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CN114540670A - 一种锻造用铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种锻造用铝合金及其制备方法 Download PDF

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CN114540670A
CN114540670A CN202210103065.3A CN202210103065A CN114540670A CN 114540670 A CN114540670 A CN 114540670A CN 202210103065 A CN202210103065 A CN 202210103065A CN 114540670 A CN114540670 A CN 114540670A
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钟鼓
林师朋
刘金炎
李虎田
陈雨楠
马科
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Original Assignee
Chinalco Materials Application Research Institute Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种锻造用铝合金及其制备方法，该铝合金的组分按质量百分比为：Mg：0.7‑1.0％，Si：1.0‑1.7％，Cu：0.35‑0.5％，Mn：0.55‑0.8％，Cr：0.2‑0.32％，Zr：0.05‑0.1％，Er：0.05‑0.15％，Ti：0.02‑0.05％，Fe≤0.25％，不可避免的杂质总和≤0.15％，余量为Al。所述制备方法包括制备铝合金铸锭、三级均匀化处理、冷却、锻造、固溶、淬火、峰时效处理等步骤。本发明提供的合金属于Al‑Mg‑Si‑Cu系合金，制备方法通过优化合金成分、均匀化工艺和峰时效工艺，使合金具有抗拉强度420‑440MPa、疲劳强度达到135MPa(N＝1×107)和伸长率≥12％的优异值。本发明提供的高强度抗疲劳铝合金材料适用于生产交通、航空等领域的锻造零部件，例如22.5寸商用车高强超轻锻造轮毂，比同规格国产轮毂减重2.5kg、比美国轮毂减重1kg、延长服役时间1年，生产成本降低7％。

Description

一种锻造用铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种有色金属材料，具体涉及一种锻造用铝合金及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展，人们对于环境保护、节约能源等因素提出了更高的要求，这在促进汽车安全性能提高的同时也促进了汽车轻量化发展。高品质铝合金锻件取代汽车领域原有的钢制件或普通性能铝合金锻件，是汽车轻量化的主要目标，例如：商用车锻造铝合金轮毂取代钢制轮毂、乘用车底盘铝合金锻造控制臂取代钢制冲压件。传统汽车用锻件材料为6061铝合金，产品屈服强度280MPa、抗拉强度320MPa、伸长率10％-12％。但随着轻量化进程的深入、锻造技术的发展，进一步要求汽车零部件寿命长、稳定性更高、进一步减重、易成型，以实现经济和环境的双重改进和提高。
作为汽车的主要承载部件的轮毂，对车辆的安全性、舒适性、平稳性起着决定性作用。在行驶过程中轮毂受到多种交变载荷的作用，而这种载荷的作用易产生疲劳裂纹、甚至疲劳失效，所以提高轮毂的疲劳性能、增加其疲劳寿命是铝合金锻造轮毂广泛应用的必要前提。在乘用车上应用较多的传统锻造6061铝合金轮毂的疲劳强度约为115MPa-120MPa；商用车轮毂所受载荷较之更大，对材料的疲劳性能要求更高，但锻造合金轮毂在商用车上应用刚起步，年产量约为400万只左右。此外，目前先进的闭式反挤压锻造工艺，能够实现汽车用大规格锻造件一次成型，减少成型工序、节约成本。由于材料一次成型应变量远大于当前采用的两锻一旋工艺，传统的6061铝合金难以满足先进锻造工艺对材料伸长率的要求，所以导致产品成品率低。因此，需要提供一种锻造用高伸长率、高疲劳强度铝合金材料来满足高韧性、长寿命、轻量化、易成型轮毂是发展的需要。
与美国轮毂比，国产商用车锻造轮毂强度低、质量重、寿命短。缺乏国际竞争力，很难打入高端轮毂市场。因此，为了满足汽车安全性和先进锻造工艺对材料性能的要求，提高轮毂强度、减轻轮毂重量、提高轮毂使用寿命，实现国产高强超轻锻造轮毂，超越代表国际先进水平的美国轮毂，需要提供一款强度和疲劳性能都远优于6061铝合金的高强抗疲劳铝合金。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种锻造用铝合金及其制备方法，具体包括以下内容：
一种锻造用铝合金，其组分按质量百分比为：Mg：0.7-1.0％，Si：1.0-1.7％，Cu：0.35-0.5％，Mn：0.55-0.8％，Cr：0.2-0.32％，Zr：0.05-0.1％，Er：0.05-0.15％，Ti：0.02-0.05％，Fe≤0.25％，不可避免的杂质总和≤0.15％，余量为Al。
具体地，所述合金Mg/Si的质量比为0.5-1.2，过剩的Si量X为0.7-1.3wt％，Mn/X的质量比为0.1-0.8，Cr/X的质量比为0.1-0.5，所述过剩的Si量X为形成Mg2Si相后剩余的Si的含量。
具体地，所述过剩的Si包括微米级α-Al15(FeMnCr)3Si2和α-Al12(FeMnCr)3Si相，均匀化过程弥散析出的纳米级AlMnCrSi相，以及固溶在基体中的Si。
一种锻造用铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备铝合金铸锭：采用半连续铸造法制备铝合金铸锭，所述铝合金铸锭的组分按质量百分比为：Mg：0.7-1.0％，Si：1.0-1.7％，Cu：0.35-0.5％，Mn：0.55-0.8％，Cr：0.2-0.32％，Zr：0.05-0.1％，Er：0.05-0.15％，Ti：0.02-0.05％，Fe≤0.25％，不可避免的杂质总和≤0.15％，余量为Al；
(2)三级均匀化处理：将步骤(1)得到的铝合金铸锭依次于300-350℃、400-450℃和530-570℃分别保温8-12h、6-10h和5-11h；
(3)冷却：将三级均匀化处理过后的铝合金铸锭空冷或风冷；
(4)锻造：将步骤(3)得到的铝合金铸锭进行锻造；
(5)固溶：将锻造后的铝合金材料进行固溶处理；
(6)淬火：将固溶后的铝合金材料进行淬火；
(7)峰时效处理：将淬火后的铝合金材料进行峰时效处理。
具体地，所述步骤(1)采用半连续铸造法制备铝合金铸锭的具体方法为：铸造速度为40mm/min-130mm/min，浇铸温度为680℃-710℃，冷却水流量为2m3/h-20m3/h，合金铸锭直径为φ150mm～φ350mm。
具体地，所述步骤(4)中的锻造方法为：将均匀化后的铝合金铸锭在450℃-510℃下保温3h，然后在400℃-450℃下终锻，锻造速度为6mm/s-20mm/s，应变量不低于0.5。
具体地，所述步骤(5)固溶的方法为：将锻造后的铝合金材料在520℃-570℃下固溶处理2-3h。
具体地，所述步骤(7)峰时效处理的方法为：将淬火后的铝合金材料在160℃-190℃保温5-8h。
具体地，还包括步骤(8)：将峰时效处理后得到的铝合金材料机加工成为铝合金制品。
本发明的有益效果为：
本发明通过添加微量组分Er，在铸造过程中发生包晶反应，起到细化铸态组织晶粒的作用。同时在均匀化过程中，生成纳米级的Al3Er，大量均匀弥散分布在晶界与晶内，起到细化合金各种状态(铸态、变形态和热处理态)晶粒的作用。本发明通过添加微量组分Zr，在均匀化过程中以Al3Er为中心，形成核壳结构的Al3(Zr,Er)相，均匀弥散的分布在晶界与晶内，显著提高合金再结晶温度、有效的钉扎位错和晶界，在锻造、固溶时效过程中能起到保全变形组织和抑制再结晶晶粒形核长大，使合金具有细小的晶粒尺寸，提高合金的疲劳强度和疲劳寿命。配合优化后的三级均匀化工艺，实现上述粒子的析出和分布，达到抗疲劳的目的。同时，本发明通过优化合金各组分的含量比，将Mg/Si控制在0.5-1.2的范围，将过剩Si量X控制在0.7-1.3wt％的范围，在Mg2Si和X共同作用下提高了该合金强度；而0.1＜Mn/X＜0.8，0.1＜Cr/X＜0.5，又保证了Mn、Cr组分与Fe组分在铸造过程中生成微米级别的α-Al15(FeMnCr)3Si2和α-Al12(FeMnCr)3Si相后，仍有足够数量的Mn、Cr组分与过剩的Si在随后的均匀化过程中生成100nm-500nm短棒状或立方体状的AlMnCrSi相弥散分布在晶粒内部，在后续锻造过程中随着晶粒的打碎，AlMnCrSi相的大小和分布也随之发生变化至20nm-500nm，除小部分均匀分布在晶粒内外，大部分分布在晶界处，对锻造组织起着钉扎晶界、抑制晶粒长大的作用，在提高锻造组织的亚晶百分比的同时，在确保合金强度的前提下，提高了合金伸长率。
本发明提供的技术方案通过优化的半连续铸造工艺、三级均匀化工艺、锻造工艺和固溶制度，并配合峰时效处理工艺，在160℃-190℃温度下析出5nm-10nm的针状β”-Mg5Si6相和板条状Q-Al3Cu2Mg9Si7相，其中的5h-8h峰时效工艺又控制了析出相的数量，获得合金的最高强度；同时，本发明提供的均匀化过程析出的抑制高温再结晶纳米相-AlMnCrSi，在时效过程中保留下来，但大小和形状随之发生变化，变为外形圆滑的弥散在晶粒内部和晶界处20nm-100nm粒度的颗粒状，当疲劳裂纹扩展时,这些粒子阻止裂纹的扩展,降低裂纹扩展速率,起到阻碍疲劳裂纹扩展的作用,从而提高了材料的疲劳寿命和疲劳强度。
本发明提供的技术方案通过优化合金成分、均匀化工艺和峰时效工艺，使锻造用Al-Mg-Si-Cu系铝合金具有抗拉强度420-440MPa、疲劳强度达到135MPa(N＝1×107)和伸长率≥12％的优异值。
本发明提供的高强度抗疲劳铝合金材料适用于生产交通、航空等领域的锻造零部件，例如22.5寸商用车高强超轻锻造轮毂，比同规格国产轮毂减重2.5kg、比美国轮毂减重1kg、延长服役时间1年，生产成本降低7％。
附图说明
图1为本发明公开的铝合金铸棒均匀化态透射结果Al3(Zr,Er)粒子形貌图；
图2为本发明公开的铝合金铸棒均匀化态透射结果AlMnCrSi粒子形貌图；
图3为本发明公开的铝合金铸棒锻造态EBSD结果；
图4为本发明公开的铝合金铸棒时效态EBSD结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。
一种铸造用铝合金，该合金为Al-Mg-Si-Cu系合金，该合金按质量百分比计的下述组分：Mg 0.7～1.0wt％，Si 1.0～1.7wt％，Cu 0.35～0.5wt％，Mn 0.55～0.8wt％，Cr 0.2～0.32wt％，Zr 0.05～0.1wt％，Er 0.05～0.15wt％，Ti 0.02～0.05wt％，Fe≤0.25wt％，不可避免的杂质总和≤0.15wt％，余量为Al。
Al-Mg-Si-Cu系合金中的主要合金组分Mg和Si形成相为Mg2Si，合金组分中的Si量相对Mg过剩，其中过剩Si量X均起强化作用，Mg组分含量决定Mg2Si含量，Si组分含量决定过剩Si量X，通过控制Mg/Si比值来控制Mg2Si和过剩Si含量。本发明提供的技术方案中将Mg和Si组分的量分别控制在0.75～0.95wt％和0.6～0.9wt％范围内，Mg/Si比控制在0.5～1.2范围内，过剩Si量X控制在0.7～1.3wt％内，适量的Mg2Si和大量的过剩Si含量X能够显著提高合金强度。
本发明添加微量组分Er，Er在铸造过程中会发生包晶反应，能起到细化铸态组织晶粒的作用。在均匀化过程中，微量组分Er在300-350℃时与Al形成Al3Er，所形成的Al3Er大量均匀弥散分布在晶界与晶内，作为后续弥散相析出的形核质点。本发明通过添加微量组分Zr，以Al3Er为中心，形成核壳结构的Al3(Zr，Er)相，均匀弥散的分布在晶界与晶内，显著提高合金再结晶温度、有效的钉扎位错和晶界，在锻造、固溶时效过程中能起到保全变形组织和抑制再结晶晶粒形核长大，使合金具有细小的晶粒尺寸，提高合金的疲劳强度和疲劳寿命。配合优化后的三级均匀化工艺：300-350℃、400-450℃和530-570℃下，分别保温8-12h、6-10h和5-11h后空冷或风冷，实现上述粒子的析出和分布，达到抗疲劳的目的。
在本发明提供的铝合金中，0.1＜Mn/X(质量比)＜0.8，0.1＜Cr/X(质量比)＜0.5，能保证Mn、Cr组分与Fe在铸造过程中生成微米级别的α-Al15(FeMnCr)3Si2和α-Al12(FeMnCr)3Si相后，仍有足够数量的Mn和Cr组分与过剩的Si含量X在随后的均匀化过程中生成100nm-500nm短棒状或立方体状的AlMnCrSi相弥散分布在晶粒内部，在后续锻造过程中随着晶粒被打碎至20nm-500nm的粒度，AlMnCrSi相的大小和分布也随之发生变化，除均匀分布在晶粒内外，大量分布在晶界处，对组织起着钉扎晶界、抑制晶粒长大，提高锻造组织的亚晶百分比，在确保合金的强度的前提下，也提高了合金的伸长率。
此外，本发明提供的技术方案还通过优化峰时效工艺来提高铝合金的伸长率，在高温峰时效工艺下，合金析出相为针状β”相和板条状Q相，合金强度最高，而伸长率又能满足制备车轮毂的需要，得到轮毂用铝合金。
本发明在合理调节铝合金各组分配比的基础上，优化的半连续铸造工艺、均匀化工艺、锻造工艺和固溶制度，配合低温短时效处理工艺，峰时效处理工艺，在160℃～190℃温度下析出5nm-10nm的针状β”-Mg5Si6相和板条状Q-Al3Cu2Mg9Si7相，5h-8h峰时效控制了析出相的数量，进一步提高了合金强度；同时，均匀化过程中析出的抑制高温再结晶纳米相-AlMnCrSi相，在时效态过程中保留下来，但大小和形状也随之发生变化，外形变为20nm-100nm粒度的圆滑颗粒弥散分布于晶粒内部和晶界处，当疲劳裂纹扩展时,这些圆滑颗粒无疑会阻止裂纹扩展,成为裂纹进一步扩展的阻力，从而提高材料的疲劳寿命。
本发明提供的技术方案通过优化合金成分、三级均匀化工艺和峰时效工艺，使锻造用Al-Mg-Si-Cu系铝合金具有抗拉强度420-440MPa、疲劳强度达到135MPa(N＝1×107)和伸长率≥12％的优异值。与传统锻造6061铝合金比，抗拉强度提高了30％、疲劳强度提高了13.5％。本发明合金的各项性能明显优于高强高韧ZR6001铝合金。
本发明提供的高强度抗疲劳铝合金材料适用于生产交通、航空等领域的锻造零部件，例如22.5寸商用车高强超轻锻造轮毂，比同规格国产轮毂减重2.5kg、比美国轮毂减重1kg、延长服役时间1年，生产成本降低7％。
本发明提供的一种铸造用铝合金的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：用半连续铸造方式制备合金铸锭：
所述半连续铸造包括，用水冷直径为φ150mm～350mm的铝合金铸锭，其中铸造速度为40mm/min～130mm/min，浇铸温度为680℃～710℃，冷却水流量为2m3/h～20m3/h。
本发明提供的浇注温度，一方面防止了浇注温度过高出现的熔体过热现象，导致铸锭晶粒粗大，会降低产品的力学性能；另一方面，又避免了浇注温度过低会出现大块含Cr化合物析出的现象，导致后续锻造产品力学性能急剧下降，甚至报废。
所述合金为含质量百分比计的Mg 0.7～1.0wt.％，Si 1.0～1.7wt.％，Cu0.35～0.5wt.％，Mn 0.55～0.8wt.％，Cr 0.2～0.32wt.％，Zr 0.05～0.1wt.％，Er0.05～0.15wt.％，Ti 0.02～0.05wt.％，Fe≤0.25wt.％，不可避免的杂质总和≤0.15wt.％，余量为Al。铸态合金的Mg/Si控制在0.5～1.2，过剩Si含量X为0.7～1.3wt.％，铸态中形成Mg2Si相后，剩余的硅量X与Mn和Cr组分形成微米级α-Al15(FeMnCr)3Si2和α-Al12(FeMnCr)3Si相；0.1＜Mn/X＜0.8，0.1＜Cr/X＜0.5，保证在均匀化过程中有足够的Mn、Cr组分与过剩的Si组分在随后的均匀化过程中生成纳米级短棒状或立方体状的AlMnCrSi相弥散分布在晶粒内部。微量组分Er在铸造过程中发生包晶反应，起到细化铸态组织晶粒的作用。
本发明制备的铝合金铸棒通过扫描电镜分析，合金铸态组织第二相包括：黑色棒状或针状的Mg2Si相、鱼骨状或树枝状的α-Al(FeMn,Cr)Si相和亮白色椭圆形的Al2Cu相。
步骤2：合金铸锭的均匀化处理
本发明高强抗疲劳锻造铝合金进行三级均匀化工艺包括，将铸锭在热风循环退火炉中随炉升温至300-350℃、400-450℃和530-570℃下，分别保温8-12h、6-10h和5-11h。
微量组分Er在300-350℃与Al形成Al3Er，大量均匀弥散分布在晶界与晶内，作为后续弥散相析出的形核质点。微量组分Zr在400-450℃与Al形成Al3Zr，以形核质点Al3Er为中心，析出纳米级多层核壳结构的Al3(Zr,Er)弥散相，分布在晶界与晶内，显著提高合金再结晶温度、有效的钉扎位错和晶界，在锻造、固溶时效过程中能起到保全变形组织和抑制再结晶，阻碍晶粒长大，使合金具有细小的晶粒尺寸，提高合金的疲劳强度和疲劳寿命，达到抗疲劳的目的。微量组分Cr和Mn在530-570℃下析出AlMnCrSi相下，呈均匀细小弥散分布，达到稳定亚晶组织、抑制再结晶的作用。
本发明提供的铝合金棒均匀化态金相组织与铸态金相组织相比，经过均匀化后低熔点共晶相回溶充分、含Fe相断续、含Cu相完全消失，Mg2Si在晶粒内部弥散细小析出，消除了枝晶偏析，说明该均匀化工艺合理。
本发明提供的铝合金铸棒均匀化态透射结果如图1和图2所示，本发明提供的技术方案铸棒经三级均匀化后，Er和Zr组分生成100nm-500nm的核壳结构的Al3(Zr,Er)相，均匀弥散的分布在晶界与晶内，显著提高合金再结晶温度、有效的钉扎位错和晶界，在锻造、固溶时效过程中能起到保全变形组织和抑制再结晶晶粒形核长大，达到保证伸长率的同时，提高合金强度和疲劳性能的目的。同时，Mn、Cr组分与Si组分生成100nm-500nm的短棒状或立方体状的AlMnCrSi相，并弥散析出，有利于抑制后续锻造组织再结晶，提高锻造组织的亚晶百分比。
步骤3：将步骤2得到的铝合金风冷或空冷。
步骤4：合金铸锭锻造
将热处理后的合金铸棒加热至460℃～510℃保温3h，在液压锻造机上进行锻造，终锻温度控制在400℃～450℃，锻造速度为6mm/s-20mm/s，变形量不低于0.5。
本发明提供的铝合金铸棒锻造态EBSD结果如图3所示，组织中的亚晶百分比约为61％。当亚晶百分比≥55％时，能保证材料强度的同时，不降低材料伸长率和疲劳强度。
本发明提供的铝合金铸棒中的Al3(Zr,Er)相在锻造过程被打碎，其大小在20nm-500nm之间，弥散分布在晶粒内和晶界处，起到了钉扎位错和晶界、抑制再结晶晶粒形核长大的作用，最终实现提高疲劳性能的目的。同时，AlMnCrSi相被打碎，其大小在20nm-500nm之间，分布也随之发生变化，除小部分均匀分布在晶粒内外，大部分分布在晶界处，对组织起到钉扎晶界、抑制晶粒长大的作用，提高锻造组织的亚晶百分比，最终提高合金伸长率。
步骤5：锻件热处理
a.固溶处理：将步骤4所得的高伸长率铝合金锻造坯料加热到520℃～570℃，保温2～3h，，然后经35℃水淬火，淬火转移时间不大于20s；
b.峰时效处理：将淬火试样经160℃～190℃保温5～8h，完成峰时效处理。
本发明提供的铝合金铸棒时效态透射结果表明均匀化过程析出的抑制高温再结晶纳米相-AlMnCrSi，在时效态过程中保留下来，但大小和形状变化了，外形变为圆滑的颗粒状，大小在20nm-100nm之间，弥散分布在晶粒内部和晶界处，当疲劳裂纹扩展时,这些粒子可以阻止裂纹的扩展,裂纹扩展的阻力增加了,起到阻碍疲劳裂纹扩展的作用,从而提高了材料的疲劳寿命。
本发明提供的铝合金铸棒时效态EBSD结果如图4所示，组织中亚晶百分比约为58％，与锻造态的亚晶百分比差异很小。
本发明提供的铝合金铸棒时效态高分辨透射结果表明，在时效温度160℃-190℃下析出了5nm-10nm的针状β”-Mg2Al6Si3相，5h-8h的峰时效控制了析出相的数量，合金伸长率得到进一步提高。
实施例1
一种锻造用铝合金，其组分按质量百分比为：Mg：0.7％，Si：1.0％，Cu：0.35％，Mn：0.55％，Cr：0.2％，Zr：0.05％，Er：0.05％，Ti：0.02％，Fe≤0.25％，不可避免的杂质总和≤0.15％，余量为Al。所述合金Mg/Si的质量比为0.5-1.2，过剩的Si量X为0.7-1.3wt％，Mn/X的质量比为0.1-0.8，Cr/X的质量比为0.1-0.5，所述过剩的Si量X为形成Mg2Si相后剩余的Si的含量。所述过剩的Si包括微米级α-Al15(FeMnCr)3Si2和α-Al12(FeMnCr)3Si相，均匀化过程弥散析出的纳米级AlMnCrSi相，以及固溶在基体中的Si。
实施例2
一种锻造用铝合金，其组分按质量百分比为：Mg：1.0％；Si：1.7％，Cu：0.5％，Mn：0.8％，Cr：0.32％，Zr：0.1％，Er：0.15％，Ti：0.05％，Fe：0.25％，不可避免的杂质总和≤0.15％，余量为Al。所述合金Mg/Si的质量比为0.5-1.2，过剩的Si量X为0.7-1.3wt％，Mn/X的质量比为0.1-0.8，Cr/X的质量比为0.1-0.5，所述过剩的Si量X为形成Mg2Si相后剩余的Si的含量。所述过剩的Si包括微米级α-Al15(FeMnCr)3Si2和α-Al12(FeMnCr)3Si相，均匀化过程弥散析出的纳米级AlMnCrSi相，以及固溶在基体中的Si。
实施例3
一种锻造用铝合金，其组分按质量百分比为：Mg：0.8％，Si：1.2％，Cu：0.4％，Mn：0.7％，Cr：0.28％，Zr：0.07％，Er：0.1％，Ti：0.03％，Fe：0.2％，不可避免的杂质总和≤0.10％，余量为Al。所述合金Mg/Si的质量比为0.5-1.2，过剩的Si量X为0.7-1.3wt％，Mn/X的质量比为0.1-0.8，Cr/X的质量比为0.1-0.5，所述过剩的Si量X为形成Mg2Si相后剩余的Si的含量。所述过剩的Si包括微米级α-Al15(FeMnCr)3Si2和α-Al12(FeMnCr)3Si相，均匀化过程弥散析出的纳米级AlMnCrSi相，以及固溶在基体中的Si。
在本发明的其他实施例中，所述铝合金中的Mg/Si的质量比为可以为0.5-1.2之间的其他值，例如0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1等。过剩的Si量X可以为0.7-1.3wt％范围内的其他值，例如0.75wt％、0.8wt％、0.9wt％、1.0wt％、1.1wt％、1.2wt％等。Mn/X的质量比可以为0.1-0.8之间的其他值，例如0.2、0.3、0.5、0.7等。Cr/X的质量比也可以为0.1-0.5之间的其他值，例如0.2、0.3、0.4等。
实施例4
一种锻造用铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备铝合金铸锭：采用半连续铸造法制备铝合金铸锭：铸造速度为40mm/min-130mm/min，浇铸温度为680℃，冷却水流量为2m3/h，合金铸锭直径为φ150mm；所述铝合金铸锭的组分按质量百分比为：Mg：0.7％，Si：1.0％，Cu：0.35％，Mn：0.55％，Cr：0.2％，Zr：0.05％，Er：0.05％，Ti：0.02％，Fe≤0.25％，不可避免的杂质总和≤0.15％，余量为Al；
(2)三级均匀化处理：将步骤(1)得到的铝合金铸锭依次于300℃、400℃和530℃分别保温8h、6h和5h；
(3)冷却：将三级均匀化处理过后的铝合金铸锭空冷或风冷；
(4)锻造：将均匀化后的铝合金铸锭在450℃下保温3h，然后在400℃下终锻，锻造速度为6mm/s，应变量不低于0.5；
(5)固溶：将锻造后的铝合金材料在520℃下固溶处理2h；
(6)淬火：将固溶后的铝合金材料进行淬火；
(7)峰时效处理：将淬火后的铝合金材料在160℃保温5h；
(8)将峰时效处理后得到的铝合金材料机加工成为铝合金制品。
实施例5
一种锻造用铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备铝合金铸锭：采用半连续铸造法制备铝合金铸锭：铸造速度为130mm/min，浇铸温度为710℃，冷却水流量为20m3/h，合金铸锭直径为φ350mm；所述铝合金铸锭的组分按质量百分比为：Mg：1.0％，Si：1.7％，Cu：0.5％，Mn：0.8％，Cr：0.32％，Zr：0.1％，Er：0.15％，Ti：0.05％，Fe：0.25％，不可避免的杂质总和≤0.15％，余量为Al；
(2)三级均匀化处理：将步骤(1)得到的铝合金铸锭依次于350℃、400-450℃和570℃分别保温12h、10h和11h；
(3)冷却：将三级均匀化处理过后的铝合金铸锭风冷；
(4)锻造：将均匀化后的铝合金铸锭在510℃下保温3h，然后在450℃下终锻，锻造速度为20mm/s，应变量为0.6；
(5)固溶：将锻造后的铝合金材料在570℃下固溶处理3h；
(6)淬火：将固溶后的铝合金材料进行淬火；
(7)峰时效处理：将淬火后的铝合金材料在190℃保温8h；
(8)将峰时效处理后得到的铝合金材料机加工成为铝合金制品。
实施例6
一种锻造用铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备铝合金铸锭：采用半连续铸造法制备铝合金铸锭：铸造速度为60mm/min，浇铸温度为700℃，冷却水流量为8m3/h，合金铸锭直径为φ200mm；所述铝合金铸锭的组分按质量百分比为：Mg：0.8％，Si：1.2％，Cu：0.4％，Mn：0.7％，Cr：0.28％，Zr：0.07％，Er：0.1％，Ti：0.03％，Fe：0.2％，不可避免的杂质总和≤0.10％，余量为Al；
(2)三级均匀化处理：将步骤(1)得到的铝合金铸锭依次于315℃、410℃和540℃分别保温9h、7h和7h；
(3)冷却：将三级均匀化处理过后的铝合金铸锭空冷；
(4)锻造：将均匀化后的铝合金铸锭在470℃下保温3h，然后在420℃下终锻，锻造速度为9mm/s，应变量为0.7；
(5)固溶：将锻造后的铝合金材料在535℃下固溶处理2.5h；
(6)淬火：将固溶后的铝合金材料进行淬火；
(7)峰时效处理：将淬火后的铝合金材料在175℃保温6h；
(8)将峰时效处理后得到的铝合金材料机加工成为铝合金制品。
下面结合对比例对本发明做进一步描述：
表1为本发明公开的合金和比较合金按质量百分数计的化学成分，其中的①和②为本发明涉及的成分范围内合金，③、④和⑤为比较例合金。将表1中所示的成分合金用半连续铸造的方式铸造成直径为φ178mm的圆锭，并在热风循环退火炉中均匀化处理，铸造工艺参数和热处理工艺参数如表2所示。铸锭均匀化后被车皮切断成φ150mm×250mm的圆柱形锻造坯料，随后将坯料加热至500℃在液压锻造机上沿轴向进行压缩，锻造工艺参数详见表3。
锻件进行热处理包括，固溶和时效工艺参数如表4所示，其中(a)和(d)为本发明合金的固溶+过时效工艺、(b)(e)为本发明合金的固溶+峰时效工艺，(c)(f)为本发明合金的固溶+欠时效工艺，(e)(f)(g)为比较例合金的固溶+峰时效工艺。
半连续铸造工艺、均匀化工艺和锻造工艺不变的情况下的不同合金成分和时效工艺的组织特征和力学性能列于表5。
表1本发明公开的合金和比较合金的化学成分
Figure BDA0003493062500000111
Figure BDA0003493062500000121
表2半连续铸造工艺参数及均匀化工艺参数
Figure BDA0003493062500000122
表3锻造工艺参数
加热温度 保温时间 开锻温度 模具温度 锻造速度 变形量
500-510℃ 4h 480-500℃ 200℃ 12mm/s-15mm/s 80％
表4固溶时效工艺方案
Figure BDA0003493062500000123
Figure BDA0003493062500000131
表5组织特征和力学性能
Figure BDA0003493062500000132
表1-表5的数据说明本发明提供的合金①经过半连续铸造方法制备成直径为φ178mm的圆锭，稳定铸造时的工艺参数为：铸造速度为120mm/min，浇铸温度为690℃～700℃，冷却水流量为2m3/h左右；然后在300-350℃、400-450℃和530-570℃下，对圆锭分别保温8-12h、6-10h和5-11h后风冷完成均匀化处理；车皮切断制成φ150mm×250mm的圆柱形锻造坯料，随后将坯料加热至500℃保温4小时，在液压锻造机上沿轴向进行压缩，具体锻造参数详见表3；锻造后的试样经过固溶+峰时效热处理工艺(b)，即经555℃×3h固溶处理和180℃×6.5h时效处理，亚晶百分数达到59.7％，疲劳强度为139MPa，抗拉强度高达437MPa，屈服强度为385MPa，伸长率为13.1％。
表1-表5的数据说明本发明提供的合金①经过半连续铸造方法制备成直径为φ178mm的圆锭，稳定铸造时的工艺参数为：铸造速度为120mm/min，浇铸温度为690℃～700℃，冷却水流量为2m3/h左右；然后在300-350℃、400-450℃和530-570℃下，对圆锭分别保温8-12h、6-10h和5-11h后风冷完成均匀化处理；车皮切断制成φ150mm×250mm的圆柱形锻造坯料，随后将坯料加热至500℃保温4小时，在液压锻造机上沿轴向进行压缩，具体锻造参数详见表3；锻造后的试样经过固溶+峰时效热处理工艺(e)，即经555℃×3h固溶处理和160℃×5.5h时效处理，亚晶百分数达到63.1％，疲劳强度为135MPa，抗拉强度高达421MPa，屈服强度为381MPa，伸长率为14.2％。
本发明提供的合金②经过半连续铸造方法制备成直径为φ178mm的圆锭，稳定铸造时的工艺参数为：铸造速度为120mm/min，浇铸温度为690℃～700℃，冷却水流量为2m3/h左右；然后在300-350℃、400-450℃和530-570℃下，对圆锭分别保温8-12h、6-10h和5-11h后风冷完成均匀化处理；车皮切断制成φ150mm×250mm的圆柱形锻造坯料，随后将坯料加热至500℃保温4小时，在液压锻造机上沿轴向进行压缩，具体锻造参数详见表3；锻造后的试样经过固溶+低温短时效热处理工艺(b)，这表明本发明提供的合金②经555℃×3h固溶处理和180℃×6.5h时效处理，亚晶百分数达到58.9％，疲劳强度为142MPa，抗拉强度高达442MPa，屈服强度为390MPa，伸长率为12.6％。
本发明提供的合金②经过半连续铸造方法制备成直径为φ178mm的圆锭，稳定铸造时的工艺参数为：铸造速度为120mm/min，浇铸温度为690℃～700℃，冷却水流量为2m3/h左右；然后在300-350℃、400-450℃和530-570℃下，对圆锭分别保温8-12h、6-10h和5-11h后风冷完成均匀化处理；车皮切断制成φ150mm×250mm的圆柱形锻造坯料，随后将坯料加热至500℃保温4小时，在液压锻造机上沿轴向进行压缩，具体锻造参数详见表3；锻造后的试样经过固溶+低温短时效热处理工艺(e)，这表明本发明提供的合金②经555℃×3h固溶处理和160℃×5.5h时效处理，亚晶百分数达到59.9％，疲劳强度为138MPa，抗拉强度高达433MPa，屈服强度为393MPa，伸长率为12.9％。
本发明提供的技术方案经过铸造、三级均匀化、锻造和(b)(e)两种固溶+峰时效处理后的合金①和②，亚晶百分数达到58％～63％，疲劳强度为135MPa～142MPa，抗拉强度达到420MPa～437MPa，屈服强度达到380～393MPa，伸长率高达12.6％～14.4％。本发明提供的合金的抗拉强度和屈服强度远超比较例④6061合金、⑤6082合金和③ZR6001合金，疲劳性能高于比较例④6061合金和⑤6082合金和③ZR6001合金，伸长率与比较例④6061合金、⑤6082合金和③ZR6001合金相当。
综上所述，本发明提供的技术方案所获得的铝合金，在强度、疲劳性、伸长率等综合性能远高于常规6061和6082合金。
中汽研汽车检验中心(天津)有限公司对本发明提供的高强抗疲劳合金制的22.5×9.0寸的卡巴车锻造轮毂性能进行了的评价，其中根锯GB36581--2018《商用车辆车轮性能要求和试验方法》对汽车轮毂的检测包含动态弯曲疲劳试验和动态径向疲劳试验两个检测项目，结果表明本发明提供的高强抗疲劳合金采用一序成型锻造工艺生产的轮毂通过了性能评价试验，满足使用要求。具体实施过程及性能评价结果如下：
用本发明提供的半连续铸造方法制备的φ254mm高强抗疲劳合金圆棒，合金成分详见表6，半连铸工艺为：铸造速度40mm/min-55mm/min，浇铸温度690℃-700℃，冷却水流量15m3/h-27m3/h，在热风循环退火炉中均匀化处理，在300-350℃、400-450℃和530-570℃下分别保温8-12h、6-10h和5-11h后风冷。
表6高强Al合金成分(重量百分比，wt％)
成分 Si Fe Mg Mn Cu Cr Ti Er Zr Al
1# 1.26 0.19 0.78 0.60 0.42 0.21 0.02 0.1 0.078 Bal
2# 1.35 0.17 0.81 0.60 0.43 0.20 0.02 0.12 0.082 Bal
对本发明的φ254mm铸棒进行检测分析，无裂纹，未发现大于φ1mm的疏松夹杂，平均晶粒尺寸约为75μm，单个晶粒最大尺寸约为180μm，满足铸棒使用要求。
锯切成φ254mm×295mm的锻造坯料后，使用锻造轮毂主流生产工艺(两锻一旋)，用本发明提供的高强抗疲劳合金锻造坯料进行了22.5×9.0寸商用车轮毂的试制，主要技术参数详见表7。锻造成的轮毂毛坯，外观均无缺陷，成形性能良好。
表7两锻一旋锻造工艺的主要技术参数
锻造工艺 加热温度 预锻温度 预锻变形量 终锻温度 终锻变形量
两锻一旋 500-510℃ 480-500℃ 200℃ 70℃ 80％
本发明提供的高强抗疲劳轮毂毛坯所用热处理工艺列于表9，其机加后22.5×9.0寸商用车高强超轻轮毂成品。
表9高强抗疲劳合金轮毂热处理工艺
Figure BDA0003493062500000161
中汽研汽车检验中心(天津)有限公司零部件试验室，按GB/T 36581-2018《商用车辆车轮性能要求和试验方法》对本发明提供的Al合金制轮毂的动态弯曲疲劳试验和动态径向疲劳试验。检验结果表明：未见车轮样品损坏，轮毂符合使用要求。
对本发明提供的高强抗疲劳合金锻造的商用车22.5×9.0寸高强超轻轮毂、美国商用车22.5×9.0寸轮毂及国产商用车22.5×9.0寸普通6061锻造轮毂，经过轮毂极限疲劳台架测试和本体取样力学性能测量，轮毂重量、寿命、力学性能结果详见表10。
表10轮毂力学性能及疲劳寿命
Figure BDA0003493062500000162
Figure BDA0003493062500000171
以上试验室及试制实施例表明，与传统的锻造6061合金和6082合金比，本发明提供的高强抗疲劳合金的抗拉强度高达420-440MPa，屈服强度达到380～395MPa，伸长率达≥12％，疲劳强度高达135-145MPa，其抗拉强度和屈服强度均提高了20％以上、疲劳强度提高约10％。这表明本发明提供的技术方案的优异抗拉强度和疲劳强度，能够满足锻造产品的高强度、轻量化、长寿命需要。将本发明提供的高强抗疲劳Al合金用于两锻一旋工艺制备22.5寸轮毂时，比国产同规格轮毂减重2.5kg、比美国轮毂减重1kg、延长服役时间1年，每个轮毂的成本节约50元以上，降本约7％。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种锻造用铝合金，其特征在于，其组分按质量百分比为：Mg：0.7-1.0％，Si：1.0-1.7％，Cu：0.35-0.5％，Mn：0.55-0.8％，Cr：0.2-0.32％，Zr：0.05-0.1％，Er：0.05-0.15％，Ti：0.02-0.05％，Fe≤0.25％，不可避免的杂质总和≤0.15％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的一种锻造用铝合金，其特征在于，所述合金中Mg/Si的质量比为0.5-1.2，过剩的Si量X为0.7-1.3wt％，Mn/X的质量比为0.1-0.8，Cr/X的质量比为0.1-0.5，所述过剩的Si量X为形成Mg2Si相后合金中剩余的Si的含量。
3.根据权利要求2所述的一种锻造用铝合金，其特征在于，所述过剩的Si包括微米级α-Al15(FeMnCr)3Si2和α-Al12(FeMnCr)3Si相、均匀化过程弥散析出的纳米级AlMnCrSi相、以及固溶在基体中的Si。
4.一种锻造用铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备铝合金铸锭：采用半连续铸造法制备铝合金铸锭，所述铝合金铸锭的组分按质量百分比为：Mg：0.7-1.0％，Si：1.0-1.7％，Cu：0.35-0.5％，Mn：0.55-0.8％，Cr：0.2-0.32％，Zr：0.05-0.1％，Er：0.05-0.15％，Ti：0.02-0.05％，Fe≤0.25％，不可避免的杂质总和≤0.15％，余量为Al；
(2)三级均匀化处理：将步骤(1)得到的铝合金铸锭依次于300-350℃、400-450℃和530-570℃分别保温8-12h、6-10h和5-11h；
(3)冷却：将三级均匀化处理过后的铝合金铸锭空冷或风冷；
(4)锻造：将步骤(3)得到的铝合金铸锭进行锻造；
(5)固溶：将锻造后的铝合金材料进行固溶处理；
(6)淬火：将固溶后的铝合金材料进行淬火；
(7)峰时效处理：将淬火后的铝合金材料进行峰时效处理。
5.根据权利要求4所述的一种锻造用铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)采用半连续铸造法制备铝合金铸锭的具体方法为：铸造速度为40mm/min-130mm/min，浇铸温度为680℃-710℃，冷却水流量为2m3/h-20m3/h，合金铸锭直径为φ150mm-φ350mm。
6.根据权利要求4所述的一种锻造用铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的锻造方法为：将均匀化后的铝合金铸锭在450℃-510℃下保温3h，然后在400℃-450℃下终锻，锻造速度为6mm/s-20mm/s，应变量不低于0.5。
7.根据权利要求4所述的一种锻造用铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)固溶的方法为：将锻造后的铝合金材料在520℃-570℃下固溶处理2-3h。
8.根据权利要求4所述的一种锻造用铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(7)峰时效处理的方法为：将淬火后的铝合金材料在160℃-190℃保温5-8h。
9.根据权利要求4所述的一种锻造用铝合金的制备方法，其特征在于，还包括步骤(8)：将峰时效处理后得到的铝合金材料机加工成为铝合金制品。
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