CN116479295B - 一种挤压铸造铝合金材料及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料技术领域，公开了一种挤压铸造铝合金材料及其制备工艺，通过制备金属液‑金属液浇注‑热处理的工艺流程，制备出一种缺陷少且高性能的铝合金，该铝合金包括以下原料Fe、Si、Mg、Mn、Sr、Zn、Nd、Al，以及少许杂质，本发明通过改变传统的浇铸制造方法，利用挤压铸造的工艺，提高合金材料的力学性能，操作简单高效省时省力，使用挤压铸造工艺对金属液的利用率极高，毛坯的利用率可以达到九成及以上，能够有效的避免原料的浪费从而造成经济损失，适合大批量的生产，又通过改变浇注工艺，控制金属液充腔速度，避免气体卷入，减少铝合金缺陷，提高铝合金的质量水平。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种挤压铸造铝合金材料及其制备工艺。
背景技术
现如今，伴随着工业化的快速发展，自然资源日益减少，能源紧缺问题更加严重，降低能耗已经成为无数专家学者们夜以继日研究的课题，为了实现从重工业转向轻量化的目标，用轻质合金代替重钢铁，铝合金逐渐进入人们的眼球，目前，轻质化的铝合金已经广泛应用于交通运输，机械制造等领域，铝合金密度低，由于自身的一层氧化膜使之具有耐腐蚀性能，同时它的强度和刚度优异，具有很好的抗冲击能力，铝本身是一种面心立方晶体，具有很好地塑性，在制造产业中，拥有易加工的特性，同时铝作为一种金属，性质稳定不易降解，可再回收利用，实现循环经济的目标，尤其是在汽车领域，铝合金广泛应用于轮毂，活塞，箱体等部件，代替原本的钢铁材料，实现减重的目的以降低能耗。
随着铝合金的使用率越来越高，制备铝合金的工艺也层出不穷，压力铸造是一种在高速高压的作用下，将液态或者半液态金属填入压铸模型腔内，并且使金属液在一定压力下，快速凝固成铸件的一种铸造方法，与普通铸造方法相比，由于其操作简单，且形成的合金组织细密均匀精度高质量好，有很高的材料利用率，力学及加工性能优良，在一众的锻造方法中脱颖而出，公开号为CN114622116A的专利公开了一种铝合金件及其制造工艺，该工艺通过熔融金属液，在模具中浇铸，保温，水淬而成，使用传统浇铸的方法，通过精细化保温设定时间，加强时效析出相的析出强化作用，提高铝合金的力学性能，但是与挤压铸造相比，该方法操作复杂，费时费力，且直接浇铸而成铸件，虽然通过减少锶元素的含量减小熔体吸入气体的含量，抑制气孔的形成，但是锶元素作为一种表面活性元素，且变质有效时间长，能够改变金属间化合物相的行为影响到最终的产品质量。
基于此，本发明提供了一种操作简单、缺陷少、高性能的挤压铸造铝合金材料及其制备工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种挤压铸造铝合金材料及其制备工艺，使用挤压铸造的方法，代替传统浇铸工艺，解决了以下几点技术问题：(1)传统工艺中工序复杂，耗时耗力的问题。(2)普通浇铸工艺，在浇注过程中容易产生气孔或者存在氧化夹杂物影响铸件质量的问题。(3)传统工序中铝合金性能不强的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种挤压铸造铝合金材料，包括以下质量百分比的原料：Fe:0.10-0.15％、S i:8.0％-12.0％、Mg:0.1％-0.5％、Mn:0.4％-0.6％、Sr:50ppm-100ppm、Zn:1.0％-3.0％、Nd:0.05％-0.35％，其余杂质总量小于或等于0.25％，余量为Al；
所述挤压铸造铝合金材料制备工艺包括以下步骤：
(a)制备金属液：对金属原料进行清洗除杂，烘干后加入电阻炉中进行熔炼，控制温度在700-750℃之间，待到炉料全部融化之后，缓慢通入氩气，搅拌5-10mi n，静置8-15min后，除渣处理，加入精炼剂与原料混合反应10-15mi n，随后升温至700-850℃，静置5-10min后撤渣；
(b)金属液浇注挤压铸造：将(a)中制备的金属液浇注到模具腔中，挤压铸造，等到完全凝固，得到压铸件；
(c)热处理：设置热处理炉中升温速度为1-3℃/mi n，将(b)中得到的压铸件转移至炉中，进行固溶处理，固溶处理温度为500-550℃，保温10-18h,进行水淬，时间为10-30s水淬结束后，将压铸件转移至温度为150-180℃的电阻炉中，时效处理，冷却至室温，得到铝合金材料。
进一步地，步骤(a)中，所述氩气流速为7.8-8.5L/mi n；所述精炼剂为六氯乙烷，加入量为金属液重量的0.1％-0.2％。
进一步地，步骤(b)中，所述浇注温度为700-800℃。
进一步地，步骤(b)中，所述金属液浇注采用特殊的反重力式浇注***，具体操作步骤为：将金属液置于坩埚中，通过升液管与模具腔相连，升液管顶部与模具腔底部之间为阀门A,箱体顶部为阀门B,浇注初期，阀门A、B均打开，记录此时金属液液面上升高度,关闭阀门A,打开抽气装置连接阀门B，等到模具腔内压强为P时，打开阀门A，减小阀门B开度，控制金属液缓慢注入，每隔2mi n采集金属液液面上升高度X,至金属液充满模具腔后停止采集，将采集到的金属液液面上升高度X与预设值Y进行比较，当X>Y时，降低阀门A的开度；当X＝Y时，不做任何处理；当X<Y时，则增大阀门A的开度；金属液充满模具腔后再使用液压机对其进行挤压铸造，初始挤压速度为0.015-0.020m/s,压力为30-40MPa,保压15-20s,再增大挤压速度，压力为65-75MPa，保压时间为16-18s,待金属液凝固完全，得到压铸件。
通过上述技术方案，利用升液管与模具腔之间连接，在模具腔与升液管之间的压强差在一定范围内之后，坩埚内的金属液就反重力开始上升，金属液进入模具腔，通过控制阀门B控制模具腔内压强处于一个较平稳的状态，同时将金属液液面上升的高度与预设值进行比较，控制模具腔内金属液的注入速度处在一个平缓的状态，从而减少气孔的产生，等到金属液充满型腔，使用液压机进行挤压铸造，控制液压机压铸速度，得到质地紧密的铝合金压铸件。
进一步地，所述模具腔的预热温度为230-240℃。
进一步地，所述增大挤压速度至0.3-0.5m/s。
进一步地，步骤(c)中，所述水淬温度降到20-30℃时转移压铸件。
进一步地，步骤(c)中，所述时效处理时间为5-8h。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过挤压铸造的方法，增大铝合金的力学强度，由于制造出来的压铸件的精确度很高，生产出来的铝合金的不需要再进行金属切割，只需要少量的机械加工就可以进行装配使用，材料的利用率极高，可以有效的避免原料的浪费，生产过程中金属液充腔速度快，时间短，操作简单，更能提高生产效率，能够节约人工与时间的成本。
(2)本发明通过采用特殊的反重力式浇注***，通过模具腔与升液管内的压强差，利用大气压将金属液引入模具腔中，可以有效的避免传统注液方式中，金属液对模具腔底部冲击导致金属液飞溅，造成局部过热，铸件部分缩孔以及金属液表面氧化的问题，同时利用金属液液面上升的高度作为参数，与预设值相比，进而及时对阀门的开合度进行调整，保证金属液充腔速度处在一个平稳的水平，增加工艺过程中的可控性，方便在发现错误时做出调整，减少气孔以及金属氧化物的产生，进一步提高铸件的紧密性以及力学性能。减少铸件缺陷，提高铸件的成功率。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明反重力浇注***结构示意图。
附图标记：1、抽气装置；2、阀门B；3、模具腔；4、阀门A；5、升液管；6、坩埚。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种挤压铸造铝合金材料，包括以下质量百分比原料：Fe:0.10％、S i:8.0％、Mg:0.1％、Mn:0.4％、Sr:50ppm、Zn:1.0％、Nd:0.05％，其余杂质总量小于或等于0.25％，余量为A l,该种挤压铸造铝合金的制备工艺包括以下步骤：
(a)制备金属液：对金属原料进行清洗除杂，烘干后加入电阻炉中进行熔炼，控制温度在700℃，待到炉料全部融化之后，缓慢通入氩气，搅拌5mi n，静置8mi n后，除渣处理，将按照金属液重量的0.1％的六氯乙烷与原料混合反应10mi n，随后升温至750℃，静置5min后撤渣。
(b)金属液浇注挤压铸造：如图1所示，将(a)中制备的金属液置于坩埚6中，通过升液管5与模具腔3相连，升液管5顶部与模具腔3底部之间为阀门A4,箱体顶部为阀门B2,浇注初期，阀门A4、B2均打开，记录此时金属液液面上升高度,关闭阀门A4,打开抽气装置1连接阀门B2，等到模具腔3内压强为P时，打开阀门A4，减小阀门B2开度，控制金属液缓慢注入，每隔2mi n采集金属液液面上升高度X,至金属液充满模具腔3后停止采集，将采集到的金属液液面上升高度X与预设值Y进行比较，当X>Y时，降低阀门A4的开度；当X＝Y时，不做任何处理；当X<Y时，则增大阀门A4的开度，金属液充满模具腔3后，再使用液压机对其进行挤压铸造，初始挤压速度为0.015m/s,压力为30MPa,保压15s,再增大挤压速度至0.3m/s，压力为65MPa，保压时间为16s,待金属液凝固完全，得到压铸件。
(c)热处理：设置热处理炉中升温速度为1℃/mi n，将(b)中得到的压铸件转移至炉中，进行固溶处理，固溶处理温度为500℃，保温10h,进行水淬，时间为10s水淬结束后，将压铸件转移至温度为150℃的电阻炉中，人工时效处理5h后，冷却至室温，得到铝合金材料。
实施例2
一种挤压铸造铝合金材料，包括以下质量百分比原料：Fe:0.13％、S i:10.0％、Mg:0.3％、Mn:0.5％、Sr:70ppm、Zn:2.0％、Nd:0.15％，其余杂质总量小于或等于0.25％，余量为A l,该种挤压铸造铝合金的制备工艺包括以下步骤：
(a)制备金属液：对金属原料进行清洗除杂，烘干后加入电阻炉中进行熔炼，控制温度在730℃，待到炉料全部融化之后，缓慢通入氩气，搅拌8mi n，静置12mi n后，除渣处理，将按照金属液重量的0.15％的六氯乙烷与原料混合反应13mi n，随后升温至760℃，静置5mi n后撤渣。
(b)金属液浇注挤压铸造：如图1所示，将(a)中制备的金属液置于坩埚6中，通过升液管5与模具腔3相连，升液管5顶部与模具腔3底部之间为阀门A4,箱体顶部为阀门B2,浇注初期，阀门A4、B2均打开，记录此时金属液液面上升高度,关闭阀门A4,打开抽气装置1连接阀门B2，等到模具腔3内压强为P时，打开阀门A4，减小阀门B2开度，控制金属液缓慢注入，每隔2mi n采集金属液液面上升高度X,至金属液充满模具腔3后停止采集，将采集到的金属液液面上升高度X与预设值Y进行比较，当X>Y时，降低阀门A4的开度；当X＝Y时，不做任何处理；当X<Y时，则增大阀门A4的开度，金属液充满模具腔3后，再使用液压机对其进行挤压铸造，初始挤压速度为0.018m/s,压力为35MPa,保压18s,再增大挤压速度至0.4m/s，压力为70MPa，保压时间为17s,待金属液凝固完全，得到压铸件。
(c)热处理：设置热处理炉中升温速度为2℃/mi n，将(b)中得到的压铸件转移至炉中，进行固溶处理，固溶处理温度为520℃，保温15h,进行水淬，时间为20s水淬结束后，将压铸件转移至温度为160℃的电阻炉中，人工时效处理6h后，冷却至室温，得到铝合金材料。
实施例3
一种挤压铸造铝合金材料，包括以下质量百分比原料：Fe:0.15％、S i:12.0％、Mg:0.5％、Mn:0.6％、Sr:100ppm、Zn:3.0％、Nd:0.35％，其余杂质总量小于或等于0.25％，余量为A l,该种挤压铸造铝合金的制备工艺包括以下步骤：
(a)制备金属液：对金属原料进行清洗除杂，烘干后加入电阻炉中进行熔炼，控制温度在750℃，待到炉料全部融化之后，缓慢通入氩气，搅拌10mi n，静置15mi n后，除渣处理，将按照金属液重量的0.2％的六氯乙烷与原料混合反应15mi n，随后升温至800℃，静置10mi n后撤渣。
(b)金属液浇注挤压铸造：如图1所示，将(a)中制备的金属液置于坩埚6中，通过升液管5与模具腔3相连，升液管5顶部与模具腔3底部之间为阀门A4,箱体顶部为阀门B2,浇注初期，阀门A4、B2均打开，记录此时金属液液面上升高度,关闭阀门A4,打开抽气装置1连接阀门B2，等到模具腔3内压强为P时，打开阀门A4，减小阀门B2开度，控制金属液缓慢注入，每隔2mi n采集金属液液面上升高度X,至金属液充满模具腔3后停止采集，将采集到的金属液液面上升高度X与预设值Y进行比较，当X>Y时，降低阀门A4的开度；当X＝Y时，不做任何处理；当X<Y时，则增大阀门A4的开度，金属液充满模具腔3后，再使用液压机对其进行挤压铸造，初始挤压速度为0.02m/s,压力为40MPa,保压20s,再增大挤压速度至0.5m/s。，压力为75MPa，保压时间为18s,待金属液凝固完全，得到压铸件。
(c)热处理：设置热处理炉中升温速度为3℃/mi n，将(b)中得到的压铸件转移至炉中，进行固溶处理，固溶处理温度为550℃，保温18h,进行水淬，时间为30s水淬结束后，将压铸件转移至温度为180℃的电阻炉中，人工时效处理8h后，冷却至室温，得到铝合金材料。
对比例1
一种挤压铸造铝合金材料，包括以下质量百分比原料：Fe:0.10％、S i:8.0％、Mg:0.1％、Mn:0.4％、Sr:50ppm、Zn:1.0％、Nd:0.05％，其余杂质总量小于或等于0.25％，余量为A l,该种挤压铸造铝合金的制备工艺包括以下步骤：
(a)制备金属液：对金属原料进行清洗除杂，烘干后加入电阻炉中进行熔炼，控制温度在700℃，待到炉料全部融化之后，缓慢通入氩气，搅拌5mi n，静置8mi n后，除渣处理，将按照金属液重量的0.1％的六氯乙烷与原料混合反应10mi n，随后升温至750℃，静置5min后撤渣。
(b)金属液浇注挤压铸造：将步骤(a)中的金属液置于坩埚中，从上往下直接注入模具腔，待充满模具腔后，再使用液压机对其进行挤压铸造，初始挤压速度为0.015m/s,压力为30MPa,保压15s,再增大挤压速度至0.3m/s，压力为65MPa，保压时间为16s,待金属液凝固完全，得到压铸件。
(c)热处理：设置热处理炉中升温速度为1℃/mi n，将(b)中得到的压铸件转移至炉中，进行固溶处理，固溶处理温度为500℃，保温10h,进行水淬，时间为10s水淬结束后，将压铸件转移至温度为150℃的电阻炉中，人工时效处理5h后，冷却至室温，得到铝合金材料。
性能检测
将本发明实施例1-实施例3以及对比例1制备出的铝合金材料，分别截取尺寸为20×10mm的块状试样，使用E45.105电子万能试验机对试样进行抗拉强度、屈服强度、延伸率进行测试，测试结果见下表:
| 屈服强度/MPa | 抗拉伸强度/MPa | 延伸率/％ | |
| 实施例1 | 414 | 423 | 12.6 |
| 实施例2 | 421 | 432 | 13.1 |
| 实施例3 | 419 | 425 | 12.7 |
| 对比例1 | 375 | 389 | 8.5 |
由上表数据可知，实施例1-实施例3制备出来的铝合金材料，在屈服强度以及抗拉伸性能等方面均处于较高水平，而对比例1中制备出来的铝合金材料，明显在屈服强度、拉伸强度、延伸率几个方面性能有所降低，事实证明，通过本发明制备出来的铝合金，力学性能更加优异，且质量高缺陷少，具有广阔的应用前景。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种挤压铸造铝合金材料，其特征在于，包括以下质量百分比的原料：Fe:0.10％-0.15％、Si:8.0％-12.0％、Mg:0.1％-0.5％、Mn:0.4％-0.6％、Sr:50ppm-100ppm、Zn:1.0％-3.0％、Nd:0.05％-0.35％，其余杂质总量小于或等于0.25％，余量为Al；
所述挤压铸造铝合金材料制备工艺包括以下步骤：
(a)制备金属液：对金属原料进行清洗除杂，烘干后加入电阻炉中进行熔炼，控制温度在700-750℃之间，待到炉料全部融化之后，缓慢通入氩气，搅拌5-10min，静置8-15min后，除渣处理，加入精炼剂与原料混合反应10-15min，随后升温至700-850℃，静置5-10min后撤渣；
(b)金属液浇注挤压铸造：将(a)中制备的金属液浇注到模具腔中，挤压铸造，等到完全凝固，得到压铸件；
所述金属液浇注采用特殊的反重力式浇注***，具体操作步骤为：将金属液置于坩埚中，通过升液管与模具腔相连，升液管顶部与模具腔底部之间为阀门A,箱体顶部为阀门B,浇注初期，阀门A、B均打开，记录此时金属液液面上升高度,关闭阀门A,打开抽气装置连接阀门B，等到模具腔内压强为P时，打开阀门A，减小阀门B开度，控制金属液缓慢注入，每隔2min采集金属液液面上升高度X,至金属液充满模具腔后停止采集，将采集到的金属液液面上升高度X与预设值Y进行比较，当X>Y时，降低阀门A的开度；当X＝Y时，不做任何处理；当X<Y时，则增大阀门A的开度；金属液充满模具腔后再使用液压机对其进行挤压铸造，初始挤压速度为0.015-0.020m/s,压力为30-40MPa,保压15-20s,再增大挤压速度，压力为65-75MPa，保压时间为16-18s,待金属液凝固完全，得到压铸件；
(c)热处理：设置热处理炉中升温速度为1-3℃/min，将(b)中得到的压铸件转移至炉中，进行固溶处理，固溶处理温度为500-550℃，保温10-18h,进行水淬，时间为10-30s水淬结束后，将压铸件转移至温度为150-180℃的电阻炉中，时效处理，冷却至室温，得到铝合金材料。
2.根据权利要求1所述的一种挤压铸造铝合金材料，其特征在于，步骤(a)中，所述氩气流速为7.8-8.5L/min；所述精炼剂为六氯乙烷，加入量为金属液重量的0.1％-0.2％。
3.根据权利要求1所述的一种挤压铸造铝合金材料，其特征在于，步骤(b)中，所述浇注温度为700-800℃。
4.根据权利要求1所述的一种挤压铸造铝合金材料，其特征在于，所述模具腔的预热温度为230-240℃。
5.根据权利要求1所述的一种挤压铸造铝合金材料，其特征在于，所述增大挤压速度至0.3-0.5m/s。
6.根据权利要求1所述的一种挤压铸造铝合金材料，其特征在于，步骤(c)中，所述水淬温度降到20-30℃时转移压铸件。
7.根据权利要求1所述的一种挤压铸造铝合金材料，其特征在于，步骤(c)中，所述时效处理时间为5-8h。
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