CN115786782B - 一种低成本耐腐蚀高强韧铸造铝硅合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低成本耐腐蚀高强韧铸造铝硅合金及其制备方法，属于金属材料领域。所述低成本耐腐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：4～8wt.％，Mg：0.4～0.8wt.％，Mn：0.1～1.0wt.％，不可避免的杂质≤0.2wt.％，其中Fe≤0.15wt.％，余量为Al。制备方法包括：将商业纯铝、Al‑20Si中间合金、Al‑10Mn中间合金、商业纯镁熔化后浇注成型，再经交替固溶和时效热处理后获得耐腐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，具体是涉及一种低成本耐腐蚀高强韧铸造铝硅合金及其制备方法。
背景技术
Al-Si铸造合金是最重要的汽车用铝合金。由于其具有容重小、强度高、铸造成形性好和加工性能优良等一系列优点，占铝铸件85％～90％，现已成为制造行业中最受重视的结构材料之一；随着汽车行业的高速发展，Al-Si合金已在其中占有举足轻重的地位。铝合金材料的应用能够使发动机的加工效率大大提高，生产成本显著降低，进而提升整车的品牌效应，使得众多汽车制造厂商趋之若骛大量采用铝制件，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。
Al-Si铸造合金中存在着大量杂质含铁相，它作为阴极相具有更高的电势，加剧微电偶腐蚀的进行，产生了严重的腐蚀。现有技术为了提高铝合金的耐腐蚀以及高强韧性能，通常会加入大量的稀土元素，但稀土元素生产成本高，熔炼以及加工工艺较为复杂，将增加产业化生产成本；此外，加入稀土元素后，合金的力学性能以及耐腐蚀性难以同步提高。因此，如何获得一种低成本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，本发明提供了一种低成本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：4～8wt.％，Mg：0.4～0.8wt.％，Mn：0.1～1.0wt.％，不可避免的杂质≤0.2wt.％，其中Fe≤0.15wt.％，余量为Al，所述合金的制备方法如下：
(1)将商业纯铝、Al-20Si中间合金和Al-10Mn中间合金在750～780℃下熔化，熔化后保温30-60min，再加入商业纯镁，经搅拌均匀后静置20-40min，获得铝硅合金熔体1，再将熔体1降温到680-740℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后加入惰性气体，进行除气除杂精炼处理，保温25-35min，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210-250℃，凝固后获得合金铸锭；
(3)将步骤(2)获得的合金铸锭进行交替固溶和时效热处理，热处理后在10-30℃的水中淬火，获得低成本耐腐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0.5-1wt.％:1，所述的惰性气体为氩气、氦气或氖气；
步骤(3)获得的合金抗拉强度≥360MPa，延伸率≥8.5％，腐蚀速率≤1.42mm/y。
进一步地，所述的Si：6～7wt.％，Mg：0.5～0.7wt.％，Mn：0.2～0.5wt.％。
进一步地，步骤(3)所述的交替固溶和时效热处理为：在520-550℃固溶保温3-7小时；再在160-180℃时效保温1-3小时，再在220-300℃固溶保温1-5小时，再在170-190℃时效保温2-5小时。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果如下：
本发明通过合金元素组分之间的相互作用、合金配比以及工艺的协同作用，使得合金具有如下优势：
现有技术报道，Al-Si-Mg合金的耐蚀性在铝合金体系中较差，该合金的耐蚀性以及力学性能不能实现同步提高，在提高一方面性能的同时，将降低另一方面的性能；此外，现有技术通常采用加入大量稀土元素的方式细化第二相和晶粒以实现提高合金的力学性能，但生产成本较高，并且稀土元素的引入会产生大量第二相，增加微电偶数量，降低材料的耐腐蚀性能；而本发明在不采用稀土元素的情况下，通过Si、Mg和Mn元素之间的相互作用、元素配比以及工艺的协同作用，使β-AlSiFe和π-AlSiFeMg相转变为α-AlSiFeMnMg相；与β相和π相相比，α相与基体的电势差更小，微电偶腐蚀作用更弱，进一步提高耐蚀性；此外，β和π相属于脆性相，变形过程中易产生应力集中，而α相尺寸更小，分布更均匀，能够避免变形过程中的应力集中；因此，在同时调控含铁相形貌时，可以实现耐蚀性和力学性能的同步提升，最终使得铸造铝硅合金能够保证铸造流动性基础上，大幅提高合金强度以及耐蚀性。综上：本发明通过合金元素之间的相互作用、元素配比和工艺的协同作用，实现了合金力学性能和耐蚀性的同步提高。本发明获得的最优异性能的合金，其成分占比非所有合金元素中的最高值，之所以能获得最优异的性能，是由于合金成分之间配比、相互作用以及工艺参数的相互配合才能得以实现。此外，即使采用相似工艺，但未采用本发明权利要求保护范围的参数，也不能同步实现合金的力学性能和耐腐蚀性的提高。综上所述，本发明通过合金元素组分之间的相互作用、组分之间的反应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，所述的合金抗拉强度≥360MPa，延伸率≥8.5％，腐蚀速率≤1.42mm/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，并举实施例和对比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、Al-10Mn中间合金为原材料。
实施例1
低成本耐腐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：7.5wt.％，Mg：0.45wt.％，Mn：0.2wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，其中Fe≤0.15wt.％，余量为Al。
步骤1：将商业纯铝、Al-20Si中间合金和Al-10Mn中间合金在750℃下熔化，熔化后保温30min后加入商业纯镁，再经熔化和搅拌均匀，静置20min获得铝硅合金熔体1；将获得的铝硅合金熔体1降温到700℃，加入C2Cl6和KF精炼剂(其占合金的质量比重约为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25min，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210℃，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4小时，将获得固溶样品在160℃保温2小时，时效后在20℃的水中淬火(淬火时间小于10s)。
步骤4：将步骤3获得的时效样品在260℃固溶保温2小时，将获得固溶样品在180℃保温4小时，时效后在10℃的水中淬火(淬火时间小于10s)，获得低成本耐腐蚀高强韧铸造铝硅合金。
实施例2
低成本耐腐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.％，Mn：0.5wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，其中Fe≤0.15wt.％，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，再经熔化和搅拌均匀，静置35min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(其占合金的质量比重约为1.0wt.％)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545℃中固溶保温6小时，将获得固溶样品在180℃保温3小时，时效后在20℃的水中淬火(淬火时间小于10s)。
步骤4：将步骤3获得的时效样品在230℃保温3小时，将获得固溶样品在190℃保温4小时，时效后在10℃的水中淬火(淬火时间小于10s)，获得低成本耐腐蚀高强韧铸造铝硅合金。
实施例3
低成本耐腐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：0.40wt.％，Mn：0.1wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，其中Fe≤0.15wt.％，余量为Al。
步骤1：将商业纯铝和Al-20Si中间合金在760℃下熔化，熔化后保温40min后加入商业纯镁，再经熔化和搅拌均匀，静置40min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230℃，凝固得到合金铸锭。
步骤3：步骤2获得的合金铸锭在530℃中固溶保温3小时，将获得固溶样品在170℃保温2.5小时，时效后在10℃的水中淬火(淬火时间小于10s)。
步骤4：将步骤3获得的时效样品在290℃保温1小时，将获得固溶样品在170℃保温5小时，时效后在10℃的水中淬火(淬火时间小于10s)，获得低成本耐腐蚀高强韧铸造铝硅合金。
对比例1
铸造铝硅合金，按照质量百分比计，由以下成分组成：Si：9.3wt.％，Mg：0.85wt.％，Mn：1.5wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，其中Fe≤0.15wt.％，余量为Al。
步骤1：将商业纯铝、Al-20Si中间合金和Al-10Mn中间合金在800℃下熔化，熔化后保温80min后加入商业纯镁，再经熔化和搅拌均匀，静置50min获得铝硅合金熔体1；获得铝硅合金熔体1。将获得的铝硅合金熔体1降温到750℃，加入C2Cl6和KF精炼剂(其占合金的质量比重约为1.0wt.％)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5小时，将获得固溶样品在200℃保温3小时，时效后在10℃的温水中淬火(淬火时间小于10s)。
步骤4：将步骤3获得的时效样品在350℃固溶保温8小时，将获得固溶样品在220℃保温6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
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：0.4wt.％，Mn：0.2wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，其中Fe≤0.15wt.％，余量为Al。
步骤1:将商业纯铝、Al-20Si中间合金和Al-10Mn中间合金在750℃下熔化，熔化后保温40min后加入商业纯镁，再经熔化和搅拌均匀，静置30min获得铝硅合金熔体1；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60℃、180℃保温7小时和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。作者获得的合金抗拉强度342.1MPa，延伸率为4.2％。
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1-4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1-4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1-4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佳，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即使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获得的合金力学和耐腐蚀性能却低于本发明实施例获得的合金性能。由此可以看出，与现有技术相比，合金元素组分、配比以及工艺参数只有在本发明权利要求保护范围内才能取得显著技术效果；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，结果表明对比例2公开的材料性能远低于本发明获得的合金性能；另外，对比例3、4公开的合金组分、工艺与本发明有所不同，并且对比例3、4公开的合金组分添加含量高于实施例3的含量，但是对比例3和4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。综上：本发明获得的合金的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 (2)
1.一种低成本耐腐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：4～8wt.％，Mg：0.4～0.8wt.％，Mn：0.1～1.0wt.％，不可避免的杂质≤0.2wt.％，其中Fe≤0.15wt.％，余量为Al，所述合金的制备方法如下：
(1)将商业纯铝、Al-20Si中间合金和Al-10Mn中间合金在750～780℃下熔化，熔化后保温30-60min，再加入商业纯镁，经搅拌均匀后静置20-40min，获得铝硅合金熔体1，再将熔体1降温到680-740℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后加入惰性气体，进行除气除杂精炼处理，保温25-35min，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210-250℃，凝固后获得合金铸锭；
(3)将步骤(2)获得的合金铸锭进行交替固溶和时效热处理，热处理后在10-30℃的水中淬火，获得低成本耐腐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0.5-1wt.％:1，所述的惰性气体为氩气、氦气或氖气；
步骤(3)所述的交替固溶和时效热处理为：在520-550℃固溶保温3-7小时；再在160-180℃时效保温1-3小时，再在220-300℃固溶保温1-5小时，再在170-190℃时效保温2-5小时；
步骤(3)获得的合金抗拉强度≥360MPa，延伸率≥8.5％，腐蚀速率≤1.42mm/y。
2.根据权利要求1所述的一种低成本耐蚀高强韧铸造铝硅合金，其特征在于：所述的Si：6～7wt.％，Mg：0.5～0.7wt.％，Mn：0.2～0.5wt.％。
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