CN114635065A - 一种强韧化a356铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强韧化A356铝合金及其制备方法，属于铝合金制备技术领域。本发明强韧化A356铝合金，以质量百分数计，该合金包括：Si 6.5~7.5%，Mg 0.25~0.45%，Ti 0.15~0.25%，Mn 0.05~0.25%，Zr 0.24~0.45%，Yb 0.3~0.61%，余量为Al。本发明通过复合添加Zr、Yb，并优化Zr、Yb元素的含量，利用Zr、Yb复合之后在细化变质上的协同作用使针状或片状共晶硅转变为纤维状共晶硅，消除了针状或片状共晶硅对铝基的割裂作用；细化α‑Al晶粒，很大程度上减少二次枝晶数量、减小二次枝晶间距以及α‑Al晶粒尺寸；从而提高了A356铝合金的强度及延伸率；本发明A356铝合金具有高强度、高韧性，主要适用于各种汽车轮毂用材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种强韧化A356铝合金及其制备方法，属于铝合金制备技术领域。
背景技术
A356合金是一个典型的Al-Si-Mg系三元合金，是一个具有优秀的综合性能的铸造铝合金。它不仅具有很好的铸造性能（流动性好、线收缩小、无热裂倾向），可铸造薄壁和形状复杂的铸件，而且通过热处理可达到较高的强度、良好的塑性和高冲击韧性，因此成为了汽车铸造轮毂的首选材质。在没有经过变质处理的A356合金中，硅相是以粗大的、不规则的片状或板状的形态分布在铝基体中，锋利的尖端会严重破坏铝基体的连续性，从而影响合金的力学性能；另外，未添加细化剂的A356合金中分布着较多粗大的树枝晶，降低合金的强韧性，以前常见的案例中常将变质剂与细化剂的作用进行简单的加和，但是效果并不理想，因此，急需寻找一种新的强韧化A356铝合金及其制备方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有A356铝合金中粗大的板片状共晶硅以及粗大的α-Al二次枝晶导致其塑性和强度降低的问题。
本发明的目的在于提供一种强韧化A356铝合金：以质量百分数计，该铝硅合金包括：Si 6.5~7.5%，Mg 0.25~0.45%，Ti 0.15~0.25%，Mn 0.05~0.25%，Zr 0.24~0.45%，Yb 0.3~0.61%，余量为Al。通过复合添加Zr、Yb，并优化Zr|、Yb元素的含量，利用Zr、Yb复合之后在细化变质上的协同作用，以达到提高A356铝合金强度和塑性的效果；本发明所述强韧化A356铝合金具有高强度、高韧性，主要用于汽车轮毂用材料。
本发明的另一目的在于提供强韧化A356铝合金的制备方法，具体步骤如下：
（1）采用A356铝锭、Al-10Zr中间合金、Al-10Yb中间合金作为原材料，根据目标合金成分计算各原料所需质量。
（2）将A356铝合金在750~780℃条件下熔融，依次加入Al-10Zr、Al-10Yb中间合金，熔化形成熔体再加入C2Cl6精炼剂并搅拌3~5min，除去表面浮渣；保温20~30min后，通入氮气对溶体进行除气5min，扒渣后将熔体在720℃下浇注在预热温度为300℃的金属模具中，得到所需A356铸态合金。
（3）将步骤（2）中的得到的铝合金在540℃下固溶4h，并在170℃下时效4h。
所述铝锆中间合金中Zr的质量百分数为9~ 10%。
所述铝镱中间合金中Yb的质量百分数为9~ 11%。
本发明所述Yb可以通过杂质诱导孪晶机制对共晶Si起到变质作用，在A356铝合金中复合添加Zr和Yb时，会形成具有L12结构的Al3(Yb,Zr)沉淀相，一方面可以提高α-Al的非均质形核速率从而达到细化晶粒的效果；另一方面，这种沉淀相弥散分布在基体中，可以有效地钉扎位错，阻碍晶界迁移，从而提高合金的强韧性。
本发明的有益效果：
（1）通过复合添加Zr、Yb，并优化Zr|、Yb元素的含量，利用Zr、Yb复合之后在细化变质上的协同作用，即形成具有L12结构的Al3(Yb,Zr)沉淀相，以达到提高A356铝合金强度和塑性的效果。
（2）本发明强韧化A356铝合金具有高强度、高韧性，主要用于汽车轮毂用材料。
附图说明
图1为实施例1强韧化A356铝合金的金相图；
图2为实施例2强韧化A356铝合金的金相图；
图3为实施例3强韧化A356铝合金的金相图；
图4为对比例1 A356铝合金的金相图；
图5为对比例2单一添加Zr的A356铝合金的金相图；
图6为对比例3单一添加Yb的A356铝合金的金相图；
图7为实施例1强韧化A356铝合金的SEM图；
图8为实施例1强韧化A356铝合金的TEM明场像图和衍射花样图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种强韧化A356铝合金及其制备方法，所述铝硅合金包括：Si 6.7%，Mg 0.41%，Ti0.21%，Mn 0.13%，Zr 0.24%；Yb 0.32%，余量为Al，具体包括以下步骤：
（1）采用A356铝锭、Al-10Zr中间合金、Al-10Yb中间合金作为原材料，根据目标合金成分计算各原料所需质量。
（2）将A356铝合金在750℃条件下熔融，依次加入Al-10Sr、Al-10Yb中间合金，熔化形成熔体再加入C2Cl6精炼剂并搅拌3min，除去表面浮渣；保温20min后，通入氮气对溶体进行除气5min，扒渣后将熔体在720℃下浇注在预热温度为300℃的金属模具中，得到所需A356铸态合金。
（3）将步骤（2）中的得到的铝合金在540℃下固溶4h，并在170℃下时效4h。
本实施例强韧化A356铝合金的金相图见图1，从图中可以看出，α-Al晶粒细小且分布均匀，二次枝晶数量和间距明显减小；共晶硅转变为短棒状或纤维状；本实施例强韧化A356铝合金在室温下的力学性能：抗拉强度为296.8MPa，延伸率8.9%；图7为实施例1的SEM图，从图中可以看出有衬度较为明显的物质分布在α-Al的晶界处，通过EDS分析可知该物质是包含Al、Zr|、Yb的混合物（如表1所示），结合相图分析可知该物质由Al3Zr和Al3Yb构成；图8为实施例1的TEM明场像图，可以看出有较多弥散分布的沉淀相颗粒分布其中，结合理论分析该物质应是具有L12结构的Al3(Yb,Zr)沉淀相。
表1实施例1强韧化A356铝合金的EDS分析
实施例2
一种强韧化A356铝合金及其制备方法，所述铝硅合金包括：Si 6.5%，Mg 0.45%，Ti0.15%，Mn 0.05%，Zr 0.33%；Yb 0.47%，余量为Al，具体包括以下步骤：
（1）采用A356铝锭、Al-10Zr中间合金、Al-10Yb中间合金作为原材料，根据目标合金成分计算各原料所需质量。
（2）将A356铝合金在780℃条件下熔融，依次加入Al-10Sr、Al-10Yb中间合金，熔化形成熔体再加入C2Cl6精炼剂并搅拌5min，除去表面浮渣；保温25min后，通入氮气对溶体进行除气5min，扒渣后将熔体在720℃下浇注在预热温度为300℃的金属模具中，得到所需A356铸态合金。
（3）将步骤（2）中的得到的铝合金在540℃下固溶4h，并在170℃下时效4h。
本实施例制备得到的强韧化A356铝合金结构与实施例1相似，如图2所示，也得到具有L12结构的Al3(Yb,Zr)沉淀相，相比于实施例1沉淀相的含量较少；在室温下的力学性能：抗拉强度为293.4MPa，延伸率8.2%。
实施例3
一种强韧化A356铝合金及其制备方法，所述铝硅合金包括：Si 7.5%，Mg 0.25%，Ti0.25%，Mn 0.25%，Zr 0.44%；Yb 0.61%，余量为Al，具体包括以下步骤：
（1）采用A356铝锭、Al-10Zr中间合金、Al-10Yb中间合金作为原材料，根据目标合金成分计算各原料所需质量。
（2）将A356铝合金在760℃条件下熔融，依次加入Al-10Sr、Al-10Yb中间合金，熔化形成熔体再加入C2Cl6精炼剂并搅拌4min，除去表面浮渣；保温30min后，通入氮气对溶体进行除气5min，扒渣后将熔体在720℃下浇注在预热温度为300℃的金属模具中，得到所需A356铸态合金。
（3）将步骤（2）中的得到的铝合金在540℃下固溶4h，并在170℃下时效4h。
本实施例制备得到的强韧化A356铝合金结构与实施例1相似，如图3所示，也得到具有L12结构的Al3(Yb,Zr)沉淀相，和实施例1中沉淀相的含量比较接近，在室温下的抗拉强度为295.3MPa，延伸率8.5%。
对比例1
本实施例以A356铝合金为例，以质量百分数计，合金包括：Mg 0.32%、Si 7.4%、Ti0.22%、Mn 0.15%，余量为Al；制备方法具体包括以下步骤：
将A356铝合金在750℃条件下熔融，再加入C2Cl6精炼剂并搅拌3~5min，除去表面浮渣；保温20min后，通入氮气对溶体进行除气5min，扒渣后将熔体在720℃下浇注在预热温度为300℃的金属模具中，得到所需A356铸态合金；将得到的合金在540℃下固溶4h，并在170℃下时效4h。
本对比例A356铝合金的金相图见图4，从图中可以看出，有粗大的不规则的板片状共晶硅分布在铝基体中，严重破坏了α-Al基体的连续性；另外α-Al晶粒粗大并且存在粗壮的二次枝晶；这些严重降低了本对比例合金在室温下的力学性能：抗拉强度为252.4MPa，延伸率4.1%。
对比例2
本对比例以单一添加Zr的A356铝合金为例，以质量百分数计，该合金包括：Mg0.43%、Si 7.5%、Ti 0.20%、Mn 0.15%、Zr 0.33，余量为Al；具体步骤如下：
（1）采用A356铝锭、Al-10Zr中间合金作为原材料，根据目标合金成分计算各原料所需质量；其中铝锆中间合金中Zr的质量百分数为9~ 10%。
（2）将A356铝合金在750℃条件下熔融，再加入Al-10Zr中间合金，熔化形成熔体再加入C2Cl6精炼剂并搅拌3~5min，除去表面浮渣；保温25min后，通入氮气对溶体进行除气5min，扒渣后将熔体在720℃下浇注在预热温度为300℃的金属模具中，得到所需A356铸态合金。
（3）将步骤（2）中的得到的铝合金在540℃下固溶4h，并在170℃下时效4h。
本对比例2单一添加Zr的A356铝合金的金相图见图5，从图中可以看出，α-Al晶粒有较大程度上的细化，但共晶硅形貌并没有较大的改变；本对比例2单一添加Zr的A356铝合金在室温下的力学性能：抗拉强度为269.6MPa，延伸率5.8%。
对比例3
本对比例单一添加Yb的A356铝合金，以质量百分数计，该合金包括：Mg 0.38%、Si7.3%、Ti 0.18%、Mn 0.20%、Yb 0.58%，余量为Al；具体步骤如下：
（1）采用A356铝锭、Al-10Yb中间合金作为原材料，根据目标合金成分计算各原料所需质量；其中铝镱中间合金中Yb的质量百分数为9~ 11%。
（2）将A356铝合金在750℃条件下熔融，再加入Al-10Yb中间合金，熔化形成熔体再加入C2Cl6精炼剂并搅拌3~5min，除去表面浮渣；保温30min后，通入氮气对溶体进行除气5min，扒渣后将熔体在720℃下浇注在预热温度为300℃的金属模具中，得到所需A356铸态合金。
（3）将步骤（2）中的得到的铝合金在540℃下固溶4h，并在170℃下时效4h。
本对比例3单一添加Yb的A356铝合金的金相图见图6，从图中可以看出，α-Al晶粒细小且分布均匀，二次枝晶数量和间距也有很大程度上的减小；共晶硅转变为短棒状或纤维状；本对比例单一添加Yb的A356铝合金在室温下的力学性能：抗拉强度为284.3MPa，延伸率7.9%。
表2实施例1~3和对比例1~3的实验数据
由各实验结果及检测分析可知，单一添加Zr时可以很大程度上细化α-Al晶粒，并以Al3Zr的形式主要分布在晶界处；单一添加Yb时，其主要作用是变质共晶Si同时也会一定程度的细化α-Al晶粒，并以Al3Yb的形式主要分布在晶界处；复合添加Zr、Yb时，除了会形成部分Al3Zr、Al3Yb外，还会形成以Al3Yb为核以Al3Zr为壳的具有核壳结构的L12型沉淀相Al3(Yb，Zr)，该相弥散分布在基体中，可以钉扎位错阻碍晶界迁移以进一步提高合金的强度；其中最大抗压强度为296.8Mpa，最大延伸率为8.9%；具有强度高、塑性好等特点，在汽车轮毂具有广泛的应用前景。
Claims (4)
1.一种强韧化A356铝合金，其特征在于：以质量百分数计，该铝硅合金包括：Si 6.5~7.5%，Mg 0.25~0.45%，Ti 0.15~0.25%，Mn 0.05~0.25%，Zr 0.24~0.45%，Yb 0.3~0.61%，余量为Al。
2.权利要求1所述强韧化A356铝合金的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）采用A356铝锭、Al-10Zr中间合金、Al-10Yb中间合金作为原材料，根据目标合金成分计算各原料所需质量；
（2）将A356铝合金在750~780℃条件下熔融，依次加入Al-10Sr、Al-10Yb中间合金，熔化形成熔体再加入C2Cl6精炼剂并搅拌3~5min，除去表面浮渣；保温20~30min后，通入氮气对溶体进行除气5min，扒渣后将熔体在720℃下浇注在预热温度为300℃的金属模具中，得到所需A356铸态合金；
（3）将步骤（2）中的得到的铝合金在540℃下固溶4h，并在170℃下时效4h。
3.根据权利要求2所述强韧化A356铝合金的制备方法，其特征在于：铝锆中间合金中Zr的质量百分数为9~10%。
4.根据权利要求2所述强韧化A356铝合金的制备方法，其特征在于：铝镱中间合金中Yb的质量百分数为9~11%。
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