CN113444929A - 一种微合金化非热处理高强韧压铸铝合金及其制备工艺 - Google Patents

一种微合金化非热处理高强韧压铸铝合金及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微合金化非热处理高强韧压铸铝合金及其制备工艺，是将稀土元素钪、锆用以微合金化，将原料依次经过熔炼、变质处理、精炼处理和铸造，即获得成品。本发明的压铸铝合金结合了Al‑Si系、Al‑Mg系铸造铝合金的优点，在室温条件下具有良好自然的析出相，铸件无需经行高温固溶、人工时效等热处理，仅通过自然时效，材料的抗拉强度和屈服强度都较为理想。

Description

一种微合金化非热处理高强韧压铸铝合金及其制备工艺
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种微合金化非热处理高强韧压铸铝合金的制备工艺。
背景技术
随着日益严重的环境污染和资源的消耗，人们越来越意识到节能减排对未来发展的重要性。尤其是在汽车行业，每年都消耗着巨大的能源，至2017年年底，全国汽车共有约2.17亿辆，目前是全球第二大汽车保有量国家。但是巨大的汽车数量带来的将是巨大的能源消耗以及大量的污染物排放，这会加剧日益严重的环境污染问题。有分析数据表明汽车质量每减轻10％，可降低汽车燃油消耗6％～8％，排放量下降4％。在汽车行业，除了开发新的能源之外，汽车轻量化问题也已逐步成为汽车行业发展的重要阻碍。汽车轻量化要求汽车厂商在保证汽车使用目的和行驶安全的要求下，最大程度的实现整车质量的降低，由于在相同的条件下，汽车重量越轻，汽油的使用量越少，则产生的尾气越少，从而实现节能减排的效果。目前除了进行结构的优化外，选择合适的使用材料也是重要的发展方向，在广泛使用的材料中，铝合金因为含量巨大、密度小的优势，正在逐渐取代钢铁材料，在汽车上的应用越来越广泛。形成不同系列的合金可以满足不同条件下的使用要求，因此，开发出具有高强高韧、耐高温以及良好的压铸性能等综合性能的新型铝合金材料成为当前研究的重点。
从现代金属材料学视角来看，提高铝合金金属材料强度一般有以下两种途径：尽量减少合金中的缺陷；或者通过加入异质原子(合金化)或塑性变形等方法细化晶粒。大量实验研究表明：Sc作为目前最有效的微合金化元素，添加到铝合金中能对其组织与性能产生明显的改善。在组织结构方面，添加微量的Sc能够显著细化晶粒、抑制再结晶；在性能方面，Sc能够显著提高合金的强度、耐腐蚀性能、高温及焊接性能，基至能增强抗中子辐照损伤性能。目前，Sc作为微合金化添加元素制备新型的高强、高韧、耐蚀、可焊的新型含钪铝合金已成为国际材料界研究的热点。
目前，汽车大集成铸件尺寸大、热处理变形较大，常用的Mag59不适用。对于力学性能要求高的铸件，一般采用真空压铸或者低压铸造等方式，然后通过T4、T5、T6等热处理来提高其强度。这样不仅工艺复杂、工序多、生产成本高，而且在热处理时，结构复杂的铸件由于温度、应力不均匀，主机容易发生变形，需要通过大的加工量才能达到尺寸精度要求和装配要求。
因此，在铝硅合金的基础上，开发出不需要通过热处理、具有自然时效特征的高强度压铸铝合金，对于优化铸件生产工序，满足形状复杂的结构件的尺寸精度要求和装配要求方面有着重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微合金化非热处理高强韧压铸铝合金及其制备工艺，旨在无需进行高温固溶、人工时效等热处理，仅通过自然时效就能达到高强度的要求，使其可以在八十公斤以上一体铸造大铸件中应用。
本发明为实现发明目的，采用以下技术方案：
一种微合金化非热处理高强韧压铸铝合金，其特点在于，所用原料中各元素按质量百分比的构成为：Si 6％～9％，Cu 1.0％～3.0％，Mn 0.1％～0.8％，Mg 0.15％～0.8％，Ti 0.1％～0.2％，Sc 0.2％～0.3％，Zr 0.15％～0.2％，Sr 0.01％～0.03％，La0.01％～0.03％，余量为Al。
进一步地，将稀土元素钪、锆用以合金化，在保证抗拉强度和屈服强度的基础上，伸长率得以增强。Sc、Zr、Ti元素的质量比优选为1.4～1.7：1：0.2～0.3。
在本发明的合金体系中：
Si是合金的主要成分，在合金中起到改善流动性的作用；Cu在合金中有固溶强化的作用，可以提高合金的抗拉强度；Ti在合金中可以形成Al3Ti晶核，能够使铸件厚壁处保持较细的晶粒组织，降低合金的厚壁效应。
合金中加入Sc元素后，Sc与Al可形成细小均匀分布的Al3Sc颗粒，提升合金的抗拉强度与硬度。研究发现，当Sc元素的添加量为0.20％时，可细化共晶硅，Sc元素加入量在0.25％时，对共晶硅第二相有一定变质作用，其效果与Sr元素相似。
使用Sr-La中间合金作为变质剂，比使用Al-5Ti-1B或者单纯的Al-Sr合金更好，其使共晶Si形貌由针状或板状向纤维状或颗粒状转变，起到细化晶粒的作用，从而使铸件表现出更优异的力学性能。
本发明微合金化非热处理高强韧压铸铝合金的制备工艺为：将原料依次经过熔炼、变质处理、精炼处理和铸造，以形成所述的高强韧压铸铝合金。具体包括如下步骤：
步骤1、熔炼
将铝锭放入感应熔炼炉中，加热炉体至720℃～740℃，保温至铝完全熔化为液态；加入Si、Mn、Mg、Cu原料，搅拌至熔化为液态；再加入Sc、Zr和Ti原料，继续搅拌至熔化为液态；
步骤2、变质处理
将炉体升温至750℃～790℃，再加入Sr-La中间合金，搅拌至熔化为液态；
步骤3、精炼处理
向所得熔体中加入精炼粉精炼8-15min，在精炼过程中通入惰性气体进行保护；精炼结束后对熔体进行扒渣；
步骤4、压铸
对步骤3所得熔体进行压铸，即得到高强韧压铸铝合金。
进一步地，步骤1中，Si原料为铝硅中间合金，Mn原料为铝锰中间合金或纯锰，Mg原料为纯镁，Cu原料为铝铜中间合金或纯铜，Sc原料为铝钪中间合金、Zr原料为铝锆中间合金，Ti原料为铝钛中间合金。
进一步地，步骤2中，所述Sr-La中间合金中Sr与La的质量比为0.8～0.9:1。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明通过对铝合金成分及加工工艺的改进，使得成品铝合金材料内部晶粒结构得到优化，提高了铝合金材料的抗拉强度、屈服强度和伸长率(实施例所得合金的屈服强度约为120MPa、抗拉强度约为250MPa、伸长率约为12％)，延长了铝合金材料的使用寿命，极大地拓宽该种铝合金材料的应用领域，适宜推广应用。
2、本发明的压铸铝合金结合了Al-Si系、Al-Mg系铸造铝合金的优点，在室温条件下具有良好自然的析出相，铸件无需经行高温固溶、人工时效等热处理，仅通过自然时效，材料的抗拉强度和屈服强度都较为理想。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式代替，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例的微合金化非热处理高强韧压铸铝合金，所用原料中各元素按质量百分比的构成为：Si 7％，Cu 2.5％，Mn 0.27％，Mg 0.6％，Ti 0.1％，Sc 0.25％，Zr 0.18％，Sr0.02％，La0.024％，余量为Al。
具体制备步骤如下：
步骤1、熔炼
将铝锭放入感应熔炼炉中，加热炉体至740℃，保温至铝完全熔化为液态；加入Al-Si中间合金(20％Si，80％Al)、纯Mn、纯Mg、纯Cu原料，搅拌至熔化为液态；再加入Al-Sc中间合金(2％Sc，98％Al)、Al-Zr中间合金(5％Zr，95％Al)和Al-Ti中间合金(5％Ti，95％Al)原料，继续搅拌至熔化为液态。
步骤2、变质处理
将炉体升温至780℃，再加入Sr-La中间合金(Al-6Sr-7La)，搅拌至熔化为液态；
步骤3、精炼处理
向所得熔体中加入六氯乙烷精炼剂精炼10min，在精炼过程中通入惰性气体进行保护；精炼结束后对熔体进行扒渣；
步骤4、压铸
对步骤3所得熔体进行压铸，即得到高强韧压铸铝合金。
经测试，本实施例所得铝合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率在自然时效3天后分别为119MPa、261MPa、10.8％，自然时效15天后分别为127MPa、275MPa、13％。
以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微合金化非热处理高强韧压铸铝合金，其特征在于，所用原料中各元素按质量百分比的构成为：Si 6％～9％，Cu 1.0％～3.0％，Mn 0.1％～0.8％，Mg 0.15％～0.8％，Ti 0.1％～0.2％，Sc 0.2％～0.3％，Zr 0.15％～0.2％，Sr 0.01％～0.03％，La 0.01％～0.03％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的一种微合金化非热处理高强韧压铸铝合金，其特征在于：将稀土元素钪、锆用以合金化，在保证抗拉强度和屈服强度的基础上，伸长率得以增强。
3.根据权利要求1所述的一种微合金化非热处理高强韧压铸铝合金，其特征在于：Sc、Zr、Ti元素的质量比为1.4～1.7：1：0.4～0.6。
4.一种权利要求1～3中任意一项所述的微合金化非热处理高强韧压铸铝合金的制备工艺，其特征在于：将原料依次经过熔炼、变质处理、精炼处理和铸造，以形成所述的高强韧压铸铝合金。
5.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1、熔炼
将铝锭放入感应熔炼炉中，加热炉体至720℃～740℃，保温至铝完全熔化为液态；加入Si、Mn、Mg、Cu原料，搅拌至熔化为液态；再加入Sc、Zr和Ti原料，继续搅拌至熔化为液态；
步骤2、变质处理
将炉体升温至750℃～790℃，再加入Sr-La中间合金，搅拌至熔化为液态；
步骤3、精炼处理
向所得熔体中加入精炼粉精炼8-15min，在精炼过程中通入惰性气体进行保护；精炼结束后对熔体进行扒渣；
步骤4、压铸
对步骤3所得熔体进行压铸，即得到高强韧压铸铝合金。
6.根据权利要求5所述的制备工艺，其特征在于：步骤1中，Si原料为铝硅中间合金，Mn原料为铝锰中间合金或纯锰，Mg原料为纯镁，Cu原料为铝铜中间合金或纯铜，Sc原料为铝钪中间合金、Zr原料为铝锆中间合金，Ti原料为铝钛中间合金。
7.根据权利要求5所述的制备工艺，其特征在于：步骤2中，所述Sr-La中间合金中Sr与La的质量比为0.8～0.9:1。
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