专利名称：一种高强度铸造铝硅系合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铸造铝硅系合金及其制备方法，特别是涉及到铝硅系合金的熔炼工艺和对应的热处理工艺。
背景技术：
在铝合金中，Al-Si系合金因具有优良的铸造性能(如流动性好、气密性好、收缩小、热裂倾向小)、良好的比强度、耐蚀性、可焊性及低的膨胀系数等优点而被广泛应用。但在实际应用中，人们对Al-Si系合金的性能提出了更高的要求，特别是对强韧性要求更高。针对这一问题，国内外进行了许多研究，并开发出了ZL系的各种牌号合金，其本质还是通过合金化来提高其力学性能。目前在国内的铸造生产条件下，此类合金往往达不到性能要求，特别是在生产大型铝合金铸件时问题更为突出。究其原因主要是国产合金原材料杂质较多，熔炼过程无法精确控制。国外对该类合金的研究也很多，如国际专利WO9102100、欧洲专利EP0730040中都涉及到铝合金不同组分下的性能和微观组织。这些合金中或者加入元素过多、元素本身较为稀有，或者熔炼浇注工艺复杂，成本增加，不适于普通的生产条件。另外申请号为FR2827306，申请日为2003年1月17日的法国专利中介绍的高韧性铝合金的组成成份为Si2～6％；Mg＜0.40％；Cu＜0.30％；Zn＜0.30％；Fe＜0.50％；Ti＜0.30％。其合金的屈服强度大于110MPa，延伸率大于10％。这种合金由于加入的Si元素较少，所以延伸率较好，但屈服强度偏低，大大影响其应用范围。
发明内容
本发明的目的就是要克服已知技术之不足，开发研制一种新的高强度铸造铝硅合金及其该合金的熔炼工艺、热处理工艺，使其所形成的铝硅系合金在铸造下抗拉强度最高可以达到240MPa，屈服强度为175MPa，延伸率为3.5％；合金在其对应的热处理状态下抗拉强度最高达到320MPa，屈服强度为295MPa，延伸率为1.5％。并达到合金熔炼工艺简单，制备成本低。
实现本发明目的的技术方案是研制出一种新的铝硅合金配方以及熔炼这种合金的工艺和热处理工艺。新的铝硅合金的组成成分(重量百分比)Si 6.00～7.00；Cu 0.80～1.50；Zn0.25～0.35；Mg 0.25～0.40；Mn 0.80～1.50；Ti 0.10～0.12；Re 0.20～0.30；Fe≤0.30；Pb 0.04～0.12，其余为Al。
其中，合金元素铝的纯度要求至少为99.7％，镁纯度至少为99.92％，锌99.95％，其余的Si、Mn、Cu、Re和Ti元素分别以中间合金Al-25Si(质量百分数，下同)、Al-10Mn、Al-45Cu、Al-9Re和Al-5Ti的形式加入。
上述铝硅系合金的制备方法按下列步骤进行1、将金属铝和中间合金及纯锌先预热至200℃；2、将金属铝加入熔炼炉中，合金熔炼温度为750℃～760℃；3、待约90％铝熔化后将中间合金及纯锌加入并搅拌，加上覆盖剂；4、保温1h合金全部熔化后降温到720～730℃；5、将金属镁先预热200℃，压入坩埚底部静置5min后，加入精炼变质剂进行精炼变质，变质后保温8min；6、将熔融合金降温至680～700℃后浇注到预热为200℃的模具中；7、将浇注后的铝硅合金锭进行热处理，其工艺参数为固溶温度535±5℃固溶时间5h淬火介质水淬火介质温度40～60℃淬火时间30min时效温度170℃时效时间6h上面所述的覆盖剂的配方(重量百分比)40～50KCl+50～60NaCl，覆盖剂以合金总重量为基准，加入量为5％(以重量计)；精炼变质剂选用Sr变质，以合金总重量为基准，加入量为0.35％(以重量计)。
本发明与现有技术相比较，其明显的优点是1、配制合金的元素种类少，并多数为常规金属元素，因此合金的成本低；2、合金熔炼工艺简单，只要严格按照本合金制备工艺参数操作，就可以达到所要求的合金性能，无需任何特殊设备；3、本发明由于所设计的合金组成元素种类及组成含量的合理，因此合金的力学性能较已有技术有明显的提高，并且能适用于大件生产而无明显的铸造缺陷。
其合金的应用实体的铸造及热处理组织如图1、图2所示。从图1可以看出，合金经变质处理后α枝晶细小均匀，共晶Si呈细粒和点状均匀分布于α枝晶的间隙中，说明该合金在本实验的熔炼方法下变质充分，铸态组织优异；图2是该合金在热处理下的组织，可以看到共晶Si聚集呈球状均匀分布于晶界处，并出现一定程度的粗化，这被认为是正常热处理组织，铸态下的一些呈块状、针状、片状的元素中间化合物在热处理下发生溶解析出，形态得到改变，改善了应力场氛围，强化作用加强。该合金在热处理状态下主要还是由α(Al)固溶体和(α+Si)共晶体组成，Mg、Cu主要形成亚稳态Mg2Si和Al2Cu，还有一些四元强化相，如AlCuFeMn、AlxMg5Si4Cu4、Al2(SiCu)2Re等，不但强化了合金，还提高其高温性能。
合金实体以力学性能参数与相关的合金力学性能的比较，列于下表合金实体的力学性能及与相关合金的比较合金状态 HBσb(MPa) σ0.2(MPa) δ(％)铸态 85.0 235.0 170.0 3.5合金实体热处理113.0 315.0 295.0 1.5铸态 50 155 - 2ZL101T670 220 - 1铸态 80 200 - 1.5ZL111T6100310 - 2ZL117 T6130220 - -ZL201 T590 330 - 4ZL203 T570 230 - 3KO-1T6140415 - 5从表可以看出，合金无论是在铸态还是热处理态其抗拉强度、硬度、延伸率都较高，远高于ZL101的相应力学性能参数，并高于与其组织相近的ZL111的性能参数，再做深入比较，会发现该合金的力学性能甚至超过了一些常用Al-Cu系合金，与KO-1的性能相差不是很远，而其铸造性能远远优于Al-Cu系合金。一般认为我国目前铝合金发展的主要问题是合金杂质敏感性强，用一般铸造方法很难达到相应牌号所规定的性能参数，而该合金在实验室用一般处理工艺就能达到较高的力学性能参数，所以可以认为此合金是一种新的综合性能优异的铸造铝合金。
图1是本发明合金的应用实体的铸态组织相图；图2是本发明合金的应用实体的热处理组织相图。
具体实施例方式
例1铝硅系合金按如下的组成成分(重量百分比)配制Si 6.10，Cu 0.85，Zn 0.30，Mg 0.26，Mn 0.90，Ti 0.11，RE 0.25，Fe 0.23(杂质)，Pb 0.04(杂质)，Al其余。
合金制备按如下步骤进行将纯铝(含重量99.7％)和中间合金及纯锌(含重量99.95％)先预热至200℃，然后先将预热后的铝放入温度为760℃的井式电炉中，待约熔化90％后将锌和中间合金(市场销售产品)Al-25Si(质量百分数，下同)、Al-10Mn、Al-45Cu、Al-9Re和Al-5Ti和纯Zn加入并搅拌，等合金全部融化后在合金表面撒上配方(重量计)为45％KCl+55％NaCl覆盖剂保温约45分钟，覆盖剂的加入量为5％(重量百分比，以下实施例加入量相同)，然后降温至730℃，将预热约200℃的纯Mg(含量为99.92％)压入坩埚底部静置5min后进行精炼变质，精练变质剂为Sr变质，变质剂加入量为0.35％(重量百分比，以下实施例加入量相同)，变质后保温8min，并降温至695℃浇注到预热为200℃的模具中。
热处理工艺固溶温度535℃固溶时间5h淬火介质水淬火介质温度50℃淬火时间30min时效温度170℃时效时间6h合金力学性能铸态σb＝240(MPa)；σ0.2＝170(MPa)；δ＝3.5(％)热处理态σb＝320(MPa)；σ0.2＝295(MPa)；δ＝1.5(％)例2铝硅系合金按如下的组成成分(重量百分比)配制Si 6.95，Cu 1.40，Zn 0.30，Mg 0.37，Mn 1.40，Ti 0.11，Re 0.30，Fe 0.28(杂质)，Pb 0.10(杂质)，Al其余。
合金制备按如下步骤进行将纯铝(含重量99.8％)和中间合金及纯锌(含重量99.97％)先预热至200℃，然后先将预热后的铝放入温度为750℃的井式电炉中，待约熔化90％后将锌和中间合金(市场销售产品)Al-25Si(质量百分数，下同)、Al-10Mn、Al-45Cu、Al-9Re和Al-5Ti加入并搅拌，等合金全部融化后在合金表面撒上配方为45％KCl+55％NaCl覆盖剂保温约45分钟，然后降温至720℃，将预热约200℃的纯Mg(含重量99.94％)压入坩埚底部静置5min后进行精炼变质，精练变质剂为Sr变质，变质后保温8min，并降温至685℃浇注到预热为200℃的模具中。
热处理工艺固溶温度530℃固溶时间5h淬火介质水淬火介质温度40℃淬火时间30min时效温度170℃时效时间6h合金力学性能铸态σb＝231(MPa)；σ0.2＝175(MPa)；δ＝3.5(％)热处理态σb＝315(MPa)；σ0.2＝290(MPa)；δ＝1.5(％)例3铝硅系合金按如下的组成成分(重量百分比)配制Si 6.55，Cu 1.20，Zn 0.30，Mg 0.35，Mn 1.35，Ti 0.12，Re 0.30，Fe 0.30(杂质)，Pb 0.12(杂质)。
合金制备按如下步骤进行将纯铝(含重量99.7％)和中间合金及纯锌(含重量99.95％)先预热至200℃，然后先将预热后的铝放入温度为755℃的井式电炉中，待约熔化90％后将锌和中间合金(市场销售产品)Al-25Si(质量百分数，下同)、Al-10Mn、Al-45Cu、Al-9Re和Al-5Ti加入并搅拌，等合金全部融化后在合金表面撒上配方为45％KCl+55％NaCl覆盖剂保温约45分钟，然后降温至725℃，将预热约200℃的纯Mg(含重量99.92％)压入坩埚底部静置5min后进行精炼变质，精练变质剂为Sr变质，变质后保温8min，并降温至680℃浇注到预热为200℃的模具中。
热处理工艺固溶温度540℃固溶时间5h淬火介质水淬火介质温度46℃淬火时间30min时效温度170℃时效时间6h合金力学性能铸态σb＝235(MPa)；σ0.2＝170(MPa)；δ＝3.5(％)热处理态σb＝310(MPa)；σ0.2＝288(MPa)；δ＝1.0(％)。
权利要求
1.一种高强度铸造铝硅系合金，其组成成分(重量％计)是Si 6.00～7.00；Cu 0.80～1.50；Zn 0.25～0.35；Mg 0.25～0.40；Mn 0.80～1.50；Ti 0.10～0.12；Re 0.20～0.30；Fe≤0.30；Pb0.04～0.12，其余为Al。
2.按照权利要求1所述的铝硅系合金的制备方法，其特征在于合金按组成成分(重量％计)为Si 6.00～7.00；Cu 0.80～1.50；Zn 0.25～0.35；Mg 0.25～0.40；Mn 0.80～1.50；Ti 0.10～0.12；Re 0.20～0.30；Fe≤0.30；Pb 0.04～0.12，其余为Al，进行配制并按下列步骤进行1)、将金属铝和中间合金及锌先预热至200℃；2)、将金属铝加入熔炼炉中，合金熔炼温度为750℃～760℃；3)、待约90％铝熔化后将中间合金及锌加入并搅拌，加上覆盖剂；4)、保温1h合金全部熔化后降温到720～730℃；5)、将金属镁先预热200℃，压入坩埚底部静置5min后，加入精炼变质剂进行精炼变质，变质后保温8min；6)、将熔融合金降温至680～700℃后浇注到预热为200℃的模具中；7)、将浇注后的铝硅合金锭进行热处理，其工艺参数为固溶温度535±5℃固溶时间5h淬火介质水淬火介质温度40～60℃淬火时间30min时效温度170℃时效时间6h。
3.按照权利要求2所述的铝硅系合金的制备方法，其特征在于制备合金所用的金属元素铝的纯度至少为99.7％，镁的纯度至少为99.92％，锌的纯度至少为99.95％，Si、Mn、Cu、Re和Ti元素分别以中间合金Al-25Si(质量百分数，下同)、Al-10Mn、Al-45Cu、Al-9Re和Al-5Ti的形式加入。
全文摘要
本发明涉及一种高强度铸造铝硅合金及其制备方法，合金的组成成分(按重量％计)是Si 6.0～7.0；Cu 0.8～1.5；Zn 0.25～0.35；Mg 0.25～0.40；Mn 0.8～1.5；Ti 0.10～0.12；Re 0.2～0.3；Fe＜0.3；Pb 0.04～0.12，其余为Al；合金制备分为合金熔炼和热处理，熔炼温度为750℃～760℃，金属铝熔化达90％时加入中间合金和锌，加覆盖剂，保温后降温到720～730℃，将Mg压入坩埚底静置后，进行精炼变质，在680～700℃时浇注到模具中；对熔炼浇注后的合金进行热处理，固熔温度为535±5℃，淬火介质为水，时效温度为170℃。本合金制备工艺简单，成本低，合金在铸态下抗拉强度达到240MPa，屈服强度达到175MPa，延伸率为3.5％；在热处理状态下，抗拉强度达220MPa，屈服强度达295MPa，延伸率为1.5％。
文档编号C22C21/02GK1619003SQ20041005067
公开日2005年5月25日 申请日期2004年10月26日 优先权日2004年10月26日
发明者袁晓光, 李荣德, 辛社伟, 黄宏军 申请人:沈阳工业大学