CN114381640B - 一种流变铸造用高强铝合金材料及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于铝合金流变铸造成形技术领域，提供了一种流变铸造用高强铝合金材料及其应用方法。所述流变铸造用高强铝合金材料的成分范围为Zn：7～9wt.％、Si：6～6.5wt.％、Cu：2～4wt.％、Mg：0.2～0.6wt.％、Sr：0.02～0.04wt.％，余量为Al和杂质。杂质的含量为0～0.1wt.％，且单个杂质元素的含量小于0.05wt.％。应用方法，按上述流变铸造用高强铝合金材料成分比例制备铝、锌、硅、铜、镁、锶中的金属或/和至少两种元素的中间合金，并加热融化后采用半固态浆料制备方法将熔液转变为半固态浆料。本发明所提供的一种流变铸造用高强铝合金材料及其应用方法，强度有显著提升，且所选用合金化元素均为铸造合金常用元素，成本较低，利于推广应用。
Description
技术领域
本发明属于铝合金流变铸造成形技术领域，尤其涉及一种流变铸造用高强铝合金材料及其应用方法。
背景技术
相对于传统铸造技术，铝合金流变铸造技术可以降低产品内部缺陷含量、提高产品性能、延长模具寿命，在交通运输领域已实现小规模产业化应用，但是随着交通运输领域的发展，轻量化的要求不断提高，相应地，对铝合金铸造产品的性能提出了更高的要求。流变铸造常用铝合金材料以Al-Si-Mg系合金为主，例如356、357铝合金，材料性能有限，不能满足更高的适用需求。为了保障流变铸造产品质量的稳定性，材料的固相含量在流变成形工艺窗口区间(通常为固相含量40％-60％)须具有较小的温度敏感性(通常小于0.03K-1)，优选地，材料在流变成形工艺窗口区间存在一个凝固共晶点。以上要求对流变铸造用高强铝合金的设计造成了限制。
现有技术中，流变成形用铝合金材料，其材料强度没有显著提高，或应用了稀土、钛、铒等非常规元素，其成本较高，不利于推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种流变铸造用高强铝合金材料及其应用方法，其材料及制件的强度显著提高，成本较低，利于推广应用。
本发明的技术方案是：一种流变铸造用高强铝合金材料，所述流变铸造用高强铝合金材料的成分范围为Zn：7～9wt.％、Si：6～6.5wt.％、Cu：2～4wt.％、Mg：0.2～0.6wt.％、Sr：0.02～0.04wt.％，余量为Al和杂质。
可选地，所述杂质的含量为0～0.1wt.％，且单个杂质元素的含量小于0.05wt.％。
可选地，Zn：7～9wt.％、Si 6～6.5wt.％、Cu 2～3wt.％、Mg 0.2～0.6wt.％、Sr0.02～0.03wt.％。
可选地，Zn：7～9wt.％、Si 6～6.5wt.％、Cu 2～3.5wt.％、Mg 0.2～0.3wt.％、Sr0.02～0.03wt.％。
可选地，Zn：7～9wt.％、Si 6～6.5wt.％、Cu 2～3.5wt.％、Mg 0.3～0.6wt.％、Sr0.02～0.03wt.％。
可选地，Zn：7～9wt.％、Si 6～6.5wt.％、Cu 2～4wt.％、Mg 0.45～0.6wt.％、Sr0.02～0.03wt.％。
可选地，所述流变铸造用高强铝合金材料中微观结构包括α-Al颗粒、Si颗粒、Al2Cu相、Q-Al5Cu2Mg8Si6相、V-Mg2Zn11相、Zn颗粒。
本发明还提供了一种流变铸造用高强铝合金材料的应用方法，按上述流变铸造用高强铝合金材料成分比例制备铝、锌、硅、铜、镁、锶中的金属或/和至少两种元素的中间合金，并加热融化后采用半固态浆料制备方法将熔液转变为半固态浆料。
可选地，所述半固态浆料的固相含量为40～60％。
可选地，将所述半固态浆料放入铸造成形得到成型件；对所述成形件进行T4热处理、T5热处理或T6热处理。
本发明所提供的一种流变铸造用高强铝合金材料及其应用方法，添加6～6.5wt.％的Si使合金在流变成形工艺窗口区间形成一个Al-Si共晶点，有利于半固态铸造，并且起到增加熔体流动性、减小缩孔缺陷含量等作用。Sr起到变质作用，促使Si颗粒在热处理过程中由网状或纤维状转变为球状或近球状，利于提升材料韧性。所述流变铸造用高强铝合金材料中微观结构包括α-Al颗粒、Si颗粒、Al2Cu相、Q-Al5Cu2Mg8Si6相、V-Mg2Zn11相、Zn颗粒。Si颗粒、Al2Cu相、Q-Al5Cu2Mg8Si6相、V-Mg2Zn11相作为硬质相，有一定量的Si、Cu、Mg、Zn元素固溶在α-Al颗粒中，起到强化合金的作用。相较于流变铸造常用铝合金材料(356、357铝合金)，强度有显著提升，且所选用合金化元素均为铸造合金常用元素，成本较低，利于推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种流变铸造用高强铝合金材料在铸态下放大200倍的微观组织金相图；
图2是本发明实施例提供的一种流变铸造用高强铝合金材料在铸态下放大500倍的微观组织金相图；
图3是本发明实施例提供的一种流变铸造用高强铝合金材料在T6热处理态下放大200倍的微观组织金相图；
图4是本发明实施例提供的一种流变铸造用高强铝合金材料在T6热处理态下放大500倍的微观组织金相图。
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。
本发明实施例提供的一种流变铸造用高强铝合金材料，所述流变铸造用高强铝合金材料的成分范围为Zn：7～9wt.％、Si：6～6.5wt.％、Cu：2～4wt.％、Mg：0.2～0.6wt.％、Sr：0.02～0.04wt.％，余量为Al和杂质(即不可避免的杂质)。本发明实施例中，添加6～6.5wt.％的Si使合金在流变成形工艺窗口区间形成一个Al-Si共晶点，有利于半固态铸造，并且起到增加熔体流动性、减小缩孔缺陷含量等作用。Sr起到变质作用，促使Si颗粒在热处理过程中由网状或纤维状转变为球状或近球状，利于提升材料韧性。所述流变铸造用高强铝合金材料中微观结构包括α-Al颗粒、Si颗粒、Al2Cu相、Q-Al5Cu2Mg8Si6相、V-Mg2Zn11相、Zn颗粒。Si颗粒、Al2Cu相、Q-Al5Cu2Mg8Si6相、V-Mg2Zn11相作为硬质相，有一定量的Si、Cu、Mg、Zn元素固溶在α-Al颗粒中，起到强化合金的作用。相较于流变铸造常用铝合金材料(356、357铝合金)，强度有显著提升，且所选用合金化元素均为铸造合金常用元素，成本较低，利于推广应用。
具体地，本实施例中，所述杂质的含量为0～0.1wt.％。且单个杂质元素的含量小于0.05wt.％。
作为第一种可能的实施方式，流变铸造用高强铝合金材料中，Zn：7～9wt.％、Si 6～6.5wt.％、Cu 2～3wt.％、Mg 0.2～0.6wt.％、Sr 0.02～0.03wt.％。例如，Zn：7wt.％，Si：6wt.％，Cu：3wt.％，Mg：0.2wt.％，Sr：0.02wt.％。
作为第二种可能的实施方式，流变铸造用高强铝合金材料中，Zn：7～9wt.％、Si 6～6.5wt.％、Cu 3～3.5wt.％、Mg 0.2～0.45wt.％、Sr 0.02～0.03wt.％。例如Zn：9wt.％，Si：6.5wt.％，Cu：3.5wt.％，Mg：0.2wt.％，Sr：0.03wt.％
作为第三种可能的实施方式，流变铸造用高强铝合金材料中，Zn：7～9wt.％、Si 6～6.5wt.％、Cu 3～3.5wt.％、Mg 0.45～0.6wt.％、Sr 0.02～0.03wt.％。例如Zn：7wt.％，Si：6wt.％，Cu：3.5wt.％，Mg：0.3wt.％，Sr：0.03wt.％。
作为第四种可能的实施方式，流变铸造用高强铝合金材料中，Zn：7～9wt.％、Si 6～6.5wt.％、Cu 2～4wt.％、Mg 0.45～0.6wt.％、Sr 0.02～0.03wt.％。Zn：7wt.％，Si：6wt.％，Cu：4wt.％，Mg：0.45wt.％，Sr：0.03wt.％
当然，可以理解地，上述流变铸造用高强铝合金材料中的Zn、Si、Cu、Mg、Sr可以单独或至少两个元素在设定成分范围改变。
所述流变铸造用高强铝合金材料中微观结构包括α-Al颗粒、Si颗粒、Al2Cu相、Q-Al5Cu2Mg8Si6相、V-Mg2Zn11相、Zn颗粒。
本发明还提供了一种流变铸造用高强铝合金材料的应用方法，可以制备上述流变铸造用高强铝合金材料并应用，按上述一种流变铸造用高强铝合金材料成分比例制备铝、锌、硅、铜、镁、锶中的金属或/和至少两种元素的中间合金，并加热融化后采用半固态浆料制备方法将熔液转变为半固态浆料。具体应用中，原料可以为铝锭、锌块、硅块、铜块、镁块和锶块(上述原料纯度均大于或等于99.9％)，或者，采用上述其中两种或两种以上元素的中间合金(例如：Al-20Si、Al-50Cu、Al-50Mg、Al-10Sr)。铝锭的纯度≥99.9％，锌块的纯度≥99.9％，硅块的纯度≥99.9％，铜块的纯度≥99.9％，镁块的纯度≥99.9％，锶块的纯度≥99.9％，中间合金的杂质含量＜0.05％。在760～800℃下熔化铝锭，然后按成分比例加入其它原料，待完全熔解后，搅拌均匀，得到铝合金熔液。可以采用常规方法对合金熔液进行除渣和除气。将合金熔液倒入制浆容器，采用半固态浆料制备方法将其转变为半固态浆料，所采用半固态制浆方法可以为热焓平衡法、气体诱导法、机械搅拌法或电磁搅拌法等。
具体应用中，所述半固态浆料的固相含量不低于40％，本实施例中，半固态浆料的固相含量为40～60％。
具体地，将所述半固态浆料放入铸造成形得到成型件；对所述成形件进行T4热处理、T5热处理或T6热处理。具体应用中，可将半固态浆料放入压铸机或挤压铸造机，铸造成形。其中，对成形件进行T4热处理：(固溶处理(400～490℃、8～10h)+淬水+自然时效；对成形件进行T5热处理(150～200℃8～12h)或T6热处理(固溶处理(400～490℃8～10h)+淬水+人工时效(120～160℃24～48h))。
下表为实施例与对比例在热处理后的抗拉强度屈、服强度和延伸率，可见，本发明实施例所提供的流变铸造用高强铝合金材料，流变铸造(微观组织金相图见图1、图2)后，T4热处理态，其抗拉强度为375～400MPa，屈服强度为220～260MPa，延伸率为13～17％；T5热处理态，其抗拉强度为290～300MPa，屈服强度为200～220MPa，延伸率为3～4％；T6热处理态(微观组织金相图见图3、图4)，其抗拉强度为400～450MPa，屈服强度为320～430MPa，延伸率为1～8％。相较于常用流变铸造铝合金材料(356、357)，强度有较大提升。且所选用合金化元素均为铸造合金常用元素，原材料成本基本没有增加。
表1实施例与对比例在热处理后的抗拉强度屈、服强度和延伸率
在实施例1至4中，材料微观结构主要包含α-Al颗粒、Si颗粒、Al2Cu相、Q-Al5Cu2Mg8Si6相、V-Mg2Zn11相、Zn颗粒。Si颗粒、Al2Cu相、Q-Al5Cu2Mg8Si6相、V-Mg2Zn11相作为硬质相，并有一定量的Si、Cu、Mg、Zn元素固溶在α-Al颗粒中，起到强化合金的作用。在对比例中，材料微观结构主要包含α-Al颗粒、Si颗粒、Mg2Si相。相比较于实施例1至4，对比例中材料的硬质相含量较少，且α-Al颗粒中的固溶元素含量较低，强化作用较弱。
以上所述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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种流变铸造用高强铝合金材料，其特征在于，所述流变铸造用高强铝合金材料的成分范围为Zn：7～9wt.%、Si：6～6.5wt.%、Cu：2～4wt.%、Mg：0.2～0.6wt.%、Sr：0.02～0.04wt.%，余量为Al和杂质；所述流变铸造用高强铝合金材料中微观结构包括α-Al颗粒、Si颗粒、Al2Cu相、Q-Al5Cu2Mg8Si6相、V-Mg2Zn11相、Zn颗粒，一定量的Si、Cu、Mg、Zn元素固溶在α-Al颗粒中。
2.如权利要求1所述的流变铸造用高强铝合金材料，其特征在于，所述杂质的含量为0～0.1wt.%，且单个杂质元素的含量小于0.05wt.%。
3.如权利要求1或2所述的一种流变铸造用高强铝合金材料，其特征在于， Zn ：7～9wt.%、Si 6～6.5wt.%、Cu 2～3wt.%、Mg 0.2～0.6wt.%、Sr 0.02～0.03wt.%。
4.如权利要求1或2所述的一种流变铸造用高强铝合金材料，其特征在于，Zn ：7～9wt.%、Si 6～6.5wt.%、Cu 2～3.5wt.%、Mg 0.2～0.3wt.%、Sr 0.02～0.03wt.%。
5.如权利要求1或2所述的一种流变铸造用高强铝合金材料，其特征在于，Zn ：7～9wt.%、Si 6～6.5wt.%、Cu 2～3.5wt.%、Mg 0.3～0.6wt.%、Sr 0.02～0.03wt.% 。
6.如权利要求1或2所述的一种流变铸造用高强铝合金材料，其特征在于，Zn ：7～9wt.%、Si 6～6.5wt.%、Cu 2～4wt.%、Mg 0.45～0.6wt.%、Sr 0.02～0.03wt.%。
7.一种流变铸造用高强铝合金材料的应用方法，其特征在于，按权利要求1至6中任一项所述一种流变铸造用高强铝合金材料成分比例制备铝、锌、硅、铜、镁、锶中的金属或/和至少两种元素的中间合金，并加热融化后采用半固态浆料制备方法将熔液转变为半固态浆料，所述流变铸造用高强铝合金材料中微观结构包括α-Al颗粒、Si颗粒、Al2Cu相、Q-Al5Cu2Mg8Si6相、V-Mg2Zn11相、Zn颗粒，一定量的Si、Cu、Mg、Zn元素固溶在α-Al颗粒中。
8.如权利要求7所述的一种流变铸造用高强铝合金材料的应用方法，其特征在于，所述半固态浆料的固相含量为40～60%。
9.如权利要求8所述的一种流变铸造用高强铝合金材料的应用方法，其特征在于， 将所述半固态浆料放入压铸机铸造成形得到成型件；对所述成型件进行T4热处理、T5热处理或T6热处理。
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