一種適用于半固態(tài)流變壓鑄的高強(qiáng)韌鋁合金材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鋁合金材料領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于半固態(tài)流變壓鑄的高強(qiáng)韌鋁合 金材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械 制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。
[0003] 鋁合金密度低，但強(qiáng)度比較高，接近或超過(guò)優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具 有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用，使用量?jī)H次于鋼。一些鋁合金可以采 用熱處理獲得良好的機(jī)械性能，物理性能和抗腐蝕性能。硬鋁合金屬A1 - Cu-Mg系，一般含 有少量的Μη，可熱處理強(qiáng)化.其特點(diǎn)是硬度大，但塑性較差。超硬鋁屬A1 - Cu-Mg-Zn系，可 熱處理強(qiáng)化，是室溫下強(qiáng)度最高的鋁合金.但耐腐蝕性差，高溫軟化快。鍛鋁合金主要是 A1-Zn-Mg-Si系合金，雖然加入元素種類多，但是含量少，因而具有優(yōu)良的熱塑性，適宜 鍛造，故又稱鍛造鋁合金。
[0004] 室溫時(shí)鑄造鋁合金，其抗拉強(qiáng)度超過(guò)350MPa、斷后伸長(zhǎng)率超過(guò)8%的中國(guó)國(guó)標(biāo)牌號(hào) 中，只有鋁銅系鑄造鋁合金的力學(xué)性能能夠達(dá)到這個(gè)指標(biāo)(GB/T1173-1995)。然而，由于鋁 銅系鑄造鋁合金的鑄造性能（即流動(dòng)性能)較差，很難采用壓鑄的辦法生產(chǎn)形狀比較復(fù)雜、 壁厚比較薄的鑄件，并且由于鋁銅系鑄造鋁合金的熱裂傾向大、腐蝕性能差等缺點(diǎn)，其應(yīng)用 領(lǐng)域也受到一定限制。鋁硅系鑄造鋁合金雖然鑄造性能較好，應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛，但是其力 學(xué)性能為中等，例如力學(xué)性能較高的有21^1014、21^1054、21^1144和21^116 ;21^10^、21^105八、 ZL114A和ZL116的鋁液分別經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理并采用金屬型鑄造的鑄件，在T6熱處理后，其抗拉 強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為：295MPa和3%、295MPa和2%、310MPa和3%、335MPa和4% (GB/ T1173-1995);除非采用半固態(tài)壓鑄或真空壓鑄，在T6熱處理后，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率可 以達(dá)到350MPa和8%，但是對(duì)于批量生產(chǎn)而言，力學(xué)性能的穩(wěn)定性很難得到保證。此外，鋁鎂 系、鋁鋅系鑄造鋁合金在某種程度上，力學(xué)性能低于鋁硅系鑄造鋁合金。
[0005] 中國(guó)專利CN102912197B公開了一種鋁硅鎂系鑄造鋁合金及其制備方法，然而該鋁 硅鎂系鑄造鋁合金的最大抗拉強(qiáng)度只有330MPa，且伸長(zhǎng)率只有1%，這顯然不能達(dá)到抗拉強(qiáng) 度超過(guò)350MPa且伸長(zhǎng)率超過(guò)8%的指標(biāo)。
[0006] 中國(guó)專利CN101760677B公開了一種高力學(xué)性能鑄造鋁合金，其按質(zhì)量百分比的構(gòu) 成為：硅:7.5~9.5%、銅：2.8~4.2%，鎂:0.4-0.6、錳:0.4-0.6%、鋯:0.2-0.4%、鉬0.5-0.7%、鈦:0.15-0.35%、鐵<0.25%、其它<0.15、余量為鋁;該鋁合金可以用于壓鑄，抗拉 強(qiáng)度2 400Mpa，延伸率2 4 %?？梢姡m然其抗拉強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，但是其伸長(zhǎng)率仍然偏低。
[0007] 中國(guó)專利CN100410406C公開了一種高強(qiáng)高韌鑄造鋁合金，其抗拉強(qiáng)度2 520Mpa， 延伸率2 13.5%，雖然抗拉強(qiáng)度和塑性都很高，但是其屬于鋁銅系鑄造鋁合金，并不適于壓 鑄。
[0008] 由此可見，現(xiàn)有技術(shù)中的多種鑄造鋁合金都不適于流變壓鑄。因此，研發(fā)一種適合 于壓鑄的高強(qiáng)韌鋁合金、尤其是適合于半固態(tài)流變壓鑄的高強(qiáng)韌鋁合金，是半固態(tài)鋁合金 成型領(lǐng)域的重要課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，并且針對(duì)市售的適于半固態(tài)流變壓鑄高強(qiáng) 韌鋁合金材料牌號(hào)較少的問題，發(fā)明人提供了以下技術(shù)方案：
[0010] 本發(fā)明的第一方面，提供了一種適用于半固態(tài)流變壓鑄的高強(qiáng)韌鋁合金材料，以 質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述鋁合金材料的合金成分為:Si:5~6%、Cu :0.8~1.2%、Mg:0.8~1.2%、 皿11:0.3~0.5%、〇6:0.2~0.3%、1^ :0.15~0.3%、5『：0.02~0.06%小6<0.15%，其它為 不可避免的雜質(zhì)元素，單個(gè)雜質(zhì)元素< 0.015%，雜質(zhì)元素總和< 0.2%，余量為鋁。
[0011] 優(yōu)選地，所述鋁合金材料的固相線為543°C且液相線為625°C。并且，其抗拉強(qiáng)度超 過(guò)350MPa，斷后伸長(zhǎng)率超過(guò)8%，達(dá)到GB/T1173-1995標(biāo)準(zhǔn)。
[0012]本發(fā)明所述鑄造鋁合金材料中，加入Cu后形成的Al2Cu可以完全固溶于初生α(Α1) 中，其強(qiáng)化效果比Mg2Si固溶強(qiáng)化效果好。與ZL101A相比，適當(dāng)降低Si含量后，初生α(Α1)的 質(zhì)量百分比提尚，錯(cuò)娃共晶相減少。提尚Mg的含量后，Mg2Si數(shù)量也得到提尚，而Mg2Si也可以 完全固溶于初生α(Α1)中。因此，初生α(Α1)得到進(jìn)一步固溶強(qiáng)化，鋁硅共晶組織這種脆性相 數(shù)量減少。
[0013] 本發(fā)明所述鑄造鋁合金材料中，由于Fe元素不可避免，所以適當(dāng)加入Μη，可以改善 Fe相夾雜物的形貌，從而減少夾雜Fe對(duì)力學(xué)性能的影響。同時(shí)，Μη還可以改善AhCu、Mg2Si和 共晶硅的形貌，使其尺寸更細(xì)并且無(wú)尖角產(chǎn)生。
[0014] 本發(fā)明所述鑄造鋁合金材料中，加入Ce和Sr后，鋁合金熔體的激活能和形核功降 低，形核率增加，在制備半固態(tài)漿料時(shí)，初生α(Α1)的尺寸更細(xì)，形狀因子更高。同時(shí)，Ce能夠 固氧去氫的作用，從而起到變質(zhì)、細(xì)化晶粒、凈化鋁液、減少氣體等作用，提高了鋁液流動(dòng) 性。
[0015] 此外，本發(fā)明的第二方面，提供了一種適用于半固態(tài)流變壓鑄的高強(qiáng)韌鋁合金材 料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0016] (1)將由21^10^、21^01厶^1-1(^6^1-103廣厶1-10111、工業(yè)純鎂錠組成的原材料進(jìn) 行備料;其中，ZL101A、ZL201A 為鑄錠，而 Al-10Ce、Al-10Sr、Al-10Mn 為塊狀；
[0017] (2)熔煉:先將計(jì)量好的ZL101A和ZL201A混合加入爐中熔化，直至溫度升至720°C ~730°C時(shí)，再依次加入41-10111^1-1(^6^1-103廣工業(yè)純鎂錠；
[0018] (3)精煉:在完成步驟(2)后所得的鋁合金熔液達(dá)到720 °C~730 °C的精煉溫度時(shí)， 加入精煉劑并采用通氮?dú)庑D(zhuǎn)法進(jìn)行除氣，最后扒渣；
[0019] (4)保溫:將步驟(3)得到的鋁合金熔液的溫度降至650~670°C并保溫，出爐，用于 流變壓鑄生產(chǎn)試棒或鑄件，或者將其澆注成鋁錠待用。
[0020] 優(yōu)選地，在上述制備方法中，所述流變壓鑄生產(chǎn)的步驟包括：
[0021 ]步驟一:采用永磁攪拌的方法制備半固態(tài)漿料，當(dāng)漿料溫度達(dá)到605~615°C時(shí)，立 即將表面的氧化皮挑除，然后立即倒入壓室進(jìn)行壓鑄；
[0022] 步驟二:進(jìn)行鑄件T6熱處理，其中，固溶熱處理分兩段:第一段520 ± 5°C保溫4~6 小時(shí)，第二段530 ± 5°C保溫2~4小時(shí);60~100°C水溫淬火，時(shí)效175 ± 5°C保溫3~6小時(shí)。 [0023]進(jìn)一步優(yōu)選地，在所述步驟一中：壓鑄時(shí)的模具溫度為250~300°C，料缸溫度為 300~350°C ;其中，采用一級(jí)壓射，錘頭速度為0 · 15~0 · 3m/s，增壓壓力為50~lOOMPa。
[0024] 更進(jìn)一步優(yōu)選地，在上述制備方法中，所述原材料的配比如下表所示：
[0025]
[0026] 表 1
[0027] 更進(jìn)一步優(yōu)選地，在上述制備方法中，所述ZL101A和所述ZL201A中的Fe < 0.15%。 [0028] 更進(jìn)一步優(yōu)選地，在上述制備方法中，由于塊狀的Al-10Mn、Al-10Ce、Al-10Sr比鋁 液比重大，因此，步驟(2)還包括:在加入所述Al-10Mn、Al-10Ce、Al-10Sr時(shí)，用帶有網(wǎng)孔并 涂覆涂料的不銹鋼勺子托住，放在鋁液表面以下30~60mm處直到完全熔化為止;采用鐘罩 壓入法加入所述工業(yè)純鎂錠。
[0029] 更進(jìn)一步優(yōu)選地，在上述制備方法中，所述流變壓鑄生產(chǎn)中采用的脫模劑為無(wú)硅 且發(fā)氣量低的優(yōu)質(zhì)脫模劑。
[0030] 更進(jìn)一步優(yōu)選地，在上述制備方法中，所述流變壓鑄生產(chǎn)中采用凡士林對(duì)沖頭進(jìn) 行潤(rùn)滑。
[0031] 采用上述制備方法制得的鋁合金材料，與現(xiàn)有技術(shù)中的鑄造鋁合金相比，所具有 的技術(shù)效果擁有以下優(yōu)勢(shì):本發(fā)明所述鋁合金材料試棒的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率，比現(xiàn)有 的鋁硅系鑄造合金都要高，接近鋁銅系鑄造合金ZL201A的力學(xué)性能;具體地，本發(fā)明所述鋁 合金材料試棒的抗拉強(qiáng)度為350~400MPa，斷后伸長(zhǎng)率為8~15%。而且，本發(fā)明所述鋁合金 材料的鑄造性能比ZL201A的鑄造性能更好，且比ZL105A的鑄造性能略好，接近ZL101A的鑄 造性能，因此，可以進(jìn)行流變壓鑄。此外，在本發(fā)明所述的制備方法中，所用原材料均為商用 牌號(hào)的原材料，熔煉制備時(shí)成本低廉，可以自行配置，而且可以減少和避免原材料中組織的 遺傳影響。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 本發(fā)明的第一方面，提供了一種適用于半固態(tài)流變壓鑄的高強(qiáng)韌鋁合金材料，以 質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，所述鋁合金材料的合金成分為:Si:5~6%、Cu :0.8~1.2%、Mg:0.8~1.2%、 皿11:0.3~0.5%、〇6:0.2~0.3%、1^ :0.15~0.3%、5『：0.02~0.06%小6<0.15%，其它為 不可避免的雜質(zhì)元素，單個(gè)雜質(zhì)元素< 0.015%，雜質(zhì)元素總和< 0.2%，余量為鋁。
[0033]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述鋁合金材料的固相線為543°C且液相線為625°C。
[0034] 本發(fā)明的第二方面，提供了一種適用于半固態(tài)流變壓鑄的高強(qiáng)韌鋁合金材料的制 備方法，包括如下步驟：
[0035] (1)將由21^1014、21^014^1-1(^6^1-1031~41-10111、工業(yè)純鎂錠組成的原材料進(jìn) 行備料;其中，ZL101A、ZL201A 為鑄錠，而 Al-10Ce、Al-10Sr、Al-10Mn 為塊狀；
[0036] (2)熔煉:先將計(jì)量好的ZL101A和ZL201A混合加入爐中熔化，直至溫度升至720°C ~730°C時(shí)，再依次加入41-10111^1-1(^6^1-103廣工業(yè)純鎂錠；
[0037] (3)精煉:在完成步驟(2)后所得的鋁合金熔液達(dá)到720 °C~730 °C的精煉溫度時(shí)， 加入精煉劑并采用通氮?dú)庑D(zhuǎn)法進(jìn)行除氣，最后扒渣；
[0038] (4)保溫:將步驟(3)得到的鋁合金熔液的溫度降至650~670°C并保溫，出爐，用于 流變壓鑄生產(chǎn)試棒或鑄件，或者將其澆注成鋁錠待用。
[0039] 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述流變壓鑄生產(chǎn)的步驟包括：
[0040] 步驟一:采用永磁攪拌的方法制備半固態(tài)漿料，當(dāng)漿料溫度達(dá)到60 5~615 °C時(shí)，立 即將表面的氧化皮挑除，然后立即倒入壓室進(jìn)行壓鑄；
[0041] 步驟二:進(jìn)行鑄件T6熱處理，其中，固溶熱處理分兩段:第一段520 ± 5°C保溫4~6 小時(shí)，第二段530 ± 5°C保溫2~4小時(shí);60~100°C水溫淬火，時(shí)效175 ± 5°C保溫3~6小時(shí)。 [0042]在一個(gè)進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述步驟一中：壓鑄時(shí)的模具溫度為250~300°C， 料缸溫度為300~350°C ;其中，采用一級(jí)壓射，錘頭速度為0.15~0.3m/s，增壓壓力為50~ 100MPa〇
[0043] 在一個(gè)更進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述原材料的配比為：74.2wt %的ZL10