CN111945040A - 一种Al-Si-Cu-Mg-Zr铝合金及其短流程热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Al‑Si‑Cu‑Mg‑Zr铝合金及其短流程热处理工艺，其中Al‑Si‑Cu‑Mg‑Zr铝合金的元素组成按质量百分比构成如下：Si：6.80～7.00％，Cu：0.65～0.75％，Mg：0.33～0.35％，Zr：0.12～0.18％，Ti：0.12～0.16％，Sr：0.012～0.014％，除上述标明的元素成分外，其余金属及非金属杂质元素的总含量不超过0.3％，余量为Al。本发明的铝合金配备所发明的装炉温度进行固溶处理，可以在提高该合金的力学性能的同时缩短热处理时间，该合金可用于制造汽车底盘副车架，大幅度减轻汽车自重。
Description
技术领域
本发明属于金属材料及制备技术领域，具体涉及一种Al-Si-Cu-Mg-Zr铝合金及其短流程热处理工艺。
背景技术
近年来，高强、轻质的铝合金越来越成为工业领域、特别是汽车行业的重点研究对象。而亚共晶Al-Si合金，是最常见的一种铸造铝合金，由于其Si含量较高，使其具有很好的流动性，铸造性能较好。但是，常规的Al-Si合金不能进行热处理强化，这限制了其力学性能的进一步提高。
通常，通过添加微量的Mg元素以达到可以热处理强化的目的。其次，由于Si含量较高，在铸造过程中会产生长针状的共晶硅，严重影响的合金的力学性能，且Mg元素与Si元素在热处理过程中会析出Mg2Si强化相，这是一种硬脆强化相，可以有限的提高合金的强度，但是严重损害合金的塑韧性，需要添加能够达到晶粒细化的合金元素并配备合适的热处理工艺，以提高合金的综合力学性能；最后，合金在热处理时，通常是在常温下随炉升温或者到温装炉进行热处理，而铝合金中常含有多种合金元素，不同的合金元素在铝合金中的固溶度随温度变化差异很大，随炉升温过程中，试样整体温度上升缓慢，导致固溶效率较低，从而需要延长保温时间以达到合金元素固溶的均匀化，特别是对于较大的试样或者合金元素含量高的试样，这种现象就会更加明显，要达到合金元素固溶的完全充分与均匀，就需要更长的保温时间；如果采用到温装炉的热处理工艺，那么在固溶过程中就需要更长的保温时间以达到合金元素的溶入与均匀化，并且，不利于一些强化相的形成。
发明内容
本发明是为了避免上述合金成分及固溶工艺所存在的不足之处，在传统含有Mg、Ti等元素的Al-Si合金的基础上，提供一种新型的添加微量Cu、Zr元素的Al-Si-Cu-Mg-Zr铝合金及其短流程热处理工艺。
本发明Al-Si-Cu-Mg-Zr铝合金，其元素组成按质量百分比构成如下：
Si：6.80～7.00％，Cu：0.65～0.75％，Mg：0.33～0.35％，Zr：0.12～0.18％，Ti：0.12～0.16％，Sr：0.012～0.014％，除上述标明的元素成分外，其余金属及非金属杂质元素的总含量不超过0.3％，余量为Al。
本发明Al-Si-Cu-Mg-Zr铝合金的短流程热处理工艺，依次经过配料、下料、熔炼、浇注成型等工艺过程，具体包括如下步骤：
步骤1：制备合金铸锭
1a、配料：按照配比量称取Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ti中间合金以及纯度为99.9％的工业纯铝，完成配料；
1b、按照九水硅酸钠(5％)+氧化锌(15％)+水(余量)的配比配置涂料，将涂料均匀的涂在石墨黏土坩埚、熔炼工具和模具上，并在320℃预热；
1c、熔化：先将Al-Si中间合金加入随炉预热至320℃的坩埚底部，随后加入工业纯铝，然后随炉升温至720℃，静置并保温60-70min；然后向已熔化的合金熔液中依次加入Al-Cu中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Sr中间合金，待合金全部熔化后，静置并保温10min；
1d、精炼：用扒渣勺将合金熔液表层浮渣快速除去，撇渣后加入C2Cl6(占总质量的1％)精炼除气，静置保温15min，除渣；
1e、浇注：除渣后将合金熔液保温10min，浇注到在280℃预热的金属模具中，得到合金铸锭；
步骤2：固溶处理
将步骤1得到的合金铸锭在350～370℃的炉温下入炉、随炉升温至535℃进行固溶处理，保温时间为120min，随后在60～80℃温水中淬火处理15s，淬火处理时间小于10s。
步骤3：时效处理
将步骤2中固溶处理后的试样在170℃下时效处理180min。
本发明方法的设计依据是：
常用的铸造铝合金通常是通过添加微量合金元素以及控制热处理工艺以达到强化的目的。而对于添加合金元素来说，Cu作为一种强烈的时效强化元素，添加量很少时，即可达到很好的强化效果，显著提高合金的强硬度，但稍微降低合金的塑性，而Zr元素是铝合金中常见的一种晶粒细化元素，微量添加可以在提高合金强化的同时，改善合金的塑性，添加量一般在0.1％～0.2％，如果添加过多，将会产生Zr的毒化作用。而Cu元素添加量若达到0.8％以上，显著提高合金的强度，但是合金塑性极差，导致合金不能正常使用，但是，如果添加量在0.6％以下，由于其在铝中的固溶度很大，将很难形成Al2Cu强化相，Cu元素的添加就只会产生固溶强化，达不到第二相强化的效果，严重降低Cu元素的强化作用。因此，0.65～0.75％的Cu以及0.12％～0.18～Zr元素的复合添加，可以使合金在热处理后同时存在体积分数约为4:1的Al2Cu、Al3Zr强化相，且Al2Cu、Al3Zr粒子的尺寸分别为600nm、200nm，Al2Cu粒子尺寸比只添加Cu元素而形成的Al2Cu粒子(800～1000nm)更小，说明Al3Zr粒子对Al2Cu粒子起到一定的细化作用，一方面，Al2Cu可以显著提高合金的强度，另一方面，Al3Zr可以作为第二相形核质点，起到细化晶粒的作用，改善合金的塑性，提高合金的综合性能。
Cu元素在铝合金中有很大的固溶度，且其固溶度随温度的变化极其敏感，在350℃时，其极限固溶度就可以达到0.5％；此温度下，Zr元素的固溶度则极低，可以忽略不计。因此，对于Cu、Zr复合添加的铝合金，在固溶处理时的装炉温度会对固溶处理的效果有很大的影响(特别是对工业上大型零部件的固溶处理)。铝合金固溶处理温度较高，一般为540℃左右，如果随炉进行升温，需要数小时的加热升温时间。随炉升温过程中，试样整体温度缓慢上升，热处理时间长，效率低。如果试样在350～370℃的炉温下装炉，那么，此时试样表面的温度与炉温将有300℃以上的温差，由于炉温也会继续升高，则试样表层的温度将很快达到350℃以上，试样表层的Cu元素将会固溶到表层的铝基体中，随后，从试样表层到心部，Cu元素将会逐渐固溶到基体中。此时，由于Zr元素在此温度下的极限固溶度很小，仍无法固溶到基体中，在后续缓慢的升温中，微量的Zr元素才会缓慢的固溶到基体中。Cu元素前期升温过程基本就可以固溶到基体中，这样就可以减少后续固溶处理保温时间。由于到达固溶保温温度所需时间较之从室温开始的随炉升温所需时间短很多，以及保温时采用了短时间保温的方案，虽然Cu已溶入基体并均匀分布，但Zr溶入基体较少，仍主要以Al3Zr的形式弥散分布于基体中，从而提高合金的性能；如果采用到温入炉的方式，Cu元素的溶入和均匀化需要较长的保温时间，Zr溶入较多，不利于上述组织的形成。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明了添加Cu、Zr等合金元素的Al-Si-Cu-Mg-Zr铝合金，其中，Cu的含量为0.65～0.75％，Zr的含量为0.12～0.18％，既不会因Cu、Zr元素的添加量过高而使合金塑性较差或产生毒化作用，也不会因Cu含量较少而减弱Cu的第二相强化作用。复合添加Cu、Zr元素，热处理后析出Al2Cu、Al3Zr等强化相，一方面，Al2Cu可以显著提高合金的强度，另一方面，Al3Zr可以作为第二相形核质点，起到细化晶粒的作用，提高合金的综合性能。
2、本发明的合金在350～370℃的装炉温度下装炉进行固溶处理，Cu元素前期升温过程基本就可以固溶到基体中，可以减少后续固溶处理保温时间，由于保温时间较短，虽然Cu已溶入基体并均匀分布，但Zr溶入基体较少，仍主要以Al3Zr的形式弥散分布于基体中，从而提高合金的性能。常规热处理后该合金的抗拉强度为280MPa，延伸率为7％，而本发明的热处理工艺下，该合金的抗拉强度最高可达305MPa，并保持8.5％的延伸率，具有优良的综合力学性能。
3、本发明铝合金的短流程热处理工艺，通过在350～370℃的装炉温度下进行固溶处理，使得不同的合金元素分步固溶到基体中，最终达到完全固溶，缩短固溶处理保温时间，以保证合金的综合性能的同时达到节约能源的效果。一般随炉升温的固溶处理保温时间为180min以上才能达到合金元素均匀固溶到基体中，而本发明的固溶工艺只需保温120min就可以达到均匀化，可以缩短固溶时间60min以上。
具体实施方式
本实施例中Al-Si-Cu-Mg-Zr铝合金的元素组成按质量百分比构成如下：
Si：6.80～7.00％，Cu：0.65～0.75％，Mg：0.33～0.35％，Zr：0.12～0.18％，Ti：0.12～0.16％，Sr：0.012～0.014％，除上述标明的元素成分外，其余金属及非金属杂质元素的总含量不超过0.3％，余量为Al。
各实施例中铝合金的元素组成见下表1：
表1各实施例的合金成分及热处理工艺
实施例1：
本实施例按如下步骤制备合金试样：
1、制备合金铸锭
(1)配料计算：按照Al 91.98％、Si 6.8％、Cu 0.65％、Mg 0.33％、Zr 0.12％、Ti0.12％、Sr 0.012％的质量百分比称取工业纯铝、Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Zr中间合金完成配料；
(2)按照九水硅酸钠(5％)+氧化锌(15％)+水(余量)的配比配置涂料，将涂料均匀的涂在石墨黏土坩埚、熔炼工具和模具上，并在320℃预热；
(3)熔化：先将Al-Si中间合金加入随炉预热320℃的坩埚底部，随后加入工业纯铝，然后随炉升温至720℃，待合金全部熔化后，静置并保温20-30min；然后向已熔化的合金熔液中依次加入Al-Cu中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Sr中间合金，待合金全部熔化后，静置并保温10min。
(4)精炼：用扒渣勺将熔液表层浮渣快速除去，撇渣后加入C2Cl6(占总质量的1％)精炼除气，静置保温20min，除渣；
(5)浇注：除渣后将铝液保温10min，浇注到在280℃预热的金属模具中，得到铸锭；
2、将步骤1中所得到的铸态合金在350℃的炉温下升温至535℃进行固溶处理，保温时间为120min，随后在60～80℃温水中淬火处理15s，淬火处理时间小于10s。
3、将步骤2中固溶处理后的试样在170℃下时效处理180min。
实施例2：
本实施例的制备过程参见实施例1，不同之处在于合金成分以及热处理工艺，具体见表1，即得到合金试样。
实施例3：
本实施例的制备过程参见实施例1，不同之处在于合金成分以及热处理工艺，具体见表1，即得到合金试样。
实施例4：
本实施例的制备过程参见实施例1，不同之处在于合金成分以及热处理工艺，具体见表1，即得到合金试样。
实施例5：
本实施例的制备过程参见实施例1，不同之处在于合金成分以及热处理工艺，具体见表1，即得到合金试样。
实施例1中，Si的质量百分比为6.80％，可以保证具有相对较高的流动性，铸造性能较好；0.33％Mg可以与Si形成Mg2Si等强化相，保证合金具有一定的强度，同时，0.65％的Cu的添加可以在固溶时效后形成大量的Al2Cu强化相，0.12％的Ti和0.12％的Zr可以形成Al3Ti、Al3Zr、以及Al3(Ti、Zr)等强化相，起到细化晶粒、改善组织的作用，保证合金具有较高的强度和一定的塑韧性。此外，铸态合金试样350℃的炉温下升温至535℃进行固溶处理120min，随着试样温度升高，Cu元素首先从外向里固溶到基体中，随后试样温度继续升高，Zr元素才会逐渐固溶到基体中，这样Cu、Zr两种合金元素先后固溶到基体中，可以缩短后续保温时间。对经过热处理后的合金试样在型号为CMT-5105电子万能实验机上进行拉伸试验，拉伸速率为2mm/min，试验结果取三次独立测量的平均值，所得到的试样的力学性能指标为：抗拉强度为292Mpa、延伸率为8.1％。
实施例2中，Si的含量为6.8％，其铸造性能可以得到保证。与实施例1相比，Cu、Zr的含量均有所提高，Cu、Zr元素含量的提高，使得合金能够形成更多的强化相，合金的力学性能也进一步提高；并且，合金试样在360℃的炉温下装炉进行热处理，Cu、Zr元素先后固溶到基体中，随后在170℃时效处理180min后，合金元素的强化效果也会得到提升。所得到的热处理后的试样的力学性能指标为：抗拉强度为296MPa，延伸率为8.2％。
实施例3中，Si的含量仍为7.00％，与实施例1相比，Cu的含量提高15.4％，Zr的含量提高25％，Cu、Zr含量的增加更有利于合金在热处理后产生更多的Al3Zr等强化相。经熔炼铸造后的合金铸件在370℃的炉温下装炉进行固溶处理，此时，试样表面与炉温的温差就可以使试样表面的Cu元素首先开始固溶到铝基体中，从而从外向里逐渐达到固溶处理的效果，在Cu元素固溶的同时，表面的Cu元素随即就可以开始均匀化，固溶保温时间时，Cu元素几乎已经全部固溶，只有微量Zr元素以及其他合金元素产生固溶，这样就有效的减少了固溶的保温时间。随后合金试样经人工时效处理后，其时效析出相弥散度明显提高，时效硬化效果提高，保证了合金具有较好的强度和延伸率。热处理后合金试样的抗拉强度为305MPa，延伸率为8.5％，与前两组实施例相比0.18％Zr元素的添加可以提升合金的综合性能，并且配上合适的装炉温度，可以缩短热处理时间，起到节约能源的目的。
实施例4中，各种合金元素的含量与实施例2保持一致，但是其入炉温度为360℃，与实施例1保持一致，从合金成分来说，合金具有良好的铸造性能，在360℃的炉温下入炉，随炉升温至535℃进行固溶处理，合金在热处理后，可以析出较多的Al2Cu、Al3Zr等强化相，，进一步提高合金的性能。热处理后合金试样的抗拉强度为298MPa，延伸率为8.2％。
实施例5中，合金成分与实施例3保持一致，合金入炉温度与实施例1保持一致，为350℃入炉，随炉升温至535℃进行固溶处理。合金经过535℃固溶处理120min，随后在170℃下人工时效180min后，其抗拉强度为300MPa，延伸率为8.3％，与各实施例相比，对于本发明的铝合金，在本发明的入炉温度下装炉进行热处理，其力学性较为稳定，并且综合力学性能较高。
Claims (5)
1.一种Al-Si-Cu-Mg-Zr铝合金，其特征在于其元素组成按质量百分比构成如下：
Si：6.80～7.00％，Cu：0.65～0.75％，Mg：0.33～0.35％，Zr：0.12～0.18％，Ti：0.12～0.16％，Sr：0.012～0.014％，除上述标明的元素成分外，其余金属及非金属杂质元素的总含量不超过0.3％，余量为Al。
2.一种权利要求1所述的Al-Si-Cu-Mg-Zr铝合金的短流程热处理工艺，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：制备合金铸锭
1a、配料：按照配比量称取Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ti中间合金以及纯度为99.9％的工业纯铝，完成配料；
1b、将涂料均匀的涂在石墨黏土坩埚、熔炼工具和模具上，并在320℃预热；
1c、熔化：先将Al-Si中间合金加入随炉预热至320℃的坩埚底部，随后加入工业纯铝，然后随炉升温至720℃，静置并保温60-70min；然后向已熔化的合金熔液中依次加入Al-Cu中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Sr中间合金，待合金全部熔化后，静置并保温10min；
1d、精炼：用扒渣勺将合金熔液表层浮渣快速除去，撇渣后加入C2Cl6精炼除气，静置保温15min，除渣；
1e、浇注：除渣后将合金熔液保温10min，浇注到在280℃预热的金属模具中，得到合金铸锭；
步骤2：固溶处理
将步骤1得到的合金铸锭在350～370℃的炉温下入炉，进行固溶处理；
步骤3：时效处理
将步骤2中固溶处理后的试样进行时效处理。
3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于：
步骤1b中，所述涂料由九水硅酸钠、氧化锌和水复配构成。
4.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于：
步骤2中，所述固溶处理是在350～370℃的炉温下入炉，随炉升温至535℃进行固溶处理，保温时间为120min，随后在60～80℃温水中淬火处理15s，淬火处理时间小于10s。
5.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于：
步骤3中，所述时效处理的温度为170℃，时间180min，出炉空冷。
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