CN115852215B - 一种高强韧铸造铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料铝合金领域，公开了一种高强韧铸造铝合金及其制备方法。以该铝合金的总重量计，该铝合金包括5.0～7.5wt.％Mg、2.0～3wt.％Si、0.5～1.0wt.％Mn、0.05～3wt.％Zn、0.05～1.5wt.％Cu、0.05～0.8wt.％Fe、0.2～1.0wt.％Zr、0～0.75wt.％Mo、0.01～0.1wt.％Ti、0～0.2wt.％Sr、低于1.0wt.％的杂质元素，其余为Al。本发明的高强韧铸造铝合金在室温拉伸测试下，抗拉强度≥315MPa，屈服强度≥215MPa，延伸率≥8％，具有优良的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明属于金属材料铝合金领域，更具体地，涉及一种高强韧铸造铝合金及其制备方法。
背景技术
随着日益严重的环境污染和资源的消耗，人们越来越意识到节能减排对未来发展的重要性。传统燃油车每年消耗巨大的能源并带来大量污染物的排放。随着石油能源的减少和对环境保护的日益增加需求，以锂电池为动能的新能源汽车应运而生。为了提高新能源汽车的续航能力，车身的轻量化成为汽车厂商的核心任务。车身的轻量化一方面是结构优化，另一方面是选择轻量化材料。铝合金因为含量巨大、密度小的特点，正在逐渐取代钢铁材料，在汽车上的应用越来越广泛。因此，开发出具有高强高韧、良好的铸造性能的新型铸造铝合金材料成为当前研究的重点。
目前，汽车工业上应用较多的铸造铝合金主要为Al-Si、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg、Al-Mg-(Si)等。常规铸造铝合金(如ADC12、A356、A380)因在基体组织上存在大量针状相，易割裂基体、破坏合金整体性，从而降低合金的强度和韧性，尤其延伸率一般不超过2％，使得其应用范围受到限制。国外研究较为成熟的铸造铝合金为德国莱茵铝业公司的Silafont36(AlSi10MgMn)铝硅系合金和Magismal59为代表的Al-Mg-Si合金，但Silafont36合金具有工艺难度大、制造成本高、热处理易发生变形和鼓泡的缺点，Magismal59合金具有铸造性能差、性能厚度效应明显、合金熔炼易发生烧损的缺点。随着新能源汽车行业的蓬勃发展，汽车轻量化要求越来越高，对铸件的力学性能指标提出更高的需求。例如用于制造车身结构件减震塔用压铸铝合金的性能在压铸态需满足屈服强度>180MPa，延伸率>10％。而目前现有的铸造铝合金中，很难找到合适的材料。因此，发展一种综合力学性能优异的铸造铝合金对于扩大铝合金应用范围有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种高强韧铸造铝合金及其制备方法。本发明的高强韧铸造铝合金在室温拉伸测试下，抗拉强度≥315MPa，屈服强度≥215MPa，延伸率≥7％，具有优良的综合力学性能。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种高强韧铸造铝合金，以该铝合金的总重量计，该铝合金包括5.0～7.5wt.％Mg、2.0～3wt.％Si、0.5～1.0wt.％Mn、0.05～3wt.％Zn、0.05～1.5wt.％Cu、0.05～0.8wt.％Fe、0.2～1.0wt.％Zr、0～0.75wt.％Mo、0.01～0.1wt.％Ti、0～0.02wt.％Sr、低于1.0wt.％的杂质元素，其余为Al。
根据本发明，优选地，以该铝合金的总重量计，该铝合金包括5.0～7.5wt.％Mg、2.0～3wt.％Si、0.5～1.0wt.％Mn、0.05～3wt.％Zn、0.05～1.5wt.％Cu、0.05～0.8wt.％Fe、0.2～1.0wt.％Zr、0.25～0.75wt.％Mo、0.01～0.1wt.％Ti、0～0.2wt.％Sr、低于1.0wt.％的杂质元素，其余为Al。
本发明确定合金成分的设计思想是：
(1)Mg可通过固溶强化方式提高合金的强度，且与Si形成的Mg2Si共晶相强度较高，有助于提高合金的力学性能。同时Si元素的加入，可以提高金属熔体的流动性，同时降低或避免热裂。选择Mg和Si的含量分别为5.0～7.5wt.％和2.0～3.0wt.％，确保合金有较高的固溶强度。
(2)Fe元素可降低粘模倾向，利于铸件与模具之间脱模，但Fe含量不能过高，含量为0.05～0.8wt.％。
(3)Mn可以消除Fe元素的影响，防止富Fe针状相的产生，提高合金力学性能，Mn元素含量为0.5～1.0wt.％。
(4)Cu元素加入铝合金中形成Al2Cu相，通过第二相强化的方式提高铝合金的屈服强度，同时Cu元素可以提高合金的流动性，利于提高合金铸造性能，但Cu元素过高会加剧合金热裂倾向，所以Cu含量为0.05～1.5wt.％。
(5)Zn元素加入可通过自然时效方式析出MgZn2相，提高合金的屈服强度。
(6)Ti和Zr元素可以起到细化晶粒的作用，提升合金的强度和延伸率。
(7)Mo元素在铝基体内的固溶度较低，Mo元素加入后会形成尺寸较小的AlMo3相细化晶粒。
根据本发明，优选地，抗拉强度≥315MPa，屈服强度≥215MPa，延伸率≥7％。
本发明第二方面提供了所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，该方法包括如下步骤：
S1：将纯Al、纯Si、纯Mg、纯Fe、纯Zn、纯Cu、Al-10wt.％Mn、Al-5wt.％Ti、Al-5wt.％Mo、Al-4wt.％Zr进行预热处理；
S2：将预热后的纯Al全部熔化；
S3：将预热后的纯Si、Al-10wt.％Mn和纯Fe与全部熔化的纯Al混合搅拌均匀，得到第一熔体；
S4：将预热后的纯Zn、纯Cu、Al-5wt.％Ti和Al-5wt.％Mo与所述第一熔体混合搅拌均匀，得到第二熔体；
S5：将预热后的纯Mg和Al-4wt.％Zr与所述第二熔体混合搅拌均匀，待合金化元素完全熔化后，除气，静置，得到第三熔体；
S6：将所述第三熔体与Al-10wt.％Sr混合搅拌均匀，进行变质处理，调节温度，得到合金熔体；
S7：将所述合金熔体浇铸至模具中；浇铸结束后取出试样空冷、自然时效，得到所述高强韧铸造铝合金。
根据本发明，优选地，所述预热处理的温度为150～200℃，时间为20～30min。
根据本发明，优选地，步骤S2-S6在中频电磁感应熔炼炉中进行，保护气采用氩气，气压为10～20bar。
在本发明中，中频电磁感应熔炼炉的中频感应电源在感应加热铝合金熔体的同时产生电磁搅拌作用，使得熔体中合金元素分布更加均匀，减少宏观偏析发生。
根据本发明，优选地，
所述步骤S2熔化预热后的纯Al的温度为745～755℃；
所述步骤S3混合搅拌均匀的温度为750～780℃，时间为10～20min；
所述步骤S4混合搅拌均匀的温度为740～760℃，时间为10～20min；
所述步骤S5混合搅拌均匀的温度为720～730℃，合金化元素完全熔化的时间为5～10min；
在所述步骤S6中，调节温度至680～720℃。
根据本发明，优选地，在所述步骤S5中，
在加入纯Mg时，使用石墨压笼将预热后的纯Mg压入所述第二熔体液面以下，防止纯镁接触空气氧化烧损；
采用六氯乙烷进行除气；所述静置的时间为15～20min。
根据本发明，优选地，所述模具为负压吸铸铜模模具，浇铸工艺参数包括：负压压力0～100MPa，模具温度25～300℃，冷却速率100～500℃/s。
根据本发明，优选地，试样的厚度为1～5mm。
根据本发明，优选地，自然时效的温度为20～30℃，时间为0～30d。
本发明的技术方案的有益效果如下：
(1)本发明采用Mg元素和Si元素通过固溶强化和第二相强化保证合金的强度，Mg2Si相有较好的强化效果，Mn的添加可以抑制Fe元素的危害。加入Cu后形成Al2Cu相，且MgZn2相可自然时效析出，进一步提高合金力学性能。
(2)本发明铝合金材料铸造状态下有较好的综合力学性能，在吸铸、压铸等亚快速凝固条件下可进一步提高合金元素的固溶度，进而提高材料的强度。
(3)本发明铸造铝合金室温抗拉强度可以达到315MPa以上，屈服强度达到215MPa以上，延伸率达到8％以上。
(4)本发明铸造铝合金材料通过微合金化和亚快速凝固过程可获得较高的强度，可用于压铸等亚快速凝固生产工艺过程。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1(a)-(b)示出了本发明实施例1提供的一种高强韧铸造铝合金的金相显微组织图像。
图2示出了本发明实施例2提供的一种高强韧铸造铝合金的金相显微组织图像。
图3示出了本发明实施例3提供的一种高强韧铸造铝合金的金相显微组织图像。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1
本实施例提供一种高强韧铸造铝合金，如图1(a)-(b)所示，以该铝合金的总重量计，该铝合金包括6.2wt.％Mg、2.5wt.％Si、0.7wt.％Mn、0.07wt.％Zn、1.1wt.％Cu、0.15wt.％Fe、0.5wt.％Zr、0wt.％Mo、0.05wt.％Ti、0.2wt.％Sr、低于1.0wt.％的杂质元素，其余为Al。
制备方法包括如下步骤：
S1：将纯Al、纯Si、纯Mg、纯Fe、纯Zn、纯Cu、Al-10wt.％Mn、Al-5wt.％Ti、Al-5wt.％Mo、Al-4wt.％Zr在200℃下进行预热处理20min；
步骤S2-S6在中频电磁感应熔炼炉中进行，保护气采用氩气，气压为10～20bar：
S2：在750℃±5℃下，将预热后的纯Al全部熔化；
S3：温度升高至780℃，保温15min，将预热后的纯Si、Al-10wt.％Mn和纯Fe与全部熔化的纯Al混合搅拌均匀，得到第一熔体；
S4：温度降低至760℃，保温15min，将预热后的纯Zn、纯Cu、Al-5wt.％Ti和Al-5wt.％Mo与所述第一熔体混合搅拌均匀，得到第二熔体；
S5：温度降低至730℃，将预热后的纯Mg和Al-4wt.％Zr与所述第二熔体混合搅拌均匀，待合金化元素完全熔化后，除气，静置，得到第三熔体；
在加入纯Mg时，使用石墨压笼将预热后的纯Mg压入所述第二熔体液面以下；
采用六氯乙烷进行除气；所述静置的时间为20min。
S6：将所述第三熔体与Al-10wt.％Sr混合搅拌均匀，进行变质处理，调节温度至700℃，得到合金熔体；
S7：将所述合金熔体浇铸至负压吸铸铜模模具中；浇铸结束后取出3mm试样空冷，得到所述高强韧铸造铝合金。
浇铸工艺参数包括：负压压力90MPa，模具温度200℃，冷却速率100℃/s。
本实施例的高强韧铸造铝合金的抗拉强度为317MPa，屈服强度为231MPa，延伸率为8％。
从图1可以看出，合金组织主要由α-Al基体和骨骼状Mg2Si共晶相组成，合金二次枝晶臂间距为6μm左右，Mg2Si共晶相长度为2μm左右。
实施例2
本实施例提供一种高强韧铸造铝合金，如图2所示，以该铝合金的总重量计，该铝合金包括6.2wt.％Mg、2.5wt.％Si、0.7wt.％Mn、0.07wt.％Zn、0.06wt.％Cu、0.15wt.％Fe、0.5wt.％Zr、0.25wt.％Mo、0.05wt.％Ti、0.2wt.％Sr、低于1.0wt.％的杂质元素，其余为Al。
本实施例的制备方法与实施例1的区别仅在于：试样的厚度为2mm。
本实施例的高强韧铸造铝合金的抗拉强度为330MPa，屈服强度为217MPa，延伸率为10％。
从图2可以看出，合金组织主要由α-Al基体和骨骼状Mg2Si共晶相组成，合金二次枝晶臂间距为5μm左右，Mg2Si共晶相长度为2μm左右。
实施例3
本实施例提供一种高强韧铸造铝合金，如图3所示，以该铝合金的总重量计，该铝合金包括6.2wt.％Mg、2.5wt.％Si、0.7wt.％Mn、3wt.％Zn、0.8wt.％Cu、0.15wt.％Fe、0.5wt.％Zr、0wt.％Mo、0.05wt.％Ti、0.2wt.％Sr、低于1.0wt.％的杂质元素，其余为Al。
本实施例的制备方法与实施例1的区别在于：试样的厚度为2mm，并且室温下自然时效15d。
本实施例的高强韧铸造铝合金的抗拉强度为324MPa，屈服强度为242MPa，延伸率为7％。
从图3可以看出，合金组织主要由α-Al基体和骨骼状Mg2Si共晶相组成，合金二次枝晶臂间距为4.5μm左右，Mg2Si共晶相长度为1μm左右。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (6)
1.一种高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征在于，
以该铝合金的总重量计，该铝合金包括5.0～7.5wt.％Mg、2.0～3wt.％Si、0.5～1.0wt.％Mn、0.05～3wt.％Zn、0.05～1.5wt.％Cu、0.05～0.8wt.％Fe、0.2～1.0wt.％Zr、0.25～0.75wt.％Mo、0.01～0.1wt.％Ti、0～0.2wt.％Sr、低于1.0wt.％的杂质元素，其余为Al；
该方法包括如下步骤：
S1：将纯Al、纯Si、纯Mg、纯Fe、纯Zn、纯Cu、Al-10wt.％Mn、Al-5wt.％Ti、Al-5wt.％Mo、Al-4wt.％Zr进行预热处理；
S2：将预热后的纯Al全部熔化；
S3：将预热后的纯Si、Al-10wt.％Mn和纯Fe与全部熔化的纯Al混合搅拌均匀，得到第一熔体；
S4：将预热后的纯Zn、纯Cu、Al-5wt.％Ti和Al-5wt.％Mo与所述第一熔体混合搅拌均匀，得到第二熔体；
S5：将预热后的纯Mg和Al-4wt.％Zr与所述第二熔体混合搅拌均匀，待合金化元素完全熔化后，除气，静置，得到第三熔体；
S6：将所述第三熔体与Al-10wt.％Sr混合搅拌均匀，进行变质处理，调节温度，得到合金熔体；
S7：将所述合金熔体浇铸至模具中；浇铸结束后取出试样空冷、自然时效，得到所述高强韧铸造铝合金；
所述模具为负压吸铸铜模模具，浇铸工艺参数包括：负压压力90～100MPa，模具温度25～300℃，冷却速率100～500℃/s；
试样的厚度为1～5mm；
自然时效的温度为20～30℃，时间为0～30d。
2.根据权利要求1所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其中，抗拉强度≥315MPa，屈服强度≥215MPa，延伸率≥7％。
3.根据权利要求1所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其中，所述预热处理的温度为150～200℃，时间为20～30min。
4.根据权利要求1所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其中，步骤S2-S6在中频电磁感应熔炼炉中进行，保护气采用氩气，气压为10～20bar。
5.根据权利要求4所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其中，
所述步骤S2熔化预热后的纯Al的温度为745～755℃；
所述步骤S3混合搅拌均匀的温度为750～780℃，时间为10～20min；
所述步骤S4混合搅拌均匀的温度为740～760℃，时间为10～20min；
所述步骤S5混合搅拌均匀的温度为720～730℃，合金化元素完全熔化的时间为5～10min；
在所述步骤S6中，调节温度至680～720℃。
6.根据权利要求5所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其中，在所述步骤S5中，
在加入纯Mg时，使用石墨压笼将预热后的纯Mg压入所述第二熔体液面以下；
采用六氯乙烷进行除气；所述静置的时间为15～20min。
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