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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