CN115418536A - 钇锆改性的高强度耐腐蚀铝硅合金及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钇锆改性的高强度耐腐蚀铝硅合金及其制备工艺，各组元组分按重量百分比计如下：Y0.10‑0.30％，Zr 0.10‑0.30％，Si6‑8％，Mg0.2‑0.4％，Mn0.1‑0.3％，Co 0.2‑0.5％，Fe≤0.2％，其余为Al及不可避免杂质，该钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金具有满足下面式(1)、(2)的成分比例关系：0.75≤({Mn}+{Co})/{Mg}≤4……(1)；0.4≤({Y}+{Zr})/{Co}≤3……(2)；其中{Mn}，{Co}，{Mg}、{Y}和{Zr}分别表示钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金中Mn、Zr、Y、Mg和Co的重量百分比。本申请采用微量的钇、锆对铝合金进行合金化，可以有效的提高合金的强度和延展性能，且钇的分步能够形成稳定、致密、均匀的立体抗氧化位点，不同于现有技术的平面的抗氧化膜，抗氧化性能显著提高。锆的分步能够形成均匀、立体、可靠的耐腐蚀层，改善铝合金的耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝硅合金及其制备工艺，特别涉及一种钇锆改性的高强度耐腐蚀铝硅合金及其制备工艺。
背景技术
航空航天、汽车制造等行业对材料的要求日益提高，很多常用的钢铁部件逐渐被更轻质化的材料所代替，如铝活塞、铝缸盖、铝缸体等发动机部件或变速箱壳体、轮毂可用铸造铝合金制造，以满足节能减排的需求。而位于常用轻质材料行列的Al-Si合金因具有良好的综合性能，如铸造性能好、密度小、耐蚀性强、再可塑性好、热膨胀系数低及力学性能好，既可以保证良好的力学性能，又可以满足轻量化，被广泛应用于航空航天及汽车工业领域。但铸态条件下，初生α-Al枝晶粗大，共晶硅形貌为粗大的层片状或针状，Fe在合金中存在两种相(汉字或骨骼状α-Al8Fe2Si和针状β-Al5FeSi)，因此层片状共晶Si和针状Fe相受力时会造成应力集中，致使合金力学性能降低。可通过添加稀土元素达到：细化晶粒(细化初生α-Al)、变质共晶Si(将层片状共晶Si变质为纤维状、珊瑚状等)、调控析出相(改善析出相的种类、数量、尺寸、分布等)。
另外，由于在熔铸时高温液体状态下的铝合金氧化较快，造成浇铸后的铸件表面灰暗，致密度较低，质量较差，需要对铝合金表面进行处理。铝合金的表面处理方法有很多，如物理法、化学法、物理化学法和综合法。现在常用的方法是阳极氧化法，通过电化学方法在铝合金表面形成转化膜，这种方法虽然可提高铝合金的抗氧化性能，但是其适应环境的能力差，转化膜层不够均匀、易脱落，耐磨性能没有得到改善。
实践表明，钇、锆对铝及铝合金有晶粒细化作用。采用微量的钇、锆对铝合金进行合金化，可以有效的提高合金的强度和延展性能，相比单一的添加钇元素进行改性的铝合金，性能更优，且钇的分步能够形成稳定、致密、均匀的立体抗氧化位点，不同于现有技术的平面的抗氧化膜，抗氧化性能显著提高。进一步的说，锆的分步能够形成均匀、立体、可靠的耐腐蚀层，改善铝合金的耐腐蚀性能。本发明旨在提供一种钇锆改性的高强度铝耐腐蚀硅合金及制备工艺，来解决现有技术存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的商用铝合金铸态下强度低，韧性差，抗氧化性和耐腐蚀性不够的问题，本发明提供一种钇锆改性的高强度耐腐蚀铝硅合金。
本发明的目的之二在于提供一种钇锆改性的高强度耐腐蚀铝硅合金的制备工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金，各组元组分按重量百分比计如下：
Y0.10-0.30％，Zr 0.10-0.30％，Si6-8％，Mg0.2-0.4％，Mn0.1-0.3％，Co 0.2-0.5％，Fe≤0.2％，其余为Al及不可避免杂质，该钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金具有满足下面式(1)、(2)的成分比例关系：
0.75≤({Mn}+{Co})/{Mg}≤4……(1)；
0.4≤({Y}+{Zr})/{Co}≤3……(2)；
其中{Mn}，{Co}，{Mg}、{Y}和{Zr}分别表示钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金中Mn、Zr、Y、Mg和Co的重量百分比。
现有技术表明，铝合金的合金化程度相对较高，因此合金在凝固过程中极易产生元素偏析，且合金在快速冷却时产生的非平衡结晶效应会造成粗大的共晶组织在晶届处聚集。同时，合金快速冷却会在基体中产生较强的内应力。非平衡项的析出和内应力的产生均可能造成材料加工性能的下降，同时影响最终合金制品的性能(强度、韧性)。
本申请的发明人，采用微量的钇、锆对铝合金进行合金化，可以有效的提高合金的强度和延展性能，相比单一的添加钇元素进行改性的铝合金，性能更优，且钇的分步能够形成稳定、致密、均匀的立体抗氧化位点，不同于现有技术的平面的抗氧化膜，抗氧化性能显著提高。进一步的说，锆的分步能够形成均匀、立体、可靠的耐腐蚀层，改善铝合金的耐腐蚀性能。
针对各元素的重量百分比，发明人通过大量的探索性实验，不同元素的组合，获得本发明的元素重量百分比方案，其中{Mn}，{Co}，{Mg}、{Y}和{Zr}的百分比含量进行了严格的管控，可以达到细化铝枝晶和共晶硅的作用，显著提高铝硅合金的强韧性，同时通过有效的热处理工艺，克服了合金元素的非平衡项的析出。通过材料的成分调控，使合金可在室温时效时间内产生自然时效效果。同时能够确保钇在合金体系里均匀、有效的分布。
本发明中，({Mn}+{Co})/{Mg}的含量范围∈(0.75-4)，本申请的发明人实践发现，({Mn}+{Co})的总含量以及相当于{Mg}含量的比值对钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金的综合性能影响显著。({Mn}+{Co})的总含量太低时，无法实现解决高强度和韧性的效果，但与{Mg}含量也需要关联考虑，综合考虑，选定了本发明的用量范围。
同时发现，Zr元素的添加，对钇的立体、均匀和有效分布有促进作用，且对提高强度有协同作用。本发明选定了锆、钇协同添加所需的量，以Co为基准，与Co的含量关联，确保了既能改善硅铝合金的强度和韧性，又确保抗氧化性能的提升以及耐蚀性的提升，且原料的配比最经济，加工成本合理。
Co(钴)的添加，提高强度较好。因此，从提高合金特性的角度，Co的添加量越高越好。但是，由于Co在铝基体中的固溶度比较小，过多添加失去意义。如果Co的含有量太小的话，很难有效地达到本发明的强度目标。因此，Co的含有量必须控制在0.2-0.5％。
优选的，所述钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金各组元组分按重量百分比计如下：
Y0.2-0.25％，Zr0.2-0.25％，Si6.5-7.5％，Mg0.25-0.35％，Mn0.2-0.25％，Co0.4-0.5％，Fe 0.10-0.15％，其余为Al及不可避免杂质，该钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金具有满足下面式(1)、(2)的成分比例关系：
1.714≤({Mn}+{Co})/{Mg}≤3……(1)；
({Y}+{Zr})/{Co}＝1……(2)；
其中{Mn}，{Co}，{Mg}、{Y}和{Zr}分别表示钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金中Mn、Zr、Y、Mg和Co的重量百分比。
优选的，所述钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金各组元组分按重量百分比计如下：
Y0.25％，Zr0.25％，Si7.0％，Mg0.30％，Mn0.25％，Co 0.5％，Fe 0.15％，其余为Al及不可避免杂质。
优选的，还包括Cr和Ti中的任意一种或二种元素，而且其总量为1.0wt％以下。
优选的，Cr和Ti中的任意一种或二种元素其总量不超过0.75wt％。
对于其它的元素，根据具体情况可以含有Cr，Ti元素。Cr、Ti有细化铸造后的晶粒，减缓元素偏析的作用；在含有Cr、Ti元素中的一种或一种以上时，要充分发挥上述的各种作用，其总含有量优选在0.01wt％以上。但是，上述各种元素的含有量过多，容易导致热加工性或者冷加工性的降低，以及原料成本的增加。因此，这些元素的总含有量优选控制在0.75wt％以下。
优选的，具有平均晶粒直径为8-12μm。本发明者的详细调查的结果，如果最终的平均晶粒直径在8μm以上，12μm以下，能同时满足本发明上述对韧性和强度的要求目标。
一种钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金的制备工艺：
步骤S1熔炼：熔器380-400℃预热后升温至温度750-780℃加入部分铝锭，熔化后加入剩下铝锭，所有铝锭熔化后加入Al-Si、Al-Co、Al-Mn、Al-Y和Al-Zr，后撒上覆盖剂，所有合金熔化完全后缓慢搅拌，降温至720-730℃后加入纯镁锭和铁锭，搅拌均匀进行熔炼，静置5-10min后加入Cl6C2进行精炼除气，除气结束后进行扒渣，保温静置5～10min后进行化学成分检测，各元素含量达标后进入压铸；
步骤S2压铸：将熔炼好的混合铝液进行标准挤压铸造，铝液温度控制在660-690℃，模具温度控制在200-220℃进行；
步骤S3热处理：铸件在530-550℃固溶处理4-8h，然后选择160-180℃人工时效4-12h，或者，选择自然时效12-24h。
优选的，步骤S1中，升温过程的升温速率均在1.5-2.0℃/min。
优选的，步骤S3热处理采用人工时效处理，处理时间6-8h。
优选的，步骤S3热处理采用自然时效处理，处理时间16-20h。
本发明的实施例中，不同时效处理方式后的性能为：人工时效处理后，抗拉强度362～385Mpa，屈服强度≥232.8MP，延伸率5-7％；自然时效处理后，抗拉强度340～362Mpa，屈服强度≥202MPa，延伸率6-8％。人工时效后材料强度性能较自然时效有所提升，但延伸率有所降低。
本发明的有益效果是：本申请的发明人，采用微量的钇、锆对铝合金进行合金化，可以有效的提高合金的强度和延展性能，相比单一的添加钇元素进行改性的铝合金，性能更优，且钇的分步能够形成稳定、致密、均匀的立体抗氧化位点，不同于现有技术的平面的抗氧化膜，抗氧化性能显著提高。进一步的说，锆的分步能够形成均匀、立体、可靠的耐腐蚀层，改善铝合金的耐腐蚀性能。
针对各元素的重量百分比，发明人通过大量的探索性实验，不同元素的组合，获得本发明的元素重量百分比方案，其中{Mn}，{Co}，{Mg}、{Y}和{Zr}的百分比含量进行了严格的管控，可以达到细化铝枝晶和共晶硅的作用，显著提高铝硅合金的强韧性，同时通过有效的热处理工艺，克服了合金元素的非平衡项的析出。通过材料的成分调控，使合金可在室温时效时间内产生自然时效效果。同时能够确保钇在合金体系里均匀、有效的分布。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
实施例1：
一种钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金，各组元组分按重量百分比计如下：
Y0.10％，Zr0.10％，Si6％，Mg0.4％，Mn0.2％，Co 0.2％，Fe 0.2％，其余为Al及不可避免杂质，该钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金具有满足下面式(1)、(2)的成分比例关系：
0.75≤({Mn}+{Co})/{Mg}≤4……(1)，具体为({Mn}+{Co})/{Mg}＝1；
0.4≤({Y}+{Zr})/{Co}≤3……(2)，具体为({Y}+{Zr})/{Co}＝1；
其中{Mn}，{Co}，{Mg}、{Y}和{Zr}分别表示钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金中Mn、Zr、Y、Mg和Co的重量百分比。
实施例1的钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金，具有平均晶粒直径为8-12μm。其制备工艺如下：
步骤S1熔炼：熔器380-390℃预热后升温至温度750-760℃加入部分铝锭，熔化后加入剩下铝锭，所有铝锭熔化后加入Al-Si、Al-Co、Al-Mn、Al-Zr、Al-Y，后撒上覆盖剂，所有合金熔化完全后缓慢搅拌，降温至720-725℃后加入纯镁锭和铁锭，静置5min后加入Cl6C2进行精炼除气，除气结束后进行扒渣，保温静置5min后进行化学成分检测，各元素含量达标后进行压铸；
步骤S2压铸：将熔炼好的混合铝液进行标准挤压铸造，铝液温度控制在660-670℃，模具温度控制在200-205℃进行；
步骤S3热处理：铸件在530-535℃固溶处理4-5h，然后选择160-165℃人工时效10-12h。
步骤S1中，升温过程的升温速率均在1.5℃/min。
实施例1的钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金抗拉强度368Mpa，屈服强度232MP，延伸率5.2％
实施例2：
一种钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金，各组元组分按重量百分比计如下：
Y0.30％，Zr0.30％，Si8％，Mg0.5％，Mn0.3％，Co 0.5％，Fe 0.1％，其余为Al及不可避免杂质，该钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金具有满足下面式(1)、(2)的成分比例关系：
0.75≤({Mn}+{Co})/{Mg}≤4……(1)，具体为({Mn}+{Co})/{Mg}＝1.6；
0.4≤({Y}+{Zr})/{Co}≤3……(2)，具体为({Y}+{Zr})/{Co}＝1.2；
其中{Mn}，{Co}，{Mg}、{Y}和{Zr}分别表示钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金中Mn、Zr、Y、Mg和Co的重量百分比。
实施例2的钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金，具有平均晶粒直径为8-12μm。其制备工艺：
步骤S1熔炼：熔器390-400℃预热后升温至温度770-780℃加入部分铝锭，熔化后加入剩下铝锭，所有铝锭熔化后加入Al-Si、Al-Co、Al-Mn、Al-Y和Al-Zr，后撒上覆盖剂，所有合金熔化完全后缓慢搅拌，降温至725-730℃后加入纯镁锭和铁锭，静置5min后加入Cl6C2进行精炼除气，除气结束后进行扒渣，保温静置10min后进行化学成分检测，各元素含量达标后；
步骤S2压铸：将熔炼好的混合铝液进行标准挤压铸造，铝液温度控制在680-690℃，模具温度控制在215-220℃进行；
步骤S3热处理：铸件在540-550℃固溶处理4-5h，选择自然时效20-24h。
实施例2的钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金抗拉强度352Mpa，屈服强度216MP，延伸率6.69％
实施例3：
一种钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金，各组元组分按重量百分比计如下：
Y0.25％，Zr0.25％，Si7.0％，Mg0.45％，Mn0.25％，Co 0.5％，Fe 0.15％，其余为Al及不可避免杂质，该钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金具有满足下面式(1)、(2)的成分比例关系：
0.75≤({Mn}+{Co})/{Mg}≤4……(1)，具体为({Mn}+{Co})/{Mg}＝1.667；
0.4≤({Y}+{Zr})/{Co}≤3……(2)，具体为({Y}+{Zr})/{Co}＝1；
其中{Mn}，{Co}，{Mg}、{Y}和{Zr}分别表示钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金中Mn、Zr、Y、Mg和Co的重量百分比。
实施例3具有平均晶粒直径为8-12μm。制备工艺同实施例1。
实施例3的钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金抗拉强度386Mpa，屈服强度240MP，延伸率6.5％
对比例1：
一种高强度铝硅合金，其元素组成及重量百分比同实施例3，不同之处在于，未添加钇、锆，钇、锆的用量以铝元素来代替。
对比例1的铝硅合金抗拉强度301Mpa，屈服强度190MP，延伸率7.32％。
对比例2：
一种高强度铝硅合金，其元素组成及重量百分比同实施例3，不同之处在于，未添加锆，锆的用量以铝元素来代替。
对比例1的铝硅合金抗拉强度321Mpa，屈服强度203MP，延伸率7.02％。
对比例3：
一种钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金，其元素组成同实施例3，不同之处在于，Y0.30％，Zr0.30％，Si6％，Mg0.25％，Mn1.1％，Co 0.15％，Fe0.2％，其余为Al及不可避免杂质，具有满足下面式(1)、(2)的成分比例关系：
({Mn}+{Co})/{Mg}＝5……(1)；
({Y}+{Zr})/{Co}＝4……(2)。制备工艺同实施例3。
对比例3的钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金抗拉强度296Mpa，屈服强度196MP，延伸率4.2％
由实施例1-3及对比例1-3可知，通过向铝硅合金中添加适量的钇、锰、锆、钴、铁元素，能实现铝合金的高强度和韧性。
关于抗氧化性实验，本申请发明人选取了实施1-3及对比例1-3制备得到的合金材料，按下述方法进行实验：
氧化试样制备：线切割成尺寸为10*10*1mm薄片，试样的表明经SiC砂纸由粗到细打磨到1200号，然后清洗干净，置于干燥器干燥备用；
等温氧化实验：在箱式电阻炉中，试验介质为静止空气，温度为820℃，试样累计氧化1200h。实验结果表明，实施例3的试样抗氧化能力最强，累计氧化1200h时后，试样的表面完整性仍维持就好，无明显的氧化瘢痕，实施例1-2的试样相对于对比例1-3也具有更优的抗氧化能力。表明，钇在合金材料中能形成稳定、致密、均匀的立体抗氧化位点，构建立体的抗氧化膜，以大大改善含钇锆铝硅合金的抗氧化性能。对比例3的抗氧化能力优于对比例1-2，Zr元素的添加，对钇的立体、均匀和有效分布有促进作用，且对抗氧化有协同作用。对比例1的抗氧化性能最弱，试样表面明存在大量的氧化瘢痕，占试样总表面积超过30％。
关于耐腐蚀性，同前述抗氧化实验的试样制备，制备好的试样置于腐蚀液中室温浸润24h，然后置于恒温(35℃)的恒温箱中，计时1000h。实验结果表明，实施例2-3的试样耐腐蚀能力相当，累计1000h时后，试样的表面完整性仍维持就好，除个别蚀点外，无明显的蚀瘢，实施例1的试样相对于对比例3也具有更优的耐腐蚀能力。表明，适量的锆在合金材料中能形成均匀、立体、可靠的耐腐蚀层，大大改善含钇锆铝硅合金的耐腐蚀性能。对比例1-2的耐腐蚀性能相当，试样表面存在明显的不连续的蚀瘢，占试样总表面积超过10-15％。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (10)
1.一种钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金，其特征在于，各组元组分按重量百分比计如下：
Y0.10-0.30％，Zr 0.10-0.30％，Si6-8％，Mg0.2-0.4％，Mn0.1-0.3％，Co 0.2-0.5％，Fe≤0.2％，其余为Al及不可避免杂质，该钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金具有满足下面式(1)、(2)的成分比例关系：
0.75≤({Mn}+{Co})/{Mg}≤4……(1)；
0.4≤({Y}+{Zr})/{Co}≤3……(2)；
其中{Mn}，{Co}，{Mg}、{Y}和{Zr}分别表示钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金中Mn、Zr、Y、Mg和Co的重量百分比。
2.根据权利要求1所述钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金，其特征在于，所述钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金各组元组分按重量百分比计如下：
Y0.2-0.25％，Zr0.2-0.25％，Si6.5-7.5％，Mg0.25-0.35％，Mn0.2-0.25％，Co 0.4-0.5％，Fe 0.10-0.15％，其余为Al及不可避免杂质，该钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金具有满足下面式(1)、(2)的成分比例关系：
1.714≤({Mn}+{Co})/{Mg}≤3……(1)；
({Y}+{Zr})/{Co}＝1……(2)；
其中{Mn}，{Co}，{Mg}、{Y}和{Zr}分别表示钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金中Mn、Zr、Y、Mg和Co的重量百分比。
3.根据权利要求1所述钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金，其特征在于，所述钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金各组元组分按重量百分比计如下：
Y0.25％，Zr0.25％，Si7.0％，Mg0.30％，Mn0.25％，Co 0.5％，Fe 0.15％，其余为Al及不可避免杂质。
4.根据权利要求1所述钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金，其特征在于，还包括Cr和Ti中的任意一种或二种元素，而且其总量为1.0wt％以下。
5.根据权利要求4所述钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金，其特征在于，Cr和Ti中的任意一种或二种元素其总量不超过0.75wt％。
6.根据权利要求1所述钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金，其特征在于，具有平均晶粒直径为8-12μm。
7.一种钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金的制备工艺，其特征在于：
步骤S1熔炼：熔器380-400℃预热后升温至温度750-780℃加入部分铝锭，熔化后加入剩下铝锭，所有铝锭熔化后加入Al-Si、Al-Co、Al-Mn、Al-Y和Al-Zr，后撒上覆盖剂，所有合金熔化完全后缓慢搅拌，降温至720-730℃后加入纯镁锭和铁锭，搅拌均匀进行熔炼，静置5-10min后加入Cl6C2进行精炼除气，除气结束后进行扒渣，保温静置5～10min后进行化学成分检测，各元素含量达标后进入压铸；
步骤S2压铸：将熔炼好的混合铝液进行标准挤压铸造，铝液温度控制在660-690℃，模具温度控制在200-220℃进行；
步骤S3热处理：铸件在530-550℃固溶处理4-8h，然后选择160-180℃人工时效4-12h，或者，选择自然时效12-24h。
8.根据权利要求7所述钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金的制备工艺，其特征在于：步骤S1中，升温过程的升温速率均在1.5-2.0℃/min。
9.根据权利要求7所述钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金的制备工艺，其特征在于：步骤S3热处理采用人工时效处理，处理时间6-8h。
10.根据权利要求7所述钇锆改性的高强度耐腐蚀硅铝合金的制备工艺，其特征在于：步骤S3热处理采用自然时效处理，处理时间16-20h。
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