CN112974770B - 一种高强度铝合金及挤压铸造制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强度铝合金及挤压铸造制备方法，属于金属合金技术领域。首先制备金属液，将铝合金升温至浇铸温度，熔化成金属液；然后，挤压铸造机上进行浇注，包括升液、充型、增压、保压、卸压，脱模；局部变形；对部件选择合适的热处理工艺。本发明针对结构复杂铸件的关键位置进行局部变形，不仅降低部件缺陷出现的概率，而且细化组织，提升性能。显著提高铝合金综合力学性能，降低次品率，提高了生产效率。

Description

一种高强度铝合金及挤压铸造制备方法
技术领域
本发明属于金属合金技术领域，具体涉及一种高强度铝合金及挤压铸造制备方法。
背景技术
铝合金具有较好的强度、塑性、导电性、导热性等优点，在航空航天、汽车制造领域使用颇为广泛。但铝合金的抗拉强度低、硬度低、耐蚀性差的缺点使其在工业上的应用受到了限制。目前，在生产铝合金铸件时，一般采用浇铸、合型加压、保压、开型、取铸件工序的这种常规挤压铸造工艺，随着生产的需要，铝合金零件复杂化、多样化，液态金属在零件的角部、边缘部位难以充型，使得铸件中产生缩松和缩孔等缺陷，铸件寿命低。
本发明的目的在于克服上述机械性能较差、耐蚀性能差的缺点，并同时能降低生产成本、缩短生产周期、提高使用寿命等优点。
中国发明专利CN111266554 A公布了一种高强度无缩孔的铝合金汽车配件的挤压铸造方法，其方法是通过二次挤压获得强度较高铝合金汽车配件，但是此方法对于形状复杂配件存在难以形成组织均匀、性能良好的缺点。本发明中，采用保压后追加局部变形的工序，获得了组织更为均匀、性能更为优异的铝合金材料。不仅降低部件缺陷出现的概率，而且细化组织，提升性能。显著提高铝合金综合力学性能，降低次品率，提高了生产效率。
发明内容
本发明的目的在于解决铝合金挤压铸造中组织性能不均匀、存在缩松、缩孔等缺陷、次品率高等问题。提供一种少缺陷、高强度、较高耐蚀性的铝合金。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种高强度铝合金及挤压铸造制备方法，包括以下步骤：
(a)制备金属液，将铝合金升温至浇铸温度，熔化成金属液；
(b)挤压铸造机模具型腔上进行浇注，包括升液、充型、增压、保压、凝固、卸压、凝固，最后冷却脱模；
(c)进行局部二次变形；
(d)选择合适的热处理工艺。
进一步地，所述步骤(a)中，所述金属液成分按质量百分比计为：Cu:4.5-5.5％，Mn：0.1-0.5％，Mg：0.1-0.5％,微合金元素Er:0.01％-0.2％,Zr:0.01-0.2％，Ti:0.01-0.3％，Si、Fe等杂质元素总计小于0.6％，余量为Al。
进一步优选其中的Cu:4.7％，Mn：0.28％，Mg0.19％,Er:0.12％，Zr:0.14％，Ti:0.2％。
进一步地，所述步骤(b)中，浇注时，模具型腔的温度升至300-350℃，金属液浇注温度680-730℃，充型速度为0.3m/s；挤压铸造压力为40-50MPa，保压时间10-15s。
进一步地，所述步骤(c)中所述的局部二次变形，根据部件构型，对部件凸起部分或角位部分等补缩能力相对主体较差的部位进行二次施压变形，具体工艺为采用顶杆顶入的方式对所述欲进行二次施压变形部位的各个面进行垂直对应面方向进行加压变形，顶杆直径均为0.5-10cm，根据需要进行选择，顶杆压力均为40-50MPa，变形量为1-5％(变形量为顶杆压下量除以同方向部件的厚度)。所述的局部二次变形为同时进行顶杆顶入加压变形。
进一步地，所述步骤(d)中，对部件在510℃-550℃下进行8-12h的固溶淬火处理，随后在165-185℃下进行6-12h的时效处理，空冷。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、在合金成份上，充分发挥Er、Zr的协同作用，在凝固过程中形成的Al8Cu4Er、Al3Er、Al3Zr作为非均匀形核的形核质点，细化铸态晶粒，提高合金强度。
2、在铸造过程中，添加局部变形这一工序，使得复杂零部件组织更加致密、均匀，显著提高合金强度和使用寿命。
3、通过本铸造工艺生产出的部件通过短时固溶代替传统热处理工艺中的均匀化和固溶处理，不仅提升了材料性能，而且大大缩短了生产周期，降低了生产成本，提高了生产效率。
附图说明
图1为实施例1所述的长方体底座部件受力方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明并不限于以下实施例。
一种高强度铝合金及挤压铸造制备方法，包括以下步骤：
(a)制备金属液，将铝合金升温至浇铸温度，熔化成金属液；
(b)挤压铸造机模具型腔上进行浇注，包括升液、充型、增压、保压、凝固、卸压、凝固，最后冷却脱模；
(c)进行局部二次变形；
(d)选择合适的热处理工艺。
以一份长方体底座部件为例，长和宽均为15cm，高为3cm，底座上表面的四个角记为A、B、C、D，在四个角的除了下底面其他三个面均采用顶杆顶入进行二次变形，四个角每个角的三个面均同时进行二次变形，如示意图1所示(图1只是给出图中所能画出的8个受力点)，每个顶杆位置的受力大小相等，顶杆压力均为40-50MPa，上表面四个角的受力点(即位置点1-4)均距对应边为1cm，具有相同的受力方向，顶杆垂直向下加压；侧面受力点即对应的位置点也是距离对应变为1cm；顶杆直径均为1cm。变形量为1-5％。
实施例1
一种高强度铝合金及挤压铸造制备方法，包括以下步骤：
1、制取成分为：按质量百分比计：Cu:4.7％，Mn：0.28％，Si：0.33％，Mg：0.19％,Er:0.12％％,Zr:0.14％，Fe：0.28％，Ti:0.15％，余量为Al的铝合金，升温至680℃。
将模具加热到300℃，浇注金属液，充型速度为0.3m/s；保压压力为40MPa，保压时间10s，然后凝固冷却脱模；
顶入顶杆，对部件边缘这种补缩能力较差的部位进行二次施压变形，具体二次变形部位如示意图1所示，位置受力大小相等，顶杆压力均为40MPa，受力方向均垂直于其变形所在平面。顶杆直径均为1cm。变形量为1％。
对脱模后的部件在510℃下进行8h的固溶淬火处理，随后在165℃下进行6h的时效处理，空冷。
实施例2
一种高强度铝合金及挤压铸造制备方法，包括以下步骤：
制取成分为：按质量百分比计：Cu:5.5％，Mn：0.3％，Si：0.4％，Mg：0.25％,Er:0.2％,Zr:0.2％，Ti:0.15％，余量为Al的铝合金，升温至730℃。
将模具加热到350℃，浇注金属液，充型速度为0.3m/s；保压压力为50MPa，保压时间15s，然后凝固冷却脱模；
根据部件构型，顶入顶杆，对部件边缘这种补缩能力较差的部位进行二次施压变形，具体二次变形部位如示意图1所示，受力大小相等，顶杆压力均为50MPa，顶杆直径均为1cm。变形量为5％。
对脱模后的部件在550℃下进行12h的固溶淬火处理，随后在185℃下进行12h的时效处理，空冷。
实施例3
一种高强度铝合金及挤压铸造制备方法，包括以下步骤：
制取成分为：按质量百分比计：Cu:4.7％，Mn：0.28％，Si：0.33％，Mg：0.19％,Er:0.12％,Zr:0.14％，Ti:0.15％，余量为Al的铝合金，升温至710℃。
将模具加热到320℃，浇注金属液，充型速度为0.3m/s；保压压力为45MPa，保压时间12s，然后凝固冷却脱模；
根据部件构型，顶入顶杆，对部件边缘这种补缩能力较差的部位进行二次施压变形，具体二次变形部位如示意图1所示，受力大小相等，顶杆压力均为45MPa，顶杆直径均为1cm。变形量为2.5％。
对脱模后的部件在530℃下进行10h的固溶淬火处理，随后在175℃下进行10h的时效处理，空冷。
对比例
本对比例所制取的这种铝合金及挤压铸造制备方法，包括以下步骤：
制取成分为：按质量百分比计：Cu:4.7％，Mn：0.28％，Si：0.33％，Mg：0.19％,Er:0.12％,Zr:0.14％，Ti:0.15％，余量为Al的铝合金，，升温至710℃。
将模具加热到320℃，浇注金属液，充型速度为0.3m/s；保压压力为45MPa，保压时间12s，金属液凝固。
对脱模后的部件在530℃下进行10h的固溶淬火处理，随后在175℃下进行10h的时效处理，空冷。
实施例1、实施例2、实施例3均制备了一种挤压铸造的高强度铝合金如图1所示，取样方向为4个不同的方向。具体如图1所示。包括对比例在内的抗拉性能如表1所示。相比于铸造Al-Si合金A356，其虽具有流动性好、线收缩小、气密性良好的铸造性能，但是室温下的拉伸力学性能较低，屈服强度仅为216MPa，本发明这种挤压铸造制备方法得到的铝合金部件具有更加均匀的组织和更加优异的性能，并能更好地应用于实际生产。大大提高了合金的使用寿命。
表1实施例1不同取样方向拉伸性能
Figure GDA0003029892180000061
Figure GDA0003029892180000071
表2实施例2不同取样方向拉伸性能
Figure GDA0003029892180000072
表3实施3不同取样方向拉伸性能
Figure GDA0003029892180000073
表4对比例不同取样方向拉伸性能
Figure GDA0003029892180000074

Claims (3)

1.一种高强度铝合金挤压铸造制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）制备金属液，将铝合金升温至浇铸温度，熔化成金属液；
（b）挤压铸造机模具型腔上进行浇注，包括升液、充型、增压、保压、凝固、卸压、凝固，最后冷却脱模；
（c）进行局部二次变形；
（d）选择合适的热处理工艺；
所述步骤（a）中，所述金属液成分按质量百分比计为：Cu:4.5-5.5%，Mn：0.1-0.5%，Mg：0.1-0.5%,微合金元素Er:0.01%-0.2%,Zr:0.01-0.2%，Ti:0.01-0.3%，Si、Fe杂质元素总计小于0.6%，余量为Al；
所述步骤（b）中，浇注时，模具型腔的温度升至300-350℃，金属液浇注温度680-730℃，充型速度为0.3m/s；挤压铸造压力为40 -50MPa，保压时间10-15s；
所述步骤（c）中所述的局部二次变形，根据部件构型，对补缩能力相对主体较差的部件凸起部分或角位部分进行二次施压变形，具体工艺为采用顶杆顶入的方式对欲进行二次施压变形部位的各个面进行垂直对应面方向进行加压变形，顶杆直径均为0.5-10cm，顶杆压力均为40-50MPa，变形量为1-5%，其中变形量为顶杆压下量除以该顶杆压下方向上部件的厚度；局部二次变形为同时进行顶杆顶入加压变形；
所述步骤（d）中，对部件在510℃-550℃下进行8-12h的固溶淬火处理，随后在165-185℃下进行6-12h的时效处理，空冷；
在凝固过程中形成的Al8Cu4Er、Al3Er、Al3Zr作为非均匀形核的形核质点，细化铸态晶粒。
2.按照权利要求1所述的一种高强度铝合金挤压铸造制备方法，其特征在于，其中的Cu:4.7%，Mn：0.28%，Mg0.19%, Er:0.12%，Zr:0.14%，Ti:0.2%。
3.按照权利要求1-2任一项所述的方法制备得到的一种高强度铝合金。
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