CN113245486B - 一种抑制粗晶组织的Al-Mg-Si系铝合金的模锻件的制备方法 - Google Patents

一种抑制粗晶组织的Al-Mg-Si系铝合金的模锻件的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种抑制粗晶组织的Al‑Mg‑Si系铝合金的模锻件的制备方法，铝合金包括如下质量含量的成分：Mg 0.4%‑1.5％、Si 0.3%‑1.5％、Cu 0.01%‑0.7％、Fe 0.01%‑0.3％、Mn 0.01%‑1.0%、Zr 0.001%‑0.25％、Cr 0.01%‑0.5％、Sc 0.001%‑0.25％，V0.01%‑0.1％，Ti 0.01%‑0.25％以及其他过渡族元素，制备方法为：熔体洁净化处理、近锻形多根热顶铸造、多级控速均匀化、室温或高温模锻成型、双级固溶和时效处理。制备的模锻件无粗大晶粒或粗晶组织特征，抗疲劳和阳极氧化性能优异，可制备车辆交通和运输工具铝合金结构件。

Description

一种抑制粗晶组织的Al-Mg-Si系铝合金的模锻件的制备方法
技术领域
本发明属于铝合金加工制备领域，具体涉及一种抑制粗晶组织的Al-Mg-Si系铝合金的模锻件的制备方法。
背景技术
Al-Mg-Si系铝合金属于可热处理强化型铝合金，固溶时效后析出的Mg2Si相是其主要强化相，使合金具有优异的强度、延伸率和良好的加工性能，同时，Al-Mg-Si系铝合金为了满足轨交、车辆等复杂领域的应用要求，合金中还需要添加Mn、Cr等过渡族元素，使其在保证强度的同时兼具有较好的可淬透性、冲击韧性和耐腐蚀性能，以代替钢结构实现减重30%-40%的轻量化效果。铝合金模锻技术是指在专用设备上利用模具使铝合金毛坯在热状态下成型进而获得优异机械性能的铝制品加工方法。Al-Mg-Si系铝合金模锻件结合了该合金可热处理强化以及模锻成型尺寸稳定性高、产品性能优异的特点，成为车辆轻量化的首选，被加工制成连杆、枕梁、轮圈、轮毂、摆臂等超轻结构件。
为保证产品性能, Al-Mg-Si系铝合金模锻件一般采用挤压材作为锻造坯料，经2~3道次模锻热变形至成品供机加工和表面处理。应用于车辆的铝合金模锻件多为安全结构件，不但要满足严格的力学性能要求，而且要确保结构的疲劳强度和耐久寿命，在模锻件的承力或加强筋等关键位置绝对不允许出现粗晶组织。然而该位置往往是模锻加工大变形量部位，累积的应变能极易激发粗晶组织，这就给产品的合金设计和加工工艺带来了严峻挑战。
专利CN106350708A提出了一种抑制汽车控制臂用铝合金挤压棒材粗晶环的制备方法，通过合金元素含量控制、挤压模具和工艺调整来实现挤压棒材的组织控制。专利CN102644039A提出了半导体设备用高品质6061铝合金锻件制备方法，通过调整锻造工艺参数、控制锻件的温度场和应力场来实现控制锻件组织结构的目的。专利CN109609882A提出了一种减小铝合金热锻件表面粗晶层深度的方法，通过在常规的铝合金热锻工序中增加锻坯表层金属局部冷塑性变形和冷精整工序来实现消除锻件表层粗晶组织的目的。
文献研究和专利分析表明，传统铝合金模锻件粗晶组织的控制工艺往往需求额外施加特殊加工变形，或者需要对挤压和锻造工艺参数进行严格限制，工业适应性偏低。而且在模锻成型过程中工序较长，各工序热变形累积应力能量较高，而结构件加强筋部位为了保证力学性能而不能牺牲变形量，这就给粗晶组织控制带来了困难，在工业生产环节很难达到两方面兼顾的控制效果，造成批次产品报废或部分关键结构部位不能满足车辆负载条件的苛刻抗疲劳要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对铝合金模锻件变形量大、累积变形能高、极易出现粗晶组织的难题，本发明提出一种抑制粗晶组织的Al-Mg-Si系铝合金的模锻件的制备方法。
本发明采用的Al-Mg-Si系铝合金，其合金元素包括如下质量含量的成分：Mg0.4%-1.5％、Si 0.3%-1.5％、Cu 0.01%-0.7％、Fe 0.01%-0.3％、Mn 0.01%-1.0%、Zr0.001%-0.25％、Cr 0.01%-0.5％、Sc 0.001%-0.25％， V 0.01%-0.1％，Ti 0.01%-0.25％以及其他含量小于0.1%未做限定的过渡族元素，余量为Al及不可避免的杂质，其中过渡族元素析出粒子具有显著抑制粗晶生成和长大作用，除Fe元素外，其他所有过渡族元素的总质量含量之和控制在0.24%~1.19%之间，并且[Fe]%+1.1[Mn]%≤0.7%，[Mn]%+3[Cr]%≤1.05%。不可避免的杂质的含量均小于等于0.04％，同时不可避免的杂质的总含量小于等于0.18％。
本发明提供的抑制粗晶组织的Al-Mg-Si系铝合金的模锻件的制备方法，包括以下步骤：
一、熔体洁净化处理：将铝锭或电解铝液投入熔炼炉内进行熔化处理，铝液加热温度范围730℃~780℃，按照计算添加量分别添加铝基中间合金和纯金属锭，镁锭以罩笼式压入并浸没至熔体液面以下直至完全熔化，以防止烧损和氧化夹杂物卷入。完成后充分搅拌使铝液成分均匀。熔体温度在720℃~740℃范围内采用颗粒状熔剂和含量99.7%以上的高纯氩气进行1-3次精炼处理，单次精炼时间30~40分钟，精炼完成后熔体扒渣并静置30~60分钟，使熔体内微细夹杂物和不熔杂质颗粒具有充足的时间上浮和下沉。静置完成后铝合金熔体经在线细化、双转子除气以及30PPi/50 PPi或40 PPi/60 PPi双级过滤处理后进行半连续铸造。Al-Ti-B或Al-Ti-C丝类型的合金均可以作为细化剂进行在线细化，在具体的实施例中选择了几种进行应用。双转子除气的气源气体为含量99.7%以上的高纯氩气。
二、半连续铸造：采用冷却迅速、截面形状接近模锻件投影尺寸的近锻形多根热顶型结晶器竖直半连续铸造方式将铸锭制成模锻坯料，铸锭截面积与模锻件投影面积比介于0.85~1.18之间。铸造结晶器采用润滑油腔和冷却水腔独立设计，铸造过程中结晶器对铸锭实施连续在线油润滑和喷水冷却，熔体温度控制在680℃~720℃之间，铸锭中心的冷却速率5℃/s~80℃/s，铸锭表面偏析层和激冷层总厚度小于1.6mm，铸锭外表面光滑，内部组织致密。铸造完成后沿垂直铸造方向将铸锭锯切成厚度为10mm~60mm的层片状坯料供后续模锻成型。
三、多级控速均匀化：为使半连续铸造条件下强制固溶于晶粒内部的过渡族元素均匀弥散析出并且使分布于晶界的共晶强化相充分回溶，层片状锻坯间隔摆放至空气循环炉内，采用慢速升温、多级均质和控速冷却工艺进行均匀化处理。锻坯在室温以 50℃/h～100℃/h的升温速率加热至第一级均质温度300℃～420℃并且保温4～8h，此温度范围为过渡族化合物的弥散析出温度。第二级温度范围为480℃～510℃，升温速率为：150℃/h～300℃/h，保温时间3h～10h。第三级温度范围为540℃～580℃，升温速率为：150℃/h～300℃/h，保温时间5h～15h。第二级和第三级均匀化设定温度均为该合金中Al2Cu相和Mg2Si相的溶解回溶温度，如果合金中Cu含量小于0.1%，第二级温度范围可不做设定。均质处理完成后，锻坯以控制冷却速度为100℃/h～300℃/h之间的方式冷却至室温，均匀化完成后晶粒内过渡族粒子均匀弥散析出，尺寸范围在20～50nm之间。
四、室温或高温模锻成型：均匀化处理后的层片状坯料在室温或加热至320℃～420℃范围内保温2～10小时后进行1～3次模锻变形，模具加热温度：280℃～400℃。为保证模锻件机械性能和疲劳耐久性要求，锻件承力位置金属坯料在X方向或Y方向或Z方向的累积加工变形量大于55%，锻坯***表面偏析层均匀且完全流向本体外侧，模锻后经压余切边处理获得无缺陷锻件，切后毛边的残留量小于2mm。
五、双级固溶和时效：采用双级固溶配合单级或双级时效方式对模锻件进行热处理，以确保模锻件组织和性能要求。为释放锻造变形中累积的应变储能，采用双级固溶处理工艺，控制第一级固溶温度为300℃～470℃，升温速率70℃/h～200℃/h，保温时间2～4h，第一级固溶温度低于该合金的再结晶温度，模锻件在该温度范围下只发生回复过程释放储能，但不发生再结晶。第二级固溶温度为强化相粒子的固溶温度，温度范围为530℃～570℃，升温速率100℃/h～300℃/h，保温时间2～6h，此温度范围内强化相粒子完全固溶至晶粒内部形成单相固溶体。固溶处理后锻件在最大时间不高于30s内置于25℃～80℃的冷却水中淬火处理，并放置2～48h后在温度150℃～260℃保温6h～20h条件下进行单级或双级时效热处理，时效完成后空气冷却。
在本发明实施方法中，铝合金模锻件承力部位截面微观形貌为沿变形流线的纤维变形组织，无粗大晶粒或粗晶组织特征，锻件表面粗晶层厚度≤1mm，屈服强度300～410MPa；抗拉强度350～440MPa；延伸率10～16％，抗疲劳和阳极氧化性能优异，可应用于车辆交通和运输工具铝合金结构件，代替钢制件实现轻量化减重效果。
本发明的有益技术效果：（1）本发明采用的Al-Mg-Si系铝合金，除限定合金中强化元素含量外，也对Fe、Mn、Zr、Cr、Ti、V、Sc等过渡族元素和杂质元素单个含量和总含量进行了限定，以保证这些粒子既不形成有害相并且均质过程中能够析出对粗晶生长起限制作用的足够数量的弥散粒子，从合金设计和选择方面抑制Al-Mg-Si系铝合金锻件的粗晶组织，拓展车辆用铝合金结构件的品种选择范围。（2）本发明半连续铸造采用近锻形截面铸锭，锯切成片层状后经多级控速均匀化工艺后直接制备锻坯，摒弃了传统工序半连铸圆铸锭经均匀化挤压变形后再制备锻坯的方式，能够有效避免传统工艺采用挤压锭进行模锻导致的应变储能高、粗晶组织出现概率高的缺陷，新工艺显著降低了应变储能。（3）本发明对半连续铸锭采用控速多级均匀化处理工艺，能够确保过渡族弥散粒子析出尺寸细小弥散且充分，通过成分控制和析出粒子尺寸控制实现了模锻件的粗晶组织抑制。（4）模锻件热处理采用双级固溶配合时效制度，相比于传统工艺，增加了第一级模锻件发生回复和应力释放处理温度，有效防止了传统工艺中模锻件直接加热至高温固溶温度，内部较高储能激发再结晶并导致异常长大现象，锻件承力强变形部位保留了流线锻造组织特征，因此产品的强韧性高，抗疲劳和阳极氧化性能好。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种抑制粗晶组织的Al-Mg-Si系铝合金，合金包括以下各组分：Mg 0.9％、Si1.0％、Cu 0.19％、Fe 0.21%、Mn 0.11％、Zr 0.001%、 Cr 0.20％、Sc 0.001%、V 0.011%、Ti0.16％以及其他含量小于0.1%未做限定的过渡族元素，余量为Al及不可避免的杂质，除Fe元素外，其他所有过渡族元素的总含量之和控制在0.48%~0.51%之间，并且[Fe]%+1.1[Mn]%≤0.33%，[Mn]%+3[Cr]%≤0.71%，其余不可避免的杂质元素含量均小于0.02％，同时不可避免的杂质元素总含量小于0.09％。
该合金模锻件的制备方法，包括以下步骤：
将称重好的工业纯铝锭投入熔炼炉内进行熔化处理，铝液温度加热至730℃~740℃，按照计算添加量分别往熔体中加入铝基中间合金，为防止金属镁锭添加过程中烧损和氧化，纯金属镁锭以罩笼式压入并浸没至熔体液面以下直至完全熔化。加入完成后充分搅拌使铝液成分均匀。熔体温度在720℃~740℃范围内采用颗粒状无钠精炼剂和纯度为99.7%的高纯氩气对铝合金熔体进行2次精炼处理，每次精炼时间30分钟。精炼完成后熔体扒渣并静置40分钟，使微细夹杂物充分上浮和下沉以洁净化熔体。静置后采用Al-5Ti-1B细化剂，熔体经双转子除气和30PPi/50 PPi双级过滤处理后进行半连续铸造。
采用截面形状接近锻件形状的热顶型结晶器竖直半连续铸造锻坯，铸锭横截面积与最终模锻件投影面积比为1.06，每炉次同水平铸造6根铸锭，进入铸盘前熔体温度690℃~700℃，铸造过程中结晶器对铸锭表面施加连续油润滑和喷水冷却，采用埋入式热电偶检测铸锭中心部位的冷却速率为25℃/s，边部冷却速率最快为270℃/s，锭坯表面偏析层和激冷层总厚度为0.6mm。半连续铸造完成后沿垂直铸造方向锯切成厚度为26mm的层片状坯料。
为保证坯料均质充分并且确保过渡族粒子充分弥散析出，锻坯间隔交错摆放在空气循环炉内并在室温以100℃/h的速率加热至第一级均匀化温度360℃，保温6h后继续以250℃/h的速率加热至第二级均匀化温度490℃，保温3h后以300℃/h的升温速率加热至第三级均匀化温度560℃并保温12h。然后立即以230℃/h的速率冷却至室温，此均匀化过程锭坯中半连续铸造形成于晶界处的Al2Cu相和Mg2Si相回溶充分，晶粒内过渡族元素粒子析出尺寸在20～50nm之间。
在加热状态下对均匀化处理后的层片锻坯进行模锻成型，坯料加热温度390℃，保温3小时，模具加热温度300℃，经2次预锻和终锻模锻变形后至成品。第1次模锻变形，锻坯***周边元素偏析层在压力作用下均匀流至本体外侧，产品承力金属坯料在X方向、Y方向或Z方向的变形量大于20%，模锻完成后坯料从预锻模取出直接进行终锻成型，此阶段锻坯变形量大于40%，锻造飞边全部被挤压至本体外侧，2次模锻后采用切边模对锻件进行切边处理，切后毛边的残留量小于1mm，获得无缺陷锻件。
采用双级固溶配合单级时效制度对锻件进行热处理，固溶过程中锻件从室温以100℃/h的升温速率升高至第一级固溶温度320℃并保温3h，完成后继续以250℃/h的升温速率升高至第二级固溶温度550℃并保温4h，待强化相粒子完全固溶后，在20s内立即快速置于30℃冷却水中淬火处理，并且在48h内将淬火处理后的锻件置于设定为180℃时效炉内处理12h，出炉后空气冷却至室温。
本实施例铝合金模锻件制备完成后，检测锻件截面组织，其承力位置截面组织形貌为沿锻造流线的纤维变形组织，未发现粗晶组织或粗晶组织特征，模锻件加强筋位置选取力学性能测试试样，屈服强度320~350MPa；抗拉强度为380~400MPa；延伸率为11~13％，抗疲劳和表面阳极氧化性能优异。
实施例2
一种消除Al-Mg-Si系铝合金模锻件，合金选择包括以下各组分：Mg 0.8％、Si1.3％、Cu 0.09％、Fe 0.11%、Mn 0.45％、Zr 0.15％、Cr 0.12％、Sc 0.08％、V 0.02％、Ti0.07％以及其他含量小于0.1%未做限定的过渡族元素，余量为Al及不可避免的杂质，除Fe元素外，其他所有过渡族元素的总含量之和控制在0.79%~0.82%之间，并且[Fe]%+1.1[Mn]%≤0.61%，[Mn]%+3[Cr]%≤0.81%，其余不可避免的杂质元素含量均小于0.03％，同时不可避免的杂质元素总含量小于0.12％。
该合金模锻件的制备方法，包括以下步骤：
将称重好的工业纯铝锭投入熔炼炉内进行熔化处理，铝液温度加热至740℃~750℃，按照计算添加量分别往熔体中加入铝基中间合金，纯金属镁锭以罩笼方式压入防止氧化烧损，充分搅拌使铝液成分均匀。熔体温度在730℃采用无钠颗粒精炼剂和纯度为99.8%高纯氩气对铝合金熔体进行3次精炼处理，每次精炼时间为20分钟。精炼完成后扒渣并静置30分钟，使微细夹杂物充分上浮和下沉。静置处理后合金熔体采用Al-3Ti-0.2B丝在线细化，分别经双转子除气和40ppi/60ppi双级过滤后进行半连续铸造。
采用近锻形截面形状的热顶型结晶器半连续铸造锻坯，铸锭横截面积与最终模锻件投影面积比为1.21，每炉次同水平铸造4根铸锭，进入铸盘前熔体温度700℃~705℃，铸造过程中结晶器对铸锭表面施加连续油润滑和喷水冷却，采用埋入式热电偶检测铸锭中心部位的冷却速率50℃/s，边部冷却速率最快为360℃/s，锭坯表面偏析层和激冷层总厚度为1.1mm。半连续铸造完成后沿垂直铸造方向锯切成厚度为23mm的层片状坯料。
采用4个对称布置的热顶型结晶器进行竖直方向半连续铸造，铸造前熔体温度为700℃~710℃，铸锭经结晶器表面油润滑和冷却水激冷后半连续铸造成型，采用浸入式热电偶检测铸锭内部冷却速率，中心部位为45℃/s，冷却位置为260℃/s，铸锭表面偏析层和激冷层总厚度为1.2mm，铸锭截面积与模锻件投影面积比为1.21。半连续铸造完成后锯切成厚度为23mm的层片状坯料。
为保证坯料均质充分同时促进过渡族粒子充分弥散析出，锻坯间隔交错摆放并在空气循环炉内以80℃/h的速率由室温30℃加热至第一级均匀化温度420℃，保温6h后继续以200℃/h的速率加热至第三级均匀化温度565℃并且保温12h。均匀化处理完成后高温锭坯立即以230℃/h的速率冷却至室温，此阶段过程锭坯内Mg2Si相回溶充分，晶粒内过渡族元素粒子析出尺寸在30～50nm之间。
均匀化处理后的层片状坯料在加热状态下模锻成型，坯料加热至400℃，保温3小后进行模锻，模具温度加热330℃，坯料经连续2次模锻变形后至成品，锻件主承力部位X、Y或Z方向的累积变形量大于65%，模锻变形过程中锻件***偏析层完全挤压至本体外侧经切边模完全切除，锻件切后毛边残余量0.8mm。
采用双级固溶工艺配合单级时效制度对锻件进行热处理。固溶处理阶段，锻件以100℃/h的升温速率从室温升高至第一级固溶温度340℃并保温2h，以释放在模锻过程中累积的热变形应变能量。保温后继续以250℃/h的升温速率从340℃升高至第二级固溶温度560℃并保温5h，此阶段强化相粒子固溶至晶内后以便后续时效强化析出。固溶处理后锻件在20s内置于25℃冷却水中淬火，并且在48h内将淬火处理后的锻件置于190℃时效炉内处理10h，出炉后空气冷却至室温。
本实施例铝合金模锻件制备完成后，其锻件承力部位截面经腐蚀检测，未发现粗晶组织和粗大再结晶组织特征，由于含有较高的过渡族元素，截面组织全部为沿锻造流线的纤维组织。选择模锻件截面厚度超过10mm部位进行力学性能测试，屈服强度350~390MPa；抗拉强度为410~430MPa；延伸率为10~12％，抗疲劳和表面阳极氧化性能优异。
实施例3
一种消除Al-Mg-Si系铝合金模锻件粗晶组织，合金选择包括以下各组分：Mg0.8％、Si 0.7％、Cu 0.09％、Fe 0.13%、Mn 0.4％、Zr 0.15％、Cr 0.16％、Sc 0.012%、V0.02％、Ti 0.06％以及其他含量小于0.1%未做限定的过渡族元素，余量为Al及不可避免的杂质，除Fe元素外，其他所有过渡族元素的总含量之和控制在0.85%~0.91%之间，并且[Fe]%+1.1[Mn]%≤0.57%，[Mn]%+3[Cr]%≤0.88%，其余不可避免的杂质元素含量均小于0.02％，同时不可避免的杂质元素总含量小于0.08％。
该合金模锻件的制备方法，包括以下步骤：
按照本实施例成分要求，将电解铝液和铝基中间合金投入熔炼炉内进行熔化，铝液温度控制在750℃~760℃，纯金属镁锭以罩笼方式压入并浸没至熔体液面以下直至完全熔化，熔化完成后充分搅拌使铝液成分均匀。将熔体温度控制在730℃~740℃进行精炼处理，采用颗粒状无钠熔剂和纯度为99.8%的高纯氩气对熔体进行2次精炼处理，每次精炼时间35分钟。精炼完成后熔体扒渣并静置40分钟，使微细夹杂物充分上浮和下沉以洁净化熔体。静置完成后熔体经在线Al-5Ti-0.3C丝细化，分别经双转子除气和30PPi/50 PPi双级过滤后进行半连续铸造。
采用6个对称布置的热顶型结晶器以竖直半连续铸造方式制备锻坯，锻坯横截面面积与最终模锻件投影面积比为1.09，铸造过程中结晶器对铸锭表面施加连续油润滑和喷水冷却，进入铸盘前熔体温度为690℃~710℃，采用埋入式热电偶检测铸锭中心部位的冷却速率为30℃/s，边部冷却速率最快为280℃/s，锭坯表面偏析层和激冷层总厚度为1.3mm。半连续铸造完成后沿垂直铸造方向锯切成厚度为23mm的层片状坯料供模锻成型。
为保证坯料均质充分同时确保过渡族粒子弥散析出，锻坯切片在空气循环炉内间隔摆放并进行控速分级均匀化热处理，锻坯以70℃/h的升温速率由室温加热至第一级均匀化温度390℃并保温6h，然后以200℃/h的升温速率继续加热至第二级均匀化温度460℃保温4h，再以300℃/h的升温速率加热至第三级均匀化温度550℃保温10h，均匀化过程中共晶强化相溶解充分。均匀化完成后锻坯切片立即以260℃/h速率冷却至室温。此阶段过程锻坯内Mg2Si相回溶充分，晶内过渡族元素粒子析出尺寸在30～50nm之间。
均匀化处理完成后的锻坯于热状态下进行模锻变形，将坯料加热至400℃并保温4小时，模具温度加热至330℃，锻坯在热状态下经2次连续模锻成型，锻件承力位置在X方向、Y方向或Z方向的累积变形量为75%，锻造飞边在变形过程中被全部挤压至本体***，采用切边模对成品进行切边处理获得无缺陷锻件，毛边残留量小于1mm。
采用双级固溶工艺配合时效制度完成模锻件热处理工艺。固溶处理阶段，锻件以100℃/h的升温速率由室温加热至第一级固溶温度380℃保温2h，以释放在锻造成型阶段的应变储能，然后继续以250℃/h的升温速率升高至第二级固溶温度555℃并保温5h，固溶处理后锻件在20s内置于冷却水中淬火处理，淬火冷却水温度为25℃。将淬火处理后的锻件于48h内置于200℃条件下保温10h进行时效热处理，时效完成后出炉空冷至室温。
依照本实施例，铝合金模锻件承力部位截面微观形貌为沿变形流线的纤维变形组织，无粗大晶粒和粗晶组织，锻件表面粗晶层厚度0.8mm，屈服强度355～380MPa；抗拉强度390～420MPa；延伸率10～13％，抗疲劳和阳极氧化性能优异，可应用于车辆和运输工具铝合金结构件。
实施例4
一种抑制粗晶组织的Al-Mg-Si系铝合金，合金选择包括以下各组分：Mg 0.5％、Si0.65％、Cu 0.09％、Fe 0.17%、Mn 0.35％、Cr 0.19％、Sc 0.002%、V 0.08%、Ti 0.06％以及其他含量小于0.1%未做限定的过渡族元素，余量为Al及不可避免的杂质，除Fe元素外，其他所有过渡族元素的总含量之和控制在0.59%~0.62%之间，并且[Fe]%+1.1[Mn]%≤0.56%，[Mn]%+3[Cr]%≤0.92%，其余不可避免的杂质元素含量均小于0.02％，同时不可避免的杂质元素总含量小于0.07％。
该合金模锻件的制备方法，包括以下步骤：
将称重好的电解铝液、铝基中间合金和30%比例的回炉料投入熔炼炉内进行熔化处理，铝液温度加热至730℃~740℃，按照计算添加量，纯金属镁锭以罩笼方式压入，充分搅拌使铝液成分均匀。熔体温度在720℃~730℃范围内，采用无钠精炼剂和含量99.7%以上的高纯氩气对铝熔体进行2次精炼处理，每次精炼时间为35分钟。精炼完成后熔体经扒渣并静置处理40分钟，以利于熔体内微细夹杂物和不熔杂质颗粒物具有充足的时间上浮和下沉。采用Al-5Ti-1B丝在线细化熔体，分别经双转子除气和30PPi/50 PPi双级过滤后进行半连续铸造。
采用5个中心对称布置的热顶型结晶器作为合金铸造模盘，应用竖直半连续铸造方式制备模锻坯料。进入铸盘前除气和过滤处理后的熔体温度为695℃~705℃，结晶器分别通过润滑油腔和冷却水腔对铸锭连续施加油润滑和喷水冷却，铸锭截面积与最终模锻件产品投影面积比控制为1.21。采用埋入式热电偶在线检测半连续铸造过程中铸锭中心部位的冷却速率为50℃/s，边部位置的冷却速率为230℃/s，铸锭表面偏析层和激冷层总厚度为1.3mm，铸造完成后将锯切成厚度为21mm的锻坯切片。
采用快速冷却、截面形状接近模锻件投影尺寸的6根同水平热顶半连续铸造方式制备锻坯，铸锭截面积与模锻件投影面积比为0.95。热顶型铸造结晶器采用润滑油腔和冷却水腔独立设计，铸造过程中对铸锭实施在线连续油润滑和喷水冷却。进入铸盘前熔体温度控制在700℃~710℃之间，铸锭中心的冷却速率为45℃/s，铸锭表面偏析层和激冷层总厚度0.8mm，铸锭外表面光滑，内部组织致密。铸造完成后沿垂直铸造方向将铸锭锯切成厚度为20mm的层片状锻造坯料。
锻坯切片在空气循环炉内间隔摆放进行多级控速均匀化处理，锻坯以100℃/h的升温速率由室温以50℃/h的升温速率加热至第一级均质温度420℃并且保温5h，然后以250℃/h的升温速率继续加热至第二级均匀化温度480℃保温4h，再以300℃/h的升温速率加热至第三级均匀化温度560℃保温10h。均匀化处理完成后高温锻坯切片立即以100℃/h速率冷却至室温。均匀化完成后晶粒内过渡族粒子均匀弥散析出，尺寸范围在20～50nm之间。
均匀化后锻坯在室温条件下成型，模具加热温度为330℃，在第1次模锻成型过程中，金属坯料在X方向、Y方向或Z方向的变形量大于15%，坯料***元素偏析层均匀向本体外侧流动，模锻完成后坯料从模内取出直接进行第2次模锻，此阶段坯料在变形热和锻模加热下本体温度提高，且组织结构在第1次模锻中发生了变形细化，整体塑性获得提高。在第2次模锻变形中，模锻件承力位置的变形量大于45%，且不发生开裂。坯料偏析层和锻造飞边在变形过程中全部被挤压至本体外侧，采用切边模对锻件成品进行切边处理，切后毛边的残留量小于1mm。
采用双级固溶工艺配合时效制度实施模锻件热处理工艺。控制锻件的第一级固溶温度为450℃，升温速率80℃/h，保温时间3h，此阶段释放模锻应变储能，然后继续以300℃/h的升温速率加热至第二级固溶温度560℃并保温5h进行固溶处理，然后在20s内将高温锻件置于25℃冷却水中淬火处理。放置48h后将锻件置于190℃条件下时效炉保温8h进行时效处理，出炉后空气冷却至室温。
在本发明实施方法中，铝合金模锻件承力部位截面微观形貌为沿变形流线的纤维组织，无粗大晶粒或粗晶组织特征，锻件表面粗晶层厚度≤0.7mm，屈服强度310～350MPa；抗拉强度370～400MPa；延伸率11～15％，抗疲劳和阳极氧化性能优异。

Claims (5)

1.一种抑制粗晶组织的Al-Mg-Si系铝合金的模锻件的制备方法，其特征在于，Al-Mg-Si系铝合金包括如下质量含量的成分：Mg0.4%-1.5％、Si0.3%-1.5％、Cu0.01%-0.7％、Fe0.01%-0.3％、Mn0.01%-1.0%、Zr0.001%-0.25％、Cr0.01%-0.5％、Sc0.001%-0.25％、V0.01%-0.1％，Ti0.01%-0.25％以及其他含量小于0.1%未做限定的过渡族元素，余量为Al及不可避免的杂质；铝合金中除Fe元素以外的所有过渡族元素总质量含量之和介于0.24%~1.19%之间，并且[Fe]%+1.1[Mn]%≤0.7%，[Mn]%+3[Cr]%≤1.05%；不可避免的杂质的含量均小于等于0.04％，同时不可避免的杂质的总含量小于等于0.18％；
模锻件由以下工艺步骤制得：
一、熔体洁净化处理：将铝锭或电解铝液投入熔炼炉内，按照成分要求的各元素质量分数配置合金，铝锭或电解铝液温度加热至730℃～780℃，合金元素以中间合金方式加入，镁锭以罩笼式压入，完全熔化后熔体温度在720℃～740℃范围内进行1~3次，每次时间为30~40分钟的精炼处理，精炼完成后静置30~60分钟，经在线细化、双转子除气和双级过滤处理后半连续铸造；
二、半连续铸造：采用近锻形多根热顶型结晶器竖直半连续铸造方式将铸锭制备模锻坯料；铸造过程中结晶器对铸锭连续在线施加润滑油和喷水冷却，铸造温度在680℃～720℃之间；铸锭的横截面与模锻件的面积比为0.85~1.18，铸造完成后沿垂直铸造方向锯切成厚度为10mm~60mm的层片状坯料；
三、多级控速均匀化：在空气循环炉内采用分级控速均匀化工艺处理模锻坯料，第一级均匀化处理的温度范围为：300℃～420℃，铸锭由室温25℃至第一级温度的升温速率为：50℃/h～100℃/h，保温时间4h～8h；第二级温度范围为480℃～510℃，升温速率为：150℃/h～300℃/h，保温时间3h~10h；第三级温度范围为540℃～580℃，升温速率为：150℃/h～300℃/h，保温时间5h~15h；多级均匀化完成后，采用控制冷却速度为100℃/h～300℃/h之间的方式将模锻坯料冷却至室温；多级控速均匀化完成后，模锻坯料的晶粒内过渡族粒子析出尺寸在20～50nm之间；
四、室温或高温模锻成型：多级控速均匀化处理后的模锻坯料在室温或加热至320℃～420℃保温2～10小时后经1～3次模锻成型制成锻坯，模具加热温度范围为：280℃～400℃，模锻过程中坯料在X方向或Y方向或Z方向的累积加工变形量大于55%；
五、双级固溶和时效：采用双级固溶配合时效工艺进行强韧化热处理，固溶完成后在30s内将锻件置于25℃～80℃的冷却水中淬火处理，放置2h~48h后在温度范围为150℃～260℃的保温6h～20h条件下进行时效热处理，得到模锻件；双级固溶的工艺为：第一级固溶温度范围为300℃～470℃，升温速率70℃/h～200℃/h，保温时间2～4h，第二级固溶温度范围为530℃～570℃，升温速率100℃/h～300℃/h，保温时间2～6h。
2.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述的模锻件的承力部位组织形貌为沿锻造流线的纤维变形组织特征，表面粗晶层厚度≤1mm，模锻件屈服强度300～410MPa；抗拉强度350～440MPa；延伸率10～16％。
3.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述精炼和双转子除气的气源气体为纯度为99.7%以上的氩气，双级过滤采用30PPi/50 PPi或40 PPi/60 PPi，在线细化采用的细化剂为Al-Ti-B丝或Al-Ti-C丝。
4.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，步骤二中铸锭在喷水冷却时的中心区域冷却速率为5℃/s~80℃/s，表面偏析层和激冷层总厚度小于1.6mm。
5.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，步骤四中，锻坯的表面偏析层在模锻变形中均匀且完全流向锻件本体外侧，模锻切后毛边的残留量小于2mm。
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