一种高强韧铸造铝合金及其制备方法与流程

1.本发明属于金属材料技术领域，涉及一种高强韧铸造铝合金及其制备方法。


背景技术：

2.随着社会的高速发展，人们对交通工具的低排放、轻量化、高效率的要求越来越高。据统计，若汽车自重下降10％，则油耗可下降8％，相应的排放量可下降4％。由此可知，轻量化是节约能源和减少有害气体排放的有效途径，是汽车工业发展的必然趋势，因此世界各大汽车制造商非常注重于高性能轻质金属材料的开发和应用。铝合金材料是当今社会汽车轻量化的首选材料。铝合金具有密度小、流动性好、比强度高、比刚度高、耐腐蚀、抗冲击性能较好等优点，同时还具有再回收、再生性等优良特点，这些优点使得铝合金材料在汽车白车身和底盘等结构件中得到了越来越广泛的应用。
3.汽车结构件常用的铸造铝合金材料为a356铝合金，其牌号为zl101，属于4
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系铝合金，具有流动性好、易铸造的优点，适宜于制造复杂、薄壁及承力要求不严格的零部件，如轮毂、副车架等。但a356铝合金的强韧性不高，在室温条件下a356铝合金的平均屈服强度、断裂强度、延伸率分别为216.64mpa、224mpa、1.086％，致使其应用范围受到较大的限制。因此，对a356铝合金的组分及组分含量进行优化设计，以提升其综合力学性能，对扩大该铝合金的应用范围具有重要的意义。
4.因此，现有的a356铝合金存在着因其强韧性不高从而导致其应用范围受限的技术问题。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本技术采用的技术方案是提供一种高强韧铸造铝合金及其制备方法。
6.本技术实施例提供了一种高强韧铸造铝合金，是由以下百分含量的组分组成的：si：8.5～9.5wt％，mg：0.45～0.55wt％，fe：0～0.15wt％，cu：0～0.1wt％，zn：0～0.1wt％，mn：0～0.1wt％，ti：0.15～0.25wt％，sr：0.01～0.02wt％，c：0.005～0.02wt％，b：0.005～0.02wt％，杂质元素总量小于0.15wt％，以及余量的al。
7.优选的，所述杂质元素为ca、p、cr、ni、pb、sn、be、zr中的任意一种或至少两种的组合。
8.优选的，所述杂质元素中ca的百分含量不超过0.002wt％，p的百分含量不超过0.003wt％，其他杂质元素的百分含量均小于0.05wt％。
9.优选的，所述铝合金的室温抗拉强度为360～380mpa，屈服强度为300～310mpa，伸长率为8～10％。
10.优选的，所述铝合金经过抛丸处理后，其室温抗拉强度为370～380mpa，屈服强度为305～315mpa，伸长率为9～10.5％。
11.上述任一项所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：
12.(1)备料：以alsi9mg合金为母合金，al10sr合金以及al5tibc合金为中间合金，按照百分含量分别称取alsi9mg母合金、al10sr中间合金以及al5tibc中间合金，备用；
13.(2)预热：对alsi9mg母合金、al10sr中间合金以及al5tibc中间合金进行预热处理；
14.(3)熔化浇铸：将预热后的alsi9mg母合金置于熔炉中熔化，然后加入预热后的al10sr中间合金以及al5tibc中间合金，待其全部熔化后搅拌混合均匀，得到熔体，保温并通入氮气干燥，干燥后停止通入氮气，静置处理，然后将熔体倒入金属型模具中进行浇注，得到铸件；
15.(4)热处理：将铸件置于热处理炉中进行固溶处理，然后置于水中进行淬火处理，再将铸件置于时效炉中进行时效处理，得到高强韧铸造铝合金。
16.优选的，步骤(1)中，alsi9mg母合金是由a356铝合金、硅源以及镁源配制而成，所述硅源为纯硅或al-si合金中的任意一种或两种的组合，所述镁源为纯镁或al-mg合金中的任意一种或两种的组合。
17.优选的，步骤(1)中，alsi9mg母合金、al10sr中间合金以及al5tibc中间合金的质量比为1:(0.2％～0.5％):(0.2％～1.0％)。
18.优选的，步骤(2)中，alsi9mg母合金、al10sr中间合金以及al5tibc中间合金的预热温度均为150-200℃；步骤(3)中，熔化温度为730℃，通入氮气干燥的时间为10min，静置处理的时间为10～20min。
19.优选的，步骤(4)中，固溶处理的温度为540℃，时间为5～8h；淬火处理的水温为20～70℃，时间为2min；时效处理的温度为170℃，时间为7～10h。
20.本发明的有益效果是：本发明提供了一种高强韧铸造铝合金及其制备方法，在a356铝合金的基础上添加硅源、镁源、al10sr合金以及al5tibc合金，通过适当提高si、mg的添加量，并添加sr、ti、c、b元素，将fe、cu、zn的添加量控制在较低水平，在保证铝合金的塑性指标的前提下提高了铝合金的强度和韧性；其次，通过控制fe、cu、zn的低添加量以及fe、mn元素的比例，消除板块状的alfesi相，有利于降低热裂倾向，降低受力状态下裂纹的发生率，提高铝合金的耐蚀性和伸长率；此外，通过添加c、b元素可在熔体中形成弥散分布的ti-b-c颗粒，促进基体的非均质形核，细化合金组织，减小组织中二次枝晶间距，显著提升铝合金的力学性能，并有效防止si溶于tial3造成的晶格畸变，避免其对合金组织的细化效果产生影响；本发明通过合理配置元素组分及含量，合理设置预热温度和热处理工艺参数，使得制备的高强韧铸造铝合金具有良好的室温强韧性，其室温抗拉强度为340～360mpa，屈服强度为300～310mpa，伸长率为8～10％，解决了现有的a356铝合金存在的因其强韧性不高从而导致其应用范围受限的技术问题，满足了工业领域的需要。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本技术实施例1的alsi9mg母合金的晶粒图；
23.图2为本技术实施例1制备得到的高强韧铸造铝合金的晶粒图；
24.图3为本技术实施例1的al5tibc中间合金的ti-b-c颗粒分布图；
25.图4为本技术实施例1制备得到的高强韧铸造铝合金的金相组织400倍图。
具体实施方式
26.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
27.本发明提供了一种高强韧铸造铝合金，为了证实本发明效果的可靠性，下面结合实施例1～实施例10对本发明进行说明，并与对比例1～对比例2进行对照，实施例1～实施例10以及对比例1～对比例2的各组分百分含量具体如表1所示，其制备工艺参数具体如表2所示。
28.表1实施例1～实施例10以及对比例1～对比例2的各组分百分含量(单位：wt％)
[0029][0030]
表2实施例1～实施例10以及对比例1～对比例2的制备工艺参数
[0031]
[0032][0033]
本发明还提供了一种按照表1和表2中实施例1～实施例10以及对比例1～对比例2的组分百分含量及工艺参数分别制备高强韧铸造铝合金的方法，包括以下步骤：
[0034]
(1)备料：按照表1中的百分含量分别称取a356铝合金、纯硅、纯镁、al10sr中间合金以及al5tibc中间合金，备用；
[0035]
(2)预热：按照表2中的预热温度，对a356铝合金、纯硅、纯镁、al10sr中间合金以及al5tibc中间合金进行预热处理；
[0036]
(3)熔化浇铸：按照表2中的工艺参数，将预热后的a356铝合金置于熔炉中，升温至730℃进行熔化，然后加入预热后的纯硅、纯镁、al10sr中间合金以及al5tibc中间合金，待其全部熔化后搅拌混合均匀，得到熔体，保温并通入氮气干燥10min，干燥后停止通入氮气，静置处理，然后将熔体倒入金属型模具中进行浇注，得到铸件；
[0037]
(4)热处理：按照表2中的工艺参数，将铸件置于电阻炉中进行固溶处理，然后置于20～70℃的水中进行淬火处理2min，再将铸件置于电阻炉中进行时效处理，最终得到按照表1和表2中实施例1～实施例10以及对比例1～对比例2的组分百分含量及工艺参数分别制备的高强韧铸造铝合金；
[0038]
(5)抛丸处理：对步骤(4)制备的高强韧铸造铝合金的表面进行抛丸处理，得到抛丸后的高强韧铸造铝合金。(实施例1～实施例9以及对比例1不进行抛丸处理)
[0039]
为了便于对比分析，上述实施例1～实施例10以alsi9mg合金为母合金，al10sr合金以及al5tibc合金为中间合金，制备铝合金，其中alsi9mg母合金是由a356铝合金、纯硅以及纯镁配制而成，即a356铝合金提供al、si、mg、fe、cu、zn和mn元素，纯硅提供si元素，纯镁提供mg元素，al10sr中间合金提供al和sr元素，al5tibc中间合金提供al、ti、c和b元素，a356铝合金、al10sr中间合金以及al5tibc中间合金还提供杂质元素。上述对比例1～对比例2以a356铝合金为母合金，al10sr合金以及al5tibc合金为中间合金，制备铝合金。a356铝合金、纯硅、纯镁、al10sr中间合金以及al5tibc中间合金均为常规的市售产品。
[0040]
下面对实施例1～实施例10以及对比例1～对比例2制备的高强韧铸造铝合金分别进行性能测试，测试其抗拉强度、屈服强度以及延伸率。
[0041]
按照gb/t 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》的规定，测定实施例1～实施例10以及对比例1～对比例2制备的高强韧铸造铝合金的抗拉强度、屈服强度以及延伸率，结果如表3所示。
[0042]
表3实施例1～实施例10以及对比例1～对比例2的性能测试结果
[0043]
性能抗拉强度/mpa屈服强度/mpa延伸率/％实施例1376.2306.79.71实施例2371.8308.99.52实施例3365.8304.79.82实施例4368.2304.69.61实施例5369.4305.49.57实施例6368.9308.69.74实施例7370.5304.89.86实施例8372.3307.79.12实施例9371.9309.19.39实施例10379.5311.710.19对比例1279.3229.39.30对比例2281.7240.99.82
[0044]
由表3可知，实施例1～实施例9制备的高强韧铸造铝合金的抗拉强度、屈服强度以及延伸率均高于对比例1制备的铝合金，且实施例10制备的抛丸后的高强韧铸造铝合金的抗拉强度、屈服强度以及延伸率高于对比例2制备的抛丸后的铝合金，由此可知，本技术制备的高强韧铸造铝合金具有优异的力学性能，其室温抗拉强度为360～380mpa，屈服强度为300～310mpa，伸长率为8～10％；此外，实施例10制备的抛丸后的高强韧铸造铝合金的抗拉强度、屈服强度以及延伸率高于实施例1～实施例9制备的高强韧铸造铝合金，这是由于抛丸处理对铝合金表面晶粒的细化作用以及消除应力的结果，经过抛丸处理后，高强韧铸造铝合金的室温抗拉强度为370～380mpa，屈服强度为305～315mpa，伸长率为9～10.5％。
[0045]
对本技术实施例1制备得到的高强韧铸造铝合金的晶粒及金相组织进行测定分析。请参阅图1-2，分别为实施例1的alsi9mg母合金以及制备得到的高强韧铸造铝合金的晶粒图，由图1-2可知，alsi9mg母合金的晶体结构为树枝晶，制备得到的高强韧铸造铝合金的晶体结构为等轴晶，这是因为al5tibc中间合金中的ti、c、b元素会形成弥散分布的ti-b-c颗粒(如图3所示)，ti-b-c颗粒在熔体中仍然呈弥散分布，有利于促进基体的非均质形核，细化合金组织，此外ti-b-c颗粒能有效防止si溶于tial3造成的晶格畸变，保证合金组织的细化效果。请参阅图4，为实施例1制备得到的高强韧铸造铝合金的金相组织400倍图，由图4可知，通过枝晶法测得组织中二次枝晶间距为23μm，由此可知，本技术制备的高强韧铸造铝合金的二次枝晶间距得到明显细化，组织更加均匀，这是由于ti-b-c颗粒的存在减小了组织中的二次枝晶间距，使得组织分布更加均匀。
[0046]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高强韧铸造铝合金，其特征在于，是由以下百分含量的组分组成的：si：8.5～9.5wt％，mg：0.45～0.55wt％，fe：0～0.15wt％，cu：0～0.1wt％，zn：0～0.1wt％，mn：0～0.1wt％，ti：0.15～0.25wt％，sr：0.01～0.02wt％，c：0.005～0.02wt％，b：0.005～0.02wt％，杂质元素总量小于0.15wt％，以及余量的al。2.根据权利要求1所述的一种高强韧铸造铝合金，其特征在于，所述杂质元素为ca、p、cr、ni、pb、sn、be、zr中的任意一种或至少两种的组合。3.根据权利要求2所述的一种高强韧铸造铝合金，其特征在于，所述杂质元素中ca的百分含量不超过0.002wt％，p的百分含量不超过0.003wt％，其他杂质元素的百分含量均小于0.05wt％。4.根据权利要求1所述的一种高强韧铸造铝合金，其特征在于，所述铝合金的室温抗拉强度为360～380mpa，屈服强度为300～310mpa，伸长率为8～10％。5.根据权利要求1所述的一种高强韧铸造铝合金，其特征在于，所述铝合金经过抛丸处理后，其室温抗拉强度为370～380mpa，屈服强度为305～315mpa，伸长率为9～10.5％。6.如权利要求1-5中任一项所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)备料：以alsi9mg合金为母合金，al10sr合金以及al5tibc合金为中间合金，按照百分含量分别称取alsi9mg母合金、al10sr中间合金以及al5tibc中间合金，备用；(2)预热：对alsi9mg母合金、al10sr中间合金以及al5tibc中间合金进行预热处理；(3)熔化浇铸：将预热后的alsi9mg母合金置于熔炉中熔化，然后加入预热后的al10sr中间合金以及al5tibc中间合金，待其全部熔化后搅拌混合均匀，得到熔体，保温并通入氮气干燥，干燥后停止通入氮气，静置处理，然后将熔体倒入金属型模具中进行浇注，得到铸件；(4)热处理：将铸件置于热处理炉中进行固溶处理，然后置于水中进行淬火处理，再将铸件置于时效炉中进行时效处理，得到高强韧铸造铝合金。7.根据权利要求6所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，alsi9mg母合金是由a356铝合金、硅源以及镁源配制而成，所述硅源为纯硅或al-si合金中的任意一种或两种的组合，所述镁源为纯镁或al-mg合金中的任意一种或两种的组合。8.根据权利要求6所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，alsi9mg母合金、al10sr中间合金以及al5tibc中间合金的质量比为1:(0.2％～0.5％):(0.2％～1.0％)。9.根据权利要求6所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，alsi9mg母合金、al10sr中间合金以及al5tibc中间合金的预热温度均为150-200℃；步骤(3)中，熔化温度为730℃，通入氮气干燥的时间为10min，静置处理的时间为10～20min。10.根据权利要求6所述的高强韧铸造铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，固溶处理的温度为540℃，时间为5～8h；淬火处理的水温为20～70℃，时间为2min；时效处理的温度为170℃，时间为7～10h。

技术总结
本发明提供了一种高强韧铸造铝合金，是由以下百分含量的组分组成的：Si：8.5～9.5wt％，Mg：0.45～0.55wt％，Fe：0～0.15wt％，Cu：0～0.1wt％，Zn：0～0.1wt％，Mn：0～0.1wt％，Ti：0.15～0.25wt％，Sr：0.01～0.02wt％，C：0.005～0.02wt％，B：0.005～0.02wt％，杂质元素总量小于0.15wt％，以及余量的Al；本发明还提供了上述高强韧铸造铝合金的制备方法，通过合理配置元素组分及含量，合理设置预热温度和热处理工艺参数，使得制备的高强韧铸造铝合金具有良好的室温强韧性，其室温抗拉强度为340～360MPa，屈服强度为300～310MPa，伸长率为8～10％，解决了现有的A356铝合金存在的因其强韧性不高从而导致其应用范围受限的技术问题，满足了工业领域的需要，属于金属材料技术领域。属于金属材料技术领域。属于金属材料技术领域。


技术研发人员：朱训明 刘旦 王丽 郭春生 段军鹏 孟令涛
受保护的技术使用者：威海万丰镁业科技发展有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/9