WO2016161908A1 - 非热处理自强化铝硅合金及其制备工艺 - Google Patents

非热处理自强化铝硅合金及其制备工艺 Download PDF

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丁文江
刘保良
丁之光
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上海交通大学
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C21/00Alloys based on aluminium
    • C22C21/02Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent

Abstract

一种非热处理自强化铝硅合金的制备工艺,包括以下工艺步骤:首先将纯镁锭、中间合金AL-Si、AL-Mn、AL-Cu、AL-Ti加入至740-760℃铝液中,熔化后,740℃下保温30分钟;其次将合金液温度升温到780℃,加入混合稀土,待混合稀土熔化后去除表面浮渣,搅拌3-6分钟后将合金液温度提高至770-780℃,保温静置30分钟;最后将合金液降温至750℃进行精炼15分钟,除渣,除气,最后完成铸件生产。

Description

非热处理自强化铝硅合金及其制备工艺 技术领域
本发明涉及合金材料制备领域,特别是涉及一种非热处理自强化铝硅合金及其制备工艺。
背景技术
近年来随着汽车与航空航天轻量化的加速,对合金材料的性能要求更加苛刻,如对汽车零件与航空零件设计时要求有高的屈服强度,在变形时要求有高的延伸率、优良的冲击韧性及良好的耐磨性能与疲劳性能。目前,国内外市场上汽车用材料已经大规模使用铝合金,但是普通铝合金无法满足现代汽车业与航空航天业的需求,例如目前市场上铝硅材料存在力学性能和切削加工性能较差等缺点,且绝大部分的铝合金制备均是通过热处理完成的,成本消耗巨大,这就对合金材料及其制备工艺提出了更高的要求。因此有必要开发出一种铸造性能(包括精密压铸,锻造,挤压变形,低压铸造及半固态铸造)和机械性能优良,且成本较低的铝合金及其制备工艺来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种非热处理自强化铝硅合金及其制备工艺,在保证铝硅合金流动性的前提条件下,对合金元素进行重新匹配,不进行热处理的条件下,使铝硅系合金能够自强化得到高性能材料及汽车、航空航天零部件。
为解决上述技术问题,本发明采用的一个技术方案是:提供一种非热处理自强化铝硅合金的制备工艺,包括以下工艺步骤:
(1)将纯镁锭、中间合金AL-Si、AL-Mn、AL-Cu、AL-Ti预热到180-240℃,纯铝熔化后保温在740-760℃范围内,依次将纯镁锭、中间合金AL-Si、AL-Mn、AL-Cu、AL-Ti加入至铝液中,待其熔化后,在740℃下保温30分钟;
其中,上述材料中各成分按重量百分比为Si:8.5-11.5、Mn:0.1-0.8、Cu:0.5-3.0、Mg:0.25-0.5、Ti:0.15-0.35、其他杂质(包括Fe、P)≤0.4;
(2)将合金液温度升温到780℃,加入混合稀土,待混合稀土熔化后去除表面浮渣,搅拌3-6分钟后将合金液温度提高至770-780℃,保温静置30分钟;
其中,混合稀土总重量不大于1,其La、Ce、Sm、Nd每种元素按重量百分比分别小于0.35;
(3)将合金液降温至750℃进行精炼,精炼15分钟后将合金液降温至710℃进行除渣,再将合金液降温至690℃进行除气,最后完成铸件生产。
为解决上述技术问题,本发明采用的另一个技术方案是:提供一种由上述制备工艺制备的铝硅合金,室温与高温下均具有高强度、高延伸率及强变形能力,且成本低廉,可大批量应用于民用领域。
在本发明一个较佳实施例中,在制备工艺的步骤(3)中铸件生产的铸造工艺包括精密压铸、低压铸造、半固态流变铸造。精密压铸的工艺方法为将除渣除气后的合金液降温到680℃进行压铸。低压铸造的工艺方法为将除渣除气后的合金液保温在700℃,再将合金液导入低压铸造机保温炉中进行铸造。半固态流变铸造的工艺方法为将除渣除气后的合金液降温至590-610℃,将合金熔体导入半固态浆料制备设备中或模具中进行半固态制备。
在本发明一个较佳实施例中,铸件成型后的产品要求进行热处理工艺,以达到更高的强度与屈服度,其包括固溶处理和人工时效,固溶处理为在温度高于545℃固溶处理持续3小时,球化初生Si,增加产品强度与韧性,人工时效为在165℃温度时效处理持续6-12小时,消除内应力。热处理工艺是解决材料的强度、塑性合理搭配(高的强度和足够的塑性)和抗腐蚀性能的关键。
在本发明一个较佳实施例中,制备的铝硅合金室温下拉伸强度≥270Mpa,屈服强度≥160MPa,延伸率≥6%;200℃下抗拉强度≥230MPa,屈服强度≥140Mpa,延伸率≥7%。相对于现有市场上的铝硅系合金的室温强度和高温强度有大幅度提升,以ADC12为例,相同条件下,ADC12平均室温下拉伸强度为228MPa,屈服强度为154MPa,延伸率为1.4%;200℃下抗拉强度为200MPa,屈服强度为90MPa,延伸率为1%。因此,本发明制备的非热处理强化铝硅合金的材料性能明显高于ADC12。
在本发明一个较佳实施例中,对于不同铸造工艺生产出的产品性能分别为:精密压铸的产品室温抗拉强度≥325MPa,屈服强度≥170MPa,延伸率≥7.5%; 低压铸造的产品室温抗拉强度≥300MPa,屈服强度≥160Mpa,延伸率≥5%;半固态流变铸造的产品室温抗拉强度≥340MPa,屈服强度≥196Mpa,延伸率≥8.5%。通过热处理工艺后的材料性能相较之前又有所提高,对于不同铸造工艺生产出来的产品性能也有所差异。
本发明由于对材料中加入的稀土元素及与Mn元素的严格配比,让铝合金材料中的Si及Cu进行细化,使材料发生了自强化的效果,可以不用通过热处理,直接通过精密压铸、锻造、挤压变形、低压铸造及半固态铸造就可以得到性能优秀的精密零件。
本发明的有益效果是:
(1)采用混合稀土与Mn元素的摩尔匹配数来确定自强化铝硅合金的高强度与高延展性,使用其配比方式显著提高了细化效果及合金的屈服强度,有效阻碍硅元素在合金中长大为锐化组织,从而提高其延伸率及材料疲劳性能,具有明显的高耐热性、高延伸率及优秀的抗拉强度和屈服强度、低热膨胀系数等特性。
(2)对合金进行成分重新界定,使合金在室温自时效时间内发挥时效强化效果,可不通过人工热处理方式即可得到高强度、高延伸率的铝硅合金。
(3)成本低廉,可连续规模化生产,可大批量应用于汽车、航空航天、电子零部件等民用方面。
具体实施方式
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解,从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例1:
一种非热处理自强化铝硅合金的制备工艺,包括以下工艺步骤:
(1)将纯镁锭、中间合金AL-Si、AL-Mn、AL-Cu、AL-Ti预热到180-240℃,纯铝熔化后保温在740-760℃范围内,依次将纯镁锭、中间合金AL-Si、AL-Mn、AL-Cu、AL-Ti加入至铝液中,待其熔化后,在740℃下保温30分钟,使其充分均匀化;
其中,上述材料中各成分按重量百分比为Si:8.5-11.5、Mn:0.1-0.8、Cu:0.5-3.0、Mg:0.25-0.5、Ti:0.15-0.35、其他杂质≤0.4(其中Fe<0.8、P<0.004);
(2)将合金液温度升温到780℃,加入混合稀土,待混合稀土熔化后去除表面浮渣,搅拌3-6分钟使成分均匀化,搅拌后将合金液温度提高至770-780℃,保温静置30分钟;
其中,混合稀土总重量不大于1,其La、Ce、Sm、Nd每种元素按重量百分比分别小于0.35;
(3)将合金液降温至750℃进行精炼精炼15分钟后将合金液降温至710℃进行除渣,再将合金液降温至690℃进行除气,最后将除渣除气后的合金液降温到680℃进行压铸,铸件成型后进行热处理工艺,在温度高于545℃中固溶处理持续3小时,后在温度165℃进行时效处理6-12小时。
本实例所得零件强化取样室温下抗拉强度≥325MPa,屈服强度≥170MPa,延伸率≥7.5%。
实施例2:
一种非热处理自强化铝硅合金的制备工艺,包括以下工艺步骤:
(1)将纯镁锭、中间合金AL-Si、AL-Mn、AL-Cu、AL-Ti预热到180-240℃,纯铝熔化后保温在740-760℃范围内,依次将纯镁锭、中间合金AL-Si、AL-Mn、AL-Cu、AL-Ti加入至铝液中,待其熔化后,在740℃下保温30分钟,使其充分均匀化;
其中,上述材料中各成分按重量百分比为Si:8.5-11.5、Mn:0.1-0.8、Cu:0.5-3.0、Mg:0.25-0.5、Ti:0.15-0.35、其他杂质≤0.4(其中Fe<0.8、P<0.004);
(2)将合金液温度升温到780℃,加入混合稀土,待混合稀土熔化后去除表面浮渣,搅拌3-6分钟使成分均匀化,搅拌后将合金液温度提高至770-780℃,保温静置30分钟;
其中,混合稀土总重量不大于1,其La、Ce、Sm、Nd每种元素按重量百分比分别小于0.35;
(3)将合金液降温至750℃进行精炼,精炼15分钟后将合金液降温至710℃进行除渣,再将合金液降温至690℃进行除气,最后将除渣除气后的合金液保温在700℃,再将合金液导入低压铸造机保温炉中进行铸造。铸件成型后进行 热处理工艺,在温度高于545℃中固溶处理持续3小时,后在温度165℃进行时效处理6-12小时。
本实例所得零件强化取样室温下抗拉强度≥300MPa,屈服强度≥160MPa,延伸率≥5%。
实施例3:
一种非热处理自强化铝硅合金的制备工艺,包括以下工艺步骤:
(1)将纯镁锭、中间合金AL-Si、AL-Mn、AL-Cu、AL-Ti预热到180-240℃,纯铝熔化后保温在740-760℃范围内,依次将纯镁锭、中间合金AL-Si、AL-Mn、AL-Cu、AL-Ti加入至铝液中,待其熔化后,在740℃下保温30分钟,使其充分均匀化;
其中,上述材料中各成分按重量百分比为Si:8.5-11.5、Mn:0.1-0.8、Cu:0.5-3.0、Mg:0.25-0.5、Ti:0.15-0.35、其他杂质≤0.4(其中Fe<0.8、P<0.004);
(2)将合金液温度升温到780℃,加入混合稀土,待混合稀土熔化后去除表面浮渣,搅拌3-6分钟使成分均匀化,搅拌后将合金液温度提高至770-780℃,保温静置30分钟;
其中,混合稀土总重量不大于1,其La、Ce、Sm、Nd每种元素按重量百分比分别小于0.35;
(3)将合金液降温至750℃进行精炼,精炼15分钟后将合金液降温至710℃进行除渣,再将合金液降温至690℃进行除气,最后将除渣除气后的合金液温度降低至590-610℃(具体温度随半固态铸造工艺而改变),将合金熔体导入半固态浆料制备设备中或模具中进行半固态制备。铸件成型后进行热处理工艺,在温度高于545℃中固溶处理持续3小时,后在温度165℃进行时效处理6-12小时。
本实例所得零件强化取样室温下抗拉强度≥340MPa,屈服强度≥196MPa,延伸率≥8.5%。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

  1. 一种非热处理自强化铝硅合金的制备工艺,包括以下工艺步骤:
    (1)将纯镁锭、中间合金AL-Si、AL-Mn、AL-Cu、AL-Ti预热到180-240℃,纯铝熔化后保温在740-760℃范围内,依次将纯镁锭、中间合金AL-Si、AL-Mn、AL-Cu、AL-Ti加入至铝液中,待其熔化后,在740℃下保温30分钟;
    其中,上述材料中各成分按重量百分比为Si:8.5-11.5、Mn:0.1-0.8、Cu:0.5-3.0、Mg:0.25-0.5、Ti:0.15-0.35、其他杂质(包括Fe、P)≤0.4;
    (2)将合金液温度升温到780℃,加入混合稀土,待混合稀土熔化后去除表面浮渣,搅拌3-6分钟后将合金液温度提高至770-780℃,保温静置30分钟;
    其中,混合稀土总重量不大于1,其La、Ce、Sm、Nd每种元素按重量百分比分别小于0.35;
    (3)将合金液降温至750℃进行精炼,精炼15分钟后将合金液降温至710℃进行除渣,再将合金液降温至690℃进行除气,最后完成铸件生产。
  2. 根据权利要求1所述的非热处理自强化铝硅合金的制备工艺制备的铝硅合金。
  3. 根据权利要求1所述的非热处理自强化铝硅合金的制备工艺,其特征在于,在步骤(3)中铸件生产的铸造工艺包括精密压铸、低压铸造、半固态流变铸造。
  4. 根据权利要求3所述的非热处理自强化铝硅合金的制备工艺,其特征在于,精密压铸的工艺方法为将除渣除气后的合金液降温到680℃进行压铸。
  5. 根据权利要求3所述的非热处理自强化铝硅合金的制备工艺,其特征在于,低压铸造的工艺方法为将除渣除气后的合金液保温在700℃,再将合金液导入低压铸造机保温炉中进行铸造。
  6. 根据权利要求3所述的非热处理自强化铝硅合金的制备工艺,其特征在于,半固态流变铸造的工艺方法为将除渣除气后的合金液降温至590-610℃,将合金熔体导入半固态浆料制备设备中或模具中进行半固态制备。
  7. 根据权利要求1所述的非热处理自强化铝硅合金的制备工艺,其特征在 于,铸件成型后的产品要求进行热处理工艺,包括固溶处理和人工时效,固溶处理为在温度高于545℃固溶处理持续3小时,人工时效为在165℃温度时效处理持续6-12小时。
  8. 根据权利要求1或2所述的非热处理自强化铝硅合金的制备工艺,其特征在于,制备的铝硅合金室温下拉伸强度≥270Mpa,屈服强度≥160MPa,延伸率≥6%;200℃下抗拉强度≥230MPa,屈服强度≥140Mpa,延伸率≥7%。
  9. 根据权利要求8所述的非热处理自强化铝硅合金的制备工艺,其特征在于,对于不同铸造工艺生产出的产品性能分别为:精密压铸的产品室温抗拉强度≥325MPa,屈服强度≥170MPa,延伸率≥7.5%;低压铸造的产品室温抗拉强度≥300MPa,屈服强度≥160Mpa,延伸率≥5%;半固态流变铸造的产品室温抗拉强度≥340MPa,屈服强度≥196Mpa,延伸率≥8.5%。
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