CN120210603A - 基于微合金化与超声处理的高强韧铝硅镁合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微合金化与超声处理的高强韧铝硅镁合金及制备方法，包括以下成分：Si 6.0‑7.0wt％、Mg 0.3‑0.5wt％、Cu 1.2wt％、Ca 0.5±0.05wt％、Zr 0.2wt％，余量为Al。本发明通过微量添加铜(Cu)和钙(Ca)元素，提高了铝合金的强度，特别是中温性能和室温强度。锆(Zr)元素的添加显著细化了合金的晶粒，改善了合金的塑性和抗疲劳性能。合金的铸造性能稳定，适用于复杂结构件的制造。采用超声熔体处理工艺后，合金的晶粒更加细化，能有效提高合金的高温力学性能，适合用于承力结构件。

Description

基于微合金化与超声处理的高强韧铝硅镁合金及制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，尤其是涉及一种基于微合金化与超声处理的高强韧铝硅镁合金及制备方法。

背景技术

铝硅合金因其轻便、低热膨胀、优异的耐磨性、高比强度和优异的可浇铸性等优点而广泛应用于航空航天、汽车和电子等各个领域。然而，未经改性的铝硅合金含有针状共晶硅，在外部负载下会引起应力集中和微裂纹，从而降低其强度和塑性。此外，Al-7Si合金的粗α-Al枝晶容易铸造收缩孔隙率和成分偏析等缺陷，对其性能产生不利影响。通过精炼α-Al和修饰共晶硅，可以提高亚共晶硅的力学性能。

添加铜可以显著提高Al-Si-Mg合金的强度，因为在时效处理后会形成二次纳米级Al₂Cu分散体，而这些分散体是铝合金的主要硬化成分。但添加铜后铝硅镁合金强度的提高通常是牺牲其延展性实现的。此外，添加铜还会显著降低铝硅镁合金的熔点和共晶温度，从而导致了合金的凝固范围的增加以及孔隙度的形成条件。

Zr元素在铝熔体中形成高熔点Al₃Zr相，该相可作为α-Al的异质形核基底，显著提升铝合金的晶粒细化效果。同时，Zr在铝基体中具有高固溶度及低扩散系数，在后续热处理过程中可析出纳米级Al3Zr弥散相。此类析出相通过抑制铝合金的回复与再结晶行为，并阻碍位错运动，从而有效增强合金的高温力学性能。对于硅含量高于5％的亚共晶Al-Si-Mg合金，共晶硅相呈针状形貌，导致基体割裂严重，需通过变质处理改善。

Al-Re基合金高强度是不同类型纳米沉淀物的细晶粒和有效硬化共同作用的结果。Cu元素与Sc、Sr、Zr等稀土元素复合添加，形成Al₂Cu、Al₃Zr等初生相提供形核质点细化晶粒，可以将粗片状共晶硅调整成纤维状的结构以此改善合金的综合性能，因此少量添加稀土元素可以有效提高铸造合金的强度，且这种合金添加并不会会显著增加合金成本和合金密度。

综上所述，虽然Al-Si系合金应用较广，优势较为明显，但由于晶粒尺寸大和缺乏有效的沉淀强化，故其强塑性较差，未能在高强结构件上得到广泛应用。本发明的目的在于改善Al-Si系合金的强塑性，使其能作为主承力结构件得到更广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微合金化与超声处理的高强韧铝硅镁合金及制备方法，通过在Al-Si-Mg合金基础上加入铜(Cu)、钙(Ca)、锆(Zr)元素，能够有效提高铝合金的强度和塑性，并能够通过传统的重力铸造工艺制造出具有优异性能的铝合金产品。该合金具有优异的强度和塑性，能够用于制造主承力结构件，特别适用于需要高强度和高塑性的铝合金铸件。

根据本发明的一个目的，本发明提供一种基于微合金化与超声处理的高强韧铝硅镁合金，包括以下成分：

Si 6.0-7.0wt％、Mg 0.3-0.5wt％、Cu 1.2wt％、Ca 0.5±0.05wt％、Zr0.2wt％，余量为Al。

根据本发明的另一个目的，本发明提供上述基于微合金化与超声处理的高强韧铝硅镁合金的制备方法，包括如下步骤：

配料：将Al-Si-Mg-Cu-Ca-Zr的合金成分进行称量、表面处理；

熔炼：在电阻炉中将合金成分熔化，并保温至720～750℃；

精炼：加入精炼剂、搅拌并通入氩气进行除气处理；

超声处理：在合金熔体中插入钛合金棒进行超声处理；

浇铸：将合金熔体浇注至预热模具中进行铸造。

进一步地，超声处理时间为5分钟。

进一步地，当熔体温度降到710℃时，进行超声处理，将预热到400℃的钛合金杆插入熔体中深度30mm。

进一步地，合金浇铸后进行空冷至室温。

进一步地，制备的铝合金样品的抗拉强度为262MPa，延伸率为4.8％。

有益效果

本发明技术方案通过微量添加铜(Cu)和钙(Ca)元素，提高了铝合金的强度，特别是中温性能和室温强度。锆(Zr)元素的添加显著细化了合金的晶粒，改善了合金的塑性和抗疲劳性能。合金的铸造性能稳定，适用于复杂结构件的制造。采用超声熔体处理工艺后，合金的晶粒更加细化，能有效提高合金的高温力学性能，适合用于承力结构件。

附图说明

图1为本发明实施例的工艺流程图；

图2为本发明实施例2-4制备的合金的力学性能图。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

一种基于微合金化与超声处理的高强韧铝硅镁合金，包括以下成分：

Si 6.0-7.0wt％、Mg 0.3-0.5wt％、Cu 1.2wt％、Ca 0.5±0.05wt％、Zr0.2wt％，余量为Al及不可避免的杂质元素(如杂质元素能做到可避免，则不含有杂质元素)。

本发明通过添加多种合金元素来改善Al-Si-Mg系合金的强度。选用Cu、Ca为主合金元素来提升强度，选用Zr作为微合金化元素。设计出含不同Cu或Ca含量的Al-Si-Mg-Cu-Ca-Zr合金。其中，添加Cu可以显著提高Al-Si-Mg合金的强度，同时Ca的添加也是实现如此高强度的关键，Ca沿着小角度晶界偏析到位错核心，通过热力学降低位错能或动力学施加溶质阻力效应，降低位错迁移率并稳定小角度晶界进行强化，能同时提高强度和室温、中温性能。

如图1所示，具体地，本发明高强韧Al-Si-Mg合金的制备，主要步骤包括合金设计、合金熔炼两个部分。

(1)合金设计

本发明选用Al-Si-Mg基合金为基础，因为Al-Si-Mg基合金目前的应用较为广泛，其铸造性能稳定，并且具有较高的室温强度和良好的抗腐蚀性能。由于其具有优异的成型性能，故本发明中主承力结构件采用Al-Si-Mg合金为基础合金进行改进，使其具备生产复杂结构件的能力。

在Al-Si-Mg合金的基础上添加Cu、Ca、Zr元素进行改性，相关元素添加的设计原理如下：

Si：范围在4％～13％，铸造性能极佳，收缩性较小，良好的耐腐蚀性和气密性，力学性能和焊接性能也较好。

Mg：固溶在Al-Cu合金中形成固溶体，通过固溶强化提高合金的力学性能，Mg可以细化晶粒尺寸，在热处理过程中形成稳定的相结构，同时Mg具有改善合金的耐腐蚀性能。

Cu：在铝合金中可以通过固溶强化和析出强化机制提高铝合金的力学性能，改善合金的耐腐蚀性能和导电性能。

Ca：可作为变质剂，改变共晶硅的形貌，使其从粗大的板状或针状转变为细小的纤维状或颗粒状。这种细化效果可显著提高合金的塑性(如延伸率)和抗疲劳性能，Ca的变质效果更稳定，尤其在长时间熔炼或高温条件下，衰退现象较少，适合工业化生产。因此，本发明合金中Ca的含量在0.5wt.％。

Zr：Zr在Al熔体中形成高熔点Al3Zr相，可作为α-Al的异质形核基底，显著细化合金晶粒。细化的晶粒结构不仅提升合金的室温强度，还改善其塑性和抗疲劳性能。Zr的添加可间接调控共晶硅的形貌，降低共晶硅相的粗化倾向，缓解针状硅对基体的割裂效应，从而提升合金的断裂韧性，同时与Mg、Si等元素协同作用，形成复合协同强化效应。

因此，本发明采用Cu、Ca、Zr元素添加至Al-Si-Mg合金中，设计出低成本Al-Si-Mg-Cu-Ca-Zr合金，并对其进行熔炼制备出铝合金主承力结构件。

(2)合金熔炼

按照合金的设计成分准备材料，进行熔炼铸造实验，采用传统的金属重力铸造方法。具体步骤如下：

a.在井式电阻熔炼炉中进行熔炼，提前将用于浇铸的不锈钢模具放入电阻炉200～300℃预热，调整井式炉温度至720～750℃；

b.按照合金设计成分称量原材料，将称量好的铝锭和其余中间合金进行表面机械打磨，直至表面呈现金属光泽，以除去表面氧化层；机械打磨完毕后放入电阻炉中进行预热，预热温度200～300℃，目的是蒸干其表面水分；

c.待电阻炉温度达到设定温度720～750℃时，将预热好的铝锭放入井式炉的熔炼坩埚中静置15～20min，静置结束后铝锭完全熔融，然后迅速加入预热好的其余中间合金，静置保温10～15min；

d.静置保温结束后进行精炼，将精炼剂加入熔液中，加入过程中不断搅拌熔液，加入完毕后保温静置10～15min；静置结束后通入氩气10～15min进行除气处理；除气结束后开始除渣，使用不锈钢勺将表面的过烧产物和杂质去除；然后进行静置10～15min；

e.当熔体温度降到710℃时，将预热到400℃的钛合金杆插入熔体中(深度约30mm)，超声处理5min后，撤出超声装置，此时熔体的温度大约为695℃；

f.上一步静置结束后开始进行浇铸，在进行浇铸之前开始降低电阻炉温度，待温度降至680～720℃时开始浇铸，将静置好的铝合金浇注预热到250℃的方形模具中空冷，注意浇铸速度不宜过快，防止形成较深的冒口。

(3)性能测试

将制备完毕的合金样品切割进行拉伸性能测试。拉伸试样规格符合GB/T 6397-1986标准，拉伸测试方法符合GB/T228.1-2010标准。

由铸造板材加工出标距长度为15mm的片状样品，用于单轴拉伸试验。拉伸试验的样品是总长55mm、厚度2mm的片材。拉伸测试在室温下在Instron 4505机器上进行，十字头速度为1.0mm/min。拉伸试验中的应变是通过引伸计测量的。每个案例拉伸测试三个样本。

详见实施例2-4，如图2所示：

实施例2：

本实施例采用与实施例1相同的合金元素设计，采用传统重力铸造制备出具有优异性能的高强塑铝合金材料，包括以下步骤：

步骤S1：配料：

Al-7Si-0.5Mg-1.2Cu-0.5Ca进行称量配料，原料进行表面处理(去除污物，氧化皮)，配料完成后对原料进行预热处理，在电阻炉中200℃预热1h；

步骤S2：熔炼：

设定熔炼炉温度为730℃，待熔炼炉温度升至预定温度时，将预热完成的纯铝锭放入熔炼炉的坩埚中，静置待其熔化后，分别将预热完成的纯Al、纯Cu、Al-50Mg中间合金、Al-10Ca中间合金、Al-20Si中间合金加入到熔炼炉的坩埚中；接着升高熔炼温度至750℃，并保温10分钟；

步骤S3：接下来开始精炼处理，将精炼剂加入熔液中，加入过程中不断搅拌熔液，加入完毕升温至750℃后保温静置10分钟；

步骤S4：静置结束后通入氩气10分钟进行除气处理；除气结束后进行表面扒渣，使用不锈钢勺子将表面浮渣去除；最后将炉温降低720℃；

步骤S5：浇铸，将静置好的铝合金浇注预热到250℃的方形模具中，制得块状铸态铝合金，铸锭空冷至室温；

步骤S6：采用光谱分析仪对本实施例2得到的新型高强铸造铝合金进行成分检测，检测结果为：本实施例2得到的高强铸造铝合金包括：7.05wt％的Si，0.47wt％的Mg，1.15wt％的Cu，0.44wt％的Ca，杂质元素Fe和Ni等的总量小于0.05wt％，余量为铝。

步骤S7：性能检测，将熔炼得到的铝合金铸锭进行机加工，将铝合金铸锭加工成拉伸性能测试试样状进行拉伸性能测试，拉伸测试方法符合GB/T228.1-2010标准，实验重复三次以确保数据的准确性。

实施例3

本实施例与实施例2相比，区别在于将步骤S1中将合金成分改为Al-7Si-0.5Mg-1.2Cu-0.5Ca-0.2Zr，在步骤S2中将添加Al-5Zr中间合金，其余步骤与实施例2相同。

采用光谱分析仪对本实施例3得到的对比铸造镁合金进行成分检测，检测结果为：本实施例实施例3得到的对比铸造镁合金包括：7.01wt％的Si，0.48wt％的Mg，1.16wt％的Cu，0.47wt％的Ca，0.17wt％的Zr，杂质元素Fe和Ni等的总量小于0.05wt％，余量为铝。

接下来进行性能检测，将熔炼得到的铝合金铸锭进行机加工，将铝合金铸锭加工成拉伸性能测试试样状进行拉伸性能测试，拉伸测试方法符合GB/T228.1-2010标准，实验重复三次以确保数据的准确性。

本实施例3说明了本发明中合金成分设计是必要的，在添加0.2wt％的Zr的情况下，能得到更佳强塑性的铝合金产品。

实施例4

本实施例4与实施例3相比，在步骤S4后添加，当熔体温度降到710℃时，将预热到400℃的钛合金杆插入熔体中(深度30mm)，1200W功率，超声处理5min后，撤出超声装置，此时熔体的温度大约为695℃，其余步骤与实施例3相同。

采用光谱分析仪对本实施例4得到的对比铸造镁合金进行成分检测，检测结果为：本实施例得到的对比铸造镁合金包括：6.99wt％的Si，0.49wt％的Mg，1.19wt％的Cu，0.46wt％的Ca，0.18wt％的Zr，杂质元素Fe和Ni等的总量小于0.05wt％，余量为铝。

接下来进行性能检测，将熔炼得到的铝合金铸锭进行机加工，将铝合金铸锭加工成拉伸性能测试试样状进行拉伸性能测试，拉伸测试方法符合GB/T228.1-2010标准，实验重复三次以确保数据的准确性。

本实施例4说明了超声熔体处理是必要的，在增加超声熔体处理的情况下，对合金强塑化增幅更为显著，对比的新型高强铸造铝合金强度远高于实施例2中的新型高强铸造铝合金。

以上实施案例的性能检测结果如下表所示：

本发明在小额增加成本的前提下，在Al-Si-Mg合金基础进行微量元素的调节，可以实现较高的强度和塑性。在不需要通过额外的加工工艺的情况下，通过传统的重力铸造即可获得具有优异性能的铝合金产品，可以大幅度提高生产效率。本发明经过超声熔体处理后具有该成分的镁合金，可以铸造大尺寸规格样品，样品内部缺陷少，可以用作主承力结构件产品的制备。

与现有技术相比，在性能方面，本发明铝合金产品具有优异的强度；在制备成本方面，由于合金元素均为微量化添加，并且不涉及复杂的工艺方法和流程，制备成本较低；因此，该新型镁合金具备有商业化生产的潜力。

本发明制造过程符合安全环保的理念，不会对环境产生任何污染。本发明在保证合金成分偏差和杂质元素符合规定的情况下，可以对超过服役时长的产品进行回收利用，二次熔炼进而节约成本。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.基于微合金化与超声处理的高强韧铝硅镁合金，其特征在于，包括以下成分：

Si 6.0-7.0wt％、Mg 0.3-0.5wt％、Cu 1.2wt％、Ca 0.5±0.05wt％、Zr0.2wt％，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的基于微合金化与超声处理的高强韧铝硅镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

配料：将Al-Si-Mg-Cu-Ca-Zr的合金成分进行称量、表面处理；

熔炼：在电阻炉中将合金成分熔化，并保温至720～750℃；

精炼：加入精炼剂、搅拌并通入氩气进行除气处理；

超声处理：在合金熔体中插入钛合金棒进行超声处理；

浇铸：将合金熔体浇注至预热模具中进行铸造。

3.根据权利要求2所述的基于微合金化与超声处理的高强韧铝硅镁合金的制备方法，其特征在于，超声处理时间为5分钟。

4.根据权利要求2所述的基于微合金化与超声处理的高强韧铝硅镁合金的制备方法，其特征在于，当熔体温度降到710℃时，进行超声处理，将预热到400℃的钛合金杆插入熔体中深度30mm。

5.根据权利要求2所述的基于微合金化与超声处理的高强韧铝硅镁合金的制备方法，其特征在于，合金浇铸后进行空冷至室温。

6.根据权利要求2所述的基于微合金化与超声处理的高强韧铝硅镁合金的制备方法，其特征在于，制备的铝合金样品的抗拉强度为262MPa，延伸率为4.8％。