一种具有高力学性能的Al-Si-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有高力学性能的Al?Si?Mg?Sr?Sc?Ti铸造合金及制备方法；铸造合金组成和质量百分含量为，硅：6.5?7.0％，镁：0.65?0.75％，锶：0.03?0.04％，钪：0.17?0.44％，钛：0.21?0.52％，余量为铝。采用电磁感应熔炼方法熔炼合金，在真空环境下浇铸成铸锭；在温度为532?537℃进行固溶处理；将固溶后的铸板淬火、时效处理最后在空气中自然冷却得到铸造合金。本发明制备方法简单，所制铸造合金晶粒明显发生细化，柱状晶明显消失，出现等轴晶粒，共晶Si分布均匀，和成分相当的商业A357合金相比，新型的铸造合金，不但抗拉强度提升11％，延伸率也提高了84％。
【专利说明】
一种具有高力学性能的A1-S 1-Mg-Sr-Sc-T i铸造合金及其制备方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种具有高力学性能的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金及其制备方法，属于有色金属材料技术领域。
【背景技术】
[0002]Al-S1-Mg属于可热处理强化的铸造合金。由于该铸造合金流动性好，比强度高，耐腐蚀性好，良好的加工性而广泛运用于飞机，建筑及汽车等领域，特别是汽车轮毂。随着科技的不断进步，在某些特殊坏境下，传统的铝合金材料力学性能已经无法满足新型轮毂的要求，因此迫切需要发展新型高强铸造铝合金来满足现科技发展。
[0003]Al-S1-Mg铸造合金的主要强化机理是时效强化，该铸造合金时效过程中析出相的顺序通常认为:a(SSS_过饱和固溶体)—GP或GP-1区—β”相(GP-1I)4f3’相—β相(Mg2Si)。即:固溶处理过程中形成过饱和固溶体，时效过程中先析出富积Mg和Si的原子团，原子团的慢慢长大形成GP区，然后随着时效时间的延长GP区长大成介稳相-β”相，β”相是主要的强化相，当时间继续增加就会产生过时效现象形成β’相，甚至是β相。
[0004]Sc是铝合金中新型的，最有效的细化剂，受到了广泛的关注。Sc主要通过细晶强化和时效硬化来提高合金的力学性能。由于Al3Sc和Al之间错配度小于1.5%，所以初生的A13Sc可以作为a-Al的有效晶核从而达到细晶强化的作用，而且时效过程中，次生的A13Sc也可以通过钉扎位错来提升铝合金的力学性能。
[0005]自上世纪以来，前苏联和俄罗斯在含钪的生产和应用方面取得了很大的突破，特别是运用于铝合金方面，对铝钪合金的发展起到的不可替代的作用。而在国内，铝钪合金在中南大学和天津大学等的研究下也起到了不少进步。但是由于钪成本很高，影响了铝钪合金的研究和运用。通过复合添加Ti和Sc不但能够降低Sc的含量，而且铝钪合金的力学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.)分别研究了复合添加 Sc 和Ti 复合添加对Al-5Mg微观组织和力学性能的影响，结果表明Sc和Ti复合添加对合金的力学性能有很大的提升作用。
[0006]Al-Si铸造合金中的共晶Si呈现出片状结构，所以共晶Si的尺寸，形状和分布对Al-Si铸造合金的力学性能都有很大影响。但是M.Timpel(The role of strontium inmodifying aluminium-silicon alloys ,Acta Mater，60(2012)3920_3928)发现向Al-Si铸造合金中添加约250ppm的Sr对共晶Si的尺寸，形貌和分布都有很大的改善作用，从而提升Al-Si铸造合金的性能。
[0007]但是随着科技的发展，目前普通的Al-S1-Mg合金已经无法满足特殊条件下(高温或高压)的要求。因此本法明提供了一种具有高力学性能的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金及其工艺制备方法，本发明中主要针对了抗拉强度和延伸率两种力学性能进行了表征，发现这两种性能得到很大改善。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种具有高力学性能的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金及其制备方法。该铸造合金的力学性能良好，针对合金的抗拉强度和延伸率进行研究，发现抗拉强度和延伸率同时提升，并且制备方法简单。
[0009]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0010]一种具有高力学性能的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金；组成和质量百分含量为，硅:6.5-7.0%，镁:0.65-0.75%，锶:0.03-0.04%，钪:0.17-0.44%，钛:0.21-0.52%，余量为铝。
[0011]本发明的具有高力学性能的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金的制备方法如下:
[0012](I)根据Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金的成分和质量百分含量，选Al-Si中间合金锭、Al-% Sr中间合金锭、Al-Sc中间合金锭、Al-Ti中间合金锭，质量分数大于99.9% wt的招锭和质量分数大于99.9 % wt的镁锭，采用电磁感应熔炼方法熔炼合金，且在真空环境下浇铸成铸锭；
[0013](2)将所得到的铸锭加工成的铸板；
[0014](3)将得到的铸板在温度为532_537°C进行固溶处理；
[0015](4)将固溶后的铸板在0-5 °C水中淬火，然后30s内立即时效处理，时效处理温度150-155°C，保温时间4-6h，最后在空气中自然冷却得到高力学性能Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金。
[0016]优选条件如下:
[0017]步骤I)的熔炼温度在700-750°C。
[0018]步骤3)固溶处理6_8h。
[0019]步骤5)淬火时间10-30s。
[0020]本发明的优点:制备方法简单，所制Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金晶粒明显发生细化，柱状晶明显消失，出现等轴晶粒，而且共晶Si分布均匀，和成分相当的商业A357合金相比，新型的铸造合金，不但抗拉强度提升11%，延伸率也提高了84%。
【附图说明】
[0021]图1为本发明实施例1所制得的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金铸态的金相组织照片。
[0022]图2为本发明实施例1所制得的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金经过固溶后，具有良好形貌的小尺寸共晶Si均匀分布的金相组织照片。
[0023]图3为本发明实施例1所制得的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金经过T6处理后的透射照片。
[0024]图4为本发明实施例1，2，3所制得的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金拉伸试样设计图。
[0025]图5为本发明实施例1所制得的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金进过T6处理后的拉伸曲线图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合实施例进一步说明本发明，并不限制本发明。
[0027]实施例1、2和3所采用的材料为:质量分数大于99.9%wt.的铝锭、Al_25wt.% Si中间合金锭、质量分数大于99.9%wt.%的纯镁锭、Al_13wt.%Sr中间合金锭、Al_2wt.%Sc中间合金锭和Al-1Owt.% Ti中间合金锭，但是并不限制本发明，在保证Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金的成分和质量百分含量是:硅:6.5-7.0%，镁:0.65-0.75%，锶:0.03-0.04%，钪:0.17-0.44%，钛:0.21-0.52%，余量为铝的情况下，也可以用其它质量分数大于99.9%wt.的招锭、Al-Si中间合金锭、质量分数大于99.9%wt.%的纯镁锭、Al-%Sr中间合金锭、Al-Sc中间合金锭和Al-Ti中间合金锭。另外本实施例是根据并采用尺寸为200*100*20mm3的磨具制备1kg该合金，也可根据并采用其它尺寸的磨具来设计相应质量的合金。
[0028]实施例1
[0029](I)制备1kg的铸造合金，以质量分数大于99.9%wt.的铝锭(5.300kg)、Al-25￥1%31中间合金锭(2.7001^)、质量分数大于99.9%￥1%的纯镁锭(0.0701^)、八1-13wt.% Sr 中间合金锭(0.025kg)、Al -2wt.% Sc 中间合金锭(I.500kg)和Al -1 Owt.% T i 中间合金锭(0.350kg)，采用电磁感应熔炼方法熔炼合金，熔炼温度控制在700-750°C，且在真空环境下浇铸成铸锭。合金铸造金相组织如图1所示。
[0030](2)将所得到的铸锭加工成200*100*20mm3的铸板。本实施例制得的合金经电感耦合等离子光谱(ICP)测试，其化学成分(单位为重量百分比)为:硅(Si):6.87%，镁(Mg):0.68%，锶(Sr):0.032%，钪(Sc):0.30%，钛(Ti):0.35%，余量为铝(Al);
[0031](3)将步骤(2)所得到的铸板进行固溶处理6-8h，固溶温度为532-537Γ，经过固溶后的共晶Si分布变得均匀，而且形状变成球状，如图2;
[0032](4)将固溶后的铸板在0_5°C水中淬火10-30s，然后30s内立即时效处理，时效处理温度150-155°C，保温时间4-6h，最后在空气中自然冷却得到高强度Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金。时效后，合金析出第二相沉淀，合金发生时效硬化，如图3;
[0033](5)将(4)中得到的试样制备成拉伸试样，拉伸试样设计如图4;
[0034]本实例制得的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金时效处理后，其抗拉强度287Mpa，延伸率3.62 %，屈服强度203Mpa，如图5。
[0035]实施例2
[0036]制备1kg的铸造合金，以质量分数大于99.9%wt.的铝锭(5.800kg)、Al_25wt.%Si中间合金锭(2.700kg)、质量分数大于99.9 %wt.%的纯镁锭(0.070kg)、Al-13wt.% Sr中间合金锭(0.025kg)、Al-2wt.% Sc中间合金锭(0.850kg)和Al-1Owt.% Ti中间合金锭(0.520kg)，采用电磁感应熔炼方法熔炼合金，熔炼温度控制在700-750°C，且在真空环境下浇铸成铸锭。
[0037](2)将所得到的铸锭加工成200*100*20mm3的铸板。本实施例制得的合金经电感耦合等离子光谱(ICP)测试，其化学成分(单位为重量百分比)为:硅(Si):6.53%，镁(Mg):0.68%，锶(Sr):0.037%，钪(Sc):0.17%，钛(Ti):0.52%，余量为铝(Al);
[0038](3)将步骤(2)所得到的铸板进行固溶处理6-8h，固溶温度为532-537°C ；
[0039](4)将固溶后的铸板在0_5°C水中淬火10-30s，然后30s内立即时效处理，时效处理温度150-155°C，保温时间4-6h，最后在空气中自然冷却得到Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金。
[0040](5)将(4)中得到的试样制备成拉伸试样，拉伸试样设计如图4;
[0041 ] 本实例制得的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金时效处理后，其抗拉强度269Mpa，延伸率2.40%，屈服强度2081^。
[0042]实施例3
[0043]制备1kg的铸造合金，以质量分数大于99.9%wt.的铝锭(4.800kg)、Al_25wt.%Si中间合金锭(2.700kg)、质量分数大于99.9 %wt.%的纯镁锭(0.070kg)、Al-13wt.% Sr中间合金锭(0.0251^)、41-2￥1%3(3中间合金锭(2.2001^)和厶1-10￥1%11中间合金锭(0.210kg)，采用电磁感应熔炼方法熔炼合金，熔炼温度控制在700-750°C，且在真空环境下浇铸成铸锭。
[0044](2)将所得到的铸锭加工成200*100*20mm3的铸板。本实施例制得的合金经电感耦合等离子光谱(ICP)测试，其化学成分(单位为重量百分比)为:硅(Si):6.65%，镁(Mg):0.72%，锶(Sr):0.035%，钪(Sc):0.44%，钛(Ti):0.21 %，余量为铝(Al);
[0045](3)将步骤(2)所得到的铸板进行固溶处理6-8h，固溶温度为532-537°C ；
[0046](4)将固溶后的铸板在0_5°C水中淬火10-30s，然后30s内立即时效处理，时效处理温度150-155°C，保温时间4-6h，最后在空气中自然冷却得到Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金。
[0047](5)将(4)中得到的试样制备成拉伸试样，拉伸试样设计如图4;
[0048]本实例制得的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金时效处理后，其抗拉强度267Mpa，延伸率2.69 %，屈服强度209Mpa。
【主权项】
1.一种具有高力学性能的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金;其特征是组成和质量百分含量为，硅:6.5-7.0%，镁:0.65-0.75%，锶:0.03-0.04%，钪:0.17-0.44%，钛:0.2Ι-Ο.52%，余量为铝。2.权利要求1的具有高力学性能的Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金的制备方法，其特征是步骤如下: (1)根据Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金的成分和质量百分含量，选Al-Si中间合金锭、Al-% Sr中间合金锭、Al-Sc中间合金锭、Al-Ti中间合金锭，质量分数大于99.9% wt的招锭和质量分数大于99.9 % wt的镁锭，采用电磁感应熔炼方法熔炼合金，且在真空环境下浇铸成铸锭； (2)将所得到的铸锭加工成的铸板； (3)将得到的铸板在温度为532-537°C进行固溶处理； (4)将固溶后的铸板在0-5°C水中淬火，然后30 s内立即时效处理，时效处理温度150-155°C，保温时间4-6h，最后在空气中自然冷却得到高力学性能Al-S1-Mg-Sr-Sc-Ti铸造合金。3.如权利要求2所述的方法，其特征是步骤I)的熔炼温度在700-750V。4.如权利要求2所述的方法，其特征是步骤3)固溶处理6-8h。5.如权利要求2所述的方法，其特征是步骤5)淬火时间10-30s。
【文档编号】C22C21/02GK105838937SQ201610340618
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】赵乃勤, 沈小岑, 师春生, 何春年, 刘恩佐
【申请人】天津大学