CN115261682A

CN115261682A - 铸造铝合金及制备方法

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Publication number: CN115261682A
Application number: CN202210968523.XA
Authority: CN
Inventors: 王东涛; 张海; 张孝足; 王瑞; 杨鹏; 王源源; 程浩
Original assignee: Shandong Honghe Lightweight Technology Co ltd; Suzhou University
Current assignee: Shandong Honghe Lightweight Technology Co ltd; Suzhou University
Priority date: 2022-08-12
Filing date: 2022-08-12
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2042-08-12
Also published as: CN115261682B

Abstract

本发明公开了一种铸造铝合金及制备方法，所述铝合金的基体中包括一种以上的亚微米级弥散相，所述铝合金的晶界上包括一种以上的微米级第二相，其中所述亚微米级弥散相的尺寸范围为20～1000nm，成分包括Al、Fe、Mn、Cr、Zr、Mo、Ti、Cu、Ni、Co、Y、V、Sc元素中的任意两种或几种；所述微米级第二相的尺寸范围为1～20μm之间。所述铸造铝合金的制备方法包括对铝合金铸锭进行时间‑温度抛物线形曲线或时间‑温度波浪形曲线的固溶处理及时效处理，本发明铸造铝合金及制备方法实现了弥散强化相的数量密度和尺寸的调控，提高了合金的抗疲劳强度。

Description

铸造铝合金及制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金材料领域，具体涉及一种具有非剪切强化相的铸造铝合金的制备方法。

背景技术

铸造铝合金由于其流动性好、成型性好、导热性好、强度高以及生产效率高、成本低廉等优点，在汽车领域得到广泛应用。其常被用于汽车车身、轮毂、油箱、铝罐、机器盖板、电机壳、转向节、推拉杆等结构。为了实现汽车车体轻量化，除了对铝合金屈服强度，耐蚀性能具有一定的要求外，对其抗疲劳性能要求也越来越高。

中国发明专利CN109266923A公开了一种高强度、高耐疲劳性Al-Cu-Mg-Si-Mn系铝合金及其加工方法，其通过成分设计，热处理工艺调整，以实现对合金中弥散相数量密度、粗大相面积百分数和再结晶面积分数的有效控制，获得了高强度和高疲劳寿命的铝合金。

中国发明专利CN109295355A公开了一种轨道交通用抗疲劳及耐腐蚀Al-Mg-Si-Cr铝合金及其制备方法，其通过成分设计，热处理、轧制工艺调整，获得了一种高耐疲劳性能铝合金。

然上述专利中公开的铝合金及其加工方法，以及其他一些现有技术中公开都是关于提高Al-Cu、Al-Mg-Si系等变形铝合金抗疲劳性能的技术，其需要通过塑性变形加工造成再结晶等手段来达到抗疲劳的性能，而对于不经过塑性加工变形处理的铸造铝合金，如何提升其抗疲劳性能对汽车用铸造铝合金材料的质量提升具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铸造铝合金及制备方法，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题。

为实现上述发明目的，本发明提出技术方案是：一种铸造铝合金，所述铝合金的基体中包括一种以上的亚微米级弥散相，所述铝合金的晶界上包括一种以上的微米级第二相，其中

所述亚微米级弥散相的尺寸范围为20～1000nm，成分包括Al、Fe、Mn、Cr、Zr、Mo、Ti、Cu、Ni、Co、Y、V、Sc元素中的任意两种或几种；

所述微米级第二相的尺寸范围为1～20μm之间，成分包括Al、Fe、Mn、Cr、Zr、Mo、Ti、Cu、Ni、Co、Y、V、Sc元素中的任意两种或几种。

本发明还提出一种铸造铝合金的制备方法，包括如下制备步骤：

对所述铝合金进行配料，熔炼，得到所述铝合金铸锭；

对所述铸锭进行时间-温度抛物线形曲线或时间-温度波浪形曲线的固溶处理，其中：

时间-温度抛物线形曲线的处理包括：将所述铝合金铸锭放置在热处理炉中，升温至200～400℃范围内保温1～8h，而后继续升温至400～550℃范围内保温1～5h，而后降温至300～400℃保温1～6h，完成后进行水淬处理；

时间-温度波浪形曲线的处理包括：将所述铝合金铸锭放置在热处理炉中，升温至200～400℃范围内保温1～8h，而后继续升温至400～550℃范围内保温1～5h，随后降温至300～400℃保温1～6h，之后再升温至400～500℃保温1～5h，完成后进行空冷或150～170℃油淬或25～50℃水淬处理；

将固溶处理后的合金在140～200℃进行3～10h的时效处理，得到最终合金产品。

本发明的有益效果：本发明铸造铝合金及制备方法，通过控制合金成分及配比，以及制备过程中热处理的温度及时间调控弥散相的数量密度和尺寸，使得在铝合金的晶体中形成一种以上一定密度数量、尺寸和晶体结构的亚微米级弥散相，且在铝合金的晶界处形成一种以上一定密度数量、尺寸和形态的微米级第二相，使铝合金具有非剪切强化相及高疲劳性能。

附图说明

图1a、图1b为本发明实施例1的合金组织的示意图；

图2a、图2b为本发明实施例2的合金组织的示意图；

图3为本发明实施例3的合金组织的示意图；

图4为本发明实施例4的合金组织的示意图；

图5为本发明实施例5的合金组织的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述

实施例1

本实施例公开的一种铸造铝合金的制备方法，其具有非剪切强化相及高疲劳性能，该铝合金的组分及组分的各重量百分比为：Si 4％、Mg 0.1％、Fe0.25％、Mn 0.5％、Cr0.2％、Zr 0.5％、Mo 0.27％、Ti 0.28％、Cu 0.1％、Ni 0.4％、Co 0.24％、Y 0.29％、V0.22％、Sc 0.23％，其余为Al。

本实施例基于上述成分的铸造铝合金的制备方法包括以下步骤：

(1)对上述成分铝合金进行配料，熔炼，通过重力铸造得到铸锭；

(2)将步骤(1)中铸锭进行固溶处理，固溶工艺具体为时间-温度抛物线性曲线的热处理，包括：

首先，将样品放置在热处理炉中，升温至200℃范围内保温8h；

将样品继续升温至400℃范围内保温5h；

而后将样品降温至300℃保温6h；

完成后将样品在25℃水淬处理。

(3)将固溶处理后的合金在140℃进行10h的时效处理，获得最终样品。

该实施例得到的合金组织如图1a、1b所示，通过组织观察发现，本实施例的合金基体中存在大量弥散强化相，其晶体结构包括简单立方结构、复杂立方结构、四方结构、单斜结构以及密排六方结构；弥散相的尺寸范围为400～1000nm；弥散相的化学成分包含Al、Fe、Mn、Cr、Zr、Mo、Ti、Cu、Ni、Co、Y、V、Sc元素；弥散相的数量密度约为10¹⁶/m³；弥散相与基体为共格、半共格或非共格关系。图1b中可以明显看出微米级第二相，其尺寸范围为1～20μm之间，成分包括Al、Fe、Mn、Cr、Zr、Mo、Ti、Cu、Ni、Co、Y、V、Sc元素中的任意两种或几种。

经疲劳测试，在120MPa应力水平和应力比为-1的条件下，本实施例的铸造铝合金的疲劳寿命达10⁷循环周次以上。

实施例2

本实施例公开的一种铸造铝合金的制备方法，其具有非剪切强化相及高疲劳性能，铝合金的组分及重量百分比为：Si 8％、Mg 0.3％、Fe 0.1％、Mn0.25％、Cr 0.5％、Zr0.33％、Mo 0.1％、Ti 0.5％、Cu 1.3％、Ni 0.1％、Co 0.1％、Y 0.36％、V 0.1％、Sc0.35％，其余为Al。

(1)对所述铝合金进行配料，熔炼，通过挤压铸造得到铸锭；

(2)将步骤(1)中铸锭进行固溶处理，固溶工艺具体为时间-温度波浪形曲线的热处理，包括：

然后将样品继续升温至400℃范围内保温5h；

随后将样品降温至300℃保温4h；

之后再将样品升温至400℃保温5h；

完成后将样品进170℃油淬。

(3)将固溶处理后的合金在200℃进行3h的时效处理，获得最终样品。

该实施例得到的合金组织如图2a、2b所示，通过组织观察发现，本实施例中的合金基体中存在大量弥散相，其晶体结构包括简单立方结构、复杂立方结构、四方结构、单斜结构以及密排六方结构；弥散相的尺寸范围为20～500nm；弥散相的化学成分包含Al、Fe、Mn、Cr、Zr、Mo、Ti、Cu、Ni、Co、Y、V、Sc元素；弥散相的数量密度约为10¹⁸/m³；弥散相与基体为共格、半共格或非共格关系。图2b中可以明显看出微米级第二相，其尺寸范围为1～20μm之间，成分包括Al、Fe、Mn、Cr、Zr、Mo、Ti、Cu、Ni、Co、Y、V、Sc元素中的任意两种或几种。

经疲劳测试，在140MPa应力水平和应力比为-1的条件下，本实施例的铸造铝合金的疲劳寿命达10⁷循环周次以上。

实施例3

本实施例公开的一种铸造铝合金的制备方法，其组分及重量百分比为：Si 12％、Mg 1％、Fe 0.5％、Mn 0.1％、Cr 0.25％、Zr 0.25％、Mo 0.5％、Ti 0.26％、Cu 0.9％、Ni1％、Co 0.2％、Y 0.5％、V 0.19％、Sc 0.1％，其余为Al。

(1)对所述铝合金进行配料，熔炼，通过高压得到铸锭；

首先将样品放置在热处理炉中，升温至400℃范围内保温1h；

随后将样品继续升温至550℃范围内保温1h；

而后将样品降温至400℃保温1h；

完成后将样品50℃水淬。

(3)将固溶处理后的合金在160℃进行8h的时效处理，获得最终样品。

该实施例得到合金组织如图3所示，通过组织观察发现，本实施例的合金基体中存在大量弥散相，其晶体结构包括简单立方结构、复杂立方结构、四方结构、单斜结构以及密排六方结构；弥散相的尺寸范围为200～800nm；弥散相的化学成分包含Al、Fe、Mn、Cr、Zr、Mo、Ti、Cu、Ni、Co、Y、V、Sc元素；弥散相的数量密度为10²⁰/m³；弥散相与基体为共格、半共格或非共格关系。同时，晶界上具有微米级第二相，其尺寸范围为1～20μm之间，成分包括Al、Fe、Mn、Cr、Zr、Mo、Ti、Cu、Ni、Co、Y、V、Sc元素中的任意两种或几种。

经疲劳测试，在130MPa应力水平和应力比为-1的条件下，本实施例的铸造铝合金疲劳寿命达10⁷循环周次以上。

实施例4

本实施例公开的一种铸造铝合金的制备方法，其组分及重量百分比为：Si 17％、Mg 0.6％、Fe 0.32％、Mn 0.35％、Cr 0.1％、Zr 0.1％、Mo 0.32％、Ti 0.1％、Cu 2％、Ni0.7％、Co 0.5％、Y 0.1％、V 0.5％、Sc 0.5％，其余为Al。

基于上述成分的铸造铝合金的制备方法包括以下步骤：

(1)对所述铝合金进行配料，熔炼，通过差压铸造得到铸锭；

(2)将步骤(1)中铸锭进行固溶处理，固溶工艺为时间-温度波浪形曲线的热处理，具体为：

首先将样品放置在热处理炉中，升温至400℃范围内保温1h；

而后将样品继续升温至525℃范围内保温1h；

随后将样品降温至400℃保温1h；

之后再将样品升温至450℃保温3h；

完成后将样品进行空冷。

(3)将固溶处理后的合金在180℃进行6h的时效处理，得到最终样品。

该实施例得到的合金组织如图4所示，通过组织观察发现，本实施例合金基体中存在大量弥散相，其晶体结构包括简单立方结构、复杂立方结构、四方结构、单斜结构以及密排六方结构；弥散相的尺寸范围为400～900nm；弥散相的化学成分包含Al、Fe、Mn、Cr、Zr、Mo、Ti、Cu、Ni、Co、Y、V、Sc元素；弥散相的数量密度约为10¹⁵/m³；弥散相与基体为共格、半共格或非共格关系。同时，晶界上具有微米级第二相，其尺寸范围为1～20μm之间，成分包括Al、Fe、Mn、Cr、Zr、Mo、Ti、Cu、Ni、Co、Y、V、Sc元素中的任意两种或几种。

经疲劳测试，在125MPa应力水平和应力比为-1的条件下，本实施例合金疲劳寿命达10⁷循环周次以上。

实施例5

本实施例公开的一种铸造铝合金的制备方法，其组分及重量百分比为：Si 10％、Mg 0.7％、Fe 0.16％、Mn 0.18％、Cr 0.36％、Zr 0.18％、Mo 0.25％、Ti 0.38％、Cu1.6％、Ni 0.5％、Co 0.35％、Y 0.19％、V 0.33％、Sc 0.15％。

本实施例基于上述成分的包括非剪切强化相的高疲劳性能铸造铝合金的制备方法包括以下步骤：

(1)对所述铝合金进行配料，熔炼，通过低压铸造得到铸锭；

(2)将步骤(1)中铸锭进行固溶、时效处理，固溶工艺为时间-温度抛物线性曲线的热处理，包括：

首先将样品放置在热处理炉中，升温至300℃范围内保温6h；

而后将样品继续升温至475℃范围内保温3h；

而后将样品降温至350℃保温4h；

完成后将样品150油淬。

(3)将固溶处理后的合金在170℃进行5h的时效处理，获得最终样品。

该实施例得到的合金组织如图5所示，通过组织观察发现，合金基体中存在大量弥散相，其晶体结构包括简单立方结构、复杂立方结构、四方结构、单斜结构以及密排六方结构；弥散相的尺寸范围为500～1000nm；弥散相的化学成分包含Al、Fe、Mn、Cr、Zr、Mo、Ti、Cu、Ni、Co、Y、V、Sc元素；弥散相的数量密度约为10¹⁷/m³；弥散相与基体为共格、半共格或非共格关系。同时，晶界上具有微米级第二相，其尺寸范围为1～20μm之间，成分包括Al、Fe、Mn、Cr、Zr、Mo、Ti、Cu、Ni、Co、Y、V、Sc元素中的任意两种或几种。

经疲劳测试，在136MPa应力水平和应力比为-1的条件下，本实施例合金疲劳寿命达10⁷循环周次以上。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims

1.一种铸造铝合金，其特征在于，所述铝合金的基体中包括一种以上的亚微米级弥散相，所述铝合金的晶界上包括一种以上的微米级第二相，其中

2.根据权利要求1所述的铸造铝合金，其特征在于，所述亚微米级弥散相的数量密度在10¹⁵～10²⁰/m³范围内。

3.根据权利要求1所述的铸造铝合金，其特征在于，所述亚微米级弥散相与基体为共格、半共格或非共格关系。

4.根据权利要求1所述的铸造铝合金，其特征在于，所述亚微米级弥散相的晶体结构包括简单立方结构、复杂立方结构、四方结构、单斜结构或密排六方结构中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的铸造铝合金，其特征在于，所述第二相的二维形态包括多边形、短杆状或球状中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的铸造铝合金，其特征在于，所述铝合金的成分包括：Si 4～17％、Mg 0.1～1％、Fe 0.1～0.5％、Mn 0.1～0.5％、Cr 0.1～0.5％、Zr 0.1～0.5％、Mo0.1～0.5％、Ti 0.1～0.5％、Cu 0.1～2％、Ni 0.1～1％、Co 0.1～0.5％、Y 0.1～0.5％、V0.1～0.5％、Sc 0.1～0.5％，其余为Al。

7.一种根据权利要求1至6任意一项所述的铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括：

对所述铝合金进行配料，熔炼，得到铝合金铸锭；

对所述铝合金铸锭进行时间-温度抛物线形曲线的固溶处理，包括：

将所述铝合金铸锭放置在热处理炉中，升温至200～400℃范围内保温1～8h，而后继续升温至400～550℃范围内保温1～5h，而后降温至300～400℃保温1～6h，完成后进行水淬处理；

将固溶处理后的铝合金在140～200℃进行3～10h的时效处理，得到最终铝合金产品。

8.一种根据权利要求7所述的铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括选自重力、高压、挤压、低压、差压中的一种或几种铸造方式的铸造处理。

9.一种根据权利要求1至6任意一项所述的铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括：

对所述铝合金进行配料，熔炼，得到铝合金铸锭；

对所述铝合金铸锭进行时间-温度波浪形曲线的固溶处理，包括：

将所述铝合金铸锭放置在热处理炉中，升温至200～400℃范围内保温1～8h，而后继续升温至400～550℃范围内保温1～5h，随后降温至300～400℃保温1～6h，之后再升温至400～500℃保温1～5h，完成后进行空冷或150～170℃油淬或25～50℃水淬处理；

10.一种根据权利要求9所述的铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括选自重力、高压、挤压、低压、差压中的一种或几种铸造方式的铸造处理。