CN112708810B

CN112708810B - 一种高Fe含量的挤压铸造再生铝镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN112708810B
Application number: CN202011503466.5A
Authority: CN
Inventors: 张卫文; 唐月; 宋东福; 罗宗强
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2040-12-17
Also published as: CN112708810A

Abstract

本发明公开了一种高Fe含量的挤压铸造再生铝镁合金及其制备方法，其成分及质量百分比为：Mg 3.0‑5.0％，Fe 0.3～0.9％，Mn 0.5‑0.8％，Ti 0.1～0.2％，B 0.005～0.02％，杂质元素不超过0.15％，其余为Al。挤压铸造形成了致密、细小的富铁相不仅对合金塑性的影响大幅降低，同时也提高合金强度。本发明通过挤压铸造，制备了一种中等强度高塑性、无需热处理的再生铝镁合金材料。其制备方法具有工艺简单，成本低等优点。

Description

一种高Fe含量的挤压铸造再生铝镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，具体涉及一种高Fe含量的挤压铸造再生铝镁合金及其制备方法。

背景技术

Al-Mg系铝合金具有密度小、比强度高、成形性好、耐腐蚀、可焊性好等优良性能，广泛应用于交通、电子、通信等领域。然而，Al-Mg系铝合金因其较差的熔铸性能和较低的强度，限制了在交通领域安全结构件的使用。

目前，我国有三种常用的铸造铝镁合金牌号，分别为ZL301、ZL302和ZL305，其中ZL305的综合力学性能最好，T4热处理态下的抗拉强度为300MPa，断后伸长率为9％，但Mg含量高达7.5～9％，Mg元素氧化烧损严重，且自然时效硬化趋势明显。近年来，关于研究铸造铝镁合金的材料方面的报道越来越多。在中国专利CN105063440A中记载了一种镁含量为9.3-9.8％，铁含量小于0.15％的铸造铝镁合金，热处理后该合金具有较好的力学性能，抗拉强度≥400MPa，伸长率≥13％。但该合金的镁含量高，熔铸性能差，同时热处理提高了成本。另外，在中国专利CN104561699A记载了一种镁含量为3.8-4.5％，铁含量为0.01-0.02％的高强度铸造铝镁合金材料，其抗拉强度为300～400MPa，伸长率为12～14％。但该合金中加入了Sm、Nd和Y等价格昂贵的稀土材料，且严格控制铁含量，使得成本增加且熔炼工艺复杂。

再生铝具有能耗低等优点，具有良好的环境和社会效益，铝合金在回收过程中会引入一些不可避免的有害元素。其中Fe是再生铝中最为常见的杂质元素，形成硬脆的富铁金属间化合物，极大降低合金的力学性能。然而，Fe并不总是有害的，Fe在铸造铝合金中可防止粘膜，最近研究发现在铸造铝镁合金中Fe可以提高合金的强度，并保留较高的伸长率。因此，如何将Fe元素变废为宝，对实现资源的重复利用具有重要的价值意义。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的问题和不足，提出一种低成本，具有中等强度高塑性，无需热处理，适合于挤压铸造成型的再生铝镁合金材料及制备方法。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种高Fe含量的挤压铸造再生铝镁合金，其成分及质量百分比为：Mg3.0-5.0％，Fe 0.3～0.9％，Mn 0.5-0.8％，Ti 0.1～0.2％，B 0.005～0.02％，杂质元素不超过0.15％，其余为Al。严格控制其他杂质元素，提高合金的力学性能。

优选的，所述挤压铸造再生铝镁合金中Fe、Mn完全形成共晶Al6(Fe,Mn)相。进一步优选的，所述完全形成共晶Al₆(Fe,Mn)相通过热力学软件计算Al-Mg-Fe-Mn-B的平衡凝固相图确定。

一种高Fe含量的挤压铸造再生铝镁合金的制备方法，包括以下步骤：

以含Fe、Mn杂质元素的Al-Mg再生铝为主要原材料，以Mn添加剂、Al-Ti中间合金、Al-B中间合金、工业纯铝和纯镁为辅助材料；

(1)在熔炼炉中加入再生铝，并升温至750～800℃熔化；

(2)向步骤(1)所述熔化的再生铝中先加入Mn添加剂、Al-Ti中间合金，随后加入工业纯铝、纯镁、Al-B中间合金，辅料混合熔化后再降低熔体温度至700～720℃；

(3)以高纯氮气为载体将精炼剂喷入步骤(2)的熔体中，静置10～30分钟后扒渣；

(4)挤压铸造制备中强高韧铸造铝合金铸件。

优选的，所述挤压铸造的条件为：浇注温度为680～730℃、模具型腔温度为230～250℃、挤压比压为55～300MPa、充型速度为0.2～0.3米/秒、保压时间为20～30秒。

优选的，步骤(2)所述Mn添加剂、Al-Ti中间合金、Al-B中间合金、工业纯铝和纯镁的添加量确定方法如下：

取步骤(1)所述熔化的再生铝测试成分；对比实测成分与所述挤压铸造再生铝镁合金的设计成分的差异，计算相应的辅助材料用量；所述纯镁和Al-B中间合金用量以Mg、B的设计含量和实测含量为准确定；所述工业纯铝用量以Fe的实测含量和设计含量确定，所述Mn添加剂的用量以Mn的实测含量和设计含量确定；所述Al-Ti中间合金用量以Ti的实测含量和设计含量确定。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明采用工业废旧铝料为原料，还采用了Mg、Mn、B、Ti等常规添加元素，不含稀贵元素，来源广、成本低。

(2)镁元素(Mg)是合金强化的主要元素，共晶温度下Mg在Al中的最大溶解度为17.4％，即使快速冷却，其溶解度也可达3％-6％，易产生“停放效应”(Mg在自然时效过程中的析出)。本发明合金中的Mg含量仅为3-5％，减少了“停放效应”，有利于合金力学性能的稳定。

(3)铁元素(Fe)是再生Al-Mg合金中的主要杂质元素，在不含Mn或Mn含量较低时，Fe主要以针片状共晶和初生块状的Al₁₃Fe₄相为主，对合金的塑性危害较大，但能有效的降低熔体对钢制模具的粘着。

(4)锰元素(Mn)的主要作用不仅是将富铁相全部转变成细小的汉字状Al₆(Fe,Mn)相，同时也要抑制块状Al₆(Fe,Mn)相的形成。因此，本发明一方面通过热力学计算，得到特定Fe含量下获得完全共晶Al₆(Fe,Mn)相所需的Mn含量，另一方面引入活性元素B元素，降低Al₆(Fe,Mn)相的长大速率。充分发挥了Mn在合金中的作用。

(5)本发明合金的组织中只存在Al₆(Fe，Mn)相。合金中不含Cu等热处理强化元素，合金主要靠细晶强化、第二相强化和固溶强化。铸态合金的抗拉强度250-350MPa，屈服强度135-180MPa，延伸率25-40％。

附图说明

图1为实施例4的扫描电子显微图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

设计成分为：Al-3.1Mg-0.5Mn-0.3Fe-0.1Ti-0.02B。

以Fe、Mn杂质元素的Al-Mg再生铝为主要原材料，以Mn添加剂、Al-Ti中间合金、工业纯铝和纯镁为辅助材料。

(1)在熔炼炉中加入再生铝，并升温至750℃熔化；待炉中原料完全熔化后，取样测试合金成分；对比实测成分与设计成分的差异，计算并称重相应的辅助材料。

(2)向步骤(1)所述熔化的再生铝中先加入Mn添加剂、Al-Ti中间合金，随后加入工业纯铝、纯镁、Al-B中间合金，辅料混合熔化后再降低熔体温度至700℃；

(4)在浇注温度为730℃、模具型腔温度为250℃、挤压比压为200MPa、充型速度为0.27米/秒、保压时间为30秒条件下，制备中强高韧铸造铝合金铸件。

实施例2

设计成分为：Al-3.6Mg-0.8Mn-0.5Fe-0.15Ti-0.005B。

(1)在熔炼炉中加入再生铝，并升温至760℃熔化；待炉中原料完全熔化后，取样测试合金成分；对比实测成分与设计成分的差异，计算并称重相应的辅助材料。

(2)向步骤(1)所述熔化的再生铝中先加入Mn添加剂、Al-Ti中间合金，随后加入工业纯铝、纯镁、Al-B中间合金，辅料混合熔化后再降低熔体温度至710℃；

(3)以高纯氮气为载体将精炼剂喷入步骤(2)的熔体中，静置10～30分钟后扒渣。

(4)在浇注温度为720℃、模具型腔温度为250℃、挤压比压为55MPa、充型速度为0.2米/秒、保压时间为30秒条件下，制备中强高韧铸造铝合金铸件。

实施例3

设计成分为：Al-4.5Mg-0.7Mn-0.7Fe-0.18Ti-0.015B。

(1)在熔炼炉中加入再生铝，并升温至780℃熔化；待炉中原料完全熔化后，取样测试合金成分；对比实测成分与设计成分的差异，计算并称重相应的辅助材料。

(2)向步骤(1)所述熔化的再生铝中先加入Mn添加剂、Al-Ti中间合金，随后加入工业纯铝、纯镁、Al-B中间合金，辅料混合熔化后再降低熔体温度至720℃；

(4)在浇注温度为730℃、模具型腔温度为250℃、挤压比压为100MPa、充型速度为0.2米/秒、保压时间为30秒条件下，制备中强高韧铸造铝合金铸件。

实施例4

设计成分为：Al-4.9Mg-0.5Mn-0.9Fe-0.2Ti-0.008B。

(1)在熔炼炉中加入再生铝，并升温至800℃熔化；待炉中原料完全熔化后，取样测试合金成分；对比实测成分与设计成分的差异，计算并称重相应的辅助材料。

(4)在浇注温度为730℃、模具型腔温度为230℃、挤压比压为300MPa、充型速度为0.3米/秒、保压时间为30秒条件下，制备中强高韧铸造铝合金铸件。

图1为实施例4的扫描电子显微图，其中白色颗粒为富铁相。在铁含量为0.9％，挤压比压为300MPa时，合金组织中没有铸造缺陷，挤压铸造形成了致密、细小的富铁相。

实施例1～4铝合金的力学性能对比见表1。

实施例1～4铝合金的化学成分对比见表2。

表1实施例1～4中铝合金的力学性能

实施例	抗拉强度/MPa	屈服抗拉强度/MPa	伸长率/％
				1	250	140	40
2	280	158	30
				3	350	180	28
4	330	170	25

表2实施例1～4中铝合金的化学成分

实施例	Mg	Mn	Fe	Ti	B	其他	Al
								1	3.1	0.5	0.3	0.1	0.02	≤0.15	余量
2	3.6	0.8	0.5	0.15	0.005	≤0.15	余量
								3	4.5	0.7	0.7	0.18	0.015	≤0.15	余量
4	4.9	0.5	0.9	0.2	0.008	≤0.15	余量

从表1可知，铸态合金的抗拉强度250-350MPa，屈服强度135-180MPa，延伸率25-40％。实施例1中铁含量为0.3％时，合金的伸长率为40％，抗拉强度为250MPa，合金的韧性非常好，但强度低。实施例4中铁含量为0.9％时，合金的伸长率为25％，抗拉强度为330MPa，与实施例1相比，该合金的伸长率降低了37.5％，抗拉强度提高了32％，屈服强度提高了21.4％。实施例3的综合力学性能最好，与实施例1相比，该合金的伸长率降低了30％，抗拉强度提高了40％，屈服强度提高了28.6％。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高Fe含量的挤压铸造再生铝镁合金，其特征在于，其成分及质量百分比为：Mg3.0-5.0%，Fe 0.3~0.9%，Mn 0.5-0.8%，Ti 0.1~0.2%，B 0.005~0.02%，杂质元素不超过0.15%，其余为Al；

所述挤压铸造再生铝镁合金中Fe、Mn完全形成共晶Al₆(Fe, Mn)相。

2.根据权利要求1所述的高Fe含量的挤压铸造再生铝镁合金，其特征在于，所述完全形成共晶Al₆(Fe, Mn)相通过热力学软件计算Al-Mg-Fe-Mn-B的平衡凝固相图确定。

3.一种权利要求1-2任一项所述的高Fe含量的挤压铸造再生铝镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在熔炼炉中加入再生铝，并升温至750~800℃熔化；

（2）向步骤（1）所述熔化的再生铝中先加入Mn添加剂、Al-Ti中间合金，随后加入工业纯铝、纯镁、Al-B中间合金，辅料混合熔化后再降低熔体温度至700~720℃；

（3）以高纯氮气为载体将精炼剂喷入步骤（2）的熔体中，静置10~30分钟后扒渣；

（4）挤压铸造制备中强高韧铸造铝合金铸件。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述挤压铸造的条件为：浇注温度为680～730℃、模具型腔温度为230～250℃、挤压比压为55～300MPa、充型速度为0.2～0.3米/秒、保压时间为20～30秒。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述Mn添加剂、Al-Ti中间合金、Al-B中间合金、工业纯铝和纯镁的添加量确定方法如下：

取步骤（1）所述熔化的再生铝测试成分；对比实测成分与所述挤压铸造再生铝镁合金的设计成分的差异，计算相应的辅助材料用量；所述纯镁和Al-B中间合金用量以Mg、B的设计含量和实测含量为准确定；所述工业纯铝用量以Fe的实测含量和设计含量确定，所述Mn添加剂的用量以Mn的实测含量和设计含量确定；所述Al-Ti中间合金用量以Ti的实测含量和设计含量确定。