CN116752004A - 一种提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法及高抗热裂免热处理铝合金 - Google Patents
一种提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法及高抗热裂免热处理铝合金 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于金属材料铸造领域，公开了一种提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法及高抗热裂免热处理铝合金。所述方法包括：将免热处理铝合金进行熔炼，得到熔体；向所述熔体中添加Zr，以及任选的Sc和/或Er，经搅拌、除气、冷却和静置，得到合金熔体；对所述合金熔体进行高温熔体超声处理，得到高温熔体，浇入模具，进行铸造，得到高抗热裂免热处理铝合金。本发明可实现对铝合金微观组织和抗热裂性能的有效控制，获得凝固组织细化、铸造热裂纹消除的高质量免热处理铝合金铸件。
Description
技术领域
本发明属于金属材料铸造领域，更具体地，涉及一种提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法及高抗热裂免热处理铝合金。
背景技术
免热处理铝合金铸件在现代汽车制造领域具有广泛的应用，随着铝合金一体化压铸技术的快速发展。一方面，为了提高免热处理铝合金的力学性能，添加了较多Cu、Zn等元素，虽然提高了铝合金力学性能，但降低了其抗热裂性能；另一方面，压铸件尺寸日趋大型化，加上结构复杂，在其压铸凝固过程中不可避免产生显著应力。因此对于免热处理铝合金材料的抗热裂性能提出了巨大的挑战。
在前期相关研究中，人们发展了多种改善铝合金热裂性能的方法。例如在铝合金浇铸过程中施加磁场，利用磁场作用细化铝合金凝固组织，从而改善铸件中的热裂问题。但是由于免热处理铝合金大多用于压铸过程，铸件尺寸大而薄，凝固速度较快，在其凝固过程中难以施加磁场。采用超声处理细化铝合金凝固组织已发展为一种成熟工艺，前期研究中的超声熔体处理大致分为两类：一类是高温熔体超声处理，可实现除气的目的；一类是为了获得超声细化，通常需要在较低的熔体温度条件下处理(熔体温度接近液相线温度甚至在固液两相区温度范围内)，这种温度条件明显不适用于免热处理铝合金的压铸过程。
由于前期关于铝合金微合金化的研究多为成分-组织-力学性能关系的探索，关于铸造性能的影响鲜见报道，因此，目前针对免热处理铝合金的热裂问题，尚未有恰当的改善方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决大尺寸铝合金铸件一体化压铸过程中的热裂问题，提出一种提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法及高抗热裂免热处理铝合金。本发明可实现对铝合金微观组织和抗热裂性能的有效控制，获得凝固组织细化、铸造热裂纹消除的高质量免热处理铝合金铸件。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法，所述方法包括如下步骤：
S1：将免热处理铝合金进行熔炼，得到熔体；向所述熔体中添加Zr，以及任选的Sc和/或Er，经搅拌、除气、冷却和静置，得到合金熔体；
S2：对所述合金熔体进行高温熔体超声处理，得到高温熔体，浇入模具，进行铸造，得到高抗热裂免热处理铝合金。
根据本发明，优选地，所述免热处理铝合金的化学成分包括Mg、Si、Mn、Fe、Cu和Al；优选地，以所述免热处理铝合金的总重量计，所述免热处理铝合金包括Mg 4.0-7.0％、Si1-3％、Mn 0.4-0.8％、Fe 0.1-0.2％，Cu1.5-3.0％，其余为Al。
根据本发明，优选地，向所述熔体中添加Zr，以及任选的Sc和/或Er时，所述熔体的温度为730-780℃。
根据本发明，优选地，以所述合金熔体的总重量计，所述Zr的添加量为小于0.25％，所述Sc的添加量为小于0.25％，所述Er的添加量为小于0.25％。优选地，以所述合金熔体的总重量计，所述合金熔体包括Mg4.0-7.0％、Si 1-3％、Mn 0.4-0.8％、Fe 0.1-0.2％，Cu 1.5-3.0％，Sc 0.15-0.2％、Zr 0.15-0.2％，其余为Al。
根据本发明，优选地，所述合金熔体的温度为670-710℃。
根据本发明，优选地，所述高温熔体超声处理在保温炉中进行，在所述高温熔体超声处理的过程中，所述合金熔体的温度为670-710℃。
根据本发明，优选地，所述高温熔体超声处理的超声频率为19-21kHz，超声功率为1.0-3.0kW，处理时间为30-300s。
根据本发明，优选地，所述高温熔体超声处理包括将经过温度670-710℃预热的超声工具头插入所述合金熔体，进行超声处理。
根据本发明，优选地，所述插入深度为15-30mm。
根据本发明，优选地，所述铸造为压铸、挤压铸造和重力铸造中的至少一种。
本发明另一方面提供了所述的提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法制备得到的高抗热裂免热处理铝合金。
在本发明中，本发明通过调整铝合金化学成分并采用高温熔体超声处理，从而提高免热处理铝合金抗热裂性能。首先，本发明通过调整免热处理铝合金的成分，使其在高温状态下析出第二相质点，且质点与铝合金的晶格参数相近，可以通过共格关系实现异质形核；其次，通过高温熔体超声处理，利用超声空化效应进一步改善质点表面润湿性，从而提高其异质形核能力，并利用超声声流效应促进第二相质点在熔体中的均匀分布。含有大量均匀分布异质形核质点的铝合金熔体在浇铸过程中可获得凝固组织明显细化的效果，从而显著提高铝合金抗热裂性能。具体地，首先，在熔炼免热处理铝合金过程中添加Zr，以及任选的Sc和/或Er，通过搅拌、除气和降温静止等操作，获得铝合金熔体，并使其在高温状态下析出第二相质点(如Al3Zr，Al3(ScZr)等)，为异质形核提供条件；其次，在高温熔体条件下进行超声处理，改善质点的形核能力并促进其在熔体中均匀分布。当含有大量均匀分布异质形核质点的铝合金熔体被浇入模具并凝固时，可获得显著凝固组织细化，从而显著提高铝合金抗热裂性能。
本发明的技术方案的有益效果如下：
本发明通过调整微量元素添加量、熔体处理温度、超声功率等参数，可实现对铝合金微观组织和抗热裂性能的有效控制，获得凝固组织细化、铸造热裂纹消除的高质量免热处理铝合金铸件。该方法也可用于挤压铸造或重力铸造前的熔体处理过程，适合在铸造铝合金领域推广使用。
本发明方法具有工艺简单、操作灵活、效果显著、适用性广泛等优点：
(1)工艺简单：铝合金微合金化和超声熔体处理均为成熟工艺，简便易行，无需专门培训操作人员或设置操作岗位；
(2)操作灵活：铝合金熔体温度控制可以通过温控仪实现，超声熔体工艺参数(频率、功率、处理时间)可根据需要随时调整；
(3)效果显著：微合金化和超声处理两种工艺联合应用，可显著细化凝固组织、提高抗热裂性能；同时，减少压铸件热裂问题，也有利于提高铝合金压铸成品率，降低制造成本；
(4)适用性广泛：本发明是在高温熔体状态下进行的，因此，不仅适用于压铸过程的前处理，也可推广至其它铝合金的铸造过程。
(5)采用本发明方法无需改造压铸机等设备，成本较低廉，并且可以根据免热处理铝合金特点及其压铸工艺特点调整微量元素含量和超声处理参数，可根据需要在较大范围内进行工艺窗口调整，最终获得力学性能及铸造性能优异的免热处理铝合金。
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)示出了本发明实施例1提供的一种提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法得到的铝合金的抗热裂测试记录的凝固过程时间-应力-温度曲线。
图1(b)示出了本发明对比例1提供的一种免热处理铝合金进行抗热裂测试的凝固过程时间-应力-温度曲线。
图2(a)示出了本发明实施例1提供的一种提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法得到的铝合金样品。
图2(b)示出了本发明对比例1提供的一种免热处理铝合金样品。
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
本实施例提供一种提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法，所述方法包括如下步骤：
S1：在电阻炉内采用石墨黏土坩埚进行熔炼，首先于750℃下熔化工业纯铝，然后向铝熔体中依次加入Si块、Fe粉、Cu粒、Al-Mn中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Zr中间合金，最后加入工业纯镁。待全部合金元素熔化后，机械搅拌10分钟，然后降温至720℃加入C2Cl6进行除气，随后进一步降温至700℃，静置10min，得到合金熔体；
其中，以所述合金熔体的总重量计，所述合金熔体包括Mg 6.0％、Si2.5％、Mn0.6％、Fe 0.15％，Cu 2.3％，Sc 0.18％，Zr 0.15％，其余为Al。
S2：打开超声处理设备(杭州成功超声公司生产的超声波金属熔体处理设备(型号TJS-3000))电源，设置超声频率20kHz、功率1200W，将经过700℃预热的超声工具头插入合金熔体(插入深度28mm)，进行超声熔体处理，超声处理时间60s。超声处理过程中在保温炉中进行，保证合金熔体温度保持在700±3℃，得到高温熔体。
250℃下预热抗热裂测试模具，将所述高温熔体浇入抗热裂测试模具，进行抗热裂测试，记录铝合金凝固过程时间-应力-温度曲线，并观察其宏观裂纹情况。
对比例1
本对比例使用一种免热处理铝合金进行抗热裂测试，以所述免热处理铝合金的总重量计，所述免热处理铝合金包括Mg 6.0％、Si 2.5％、Mn 0.6％、Fe 0.15％，Cu 2.3％，其余为Al。所述免热处理铝合金未经所述高温熔体超声处理。
实施例1与对比例1的抗热裂测试结果如图1和2所示，由此可知，实施例1通过添加微量Zr、Sc元素并进行高温熔体超声处理，抗热裂测试后的样品未见宏观裂纹，而对比例1未加Zr、Sc且未经高温熔体超声处理，抗热裂测试后的样品已开裂，实施例1与对比例1的凝固过程时间-应力-温度曲线显示同样的结果，因此可知，本发明方法可以显著改善铝合金的抗热裂性能。
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 (10)
1.一种提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：将免热处理铝合金进行熔炼，得到熔体；向所述熔体中添加Zr，以及任选的Sc和/或Er，经搅拌、除气、冷却和静置，得到合金熔体；
S2：对所述合金熔体进行高温熔体超声处理，得到高温熔体，浇入模具，进行铸造，得到高抗热裂免热处理铝合金。
2.根据权利要求1所述的提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法，其中，所述免热处理铝合金的化学成分包括Mg、Si、Mn、Fe、Cu和Al；
优选地，以所述免热处理铝合金的总重量计，所述免热处理铝合金包括Mg 4.0-7.0％、Si 1-3％、Mn 0.4-0.8％、Fe 0.1-0.2％，Cu 1.5-3.0％，其余为Al。
3.根据权利要求1所述的提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法，其中，向所述熔体中添加Zr，以及任选的Sc和/或Er时，所述熔体的温度为730-780℃。
4.根据权利要求1所述的提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法，其中，以所述合金熔体的总重量计，所述Zr的添加量为小于0.25％，所述Sc的添加量为小于0.25％，所述Er的添加量为小于0.25％；
优选地，以所述合金熔体的总重量计，所述合金熔体包括Mg 4.0-7.0％、Si 1-3％、Mn0.4-0.8％、Fe 0.1-0.2％，Cu 1.5-3.0％，Sc 0.15-0.2％、Zr 0.15-0.2％，其余为Al。
5.根据权利要求1所述的提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法，其中，所述合金熔体的温度为670-710℃。
6.根据权利要求1所述的提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法，其中，所述高温熔体超声处理在保温炉中进行，在所述高温熔体超声处理的过程中，所述合金熔体的温度为670-710℃；
所述高温熔体超声处理的超声频率为19-21kHz，超声功率为1.0-3.0kW，处理时间为30-300s。
7.根据权利要求1或6所述的提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法，其中，所述高温熔体超声处理包括将经过温度670-710℃预热的超声工具头插入所述合金熔体，进行超声处理。
8.根据权利要求7所述的提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法，其中，所述插入深度为15-30mm。
9.根据权利要求1所述的提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法，其中，所述铸造为压铸、挤压铸造和重力铸造中的至少一种。
10.权利要求1-9中任意一项所述的提高免热处理铝合金抗热裂性能的方法制备得到的高抗热裂免热处理铝合金。
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