一種具有高力學(xué)性能的Al-Si-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有高力學(xué)性能的Al?Si?Mg?Sr?Sc?Ti鑄造合金及制備方法；鑄造合金組成和質(zhì)量百分含量為，硅：6.5?7.0％，鎂：0.65?0.75％，鍶：0.03?0.04％，鈧：0.17?0.44％，鈦：0.21?0.52％，余量為鋁。采用電磁感應(yīng)熔煉方法熔煉合金，在真空環(huán)境下澆鑄成鑄錠；在溫度為532?537℃進行固溶處理；將固溶后的鑄板淬火、時效處理最后在空氣中自然冷卻得到鑄造合金。本發(fā)明制備方法簡單，所制鑄造合金晶粒明顯發(fā)生細化，柱狀晶明顯消失，出現(xiàn)等軸晶粒，共晶Si分布均勻，和成分相當(dāng)?shù)纳虡I(yè)A357合金相比，新型的鑄造合金，不但抗拉強度提升11％，延伸率也提高了84％。
【專利說明】
一種具有高力學(xué)性能的A1-S 1-Mg-Sr-Sc-T i鑄造合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種具有高力學(xué)性能的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金及其制備方法，屬于有色金屬材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]Al-S1-Mg屬于可熱處理強化的鑄造合金。由于該鑄造合金流動性好，比強度高，耐腐蝕性好，良好的加工性而廣泛運用于飛機，建筑及汽車等領(lǐng)域，特別是汽車輪轂。隨著科技的不斷進步，在某些特殊壞境下，傳統(tǒng)的鋁合金材料力學(xué)性能已經(jīng)無法滿足新型輪轂的要求，因此迫切需要發(fā)展新型高強鑄造鋁合金來滿足現(xiàn)科技發(fā)展。
[0003]Al-S1-Mg鑄造合金的主要強化機理是時效強化，該鑄造合金時效過程中析出相的順序通常認為:a(SSS_過飽和固溶體)—GP或GP-1區(qū)—β”相(GP-1I)4f3’相—β相(Mg2Si)。即:固溶處理過程中形成過飽和固溶體，時效過程中先析出富積Mg和Si的原子團，原子團的慢慢長大形成GP區(qū)，然后隨著時效時間的延長GP區(qū)長大成介穩(wěn)相-β”相，β”相是主要的強化相，當(dāng)時間繼續(xù)增加就會產(chǎn)生過時效現(xiàn)象形成β’相，甚至是β相。
[0004]Sc是鋁合金中新型的，最有效的細化劑，受到了廣泛的關(guān)注。Sc主要通過細晶強化和時效硬化來提高合金的力學(xué)性能。由于Al3Sc和Al之間錯配度小于1.5%，所以初生的A13Sc可以作為a-Al的有效晶核從而達到細晶強化的作用，而且時效過程中，次生的A13Sc也可以通過釘扎位錯來提升鋁合金的力學(xué)性能。
[0005]自上世紀(jì)以來，前蘇聯(lián)和俄羅斯在含鈧的生產(chǎn)和應(yīng)用方面取得了很大的突破，特別是運用于鋁合金方面，對鋁鈧合金的發(fā)展起到的不可替代的作用。而在國內(nèi)，鋁鈧合金在中南大學(xué)和天津大學(xué)等的研究下也起到了不少進步。但是由于鈧成本很高，影響了鋁鈧合金的研究和運用。通過復(fù)合添加Ti和Sc不但能夠降低Sc的含量，而且鋁鈧合金的力學(xué)性能也得到了很大提升DLiu，Z等人(Effect of complex alloying of Sc ,Zr and Ti on themicrostructure and mechanical properties of Al_5Mg alloys.Materials Scienceand Engineering:A，2008.483_484:p.120-122.)和 Wang，X.等人(Effects of Sc ,Zr andTi on the microstructure and properties of Al alloys with high Mgcontent.Rare Metals，2010.29( I):p.66-71.)分別研究了復(fù)合添加 Sc 和Ti 復(fù)合添加對Al-5Mg微觀組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明Sc和Ti復(fù)合添加對合金的力學(xué)性能有很大的提升作用。
[0006]Al-Si鑄造合金中的共晶Si呈現(xiàn)出片狀結(jié)構(gòu)，所以共晶Si的尺寸，形狀和分布對Al-Si鑄造合金的力學(xué)性能都有很大影響。但是M.Timpel(The role of strontium inmodifying aluminium-silicon alloys ,Acta Mater，60(2012)3920_3928)發(fā)現(xiàn)向Al-Si鑄造合金中添加約250ppm的Sr對共晶Si的尺寸，形貌和分布都有很大的改善作用，從而提升Al-Si鑄造合金的性能。
[0007]但是隨著科技的發(fā)展，目前普通的Al-S1-Mg合金已經(jīng)無法滿足特殊條件下(高溫或高壓)的要求。因此本法明提供了一種具有高力學(xué)性能的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金及其工藝制備方法，本發(fā)明中主要針對了抗拉強度和延伸率兩種力學(xué)性能進行了表征，發(fā)現(xiàn)這兩種性能得到很大改善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種具有高力學(xué)性能的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金及其制備方法。該鑄造合金的力學(xué)性能良好，針對合金的抗拉強度和延伸率進行研究，發(fā)現(xiàn)抗拉強度和延伸率同時提升，并且制備方法簡單。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0010]一種具有高力學(xué)性能的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金；組成和質(zhì)量百分含量為，硅:6.5-7.0%，鎂:0.65-0.75%，鍶:0.03-0.04%，鈧:0.17-0.44%，鈦:0.21-0.52%，余量為鋁。
[0011]本發(fā)明的具有高力學(xué)性能的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金的制備方法如下:
[0012](I)根據(jù)Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金的成分和質(zhì)量百分含量，選Al-Si中間合金錠、Al-% Sr中間合金錠、Al-Sc中間合金錠、Al-Ti中間合金錠，質(zhì)量分數(shù)大于99.9% wt的招錠和質(zhì)量分數(shù)大于99.9 % wt的鎂錠，采用電磁感應(yīng)熔煉方法熔煉合金，且在真空環(huán)境下澆鑄成鑄錠；
[0013](2)將所得到的鑄錠加工成的鑄板；
[0014](3)將得到的鑄板在溫度為532_537°C進行固溶處理；
[0015](4)將固溶后的鑄板在0-5 °C水中淬火，然后30s內(nèi)立即時效處理，時效處理溫度150-155°C，保溫時間4-6h，最后在空氣中自然冷卻得到高力學(xué)性能Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金。
[0016]優(yōu)選條件如下:
[0017]步驟I)的熔煉溫度在700-750°C。
[0018]步驟3)固溶處理6_8h。
[0019]步驟5)淬火時間10-30s。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點:制備方法簡單，所制Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金晶粒明顯發(fā)生細化，柱狀晶明顯消失，出現(xiàn)等軸晶粒，而且共晶Si分布均勻，和成分相當(dāng)?shù)纳虡I(yè)A357合金相比，新型的鑄造合金，不但抗拉強度提升11%，延伸率也提高了84%。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明實施例1所制得的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金鑄態(tài)的金相組織照片。
[0022]圖2為本發(fā)明實施例1所制得的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金經(jīng)過固溶后，具有良好形貌的小尺寸共晶Si均勻分布的金相組織照片。
[0023]圖3為本發(fā)明實施例1所制得的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金經(jīng)過T6處理后的透射照片。
[0024]圖4為本發(fā)明實施例1，2，3所制得的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金拉伸試樣設(shè)計圖。
[0025]圖5為本發(fā)明實施例1所制得的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金進過T6處理后的拉伸曲線圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合實施例進一步說明本發(fā)明，并不限制本發(fā)明。
[0027]實施例1、2和3所采用的材料為:質(zhì)量分數(shù)大于99.9%wt.的鋁錠、Al_25wt.% Si中間合金錠、質(zhì)量分數(shù)大于99.9%wt.%的純鎂錠、Al_13wt.%Sr中間合金錠、Al_2wt.%Sc中間合金錠和Al-1Owt.% Ti中間合金錠，但是并不限制本發(fā)明，在保證Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金的成分和質(zhì)量百分含量是:硅:6.5-7.0%，鎂:0.65-0.75%，鍶:0.03-0.04%，鈧:0.17-0.44%，鈦:0.21-0.52%，余量為鋁的情況下，也可以用其它質(zhì)量分數(shù)大于99.9%wt.的招錠、Al-Si中間合金錠、質(zhì)量分數(shù)大于99.9%wt.%的純鎂錠、Al-%Sr中間合金錠、Al-Sc中間合金錠和Al-Ti中間合金錠。另外本實施例是根據(jù)并采用尺寸為200*100*20mm3的磨具制備1kg該合金，也可根據(jù)并采用其它尺寸的磨具來設(shè)計相應(yīng)質(zhì)量的合金。
[0028]實施例1
[0029](I)制備1kg的鑄造合金，以質(zhì)量分數(shù)大于99.9%wt.的鋁錠(5.300kg)、Al-25￥1%31中間合金錠(2.7001^)、質(zhì)量分數(shù)大于99.9%￥1%的純鎂錠(0.0701^)、八1-13wt.% Sr 中間合金錠(0.025kg)、Al -2wt.% Sc 中間合金錠(I.500kg)和Al -1 Owt.% T i 中間合金錠(0.350kg)，采用電磁感應(yīng)熔煉方法熔煉合金，熔煉溫度控制在700-750°C，且在真空環(huán)境下澆鑄成鑄錠。合金鑄造金相組織如圖1所示。
[0030](2)將所得到的鑄錠加工成200*100*20mm3的鑄板。本實施例制得的合金經(jīng)電感耦合等離子光譜(ICP)測試，其化學(xué)成分(單位為重量百分比)為:硅(Si):6.87%，鎂(Mg):0.68%，鍶(Sr):0.032%，鈧(Sc):0.30%，鈦(Ti):0.35%，余量為鋁(Al);
[0031](3)將步驟(2)所得到的鑄板進行固溶處理6-8h，固溶溫度為532-537Γ，經(jīng)過固溶后的共晶Si分布變得均勻，而且形狀變成球狀，如圖2;
[0032](4)將固溶后的鑄板在0_5°C水中淬火10-30s，然后30s內(nèi)立即時效處理，時效處理溫度150-155°C，保溫時間4-6h，最后在空氣中自然冷卻得到高強度Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金。時效后，合金析出第二相沉淀，合金發(fā)生時效硬化，如圖3;
[0033](5)將(4)中得到的試樣制備成拉伸試樣，拉伸試樣設(shè)計如圖4;
[0034]本實例制得的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金時效處理后，其抗拉強度287Mpa，延伸率3.62 %，屈服強度203Mpa，如圖5。
[0035]實施例2
[0036]制備1kg的鑄造合金，以質(zhì)量分數(shù)大于99.9%wt.的鋁錠(5.800kg)、Al_25wt.%Si中間合金錠(2.700kg)、質(zhì)量分數(shù)大于99.9 %wt.%的純鎂錠(0.070kg)、Al-13wt.% Sr中間合金錠(0.025kg)、Al-2wt.% Sc中間合金錠(0.850kg)和Al-1Owt.% Ti中間合金錠(0.520kg)，采用電磁感應(yīng)熔煉方法熔煉合金，熔煉溫度控制在700-750°C，且在真空環(huán)境下澆鑄成鑄錠。
[0037](2)將所得到的鑄錠加工成200*100*20mm3的鑄板。本實施例制得的合金經(jīng)電感耦合等離子光譜(ICP)測試，其化學(xué)成分(單位為重量百分比)為:硅(Si):6.53%，鎂(Mg):0.68%，鍶(Sr):0.037%，鈧(Sc):0.17%，鈦(Ti):0.52%，余量為鋁(Al);
[0038](3)將步驟(2)所得到的鑄板進行固溶處理6-8h，固溶溫度為532-537°C ；
[0039](4)將固溶后的鑄板在0_5°C水中淬火10-30s，然后30s內(nèi)立即時效處理，時效處理溫度150-155°C，保溫時間4-6h，最后在空氣中自然冷卻得到Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金。
[0040](5)將(4)中得到的試樣制備成拉伸試樣，拉伸試樣設(shè)計如圖4;
[0041 ] 本實例制得的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金時效處理后，其抗拉強度269Mpa，延伸率2.40%，屈服強度2081^。
[0042]實施例3
[0043]制備1kg的鑄造合金，以質(zhì)量分數(shù)大于99.9%wt.的鋁錠(4.800kg)、Al_25wt.%Si中間合金錠(2.700kg)、質(zhì)量分數(shù)大于99.9 %wt.%的純鎂錠(0.070kg)、Al-13wt.% Sr中間合金錠(0.0251^)、41-2￥1%3(3中間合金錠(2.2001^)和厶1-10￥1%11中間合金錠(0.210kg)，采用電磁感應(yīng)熔煉方法熔煉合金，熔煉溫度控制在700-750°C，且在真空環(huán)境下澆鑄成鑄錠。
[0044](2)將所得到的鑄錠加工成200*100*20mm3的鑄板。本實施例制得的合金經(jīng)電感耦合等離子光譜(ICP)測試，其化學(xué)成分(單位為重量百分比)為:硅(Si):6.65%，鎂(Mg):0.72%，鍶(Sr):0.035%，鈧(Sc):0.44%，鈦(Ti):0.21 %，余量為鋁(Al);
[0045](3)將步驟(2)所得到的鑄板進行固溶處理6-8h，固溶溫度為532-537°C ；
[0046](4)將固溶后的鑄板在0_5°C水中淬火10-30s，然后30s內(nèi)立即時效處理，時效處理溫度150-155°C，保溫時間4-6h，最后在空氣中自然冷卻得到Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金。
[0047](5)將(4)中得到的試樣制備成拉伸試樣，拉伸試樣設(shè)計如圖4;
[0048]本實例制得的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金時效處理后，其抗拉強度267Mpa，延伸率2.69 %，屈服強度209Mpa。
【主權(quán)項】
1.一種具有高力學(xué)性能的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金;其特征是組成和質(zhì)量百分含量為，硅:6.5-7.0%，鎂:0.65-0.75%，鍶:0.03-0.04%，鈧:0.17-0.44%，鈦:0.2Ι-Ο.52%，余量為鋁。2.權(quán)利要求1的具有高力學(xué)性能的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金的制備方法，其特征是步驟如下: (1)根據(jù)Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金的成分和質(zhì)量百分含量，選Al-Si中間合金錠、Al-% Sr中間合金錠、Al-Sc中間合金錠、Al-Ti中間合金錠，質(zhì)量分數(shù)大于99.9% wt的招錠和質(zhì)量分數(shù)大于99.9 % wt的鎂錠，采用電磁感應(yīng)熔煉方法熔煉合金，且在真空環(huán)境下澆鑄成鑄錠； (2)將所得到的鑄錠加工成的鑄板； (3)將得到的鑄板在溫度為532-537°C進行固溶處理； (4)將固溶后的鑄板在0-5°C水中淬火，然后30 s內(nèi)立即時效處理，時效處理溫度150-155°C，保溫時間4-6h，最后在空氣中自然冷卻得到高力學(xué)性能Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti鑄造合金。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征是步驟I)的熔煉溫度在700-750V。4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征是步驟3)固溶處理6-8h。5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征是步驟5)淬火時間10-30s。
【文檔編號】C22C21/02GK105838937SQ201610340618
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】趙乃勤, 沈小岑, 師春生, 何春年, 劉恩佐
【申請人】天津大學(xué)