真空压铸铝硅镁锰合金的成分与热处理工艺优化方法与流程

本发明属于特种铸造技术，具体涉及一种真空压铸铝硅镁锰铝合金的成分与热处理工艺协同优化方法。

背景技术：

压铸工艺是一种高效率的近净成型工艺，适用于生产尺寸精度高，表面质量好的金属构件，目前被广泛运用于汽车制造领域。但由于在高压压铸过程中金属液高速流动造成的卷气现象以及由于脱模剂、润滑剂在高温下的蒸发、分解行成的油气、氢气被带入型腔，压铸件内部存在明显的孔隙缺陷。因此，铸件在进行后续热处理过程中表面容易出现起泡缺陷。为此，在常规压铸工艺基础上开发出了真空压铸工艺，通过真空辅助系统能够有效的降低压铸件内的孔隙缺陷，从而使铸件可以进行深度热处理工艺优化。

在汽车制造领域越来越多的采用压铸方式生产汽车底盘，车门立柱，车门等结构件的情况下，为了满足结构件应用需求，需要进一步提高压铸件的综合力学性能。具体体现为铸件在拥有高的抗拉强度、屈服强度的同时还能保持良好的延伸率。

目前常用的Al-Si系压铸铝合金尚不能满足高端汽车结构件高强韧性能的需求，而通过加入稀土元素或贵金属元素进行合金化处理在提高铸件力学性能的同时也会提高生产成本。并且，这些元素的添加不利于二次铝合金的使用以及铝合金的再生利用。对于普通压铸件，由于热处理后易产生“起泡”缺陷，很少采用热处理方法进一步提高压铸件的力学性能。虽然真空压铸可解决这一问题，但多数热处理后，铸件强度提高的同时，塑性下降幅度较大。

为了解决以上问题，本发明针对真空压铸AlSiMgMn铝合金的一些特性，提出了一种通过小幅调整AlSiMgMn铝合金中的Mg、Si元素含量并结合优化的固溶和时效热处理工艺从而大幅提高压铸件综合力学性能的协同优化方法。(1)在真空压铸AlSiMgMn合金体系中，Si元素的提高不仅可以提高铝合金的流动性从而提高铸件充型能力；而且在压铸件中，共晶硅组织的形貌对铸件延伸率的影响较大，均匀圆整的共晶硅组织能明显提高铸件的延伸率。在真空压铸AlSiMgMn合金体系中，Mg元素的提高能与Si形成更多Mg2Si等镁硅强化相。Mg元素含量的适量提高能提升铸件强度。(2)真空压铸AlSiMgMn铝合金在高速高压凝固状态下，铸件的铸态组织已经十分细小均匀；又由于真空辅助系统降低了铸件内部孔洞缺陷，因此真空压铸件在微观组织层面状态良好。相对于常规压铸中不可忽视的内部孔洞缺陷和普通铸造中粗大的枝晶组织，真空压铸件的微观组织形态细小均匀、内部孔洞缺陷少，压铸件的力学性能影响因素与其成分以及热处理后组织形态以及强化相的分布状态有关。因而，在本发明中，小幅调整真空压铸AlSiMgMn铝合金的Mg、Si元素含量以增加热处理后强化相的析出量，并通过优化的热处理工艺使其分布均匀，从而提高其综合力学性能的设计思路才能反映到铸件的宏观力学性能层面。(3)由于真空压铸AlSiMgMn铝合金内部孔洞缺陷大幅降低，因此可以针对元素成分的微调进行最优T6热处理的设计。通过一系列正交实验设计，针对不同成分进行热处理工艺优化，最终得到不同的最优热处理工艺，能将成分调整后合金的力学性能优势体现出来。

综上所诉，本发明提供一种真空压铸AlSiMgMn铝合金的成分与热处理工艺协同优化方法。这种方法是根据真空压铸AlSiMgMn系列铝合金的特性所设计的一种低成本、绿色、利回收的力学性能协同优化方法。在普通高压压铸、常规铸造条件下，或者对于Al-Si-Cu等系列铝合金压铸来说这种方法效果并不明显。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的在于提供一种真空压铸铝硅镁锰合金的成分与热处理工艺协同优化方法，本方法通过小幅调整真空压铸件Mg、Si元素含量，无需引入稀土元素或贵金属元素，协同根据真空压铸铝合金特性优化的热处理工艺，能大幅提高压铸件的综合力学性能。本方法既能降低生产成本又有利于铝合金产品的再生利用。

技术方案：本发明的一种真空压铸铝硅镁锰合金的成分与热处理工艺协同优化方法包括如下步骤：

1)合金元素调整：合金熔炼时，通过Al-20Si中间合金、纯Mg块对AlSiMgMn铝合金进行Mg、Si元素含量调整，待炉料全部融化后，将金属液温度控制在720-740℃再对金属液进行精炼处理得到熔炼铝液，静置10-30分钟准备压铸；

2)真空压铸：将所述步骤1)得到的熔炼铝液在真空压铸机上进行压铸，得到真空压铸件；

3)热处理：将所述步骤2)得到的得到的真空压铸件进行优化的固溶和时效热处理，固溶处理温度为520-540℃，并在该温度下保持3-4h；时效处理温度为160-200℃，并在该温度下保持4-7h。

其中：

所述步骤1)中的铝合金材料是AlSiMgMn系列铝合金，其中应含有7.5-13.5重量％Si，0.1-1.5％重量％Mg，0.1-1.5重量％Mn，0.02-0.1重量％Fe，余量为铝。

所述步骤1)中的AlSiMgMn铝合金中，通过Al-20Si中间合金、纯Mg块，添加0.8-1.2重量％的Si元素，0.1-0.3重量％的Mg元素。

所述步骤1)中精炼后铝液含氢气量不大于0.20cm³/100g。

所述步骤2)中，真空压铸过程中，型腔内真空度不低于90kPa。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明提供了一种真空压铸AlSiMgMn铝合金(以Al10Si0.3Mg0.6Mn为例)的成分与热处理工艺协同优化方法。本方法调整铝合金中Mg、Si元素含量，(如调整上述成分为Al11Si0.3Mg0.6Mn，并进一步调整为Al11Si0.5Mg0.6Mn)，并对成分调整后真空压铸件进行优化的固溶和时效热处理(见表2)。在提高Mg、Si元素含量后，通过相对高的固溶温度与时间提供更高的相变激活能，从而使压铸件中的析出强化元素完全固溶至基体中并扩散均匀；与此同时完成共晶硅组织的球化、降低内应力、提高塑性并控制微观组织不发生长大。在时效处理后，强化相均匀析出，提高抗拉强度、屈服强度的同时又由于Si颗粒的恰当球化、热处理后组织均匀、内应力下降等有利因素从而不降低铸件的延伸率。相比于现有技术，本发明优点主要有两点：(1)本发明通过小幅调整铝合金中Mg、Si元素含量来进行力学性能的优化，无需引入稀土元素或贵金属元素，既能降低生产成本又有利于铝合金产品的再生利用。(2)本发明在成分调整后协同优化的固溶和时效热处理能大幅提高压铸件的综合力学性能。

附图说明

图1实施例优化热处理后的Al11Si0.5Mg0.6Mn成分真空压铸铝合金金相微观组织照片，放大100倍。

图2实施例优化热处理后的Al11Si0.5Mg0.6Mn成分真空压铸铝合金金相微观组织照片，放大1000倍。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明提供的真空压铸AlSiMgMn铝合金的成分与热处理工艺协同优化方法。

具体实施例：本实施以Al10Si0.3Mg0.6Mn铝合金为例，分别将成分调整前铸件的力学性能与经过成分调整并经过优化固溶和时效热处理后的铸件的力学性能进行对比：

步骤1：根据坩埚熔炼和炉料重量，按Al10Si0.3Mg0.6Mn成分，将铝合金锭、中间合金、纯金属的次序，陆续或同时进行熔炼，待炉料全部熔化后，将合金液温度控制在720℃进行精炼。采用旋转喷吹吹气精炼方式并选用惰性气体氩气进行除气精炼。精炼时，喷嘴单方向旋转，转速为300r/min，精炼15分钟后将溶液静置15分钟，确保精炼后熔炼铝液含氢气量≤0.20cm³/100g满足生产要求；

步骤2：将步骤1得到的铝液在真空压铸机上压射成形为棒状拉伸件。压铸过程中设定低速速度为0.2m/s，高速速度为2.75m/s，控制浇注温度为700℃、模具温度为120℃，并保证压铸过程中型腔真空度不小于90kPa；

步骤3：将步骤2获得的铸态拉伸试棒放入热处理炉随炉加热进行优化固溶处理，设定升温至520℃，并在该温度下保持2小时；

步骤4：步骤3结束后，在10s内将所述铸件置于水中冷却，水温控制在60-70℃之间；

步骤5：将步骤4得到的铸件放进热处理炉随炉加热到时效温度，设定温度165℃，并在该温度下保持6h；

步骤6：时效处理结束后，从炉中取出试样，在大气环境中自然冷却。

步骤7：根据坩埚熔炼和炉料重量，按Al11Si0.3Mg0.6Mn成分计算，在步骤1基础上通过额外添加Al-Si中间合金以及纯Mg块进行Mg、Si元素含量熔炼后并结合表2中该成分对应的最优热处理工艺参数重复步骤1到6过程；

步骤8：根据坩埚熔炼和炉料重量，按Al11Si0.5Mg0.6Mn成分计算，在步骤1基础上通过额外添加Al-Si中间合金以及纯Mg块进行Mg、Si元素含量熔炼后并结合表2中该成分对应的最优热处理工艺参数重复步骤1到6过程；三种合金成分如表1所示。

步骤9：对三种成分的真空压铸棒状拉伸件取样，力学性能如表3所示。

表1：实验合金成分(wt.)

试验中的优化固溶和时效热处理工艺参数(见表2)是根据真空压铸AlSiMgMn铝合金组织细小均匀，内部孔洞缺陷少的微观结构特性，通过正交实验所设计的。具体设计方法为：针对每种成分铸件进行固溶和时效热处理工艺正交设计优化，得到每种成分所对应的最优热处理参数。

本实例中对经过优化的固溶和时效处理后的Al11Si0.5Mg0.6Mn成分试样微观结构观察。如图1所示为实施例优化热处理方法的Al11Si0.5Mg0.6Mn成分真空压铸铝合金放大100倍的金相微观组织照片，图中可以看到压铸件组织细小均匀，铸件内部不存在明显的孔洞缺陷。经过宏观观察统计，热处理后压铸件均没有起泡现象。如图2所示为实施例优化热处理方法的Al11Si0.5Mg0.6Mn成分真空压铸铝合金放大1000倍的金相微观组织照片，可以看到，经过优化热处理处理后，铸件内共晶硅组织完成了较好的球化且没有出现明显的长大，共晶硅组织分布比较均匀。通过微观结构观察可以发现，成分调整试样协同优化的热处理工艺处理后，真空压铸试样的内部缺陷仍然可控，没有出现起泡缺陷，同时铸件内部组织分布均匀，共晶硅组织完成了较好的球化且没有明显长大，因而铸件表现出较好的力学性能。

表2：不同成分对应的优化热处理工艺

铸件延伸率通过引伸计测量得出，测试环境温度为室温，加载速度为1mm/s。每种成分、每种状态取5个试样进行测试。表3中显示了三种成分真空压铸AlSiMgMn铝合金的铸态、优化热处理后的力学性能。可以看到，仅调整Si元素含量并结合优化的热处理工艺，铸件的力学性能略有提高，但提升幅度较小，铸件延伸率变化不大。但同时调整AlSiMgMn铝合金中的Mg、Si元素含量，并结合该成分下对应的优化固溶和时效热处理工艺后，铸件的力学性能明显提高，相比于原始成分的铸态试样，其抗拉强度、屈服强度、延伸率分别提高了25％、97％、8％。在提高铸件强度特别是屈服强度的同时相应提高了铸件的延伸率。实施例证实，单独的调整成分或者单独的进行热处理优化对真空压铸AlSiMgMn铝合金铸件的强化效果低于本发明的协同优化方法。

表3：真空压铸件铸态与热处理态的力学性能

综上所述，本发明通过小幅调整真空压铸件Mg、Si元素含量并协同优化的热处理工艺能大幅提高压铸件的综合力学性能，且无需引入稀土元素或贵金属元素，既能降低生产成本又有利于铝合金产品的再生利用。

上述实施方式仅是本发明的一种实施例，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。