CN113737064A - 一种高性能锻件用Al-Mg-Si合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高性能锻件用Al‑Mg‑Si合金及其制备方法，属于铝合金材料领域。该合金按照质量百分比计，包括以下组分：镁0.8％～1.5％，硅0.7％～1.3％，铜0.1％～0.6％，锰0.1％～0.7％，锌0.2％～0.5％，锆0.1％～0.3％，锡0.02％～0.1％，铁≤0.3％，铬≤0.25％，杂质≤0.15％，余量为铝。本发明通过在Al‑Mg‑Si合金中加入Zn元素和Sn元素，并对其含量进行优化，能够在后续人工时效的过程中通过耦合作用，形成大量细小的原子团簇，并促进团簇向GP区、β”相的转变，形成大量细小致密的晶内析出相Mg2Si，从而获得良好的强度和延伸率。

Description

一种高性能锻件用Al-Mg-Si合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金材料领域，更具体地，涉及一种高性能锻件用Al-Mg-Si合金及其制备方法。
背景技术
铝合金具有强度高、综合性能好、易于回收的优势，是实现汽车、航空航天和轨道交通等领域轻量化的首选金属材料。其中的6XXX系合金(Al-Mg-Si合金)由于原材料成本低、成形性能好、可热处理强化等优点，被广泛应用于汽车、轨道交通等领域锻件的制造。6XXX系合金的主要合金元素是Mg和Si，增加两者的含量或添加Cu能够提高合金的强度，但也会造成合金延伸率下降、抗腐蚀性降低等问题。
目前，随着汽车等装备服役工况的对零件性能的要求不断提高，传统锻件用6XXX系合金(如6061、6082等)的力学性能难以满足要求，因此，亟需在铝合金开发时，合理调控合金元素以及微量元素，使合金具有更好的力学性能。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高性能锻件用Al-Mg-Si合金及其制备方法，旨在解决现有的Al-Mg-Si合金抗拉强度和断裂韧性等力学性能较低的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种高性能锻件用Al-Mg-Si合金，按照质量百分比计，包括以下组分：镁0.8％～1.5％，硅0.7％～1.3％，铜0.1％～0.6％，锰0.1％～0.7％，锌0.2％～0.5％，锆0.1％～0.3％，锡0.02％～0.1％，铁≤0.3％，铬≤0.25％，杂质≤0.15％，余量为铝。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述高性能锻件用Al-Mg-Si合金的制备方法，该方法包括如下步骤：
(c)按照上述比例将原材料混合后进行真空熔炼，获得合金熔体；
(d)利用所述合金熔体进行半连续铸造，获得铝合金铸锭；
(c)对所述铝合金铸锭进行均匀化处理，然后通过热挤压获得铝棒；
(d)将所述铝棒热锻加工成锻件，随后进行固溶处理和人工时效处理，以此制得所述高性能锻件。
作为进一步优选地，步骤(a)中，选取纯铝、纯镁、纯锌以及中间合金Al-20％Si、Al-50％Cu、Al-10％Mn、Al-5％Zr、Al-50％Sn作为原材料。
作为进一步优选地，步骤(a)中，真空熔炼的过程中进行1～5次精炼和除气。
作为进一步优选地，步骤(a)中，真空熔炼的温度为700℃～800℃，真空熔炼的时间为10min～30min。
作为进一步优选地，步骤(b)中，进行半连续铸造时盘首温度为690℃～710℃，铸造速度为20mm/min～30mm/min。
作为进一步优选地，步骤(c)中，在550℃～565℃下保温10h～16h，以进行均匀化处理。
作为进一步优选地，步骤(c)中，铝棒的直径为20mm～100mm，热挤压温度为450℃～490℃，热挤压的挤出速率≤25mm/s。
作为进一步优选地，步骤(d)中，固溶处理的温度为480℃～530℃，固溶处理的时间为60min～90min，人工时效处理的温度为170℃～180℃，人工时效处理的时间为4h～10h。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明通过在Al-Mg-Si合金中加入Zn元素和Sn元素，并对其含量进行优化，能够在后续人工时效的过程中通过耦合作用，形成大量细小的原子团簇，并促进团簇向GP区、β”相的转变，形成大量细小致密的晶内析出相Mg2Si，从而获得良好的强度和延伸率，同时通过调节Mg、Si、Cu、Zr等微量元素的含量，提高固溶体的稳定性，增加铝合金强度，促进再结晶晶粒的细化，减少粗晶形成，进而制得具有高强度和良好延伸率的锻件；
2.同时，本发明通过对锻件制备过程，尤其是半连续铸造的盘首温度和铸造速度进行优化，能够有效减少铸锭的偏析，最后经过热挤压、锻造和热处理得到组织均匀、性能优异的锻件，并使得锻件的强度和延伸率明显提高；
3.此外，本发明还对固溶处理和人工时效处理的温度和时间进行优化，有助于形成细小弥散的析出相，有效提升材料的抗拉强度和断裂韧性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高性能锻件的制备流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种高性能锻件用Al-Mg-Si合金，按照质量百分比计，包括以下组分：镁0.8％～1.5％，硅0.7％～1.3％，铜0.1％～0.6％，锰0.1％～0.7％，锌0.2％～0.5％，锆0.1％～0.3％，锡0.02％～0.1％，铁≤0.3％，铬≤0.25％，杂质≤0.15％，余量为铝。
本发明加入Zn元素和Sn元素，并对其含量进行优化，在保证材料力学性能的同时提高材料的抗腐蚀性能，当Zn含量为0.2％～0.5％时，能够与Sn在人工时效的过程中通过耦合作用形成大量细小的原子团簇，并促进团簇向GP区、β”相的转变，形成大量细小致密的晶内析出相Mg2Si，从而获得良好的强度和延伸率。Sn含量大于0.1％时，会显著降低材料的硬度，而Zn含量高于0.5％后则会在热处理过程中形成不均匀的、粗大的等轴晶，且固溶处理后第二相的分数减少、显著影响材料的力学性能。同时，通过调节Mg、Si、Cu、Zr等微量元素的含量，增强第二相强化效果，提高固溶体的稳定性，增加铝合金强度，促进再结晶晶粒的细化，减少粗晶形成，进而制得具有高强度和良好延伸率的锻件。此外，通过对熔体的精炼，避免Ni、Ti等元素的掺杂，可以有效提高熔体的纯净度，避免由于Ti含量高于0.04％而引起的铸件粗晶现象以及Ni含量过高而引起的锻件延伸率降低的问题。
本发明通过对铝合金的元素组成和元素含量进行优化，能够保证该Al-Mg-Si合金的屈服强度≥340MPa，抗拉强度≥370MPa，延伸率≥10％。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述高性能锻件用Al-Mg-Si合金的制备方法，该方法包括如下步骤：
(a)在氩气保护下，将高纯铝锭、工业纯镁、工业纯锌以及中间合金Al-20％Si、Al-50％Cu、Al-10％Mn、Al-5％Zr、Al-50％Sn作为原材料，按照上述比例混合后加入熔炼炉中，在700℃～800℃下进行加热熔化，待原料熔化后保温10min～30min后获得合金熔体；
(b)将合金熔体浇注到半连续铸造装置中，获得铝合金铸锭；
(c)将铝合金铸锭在550℃～565℃下保温10h～16h，以进行均匀化处理，然后通过热挤压获得小直径铝棒，并采用喷淋冷却方式；
(d)将铝棒热锻加工成锻件，随后进行固溶处理和人工时效处理，以此制得高性能锻件。
进一步，步骤(a)中，真空熔炼的过程中进行1～5次精炼(用扒渣勺将溶液表面浮渣快速除去)和精炼除气。
进一步，步骤(b)中，盘首温度过高时，会使得液穴加深，减少凝壳厚度，增加铸锭裂纹的倾向性；而盘首温度过低时，则会因铸锭冷却速度过快，使得铸锭表面质量降低，因此进行半连续铸造时盘首温度为690℃～710℃。同时，铸造速度过高时，会造成熔体内部温度梯度分布不均，而铸造速度过低时，则会造成铸锭冷却速度过快，使得铸锭表面质量降低，因此铸造速度优选为20mm/min～30mm/min。
进一步，步骤(c)中，铝棒的直径为20mm～100mm，热挤压温度为450℃～490℃，避免挤压成形压力过大或者挤压件的成形性能明显降低，热挤压的挤出速率≤25mm/s，挤压速率过大时晶粒尺寸会明显增大，影响锻件的性能。
进一步，步骤(d)中，固溶处理的温度为480℃～530℃，固溶处理的时间为60min～90min，固溶处理温度过低或时间过短，会导致锻件固溶不完全，锻件强度明显降低，而固溶处理温度过高或时间过长，会使得晶粒长大明显，影响锻件的冲击性能。人工时效处理的温度为170℃～180℃，人工时效处理的时间为4h～10h，人工时效温度过低或时间过短，会导致β”相析出较少，锻件强度较低，而人工时效温度过高或时间过长，则会造成锻件的硬度和强度明显下降。
下面根据具体实施例对本发明提供的技术方案作进一步说明。
实施例1
(1)Al-Mg-Si合金由以下成分组成，按照质量百分比计，包括以下组分：镁1.0％，硅0.8％，铜0.4％，锰0.6％，锌0.5％，锆0.25％，锡0.05％，铁0.1％，铬0.25％，杂质≤0.15％，余量为铝；
(2)熔炼过程：在氩气保护下，将高纯铝锭、工业纯Mg、工业纯Zn，以及中间合金Al-20％Si、Al-50％Cu、Al-10％Mn、Al-5％Zr、、Al-50％Sn加入熔炼炉中在750℃条件下进行加热熔化，待原料熔化后，保温30min后获得合金熔体，在熔炼过程中进行3次精炼除气、除渣，提高熔体的纯净度；
(3)半连续铸造过程：将合金熔体经过半连续铸造获得铝合金铸锭，其中半连续铸造的盘首温度为710℃，半连续铸造速度为25mm/min，并将获得的铝合金铸锭在550℃保温16h，进行均匀化处理；
(4)热挤压过程：将铝合金铸锭在450℃下，以20mm/s的速度挤压获得直径为44mm的挤压棒材；
(5)锻造及锻后热处理过程：将上述的挤压棒材加热至500℃，随后在锻压机上进行锻造。将加工得到的零件放置在530℃的加热炉中保温90min，随后淬火，然后放置在175℃的加热炉中保温10h进行人工时效。
实施例2
(1)Al-Mg-Si合金由以下成分组成，按照质量百分比计，包括以下组分：镁1.0％，硅0.7％，铜0.4％，锰0.6％，锌0.3％，锆0.3％，锡0.1％，铁0.3％，铬0.1％，杂质≤0.15％，余量为铝；
(2)熔炼过程：在氩气保护下，将高纯铝锭、工业纯Mg、工业纯Zn，以及中间合金Al-20％Si、Al-50％Cu、Al-10％Mn、Al-5％Zr、、Al-50％Sn加入熔炼炉中在750℃条件下进行加热熔化，待原料熔化后，保温25min后获得合金熔体，在熔炼过程中进行5次精炼除气、除渣，提高熔体的纯净度；
(3)半连续铸造过程：将合金熔体经过半连续铸造获得铝合金铸锭，其中半连续铸造的盘首温度为690℃，半连续铸造速度为22mm/min，并将获得的铝合金铸锭在560℃保温14h，进行均匀化处理；
(4)热挤压过程：将铝合金铸锭在480℃下，以15mm/s的速度挤压获得直径为20mm的挤压棒材；
(5)锻造及锻后热处理过程：将上述的挤压棒材加热至480℃，随后在锻压机上进行锻造。将加工得到的零件放置在530℃的加热炉中保温75min，随后淬火，然后放置在175℃的加热炉中保温8h进行人工时效。
实施例3
(1)Al-Mg-Si合金由以下成分组成，按照质量百分比计，包括以下组分：镁0.8％，硅0.7％，铜0.6％，锰0.7％，锌0.2％，锆0.1％，锡0.1％，铁0.15％，铬0.2％，杂质≤0.15％，余量为铝；
(2)熔炼过程：在氩气保护下，将高纯铝锭、工业纯Mg、工业纯Zn，以及中间合金Al-20％Si、Al-50％Cu、Al-10％Mn、Al-5％Zr、、Al-50％Sn加入熔炼炉中在700℃条件下进行加热熔化，待原料熔化后，保温30min后获得合金熔体，在熔炼过程中进行3次精炼除气、除渣，提高熔体的纯净度；
(3)半连续铸造过程：将合金熔体经过半连续铸造获得铝合金铸锭，其中半连续铸造的盘首温度为710℃，半连续铸造速度为30mm/min，并将获得的铝合金铸锭在565℃保温10h，进行均匀化处理；
(4)热挤压过程：将铝合金铸锭在450℃下，以20mm/s的速度挤压获得直径为100mm的挤压棒材；
(5)锻造及锻后热处理过程：将上述的挤压棒材加热至500℃，随后在锻压机上进行锻造。将加工得到的零件放置在480℃的加热炉中保温90min，随后淬火，然后放置在170℃的加热炉中保温10h进行人工时效。
实施例4
(1)Al-Mg-Si合金由以下成分组成，按照质量百分比计，包括以下组分：镁1.5％，硅1.3％，铜0.1％，锰0.1％，锌0.4％，锆0.1％，锡0.02％，铁0.25％，铬0.05％，杂质≤0.15％，余量为铝；
(2)熔炼过程：在氩气保护下，将高纯铝锭、工业纯Mg、工业纯Zn，以及中间合金Al-20％Si、Al-50％Cu、Al-10％Mn、Al-5％Zr、、Al-50％Sn加入熔炼炉中在800℃条件下进行加热熔化，待原料熔化后，保温10min后获得合金熔体，在熔炼过程中进行3次精炼除气、除渣，提高熔体的纯净度；
(3)半连续铸造过程：将合金熔体经过半连续铸造获得铝合金铸锭，其中半连续铸造的盘首温度为690℃，半连续铸造速度为20mm/min，并将获得的铝合金铸锭在550℃保温16h，进行均匀化处理；
(4)热挤压过程：将铝合金铸锭在490℃下，以25mm/s的速度挤压获得直径为20mm的挤压棒材；
(5)锻造及锻后热处理过程：将上述的挤压棒材加热至500℃，随后在锻压机上进行锻造。将加工得到的零件放置在500℃的加热炉中保温60min，随后淬火，然后放置在180℃的加热炉中保温4h进行人工时效。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高性能锻件用Al-Mg-Si合金，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：镁0.8％～1.5％，硅0.7％～1.3％，铜0.1％～0.6％，锰0.1％～0.7％，锌0.2％～0.5％，锆0.1％～0.3％，锡0.02％～0.1％，铁≤0.3％，铬≤0.25％，杂质≤0.15％，余量为铝。
2.一种如权利要求1所述的高性能锻件用Al-Mg-Si合金的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(a)按照比例将原材料混合后进行真空熔炼，获得合金熔体；
(b)利用所述合金熔体进行半连续铸造，获得铝合金铸锭；
(c)对所述铝合金铸锭进行均匀化处理，然后通过热挤压获得铝棒；
(d)将所述铝棒热锻加工成锻件，随后进行固溶处理和人工时效处理，以此制得所述高性能锻件。
3.如权利要求2所述的高性能锻件用Al-Mg-Si合金的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，选取纯铝、纯镁、纯锌以及中间合金Al-20％Si、Al-50％Cu、Al-10％Mn、Al-5％Zr、Al-50％Sn作为原材料。
4.如权利要求2所述的高性能锻件用Al-Mg-Si合金的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，真空熔炼的过程中进行1～5次精炼和除气。
5.如权利要求2所述的高性能锻件用Al-Mg-Si合金的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，真空熔炼的温度为700℃～800℃，真空熔炼的时间为10min～30min。
6.如权利要求2所述的高性能锻件用Al-Mg-Si合金的制备方法，其特征在于，步骤(b)中，进行半连续铸造时盘首温度为690℃～710℃，铸造速度为20mm/min～30mm/min。
7.如权利要求2所述的高性能锻件用Al-Mg-Si合金的制备方法，其特征在于，步骤(c)中，在550℃～565℃下保温10h～16h，以进行均匀化处理。
8.如权利要求2所述的高性能锻件用Al-Mg-Si合金的制备方法，其特征在于，步骤(c)中，铝棒的直径为20mm～100mm，热挤压温度为450℃～490℃，热挤压的挤出速率≤25mm/s。
9.如权利要求2～8任一项所述的高性能锻件用Al-Mg-Si合金的制备方法，其特征在于，步骤(d)中，固溶处理的温度为480℃～530℃，固溶处理的时间为60min～90min，人工时效处理的温度为170℃～180℃，人工时效处理的时间为4h～10h。
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