CN112899504A - 一种高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高强韧耐磨Al‑Mg‑Si系铸造铝合金及其制备方法，属于有色金属技术领域。所述铝合金中的主要的化学成分按质量百分数计为：7.8‑8.8%的Si、小于0.15%的Fe、小于0.05%的Zn、小于0.05%的Mn、小于0.01%的Cu、0.4‑0.5%的Mg、余量为Al。本发明的铝合金制备过程为熔炼、精炼、铸造、短时热处理。本发明的主要优点有：采用原位化学反应技术、颗粒增强体强化、多种稀有金属复合变质细化、微波加热技术、短时热处理节约能耗等。制造出的铝合金具有强韧性高、耐磨性好等特点。

Description

一种高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金材料领域，特别涉及到一种高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金及其制备方法。
背景技术
铸造铝合金具有良好的铸造性能，可以制成形状复杂的零件；不需要庞大的附加设备；具有节约金属、降低成本、减少工时等优点，在航空工业和民用工业得到广泛应用。用于制造梁、燃汽轮叶片、泵体、挂架、轮毂、进气唇口和发动机的机匣等。铸造铝合金在实际生产中具有以下优点：产品质量好，铸件尺寸精度高；强度和硬度较高，强度一般比砂型铸造提高25~30%，但延伸率降低约70%；尺寸稳定，互换性好；可压铸铝薄壁复杂的铸件；生产效率高，机器生产率高；经济效果优良，由于压铸铝件尺寸精确，表面光洁等优点，一般不再进行机械加工而直接使用，或加工量很小，所以既提高了金属利用率，又减少了大量的加工设备和工时；铸造出的铸件价格便宜等。
相比于变形铝合金，铸造铝合金又有许多的缺点，铸造铝合金产品的力学性能普遍不高，抗腐蚀性和耐磨性较低等，所以本发明采用原位化学反应技术、颗粒增强体强化机理、多种稀有金属复合变质机理、微波短时热处理工艺等，使Al-Mg-Si系铸造铝合金的综合性能显著提高，大大促进了国内铸造铝合金的研究进展。
微波加热是材料本身内部吸收的微波能转化为热能，由于微波源本身并不产生热辐射，因而热损失量很少，微波能转化为热能的效率高达80%左右，另外，微波加热具有低温快烧的特点，在微波场作用下，材料内能增加，有效加快致密化进程。与此同时，材料扩散系数的提高，也使晶界扩散能力得到很大增强。此外，微波加热所特有的由内而外的热传导方式，减少了传统加热的由外向内的传递时间，加热速度快，能量利用率高，因而实现对材料的低温快速热处理，与传统热处理加热方法相比，可节能 70%~90%。并且微波在加热材料过程中，不会产生废气、粉尘等环境污染。
发明内容
本发明采用原位化学反应技术、颗粒增强体强化机理、多种稀有金属复合变质机理、微波短时热处理工艺等，目的在于优化目前铸造铝合金产品的不足，提高其强度、韧性和耐磨性等，减少生产能耗。
采用本发明所述的高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金的制备方法，具体包括以下步骤：
1）熔炼：在氩气气氛下，将按照以质量百分数计的原料按比例投入熔化炉内加热到730-770℃进行2h熔炼，形成铝合金熔液，7.8-8.8%的Si、小于0.15%的Fe、小于0.05%的Zn、小于0.05%的Mn、小于0.01%的Cu、0.4-0.5%的Mg、余量为Al的金属材料；
2）精炼：在步骤1）中的铝合金熔液中加入稀土元素La、Y、Er、Yb、Ce、Re、Nd中的1~2种，以及Sr、Ti、B4C粉末，加入量分别以质量百分数计为0.15-0.02%、0.04-0.05%、0.05-0.06%和0.5-1%，并加入精炼剂和除渣剂，进行搅拌，并不断冲入氮气，精炼时间为20-25min；
3）铸造：精炼结束后对铝合金进行铸造；
4）微波短时热处理：短时固溶处理温度为540-560℃，时间为100-120min；一次短时时效处理温度为160-170℃，时间为80-90min；二次短时时效处理温度为170-180℃，时间为80-90min。
优选地，所述步骤1）中金属材料还包括以质量百分数计的不大于0.01%的Pb、不大于0.01%的Sn、不大于0.02%的Ni、不大于0.002%的Sb、不大于0.01%的Ca。
优选地，所述步骤2）中精炼剂和除渣剂的加入量均为熔融金属重量0.06-0.09%。
优选地，所述清渣剂包括以质量百分数计的8-12%的冰晶石、20-22%的氯化钠、20-22%的氯化钾、18-22%的氯硅酸钠、16-20%的氯钛酸钾、10-14%的氯硼酸钾。
优选地，所述精炼剂包括以质量百分数计的14-16%的冰晶石、14-16%的氯化钠、20-22%的氯化钾、8-12%的氯硅酸钠、8-12%的六氯乙烷、14-16%的氟化钠、14-16%的氟硅酸钠。
优选地，所述步骤2）中氮气冲入速度为1~2ml/s。
优选地，所述步骤3）中铸造压力为1500mbar，保温时间60s，铸造温度为680-710℃。
优选地，所述步骤4）中的微波热处理炉的功率为5～9kW。
所述制备方法制备的高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金，其特征在于，所述铝合金中的主要的化学成分按质量百分数计为：7.8-8.8%的Si、0.4-0.5%的Mg、小于0.15%的Fe、小于0.05%的Zn、小于0.05%的Mn、小于0.01%的Cu、余量为Al。
进一步地，所述高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金的抗拉强度为290~321Mpa，屈服强度275~290Mpa，延伸率为8~11%，硬度为95~107HV。
本发明的有益效果体现如下：
（1）加入稀土元素La、Y、Er、Yb、Ce、Re、Nd中的1~2种元素和Sr元素，在精炼时，多种稀土元素会对铝合金复合变质细化，细化铝合金中的α-Al相，缩小合金的二次枝晶臂间距和共晶Si的长度，使得粗大的针片状共晶Si向颗粒状转变。
（2）稀有元素与其他元素结合发生反应生成其他相，如：AlSiYMg、AlSiLa、AlSiY、AlSiYTi等，这些相的尺寸细小，只有几十微米，可作为强化相起到沉淀强化的作用。
（3）加入的Ti和B4C粉末，因为B4C的熔点很高，在精炼时并不反应，但在经过微波加热处理后，B4C可与Ti发生原位化学反应生成TiB2和TiC的陶瓷颗粒相，增强相增强铝合金；并且经过热处理后未完全反应的B4C颗粒其本身的耐磨性很高，会对铝合金的耐磨性的提高起一定的作用；此外，B4C颗粒也会以颗粒增强相的形式增强铝合金。
（4）相比于传统的热处理工艺，不仅在热处理的方式上做出了改变，而且大幅度缩短了热处理的时间，基于微波加热的低温快烧的特点，热处理能耗节约70%以上，时间缩短2倍以上，并且通过两次短时的时效处理，可充分的让增强相析出，可使强度和韧性达到同时提高的作用。
附图说明
图1为本发明实施例1所得到高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金的扫描电子显微镜的微观组织图；
图2为本发明实施例2所得到高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金的扫描电子显微镜的微观组织图；
图3为本发明实施例3所得到高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金的扫描电子显微镜的微观组织图。
具体实施方式：
下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。
实施例1：
1）熔炼：在氩气气氛下，以质量百分数计，将8.8%的Si、0.15%的Fe、0.05%的Zn、0.05%的Mn、0.01%的Cu、0.5%的Mg、0.01%的Pb、0.01%的Sn、0.02%的Ni、0.002%的Sb、0.01%的Ca，余量为Al的金属材料按比例投入熔化炉内加热到740℃进行2h熔炼，形成铝合金液；
2）精炼：在铝合金溶液中加入Y、Sr、Ti、B4C粉末，加入量分别为0.02%、0.05%、0.06%和1%，并加入精炼剂和除渣剂，加入量分别为0.08%和0.09%，所加精炼剂包括以质量百分数计的15%的冰晶石、15%的氯化钠、21%的氯化钾、11%的氯硅酸钠、11%的六氯乙烷、15%的氟化钠、15%的氟硅酸钠；所加清渣剂包括以质量百分数计的10%的冰晶石、20%的氯化钠、20%的氯化钾、20%的氯硅酸钠、20%的氯钛酸钾、10%的氯硼酸钾；进行搅拌，并不断冲入氮气，氮气冲入速度为2ml/s，精炼时间为25min；
3）铸造：精炼结束后对铝合金进行铸造，铸造压力为1500mbar，保温时间60s，铸造温度为710℃；
4）微波短时热处理：短时固溶处理温度为560℃，时间为120min；一次短时时效处理温度为170℃，时间为90min；二次短时时效处理温度为180℃，时间为90min。
图1为本发明实施例1所得到高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金的扫描电子显微镜的微观组织图；所制备的Al-Mg-Si系铸造铝合金的组织中大部分α-Al相晶粒被细化成等轴晶，硅相变得细小，但是有个别硅相晶粒还是比较粗大，细化后的α-Al晶粒的尺寸大小为30-60um，此外铝合金中还反应生成了Al4Sr、Al3Y、AlSiYMg、TiB2和TiC等相，作为增强颗粒增强铝合金。取成品进行性能测试，结果如下：抗拉强度为291Mpa，屈服强度275Mpa，延伸率为11.2%，硬度为95.5HV。
实施例2：
1）熔炼：在氩气气氛下，以质量百分数计，将8.3%的Si、0.13%的Fe、0.05%的Zn、0.05%的Mn、0.01%的Cu、0.45%的Mg、0.01%的Pb、0.01%的Sn、0.02%的Ni、0.002%的Sb、0.01%的Ca，余量为Al的金属材料按比例投入熔化炉内加热到740℃进行2h熔炼，形成铝合金液；
2）精炼：在步骤1）中的铝合金溶液中加入La、Y、Sr、Ti、B4C粉末，加入量分别为0.15%、0.15%、0.04%、0.05%和0.75%，并加入精炼剂和除渣剂，两者的加入量都为0.07%，所加精炼剂包括以质量百分数计的15%的冰晶石、15%的氯化钠、21%的氯化钾、11%的氯硅酸钠、11%的六氯乙烷、15%的氟化钠、15%的氟硅酸钠；所加清渣剂包括以质量百分数计的10%的冰晶石、20%的氯化钠、20%的氯化钾、20%的氯硅酸钠、20%的氯钛酸钾、10%的氯硼酸钾；进行搅拌，并不断冲入氮气，氮气冲入速度为2ml/s，精炼时间为25min；
3）铸造：精炼结束后对铝合金进行铸造，铸造压力为1500mbar，保温时间60s，铸造温度为710℃；
4）微波短时热处理：短时固溶处理温度为550℃，时间为110min；一次短时时效处理温度为165℃，时间为85min；二次短时时效处理温度为175℃，时间为85min。
图2为本发明实施例2所得到高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金的扫描电子显微镜的微观组织图；由图可知，稀有金属复合变质细化了铝合金中的α-Al相，缩小合金的二次枝晶臂间距和共晶硅长度，使得粗大的针片状共晶硅向颗粒状转变，α-Al晶粒尺寸大小转变为30-50um，铝合金中反应生成了AlSiY、 AlSiLa、TiB2和TiC等相。取成品进行性能测试，结果如下：抗拉强度为301Mpa，屈服强度283Mpa，延伸率为8.9%，硬度为103.1HV。
实施例3：
1）熔炼：在氩气气氛下，以质量百分数计，将7.8%的Si、0.11%的Fe、0.05%的Zn、0.05%的Mn、0.01%的Cu、0.4%的Mg、0.01%的Pb、0.01%的Sn、0.02%的Ni、0.002%的Sb、0.01%的Ca，余量为Al的金属材料按比例投入熔化炉内加热到740℃进行2h熔炼，形成铝合金液；
2）精炼：在步骤1）中的铝合金溶液中加入稀土元素La、Nd、Sr、Ti、B4C粉末，加入量分别为0.15%、0.15%、0.04%、0.05%和0.5%，并加入精炼剂和除渣剂，两者的加入量都为0.07%，所加精炼剂包括以质量百分数计的15%的冰晶石、15%的氯化钠、21%的氯化钾、11%的氯硅酸钠、11%的六氯乙烷、15%的氟化钠、15%的氟硅酸钠；所加清渣剂包括以质量百分数计的10%的冰晶石、20%的氯化钠、20%的氯化钾、20%的氯硅酸钠、20%的氯钛酸钾、10%的氯硼酸钾；进行搅拌，并不断冲入氮气，氮气冲入速度为2ml/s，精炼时间25min；
3）铸造：精炼结束后对铝合金进行铸造，铸造压力为1500mbar，保温时间60s，铸造温度为710℃；
4）微波短时热处理：短时固溶处理温度为540℃，时间为100min；一次短时时效处理温度为160℃，时间为80min；二次短时时效处理温度为170℃，时间为80min。
图3为本发明实施例3所得到高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金的扫描电子显微镜的微观组织图；由图可知稀有金属对α-Al基体和共晶硅颗粒的复合细化变质作用达到最优，铸造铝合金的强度和硬度都达到了最高，α-Al基体晶粒尺寸达到20-40um，共晶Si颗粒尺寸达到1-10um，此外图中铝合金中还有其他相析出，B4C颗粒与α-Al基体发生反应，局部界面处产生了一定量的 Al3BC(s)相，作为第二相，起到了强化作用。取成品进行性能测试，结果如下：抗拉强度为321Mpa，屈服强度290Mpa，延伸率为8.1%，硬度为106.7HV。

Claims (10)

1.一种高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）熔炼：在氩气气氛下，将按照以质量百分数计的原料按比例投入熔化炉内加热到730-770℃进行2h熔炼，形成铝合金熔液，7.8-8.8%的Si、小于0.15%的Fe、小于0.05%的Zn、小于0.05%的Mn、小于0.01%的Cu、0.4-0.5%的Mg、余量为Al的金属材料；
2）精炼：在步骤1）中的铝合金熔液中加入稀土元素La、Y、Er、Yb、Ce、Re、Nd中的1~2种，以及Sr、Ti、B4C粉末，加入量分别以质量百分数计为0.15-0.02%、0.04-0.05%、0.05-0.06%和0.5-1%，并加入精炼剂和除渣剂，进行搅拌，并不断冲入氮气，精炼时间为20-25min；
3）铸造：精炼结束后对铝合金进行铸造；
4）微波短时热处理：短时固溶处理温度为540-560℃，时间为100-120min；一次短时时效处理温度为160-170℃，时间为80-90min；二次短时时效处理温度为170-180℃，时间为80-90min。
2.根据权利要求1所述的高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中金属材料还包括以质量百分数计的不大于0.01%的Pb、不大于0.01%的Sn、不大于0.02%的Ni、不大于0.002%的Sb、不大于0.01%的Ca。
3.根据权利要求1所述的高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中精炼剂和除渣剂的加入量均为熔融金属总重量的0.06-0.09%。
4.根据权利要求3所述的高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金的制备方法，其特征在于：所述清渣剂包括以质量百分数计的8-12%的冰晶石、20-22%的氯化钠、20-22%的氯化钾、18-22%的氯硅酸钠、16-20%的氯钛酸钾、10-14%的氯硼酸钾。
5.根据权利要求3所述的高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金的制备方法，其特征在于：所述精炼剂包括以质量百分数计的14-16%的冰晶石、14-16%的氯化钠、20-22%的氯化钾、8-12%的氯硅酸钠、8-12%的六氯乙烷、14-16%的氟化钠、14-16%的氟硅酸钠。
6.根据权利要求1所述的高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中氮气冲入速度为1~2ml/s。
7.根据权利要求1所述的高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中铸造压力为1500mbar，保温时间60s，铸造温度为680-710℃。
8.根据权利要求1所述的高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤4）中的微波热处理炉的功率为5～9kW。
9.权利要求1-8中任一项所述制备方法制备的高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金，其特征在于，所述铝合金中的主要的化学成分按质量百分数计为：7.8-8.8%的Si、小于0.15%的Fe、小于0.05%的Zn、小于0.05%的Mn、小于0.01%的Cu、0.4-0.5%的Mg、余量为Al。
10.权利要求9中所述高强韧耐磨Al-Mg-Si系铸造铝合金，其特征在于，抗拉强度为290~321Mpa，屈服强度275~290Mpa，延伸率为8~11%，硬度为95~107HV。
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