CN114086091B - 一种提高a356合金强度、塑性以及耐磨性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高A356合金强度、塑性以及耐磨性的方法，解决现有的A356合金强度塑性均较低的问题。具体包括：1)利用高凝固冷速的铸态坯料制备圆盘坯料，2)高压扭转形变，3)退火得到强度、塑性以及耐磨性均有所提升的A356合金。本发明通过将亚快速凝固、高压扭转形变以及退火处理相结合，使A356合金的晶粒细化到100～200nm，共晶硅颗粒在组织内部均匀分布，且尺寸细化到500～800nm，同时降低了高压扭转形变后合金中的位错密度，使合金的强度和塑性均得到显著提升，此外合金的耐磨性也得到提高。

Description

一种提高A356合金强度、塑性以及耐磨性的方法

技术领域

本发明属于金属及合金制备技术领域，具体涉及一种提高A356合金强度、塑性以及耐磨性的方法。

背景技术

作为一种常见的铸造铝合金，A356合金具有良好的铸造性能，耐磨性，低的密度以及低的热膨胀系数，广泛应用于汽车的轮毂，发动机活塞，汽车变速箱的制造；但传统铸造条件下生产的A356合金，组织中粗大的枝晶和片状的共晶硅使合金的强度和塑性均较差，抗拉强度仅有230～240MPa，断裂延伸率4～6％，同时不均匀分布的共晶硅颗粒也对合金的耐磨性造成不利的影响，从而制约了该合金的使用范围。

近年来，为了改善合金的强度塑性，越来越多的研究者采用大塑性变形的方法，针对A356合金，形变可以细化合金的晶粒，同时使共晶硅颗粒在组织中分布均匀，从而在一定程度上提高合金的强度和塑性。相比常规的大塑性变形方式，如轧制和等径角挤压，高压扭转形变可最大限度的细化合金的组织，从而大幅提高合金的强度，但细化组织的同时也会引入高密度的位错，使得合金的塑性变的很差，难以满足生产的需求。

因此，开发出一种能同时提高A356合金的强度和塑性，同时又可以提高合金耐磨性的工艺方法，可显著扩大A356合金的使用范围，具有重大的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于解决现有A356合金强度塑性均较低的问题，而提供一种提高A356合金强度、塑性以及耐磨性的方法，通过将亚快速凝固、高压扭转形变以及退火处理相结合，使A356合金的晶粒细化到100～200nm，共晶硅颗粒在组织内部均匀分布，且尺寸细化到500～800nm，同时降低了高压扭转形变后合金中的位错密度，使合金的强度和塑性均得到显著提升，此外合金的耐磨性也得到提高。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种提高A356合金强度、塑性以及耐磨性的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)利用高凝固冷速的铸态坯料制备圆盘坯料

1.1)按A356合金成分配方添加合金各组分，加热至720～730℃熔炼，除气除渣后静置10～20min，得到金属液；

1.2)将步骤1.1)得到的金属液浇入水冷铜模中，获得凝固冷速为90～140K/s的铸态坯料；采用设计的水冷铜模可以将冷速控制在这个范围；

1.3)将步骤1.2)获得的铸态坯料切成高压扭转形变所需的圆盘坯料；

2)高压扭转形变

将步骤1)得到的圆盘坯料进行高压扭转形变；

高压扭转的工艺参数及过程为：将圆盘坯料置于高压扭转设备上下压头之间的模具中，上压头固定不动，下压头在5～6GPa的压力下，以1～2r/min的转速旋转5～8圈；圆盘坯料上下表面与压头之间的摩擦力使合金内部产生极高的剪切应变，从而实现合金组织的剪切变形；

3)退火

将步骤2)高压扭转后的圆盘坯料进行退火处理；

退火处理的工艺为：先将马弗炉升温至180±5℃，静置待炉温稳定后，将圆盘坯料放入马弗炉中，保温10～15min后立即取出，室温下冷却，得到强度、塑性以及耐磨性均有所提升的A356合金。

进一步地，步骤1.1)中，所述A356合金成分按照如下重量百分比配置：6.5-7.5％Si，0.4-0.5％Mg，不可避免的杂质元素总量<0.15％，余量为Al。

进一步地，步骤1.2)中，所述水冷铜模的内腔尺寸为：直径10mm，高度45mm，铜模底部设有直径3mm的排气槽。该模具型腔尺寸有利于大幅提高凝固冷速，可以显著细化合金组织中的共晶硅颗粒。

进一步地，步骤1.3)中，所述圆盘坯料的尺寸直径为10mm，高度为2mm。

进一步地，步骤2)中，下压头在6GPa的压力下，以1r/min的转速旋转5～6圈。旋转圈数少时，合金组织中的共晶硅颗粒不能达到均匀的分布效果，5～6圈下，共晶硅颗粒在组织中的分布已经足够的均匀，大于6圈后，其在组织中的分布基本不再发生变化，因此，以5～6圈为宜。

进一步地，步骤3)中，保温时间为10～12min。保温时间过长会导致晶粒粗化，显著降低合金的强度；而保温时间过短，不能降低组织中的位错密度，合金的塑性会很差。

本发明提供了一种A356合金，其特殊之处在于：采用上述方法制得。该方法制得的A356合金抗拉强度为400～450MPa，断裂延伸率为15～25％，同时合金的耐磨性也显著提高。

进一步地，所述A356合金的晶粒为100～200nm，共晶硅颗粒在组织内部均匀分布，且尺寸为500～800nm。

本发明的优点是：

1.本发明提供的方法，无需添加其他元素，也不涉及复杂的铸造工艺，高压扭转形变过程仅需要5到10分钟，退火处理的时间也很短，有利于降低能耗，节约成本。

2.本发明方法中高压扭转形变工艺，可在合金形状基本不变的情况下实现大的剪切形变，短时间内将晶粒尺度降至超细晶级别，达到100～200nm，同时细化共晶硅颗粒至亚微米级别，达到500～800nm，提高了合金强度。随后短时间的退火处理可降低组织中形变所导致的高的位错密度，协同均匀分布细小的共晶硅颗粒，两方面因素使得合金的塑性得到提升。

3.采用本发明方法制备A356合金，在显著提高合金强度的同时，打破了传统工艺下强塑性不可兼得的情况，合金的塑性也保持在15～25％，此外对比传统低凝固冷速条件下的A356合金，其耐磨性也有一定程度的提升，使得A356合金综合性能有所改善，有望拓宽其使用范围。

附图说明

图1为对比例和实施例拉伸工程应力应变曲线，其中，(a)对比了高、低两种冷速下合金的强度和塑性，(b)对比了不同退火工艺参数下合金的强度和塑性；

图2为高、低凝固冷速铸态共晶硅形貌，其中(a)为对比例1的共晶硅颗粒形貌，(b)为对比例2的共晶硅形貌。

图3为经过高压扭转形变和退火处理后的共晶硅形貌，其中(a)和(b)分别为实施例1的共晶硅形貌和尺寸统计结果，(c)和(d)分别为实施例2的共晶硅形貌和尺寸统计结果。

图4为经过高压扭转形变和退火处理后的晶粒形貌，其中(a)为实施例2的晶粒形貌，(b)为相应的晶粒尺寸的统计结果。

图5为耐磨性测试结果，其中(a)和(b)分别为实施例1和实施例2的磨损三维形貌和磨损体积，(c)为实施例1和实施例2的磨损深度。

具体实施方式

以下结合附图，对比不同参数的对比例和实施例来进一步说明本发明的技术方案，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

本发明所述室温一般为10～35℃之间均可。

拉伸测试实验在Instron 5967拉伸机上进行，通过视频引伸计精确测量试样延伸率，采用的拉伸速率为5×10^-4s^-1，由电脑控制整个拉伸实验过程，自动记录应力应变曲线，拉伸试样标距段长度2mm，宽度1mm，厚度1mm。

耐磨性测试在MFT-5000多功能摩擦磨损试验机上进行，摩擦力为3N，频率为3Hz，摩擦时间10min。

合金的晶粒尺寸、共晶硅颗粒的形貌采用透射电子显微镜和扫描电子显微镜观察。

对比例1

按A356合金成分配方添加合金各组分(6.5-7.5％Si，0.4-0.5％Mg，不可避免的杂质元素总量<0.15％，余量为Al)，加热至720～730℃熔炼，除气除渣后静置10～20min，得到金属液；将金属液浇到内腔直径80mm的钢模中，获得凝固冷速为1.2K/s的低凝固冷速铸态坯料，其凝固冷速类似传统的铸造条件，随后进行拉伸测试和组织观察，没有进行后续高压扭转形变和退火处理。

上述合金共晶硅颗粒形貌和拉伸测试结果如图2的(a)和图1的(a)所示，共晶硅呈现粗大的片状，其抗拉强度为199MPa，断裂延伸率为6％。

对比例2

按A356合金成分配方添加合金各组分(6.5-7.5％Si，0.4-0.5％Mg，不可避免的杂质元素总量<0.15％，余量为Al)，加热至720～730℃熔炼，除气除渣后静置10～20min，得到金属液；将金属液浇到内腔直径10mm的水冷铜模中，获得凝固冷速为96K/s的高凝固冷速铸态坯料，其凝固冷速达到亚快速凝固条件，随后进行拉伸测试和组织观察，没有进行后续高压扭转形变和退火处理。

上述合金共晶硅颗粒形貌和拉伸测试结果如图2的(b)和图1的(a)所示，共晶硅呈现细小的珊瑚状，其抗拉强度为232MPa，断裂延伸率为9％。

实施例1

将对比例1所得低凝固冷速铸态坯料进行高压扭转形变和退火处理，具体实施步骤如下：用线切割机将1.2K/s凝固冷速铸态坯料切成高压扭转形变所需的圆盘，将切割后的圆盘在室温下进行高压扭转大塑性变形，高压扭转的工艺参数及过程为：圆盘状试样置于高压扭转设备上下压头之间的模具中，上压头固定不动，下压头在6GPa的压力下，以1r/min的转速进行旋转5圈；高压扭转形变后的圆盘在180±5℃下的马弗炉中保温10min后取出，进行拉伸测试、摩擦性能测试和组织观察。

上述合金共晶硅颗粒形貌如图3的(a)所示，共晶硅颗粒在组织内部均匀分布，但尺寸较大，平均尺寸2.71μm，参见图3的(b)所示；拉伸测试结果如图1的(a)所示，其抗拉强度为368MPa，断裂延伸率为15％；摩擦性能测试结果如图5所示，摩痕体积较大，为0.06615mm³，摩擦深度较深，为120μm。

实施例2

将对比例2所得高凝固冷速铸态坯料进行高压扭转形变和退火处理，具体实施步骤如下：用线切割机将96K/s凝固冷速铸态坯料切成高压扭转形变所需的圆盘，将切割后的圆盘在室温下进行高压扭转大塑性变形，高压扭转的工艺参数及过程为：圆盘状试样置于高压扭转设备上下压头之间的模具中，上压头固定不动，下压头在6GPa的压力下，以1r/min的转速进行旋转5圈；高压扭转形变后的圆盘在180±5℃下的马弗炉中保温10min后取出，进行拉伸测试、摩擦性能测试和组织观察。

上述合金共晶硅颗粒形貌和晶粒大小如图3的(c)和图4的(a)所示，共晶硅颗粒在组织内部均匀分布，平均尺寸较小，为740nm，参见图3的(d)，平均晶粒大小为190nm，参见图4的(b)；拉伸测试结果如图1所示，其抗拉强度为418MPa，断裂延伸率为22％；摩擦性能测试结果如图5所示，摩痕体积较小，为0.05038mm³，摩擦深度较浅，为60μm。

实施例3

本实施例和实施例2的区别在于高凝固冷速铸态坯料进行高压扭转形变后，没有进行180±5℃下的退火处理。其拉伸测试结果显示，其抗拉强度为449MPa，断裂延伸率很低，仅为9％。

实施例4

本实施例和实施例2的区别在于高凝固冷速铸态坯料进行高压扭转形变后，在180±5℃下的马弗炉中保温5min后取出。其拉伸测试结果显示，其抗拉强度为431MPa，断裂延伸率较低，为15％。

实施例5

本实施例和实施例2的区别在于高凝固冷速铸态坯料进行高压扭转形变后，在180±5℃下的马弗炉中保温15min后取出。其拉伸测试结果显示，其抗拉强度为417MPa，断裂延伸率较低，为19％。

表1是上述对比例和实施例拉伸测试性能汇总数据

通过对比例1和对比例2，可知提高凝固冷速可以细化共晶硅颗粒，在一定程度上也提高了合金的强度和塑性；对比实施例1和实施例2，可知高压扭转形变和短时退火处理，可以使共晶硅颗粒均匀分布于合金的组织内部，其中高凝固冷速铸态坯料经过上述形变和退火后，共晶硅颗粒的尺寸较小，只有740nm左右，同时其晶粒细化至200nm以下，使得合金兼具较高的强度和塑性。进一步对比表1中实施例2-5的拉伸性能数据，可看到，形变后短时间的退火工艺可显著提高合金的塑性，其断裂延伸率可由形变后9％，提升至15％，甚至22％；对比不同时间的退火工艺，其中180℃±5下10min的退火处理为最优工艺，可使合金的断裂延伸率最大，同时合金的强度也较高。

此外，相较于低凝固冷速条件下的合金，高凝固冷速条件下的合金经过高压扭转和短时退火处理，其耐磨性更优异，表现为磨损体积更小，磨损深度更浅。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高A356合金强度、塑性以及耐磨性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）利用高凝固冷速的铸态坯料制备圆盘坯料

1.1）按A356合金成分配方添加合金各组分，加热至720~730℃熔炼，除气除渣后静置10~20min，得到金属液；

所述A356合金成分按照如下重量百分比配置：6.5-7.5%Si，0.4-0.5%Mg，不可避免的杂质元素总量<0.15%，余量为Al；

1.2）将步骤1.1）得到的金属液浇入水冷铜模中，获得凝固冷速为90~140K/s的铸态坯料；

1.3）将步骤1.2）获得的铸态坯料切成高压扭转形变所需的圆盘坯料；

2）高压扭转形变

将步骤1）得到的圆盘坯料进行高压扭转形变；

高压扭转的工艺参数及过程为：将圆盘坯料置于高压扭转设备上下压头之间的模具中，上压头固定不动，下压头在5~6GPa的压力下，以1~2r/min的转速旋转5~8圈；

3）退火

将步骤2）高压扭转后的圆盘坯料进行退火处理；

退火处理的工艺为：先将马弗炉升温至180±5℃，静置待炉温稳定后，将圆盘坯料放入马弗炉中，保温10~15min后取出，室温下冷却，得到A356合金。

2.根据权利要求1所述提高A356合金强度、塑性以及耐磨性的方法，其特征在于：

步骤1.2）中，所述水冷铜模的内腔尺寸为：直径10mm，高度45mm，铜模底部设有直径3mm的排气槽。

3.根据权利要求2所述提高A356合金强度、塑性以及耐磨性的方法，其特征在于：

步骤1.3）中，采用线切割机或者车削加工设备进行切割。

4.根据权利要求3所述提高A356合金强度、塑性以及耐磨性的方法，其特征在于：

所述圆盘坯料的尺寸直径为10mm，高度为2mm。

5.根据权利要求4所述提高A356合金强度、塑性以及耐磨性的方法，其特征在于：

步骤2）中，下压头在6GPa的压力下，以1r/min的转速旋转5~6圈。

6.根据权利要求5所述提高A356合金强度、塑性以及耐磨性的方法，其特征在于：

步骤3）中，保温时间为10~12min。

7.一种A356合金，其特征在于：采用权利要求1-6任一所述方法制得。

8.根据权利要求7所述A356合金，其特征在于：

所述A356合金的晶粒为100~200nm，共晶硅颗粒在组织内部均匀分布，且尺寸为500~800nm。

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