一种高Fe含量的挤压铸造再生铝镁合金及其制备方法

一种高fe含量的挤压铸造再生铝镁合金及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及金属材料领域，具体涉及一种高fe含量的挤压铸造再生铝镁合金及其制备方法。


背景技术：

2.al
‑
mg系铝合金具有密度小、比强度高、成形性好、耐腐蚀、可焊性好等优良性能，广泛应用于交通、电子、通信等领域。然而，al
‑
mg系铝合金因其较差的熔铸性能和较低的强度，限制了在交通领域安全结构件的使用。
3.目前，我国有三种常用的铸造铝镁合金牌号，分别为zl301、zl302和zl305，其中zl305的综合力学性能最好，t4热处理态下的抗拉强度为300mpa，断后伸长率为9％，但mg含量高达7.5～9％，mg元素氧化烧损严重，且自然时效硬化趋势明显。近年来，关于研究铸造铝镁合金的材料方面的报道越来越多。在中国专利cn105063440a中记载了一种镁含量为9.3
‑
9.8％，铁含量小于0.15％的铸造铝镁合金，热处理后该合金具有较好的力学性能，抗拉强度≥400mpa，伸长率≥13％。但该合金的镁含量高，熔铸性能差，同时热处理提高了成本。另外，在中国专利cn104561699a记载了一种镁含量为3.8
‑
4.5％，铁含量为0.01
‑
0.02％的高强度铸造铝镁合金材料，其抗拉强度为300～400mpa，伸长率为12～14％。但该合金中加入了sm、nd和y等价格昂贵的稀土材料，且严格控制铁含量，使得成本增加且熔炼工艺复杂。
4.再生铝具有能耗低等优点，具有良好的环境和社会效益，铝合金在回收过程中会引入一些不可避免的有害元素。其中fe是再生铝中最为常见的杂质元素，形成硬脆的富铁金属间化合物，极大降低合金的力学性能。然而，fe并不总是有害的，fe在铸造铝合金中可防止粘膜，最近研究发现在铸造铝镁合金中fe可以提高合金的强度，并保留较高的伸长率。因此，如何将fe元素变废为宝，对实现资源的重复利用具有重要的价值意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述存在的问题和不足，提出一种低成本，具有中等强度高塑性，无需热处理，适合于挤压铸造成型的再生铝镁合金材料及制备方法。
6.本发明的目的通过下述方案实现：
7.一种高fe含量的挤压铸造再生铝镁合金，其成分及质量百分比为：mg3.0
‑
5.0％，fe 0.3～0.9％，mn 0.5
‑
0.8％，ti 0.1～0.2％，b 0.005～0.02％，杂质元素不超过0.15％，其余为al。严格控制其他杂质元素，提高合金的力学性能。
8.优选的，所述挤压铸造再生铝镁合金中fe、mn完全形成共晶al6(fe,mn)相。进一步优选的，所述完全形成共晶al6(fe,mn)相通过热力学软件计算al
‑
mg
‑
fe
‑
mn
‑
b的平衡凝固相图确定。
9.一种高fe含量的挤压铸造再生铝镁合金的制备方法，包括以下步骤：
10.以含fe、mn杂质元素的al
‑
mg再生铝为主要原材料，以mn添加剂、al
‑
ti中间合金、
al
‑
b中间合金、工业纯铝和纯镁为辅助材料；
11.(1)在熔炼炉中加入再生铝，并升温至750～800℃熔化；
12.(2)向步骤(1)所述熔化的再生铝中先加入mn添加剂、al
‑
ti中间合金，随后加入工业纯铝、纯镁、al
‑
b中间合金，辅料混合熔化后再降低熔体温度至700～720℃；
13.(3)以高纯氮气为载体将精炼剂喷入步骤(2)的熔体中，静置10～30分钟后扒渣；
14.(4)挤压铸造制备中强高韧铸造铝合金铸件。
15.优选的，所述挤压铸造的条件为：浇注温度为680～730℃、模具型腔温度为230～250℃、挤压比压为55～300mpa、充型速度为0.2～0.3米/秒、保压时间为20～30秒。
16.优选的，步骤(2)所述mn添加剂、al
‑
ti中间合金、al
‑
b中间合金、工业纯铝和纯镁的添加量确定方法如下：
17.取步骤(1)所述熔化的再生铝测试成分；对比实测成分与所述挤压铸造再生铝镁合金的设计成分的差异，计算相应的辅助材料用量；所述纯镁和al
‑
b中间合金用量以mg、b的设计含量和实测含量为准确定；所述工业纯铝用量以fe的实测含量和设计含量确定，所述mn添加剂的用量以mn的实测含量和设计含量确定；所述al
‑
ti中间合金用量以ti的实测含量和设计含量确定。
18.本发明的有益效果如下：
19.(1)本发明采用工业废旧铝料为原料，还采用了mg、mn、b、ti等常规添加元素，不含稀贵元素，来源广、成本低。
20.(2)镁元素(mg)是合金强化的主要元素，共晶温度下mg在al中的最大溶解度为17.4％，即使快速冷却，其溶解度也可达3％
‑
6％，易产生“停放效应”(mg在自然时效过程中的析出)。本发明合金中的mg含量仅为3
‑
5％，减少了“停放效应”，有利于合金力学性能的稳定。
21.(3)铁元素(fe)是再生al
‑
mg合金中的主要杂质元素，在不含mn或mn含量较低时，fe主要以针片状共晶和初生块状的al
13
fe4相为主，对合金的塑性危害较大，但能有效的降低熔体对钢制模具的粘着。
22.(4)锰元素(mn)的主要作用不仅是将富铁相全部转变成细小的汉字状al6(fe,mn)相，同时也要抑制块状al6(fe,mn)相的形成。因此，本发明一方面通过热力学计算，得到特定fe含量下获得完全共晶al6(fe,mn)相所需的mn含量，另一方面引入活性元素b元素，降低al6(fe,mn)相的长大速率。充分发挥了mn在合金中的作用。
23.(5)本发明合金的组织中只存在al6(fe，mn)相。合金中不含cu等热处理强化元素，合金主要靠细晶强化、第二相强化和固溶强化。铸态合金的抗拉强度250
‑
350mpa，屈服强度135
‑
180mpa，延伸率25
‑
40％。
附图说明
24.图1为实施例4的扫描电子显微图。
具体实施方式
25.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
26.实施例1
27.设计成分为：al
‑
3.1mg
‑
0.5mn
‑
0.3fe
‑
0.1ti
‑
0.02b。
28.以fe、mn杂质元素的al
‑
mg再生铝为主要原材料，以mn添加剂、al
‑
ti中间合金、工业纯铝和纯镁为辅助材料。
29.(1)在熔炼炉中加入再生铝，并升温至750℃熔化；待炉中原料完全熔化后，取样测试合金成分；对比实测成分与设计成分的差异，计算并称重相应的辅助材料。
30.(2)向步骤(1)所述熔化的再生铝中先加入mn添加剂、al
‑
ti中间合金，随后加入工业纯铝、纯镁、al
‑
b中间合金，辅料混合熔化后再降低熔体温度至700℃；
31.(3)以高纯氮气为载体将精炼剂喷入步骤(2)的熔体中，静置10～30分钟后扒渣；
32.(4)在浇注温度为730℃、模具型腔温度为250℃、挤压比压为200mpa、充型速度为0.27米/秒、保压时间为30秒条件下，制备中强高韧铸造铝合金铸件。
33.实施例2
34.设计成分为：al
‑
3.6mg
‑
0.8mn
‑
0.5fe
‑
0.15ti
‑
0.005b。
35.以fe、mn杂质元素的al
‑
mg再生铝为主要原材料，以mn添加剂、al
‑
ti中间合金、工业纯铝和纯镁为辅助材料。
36.(1)在熔炼炉中加入再生铝，并升温至760℃熔化；待炉中原料完全熔化后，取样测试合金成分；对比实测成分与设计成分的差异，计算并称重相应的辅助材料。
37.(2)向步骤(1)所述熔化的再生铝中先加入mn添加剂、al
‑
ti中间合金，随后加入工业纯铝、纯镁、al
‑
b中间合金，辅料混合熔化后再降低熔体温度至710℃；
38.(3)以高纯氮气为载体将精炼剂喷入步骤(2)的熔体中，静置10～30分钟后扒渣。
39.(4)在浇注温度为720℃、模具型腔温度为250℃、挤压比压为55mpa、充型速度为0.2米/秒、保压时间为30秒条件下，制备中强高韧铸造铝合金铸件。
40.实施例3
41.设计成分为：al
‑
4.5mg
‑
0.7mn
‑
0.7fe
‑
0.18ti
‑
0.015b。
42.以fe、mn杂质元素的al
‑
mg再生铝为主要原材料，以mn添加剂、al
‑
ti中间合金、工业纯铝和纯镁为辅助材料。
43.(1)在熔炼炉中加入再生铝，并升温至780℃熔化；待炉中原料完全熔化后，取样测试合金成分；对比实测成分与设计成分的差异，计算并称重相应的辅助材料。
44.(2)向步骤(1)所述熔化的再生铝中先加入mn添加剂、al
‑
ti中间合金，随后加入工业纯铝、纯镁、al
‑
b中间合金，辅料混合熔化后再降低熔体温度至720℃；
45.(3)以高纯氮气为载体将精炼剂喷入步骤(2)的熔体中，静置10～30分钟后扒渣。
46.(4)在浇注温度为730℃、模具型腔温度为250℃、挤压比压为100mpa、充型速度为0.2米/秒、保压时间为30秒条件下，制备中强高韧铸造铝合金铸件。
47.实施例4
48.设计成分为：al
‑
4.9mg
‑
0.5mn
‑
0.9fe
‑
0.2ti
‑
0.008b。
49.以fe、mn杂质元素的al
‑
mg再生铝为主要原材料，以mn添加剂、al
‑
ti中间合金、工业纯铝和纯镁为辅助材料。
50.(1)在熔炼炉中加入再生铝，并升温至800℃熔化；待炉中原料完全熔化后，取样测试合金成分；对比实测成分与设计成分的差异，计算并称重相应的辅助材料。
51.(2)向步骤(1)所述熔化的再生铝中先加入mn添加剂、al
‑
ti中间合金，随后加入工业纯铝、纯镁、al
‑
b中间合金，辅料混合熔化后再降低熔体温度至720℃；
52.(3)以高纯氮气为载体将精炼剂喷入步骤(2)的熔体中，静置10～30分钟后扒渣。
53.(4)在浇注温度为730℃、模具型腔温度为230℃、挤压比压为300mpa、充型速度为0.3米/秒、保压时间为30秒条件下，制备中强高韧铸造铝合金铸件。
54.图1为实施例4的扫描电子显微图，其中白色颗粒为富铁相。在铁含量为0.9％，挤压比压为300mpa时，合金组织中没有铸造缺陷，挤压铸造形成了致密、细小的富铁相。
55.实施例1～4铝合金的力学性能对比见表1。
56.实施例1～4铝合金的化学成分对比见表2。
57.表1实施例1～4中铝合金的力学性能
58.实施例抗拉强度/mpa屈服抗拉强度/mpa伸长率/％125014040228015830335018028433017025
59.表2实施例1～4中铝合金的化学成分
60.实施例mgmnfetib其他al13.10.50.30.10.02≤0.15余量23.60.80.50.150.005≤0.15余量34.50.70.70.180.015≤0.15余量44.90.50.90.20.008≤0.15余量
61.从表1可知，铸态合金的抗拉强度250
‑
350mpa，屈服强度135
‑
180mpa，延伸率25
‑
40％。实施例1中铁含量为0.3％时，合金的伸长率为40％，抗拉强度为250mpa，合金的韧性非常好，但强度低。实施例4中铁含量为0.9％时，合金的伸长率为25％，抗拉强度为330mpa，与实施例1相比，该合金的伸长率降低了37.5％，抗拉强度提高了32％，屈服强度提高了21.4％。实施例3的综合力学性能最好，与实施例1相比，该合金的伸长率降低了30％，抗拉强度提高了40％，屈服强度提高了28.6％。
62.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。