CN115786781A - 一种石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金及其制备方法，属于金属材料合成领域。所述石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金，按照质量百分比计，由如下成分组成：Si：5～9wt.％，Mg：0.3～0.7wt.％，石墨烯(Gr)：0.01～0.1wt.％，不可避免的杂质≤0.2％，余量为Al。制备方法包括：将商业纯铝、Al‑20Si中间合金、商业纯镁熔化后，再加入石墨烯(Gr)，经超声搅拌技术处理后浇注成型，再经固溶和时效(T6)热处理后获得石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金。本发明通过调控合金的微观组织形貌，显著提高了合金的耐腐蚀性能和强韧性。
Description
技术领域
本发明属于金属材料合成领域，具体是涉及一种石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金及其制备方法。
背景技术
铸造铝硅合金铸造流动性好，具有减重、节能、环保等效果，有助于提高汽车行驶的平衡性、舒适性和安全性，是现代汽车零部件的理想基础材料。大量采用铝制件是减轻汽车质量的重要方向之一，这些铝制件在汽车中属于重要的受力部件。但是，目前商用的T6态A356合金的抗拉强度小于280MPa，屈服强度低于240MPa，延伸率低于7％，强度和塑性都无法同时满足大部分汽车受力结构件的要求。
此外，铸造铝硅合金的表面暴露在大气中会形成一层自然氧化膜，针状共晶Si割裂基体导致其表面的自然氧化膜很薄且分布不均匀，很容易被腐蚀，从而大大降低了铸造铝硅合金材料的使用寿命。
为了提高铝合金的力学性能，通常会加入大量价格较高的稀土金属元素或者增加合金元素添加量。但是，通常情况下，力学性能的提升会导致金属耐腐蚀性的下降，现有技术较难实现铝合金的力学性能和耐腐蚀性的同步提升。因此，如何同步获得耐腐蚀高强韧铸造铝硅合金是目前亟待解决的技术难题。
发明内容
为了解决上述技术难题，本发明提供了一种石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金，按照质量百分比计：所述合金组成为：Si：5～9wt.％，Mg：0.3～0.7wt.％，石墨烯(Gr)：0.01～0.1wt.％，不可避免的杂质≤0.2％，余量为Al，所述合金的制备方法如下：
(1)将商业纯铝和Al-20Si中间合金在780～800℃下熔化，熔化后保温45-65min后加入商业纯镁，再经熔化和搅拌均匀，静置15-30min后加入石墨烯(Gr)，机械搅拌2-4min，再将超声波探头接触至液面保温3-6min后，再下降超声波探头接触至液面以下10-15cm并保温3-7min，超声振动4-8min后获得铝硅合金熔体1，再将铝硅合金熔体1降温到700-750℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，再通入高纯惰性气体，进行除气除杂精炼处理，保温30-40min后获得铝硅合金熔体2；
(2)将步骤(1)获得的铝硅合金熔体2浇铸到预热后的铁模中，铁模温度为200-250℃，凝固后获得合金铸锭；
(3)将步骤(2)获得的合金铸锭进行T6热处理，T6热处理后在15-30℃的温水中淬火，获得石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金；
步骤(1)所述的C2Cl6和KF精炼剂与合金的质量比为0.3-1.0wt.％:1；
步骤(1)所述的惰性气体为氩气、氦气或氖气。进一步地，所述的Si：6～8wt.％，Mg：0.4～0.6wt.％，石墨烯(Gr)：0.03～0.05wt.％。
进一步地，步骤(3)所述的T6热处理为：在520-555℃固溶保温2-8小时；再在150-190℃保温2-10小时。
本发明与现有技术相比，本发明通过合金组分之间的相互作用、合金元素配比以及工艺的协同作用，使得合金具有如下优势：
(1)石墨烯(Gr)弥散均匀分布于基体中，获得的合金熔体质量及铸锭致密性显著提高，较好解决了纳米级石墨烯(Gr)粉体和铝粉混合添加易产生爆炸等安全隐患问题；
(2)优化了添加元素的成分组成以及配比，使得铸造铝硅合金能够保证铸造流动性基础上，大幅提高合金力学性能以及耐蚀性；
(3)合金具有比表面积大以及褶皱结构，能够为初生硅提供更多的成核位点，因此对Si颗粒起到良好的吸附和弥散作用，并细化Si颗粒。细化的硅颗粒减小了变形过程中的应力集中并有助于保护性氧化物层在NaCl溶液中的生长，实现了合金力学性能和耐蚀性的同步提升；
(4)现有技术中，通过添加变质剂、细化剂、增加合金元素添加量并结合采用多级固溶和多级时效热处理等复杂工艺提升合金力学性能以及耐蚀性。本发明在省略了变质剂、细化剂和节省合金元素添加量的情况下，仅仅采用单级固溶、时效和较短的制备时间就能够实现合金力学性能和耐蚀性的同步提升。
综上所述，本发明通过合金组分之间的相互作用、合金元素配比以及工艺的协同作用，制备出同时具有优异的强韧性、耐腐蚀性能的铸造铝硅合金，所述合金的抗拉强度≥350MPa，延伸率大于9％，腐蚀速率≤1.51mm/y。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，并举实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明通过选用商业纯铝、商业纯镁、Al-20Si中间合金、石墨烯(Gr)为原材料。
实施例1
石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金，按照质量百分比计，由以下成分组成：Si：7.0wt.％，Mg：0.50wt.％，石墨烯(Gr)：0.03wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
步骤1：将商业纯铝和Al-20Si中间合金在780℃下熔化，熔化后保温50min后加入商业纯镁，待其熔化后搅拌均匀，静置20min，随后加入石墨烯(Gr)实际加入量为合金总质量的0.03wt.％，机械搅拌3min，将超声波探头接触至液面保温5min后，下降探头至液面以下12cm并保温5min；随后开启超声波设备，振动5min；获得铝硅合金熔体1。将获得的铝硅合金熔体1降温到720℃，加入C2Cl6和KF精炼剂(其占合金铸锭的质量比重约为0.5wt.％)进行精炼，然后通入高纯氩气气体，进行除气除杂精炼处理，保温30min，获得铝硅合金熔体2。
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体2浇铸到预热后的铁模中，铁模温度为230℃，凝固得到合金铸锭。
步骤3：将步骤2获得的合金铸锭在535℃中固溶保温5小时，后水淬(淬火时间小于10s)获得固溶样品。
步骤4：将步骤3获得固溶样品在180℃保温3小时，时效后在20℃的温水中淬火(淬火时间小于10s)，获得石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金。
实施例2
石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金，按照质量百分比计，由以下成分组成：Si：8.0wt.％，Mg：0.6wt.％，石墨烯(Gr)：0.05wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
步骤1：将商业纯铝和Al-20Si中间合金在790℃下熔化，熔化后保温45min后加入商业纯镁，待其熔化后搅拌均匀，静置25min，随后加入石墨烯(Gr)实际加入量为合金总质量的0.05wt.％，机械搅拌2min，将超声波探头接触至液面保温6min后，下降探头至液面以下10cm并保温6min；随后开启超声波设备，振动8min；获得铝硅合金熔体1。将获得的铝硅合金熔体1降温到730℃，加入C2Cl6和KF精炼剂(其占合金铸锭的质量比重约为1wt.％)进行精炼，然后通入高纯氩气气体，进行除气除杂精炼处理，保温40min，获得铝硅合金熔体2。
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体2浇铸到预热后的铁模中，铁模温度为240℃，凝固得到合金铸锭。
步骤3：将步骤2获得的合金铸锭在530℃中固溶保温6小时，后水淬(淬火时间小于10s)获得固溶样品。
步骤4：将步骤3获得固溶样品在190℃保温4小时，时效后在25℃的温水中淬火(淬火时间小于10s)，获得石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金。
实施例3
石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金，按照质量百分比计，由以下成分组成：Si：6.5wt.％，Mg：0.45wt.％，石墨烯(Gr)：0.01wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
步骤1：将商业纯铝和Al-20Si中间合金在800℃下熔化，熔化后保温60min后加入商业纯镁，待其熔化后搅拌均匀，静置30min，随后加入石墨烯(Gr)实际加入量为合金总质量的0.01wt.％，机械搅拌4min，将超声波探头接触至液面保温4min后，下降探头至液面以下15cm并保温7min；随后开启超声波设备，振动6min；获得铝硅合金熔体1。将获得的铝硅合金熔体1降温到715℃，加入C2Cl6和KF精炼剂(其占合金铸锭的质量比重约为0.8wt.％)进行精炼，然后通入高纯氩气气体，进行除气除杂精炼处理，保温35min，获得铝硅合金熔体2。
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体2浇铸到预热后的铁模中，铁模温度为250℃，凝固得到合金铸锭。
步骤3：将步骤2获得的合金铸锭在540℃中固溶保温4小时，后进行水淬(淬火时间小于10s)获得固溶样品。
步骤4：将步骤3获得固溶样品在170℃保温6小时，时效后在30℃的温水中淬火(淬火时间小于10s)，获得石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金。
对比例1
石墨烯改性的铸造铝硅合金，按照质量百分比计，由以下成分组成：Si：9.2wt.％，Mg：0.8wt.％，石墨烯(Gr)：1.5wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
步骤1：将商业纯铝和Al-20Si中间合金在850℃下熔化，熔化后保温70min后加入商业纯镁，待其熔化后搅拌均匀，静置40min，随后加入石墨烯(Gr)实际加入量为0.15wt.％，机械搅拌5min，将超声波探头接触至液面保温8min后，下降探头至液面以下20cm并保温10min；随后开启超声波设备，振动15min；获得铝硅合金熔体1。将获得的铝硅合金熔体1降温到760℃，加入C2Cl6和KF精炼剂(其占合金铸锭的质量比重约为0.5wt.％)进行精炼，然后通入高纯氩气气体，进行除气除杂精炼处理，保温3min，获得铝硅合金熔体2。
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体2浇铸到预热后的铁模中，铁模温度为300℃，凝固得到合金铸锭。
步骤3：将步骤2获得的合金铸锭在560℃中固溶保温10小时，后进行水淬(淬火时间小于10s)获得固溶样品。
步骤4：将步骤3获得固溶样品在200℃保温4小时，时效后在20℃的温水中淬火(淬火时间小于10s)，获得铸造铝硅合金。
对比例2
石墨烯改性的铸造铝硅合金，按照质量百分比计，由以下成分组成：Si：7.5wt.％，Mg：0.4wt.％，石墨烯(Gr)：0.03wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
步骤1：将商业纯铝和Al-20Si合金在800℃下熔化，熔化后保温45min；依次加入商业纯镁、待其熔化后搅拌均匀，静置30min，将铝粉和石墨烯粉体(Gr)混合添加并搅拌均匀，静止30min后获得铝硅合金熔体1；将获得的铝硅合金熔体1降温到720℃，加入C2Cl6和KF精炼剂(其占合金铸锭的质量比重为0.5wt.％)进行精炼，然后通入高纯氩气，进行除气除杂精炼处理，保温30min，获得铝硅合金熔体2。
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体2在715℃温度下浇铸到预热230℃的铁模具中，凝固得到合金铸锭。
步骤3：将步骤2获得的合金铸锭进行双级固溶处理，先将样品在515℃保温4小时，然后升温在535℃保温4小时后水淬(淬火时间小于10s)获得固溶样品。
步骤4：将步骤3获得的固溶样品，进行双级时效处理，分别在70℃、180℃保温7小时、5小时，时效后在10℃的温水中淬火，获得铸造铝硅合金。
对比例3
尹昕,尹登峰,王凯先等.《添加0.2％Sn对Al-Si-Mg合金组织及力学性能的影响》[J].金属热处理,2020,45(4):16-21.DOI:10.13251/j.issn.0254-6051.2020.04.004.报道的T6态Al-Si-Mg合金，按质量百分计：Si：7.2wt.％，Mg：0.41wt.％，Sn：0.18wt.％，余量为Al。获得的合金抗拉强度305.1MPa，延伸率为4.32％。
对比例4
徐松,吉泽升,许红雨等.《镁含量对挤压铸造Al-10Si-2.5Cu-xMg合金显微组织及力学性能的影响》[J].金属热处理,2019,44(4):10-14.DOI:10.13251/j.issn.0254-6051.2019.04.003.报道的T6态Al-Si-Mg合金，按质量百分计：Si：10wt.％，Mg：1.38wt.％，Cu：2.5wt.％，余量为Al。获得的合金抗拉强度342.1MPa，延伸率为4.2％。
对比例5
商用A356合金按照质量百分比计，由以下成分组成：Si：7.0wt.％，Mg：0.30wt.％，Ti≤0.2wt.％，Fe≤0.12wt.％，Mn≤0.05wt.％，Cu≤0.1wt.％，Zn≤0.05wt.％，余量为Al，将商用的T6态A356合金进行力学性能测试，浸泡3.5wt.％NaCl+1.0wt.％HCl溶液中测量腐蚀速率，获得A356合金的抗拉强度280MPa，延伸率为6.2％，腐蚀速率为2.40mm/y。
按中华人民共和国国家标准GB/T228.1-2010，将上述实施例1-3和对比例1-5的铸造铝硅合金加工成标准拉伸试样。在3.5wt.％NaCl+1.0wt.％HCl溶液中浸泡测试腐蚀速率，对上述实施例1-3和对比例1-5的铸造铝硅合金进行抗拉强度、延伸率以及腐蚀速率测试，测试结果如表1所示。
表1实施例1-3和对比例1-5获得的合金力学性能与耐腐蚀性能对比情况表
通过上述对比得出，在所有实施例中，本发明实施例1获得的合金力学性能和耐腐蚀性最好，然而该实施例中的各组分含量不是所有实施例中最高的，但是却取得了最好的技术效果。对比例1的合金添加量均超过本发明所有实施例含量，与本发明采用相似工艺时，对比例1采用的工艺参数均不属于本发明权利要求保护范围内，但是对比例1获得的合金力学性能和耐腐蚀能却低于本发明实施例获得的合金性能。由此可以看出，本发明只有在权利要求保护范围内，才能同步提升强塑性以及耐腐蚀；对比例2合金组分在本发明权利要求保护范围内，但由于工艺发生了变化，使得对比例2公开的材料性能远低于本发明获得的合金；另外，对比例3和5公开的合金组分以及工艺均与本发明有所不同，并且对比例3和5公开的合金组分添加含量高于实施例3的含量，但对比例3和5获得的材料性能还是不及本发明实施例3获得的材料性能；对比例4的合金中各元素添加量以及总的添加量均高于本发明所有实施例采用的数据，但其公开的强度和塑性低于本发明实施例获得的结果。综上：只有在本发明的合金元素组分、配比以及工艺和参数的情况下，才能获得力学性能和耐蚀性最为优异的合金；也就是说本发明的合金优异效果是由合金元素组分之间的相互作用、组分之间的配比以及工艺的协同作用实现的，并且合金组分、含量以及工艺只有在本申请权利要求保护的范围内，才能实现合金力学性能和耐腐蚀性的最佳效果。
Claims (3)
1.一种石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金，其特征在于：按照质量百分比计：所述合金组成为：Si：5～9wt.％，Mg：0.3～0.7wt.％，石墨烯(Gr)：0.01～0.1wt.％，不可避免的杂质≤0.2％，余量为Al，所述合金的制备方法如下：
(1)将商业纯铝和Al-20Si中间合金在780～800℃下熔化，熔化后保温45-65min后加入商业纯镁，再经熔化和搅拌均匀，静置15-30min后加入石墨烯(Gr)，机械搅拌2-4min，再将超声波探头接触至液面保温3-6min后，再下降超声波探头接触至液面以下10-15cm并保温3-7min；再超声振动4-8min后获得铝硅合金熔体1，再将铝硅合金熔体1降温到700-750℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后通入高纯惰性气体，进行除气除杂精炼处理，保温30-40min后获得铝硅合金熔体2；
(2)将步骤(1)获得的铝硅合金熔体2浇铸到预热后的铁模中，铁模温度为200-250℃，凝固后获得合金铸锭；
(3)将步骤(2)获得的合金铸锭进行T6热处理，T6热处理后在15-30℃的温水中淬火，获得石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金；
步骤(1)所述的C2Cl6和KF精炼剂与合金的质量比为0.3-1.0wt.％:1；
步骤(1)所述的惰性气体为氩气、氦气或氖气。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金，其特征在于：所述的Si：6～8wt.％，Mg：0.4～0.6wt.％，石墨烯(Gr)：0.03～0.05wt.％。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性的耐蚀高强韧铸造铝硅合金，其特征在于：步骤(3)所述的T6热处理为：在520-555℃固溶保温2-8小时；再在150-190℃保温2-10小时。
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