CN112941377B - 一种含Er铸造耐热Al-Si-Cu-Mg合金 - Google Patents

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Abstract

一种含Er铸造耐热Al‑Si‑Cu‑Mg合金，属于有色金属材料领域。本发明合金特点之一是：合金在调整Al‑Si‑Cu‑Mg合金中合金元素质量比的同时加入Er元素。热处理工艺，其中采用三级固溶处理，第一级固溶能使铸态合金中的过饱和Er元素以Al3Er的形式析出，其尺寸大小为5～10nm，第二级固溶能使低熔点的金属间化合物在不过烧的前提下回溶进基体，第三极固溶能使合金中的大部分粗大一次相回溶进基体。三级固溶相比传统的单级固溶对于Al‑Si‑Cu‑Mg合金的室温和高温力学性能有较大的的提高。本发明的合金和热处理工艺使合金具有优良的室温拉伸性能，良好的高温拉伸性能。

Description

一种含Er铸造耐热Al-Si-Cu-Mg合金
技术领域
本发明涉及一种高室温强度高耐热性的含Er铸造Al-Si铝合金及其热处理工艺，可用于汽车工业及民用领域，属于有色金属材料领域。
背景技术
近年来随着汽车、航空航天及自动化工业的发展，对合金材料的性能要求更加苛刻，如对汽车及自动化工业零件的设计时不仅要求合金在室温下具有高的抗拉强度，高的屈服强度，而且对高温时的抗拉和屈服强度要求也越来越严苛。目前国内外市场对于铝合金的应用已经大面积普及，但普通铝合金已经无法满足汽车及自动化工业的需求，目前铝硅系铸造合金室温及高温力学性能差，这对于合金成分及工艺的设计提出了更高的要求。因此有必要开发一种铸造性能好、室温和高温力学性能优良的铝硅系铸造合金。
汽车气盖缸等零部件需要在较高温度下服役，而合金元素Cu和Mg在Al-Si合金中形成的强化相Al2Cu和Mg2Si等时效析出强化相在200℃以上会急速长大或者部分溶解而使位错钉扎作用减小造成合金力学性能明显下降。在合金中添加Er和Zr，以及Cu和Mg元素的共同添加使合金中形成新的强化相Al3Er、Al3Zr、Al5Cu2Mg8Si6，由于这些强化相在200～400℃能够稳定存在，不易粗化，在高温下依然能够对位错有钉扎作用，引入这些新的相会使合金的高温耐热性能提升。
基于以上问题，本专利的目的在于提供一种含Er的耐热铸造铝硅合金，并提供一种适当的热处理工艺，使其具有高的室温强度和高的高温强度。
发明内容
本发明的目的是：提供一种含Er的耐热Al-Si-Cu-Mg-铸造铝合金及其制备方法，并获得优异的室温拉伸性能和良好的高温拉伸性能。
为解决上诉技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种含Er的耐热Al-Si-Cu-Mg合金，其特征在于，合金的质量百分比为：Si：5-8％，Cu：0.1-2.0％，Mg：0.2-2.0％，Er：0.01-0.5％，Zr：0.01-0.5％，余量为Al及一些不可避免的杂质。
进一步优选按质量百分比为：Si：5.2-7.2％，Cu：0.3-1.8％，Mg：0.3-1.6％，Er：0.12-0.42％，Zr：0.12-0.42％，余量为Al及一些不可避免的杂质。
更进一步优选按质量百分比为：Si：5.8-6.8％，Cu：0.5-1.6％，Mg：0.4-1.0％，Er：0.12-0.28％，Zr：0.12-0.28％，余量为Al及一些不可避免的杂质。所述的杂质可能为Fe、Zn、Ti等中的一种或几种。
一种混合添加Er、Zr铸造Al-Si-Cu-Mg合金的热处理工艺，包括以下步骤：熔炼，固溶和时效处理；
具体熔炼步骤为：将纯铝、Al-Si、Al-Cu、Al-Er、Al-Zr中间合金连同石墨坩埚放入熔炼炉中熔化，熔炼温度为780℃，待中间合金全部熔化后除去表面浮渣，用搅拌棒将金属液搅拌均匀，然后将炉温设置成740～760℃保温10～30min,最后将表面打磨干净的镁块用铝箔纸包裹用钟罩压入完全熔化后的合金液中，等镁块完全融化后缓慢搅拌金属液，取出钟罩后在710～740℃保温10～30min。铁模浇铸，水冷至室温。对不同合金进行硬度测试，合金成分及硬度测试。
固溶工艺为：三级固溶处理：第一级固溶温度280℃，保温3h，第二级级固溶处理为470～510℃保温1～6h，第三级固溶处理为530～545℃保温1～6h。优选三级固溶处理为：280℃/3h+500℃/4h+540℃/2h。
时效工艺为：时效温度170～200℃，时效时间1h-15h。
本发明采用三级固溶处理，第一级固溶能使铸态合金中的过饱和Er元素以Al3Er的形式析出，其尺寸大小为5～10nm，第二级固溶能使低熔点的金属间化合物在不过烧的前提下回溶进基体，第三极固溶能使合金中的大部分粗大一次相回溶进基体。三级固溶相比传统的单级固溶对于Al-Si-Cu-Mg合金的室温和高温力学性能有较大的的提高。通过实施例可以表明，本发明的合金和热处理工艺使合金具有优良的室温拉伸性能，良好的高温拉伸性能。本发明合金在汽车工业以及民用等各个领域都有重要使用价值。本发明合金能达到的力学性能，其室温抗拉强度≥370MPa，屈服强度≥310MPa，其300℃高温抗拉强度≥160MPa，屈服强度≥150MPa。
本发明合金铸造性能优良，采用恰当热处理工艺后合金具有良好的室温拉伸性能及良好的耐高温性能，本发明开发的合金具有重要的使用价值，适用于汽车及自动化工业。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做详细说明，本发明并不限于以下实施例，以下实施例中的Fe元素归为杂质类。
实施例1(即对比例)
一种含Er的Al-Si-Cu-Mg系合金，合金的质量百分比为：Si：6.61％，Cu：0.10％，Mg：0.59％，Er：0.21％，Zr：0.23％，Fe：0.15％，余量为Al。
在实验室电阻炉中进行熔炼，除渣搅拌后将铝液倒入金属磨具中得到铸锭；对铸锭进行固溶处理，具体固溶处理工艺为：第一级固溶温度280℃，保温3h；第二级固溶温度为530℃，保温3h，30℃水淬。对固溶处理所得的合金进行单级时效处理，具体时效处理工艺为：时效温度170℃，保温3h后空冷至室温。根据GB/T228.1-2010标准，对试样进行室温及高温拉伸性能测试，室温拉伸实验结果见表一，高温拉伸试验结果见表二。
实施例2
合金成分质量百分比为：Si:6.34wt.％,Cu:0.68wt.％,Mg:0.64wt.％,Er:0.18wt.％,Zr:0.16wt.％,Fe：0.19％，余量为Al。
参照实施例1中进行相同条件的熔炼和铸造方法，对铸锭进行固溶处理，具体固溶处理工艺为：第一级固溶温度280℃，保温3h；第二级固溶温度500℃，保温4h；第三级固溶温度为540℃，保温2h，30℃水淬。对固溶处理所得的合金进行单级时效处理，具体时效处理工艺为：时效温度180℃，保温10h后空冷至室温。对热处理后的合金进行室温和300℃高温拉伸试验，室温拉伸实验结果见表一，高温拉伸试验结果见表二。
合金成分质量百分比为：Si:6.34wt.％,Cu:0.68wt.％,Mg:0.64wt.％,Er:0.18wt.％,Zr:0.16wt.％,Fe：0.19％，余量为Al。
参照实施例1中进行相同条件的熔炼和铸造方法，对铸锭进行固溶处理，具体固溶处理工艺为：第一级固溶温度280℃，保温3h；第二级固溶温度500℃，保温4h；第三级固溶温度为540℃，保温2h，30℃水淬。对固溶处理所得的合金进行时效处理：时效温度190℃，保温10h后空冷至室温。对热处理后的合金进行室温拉伸试验，室温拉伸实验结果见表一。
实施例4
合金成分质量百分比为：Si:6.57wt.％,Cu:1.11wt.％,Mg:0.58wt.％,Er:0.12wt.％,Zr:0.14wt.％,Fe：0.18％，余量为Al。
参照实施例1中进行相同条件的熔炼和铸造方法，对铸锭进行固溶处理，具体固溶处理工艺为：第一级固溶温度280℃，保温3h；第二级固溶温度500℃，保温4h；第三级固溶温度为540℃，保温2h，30℃水淬。对固溶处理所得的合金进行时效处理：时效温度180℃，保温12h后空冷至室温。对热处理后的合金进行室温和300℃高温拉伸试验，室温拉伸实验结果见表一，高温拉伸试验结果见表二。
实施例5
合金成分质量百分比为：Si:6.57wt.％,Cu:1.11wt.％,Mg:0.58wt.％,Er:0.12wt.％,Zr:0.14wt.％,Fe：0.18％，余量为Al。
参照实施例1中进行相同条件的熔炼和铸造方法，对铸锭进行固溶处理，具体固溶处理工艺为：第一级固溶温度280℃，保温3h；第二级固溶温度500℃，保温4h；第三级固溶温度为540℃，保温2h，30℃水淬。对固溶处理所得的合金进行时效处理：时效温度190℃，保温10h后空冷至室温。对热处理后的合金进行室温拉伸试验，室温拉伸实验结果见表一。
实施例6
合金成分质量百分比为：Si:6.46wt.％,Cu:1.51wt.％,Mg:0.56wt.％,Er:0.17wt.％,Zr:0.18wt.％,Fe：0.18％，余量为Al。
参照实施例1中进行相同条件的熔炼和铸造方法，对铸锭进行固溶处理，具体固溶处理工艺为：第一级固溶温度280℃，保温3h；第二级固溶温度500℃，保温4h；第三级固溶温度为540℃，保温2h，30℃水淬。对固溶处理所得的合金进行单级时效处理，具体时效处理工艺为：时效温度180℃，保温10h后空冷至室温。对热处理后的合金进行室温和300℃高温拉伸试验，室温拉伸实验结果见表一，高温拉伸试验结果见表二。
实施例7
合金成分质量百分比为：Si:6.46wt.％,Cu:1.51wt.％,Mg:0.56wt.％,Er:0.17wt.％,Zr:0.18wt.％,Fe：0.18％，余量为Al。
参照实施例1中进行相同条件的熔炼和铸造方法，对铸锭进行固溶处理，具体固溶处理工艺为：第一级固溶温度280℃，保温3h；第二级固溶温度500℃，保温4h；第三级固溶温度为540℃，保温2h，30℃水淬。对固溶处理所得的合金进行单级时效处理，具体时效处理工艺为：时效温度190℃，保温6h后空冷至室温。对热处理后的合金进行室温拉伸试验，室温拉伸实验结果见表一。
本发明所制备的耐热铝合金与现有的ZL101A铝合金的成分和性能对比如表三和表四所示。
表一室温拉伸实验结果
Figure BDA0002922256620000051
表二高温拉伸实验结果
Figure BDA0002922256620000052
表三与ZL101A铝合金的成分的比较
Figure BDA0002922256620000053
Figure BDA0002922256620000061
表四ZL101A铝合金性能的比较
Figure BDA0002922256620000062
由实施例6可以看出本发明合金在铸造铝硅系中具有良好的室温和高温拉伸性能。本发明合金室温抗拉强度为364MPa，相比ZL101A提高了16％，室温屈服强度为319MPa，相比ZL101A提高了35.7％，300℃时的高温抗拉强度为168MPa，相比ZL101A在250℃时提高了32.3％，高温屈服强度为155MPa，相比ZL101A在250℃时提高了31.4％。
由实施例6与实施例1对比可以看出采用本发明合金的成分调配和三级固溶的热处理工艺，实施例6合金抗拉强度为364MPa相比实施例1提高了32.8％，室温屈服强度为319MPa，相比实施例1提高了37.7％，300℃时的高温抗拉强度为168MPa，相比实施例1提高了95.3％，高温屈服强度为155MPa，相比实施例1提高了103.9％。
本发明合金很好的解决了铸造铝硅系合金室温拉伸性能和高温时的力学性能不足的问题。

Claims (6)

1.一种含Er的耐热Al-Si-Cu-Mg合金的制备方法，合金的质量百分比为：Si：5-8％，Cu：0.1-2.0％，Mg：0.2-2.0％，Er：0.01-0.5％，Zr：0.01-0.5％，Fe：0.01-0.3％，余量为Al及一些不可避免的杂质；其特征在于，包括熔炼、固溶和时效处理；
具体熔炼步骤为：将纯铝、Al-Si、Al-Cu、Al-Er、Al-Zr中间合金连同石墨坩埚放入熔炼炉中熔化，熔炼温度为780℃，待中间合金全部熔化后除去表面浮渣，用搅拌棒将金属液搅拌均匀，然后将炉温设置成740～760℃保温10～30min,最后将表面打磨干净的镁块用铝箔纸包裹用钟罩压入完全熔化后的合金液中，等镁块完全融化后缓慢搅拌金属液，取出钟罩后在710～740℃保温10～30min；铁模浇铸，水冷至室温；
固溶工艺为：三级固溶处理：第一级固溶温度280℃，保温3h，第二级固溶处理为470～510℃保温1～6h，第三级固溶处理为530～545℃保温1～6h；
时效工艺为：时效温度170～200℃，时效时间1h-15h。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，三级固溶处理为：280℃/3h+500℃/4h+540℃/2h。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，合金质量百分比为：Si：5.2-7.2％，Cu：0.3-1.8％，Mg：0.3-1.6％，Er：0.12-0.42％，Zr：0.12-0.42％，Fe：0.01-0.3％，余量为Al及一些不可避免的杂质。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，合金质量百分比为：Si：5.8-6.8％，Cu：0.5-1.6％，Mg：0.4-1.0％，Er：0.12-0.28％，Zr：0.12-0.28％，Fe：0.01-0.3％，余量为Al及一些不可避免的杂质。
5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，采用三级固溶处理，第一级固溶能使铸态合金中的过饱和Er元素以Al3Er的形式析出，其尺寸大小为5～10nm，第二级固溶能使低熔点的金属间化合物在不过烧的前提下回溶进基体，第三极固溶能使合金中的大部分粗大一次相回溶进基体。
6.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，合金室温抗拉强度≥370MPa，屈服强度≥310MPa，其300℃高温抗拉强度≥160MPa，屈服强度≥150MPa。
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