一种适用于半固态流变压铸的高强韧铝合金材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及铝合金材料领域，尤其涉及一种适用于半固态流变压铸的高强韧铝合 金材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械 制造、船舶及化学工业中已大量应用。
[0003] 铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具 有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。一些铝合金可以采 用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。硬铝合金属A1 - Cu-Mg系，一般含 有少量的Μη，可热处理强化.其特点是硬度大，但塑性较差。超硬铝属A1 - Cu-Mg-Zn系，可 热处理强化，是室温下强度最高的铝合金.但耐腐蚀性差，高温软化快。锻铝合金主要是 A1-Zn-Mg-Si系合金，虽然加入元素种类多，但是含量少，因而具有优良的热塑性，适宜 锻造，故又称锻造铝合金。
[0004] 室温时铸造铝合金，其抗拉强度超过350MPa、断后伸长率超过8%的中国国标牌号 中，只有铝铜系铸造铝合金的力学性能能够达到这个指标(GB/T1173-1995)。然而，由于铝 铜系铸造铝合金的铸造性能（即流动性能)较差，很难采用压铸的办法生产形状比较复杂、 壁厚比较薄的铸件，并且由于铝铜系铸造铝合金的热裂倾向大、腐蚀性能差等缺点，其应用 领域也受到一定限制。铝硅系铸造铝合金虽然铸造性能较好，应用领域最为广泛，但是其力 学性能为中等，例如力学性能较高的有21^1014、21^1054、21^1144和21^116 ;21^10^、21^105八、 ZL114A和ZL116的铝液分别经过变质处理并采用金属型铸造的铸件，在T6热处理后，其抗拉 强度和断后伸长率分别为：295MPa和3%、295MPa和2%、310MPa和3%、335MPa和4% (GB/ T1173-1995);除非采用半固态压铸或真空压铸，在T6热处理后，抗拉强度和断后伸长率可 以达到350MPa和8%，但是对于批量生产而言，力学性能的稳定性很难得到保证。此外，铝镁 系、铝锌系铸造铝合金在某种程度上，力学性能低于铝硅系铸造铝合金。
[0005] 中国专利CN102912197B公开了一种铝硅镁系铸造铝合金及其制备方法，然而该铝 硅镁系铸造铝合金的最大抗拉强度只有330MPa，且伸长率只有1%，这显然不能达到抗拉强 度超过350MPa且伸长率超过8%的指标。
[0006] 中国专利CN101760677B公开了一种高力学性能铸造铝合金，其按质量百分比的构 成为：硅:7.5~9.5%、铜：2.8~4.2%，镁:0.4-0.6、锰:0.4-0.6%、锆:0.2-0.4%、钼0.5-0.7%、钛:0.15-0.35%、铁<0.25%、其它<0.15、余量为铝;该铝合金可以用于压铸，抗拉 强度2 400Mpa，延伸率2 4 %。可见，虽然其抗拉强度达标，但是其伸长率仍然偏低。
[0007] 中国专利CN100410406C公开了一种高强高韧铸造铝合金，其抗拉强度2 520Mpa， 延伸率2 13.5%，虽然抗拉强度和塑性都很高，但是其属于铝铜系铸造铝合金，并不适于压 铸。
[0008] 由此可见，现有技术中的多种铸造铝合金都不适于流变压铸。因此，研发一种适合 于压铸的高强韧铝合金、尤其是适合于半固态流变压铸的高强韧铝合金，是半固态铝合金 成型领域的重要课题。
【发明内容】
[0009] 为了解决现有技术中存在的上述问题，并且针对市售的适于半固态流变压铸高强 韧铝合金材料牌号较少的问题，发明人提供了以下技术方案：
[0010] 本发明的第一方面，提供了一种适用于半固态流变压铸的高强韧铝合金材料，以 质量分数计，所述铝合金材料的合金成分为: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%，其它为 不可避免的杂质元素，单个杂质元素< 0.015%，杂质元素总和< 0.2%，余量为铝。
[0011] 优选地，所述铝合金材料的固相线为543°C且液相线为625°C。并且，其抗拉强度超 过350MPa，断后伸长率超过8%，达到GB/T1173-1995标准。
[0012]本发明所述铸造铝合金材料中，加入Cu后形成的Al2Cu可以完全固溶于初生α(Α1) 中，其强化效果比Mg2Si固溶强化效果好。与ZL101A相比，适当降低Si含量后，初生α(Α1)的 质量百分比提尚，错娃共晶相减少。提尚Mg的含量后，Mg2Si数量也得到提尚，而Mg2Si也可以 完全固溶于初生α(Α1)中。因此，初生α(Α1)得到进一步固溶强化，铝硅共晶组织这种脆性相 数量减少。
[0013] 本发明所述铸造铝合金材料中，由于Fe元素不可避免，所以适当加入Μη，可以改善 Fe相夹杂物的形貌，从而减少夹杂Fe对力学性能的影响。同时，Μη还可以改善AhCu、Mg2Si和 共晶硅的形貌，使其尺寸更细并且无尖角产生。
[0014] 本发明所述铸造铝合金材料中，加入Ce和Sr后，铝合金熔体的激活能和形核功降 低，形核率增加，在制备半固态浆料时，初生α(Α1)的尺寸更细，形状因子更高。同时，Ce能够 固氧去氢的作用，从而起到变质、细化晶粒、净化铝液、减少气体等作用，提高了铝液流动 性。
[0015] 此外，本发明的第二方面，提供了一种适用于半固态流变压铸的高强韧铝合金材 料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0016] (1)将由21^10^、21^01厶^1-1(^6^1-103广厶1-10111、工业纯镁锭组成的原材料进 行备料;其中，ZL101A、ZL201A 为铸锭，而 Al-10Ce、Al-10Sr、Al-10Mn 为块状；
[0017] (2)熔炼:先将计量好的ZL101A和ZL201A混合加入炉中熔化，直至温度升至720°C ~730°C时，再依次加入41-10111^1-1(^6^1-103广工业纯镁锭；
[0018] (3)精炼:在完成步骤(2)后所得的铝合金熔液达到720 °C~730 °C的精炼温度时， 加入精炼剂并采用通氮气旋转法进行除气，最后扒渣；
[0019] (4)保温:将步骤(3)得到的铝合金熔液的温度降至650~670°C并保温，出炉，用于 流变压铸生产试棒或铸件，或者将其浇注成铝锭待用。
[0020] 优选地，在上述制备方法中，所述流变压铸生产的步骤包括：
[0021 ]步骤一:采用永磁搅拌的方法制备半固态浆料，当浆料温度达到605~615°C时，立 即将表面的氧化皮挑除，然后立即倒入压室进行压铸；
[0022] 步骤二:进行铸件T6热处理，其中，固溶热处理分两段:第一段520 ± 5°C保温4~6 小时，第二段530 ± 5°C保温2~4小时;60~100°C水温淬火，时效175 ± 5°C保温3~6小时。 [0023]进一步优选地，在所述步骤一中：压铸时的模具温度为250~300°C，料缸温度为 300~350°C ;其中，采用一级压射，锤头速度为0 · 15~0 · 3m/s，增压压力为50~lOOMPa。
[0024] 更进一步优选地，在上述制备方法中，所述原材料的配比如下表所示：
[0025]
[0026] 表 1
[0027] 更进一步优选地，在上述制备方法中，所述ZL101A和所述ZL201A中的Fe < 0.15%。 [0028] 更进一步优选地，在上述制备方法中，由于块状的Al-10Mn、Al-10Ce、Al-10Sr比铝 液比重大，因此，步骤(2)还包括:在加入所述Al-10Mn、Al-10Ce、Al-10Sr时，用带有网孔并 涂覆涂料的不锈钢勺子托住，放在铝液表面以下30~60mm处直到完全熔化为止;采用钟罩 压入法加入所述工业纯镁锭。
[0029] 更进一步优选地，在上述制备方法中，所述流变压铸生产中采用的脱模剂为无硅 且发气量低的优质脱模剂。
[0030] 更进一步优选地，在上述制备方法中，所述流变压铸生产中采用凡士林对冲头进 行润滑。
[0031] 采用上述制备方法制得的铝合金材料，与现有技术中的铸造铝合金相比，所具有 的技术效果拥有以下优势:本发明所述铝合金材料试棒的抗拉强度和断后伸长率，比现有 的铝硅系铸造合金都要高，接近铝铜系铸造合金ZL201A的力学性能;具体地，本发明所述铝 合金材料试棒的抗拉强度为350~400MPa，断后伸长率为8~15%。而且，本发明所述铝合金 材料的铸造性能比ZL201A的铸造性能更好，且比ZL105A的铸造性能略好，接近ZL101A的铸 造性能，因此，可以进行流变压铸。此外，在本发明所述的制备方法中，所用原材料均为商用 牌号的原材料，熔炼制备时成本低廉，可以自行配置，而且可以减少和避免原材料中组织的 遗传影响。
【具体实施方式】
[0032] 本发明的第一方面，提供了一种适用于半固态流变压铸的高强韧铝合金材料，以 质量分数计，所述铝合金材料的合金成分为: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%，其它为 不可避免的杂质元素，单个杂质元素< 0.015%，杂质元素总和< 0.2%，余量为铝。
[0033]在一个优选实施例中，所述铝合金材料的固相线为543°C且液相线为625°C。
[0034] 本发明的第二方面，提供了一种适用于半固态流变压铸的高强韧铝合金材料的制 备方法，包括如下步骤：
[0035] (1)将由21^1014、21^014^1-1(^6^1-1031~41-10111、工业纯镁锭组成的原材料进 行备料;其中，ZL101A、ZL201A 为铸锭，而 Al-10Ce、Al-10Sr、Al-10Mn 为块状；
[0036] (2)熔炼:先将计量好的ZL101A和ZL201A混合加入炉中熔化，直至温度升至720°C ~730°C时，再依次加入41-10111^1-1(^6^1-103广工业纯镁锭；
[0037] (3)精炼:在完成步骤(2)后所得的铝合金熔液达到720 °C~730 °C的精炼温度时， 加入精炼剂并采用通氮气旋转法进行除气，最后扒渣；
[0038] (4)保温:将步骤(3)得到的铝合金熔液的温度降至650~670°C并保温，出炉，用于 流变压铸生产试棒或铸件，或者将其浇注成铝锭待用。
[0039] 在一个优选实施例中，所述流变压铸生产的步骤包括：
[0040] 步骤一:采用永磁搅拌的方法制备半固态浆料，当浆料温度达到60 5~615 °C时，立 即将表面的氧化皮挑除，然后立即倒入压室进行压铸；
[0041] 步骤二:进行铸件T6热处理，其中，固溶热处理分两段:第一段520 ± 5°C保温4~6 小时，第二段530 ± 5°C保温2~4小时;60~100°C水温淬火，时效175 ± 5°C保温3~6小时。 [0042]在一个进一步优选的实施例中，所述步骤一中：压铸时的模具温度为250~300°C， 料缸温度为300~350°C ;其中，采用一级压射，锤头速度为0.15~0.3m/s，增压压力为50~ 100MPa〇
[0043] 在一个更进一步优选的实施例中，所述原材料的配比为：74.2wt %的ZL10