CN112143945B

CN112143945B - 一种多种复合稀土元素的高强韧性铸造铝硅合金及其制备方法

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Publication number: CN112143945B
Application number: CN202011010253.9A
Authority: CN
Inventors: 彭以辉; 答建成
Original assignee: Shanghai Yaohong Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Yaohong Technology Co ltd
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2040-09-23
Also published as: CN112143945A

Abstract

本发明涉及一种多种复合稀土元素的高强韧性铸造铝硅合金及其制备方法。其中复合稀土元素的高强韧性铸造铝硅合金通过稀土合金元素及铝钛硼细化剂能够变质、细化铸造铝硅合金中共晶硅，改善共晶硅形貌，使其球化效果，合金的强度和延伸率显著提高。在制备方法中通过强化固溶处理和多级时效工艺的处理手段，所制备的合金力学性能强的同时具有强韧性且所述方法提高了固溶过饱和度，减少粗大难熔相，同时提高析出程度，且时效工艺简单、可行性强。

Description

一种多种复合稀土元素的高强韧性铸造铝硅合金及其制备方法

背景技术

亚共晶铝硅合金是一种具有Al-Si-Mg组成的三元合金，具有很好的流动性，无热烈倾向，线收缩性小，比强度高，铸造性能较好，广泛应用于航空、航天、汽车、建筑等行业。但对未变质处理的亚共晶铝硅合金，硅相形貌通常呈现粗大的针状、片状形态分布于铝基体，使得铝基体受到严重割裂，并在硅相的尖端和棱角处易造成应力集中，是材料强度、塑性、加工性受到显著降低。因此，为提高亚共晶Al-Si-Mg合金的机械性能至关重要。

为了提高该合金材料的综合力学性能，通常对亚共晶铝硅合金中的硅相形貌、尺寸及分布变质处理，这一直是材料领域研究的重要方向。

现有技术中有一些对亚共晶铝硅合金的硅相变质的研究，专利CN201711260156.3通过稀土元素微合金化提升铸造铝硅合金的方法，元素添加上单一、过程复杂，工业化程度相对繁琐。而专利CN201711262507.4通过石墨烯和稀土协同对铸造铝硅合金性能改性，制备方法很有创新性，但石墨烯成本极高，不利于工业化实施。而专利[CN201310357490.6]通过单一稀土镱合金改性铝硅合金，文中重在改性硅在9-13.5％，同时还增加新的超声工艺，对工业化实施成本增加。

发明专利CN102304651 B中，通过装料、熔化及精炼、变质处理、浇注和热处理步骤在内的熔炼工艺处理，其后通过固溶处理和时效处理在内的热处理，制备成分为硅9-11％、锌3-5％、镁0.4-1.0％，铜2.0-3.0％，锰≤0.3％，余为铝的铸造硅铝金，其本质上是利用合金化原理，增加了在时效时析出的强化相CuAl2数量并得到强化效果较好地Al-Zn-Mg-Cu化合物。其强化效果较好，但是仍不能满足日益增长的强度和韧性需求。

发明专利CN103938004 B中公开了一种近共晶铸造铝硅合金的组织控制方法，以工业纯铝、ZL102、Al-Sr、Al-B及Al-La、Al-Ce和Al-Re三者中的一种为原料，并按各成分的质量百分比为：Si：9-12％；B：0.05％-0.5％；La、Ce或RE：0.01％-0.1％；Sr：0.02-0.03％；余量为Al进行备料。其发明目的是解决硼和锶的毒化作用，在保证变质效果的同时获得细小等轴状初生铝。但是其变质效果、制备方法和组分比例所获得的的产品的亦不能满足材料领域发展的强度和韧性以及最佳制备工艺的需求。

发明概述

本发明属于有色金属材料铸造合金技术领域，涉及一种多种复合稀土元素的高强韧性铸造铝硅合金及其制备方法，具体是一种采用多种稀土元素复合后变质铝硅系合金，同时利用固溶工艺、多级时效工艺手段获得高强韧性的铸造铝硅合金。

本发明提供一种多种复合稀土元素的高强韧性铸造铝硅合金，由如下以重量百分比含量的各组分组成：

Si为6.5-7.45％，

Mg为0.25-0.48％，

Ti为0.08-0.30％，

其余为Al，

杂质：Fe≤0.15％，其余杂质(Cu，Zn，Mn，Ca，Pb总和控制在0.1％)，

稀土合金为Yb、Ce、Sc复合。

本发明提供一种多种复合稀土元素的高强韧性铸造铝硅合金的制备方法，同时寻求提供复合稀土元素的高强韧性铸造铝硅合金的最佳工艺条件。

附图说明

图1：铝硅系合金熔炼的制备方法流程图。

图2：高强韧性铸造铝硅合金固溶和多级时效工艺。

图3：高强韧性铸造铝硅合金金相组织(100x倍下)。

图4：高强韧性铸造铝硅合金金相组织(500x倍下)。

图5：高强韧性铸造铝硅合金拉伸性能曲线。

发明详述

Si为6.5-7.45％，

Mg为0.25-0.48％，

Ti为0.08-0.30％，

其余为Al，

稀土合金为Yb、Ce、Sc复合。

优选地，所述稀土的比重控制：Yb：0.1-0.8％；Ce：0.05-0.3％；Sc：0.1-1.5％。

优选地，所述的稀土材料和高纯铝经合金化，随后按复合配比后在精炼后加入铝硅合金材料中。

优选地，Al-10Yb，Al-2Sc，Al-10Ce。

本发明还提供多种复合稀土元素的高强韧性铸造铝硅合金的制备方法，包括熔炼和固溶工艺和多级时效工艺。硅铝系合金的制备工艺流程图参见附图1，固溶工艺和多级时效工艺流程图可参见附图2。具体的经过优化的步骤详述如下：

所述的熔炼包括如下步骤：

S1、配料：将铝硅合金、纯镁、铝钛硼中间合金、稀土中间合金按要求的质量百分比称量后预热。

S2、熔炼：先将S1中预热的铝硅合金、纯镁分别加入到提前升温石墨坩埚内，在760-800度范围内加热熔化成铝水。

S3、第一次除气除渣：S2中的铝水熔化后，通入氩气后用吹入清渣剂(不含钠盐和钾盐的清渣剂)到铝水中，通气时间控制在10-15分钟；并打捞干净铝水表层的渣杂质。

S4、静置：将S3中的铝水静置10-15分钟，温度控制在760-800度下。

优选地，对S4静置的铝水取样测定化学成分和氢气量。

化学成分：标准按照上述要求即可；

氢气含量要求：大于等于2.65g/cm³；

测氢过程中必须抽真空处理，若氢含量不合格，继续S3。

化学成分不合格，要求调整即可。

S5、加稀土合金：对S3-S4各项合格满足要求的铝水，将温度控制在760-800度时，将稀土合金材料及铝钛硼中间合金加入。

S6、搅拌：用搅拌器对S5加入后熔化的稀土合金搅拌，搅拌过程中需要均匀搅拌，搅拌3-8分钟。

S7、保温：对S6搅拌的稀土铝水保温，温度控制在800-830度下，保温时间控制在8-20分钟。

S8、精炼：保温结束后，通入氩气后用吹入清渣剂(不含钠盐和钾盐的清渣剂)到铝水中，通气时间控制在10-15分钟；并打捞干净铝水表层的渣杂质。

优选地，精炼过程中，氩气通过石墨除气棒时，通气量不能太大，必须适量，保证铝水卷入少量的气体，防止氢气超标。

S9、保温静置：精炼结束后，铝水流入保温池中后，温度控制在690-715度时，静置10-15分钟左右即可。

优选地，对S9静置的铝水取样测定化学成分和氢气量

化学成分：标准按照上述要求即可；

氢气含量要求：大于等于2.65g/cm3；

测氢过程中必须抽真空处理，若氢含量不合格，继续S3。

化学成分不合格，要求调整即可。

S10、浇铸：预热模具在250-400度时将上述温度控制在690-715时的稀土铝水浇铸即可。

所述的固溶工艺和多级时效工艺包括如下步骤：

S1、固溶工艺：对上述样品进行在真空炉中保温，温度控制在535-545度，保温时间控制在2.5-5小时。

S2、淬火工艺：将S1保温的样品淬水处理，水温控制在50-80度，停留在水中的时间1.5-4分钟，试验转移时间小于30秒。

S3、第一阶段时效工艺：将S1-S2过程的样品放入时效炉中人工时效处理，温度控制在120-145度，时效时间控制在2-6小时。

S4、第二阶段时效工艺：将S3过程的样品放入时效炉中二次人工时效处理，温度控制在160-185度，时效时间控制在0.5-2小时。

实施例

实施例1

熔炼：

S1、配料：将铝硅合金、纯镁、铝钛硼中间合金、稀土中间合金按要求的质量百分比称量后预热。化学成分以重量百分比含量的各组分组成：

Si为7.25％，

Mg为0.38％，

Ti为0.15％，

其余为Al，

稀土合金为Yb、Ce、Sc复合。

Yb：0.25％；Ce：0.15％；Sc：0.25％。

S2、熔炼：先将S1中预热的铝硅合金、纯镁分别加入到提前升温石墨坩埚内，在760度加热熔化成铝水。

S3、第一次除气除渣：S2中的铝水熔化后，通入氩气后用吹入清渣剂(不含钠盐和钾盐的清渣剂)到铝水中，通气时间控制在10分钟；并打捞干净铝水表层的渣杂质。

S4、静置：将S3中的铝水静置10分钟，温度控制在760度。

对S4静置的铝水取样测定化学成分和氢气量。

化学成分：标准按照上述要求即可；

氢气含量要求：大于等于2.65g/cm³；

测氢过程中必须抽真空处理，若氢含量不合格，继续S3。

S5、加稀土合金：对S3-S4各项合格满足要求的铝水，将温度控制在760度时，将稀土合金材料及铝钛硼中间合金加入。

S7、保温：对S6搅拌的稀土铝水保温，温度控制在800度下，保温时间控制在8分钟。

S8、精炼：保温结束后，通入氩气后用吹入清渣剂(不含钠盐和钾盐的清渣剂)到铝水中，通气时间控制在10分钟；并打捞干净铝水表层的渣杂质。

精炼过程中，氩气通过石墨除气棒时，通气量不能太大，必须适量，保证铝水卷入少量的气体，防止氢气超标。

S9、保温静置：精炼结束后，铝水流入保温池中后，温度控制在690度时，静置10分钟左右即可。

对S9静置的铝水取样测定化学成分和氢气量；

化学成分：标准按照上述要求即可；

氢气含量要求：大于等于2.65g/cm³；

测氢过程中必须抽真空处理，若氢含量不合格，继续S3。

S10、浇铸：预热模具在250度时将上述温度控制在690度时的稀土铝水浇铸即可。

固溶工艺和多级时效工艺：

S1、固溶工艺：对上述样品进行在真空炉中保温，温度控制在535度，保温时间控制在2.5小时。

S2、淬火工艺：将S1保温的样品淬水处理，水温控制在50度，停留在水中的时间1.5分钟，试验转移时间小于30秒。

S3、第一阶段时效工艺：将S1-S2过程的样品放入时效炉中人工时效处理，温度控制在120度，时效时间控制在2小时。

S4、第二阶段时效工艺：将S3过程的样品放入时效炉中二次人工时效处理，温度控制在160度，时效时间控制在0.5小时。

实施例2

熔炼：

Si为7.25％，

Mg为0.38％，

Ti为0.15％，

其余为Al，

稀土合金为Yb、Ce、Sc复合。

Yb：0.5％；Ce：0.25％；Sc：0.6％。

S2、熔炼：先将S1中预热的铝硅合金、纯镁分别加入到提前升温石墨坩埚内，在800度加热熔化成铝水。

S3、第一次除气除渣：S2中的铝水熔化后，通入氩气后用吹入清渣剂(不含钠盐和钾盐的清渣剂)到铝水中，通气时间控制在15分钟；并打捞干净铝水表层的渣杂质。

S4、静置：将S3中的铝水静置15分钟，温度控制在760度。

对S4静置的铝水取样测定化学成分和氢气量。

化学成分：标准按照上述要求即可；

氢气含量要求：大于等于2.65g/cm³；

测氢过程中必须抽真空处理，若氢含量不合格，继续S3。

S5、加稀土合金：对S3-S4各项合格满足要求的铝水，将温度控制在800度时，将稀土合金材料及铝钛硼中间合金加入。

S6、搅拌：用搅拌器对S5加入后熔化的稀土合金搅拌，搅拌过程中需要均匀搅拌，搅拌8分钟。

S7、保温：对S6搅拌的稀土铝水保温，温度控制在830度下，保温时间控制在20分钟。

S8、精炼：保温结束后，通入氩气后用吹入清渣剂(不含钠盐和钾盐的清渣剂)到铝水中，通气时间控制在15分钟；并打捞干净铝水表层的渣杂质。

S9、保温静置：精炼结束后，铝水流入保温池中后，温度控制在690度时，静置15分钟左右即可。

对S9静置的铝水取样测定化学成分和氢气量；

化学成分：标准按照上述要求即可；

氢气含量要求：大于等于2.65g/cm³；

测氢过程中必须抽真空处理，若氢含量不合格，继续S3。

S10、浇铸：预热模具在400度时将上述温度控制在715度时的稀土铝水浇铸即可。

固溶工艺和多级时效工艺：

S1、固溶工艺：对上述样品进行在真空炉中保温，温度控制在545度，保温时间控制在5小时。

S2、淬火工艺：将S1保温的样品淬水处理，水温控制在80度，停留在水中的时间4分钟，试验转移时间小于30秒。

S3、第一阶段时效工艺：将S1-S2过程的样品放入时效炉中人工时效处理，温度控制在145度，时效时间控制在6小时。

S4、第二阶段时效工艺：将S3过程的样品放入时效炉中二次人工时效处理，温度控制在185度，时效时间控制在2小时。

实施例3

熔炼：

Si为7.25％，

Mg为0.42％，

Ti为0.15％，

其余为Al，

杂质：Fe≤0.15％，其余杂质(Cu，Zn，Mn，Ca，Pb总和控制在0.1％)

稀土合金为Yb、Ce、Sc复合。

Yb：0.25％；Ce：0.15％；Sc：0.3％。

S2、熔炼：先将S1中预热的铝硅合金、纯镁分别加入到提前升温石墨坩埚内，在780度加热熔化成铝水。

S3、第一次除气除渣：S2中的铝水熔化后，通入氩气后用吹入清渣剂(不含钠盐和钾盐的清渣剂)到铝水中，通气时间控制在13分钟；并打捞干净铝水表层的渣杂质。

S4、静置：将S3中的铝水静置12分钟，温度控制在760度。

对S4静置的铝水取样测定化学成分和氢气量。

化学成分：标准按照上述要求即可；

氢气含量要求：大于等于2.65g/cm³；

测氢过程中必须抽真空处理，若氢含量不合格，继续S3。

S5、加稀土合金：对S3-S4各项合格满足要求的铝水，将温度控制在780度时，将稀土合金材料及铝钛硼中间合金加入。

S6、搅拌：用搅拌器对S5加入后熔化的稀土合金搅拌，搅拌过程中需要均匀搅拌，搅拌5分钟。

S7、保温：对S6搅拌的稀土铝水保温，温度控制在815度下，保温时间控制在14分钟。

S8、精炼：保温结束后，通入氩气后用吹入清渣剂(不含钠盐和钾盐的清渣剂)到铝水中，通气时间控制在13分钟；并打捞干净铝水表层的渣杂质。

S9、保温静置：精炼结束后，铝水流入保温池中后，温度控制在690度时，静置12分钟左右即可。

对S9静置的铝水取样测定化学成分和氢气量；

化学成分：标准按照上述要求即可；

氢气含量要求：大于等于2.65g/cm³；

测氢过程中必须抽真空处理，若氢含量不合格，继续S3。

S10、浇铸：预热模具在300度时将上述温度控制在700度时的稀土铝水浇铸即可。

固溶工艺和多级时效工艺：

S1、固溶工艺：对上述样品进行在真空炉中保温，温度控制在540度，保温时间控制在4小时。

S2、淬火工艺：将S1保温的样品淬水处理，水温控制在65度，停留在水中的时间3分钟，试验转移时间小于30秒。

S3、第一阶段时效工艺：将S1-S2过程的样品放入时效炉中人工时效处理，温度控制在130度，时效时间控制在4小时。

S4、第二阶段时效工艺：将S3过程的样品放入时效炉中二次人工时效处理，温度控制在175度，时效时间控制在1小时。

对比实施例

化学成分以重量百分比含量的各组分组成：

Si为7.25％，

Mg为0.38％，

Ti为0.15％，

其余为Al，

铝锶中间合金(Al-10Sr)：Sr：0.18％。

杂质：Fe≤0.15％，其余杂质(Cu，Zn，Mn，Ca，Pb总和控制在0.1％)。

对比实施例的熔炼、固溶工艺和多级时效工艺的具体步骤和参数同实施例2和3。

讨论

附图3-4示意性给出了实施例所制备的100倍和500倍金相显微结果，其效果明显优于背景技术中方法和化学成分组成的硅铝合金，且优于对比实施例。附图5给出了通过本发明的熔炼、固溶工艺和多级时效工艺制备的特定范围内的化学成分组成的硅铝合金的拉伸性能，其机械性能亦明显优于北京技术中方法和化学成分组成的硅铝合金，且优于对比实施例(应力270MPa位移4.3mm所示)。本发明制备的多种复合稀土元素的高强韧性铸造铝硅合金，通过添加稀土合金元素及铝钛硼细化剂能够变质、细化铸造铝硅合金中共晶硅，改善共晶硅形貌，使其球化效果，显著提高了合金的强度和延伸率。对铸造铝硅系合金采用强化固溶处理，在不提高合金元素含量的情况下，显著增加了固溶体的过饱和度，更进一步减少了粗大难熔相，有效地提高了后续时效的析出程度，明显改善了合金力学性能。采用多级时效工艺的处理手段，使晶内析出更多细小弥散的强化相，让合金在保持T6态的强度的同时，又能获得良好的韧性。同时本发明熔炼、固溶、时效工艺简单可行性强，工业过程中各工艺过程简单可行。

参考文献

1.CN102304651 B，铸造铝硅合金及强化方法

2.CN103938004 B，一种近共晶铸造铝硅合金组织控制方法

3.CN103421998 A，一种稀土镁合金的生产工艺

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尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种多种复合稀土元素的高强韧性铸造铝硅合金，由如下以重量百分比含量的各组分组成：

Si为6.5-7.45%，

Mg为0.25-0.48%，

Ti为0.08-0.30%，

其余为Al，

杂质：Fe≤0.15%，其余杂质Cu,Zn,Mn,Ca,Pb总和控制在0.1%；

稀土合金为Yb、Ce、Sc复合，所述稀土的比重控制：Yb:0.1-0.8%；Ce:0.05-0.3%；Sc:0.1-1.5%；

高强韧性铸造铝硅合金的制备方法包括熔炼工艺、固溶工艺和多级时效工艺；

所述的熔炼工艺包括如下步骤：

S1、配料：将铝硅合金、纯镁、铝钛硼中间合金、稀土中间合金按要求的质量百分比称量后预热；

S2、熔炼：先将S1中预热的铝硅合金、纯镁分别加入到提前升温石墨坩埚内，在760-800度范围内加热熔化成铝水；

S3、第一次除气除渣：S2中的铝水熔化后，通入氩气后，吹入不含钠盐和钾盐的清渣剂到铝水中，通气时间控制在10-15分钟；并打捞干净铝水表层的渣杂质；

S4、静置：将S3中的铝水静置10-15分钟，温度控制在760-800度；

其中，对S4静置的铝水取样测定化学成分和氢气量；

化学成分：标准按照上述要求即可；

氢气含量要求：大于等于2.65g/cm3；

测氢过程中必须抽真空处理，若氢含量不合格，继续S3；

S5、加稀土合金：对S3-S4 各项合格满足要求的铝水，将温度控制在760-800度时，将稀土合金材料及铝钛硼中间合金加入；

S6、搅拌：用搅拌器对S5加入后熔化的稀土合金搅拌，搅拌过程中需要均匀搅拌，搅拌3-8分钟；

S7、保温：对S6搅拌的稀土铝水保温，温度控制在800-830度，保温时间控制在8-20分钟；

S8、精炼：保温结束后，通入氩气后吹入不含钠盐和钾盐的清渣剂到铝水中，通气时间控制在10-15分钟；并打捞干净铝水表层的渣杂质；

其中，精炼过程中，氩气通过石墨除气棒时，通气量不能太大，必须适量，保证铝水卷入少量的气体，防止氢气超标；

S9、保温静置：精炼结束后，铝水流入保温池中后，温度控制在690-715度时，静置10-15分钟即可；

其中，对S9静置的铝水取样测定化学成分和氢气量；

化学成分：标准按照上述要求即可；

氢气含量要求：大于等于2.65g/cm³；

测氢过程中必须抽真空处理，若氢含量不合格，继续S3；

S10、浇铸：预热模具在250-400度时，将上述温度控制在690-715度时的稀土铝水浇铸即可；

所述的固溶工艺和多级时效工艺包括如下步骤：

S1、固溶工艺：对上述样品进行在真空炉中保温，温度控制在540-545度，保温时间控制在2.5-5小时；

S2、淬火工艺:将S1保温的样品淬水处理，水温控制在50-65度，停留在水中的时间1.5-4分钟，试验转移时间小于30秒；

S3、第一阶段时效工艺：将S1-S2过程的样品放入时效炉中人工时效处理，温度控制在120-145度，时效时间控制在2-6小时；

2.如权利要求1所述的多种复合稀土元素的高强韧性铸造铝硅合金，所述的稀土材料和高纯铝经合金化，随后按复合配比后在精炼后加入铝硅合金材料中，Al-10Yb，Al-2Sc，Al-10Ce。

3.如权利要求1所述的多种复合稀土元素的高强韧性铸造铝硅合金，由如下以重量百分比含量的各组分组成：

Si为7.25%，

Mg为0.38%，

Ti为0.15%，

其余为Al，

杂质：Fe≤0.15%，其余杂质Cu,Zn,Mn,Ca,Pb总和控制在0.1%；

Yb:0.25%；Ce:0.15%；Sc:0.25%。

4.如权利要求1所述的多种复合稀土元素的高强韧性铸造铝硅合金，由如下以重量百分比含量的各组分组成：

Si为7.25%，

Mg为0.38%，

Ti为0.15%，

其余为Al，

杂质：Fe≤0.15%，其余杂质Cu,Zn,Mn,Ca,Pb总和控制在0.1%；

稀土合金为Yb、Ce、Sc复合；

Yb:0.5%；Ce:0.25%；Sc:0.6%。

5.如权利要求1所述的多种复合稀土元素的高强韧性铸造铝硅合金，由如下以重量百分比含量的各组分组成：

Si为7.25%，

Mg为0.42%，

Ti为0.15%，

其余为Al，

杂质：Fe≤0.15%，其余杂质Cu,Zn,Mn,Ca,Pb总和控制在0.1%；

稀土合金为Yb、Ce、Sc复合；

Yb:0.25%；Ce:0.15%；Sc:0.3%。