.01～5％，Ni：0.01～5％，Mo：0.01～5％。加入Cu形成富Cu的GP区、纳米级Cu2Al析出相，提高合金的强度；加入Cu、Ge、Ag、Zn降低合金熔点，从而降低钎焊温度；加入Mn去除Fe杂质；加入Zr细化晶粒，同时形成弥散Al3Zr析出相，提高合金的塑性和韧性；加入Cr、Ti、Bi、Sc和Y细化晶粒和Si相，提高合金的力学性能；加入Mn、Ni和Mo提高合金的高温性能。
如上所述Al-Si-Mg-Li系合金的制备方法，所述工艺为以下3种的任何一种：
工艺1：定向凝固→热轧→预时效→反复冷轧时效；
工艺2：铸造→固溶→淬火→激光表面处理→温轧→时效；
工艺3：快速凝固→激光表面处理→冷轧→时效。
进一步地，工艺1所述的流程是：定向凝固的温度梯度为3～10K/mm，下拉速度为5～50mm/min；热轧温度为300～480℃，单道次变形量为10～80％，多道次总变形量为30～99.9％；预时效温度为70～150℃，保温30分钟～50天；反复冷轧单道次变形量为5～30％，多道次总变形量为50～99.9％，时效温度为100～300℃，保温时间为0.5～2h，每1～5个冷轧道次进行1次时效。反复冷轧时效后形成弥散分布的尺寸2～5μm的细小Si相，并形成柱状晶内纳米级Al3Li、Mg2Si、Cu2Al和Al3Zr多种析出相复合析出的组织，合金的强度和韧性高，抗蠕变性能好。
所述工艺1中，定向凝固在真空定向凝固炉内进行，按合金成分配料，先加入Al、Si，通入氩气，熔化后加入Mg、Li及其它合金元素。原料全部熔化后进行定向凝固。定向凝固形成平行于铸件轴向的柱状晶，消除横向晶界，提高合金的抗蠕变性能。热轧和预时效后形成弥散分布的纳米级GP区，提高合金的硬度和强度。
进一步地，工艺2所述的流程是：采用真空熔炼法，原料熔化进行电磁搅拌，精炼3～20min，然后浇铸在金属型或石墨模具中获得铸件。铸造熔炼温度为700～850℃；固溶温度为350～550℃，保温1～24h；淬火在0～100℃水或矿物淬火油中进行；激光表面处理的激光器功率为100W～6000W，光斑直径为0.5～6mm，扫描速度为10～900mm/min；温轧温度为100～300℃，单道次变形量为10～50％，多道次总变形量为20～99.9％；时效温度为100～300℃，保温时间为0.5～24h。
进一步地，处理后形成梯度组织，表层为固溶了Si、Mg和Li多种元素的Al基过饱和固溶体，晶粒尺寸为3～15μm，内层含有2～10μm的Si相，并形成纳米级Al3Li、Mg2Si、Cu2Al和Al3Zr等多种析出相，强度和韧性高；表层硬度为80～130HV，耐磨性好，内层强度和韧性高，获得耐磨高强韧铝合金。
进一步地，工艺3所述流程中：喷射沉积的喷射温度为720～850℃，雾化气压为1～3MPa，漏嘴孔径为2～4mm；激光表面处理的激光器功率为100W～6000W，光斑直径为0.5～6mm，扫描速度为10～900mm/min；冷轧单道次变形量为5～30％，多道次总变形量为50～99.9％；时效温度为100～300℃，保温0.5～24h。
进一步地，处理后形成与工艺2类似的梯度组织，表层为固溶了Si、Mg和Li多种元素的Al基过饱和固溶体，晶粒尺寸为3～15μm；内层含有2～10μm的Si相，并形成纳米级Al3Li、Mg2Si、Cu2Al和Al3Zr等多种析出相；组织更加细化，表层硬度高达100～200HV，耐磨性好，内层强度和韧性高，获得耐磨高强韧铝合金。
进一步地，经过所述的工艺加工后，密度为1.86～2.65g/cm3，屈服强度为100～300MPa，抗拉强度为150～500MPa，延伸率为5～30％，硬度为50～200HV,最低钎焊温度可达565℃，与其他铝合金的钎焊润湿角<15°。
本发明合金与现有文献的区别及由此带来的优势至少是下面的一项：
(1)现有文献没有提供本发明合金的成分设计及制备方法；
(2)现有文献没有提供本发明合金的梯度组织，同时达到高硬度和高韧性的效果；
(3)本发明合金的密度为1.86～2.65g/cm3，低于铝，接近镁；
(4)本发明合金中不含有毒元素，例如Be，绿色环保；
(5)本发明合金的屈服强度为100～300MPa，抗拉强度为150～500MPa，延伸率为5～30％，硬度为50～200HV，作为钎焊合金使用时，最低钎焊温度可达565℃，与其他铝合金的钎焊润湿角<15°。
具体实施方式
下面通过实施例更清楚地说明本发明的效果。本发明并不局限于以下实施例，可以在不变更要旨的范围内进行恰当变更实施。合金成分均默认为质量百分比。
实施例1：Al-Si-Mg-Li四元铝合金及其制备
工艺路线如下：定向凝固→热轧→预时效→反复冷轧时效→成品材。
发明例合金成分如表1-1所示。发明例合金以纯铝(>99.9％)、纯硅(>99.9％)、纯镁(>99.9％)、纯锂(>99.9％)为原料，按表1-1的成分配比将配料放入真空定向凝固炉内，先加入Al、Si，通入氩气，熔化后加入Mg、Li。原料全部熔化后定向凝固，温度梯度为3～10K/mm，下拉速度为5～50mm/min，得到具有柱状晶组织的铸件。然后热轧，热轧温度为300～480℃，单道次变形量为10～80％，多道次总变形量为30～99.9％。然后预时效，在130℃保温1天，形成弥散分布的纳米级GP区，合金硬度提高。然后反复冷轧时效获得成品材，冷轧单道次变形量为5～30％，多道次总变形量为50～99.9％，时效温度为100～300℃，保温时间为0.5～2h，每1～5个冷轧道次进行1次时效，形成弥散分布的尺寸为2～5μm细小的Si相，纳米级Al3Li和Mg2Si析出相，提高合金的硬度和强度。
按照国标GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》和GB/T4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》测得表1-1中发明例合金室温屈服强度为80～200MPa，抗拉强度为150～300MPa，延伸率为5～15％，硬度为50～100HV。
发明例合金与6061铝合金的钎焊润湿角<15°，而对比例Al-10.5Si-2Mg合金与6061铝合金的钎焊润湿角为80°，说明发明例合金的钎焊性能显著提高。
表1-1
Figure BDA0002355423280000051
实施例2：Al-Si-Mg-Li系五元铝合金及其制备
工艺路线如下：铸造→固溶→淬火→激光表面处理→温轧→时效→成品材。
发明例合金成分如表2-1所示。采用真空熔炼的方法制备铸锭，对熔体进行电磁搅拌，精炼3～20min，浇铸成型。然后固溶，温度为350～550℃，保温1～24h。然后在0～100℃水或矿物淬火油中进行淬火，获得过饱和Al基固溶体。然后进行激光表面处理，激光功率为100W～6000W，光斑直径为0.5～6mm，扫描速度为10～900mm/min，发明例合金表层的残留第二相溶解，形成溶质饱和程度更高的细晶Al基固溶体，固溶强化和细晶强化的效果强，表层硬度提高。然后在100～300℃温轧，单道次变形量为10～50％，多道次总变形量为20～99.9％，轧制后产生位错，为析出相提供更多形核位点，且Si相细化至2～10μm。然后进行时效，时效温度为100～300℃，保温时间为0.5～24h，实现纳米级Al3Li、Mg2Si、Cu2Al和Al3Zr等多种类型析出相的复合析出，发明例合金的强度和硬度提高。最终，形成梯度组织，表层高硬，内部强度高、韧性高，发明例合金兼具高硬度和高韧性，耐磨性好。
按照实施例1中的测试方法，测得表2-1中发明例合金的室温屈服强度为100～250MPa，抗拉强度为120～400MPa，延伸率为10～30％，硬度为80～130HV。
表2-1
Figure BDA0002355423280000061
Figure BDA0002355423280000071
实施例3：Al-Si-Mg-Li系多元铝合金及其制备
工艺路线如下：快速凝固→激光表面处理→冷轧→时效→成品材。
发明例合金的成分如表3-1所示。采用喷射沉积的方法制备发明例合金，喷射温度为720～850℃，雾化气压为1～3MPa，漏嘴孔径为2～4mm，将Si相尺寸细化至2～10μm。然后进行激光表面处理，工艺参数与实施例2中相同，获得梯度组织，表层为晶粒尺寸为3～15μm的Al基过饱和固溶体，硬度高，而内层组织与表层不同，韧性高。然后冷轧，单道次变形量为5～30％，多道次总变形量为50～99.9％，使组织更加致密，且合金中位错密度增加，为析出相提供更多形核位点，使析出相分布更加均匀。然后进行时效获得成品材，时效温度为100～300℃，保温时间为0.5～24h，实现纳米级Al3Li、Mg2Si、Cu2Al和Al3Zr等多种类型析出相的复合析出，发明例合金的强度和硬度提高。
按照实施例1中的方法测试，测得表3-1中的发明例合金的室温屈服强度为150～300MPa，抗拉强度为180～500MPa，延伸率为10～25％，硬度为100～200HV。
表3-1
发明例 合金成分(质量百分比，wt.％)
22 Al-3.2Si-3.1Mg-(0.01～0.5)Li-(1～4)Cu-(0.1～0.5)Zr
23 Al-4Si-(3.1～4)Mg-(0.5～0.9)Li-(0.6～1)Mn-(0.02～0.05)Ti
24 Al-7.5Si-(5～7)Mg-(4.1～4.5)Li-(0.6～1.5)Zr-(0.6～1)Bi
25 Al-8Si-(3.1～4.5)Mg-(0.2～0.8)Li-(0.1～0.4)Cu-(0.3～1)Mn-(0.6～1)Zr
26 Al-10Si-(6～8)Mg-(5.1～6.5)Li-(2～3)Ge-(0.1～0.6)Ti-(0.2～1)Sc
27 Al-15Si-(9～15)Mg-(0.1～0.9)Li-(1～3)Cu-(1～2)Mo-(0.5～1.5)Ti-(0.5～1)Ni
28 Al-18Si-(4.5～5)Mg-(7～10)Li-(0.6～0.9)Ag-(1～2)Ti-(3～5)Sc-(1～5)Cr
29 Al-22Si-3.2Mg-0.05Li-(1～5)Zn-(1～5)Y-(1～3)Bi-(1～2)Cr-(0.01～1)Mo

Claims (4)

1.一种Al-Si-Mg-Li系铝合金的制备方法，其特征在于，
所述Al-Si-Mg-Li系铝合金按照质量百分比的化学组成为：Si：3.2~22%，Mg：3.1~15%，Li：0.01~10%，其余为Al；
所述铝合金中还含有Cu、Ge、Ag、Zn、Mn、Zr、Cr、Ti、Bi、Sc、Y、Ni、Mo元素中的至少一种，它们的含量为Cu：0.01~5%，Ge：0.01~5%，Ag：0.01~5%，Zn：0.01~5%，Mn：0.01~3%，Zr：0.01~5%，Cr：0.01~5%，Ti：0.01~5%，Bi：0.01~5%，Sc：0.01~5%，Y：0.01~5%，Ni：0.01~5%，Mo：0.01~5%；
所述铝合金的密度为1.86~2.65 g/cm3，屈服强度为100~300MPa，抗拉强度为150~500MPa，延伸率为5~30%，硬度为50~200HV，最低钎焊温度可达565℃，与其他铝合金的钎焊润湿角<15°；
所述制备方法包含以下3种制备工艺中的任何一种：
工艺1：定向凝固→热轧→预时效→反复冷轧时效；
工艺2：铸造→固溶→淬火→激光表面处理→温轧→时效；
工艺3：快速凝固→激光表面处理→冷轧→时效；
工艺1所述的流程是：定向凝固的温度梯度为3~10K/mm，下拉速度为5~50mm/min；热轧温度为300~480℃，单道次变形量为10~80%，多道次总变形量为30~99.9%；预时效温度为70~150℃，保温30分钟~50天；冷轧单道次变形量为5~30%，多道次总变形量为50~99.9%，时效温度为100~300℃，保温时间为0.5~2h，每1~5个冷轧道次进行1次时效；
工艺2所述的流程是：铸造熔炼温度为700~850℃；固溶温度为350~550℃，保温1~24h；淬火在0~100℃水或矿物淬火油中进行；激光表面处理的激光器功率为100W~6000W，光斑直径为0.5~6mm，扫描速度为10~900mm/min；温轧温度为100~300℃，单道次变形量为10~50%，多道次总变形量为20~99.9%；时效温度为100~300℃，保温时间为0.5~24h；
工艺3所述流程中：喷射沉积的喷射温度为720~850℃，雾化气压为1~3MPa，漏嘴孔径为2~4mm；激光表面处理的激光器功率为100W~6000W，光斑直径为0.5~6mm，扫描速度为10~900mm/min；冷轧单道次变形量为5~30%，多道次总变形量为50~99.9%；时效温度为100~300℃，保温0.5~24h。
2.如权利要求1所述Al-Si-Mg-Li系铝合金的制备方法，其特征在于，工艺1中反复冷轧时效后形成弥散分布的尺寸2~5μm的细小Si相，并形成柱状晶内纳米级Al3Li、Mg2Si、Cu2Al和Al3Zr多种析出相复合析出的组织，合金的强度和韧性高，抗蠕变性能好。
3.如权利要求1所述的Al-Si-Mg-Li系铝合金的制备方法，其特征在于工艺2中处理后形成梯度组织，表层为固溶了Si、Mg和Li多种元素的Al基过饱和固溶体，晶粒尺寸为3~15μm；内层含有2~10μm的Si相，纳米级Al3Li、Mg2Si、Cu2Al和Al3Zr多种析出相，强度和韧性高；表层硬度为80~130HV，耐磨性好，内层强度和韧性高，获得耐磨高强韧铝合金。
4.如权利要求1所述Al-Si-Mg-Li系铝合金的制备方法，其特征在于工艺3中处理后形成梯度组织，表层为固溶了Si、Mg和Li多种元素的Al基过饱和固溶体，晶粒尺寸为3~15μm；内层含有2~10μm的Si相，并形成纳米级Al3Li、Mg2Si、Cu2Al和Al3Zr多种析出相；组织更加细化，表层硬度高达100~200HV，耐磨性好，内层强度和韧性高，获得耐磨高强韧铝合金。
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