CN113652581B - 一种铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及合金技术领域，公开了一种铝合金及其制备方法和应用，该铝合金包括以下质量百分比的成分：Si4～5％、Mg0.7～1％、Gd0.03～0.05％、Sr0.006～0.009％、Mn<0.08％、Fe<0.15％、Ti0.08～0.2％、Be0.01～0.08％，余量为铝和杂质元素。本发明铝合金含有特定含量的各元素，可提高液态模锻铝合金的强度和塑性，其抗拉强度大于350MPa，伸长率大于9％。本发明铝合金通过熔化、精炼、液态模锻、固溶处理和时效处理，降低了合金熔体的氧化，细化了合金的晶粒，同时对共晶硅以及杂质铝铁硅相进行变质处理，最后采用精炼技术进行除气除渣，提高了铝合金的强度和塑性。

Description

一种铝合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及合金技术领域，特别涉及一种铝合金及其制备方法和应用。
背景技术
铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素，因而广泛应用于航空、建筑、汽车三大重要工业的发展。在汽车行业铝合金车轮、方向盘、悬挂支架、转向节、控制臂等，都可以采用铝合金制造以达到汽车轻量化的目的。基于安全的考虑对采用铝合金零部件提出了更高的综合力学性能要求，需要铝合金具有更高的强度和塑性。现有的铝合金，如Z1101合金含Si6.5～7.5％、Mg0.25～0.45％、Mn<0.08％、Fe<0.20％、Ti0.08～0.2％，虽然铸造流动性能好，但是普遍存在强度及塑性较低的问题，一般采用液态模锻成型，其抗拉强度为300-320MPa，屈服强度为240-260MPa，延伸率为6-9％。
发明内容
本发明目的在于提供一种铝合金，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为解决上述技术问题所采用的技术方案：
一种铝合金，包括以下质量百分比的成分：Si4～5％、Mg0.7～1％、Gd0.03～0.05％、Sr0.006～0.009％、Mn<0.08％、Fe<0.15％、Ti0.08～0.2％、Be0.01～0.08％，余量为铝和杂质元素。
Si在液态模锻铝合金中与Al可形成Al+Si共晶相，提高铝合金的充型流动性。Si与Mg形成Mg2Si强化相，增加合金的强度和机械加工性能。Si含量越高，铝合金的充型流动性和机械加工性能越好，强度越高，但铝合金的塑性会下降。在重力以及低压浇注情况下Si含量低于6.5％时，铝合金的流动性满足不了工艺要求，而Si含量超过7.5％时，共晶Si组织粗大，使得合金的塑性降低。因为液态模锻是在高压下充型，流动性不是主要问题，所以可以将Si的含量降低到4～5％以提升合金的塑性。
Mg能与Si形成Mg2Si强化相，增强液态模锻铝合金的强度。Mg含量越高，液态模锻铝合金的强度也越高。但Mg含量太高，也会导致铝合金的塑性和抗腐蚀性能显著下降。为了保证液态模锻铝合金的强度、塑性和抗腐蚀性能，在通过降低Si元素的情况下提升了Mg元素的含量，将Mg含量选择在0.7～1％。
铝硅镁合金的显微组织中会存在粗大的针状共晶硅，严重恶化了合金的力学性能，合金的变质处理是改善粗大针状共晶硅形貌的一种有效手段，加入变质剂后针状硅相变成有利于性能提高的小尺寸粒状或纤维状。Sr变质效果好，具有长效，用量小、重熔性等诸多优点，但是Sr熔炼过程中容易吸气，影响合金的致密性。本发明选用Gd和Sr联合作为变质剂，Gd长效无污染，一方面可以对共晶硅进行变质，另一方面作为表面活性元素能够在表面积聚，降低由于Sr产生的吸气，降低合金中的针孔。添加0.03～0.05％的Gd结合0.006～0.009％的Sr，两者发挥协同作用，可使液态模锻铝合金中的共晶Si形态从粗大片状转变为细小均匀的颗粒状或纤维状，显著提高液态模锻铝合金的强度和塑性。
Ti主要是细化α-Al晶粒，显著提高本发明液态模锻铝合金的充型流动性、强度和塑性。
温熔融状态下Al表面氧化膜为多孔状，Be对铝来说是表面活性元素，可以扩散到氧化膜的孔中，防止铝合金熔体继续氧化，这对于Mg含量高于0.45％的铝合金来说更重要，故本发明加入0.01～0.08％Be来防止合金熔体的氧化。
优选地，单个所述杂质元素的含量小于0.05％，杂质元素的总含量小于0.15％；所述Mn与Fe的质量比为1：(2～3)。
Mn在液态模锻铝合金中主要作用是降低Fe带来的不利影响。Fe是铝锭、速溶硅等原材料中不可避免的杂质元素，在Al-Si合金Fe杂质是以针状AlFeSi的形式存在的，会严重割裂铝合金基体，成为铝合金受力断裂的裂纹源和裂纹扩展方法，是导致Al-Si系铸造铝合金强度低，特别是塑性差的主要原因。添加Mn对粗大针状富Fe相的生长都有一定的抑制作用，且Mn与Fe的质量比为1：2时，在液态模锻铝合金的凝固过程中，通过Mn与Fe的交互作用可以完全抑制粗大针状富Fe相的生长，消除粗大针状富Fe相对铝合金强度和塑性的负面影响，显著提高液态模锻铝合金的强度和塑性。
优选地，所述铝合金的抗拉强度大于350MPa，伸长率大于9％。
本发明的第二个目的在于提供上述铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将铝锭、镁、硅、Al5Mn合金、Al10Be合金、Al5Gd合金、Al5Sr合金、Al5Ti1B合金作为原料进行配料；
2)将铝锭熔化，再加入硅、镁、Al5Mn合金、Al10Be合金、Al5Gd合金、Al5Sr合金、Al5Ti1B合金，搅拌熔化成合金熔体，然后进行除气除渣；
3)将合金熔体进行液态模锻处理、固溶处理和时效处理，得到铝合金。
优选地，步骤1)中，所述镁采用纯度约为99.9％的镁锭，所述硅采用纯度约为99.89％的速溶硅。
优选地，步骤2)中，所述将铝锭熔化的温度为700～740℃；所述速溶硅、镁锭、Al5Mn合金、Al10Be合金、Al5Gd合金、Al5Sr合金、Al5Ti1B合金分别占所述原料总重量的4～5％、0.7～1％、0.01～1.6％、0.1～0.8％、0.6～1％、0.12～0.18％、1.6～4％。
优选地，步骤3)中，所述液态模锻处理的具体过程为：在浇注温度为700～730℃、模具型腔温度为300～400℃、挤压比压为60～100MPa、充型速度为0.01～0.07米/秒、保压时间为50～170秒的条件下，将所述合金熔体液态模锻成铝合金毛坯。
优选地，步骤3)中，所述固溶处理的温度为535～555℃，时间为8～16小时。
优选地，步骤3)中，所述时效处理的温度为170～190℃，时间为6～12小时。
本发明的第三目的在于提供上述铝合金在交通运输工具中的应用。铝合金可根据实际需要加工成型成铝合金工件，用于汽车车轮。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明铝合金含有特定含量的各元素，可提高液态模锻铝合金的强度和塑性，其抗拉强度大于350MPa，伸长率大于9％。
(2)本发明铝合金的制备方法通过熔化、精炼、液态模锻、固溶处理和时效处理，降低了合金熔体的氧化，细化了合金的晶粒，同时对共晶硅以及杂质铝铁硅相进行变质处理，最后采用精炼技术进行除气除渣，提高液态模锻铝合金的强度和塑性。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
一种铝合金，包括以下质量百分比的成分：Si4％、Mg1％、Gd0.03％、Sr0.008％、Mn0.05％、Fe0.1％、Ti0.2％、Be0.08％，余量为铝和杂质元素；其中，单个杂质元素的含量小于0.05％，杂质元素的总含量小于0.15％。
上述铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)按照铝合金的成分质量百分比，将99.85％的铝锭、99.9％的镁锭、99.89％的速溶硅、Al10Be、Al5Mn、Al5Ti1B、Al5Gd、Al5Sr合金作为原料进行配料；
2)在740℃加热熔化铝锭，然后加入占原料总重量4％的速溶硅、1％的镁锭、0.8％的Al10Be合金、0.1％的Al5Mn合金、0.6％的Al5Gd合金、0.16％的Al5Sr合金、4％的Al5Ti1B合金，搅拌熔化成合金熔体；
3)用氩气旋转喷吹除气，除气时间为10分钟、氩气压力为0.35MPA，除气的流量为3L/min，并用占原料总重量为0.1％的除渣剂对合金熔体进行除渣处理；
4)在浇注温度为730℃、模具型腔温度为380℃、挤压比压为100MPa、充型速度为0.01米/秒、保压时间为150秒条件下，将合金熔体液态模锻成铝合金毛坯；
5)将铝合金毛坯进行X光检测，检测合格后再将在535℃固溶处理16小时，60℃水淬后，在170℃时效处理12小时，随炉冷却后即可得到铝合金。
实施例2
一种铝合金，包括以下质量百分比的成分：Si5％、Mg0.7％、Gd0.05％、Sr0.009％、Mn0.07％、Fe0.14％、Ti0.1％、Be0.04％，余量为铝和杂质元素；其中，单个杂质元素的含量小于0.05％，杂质元素的总含量小于0.15％。
上述铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)按照铝合金的成分质量百分比，将99.85％的铝锭、99.9％的镁锭、99.89％的速溶硅、Al10Be、Al5Mn、Al5Ti1B、Al5Gd、Al5Sr合金作为原料进行配料；
2)在710℃加热熔化铝锭，然后加入占原料总重量5％的速溶硅、0.7％的镁锭、0.4％的Al10Be合金、1.4％的Al5Mn合金、1％的Al5Gd合金、0.18％的Al5Sr合金、2％的Al5Ti1B合金，搅拌熔化成合金熔体；
3)用氩气旋转喷吹除气，除气时间为10分钟、氩气压力为0.35MPA，除气的流量为3L/min，并用占原料总重量为0.06％的除渣剂对合金熔体进行除渣处理；
4)在浇注温度为700℃、模具型腔温度为320℃、挤压比压为60MPa、充型速度为0.02米/秒、保压时间为100秒条件下，将合金熔体液态模锻成铝合金毛坯；
5)将铝合金毛坯进行X光检测，检测合格后再将在545℃固溶处理10小时，60℃水淬后，在175℃时效处理8小时，随炉冷却后即可得到铝合金。
实施例3
一种铝合金，包括以下质量百分比的成分：Si5％、Mg0.75％、Gd0.04％、0.008％Sr、Mn0.06％、Fe0.12％、Ti0.15％、Be0.06％，余量为铝和杂质元素；其中，单个杂质元素的含量小于0.05％，杂质元素的总含量小于0.15％。
上述铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)按照铝合金的成分质量百分比，将99.85％的铝锭、99.9％的镁锭、99.89％的速溶硅、Al10Be、Al5Mn、Al5Ti1B、Al5Gd、Al5Sr合金作为原料进行配料；
2)在720℃加热熔化铝锭，然后加入占原料总重量5％的速溶硅、0.75％的镁锭、0.6％的Al10Be合金、1.2％的Al5Mn合金、0.8％的Al5Gd合金、0.16％的Al5Sr合金、3％的Al5Ti1B合金，搅拌熔化成合金熔体；
3)用氩气旋转喷吹除气，除气时间为10分钟、氩气压力为0.35MPA，除气的流量为3L/min，并用占原料总重量为0.08％的除渣剂对合金熔体进行除渣处理；
4)在浇注温度为710℃、模具型腔温度为360℃、挤压比压为80MPa、充型速度为0.015米/秒、保压时间为120秒条件下，将合金熔体液态模锻成铝合金毛坯；
5)将铝合金毛坯进行X光检测，检测合格后再将在555℃固溶处理8小时，60℃水淬后，在190℃时效处理6小时，随炉冷却后即可得到铝合金。
对比例1(与实施例1的区别在于Si、Mg含量不在本发明限定范围)
一种铝合金，包括以下质量百分比的成分：Si7％、Mg1.2％、Gd0.03％、0.008％Sr、Mn0.05％、Fe0.1％、Ti0.2％、Be0.08％，余量为铝和杂质元素；其中，单个杂质元素的含量小于0.05％，杂质元素的总含量小于0.15％。
上述铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)按照铝合金的成分质量百分比，将99.85％的铝锭、99.9％的镁锭、99.89％的速溶硅、Al10Be、Al5Mn、Al5Ti1B、Al5Gd、Al5Sr合金作为原料进行配料；
2)在740℃加热熔化铝锭，然后加入占原料总重量7％的速溶硅、1％的镁锭、0.8％的Al10Be合金、0.1％的Al5Mn合金、0.6％的Al5Gd合金、0.16％的Al5Sr合金、4％的Al5Ti1B合金，搅拌熔化成合金熔体；
3)用氩气旋转喷吹除气，除气时间为10分钟、氩气压力为0.35MPA，除气的流量为3L/min，并用占原料总重量为0.1％的除渣剂对合金熔体进行除渣处理；
4)在浇注温度为730℃、模具型腔温度为380℃、挤压比压为100MPa、充型速度为0.01米/秒、保压时间为150秒条件下，将合金熔体液态模锻成铝合金毛坯；
5)将铝合金毛坯进行X光检测，检测合格后再将在535℃固溶处理16小时，60℃水淬后，在170℃时效处理12小时，随炉冷却后即可得到铝合金。
对比例2(与实施例1的区别在于Gd、Sr含量不在本发明限定范围)
一种铝合金，包括以下质量百分比的成分：Si4％、Mg1％、Gd0.02％、Sr0.002％、Mn0.05％、Fe0.1％、Ti0.2％、Be0.08％，余量为铝和杂质元素；其中，单个杂质元素的含量小于0.05％，杂质元素的总含量小于0.15％。
上述铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)按照铝合金的成分质量百分比，将99.85％的铝锭、99.9％的镁锭、99.89％的速溶硅、Al10Be、Al5Mn、Al5Ti1B、Al5Gd合金作为原料进行配料；
2)在740℃加热熔化铝锭，然后加入占原料总重量4％的速溶硅、1％的镁锭、0.8％的Al10Be合金、0.1％的Al5Mn合金、0.4％的Al5Gd合金、0.04％的Al5Sr合金、4％的Al5Ti1B合金，搅拌熔化成合金熔体；
3)用氩气旋转喷吹除气，除气时间为10分钟、氩气压力为0.35MPA，除气的流量为3L/min，并用占原料总重量为0.1％的除渣剂对合金熔体进行除渣处理；
4)在浇注温度为730℃、模具型腔温度为380℃、挤压比压为100MPa、充型速度为0.01米/秒、保压时间为150秒条件下，将合金熔体液态模锻成铝合金毛坯；
5)将铝合金毛坯进行X光检测，检测合格后再将在535℃固溶处理16小时，60℃水淬后，在170℃时效处理12小时，随炉冷却后即可得到铝合金。
对比例3(与实施例1的区别在于铝合金中不含有Gd)
一种铝合金，包括以下质量百分比的成分：Si4％、Mg1％、Sr0.008％、Mn0.05％、Fe0.1％、Ti0.2％、Be0.08％，余量为铝和杂质元素；其中，单个杂质元素的含量小于0.05％，杂质元素的总含量小于0.15％。
上述铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)按照铝合金的成分质量百分比，将99.85％的铝锭、99.9％的镁锭、99.89％的速溶硅、Al10Be、Al5Mn、Al5Ti1B、Al5Sr合金作为原料进行配料；
2)在740℃加热熔化铝锭，然后加入占原料总重量4％的速溶硅、1％的镁锭、0.8％的Al10Be合金、0.1％的Al5Mn合金、0.16％的Al5Sr合金、4％的Al5Ti1B合金，搅拌熔化成合金熔体；
3)用氩气旋转喷吹除气，除气时间为10分钟、氩气压力为0.35MPA，除气的流量为3L/min，并用占原料总重量为0.1％的除渣剂对合金熔体进行除渣处理；
4)在浇注温度为730℃、模具型腔温度为380℃、挤压比压为100MPa、充型速度为0.01米/秒、保压时间为150秒条件下，将合金熔体液态模锻成铝合金毛坯；
5)将铝合金毛坯进行X光检测，检测合格后再将在535℃固溶处理16小时，60℃水淬后，在170℃时效处理12小时，随炉冷却后即可得到铝合金。
对比例4(与实施例1的区别在于铝合金中不含有Sr)
一种铝合金，包括以下质量百分比的成分：Si4％、Mg1％、Gd0.03％、Mn0.05％、Fe0.1％、Ti0.2％、Be0.08％，余量为铝和杂质元素；其中，单个杂质元素的含量小于0.05％，杂质元素的总含量小于0.15％。
上述铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)按照铝合金的成分质量百分比，将99.85％的铝锭、99.9％的镁锭、99.89％的速溶硅、Al10Be、Al5Mn、Al5Ti1B、Al5Gd合金作为原料进行配料；
2)在740℃加热熔化铝锭，然后加入占原料总重量4％的速溶硅、1％的镁锭、0.8％的Al10Be合金、0.1％的Al5Mn合金、0.6％的Al5Gd合金、4％的Al5Ti1B合金，搅拌熔化成合金熔体；
3)用氩气旋转喷吹除气，除气时间为10分钟、氩气压力为0.35MPA，除气的流量为3L/min，并用占原料总重量为0.1％的除渣剂对合金熔体进行除渣处理；
4)在浇注温度为730℃、模具型腔温度为380℃、挤压比压为100MPa、充型速度为0.01米/秒、保压时间为150秒条件下，将合金熔体液态模锻成铝合金毛坯；
5)将铝合金毛坯进行X光检测，检测合格后再将在535℃固溶处理16小时，60℃水淬后，在170℃时效处理12小时，随炉冷却后即可得到铝合金。
对比例5(与实施例1的区别在于Mn与Fe的质量比为2：1)
一种铝合金，包括以下质量百分比的成分：Si4％、Mg1％、Gd0.03％、Sr0.008％、Mn0.2％、Fe0.10％、Ti0.2％、Be0.08％，余量为铝和杂质元素；其中，单个杂质元素的含量小于0.05％，杂质元素的总含量小于0.15％。
上述铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)按照铝合金的成分质量百分比，将99.85％的铝锭、99.9％的镁锭、99.89％的速溶硅、Al10Be、Al5Mn、Al5Ti1B、Al5Gd合金作为原料进行配料；
2)在740℃加热熔化铝锭，然后加入占原料总重量4％的速溶硅、1％的镁锭、0.8％的Al10Be合金、4％的Al5Mn合金、0.6％的Al5Gd合金、0.16％的Al5Sr合金、4％的Al5Ti1B合金，搅拌熔化成合金熔体；
3)用氩气旋转喷吹除气，除气时间为10分钟、氩气压力为0.35MPA，除气的流量为3L/min，并用占原料总重量为0.1％的除渣剂对合金熔体进行除渣处理；
4)在浇注温度为730℃、模具型腔温度为380℃、挤压比压为100MPa、充型速度为0.01米/秒、保压时间为150秒条件下，将合金熔体液态模锻成铝合金毛坯；
5)将铝合金毛坯进行X光检测，检测合格后再将在535℃固溶处理16小时，60℃水淬后，在170℃时效处理12小时，随炉冷却后即可得到铝合金。
将实施例1-3和对比例1-5的铝合金加工成拉伸试样，在万能拉伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速率为2mm/min，拉伸力学性能如下表1所示。
表1
Figure BDA0003188481860000131
Figure BDA0003188481860000141
从表1的结果可以看出，本发明实施例1-3的铝合金的抗拉强度大于350MPa，伸长率大于9％，综合性能均优于对比例1-5。对比例1由于Si、Mg含量高于本发明限定的范围，虽然抗拉强度较好，但是延伸率显著下降。对比例2由于Gd、Sr含量低于本发明限定的范围，导致抗拉强度和延伸率均较低。对比例3和对比例4由于只添加单一的Gd或者Sr对共晶Si相进行变质处理，导致抗拉强度和延伸率均较低，说明Gd和Sr复配使用能够发挥协同作用，显著提高了铝合金的强度和塑性。对比例5由于Mn与Fe的质量比为2：1，Mn加入虽然能抑制粗大针状含Fe相，但是过多的Mn含量加入对铝合金强度和塑性的负面影响，导致抗拉强度和伸长率有所降低。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种铝合金，其特征在于，包括以下质量百分比的成分：Si4~5%、Mg0.7~1%、Gd0.03~0.05%、Sr0.006~0.009%、Mn<0.08%、Fe<0.15%、Ti0.08~0.2%、Be0.01~0.08%，余量为铝和杂质元素；单个所述杂质元素的含量小于0.05%，杂质元素的总含量小于0.15%；所述Mn与Fe的质量比为1：（2~3）。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的抗拉强度大于350MPa，伸长率大于9%。
3.权利要求1或2所述的铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将铝、镁、硅、Al5Mn合金、Al10Be合金、Al5Gd合金、Al5Sr合金、Al5Ti1B合金作为原料进行配料；
2）将铝熔化，再加入硅、镁、Al5Mn合金、Al10Be合金、Al5Gd合金、Al5Sr合金、Al5Ti1B合金，搅拌熔化成合金熔体，然后进行除气除渣；
3）将合金熔体进行液态模锻处理、固溶处理和时效处理，得到铝合金。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述镁采用纯度约为99.9%的镁锭，所述硅采用纯度约为99.89%的速溶硅。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述将铝熔化的温度为700~740℃；所述硅、镁、Al5Mn合金、Al10Be合金、Al5Gd合金、Al5Sr合金、Al5Ti1B合金分别占所述原料总重量的4~5%、0.7~1%、0.01~1.6%、0.1~0.8%、0.6~1%、0.12~0.18%、1.6~4%。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述液态模锻处理的具体过程为：在浇注温度为700~730℃、模具型腔温度为300~400℃、挤压比压为60~100MPa、充型速度为0.01~0.07米/秒、保压时间为50~170秒的条件下，将所述合金熔体液态模锻成铝合金毛坯。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述固溶处理的温度为535~555℃，时间为8~16小时。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述时效处理的温度为170~190℃，时间为6~12小时。
9.权利要求1或2所述的铝合金在交通运输工具中的应用。
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