CN114381638B

CN114381638B - 一种a356合金及其制备方法

Info

Publication number: CN114381638B
Application number: CN202111475639.1A
Authority: CN
Inventors: 张将; 朱鸿磊; 洪晓露; 徐英; 刘永强; 彭银江; 陈大辉; 侯林冲
Original assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Current assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Priority date: 2021-12-06
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2041-12-06
Also published as: CN114381638A

Abstract

本发明涉及的一种A356合金，其特征在于，包含如下重量百分比的组分，Si：6.0～7.0％、Mg：0.25～0.35％、Ti：0.05～0.15％、Y：0.10～0.30％、Nd：0.10～0.20％、Zr：0.3～0.8％，其余为铝和不可避免的杂质，且杂质含量≤0.1％，使A356合金的力学性能更加优良。

Description

一种A356合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属合金技术领域，尤其是涉及一种A356合金，还涉及前述A356合金的制备方法。

背景技术

A356合金主要用于制造汽车轮毂，亦广泛应用于汽车、航空、航天以及电子电器等领域，其主要由初生α-Al固熔体和共晶Si相组成。现有的A356合金在应用于大尺寸构件时存在组织粗大、枝晶偏析及针状组织等问题，导致强度和塑性不足，致使在承受载荷时，易引发微裂纹而导致失效，因而限制了其在高规格、大尺寸(≧19inch)重载汽车零部件的应用。

目前，为实现A356进一步的推广应用，常采用变质和热处理等消除组织中的枝晶偏析及针状组织，提升合金综合力学性能。如申请号为CN201810908022.6(公开号为CN108588513A)的中国发明专利申请提供了一种改性A356铝合金，按质量百分比构成如下：Si为6.5～7.5％，Mg为0.25～0.30％，Ti为0.10～0.50％，Zr为0.10～0.50％，Sr为0.02～0.20％，余量为Al；该改性A356铝合金通过对Al-Si中间合金熔化后加入Al-Mg中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Zr中间合金熔化，再加入Al-Sr中间合金进行变质处理，随后向合金熔液中加入精炼剂进行精炼除气，再浇注至模具中获得合金铸锭，最后对合金铸锭依次进行固溶处理和人工时效处理后制成。

上述改性A356铝合金通过添加了0.10～0.50％的Zr元素和0.02～0.20％的Sr元素，对A356铝合金变质、细化，再通过固溶处理加多次人工时效的热处理方法，使改性A356铝合金强度提升30％以上，延伸率提升20％以上，硬度提升15％以上。但是，Al-Sr中间合金中的Sr易烧损，且容易增加合金液的吸气倾向，造成气孔等缺陷，变质和细化效果较差，从而影响A356合金的力学性能和铸态组织。

也有通过熔体净化和细化来改善A356铝合金的力学性能，如申请号为CN202011280128.X(公开号为112575231A)的中国发明专利申请提供了一种A356高强铝合金的真空精炼变质处理方法，包括步骤：①配置高强A356铝合金；②旋转喷吹精炼：先将A356铝合金液温度控制为730℃～740℃，采用惰性气体旋转喷吹精炼，精炼过程中加入除渣剂，加入量0.5％～0.6％，旋转喷吹时间为15～20分钟，静置15～20分钟；③细化处理：将A356铝合金液温度控制为730℃～740℃，加入AlTi-C-B细化剂，加入量为熔体合金质量的1.0％～2.0％，充分搅拌，静置10min；④真空除气精炼：将铝合金液温度控制在740℃～750℃，合上炉盖，打开真空泵抽真空，真空度达到5Pa～10Pa，抽真空保持时间为19～21min，向熔体中通Ar气，直至熔体恢复到大气压，打开真空炉；⑤变质处理；⑥补加Mg。

上述A356高强铝合金的真空精炼变质处理方法通过旋转喷吹精炼和真空除气精炼对合金熔体进行充分除气，以避免铝合金金属铸件过程中产生气孔、缩松、裂纹、夹渣等铸造缺陷，改善微观组织密度，从而使力学性满足使用要求。但是，由于真空精炼出气时间过长，熔体温度较高，易引起Zr、Sr、Ti等元素与熔体发生反应，导致沉淀，细化效果衰减，影响合金力学组织及性能。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种力学性能更加优良的A356合金。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种前述的A356合金的制备方法，使制备出的A356合金力学性能和铸造性能更加优良。

本发明解决上述的第一个技术问题所采用的技术方案为：一种A356合金，其特征在于，包含如下重量百分比的组分，Si：6.0～7.0％、Mg：0.25～0.35％、Ti：0.05～0.15％、Y：0.10～0.30％、Nd：0.10～0.20％、Zr：0.3～0.8％，其余为铝和不可避免的杂质，且杂质含量≤0.1％。

进一步优化，Ti：0.05～0.10％、Y：0.20～0.30％、Zr：0.3～0.6％。

本发明解决上述的第二个技术问题所采用的技术方案为：一种前述A356合金的制备方法，其特征在于，依次包括如下步骤：

①配料：按照各组分的重量百分比称取半连续A356铸锭(具体成分为Si：6.5～7.5％、Mg：0.35～0.45％、Ti：0.10～0.15，其余为铝和不可避免的杂质，且杂质含量≤0.1％)、Al-Y合金、Al-Nd合金、Al-Zr合金和Al-Ti-C-B细化剂，其中，Al-Ti-C-B细化剂的重量为半连续A356铸锭、Al-Y合金、Al-Nd合金和Al-Zr合金的总重量的0.5～1％；

②熔炼：将半连续A356铸锭放入已预热至330～370℃的坩埚中加热熔化；

③旋转喷吹精炼：控制熔体温度为730～750℃，加入除渣剂进行搅拌，再采用惰性气体旋转喷吹精炼，随后静置10～20min；

④变质处理：除去表面浮渣，控制熔体温度为760～780℃，加入Al-Y合金、Al-Nd合金和Al-Zr合金搅拌，随后静置5～10min；

⑤真空除气精炼：控制熔体温度为760～780℃、真空度为5～8Pa，抽真空保持时间5～10min；

⑥细化处理：控制熔体温度为740～750℃，加入Al-Ti-C-B细化剂进行搅拌，随后静置5～10min；

⑦过滤浇注：除去表面浮渣，将熔体降温至710℃～730℃，再将熔体通过过滤网浇注到预热至200～300℃的模具中，并在室温条件下冷却获得铸锭；

⑧热处理：将步骤⑦得到的铸锭依次进行固熔处理和时效处理得到所述的A356合金。

进一步设计，在步骤②中，预热坩埚的具体操作为：先将坩埚预热至150℃以上、再冷却至65～75℃，之后涂上ZnO涂料，最后把坩埚加热至330～370℃。

为了使除渣剂对熔体的除渣效果更好，除渣剂的加入量为半连续A356铸锭、Al-Y合金、Al-Nd合金和Al-Zr合金的总重量的0.3～0.5％。

进一步设计，在步骤④中，Al-Y合金、Al-Nd合金和Al-Zr合金分别为AlY20、AlNd20、AlZr4，且Si元素在半连续A356铸锭中以AlSi12形式存在。

进一步设计，在步骤⑥中，Al-Ti-C-B细化剂(具体成份为Ti：1.8～2.5％、C：0.2～0.5％、B：0.2～0.5％，其余为铝和不可避免的杂质)在加入前先采用铝箔包覆。

为了使合金晶粒更加细小，在步骤⑦中，预热模具的具体操作为：先将模具预热至150℃以上、再冷却至65～75℃，之后涂上ZnO涂料，最后把模具加热至200～300℃。通过对模具进行预热处理，能够消除合金的表面细晶激冷层、羽毛状晶区、中心等轴晶区从而获得全部为细小的等轴晶组织，且晶粒均匀细小。

进一步设计，在步骤⑧中，所述的固熔处理温度为500℃～550℃，保温时间为6～10小时，之后将铸锭放入温度为75～85℃的水中进行水淬。

进一步设计，在步骤⑧中，所述的时效处理温度为160～180℃，保温时间7～9小时，之后空冷。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

一种A356合金：(1)通过加入稀土钇(Y)和钕(Nd)，这两种元素能在铝液中形成分散的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，而且，在凝固过程中Y和Nd聚集在合金前沿形成成分过冷，阻碍铝基体的生长，使铝合金铸态组织得到细化，能大大提高合金的综合力学性能，此外，控制稀土元素Y、Nd重量百分比之和＜0.5％，这是由于Y、Nd均能与Mg成不同的二元相(Mg24Y5、Mg12Nd)，导致“Mg”中毒，从而避免Y和Nd失去变质及细化效果；(2)稀土元素Y、Nd相比Sr具有更好的长效性和重熔性，使合金的变质和细化效果更好，从而使A356合金的力学性能和铸造性能更好。

一种前述A356合金的制备方法：(1)通过提高真空除气精炼熔体温度、并缩短真空除气时间，在保证除气效果的同时，能够避免由于真空精炼出气时间过长、熔体温度较高而引起Zr、Sr、Ti等元素与熔体反应生成沉淀，保障合金的变质或者细化效果，从而提升合金力学组织及铸造性能；(2)采用长效性更好的Al-TCB晶种合金作为细化剂，Al-TCB晶种合金中的TCB粒子弥散且大多数粒子的尺寸为亚微米及纳米范围，加入到A356合金中后，粒子分散且不易沉淀，粒子的各个晶面能够充分地与铝液接触，从而保证高的形核率，并且即使经过长时间保温之后，TCB粒子仍能作为初生α-Al的有效形核衬底，使得A356合金的晶粒得到细化；(3)采用晶粒细小且具有组织遗传性的半连续铸锭为原料，通过添加Y、Nd、Zr元素和长效性更好的Al-TCB作为细化剂、并严格控制变质时间和变质温度，以避免稀土氧化、烧损以及产生高熔点的偏聚物沉降，使获得的A356合金常温抗拉强度可达330Mpa以上，晶粒尺寸为90um以下，二次枝晶臂间距为25μm以下，与普通细化剂AlTi5B晶粒尺寸150～200μm相比大大减小，铸件力学性能得到显著提高。

具体实施方式

以下对本发明实施例作进一步详细描述。

实施例1

本实施例中的A356合金，包含如下重量百分比的组分，Si：6.0～7.0％、Mg：0.25～0.35％、Ti：0.05～0.15％、Y：0.2％、Nd：0.10％、Zr：0.3％，其余为铝和不可避免的杂质，且杂质含量≤0.1％。

本实施例中的A356合金的生产工艺流程方法如下：

配料-熔炼-旋转喷吹精炼-变质处理-细化处理-真空除气精炼-过滤浇注-热处理。

①配料：按照合金中各元素的配比称取半连续A356铸锭、Al-Y合金、Al-Nd合金、Al-Zr合金和Al-Ti-C-B细化剂，其中，Al-Ti-C-B细化剂的重量为半连续A356铸锭、Al-Y合金、Al-Nd合金和Al-Zr合金的总重量的0.5％；

②熔炼：采用50KW电阻炉熔炼，在电阻炉中将石墨坩埚和铸模预热至150℃以上，冷却至65～75℃，涂上ZnO涂料，再把坩埚加热到350℃，放入半连续A356铝铸锭，升温至铝锭熔化；

③旋转喷吹精炼：将A356铝合金熔体温度控制在730℃，加入除渣剂，加入量为半连续A356铸锭、Al-Y合金、Al-Nd合金和Al-Zr合金的总重量的0.3％，石墨搅拌棒强力搅拌后，采用惰性气体旋转喷吹精炼，静置10min；

④变质处理：除去表面浮渣，将A356铝合金液温度控制在760℃，加入Al-Y、Al-Nd和Al-Zr中间合金，强力搅拌后，静置5min；

⑤细化处理：将A356铝合金液温度控制在740℃，加入Al-Ti-C-B细化剂，强力搅拌后，静置5min；

⑥真空除气精炼：将A356铝合金液温度控制在760℃，真空度控制在5Pa，保持时间5min；

⑦过滤浇注：除去表面浮渣，降温至710℃左右，将熔体通过玻璃纤维过滤网浇注到预热至200℃的钢模中，室温冷却获得铸锭；

⑧热处理：铸锭在500℃温度下保温6小时，之后将铸锭放入温度为75～85℃的水中进行水淬，中间停留8h，时效处理160℃，保温时间8h，空冷；

实施例2

本实施例中的A356合金，包含如下重量百分比的组分，Si：6.0～7.0％、Mg：0.25～0.35％、Ti：0.05～0.15％、Y：0.25％、Nd：0.15％、Zr：0.45％，其余为铝和不可避免的杂质，且杂质含量≤0.1％。

本实施例中的A356合金的生产工艺流程方法如下：

①配料：按照合金中各元素的配比称取半连续A356铸锭、Al-Y合金、Al-Nd合金、Al-Zr合金以及Al-Ti-C-B细化剂，其中，Al-Ti-C-B细化剂的重量为半连续A356铸锭、Al-Y合金、Al-Nd合金和Al-Zr合金的总重量的0.8％；

②熔炼：采用50KW电阻炉熔炼，在电阻炉中将石墨坩埚和铸模预热至150℃以上，冷却至65～75℃左右，涂上ZnO涂料，再把坩埚加热到350℃，放入A356铝铸锭，升温至铝锭熔化；

③旋转喷吹精炼：将A356铝合金液温度控制在740℃，加入除渣剂，加入量为半连续A356铸锭、Al-Y合金、Al-Nd合金和Al-Zr合金的总重量的0.4％，石墨搅拌棒强力搅拌后，采用惰性气体旋转喷吹精炼，静置15min；

④变质处理：除去表面浮渣，将A356铝合金液温度控制在770℃，加入Al-Y合金、Al-Nd合金和Al-Zr合金，强力搅拌后，静置8min；

⑤细化处理：将A356铝合金液温度控制在745℃，加入Al-Ti-C-B细化剂，强力搅拌后，静置8min；

⑥真空除气精炼：将A356铝合金液温度控制在770℃，真空度控制在8Pa，保持时间8min；

⑦过滤浇注：除去表面浮渣，降温至720℃左右，将熔体通过玻璃纤维过滤网浇注到预热温度为250℃的钢模中，室温冷却获得铸锭；

⑧热处理：铸锭在535℃温度下保温8小时，之后将铸锭放入温度为75～85℃的水中进行水淬，中间停留8h，时效处理170℃，保温时间8h，空冷；

实施例3

本实施例中的A356合金，包含如下重量百分比的组分，Si：6.0～7.0％、Mg：0.25～0.35％、Ti：0.05～0.15％、Y：0.30％、Nd：0.20％、Zr：0.6％，其余为铝和不可避免的杂质，且杂质含量≤0.1％。

本实施例中的A356合金的生产工艺流程方法如下：

①配料：按照合金中各元素的配比称取半连续A356铸锭、Al-Y合金、Al-Nd合金、Al-Zr合金以及Al-Ti-C-B细化剂，其中，Al-Ti-C-B细化剂的重量为半连续A356铸锭、Al-Y合金、Al-Nd合金和Al-Zr合金的总重量的1％；

②熔炼：采用50KW电阻炉熔炼，在电阻炉中将石墨坩埚和铸模预热至150℃以上，冷却至65～75℃，涂上ZnO涂料，再把坩埚加热到350℃，放入A356铝铸锭，升温至铝锭熔化；

③旋转喷吹精炼：将A356铝合金液温度控制在750℃，加入除渣剂，加入量为半连续A356铸锭、Al-Y合金、Al-Nd合金和Al-Zr合金的总重量的0.5％，石墨搅拌棒强力搅拌后，采用惰性气体旋转喷吹精炼，静置20min；

④变质处理：除去表面浮渣，将A356铝合金液温度控制在780℃，加入Al-Y合金、Al-Nd合金和Al-Zr合金，强力搅拌后，静置10min；

⑤细化处理：将A356铝合金液温度控制在750℃，加入Al-Ti-C-B细化剂，强力搅拌后，静置10min；

⑥真空除气精炼：将A356铝合金液温度控制在780℃，真空度控制在8Pa，保持时间10min；

⑦过滤浇注：除去表面浮渣，降温至730℃左右，将熔体通过玻璃纤维过滤网浇注到预热温度为300℃的钢模中，室温冷却获得铸锭；

⑧热处理：铸锭在550℃温度下保温10小时，之后将铸锭放入温度为75～85℃的水中进行水淬，中间停留8h，时效处理180℃，保温时间8h，空冷；

以上三个实施例的相关性能参数如表1所示。

表1不同实施例的A356合金力学性能

Claims

1.一种A356合金，其特征在于，包含如下重量百分比的组分，Si：6.0～7.0％、Mg：0.25～0.35％、Ti：0.05～0.15％、Y：0.10～0.30％、Nd：0.10～0.20％、Zr：0.45～0.8％，其余为铝和不可避免的杂质，且杂质含量≤0.1％，Y和Nd的含量百分比之和＜0.5％；

所述A356合金的制备方法，依次包括如下步骤：

①配料：按照各组分的重量百分比称取半连续A356铸锭、Al-Y合金、Al-Nd合金、Al-Zr合金和Al-Ti-C-B细化剂，其中，Al-Ti-C-B细化剂的重量为半连续A356铸锭、Al-Y合金、Al-Nd合金和Al-Zr合金的总重量的0.5～1％；

⑤真空除气精炼：控制熔体温度为760～780℃、真空度为5～8Pa，抽真空保持时间5～8min；

⑧热处理：将步骤⑦得到的铸锭依次进行固溶处理和时效处理得到所述的A356合金。

2.根据权利要求1所述的A356合金，其特征在于，Ti：0.05～0.10％、Y：0.20～0.30％、Zr：0.45～0.6％。

3.一种如权利要求1或2所述的A356合金的制备方法，其特征在于，依次包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的A356合金的制备方法，其特征在于，其特征在于，在步骤②中，预热坩埚的具体操作为：先将坩埚预热至150℃以上、再冷却至65～75℃，之后涂上ZnO涂料，最后把坩埚加热至330～370℃。

5.根据权利要求3所述的A356合金的制备方法，其特征在于，其特征在于，在步骤③中，除渣剂的加入量为半连续A356铸锭、Al-Y合金、Al-Nd合金和Al-Zr合金的总重量的0.3～0.5％。

6.根据权利要求3所述的A356合金的制备方法，其特征在于，其特征在于，在步骤④中，Al-Y合金、Al-Nd合金和Al-Zr合金分别为AlY20、AlNd20、AlZr4，且Si元素在半连续A356铸锭中以AlSi12形式存在。

7.根据权利要求3所述的A356合金的制备方法，其特征在于，其特征在于，在步骤⑤中，Al-Ti-C-B细化剂在加入前先采用铝箔包覆。

8.根据权利要求3所述的A356合金的制备方法，其特征在于，其特征在于，在步骤⑦中，预热模具的具体操作为：先将模具预热至150℃以上、再冷却至65～75℃，之后涂上ZnO涂料，最后把模具加热至200～300℃。

9.根据权利要求3所述的A356合金的制备方法，其特征在于，其特征在于，在步骤⑧中，所述的固溶处理温度为500℃～550℃，保温时间为6～10h，之后将铸锭放入温度为75～85℃的水中进行水淬。

10.根据权利要求3所述的A356合金的制备方法，其特征在于，其特征在于，在步骤⑧中，所述的时效处理温度为160～180℃，保温时间7～9h，之后空冷。