CN112899534B

CN112899534B - 一种高强度高镁铝合金及其铸造工艺

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Publication number: CN112899534B
Application number: CN202110105798.6A
Authority: CN
Inventors: 冀辉; 李成坤; 崔静云; 赵彬
Original assignee: Kangshuo Shanxi Intelligent Manufacturing Co ltd
Current assignee: Kangshuo Shanxi Intelligent Manufacturing Co ltd
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2041-01-26
Also published as: CN112899534A

Abstract

本申请涉及镁铝合金及其制造的技术领域，具体公开了一种高强度高镁铝合金及其铸造工艺。高镁铝合金的铸造工艺包括以下步骤：S1、准备高镁铝合金制备的原料：制备高镁铝合金原料以质量百分比计，包括Mg 7.96~11.02%，Mn 0.50~0.80%，Zr 0.1~0.9%，Sc 0.30~0.56%，Fe 0.01~0.15%，Cd 0.02~0.16%，Ti 0.03~0.12%，Cr 0.3~0.52%，余量为Al和其他不可避免的杂质；S2、熔炼铝锭后加入其它合金原料并熔炼；S3、精炼；S4、加入晶粒细化剂并除渣；S5、铸造；S6、退火即可。本申请的高镁铝合金具有力学性能优异的优点。

Description

一种高强度高镁铝合金及其铸造工艺

技术领域

本申请涉及镁铝合金及其制造的技术领域，更具体地说，它涉及一种高强度高镁铝合金及其铸造工艺。

背景技术

镁铝合金因为其良好的耐酸碱腐蚀性能被广泛用于海洋工作平台，除了要求镁铝合金的耐酸碱腐蚀性能外，对镁铝合金的强度也有越来越高的要求。通过研究发现，镁含量的提高能够提高镁铝合金的强度，此外，微合金化也对镁铝合金的强度有贡献。目前，镁含量在7-17.4％区间内的合金称为高镁铝合金，镁含量高于亚共晶点对应含量的合金称为超高镁铝合金，在相关研究中，镁的添加量高达18-20％。但是，当镁添加量高于7％时，存在合金难以铸造成形的问题。而在进行微合金化研究方面，有相关人员通过添加Sc、Zr来进一步提高镁铝合金的强度，但是其相关研究主要集中于低镁含量(镁含量低于6％，wt)的铝镁合金的性能分析。

而对于高镁铝合金的铸造方面，常用的铸造方法包括普通砂型铸造、熔模铸造、压铸、金属型铸造、低压铸造以及离心铸造等。

其中，对于高镁铝合金铸造工艺中，针对镁含量高达13％的合金铸造时，需采用离心铸造(也称为旋转铸造)工艺进行合金铸造，以克服因没含量过高带来的合金不易铸造成型的问题。此外，其合金成分中加入Sc、Zr来进一步提高镁铝合金强度，最终其屈服强度在240-300Mpa的范围内，抗拉强度在390-500MPa的范围内。

而对于镁含量为7-11％的高镁铝合金的制备，常采用的铸造工艺为熔模铸造，其得到的高镁铝合金的屈服强度为140-210Mpa的范围内，抗拉强度为250-280MPa，由此可见，其强度远低于通过旋转铸造制备得到的高镁铝合金。

发明内容

为了进一步提高镁铝合金的强度，本申请提供一种高强度高镁铝合金及其铸造工艺。

第一方面，本申请提供一种高强度高镁铝合金，采用如下的技术方案：一种高强度高镁铝合金，制备高镁铝合金的原料以质量百分比计，包括Mg7.96～11.02％，Mn 0.50～0.80％，Zr 0.1～0.9％，Sc 0.30～0.56％，Fe 0.01～0.15％，Cd 0.02～0.16％，Ti 0.03～0.12％，Cr 0.3～0.52％，余量为Al和其他不可避免的杂质。

通过采用上述技术方案，在制备高镁铝合金时，首先通过提高Mg含量来提高本申请的高镁铝合金的拉伸强度和屈服强度，同时以Zr、Sc和Cd的同时加入进一步提高本申请高镁铝合金的拉伸强度和屈服强度。其中，在铝镁合金中添加Sc能够通过形成Al₃Sc相来提高合金强度，而Zr能够避免Al₃Sc相的粗化，从而提高合金的热稳定性，进而提高并保证高镁铝合金优异的拉伸强度和屈服强度。而Cd的添加，其能够与Zr共同作用，进一步提高镁铝合金的拉伸强度和屈服强度。最终制备得到的高镁铝合金的拉伸强度为331～388MPa，屈服强度为212～263MPa。当制备高镁铝合金的原料中不包含有Zr、Sc中的任意一种时，高镁铝合金的强度将显著降低，其拉伸强度分别降低了25.50％、26.39％，屈服强度分别降低了33.84％、34.98％。此外，Cd的添加量在超过0.16％时，高镁铝合金的拉伸强度不高于286MPa、屈服强度不高于174MPa。

优选的，制备高镁铝合金的原料包括Mg 9.31～11.02％，Mn 0.55～0.65％，Zr0.5～0.8％，Sc 0.41～0.56％，Fe 0.01～0.15％，Cd 0.07～0.15％，Ti 0.08～0.10％，Cr0.36～0.42％，余量为Al和其他不可避免的杂质。

通过采用上述技术方案，本申请的高镁铝合金的Mg含量优选为9.31～11.02％，其含量不宜过高，否则会影响合金成型。而其他组分控制在上述的含量范围内时能够进一步优化该高镁铝合金的拉伸强度和屈服强度。

第二方面，本申请提供一种高强度高镁铝合金的制备工艺，采用如下的技术方案：

一种高强度高镁铝合金的制备工艺，包括以下步骤：

S1、准备高镁铝合金制备的原料：

S2、熔炼铝锭，随后加入其它合金原料并熔炼，得到初始熔炼合金液；

S3、将所述初始熔炼合金液进行精炼，得到精炼合金液；

S4、将所述精炼合金液加入晶粒细化剂，去除炉渣；

S5、将S4中的合金液进行铸造，得到铸态合金；

S6、将所述铸态合金经退火后得到所述高强度高镁铝合金。

通过采用上述技术方案，在进行高镁铝合金的铸造时，将铝锭熔炼后，铝熔液中会含有气泡，而精炼步骤的目的在将铝熔液中的气泡去除，使得凝固后高镁铝合金的表面光滑，具有优异的表面性能。晶粒细化剂具有优异的细化效果，通过晶粒细化剂的加入能够改善铸件表面质量，使铸件得到细小的等轴晶，尤其是减少铸件冷隔、消除毛晶和柱状晶，能有效地克服铸造裂纹，改善铸件外观。

优选的，S2的具体步骤为：熔炼铝锭的温度为720～780℃，待铝锭熔炼后在熔炼温度下继续保温熔炼15～20min后加入所述其它合金原料，并在720～780℃的温度下将所述其它合金原料熔炼，即得到初始熔炼合金液。

优选的，S3中精炼温度为750～770℃。

优选的，S3中加入精炼剂后进行炼并静置处理25～40min。

通过采用上述技术方案，能够有效去除铝熔液中的气泡，从而使得铸造得到的高镁铝合金具有优异的表面性能。

优选的，S4中所述晶粒细化剂的添加量为0.4～0.5％。

通过采用上述技术方案，适当添加量的晶粒细化剂具有优异的晶粒细化的效果，从而制备得到性能优异的高镁镁铝合金。

优选的，S5中铸造温度为730～750℃。

优选的，S5中的铸造过程在氮气氛围内进行。

通过采用上述技术方案，使得铸造过程在保护气体的氛围下进行，避免铝被氧化，从而保证制备得到的高镁铝合金的优异特性。

优选的，S6中退火过程具体为：在380～450℃的温度下保温15～19h，随后在480～530℃的温度下保温18～21h。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请的高镁铝合金中，Zr、Sc、Cd的添加从而获得拉伸强度和屈服强度优异的高镁镁铝合金，当Zr、Sc、Cd的添加量分别为0.1～0.9％、0.30～0.56％、0.02～0.16％时，其拉伸强度为331～388MPa、屈服强度为212～263MPa；此外，为了能够铸造成型高镁铝合金的Mg含量控制在7.96％～11.02％的范围内。

2、本申请中Cd的添加量在超过0.16％时，高镁铝合金的拉伸强度不高于286MPa、屈服强度不高于174MPa。

3、本申请中高镁铝合金通过铸造获得，其铸造过程中通过加入精炼剂以去除铝熔液中的气泡，使得高镁铝合金的表面光滑；晶粒细化剂的加入能够改善铸件表面质量，有效地克服铸造裂纹，改善铸件外观。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

精炼剂购自圣源冶铸的铝合金精炼剂，细度为30-50。

实施例

实施例1

一种高强度高镁铝合金，制备高镁铝合金的原料包括以下质量百分比的原料：Mg8.03％，Mn 0.58％，Zr 0.56％，Sc 0.43％，Fe 0.09％，Cd 0.11％，Ti 0.08％，Cr 0.42％，余量为Al和其他不可避免的杂质。

其熔炼工艺具体包括以下步骤：

S1、按照以上比例准备制备高镁铝合金的原料。

S2、熔炼铝锭：在750℃的温度下熔炼铝锭，待铝锭熔炼后750℃的温度下保温熔炼15min后加入其它合金原料(Mg、Mn、Zr、Sc、Fe、Cd、Ti、Cr)，并在750℃的温度下将其它合金原料熔炼，即得到初始熔炼合金液。

S3、于初始熔炼合金液中加入0.07wt％的精炼剂后，在760℃的温度进行静置处理30min，得到精炼合金液；

S4、于上述精炼合金液加入0.4wt％的晶粒细化剂(Al-5Ti-0.2C)晶粒细化剂，去除炉渣；

S5、将S4中的合金液在740℃的温度下浇铸，该过程伴随氮气保护，随后得到铸态合金；

S6、将所述铸态合金经退火，具体为：在410℃的温度下保温18h，随后在500℃的温度下保温19h，即得到高强度高镁铝合金。

实施例2

一种高强度高镁铝合金，制备高镁铝合金的原料包括以下质量百分比的原料：Mg7.96％，Mn 0.5％，Zr 0.1％，Sc 0.3％，Fe 0.01％，Cd 0.02％，Ti 0.03％，Cr 0.3％，余量为Al和其他不可避免的杂质。

其熔炼工艺具体包括以下步骤：

S1、按照以上比例准备制备高镁铝合金的原料。

S2、熔炼铝锭：在720℃的温度下熔炼铝锭，待铝锭熔炼后720℃的温度下保温熔炼18min后加入其它合金原料(Mg、Mn、Zr、Sc、Fe、Cd、Ti、Cr)，并在720℃的温度下将其它合金原料熔炼，即得到初始熔炼合金液。

S3、于初始熔炼合金液中加入0.07wt％的精炼剂后，在750℃的温度进行静置处理25min，得到精炼合金液；

S4、于上述精炼合金液加入0.45wt％的晶粒细化剂(Al-5Ti-0.2C)晶粒细化剂，去除炉渣；

S5、将S4中的合金液在730℃的温度下浇铸，该过程伴随氮气保护，随后得到铸态合金；

S6、将所述铸态合金经退火，具体为：在380℃的温度下保温15h，随后在480℃的温度下保温18h，即得到高强度高镁铝合金。

实施例3

一种高强度高镁铝合金，制备高镁铝合金的原料包括以下质量百分比的原料：Mg11.2％，Mn 0.8％，Zr 0.9％，Sc 0.56％，Fe 0.15％，Cd 0.16％，Ti 0.12％，Cr 0.52％，余量为Al和其他不可避免的杂质。

其熔炼工艺具体包括以下步骤：

S1、按照以上比例准备制备高镁铝合金的原料。

S2、熔炼铝锭：在780℃的温度下熔炼铝锭，待铝锭熔炼后780℃的温度下保温熔炼20min后加入其它合金原料(Mg、Mn、Zr、Sc、Fe、Cd、Ti、Cr)，并在780℃的温度下将其它合金原料熔炼，即得到初始熔炼合金液。

S3、于初始熔炼合金液中加入0.07wt％的精炼剂后，在770℃的温度进行静置处理30min，得到精炼合金液；

S4、于上述精炼合金液加入0.5wt％的晶粒细化剂(Al-5Ti-0.2C)晶粒细化剂，去除炉渣；

S5、将S4中的合金液在750℃的温度下浇铸，该过程伴随氮气保护，随后得到铸态合金；

S6、将所述铸态合金经退火，具体为：在450℃的温度下保温19h，随后在530℃的温度下保温21h，即得到高强度高镁铝合金。

实施例4-11

实施例4-11和实施例1的不同之处在于，制备高镁铝合金的各组分百分含量不同，具体见表1，其它和实施例1相同。

表1实施例1-11中制备高镁铝合金的各组分含量

实施方案	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6
							Mg/％	8.03	7.96	11.2	7.96	9.31	10.12
Mn/％	0.58	0.5	0.8	0.58	0.58	0.58
							Zr/％	0.56	0.1	0.9	0.56	0.56	0.56
Sc/％	0.43	0.3	0.56	0.43	0.43	0.43
							Fe/％	0.09	0.01	0.15	0.09	0.09	0.09
Cd/％	0.11	0.02	0.16	0.11	0.11	0.11
							Ti/％	0.08	0.03	0.12	0.08	0.08	0.08
Cr/％	0.42	0.3	0.52	0.42	0.42	0.42
							余量/％	89.7	90.78	85.59	89.77	88.42	87.61
实施方案	实施例7	实施例8	实施例9	实施例10	实施例11
							Mg/％	11.02	10.12	10.12	10.12	10.12
Mn/％	0.58	0.58	0.58	0.58	0.58
							Zr/％	0.56	0.5	0.8	0.56	0.56
Sc/％	0.43	0.41	0.56	0.63	0.63
							Fe/％	0.09	0.09	0.09	0.09	0.09
Cd/％	0.11	0.11	0.11	0.07	0.15
							Ti/％	0.08	0.08	0.08	0.08	0.08
Cr/％	0.42	0.42	0.42	0.42	0.42
							余量/％	86.71	87.69	87.24	87.45	87.37

对比例

对比例1-10和实施例6的不同之处在于，制备高镁铝合金的各组分百分含量不同，具体见表2，其它和实施例6相同。

表2对比例1-10中制备高镁铝合金的各组分含量

注：表2中“-”表示该原料未添加。

高镁铝合金的性能检测试验

采用Instron 8801型材料试验系统对实施例1-11和对比例1-10制备得到的高镁铝合金进行拉伸性能测试，拉伸试样按照《GBT16865-2013变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法》中定标距法制备，标距为25mm，拉伸速率为2mm/min。具体结果见表3。

表3实施例1-11和对比例1-10的高镁铝合金的力学性能

结合表3的数据结果进行相关分析，本申请的高镁铝合金的拉伸强度为331～388MPa、屈服强度为212～263MPa。其中，在实施例4-7的数据结果中：随着Mg含量的增多，高镁铝合金的强度逐渐升高，其拉伸强度最高达388MPa、屈服强度最高达263MPa。但是随着高镁铝合金中Mg含量逐渐增加，高镁铝合金的铸造成型更加困难，因此本申请中高镁铝合金的Mg含量控制在7.96％～11.02％的范围内。

本申请中高镁铝合金的强度是由Mg、Zr、Sc、Cd共同影响：从实施例6以及对比例2-5的数据结果中看出，当制备高镁铝合金的原料中不包含有Zr、Sc中的任意一种时，高镁铝合金的强度将显著降低，其拉伸强度分别降低了25.50％、26.39％，屈服强度分别降低了33.84％、34.98％(对比例2、对比例3分别和实施例6相比后的数据结果)。在对比例4-5中，当制备高镁铝合金的原料中不包括Zr和Cd、或Sc和Cd时，和实施例6相比，高镁铝合金的拉伸强度分别降低了35.88％、33.51％，屈服强度分别降低了40.68％、46.01％。此外，Zr、Sc、Cd的添加量也影响高镁铝合金的强度，具体为：其中，Cd的添加量在超过0.16％时，高镁铝合金的拉伸强度仅为286MPa、屈服强度仅为174MPa，和实施例6相比显著降低；Zr的添加量在超过0.9％时，和实施例6相比，高镁铝合金的拉伸强度降低了26.91％、屈服强度降低了28.52％；而Sc的含量也不宜超过0.56％。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种高强度高镁铝合金，其特征在于，制备高镁铝合金的原料以质量百分比计，包括Mg 9.31~11.02%，Mn 0.55~0.65%，Zr 0.5~0.8%，Sc 0.41~0.56%，Fe 0.01~0.15%，Cd 0.07~0.15%，Ti 0.08~0.10%，Cr 0.36~0.42%，余量为Al和其他不可避免的杂质。

2.一种权利要求1所述的高强度高镁铝合金的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、准备制备高镁铝合金的原料：

S3、将所述初始熔炼合金液进行精炼，得到精炼合金液；

S4、将所述精炼合金液加入晶粒细化剂，去除炉渣；

S5、将S4中的合金液进行铸造，得到铸态合金；

S6、将所述铸态合金经退火后得到所述高强度高镁铝合金。

3.根据权利要求2所述的一种高强度高镁铝合金的制备工艺，其特征在于，S2的具体步骤为：熔炼铝锭的温度为720~780℃，待铝锭熔炼后在熔炼温度下继续保温熔炼15~20 min后加入所述其它合金原料，并在720~780℃的温度下将所述其它合金原料熔炼，即得到初始熔炼合金液。

4.根据权利要求2所述的一种高强度高镁铝合金的制备工艺，其特征在于，S3中精炼温度为750~770℃。

5.根据权利要求4所述的一种高强度高镁铝合金的制备工艺，其特征在于，S3中加入精炼剂后静置处理25~40 min。

6.根据权利要求2所述的一种高强度高镁铝合金的制备工艺，其特征在于，S4中所述晶粒细化剂的添加量为0.4~0.5%。

7.根据权利要求2所述的一种高强度高镁铝合金的制备工艺，其特征在于，S5中铸造温度为730~750℃。

8.根据权利要求2所述的一种高强度高镁铝合金的制备工艺，其特征在于，S5中的铸造过程在氮气氛围内进行。

9.根据权利要求2所述的一种高强度高镁铝合金的制备工艺，其特征在于，S6中退火过程具体为：在380~450℃的温度下保温15~19 h，随后在480~530℃的温度下保温18~21 h。