CN102912196A - 一种铝硅镁系铸造铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铝硅镁系铸造铝合金，属于铝合金领域。它解决了现有的铝合金高温性能不好的问题。本发明铝硅镁系铸造铝合金的成分及其质量百分比为：Si：6.8％-7.0％、Mg：0.2％-0.7％、Fe：≤0.17％、Cu：≤0.05％、Zn：≤0.07％、Mn：≤0.10％、Sb：0.12％-0.13％、Ti：0.12％-0.15％，其他杂质元素中单项杂质元素含量≤0.03％，杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。本发明铝硅镁系铸造铝合金机械性能高、切削加工性能好、抗拉强度达到330-340MPa，伸长率3％-8％，屈服强度RP0.2％可以达到249-270MPa，满足高温条件下的机械性能要求。

Description

一种铝硅镁系铸造铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金材料技术领域，尤其涉及一种铝硅镁系铸造铝合金及其制备方法。
背景技术
在纯铝中加入其它金属或者非金属，可以配制出各种可供压力加工或铸造用的铝合金。根据铝合金的成分和加工工业特点，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。其中，铸造铝合金在工业上应用更为广泛。现有的铸造铝合金，添加到铝中的元素主要由硅、铜、镁、锌等，其中铝硅镁系铸造合金由于热膨胀系数小、热传导性好、热裂倾向小、流动性好等一系列优点，成为铸造铝合金中用量最大的一类合金，可用于汽车的壳体、发动机部件、汽缸体、制动器等零部件。
然而现有的铝硅镁系铸造铝合金耐热性较低、工作温度一般低于185℃，但是在汽车部件的生产过程中，生产温度通常较高，因此提供一种机械性能较高同时兼具高温力学性能的铝硅镁系铸造铝合金成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种铝硅镁系铸造铝合金，该铝合金的成分及其质量百分比为：Si：6.8％-7.0％、Mg：0.2％～0.7％、Fe：≤0.17％、Cu：≤0.05％、Zn：≤0.07％、Mn：≤0.10％、Sb：0.12％-0.13％、Ti：0.12％-0.15％，其他杂质元素中单项杂质元素含量≤0.03％，杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。
铝硅镁系铸造铝合金，顾名思义，铝合金必然包括硅元素和镁元素，硅元素和镁元素的选取使得铝合金具有热膨胀系数小、热传导性好、热裂倾向小、流动性好等优点，使该铝合金区别于其他铸造铝合金或变形铝合金。
铜元素与铝元素一样具有面心立方结构，铜的熔点为1084.5℃。在铝硅镁系铸造铝合金中添加铜元素，不会形成任何三元化合物。铜和铝的晶格常数相差很大，但铜能溶于铝，因此加入铜元素后，使铝的点阵发生很大的畸变，产生很显著的强化作用，随着铜含量的提高，强度急剧升高而延伸率剧烈下降。本发明为保证加工性能，需要较优良的延伸率，因此将铜元素的添加量控制在0.05％以下。
铁元素和钛元素作为过渡族元素，其在平衡条件下几乎不固溶于铝，且以高温稳定高弹性模量弥散的金属间化合物存在，从强化基体和晶界，使得铝硅镁系铸造铝合金具有优良的高温综合力学性能。本发明选取的铁、钛元素含量需要合理选取，不能无限扩大其含量，因为铁元素含量过高会引起铸件产生裂纹，使铸件产生脆性，而钛元素需要与铁元素配合才能达到增强铝合金高温性能的效果。
锰元素熔点为1244℃。锰元素在铝硅镁系铸造铝合金中起到两方面作用，一为中和铁元素的有害作用，使铁元素仅发挥其正面作用即提高高温性能的作用，因此铁元素和锰元素的配比也是选取锰元素含量的重要参考参数；二为提高铝硅镁系铸造铝合金的耐蚀性，添加锰元素可以细化材料组织，提高再结晶温度，增强合金的耐热性。
单独添加锌元素对铝合金强度的提高十分有限，同时还存在应力腐蚀开裂倾向，但是锌元素和镁元素能形成强化相Mg/Zn2，能明显提高合金的抗拉强度和屈服强度。为了减弱锌元素的有害作用，利用其有利作用，锌元素的质量百分比通常较小。本发明选取的锌元素含量小于等于0.07％。
本发明还添加有0.12％-0.13％的锑元素作为变质元素以改善铝合金的金相组织、细化晶粒，改善铝合金的韧性和致密性。
在上述的铝硅镁系铸造铝合金成分中杂质元素主要是碳、硫等有害杂质元素。
本发明还提供一种上述铝硅镁系铸造铝合金的制备方法，其包括步骤：
S1：配料：按照上述各元素成分的质量百分比配料；
S2：熔炼后搅拌均匀；
S3：除气精炼、清渣；
S4：铸造后热处理，热处理包括固溶处理和时效处理，其中固溶温度为500-540℃，固溶时间4-8小时，时效温度为160-180℃，时效时间4-8小时。
本发明铝硅镁系铸造铝合金的制备方法中，通过除气工艺以消除合金铸造过程中吸气和晶粒粗大的不良影响。同时本发明还通过添加氧化剂以达到清除残渣、减少铝合金气孔、改善铝合金韧性和致密性的效果。作为优选，本发明通过通入氮气旋转除气进行精炼。
固溶处理能改善合金的塑性和韧性，而固溶处理后的时效处理能消除铸造件的内应力、稳定组织和尺寸，改善机械性能。同时热处理工艺还能使得铝合金中的铁元素和钛元素析出大量细小弥散的、高温下非常稳定的金属间化合物，从而提高铸造件的耐高温性能。
进一步地，步骤S2与步骤S3之间还包括热分析检验并调整晶粒细化度的步骤。
本发明采用热分析方法检测熔化后的铝液液相过熔数据和固相过熔数据并依据该些数据判断晶粒粗细，若晶粒过于粗大，则添加晶粒细化材料，例如添加硼钛中间合金等晶粒细化剂进行晶粒细化。
进一步地，步骤S4中，固溶处理的固溶温度为540℃，固溶时间为6小时，时效处理的时效温度为170℃，时效时间为6小时。
本发明铝硅镁系铸造铝合金机械性能高、切削加工性能好、抗拉强度达到330-340MPa，伸长率3％-8％，屈服强度RP0.2％可以达到249-270MPa，满足高温条件下的机械性能要求。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一：
配料：铝合金的成分及其质量百分比为：Si：6.8％、Mg：0.3％、Fe：≤0.17％、Cu：≤0.05％、Zn：≤0.07％、Mn：≤0.10％、Sb：0.12％、Ti：0.12％，其他杂质元素中单项杂质元素含量≤0.03％，杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。
熔炼：熔炼时，先将铝锭放入坩埚电阻炉中熔化，待铝锭完全熔化后加入中间合金并搅拌均匀。
热分析检验并调整晶粒细化度。熔炼后即调整晶粒细化度使得后续的铸件热处理性能得到保证。
除气精炼、清渣：在铝合金溶液中加入氧化剂并吹入氮气进行精炼除渣。
铸造后热处理：热处理包括固溶处理和时效处理，其中固溶温度为500℃，固溶时间4小时，时效温度为160℃，时效时间4小时。
经过上述制备方法得到的铸造件的机械性能见表一。
实施例二：
配料：铝合金的成分及其质量百分比为：Si：6.9％、Mg：0.5％、Fe：≤0.17％、Cu：≤0.05％、Zn：≤0.07％、Mn：≤0.10％、Sb：0.12％、Ti：0.13％，其他杂质元素中单项杂质元素含量≤0.03％，杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。
熔炼：熔炼时，先将铝锭放入坩埚电阻炉中熔化，待铝锭完全熔化后加入中间合金并搅拌均匀。
热分析检验并调整晶粒细化度。熔炼后即调整晶粒细化度使得后续的铸件热处理性能得到保证。
除气精炼、清渣：在铝合金溶液中加入氧化剂并吹入氮气进行精炼除渣。
铸造后热处理：热处理包括固溶处理和时效处理，其中固溶温度为540℃，固溶时间6小时，时效温度为170℃，时效时间6小时。
经过上述制备方法得到的铸造件的机械性能见表一。
实施例三：
配料：铝合金的成分及其质量百分比为：Si：7.0％、Mg：0.7％、Fe：≤0.17％、Cu：≤0.05％、Zn：≤0.07％、Mn：≤0.10％、Sb：0.13％、Ti：0.15％，其他杂质元素中单项杂质元素含量≤0.03％，杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。
熔炼：熔炼时，先将铝锭放入坩埚电阻炉中熔化，待铝锭完全熔化后加入中间合金并搅拌均匀。
热分析检验并调整晶粒细化度。熔炼后即调整晶粒细化度使得后续的铸件热处理性能得到保证。
除气精炼、清渣：在铝合金溶液中加入氧化剂并吹入氮气进行精炼除渣。
铸造后热处理：热处理包括固溶处理和时效处理，其中固溶温度为540℃，固溶时间8小时，时效温度为860℃，时效时间8小时。
经过上述制备方法得到的铸造件的机械性能见表1。
表1
Figure BSA00000790276100061
表1中，对比例为代号为ZL 101的铝合金力学性能。ZL 101铝合金采用的标准为GB/T 1173-1995。
由表一可以看出，利用本发明得到的铝合金铸件的力学性能较ZL 101铝合金有较大提高，满足铝合金铸件的高温加工要求，尤其可以满足在汽车制动***产生的高温条件下的汽车各零件的机械性能要求。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种铝硅镁系铸造铝合金，其特征在于：该铝合金的成分及其质量百分比为：Si：6.8％-7.0％、Mg：0.2％-0.7％、Fe：≤0.17％、Cu：≤0.05％、Zn：≤0.07％、Mn：≤0.10％、Sb：0.12％-0.13％、Ti：0.12％-0.15％，其他杂质元素中单项杂质元素含量≤0.03％，杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。
2.根据权利要求1所述的铝硅镁系铸造铝合金，其特征在于：所述的铝合金的成分及其质量百分比为：Si：6.8％、Mg：0.3％、Fe：≤0.17％、Cu：≤0.05％、Zn：≤0.07％、Mn：≤0.10％、Sb：0.12％、Ti：0.12％，其他杂质元素中单项杂质元素含量≤0.03％，杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。
3.根据权利要求1所述的铝硅镁系铸造铝合金，其特征在于：所述的铝合金的成分及其质量百分比为：Si：6.9％、Mg：0.5％、Fe：≤0.17％、Cu：≤0.05％、Zn：≤0.07％、Mn：≤0.10％、Sb：0.12％、Ti：0.13％，其他杂质元素中单项杂质元素含量≤0.03％，杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。
4.根据权利要求1所述的铝硅镁系铸造铝合金，其特征在于：所述的铝合金的成分及其质量百分比为：Si：7.0％、Mg：0.7％、Fe：≤0.17％、Cu：≤0.05％、Zn：≤0.07％、Mn：≤0.10％、Sb：0.13％、Ti：0.15％，其他杂质元素中单项杂质元素含量≤0.03％，杂质元素总含量≤0.1％，余量为铝。
5.一种如权利要求1-4任意一项所述的铝硅镁系铸造铝合金的制备方法，该包括以下步骤：
S1：配料：按照上述各元素成分的质量百分比配料；
S2：熔炼后搅拌均匀；
S3：除气精炼、清渣；
S4：铸造后热处理，热处理包括固溶处理和时效处理，其中固溶温度为500-540℃，固溶时间4-8小时，时效温度为160-180℃，时效时间4-8小时。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤S2与步骤S3之间还包括热分析检验并调整晶粒细化度的步骤。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤S4中，固溶处理的固溶温度为540℃，固溶时间为6小时，时效处理的时效温度为170℃，时效时间为6小时。
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