铸态高强度高韧性压铸铝硅合金及制备方法与流程

本发明涉及金属材料，特别是涉及一种铸态高强度高韧性压铸铝硅合金及制备方法。

背景技术：

1、压铸铝合金具有比强度高、良好的耐蚀、导电导热及铸造和加工等性能，被广泛应用于汽车、通讯电子、航空航天、高铁、医药、化工等领域中。压铸al-si合金因结晶温度间隔小、硅相凝固结晶潜热和比热容大、线收缩率小、且具有良好的流动性能、充型性能和较小的热裂、疏松倾向等优点，因此应用最为广泛。目前，国内外的商品铝合金锭料也按照相应的技术标准进行了大批量生产。但是，在国家标准《铝合金压铸件》gb/t 15114-2009，以及2021年3月30日开始施行的中国铸协发布的团体标准《压铸铝合金》t/cfa 0203112—2020中，压铸铝硅合金件的综合力学性能常常不能满足实际生产的需要，特别是伸长率普遍偏低，对于动态承载拉伸力作用的要求有一定伸长率要求的产品并不适用。此外，相对铝合金的金属型成形工艺而言，其压铸成形工艺的生产效率高、尺寸精度高、力学性能优良、材料利用率高、批量化生产经济效益更佳。因此，开发新型的高强韧压铸铝硅合金材料对于解决业界不足，扩大压铸铝硅合金的应用范围均具有十分重要的意义。

2、相关技术中，中国专利cn110079712a公开了铸态高韧压铸铝硅合金及其制备方法和应用，所述铸态高韧压铸铝硅合金各元素质量百分比为：8％～11％si、0.4％～0.8％mn、0.1％～0.4％v、0.1％～0.4％zr、0.01％～0.04％sr、≤0.2％fe、≤0.1％不可避免夹杂物，余量为al。尽管该专利的生产方法所制备的铸态高韧压铸铝硅合金的强度和伸长率均较高，但是，该专利得到的材料是在高真空压铸条件下进行的试验与生产，无法在普通铸造生产条件下得到，生成成本高。同时，该专利中材料要求成分中含fe量较低(≤0.2％)，这也是该材料具有较高伸长率的重要原因，但是，压铸实践经验表明，较低的fe含量易导致压铸件的粘模。类似的，中国专利cn112662921a也公开了一种高强韧压铸铝硅合金的制备方法，该方法亦是高真空压铸，含fe量较低。因此，如何避免使用高真空压铸条件，而通过普通铸造生产条件制得综合力学性能优异的压铸铝硅合金是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、为此，本发明提出一种铸态高强度高韧性压铸铝硅合金及制备方法，所得压铸铝硅合金不仅综合力学性能较高、抗热裂能力较好，而且熔体流动性好，能有效降低压铸工艺所带来的铸件的组织缺陷，且无需热处理，不使用高真空压铸条件，能够在一定程度上提升铝硅合金压铸件的铸态综合力学性能的同时降低生产成本。

2、一种铸态高强度高韧性压铸铝硅合金，采用现有牌号铝合金锭，通过铝液再生熔炼获得熔炼铝液，熔炼铝液中adc12铝锭和a356铝锭的质量比按1:1配料，采用alti5b1和al-10sr中间合金分别进行细化、变质处理生成铝硅合金，所生成的铝硅合金按质量百分比计由以下元素组成：

3、si：8.0％-10％、mg：0.25％-0.45％、cu：0.6％-2.0％、mn：0.15％-0.3％、fe:0.4％-0.7％、sr:0.005％-0.015％、zn≤0.5％、ni≤0.3％、ti≤0.1％、cr≤0.1％、b≤0.002％、其他杂质总计＜0.3％、余量为铝。

4、上述铸态高强度高韧性压铸铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)配料：按质量比1:1的比例准备adc12铝锭和a356铝锭；

6、(2)熔炼：将两种铝锭次第加入燃气熔化炉熔化区内进行熔化得到铝液，随后在保温区内进行保温；

7、(3)细化、变质处理：在转运包中进行合金细化与变质处理，将细化剂和变质剂置于转运包的底部，细化剂和变质剂的加入量分别为铝液质量的0.1％和0.03％，随后从熔化炉的保温区放出铝液至转运包中；

8、(4)除气精炼：使用旋转除气机对转运包中的铝合金熔体进行除气处理，铝液表面覆盖铝合金打渣剂，除气时间5-10分钟，除气完成后，静置5-10分钟，撇去浮渣，得到铝合金熔体；

9、采用旋转除气机能够使合金内的各组分充分融合，有利于提高合金的产品一致性。由于搅拌时间短，降低了人工搅拌的不均匀与时间，同时打渣剂隔绝外部空气，减少铝液的氧化。

10、(5)成分化验：对步骤(4)中制备好的铝合金熔体进行取样制样并进行光谱化学成分检验；

11、(6)试棒压铸：将步骤(4)中制备好的铝合金熔体进行压力铸造，制得铝合金拉伸试棒；

12、(7)铸件压铸：将步骤(4)中制备好的铝合金熔体进行压力铸造，制得铝合金压铸件。

13、上述铸态高强度高韧性压铸铝硅合金的制备方法，其中，步骤(4)中的除气处理所用气体为氮气。氮气吹入铝合金液底，利用氮气的鼓泡作用将杂质带出液面，提高除杂效果，获得晶粒均匀细化的铝硅合金。同时气体流动性强，除气效果好。

14、上述铸态高强度高韧性压铸铝硅合金的制备方法，其中，步骤(4)中的铝合金打渣剂为zs-ajia，加入量为铝液质量的0.2％。

15、上述铸态高强度高韧性压铸铝硅合金的制备方法，其中，步骤(6)中制得的铝合金拉伸试棒的铸态力学性能满足抗拉强度rm≥250mpa，屈服强度r0.2p≥170mpa，伸长率a≥4.0％。

16、上述铸态高强度高韧性压铸铝硅合金的制备方法，其中，步骤(7)中制得的铝合金压铸件经机加工和装配后，得到的产品的爆破压力不小于7.0mpa。

17、上述铸态高强度高韧性压铸铝硅合金的制备方法，其中，步骤(2)中，保温温度为710-730℃，保温时间为30-40分钟。

18、上述铸态高强度高韧性压铸铝硅合金的制备方法，其中，步骤(3)中细化剂采用铝钛硼中间合金alti5b1，变质剂采用al-10sr中间合金。

19、根据本发明提供的铸态高强度高韧性压铸铝硅合金及制备方法，具有以下

20、有益效果：

21、1、本发明的铸态高强度高韧性压铸铝硅合金的抗拉强度为250mpa以上，屈服强度为170mpa以上，伸长率为4.0％以上。

22、2、本发明的铸态高强度高韧性压铸铝硅合金的主要组织为初生α-al相、(α-al+si)的共晶体和细小的针片状β-fe相。

23、3、本发明的铸态压铸件经机加工和装配后，产品爆破压力不小于7.0mpa，满足其产品标准的爆破压力要求的4.8mpa。

24、4、本发明的铝硅合金中的元素组成配比合理，其中，si是铝硅合金中的主加元素，添加一定量的si，可提升产品的铸造性能，但随着硅的含量进一步增加，合金表面耐大气腐蚀变差，如超过其共晶点12.6％则易出现大量杂乱无序状态分布的条片状共晶硅和粗大的板条状或锯齿状初生硅，极易导致割裂合金基体，损害铸件的力学性能尤其是伸长率，因此，si含量控制在8.0％-10％之间；

25、cu是影响铝硅合金性能的一种重要元素，加入cu可以有效提高合金的疲劳强度，对合金的抗拉强度和伸长率也有明显的提高。添加cu过量时，也会降低合金的抗拉强度和伸长率，选择cu含量为0.6％-2.0％；

26、mg能够增加铝合金压铸件的抗拉强度、硬度和耐腐蚀性，可与si形成mg2si强化相，并在快速凝固时还可能与zn形成少量mgzn2强化相，从而提高合金强度，并使合金具有较好的自然时效效应，进一步提升铸态铝硅合金强度。但含量过多则会对降低合金的塑性和表面质量，增加热裂倾向，故mg控制在0.25％-0.45％之间；

27、fe对压铸铝硅合金而言具有两方面作用，由于fe在铝中几乎不固溶，fe与其他元素形成针片状的金属间化合物，降低压铸件的拉伸性能，特别是降低伸长率，但是，一定的含fe量有利于改善压铸件的粘模性，因此，综合考虑，选择fe含量范围为0.4％-0.7％，避免含fe量过低导致压铸件粘模；

28、mn元素则以中和元素形式加入基体中，可以有效地缓解针状fe相对基体割裂地作用，亦可细化和改善初晶硅的尺寸形貌，使得基体少量的初晶硅变得更加圆整，但是，mn过多则会形成脆性相降低铝硅合金的韧性，且易与si、fe等元素形成金属间化合物，相对质量较大，在普通压铸条件下易于产生局部成分偏析，所以选择mn含量范围为0.15％-0.3％；

29、sr是表面活性元素，变质处理能有效改善改善组织形貌，提高压铸铝合金的力学性能和切削性能；将ti与b同时加入，可以形成tib2进一步细化晶粒，提升合金的综合力学性能；

30、此外，在压铸铝硅合金中，少量的zn可以作为固溶强化元素，并能够促进si相的圆整化，提升合金的硬度、强度，但略有降低伸长率；少量的ni与合金中的cu可以共同提高合金的高温性能；少量的cr元素形成含cr相，起到沉淀强化和弥散强化的作用。因此，就本发明所涉及条件及成分范围而言，多种微量元素的复合合金化都是宜于合金材料的综合力学性能的提高的。

31、5、制备高强韧压铸铝硅合金的原料包括目前生产用量最大的adc12牌号合金锭和a356合金锭，来源广泛，相对众多的使用众多的中间合金的新材质而言，配料简单，成本相对较低，合格的原材料也为最终的材质组织与性能保障奠定了重要基础；

32、熔炼炉内合金熔化后适量的细化变质处理，通过加入变质剂和细化剂，控制好合金基体组织，并形成稳定的形核质点，从而细化晶粒，为提高综合力学性能提供良好的条件。

33、6、本发明的制备方法无需使用高真空压铸条件，而是采用普通铸造生产条件，成本更低，方法中各个步骤为申请人多次试验所确定，任何一个步骤不到位将会降低材料性能。该材料适合作为要求综合力学性能较高的消防接头用转动环等零部件的材料。

34、本技术与现有技术相比，其详细说明如下：采用市售的牌号合金锭adc12和a356，按质量比1:1直接制备出铸态高强韧压铸铝硅合金，无需大量使用各种中间合金实现合金化，易于实际生产操作，相对成本降低，提高经济效益，弥补了标准牌号的不足；通过一定量合金元素cu、zn、ni、cr等的共同合金化作用，提高了材料的力学性能；含ti、b的细化剂的加入细化了晶粒，以及含sr长效变质剂的加入改善了组织形貌，提高了材料的综合力学性能；在快速凝固时元素间形成的mg2si和mgzn2等强化相，提高了合金强度，其使合金所具有的良好自然时效效应，进一步提升了铸态铝硅合金强度。实验结果证明，本发明之方法能够稳定获得抗拉强度rm≥250mpa，屈服强度r0.2p≥170mpa，伸长率a≥4.0％的铸态高强度高韧性压铸铝硅合金。铸态压铸件经机加工和装配后，产品爆破压力达到7.0mpa以上，满足其产品标准的爆破压力要求的4.8mpa。