一种挤压铸造成形过共晶Al‑Si合金及其制备方法与流程

本发明属于金属热处理领域，具体涉及一种挤压铸造成形过共晶Al-Si合金及其制备方法。

背景技术：

挤压铸造成形，也称液态模锻，是一种介于铸造和模锻之间的金属成型工艺，是使注入模腔的金属在高压下凝固成型，然后施加机械静压力，利用金属铸造凝固成形时易流动和锻造技术使已凝固的封闭硬壳进行塑性变形，使金属在压力下结晶凝固并强制消除因凝固收缩形成的缩孔，以获得无任何铸造缺陷的液锻件。它是一种结合了铸造和塑性加工特点的短流程、高效、精确成形技术，具有减少或消除缩孔和缩松，使铸件组织致密的优点，广泛应用于机械、汽车、家电、航空、航天、国防等领域，生产高性能和高精度的零件。

一直以来，热处理是提高力学性能的重要手段，含Cu和/或Mg元素的铝合金经过固溶热处理后，第二相(Al₂Cu、Mg₂Si等)充分溶解，淬火后形成Cu、Mg等合金元素的过饱和固溶体，时效处理时过饱和合金元素沉淀析出形成弥散强化相，阻碍位错运动，从而提高合金力学性。因而，为了进一步发掘挤压铸造成形的过共晶Al-Si合金潜能，使其力学性能满足工业要求，广泛应用于工业生产，可通过热处理强化进一步提高挤压铸造成形的过共晶Al-Si合金的力学性能。

挤压铸造成形过程造成了挤压铸造成形铝合金特殊的组织形态：基体能量高、位错密度大、晶粒细化、Si颗粒均匀分布及溶质偏析，因此，挤压铸造成形铝合金的热处理强化行为不同于铸造合金，传统的T6热处理工艺难以充分发掘挤压铸造成形铝合金的潜能，而高效节能的短流程热处理更能发挥铝合金挤压铸造成形组织的优势。

传统的长时间固溶处理会使挤压铸造成形Al-Si合金组织恶化：晶粒合并长大、Si相粗化、合金元素在界面等高能量处发生偏析等，从而导致合金性能降低。反之，借助Al-Si合金挤压铸造成形组织优势，在获得溶质原子过饱和度与基体晶粒尺寸协调关系的基础上，对合金进行短时固溶淬火处理，可获得晶粒细小、溶质过饱和度高、位错密度和空位浓度大的合金组织，从而为随后的时效处理提供良好的析出条件，并可缩短时效处理时间。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种挤压铸造成形过共晶Al-Si合金及其制备方法；目的在于充分利用挤压铸造成形过共晶Al-Si合金的特殊性，发挥挤压铸造成形过共晶Al-Si组织的优势，通过较短的热处理工艺流程，达到大幅度提高合金力学性能的目的。短流程热处理工艺一方面节省了大量的能源，降低了工件的成本；另一方面简化了热处理工艺，提高了合金的热处理生产效率，对于挤压铸造成形过共晶Al-Si合金的实际生产应用有重要意义。

本发明的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金，组成成分及其质量百分含量为，Si：15～22％，Cu：0.5～4.0％，Mg：0.1～1.5％，Mn：0.05～0.4％，Ni：0.05～0.6％，Cr：0.05～0.4％，Mo：0.05～0.2％，Fe：0.05～0.7％，余量为Al和不可避免的杂质。

本发明的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金，其抗拉强度为265～275MPa，延长率为3.85～4.15％。

本发明的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金的制备方法，包括合金的制备，挤压铸造成形，然后进行短流程热处理，具体步骤如下：

步骤1，熔炼：

按挤压铸造成形过共晶Al-Si合金的成分配比配料，熔炼获得Al-Si合金液；

步骤2，挤压：

将Al-Si合金液，注入预热的模具中，进行挤压，空冷至室温，制得挤压铸造成形Al-Si合金；其中，模具预热温度为300～400℃，挤压速度8～12mm/s，比压为100～600MPa，保压时间为20～120s；

步骤3，短时固溶处理：

(1)将挤压铸造成形Al-Si合金，进行固溶处理：480～550℃，保温0.2～3h；

(2)将固溶处理后的工件，在20～60℃水中淬火；

步骤4，人工时效处理：

(1)将淬火后的工件，进行人工时效处理，温度160～185℃，时间4～10h；

(2)将人工时效处理后的工件，空冷至室温，制得挤压铸造成形过共晶Al-Si合金。

上述的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金的制备方法中：

所述步骤1(1)的具体方法为：将一部分金属铝加热至720～820℃成为液态，按设定的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金成分配比加入硅、铜、镁、镍、铁、锰、铬和锆，然后按设定的铝含量在金属熔池中加入剩余的金属铝，或者按设定的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金成分配比加入铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝镁中间合金、铝镍中间合金、铝铁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金和铝锆中间合金，在720～820℃条件下将全部金属熔化为液态；将熔化后的金属熔液用铝合金商用精炼剂精炼处理，在720～780℃条件下保温5～15min；再加入Al-10Sr变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在720～780℃条件下保温5～15min。

所述步骤2中，操作方法为：将Al-Si合金液注入预热的模具的金属坯锭型腔中，然后挤压头迅速下压，确保金属液是在液态情况下一次性受到设定的压力；在此过程中可以凭借挤压力使得金属坯锭强行补缩并凝固，保压一段时间，升起挤压头，利用顶杆将坯锭顶出。

所述步骤4中，采用时效炉进行人工时效处理。

本发明的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金的制备方法，与现有技术相比，有益效果：本发明提供的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金的热处理工艺流程短、工艺简单，明显降低了热处理的能耗，能耗可降低2倍以上，并且保证了挤压铸造成形过共晶Al-Si合金力学性能得到了大幅度提高，确保达到实际使用要求。

附图说明

图1本发明对比例的铸态Al-Si合金的显微组织图；

图2本发明实施例1制备的挤压铸造过共晶Al-Si合金的合金显微组织图；其中，合金中深灰色块状组织为初生Si相，浅灰色块状组织为AlSiCrMnFeMo多元合金相；

图3本发明实施例2制备的挤压铸造过共晶Al-Si合金的合金显微组织图；其中，合金中深灰色块状组织为初生Si相，浅灰色块状组织为AlSiCrMnFeMo多元合金相；

图4本发明实施例3制备的挤压铸造过共晶Al-Si合金的合金显微组织图；其中，合金中深灰色块状组织为初生Si相，浅灰色块状组织为AlSiCrMnFeMo多元合金相；

图5本发明实施例4制备的挤压铸造过共晶Al-Si合金的合金显微组织图；其中，合金中深灰色块状组织为初生Si相，浅灰色块状组织为AlSiCrMnFeMo多元合金相。

具体实施方式

对比例的铸态Al-Si合金的成分按质量百分比为：Si：17.5％，Cu：1.5％，Mg：1.2％，Mn：0.15％，Ni：0.6％，Cr：0.2％，Mo：0.2％，Fe：0.7％，余量为Al和不可避免的杂质；其显微组织图如图1所示。

实施例1

一种的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金，组成成分及其质量百分含量为，Si：17.5％，Cu：1.5％，Mg：1.2％，Mn：0.15％，Ni：0.6％，Cr：0.05％，Mo：0.2％，Fe：0.7％，余量为Al和不可避免的杂质。

上述的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金的制备方法，包括合金的制备，挤压铸造成形，然后进行短流程热处理，具体步骤如下：

步骤1，熔炼：

将金属铝加热至820℃成为液态，按设定的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金成分配比将硅、铜、镁、镍、铁、锰、铬、锆等以中间合金形式加入金属液中，在820℃条件下将全部金属熔化为液态；将熔化后的金属熔液用铝合金商用精炼剂精炼处理，在780℃条件下保温10min；再加入Al-10Sr变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在780℃条件下保温10min，获得Al-Si合金液；

步骤2，挤压：

将Al-Si合金液，注入预热模具的金属坯锭型腔中，进行挤压，挤压头迅速下压，确保金属液是在液态情况下一次性受到设定的压力；在此过程中可以凭借挤压力使得金属坯锭强行补缩并凝固，保压一段时间，升起挤压头，利用顶杆将坯锭顶出，空冷至室温，制得挤压铸造成形Al-Si合金；其中，模具预热温度为300℃，挤压速度8mm/s，比压为300MPa，保压时间为60s；

步骤3，短时固溶处理：

(1)将挤压铸造成形Al-Si合金，进行固溶处理：530℃，保温0.5h；

(2)将固溶处理后的工件，在20℃水中淬火；

步骤4，人工时效处理：

(1)将淬火后的工件，采用时效炉进行人工时效处理，温度175℃，时间6h；

(2)将人工时效处理后的工件，空冷至室温，制得挤压铸造成形过共晶Al-Si合金。

本实施例制备的压铸造成形过共晶Al-Si合金，其抗拉强度达到265MPa，比热处理前提高了14.5％；延长率为4.03％，比热处理前提高了50.4％。

本实施例制备的挤压铸造过共晶Al-Si合金的合金显微组织图，如图2所示。

实施例2

一种的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金，组成成分及其质量百分含量为，Si：22％，Cu：4.0％，Mg：0.3％，Mn：0.1％，Ni：0.05％，Cr：0.3％，Mo：0.05％，Fe：0.05％，余量为Al和不可避免的杂质。

上述的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金的制备方法，包括合金的制备，挤压铸造成形，然后进行短流程热处理，具体步骤如下：

步骤1，熔炼：

将金属铝加热至750℃成为液态，按设定的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金成分配比将硅、铜、镁、镍、铁、锰、铬、锆等以中间合金形式加入金属液中，在750℃条件下将全部金属熔化为液态；将熔化后的金属熔液用铝合金商用精炼剂精炼处理，在720℃条件下保温15min；再加入Al-10Sr变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在720℃条件下保温15min，获得Al-Si合金液；

步骤2，挤压：

将Al-Si合金液，注入预热模具的金属坯锭型腔中，进行挤压，挤压头迅速下压，确保金属液是在液态情况下一次性受到设定的压力；在此过程中可以凭借挤压力使得金属坯锭强行补缩并凝固，保压一段时间，升起挤压头，利用顶杆将坯锭顶出，空冷至室温，制得挤压铸造成形Al-Si合金；其中，模具预热温度为350℃，挤压速度10mm/s，比压为596MPa，保压时间为30s；

步骤3，短时固溶处理：

(1)将挤压铸造成形Al-Si合金，进行固溶处理：525℃，保温0.75h；

(2)将固溶处理后的工件，在40℃水中淬火；

步骤4，人工时效处理：

(1)将淬火后的工件，采用时效炉进行人工时效处理，温度160℃，时间10h；

(2)将人工时效处理后的工件，空冷至室温，制得挤压铸造成形过共晶Al-Si合金。

本实施例制备的压铸造成形过共晶Al-Si合金，其抗拉强度达到270MPa，比热处理前提高了16.6％；延长率为4.02％，比热处理前提高了50％。

本实施例制备的挤压铸造过共晶Al-Si合金的合金显微组织图，如图3所示。

实施例3

一种的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金，组成成分及其质量百分含量为，Si：16％，Cu：0.5％，Mg：0.7％，Mn：0.05％，Ni：0.6％，Cr：0.15％，Mo：0.1％，Fe：0.3％，余量为Al和不可避免的杂质。

上述的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金的制备方法，包括合金的制备，挤压铸造成形，然后进行短流程热处理，具体步骤如下：

步骤1，熔炼：

将金属铝加热至820℃成为液态，按设定的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金成分配比将硅、铜、镁、镍、铁、锰、铬、锆等以中间合金形式加入金属液中，在820℃条件下将全部金属熔化为液态；将熔化后的金属熔液用铝合金商用精炼剂精炼处理，在780℃条件下保温10min；再加入Al-10Sr变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在780℃条件下保温10min，获得Al-Si合金液；

步骤2，挤压：

将Al-Si合金液，注入预热模具的金属坯锭型腔中，进行挤压，挤压头迅速下压，确保金属液是在液态情况下一次性受到设定的压力；在此过程中可以凭借挤压力使得金属坯锭强行补缩并凝固，保压一段时间，升起挤压头，利用顶杆将坯锭顶出，空冷至室温，制得挤压铸造成形Al-Si合金；其中，模具预热温度为300℃，挤压速度8mm/s，比压为596MPa，保压时间为50s；

步骤3，短时固溶处理：

(1)将挤压铸造成形Al-Si合金，进行固溶处理：535℃，保温1h；

(2)将固溶处理后的工件，在60℃水中淬火；

步骤4，人工时效处理：

(1)将淬火后的工件，采用时效炉进行人工时效处理，温度180℃，时间10h；

(2)将人工时效处理后的工件，空冷至室温，制得挤压铸造成形过共晶Al-Si合金。

本实施例制备的压铸造成形过共晶Al-Si合金，其抗拉强度达到275MPa，比热处理前提高了18.8％；延长率为4.15％，比热处理前提高了54.9％。

本实施例制备的挤压铸造过共晶Al-Si合金的合金显微组织图，如图4所示。

实施例4

一种的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金，组成成分及其质量百分含量为，Si：19％，Cu：2.5％，Mg：1.0％，Mn：0.4％，Ni：0.3％，Cr：0.4％，Mo：0.2％，Fe：0.12％，余量为Al和不可避免的杂质。

上述的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金的制备方法，包括合金的制备，挤压铸造成形，然后进行短流程热处理，具体步骤如下：

步骤1，熔炼：

将金属铝加热至770℃成为液态，按设定的挤压铸造成形过共晶Al-Si合金成分配比将硅、铜、镁、镍、铁、锰、铬、锆等以中间合金形式加入金属液中，在770℃条件下将全部金属熔化为液态；将熔化后的金属熔液用铝合金商用精炼剂精炼处理，在720℃条件下保温15min；再加入Al-10Sr变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在720℃条件下保温15min，获得Al-Si合金液；

步骤2，挤压：

将Al-Si合金液，注入预热模具的金属坯锭型腔中，进行挤压，挤压头迅速下压，确保金属液是在液态情况下一次性受到设定的压力；在此过程中可以凭借挤压力使得金属坯锭强行补缩并凝固，保压一段时间，升起挤压头，利用顶杆将坯锭顶出，空冷至室温，制得挤压铸造成形Al-Si合金；其中，模具预热温度为400℃，挤压速度12mm/s，比压为298MPa，保压时间为120s；

步骤3，短时固溶处理：

(1)将挤压铸造成形Al-Si合金，进行固溶处理：在495℃保温0.25h；

(2)将固溶处理后的工件，在30℃水中淬火；

步骤4，人工时效处理：

(1)将淬火后的工件，采用时效炉进行人工时效处理，温度160℃，时间10h；

(2)将人工时效处理后的工件，空冷至室温，制得挤压铸造成形过共晶Al-Si合金。

本实施例制备的压铸造成形过共晶Al-Si合金，其抗拉强度达到268MPa，比热处理前提高了15.8％；延长率为3.85％，比热处理前提高了43.7％。

本实施例制备的挤压铸造过共晶Al-Si合金的合金显微组织图，如图5所示。