一种锆锶复合微合金化和锌合金化的高强韧铝硅铜铸造铝合金及制备方法 |
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| 申请号 | CN201710640231.2 | 申请日 | 2017-07-31 | 公开(公告)号 | CN107385288A | 公开(公告)日 | 2017-11-24 |
| 申请人 | 江苏大学; | 发明人 | 许晓静; 杜东辉; 张福豹; 贾伟杰; 张冲; 黄鹏; 王天伦; 张进松; 陈汉辉; | ||||
| 摘要 | 一种Zr、Sr复合微 合金 化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu 铸造 铝 合金 及其制备方法，其特征在于：它主要由铝、 质量 百分比为7.95～8.17% 硅 、1.18～2.23% 铜 、0.484～1.09%锌、0.17～0.178%锆、0.034～0.0507%锶组成。所述的制备方法依次包括：（1）将Al-Si中间合金 熔化 后升温至850±10℃，然后依次加入Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sr中间合金和纯Al、纯Zn；（2）待所有中间合金和金属熔化后，调节 温度 至750±10℃，加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出，静置保温5～10 min后去渣并浇入预热至300±10℃的金属模具中浇铸成锭。本 发明 铝合金 铸态组织致密，铸态实测冲击韧性好， 腐蚀 速率低，能满足大型复杂薄壁高强韧耐腐蚀 铸造铝合金 结构件的制造需求。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金及其制备方法， |
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| 说明书全文 | 一种锆锶复合微合金化和锌合金化的高强韧铝硅铜铸造铝合金及制备方法 技术领域背景技术[0002] Al-Si（-Cu）系铸造铝合金是当前在工业中应用最多的压铸铝合金材料，如国内YL102（AlSi12）、YL112（AlSi8.5Cu3.5）、YL113（AlSi811Cu3），日本ADC12（AlSi11Cu3）、ADC10（AlSi8.5Cu3.5）以及美国A380（AlSi8.5Cu3.5）等，这些合金具有优异的铸造性能、较高的强度和良好的抗腐蚀性能，但是其塑性、韧性相对较低，限制了其应用。 [0003] 众所周知，Al-Si（-Cu）系铸造铝合金的力学性能与其组织中第二相（硅相）的形态、尺寸、分布紧密相关。细化Si相，降低其对基体Al的割裂是提高Al-Si（-Cu）系铸造铝合金性能的有效途径。锶（Sr）元素是铝合金中的一种很有效的长效变质剂，不仅可以有效细化Al-Si（-Cu）系铸造铝合金中的Si相，而且可以有效细化合金中的FeSiAl5等化合物相。锆（Zr）元素是一种与Al亲和力强的3d过渡族元素，加入到铝合金中，在合金凝固过程中锆（Zr）元素与Al形成A13Zr等高熔点物相，对合金的后续凝固起到非均质形核作用，不仅细化合金铸态基体组织，促进细小等轴晶形成，而且提高液态合金的流动性和元素分布均匀性。锌（Zn）是一种熔点较低并且在铝液中可以完全溶解的元素，锌（Zn）元素的加入可提高液态合金的流动性，提高合金的铸造性能。因此，Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化合金化可以在不降低合金铸造性能、强度等性能的同时，大幅提高合金的塑性和韧性。 [0004] 到目前为止，我国尚未有一种具有自主知识产权的Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金及其制备方法可供使用，这一定程度上制约了我国铝加工业等工业的发展。 [0005] 发明内容[0006] 本发明的目的针对目前Al-Si（-Cu）系铸造铝合金塑性、韧性较低的问题，发明一种在Al-Si-Cu系铸造铝合金成分设计的基础上，通过调整Si、Cu元素含量，同时添加微量锆（Zr）、锶（Sr）元素和锌（Zn）进行合金化，在不降低合金成型性能（流动性）的同时，高效细化合金中的Si相和化合物相，大幅提高合金的塑性、韧性，获得一种兼具优良铸造性能和强韧性耐腐蚀性的Al-Si-Cu系铸造铝合金，同时提供其制备方法。 [0007] 本发明的技术方案之一是：一种Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金及其制备方法，其 特征在于：它主要由铝（Al）、硅（Si）、铜（Cu）、锌（Zn）、锆（Zr）、锶（Sr）和铁（Fe）组成，其中，硅（Si）的质量百分比为7.95～8.17%，铜（Cu）的质量百分比为1.18～2.23%，锌（Zn）的质量百分比为0.484～1.09%，锆（Zr）的质量百分比为0.17～0.178%，锶（Sr）的质量百分比为 0.034～0.0507%，铁（Fe）的质量百分比为0.143～0.207%，余量为铝和少量杂质元素（如铁，质量百分比约为0.143～0.207%），各组份的质量百分比之和为100%。 [0008] 本发明的技术方案之二是：一种Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金的制备方法，其特 征是其制备过程依次包括： （1）首先，将Al-Si中间合金熔化后升温至850±10℃，然后依次加入Al-Cu中间合金、 Al-Zr中间合金、Al-Sr中间合金和纯Al、纯Zn； （2）其次，待所有中间合金和金属熔化后，调节温度至750±10℃，加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出，静置保温5～10 min后去渣并浇入预热至300±10℃的金属模具中浇铸成锭。 [0009] 所述的Al-Si中间合金中Si的质量百分比为10.21%，Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12%， Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11%，Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89%。 [0010] 本发明的有益效果：2 （1）本发明获得了一种冲击韧性为22.340426 29.680851J/cm（按GB/T 229-2007 金 ~ 属材料夏比摆锤冲击试验方法），断口呈韧窝特征的典型韧性断裂；强度为211.418 ~ 237.047 MPa、延伸率为9 14.235%，断口呈韧窝特征的典型韧性断裂；硬度为66.6 79.7HV、~ ~ 电导率为 36.42% 41.39% IACS；在3.5% NaCl水溶液中37±10℃温度下浸泡93 h后平均 ~ 均匀腐蚀速率（按GB 1024-88金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法）为0.305369987 ~ 0.3895408852 mm/y的高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金。 [0011] （2）本发明在Al-Si-Cu系铸造铝合金成分设计的基础上，通过调整Si、Cu元素含量，同时添加微量锆（Zr）、锶（Sr）元素和锌（Zn）进行合金化，在不降低合金铸造性能保证合金组织致密的同时，高效细化了合金中的Si相和化合物相，大幅提高了合金的韧性、强度和塑性，如本发明Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金（以实施例一为例），其冲击韧性、强度、延伸率分别比未经Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的Al-Si-Cu铸造铝合金（以对比例一为例）的冲击韧性、强度、延伸率提高了126.38 %、10.17%、90.4%。 [0012] （3）本发明Al-Si-Cu系铸造铝合金的Si相尺寸在亚微米级，形状呈颗粒状或短棒状，并且长径比小于等于2。 [0013] （4）本发明公开了一种高强韧耐腐蚀Al-Si-Cu铸造铝合金的成分及制备方法，一定程度上打破了国外对高性能铝合金的技术封锁，可满足我国大型复杂薄壁高强韧耐腐蚀铸造铝合金的需求。 [0017] 图3是本发明实施例一的Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金的拉伸试样断口扫描电子显微镜照片。 [0018] 图4是本发明实施例一的Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金的腐蚀试样金相表面扫描电子显微镜照片。 [0019] 图5是本发明对比例一的未经Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的Al-Si-Cu系铸造铝合金的金相组织光学显微镜照片。 [0020] 图6是本发明对比例一的未经Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的Al-Si-Cu系铸造铝合金的冲击韧性试样断口扫描电子显微镜照片。 [0021] 图7是本发明对比例一的未经Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的Al-Si-Cu系铸造铝合金的拉伸试样断口扫描电子显微镜照片。 [0022] 图8是本发明对比例一的未经Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的Al-Si-Cu系铸造铝合金的腐蚀试样金相表面扫描电子显微镜照片。 具体实施方式[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 [0024] 实施例一。 [0025] 如图1、2、3、4所示。 [0026] 一种Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金，其制备方法：先将Al-Si (89.62 %Al, 10.21%Si, 0.17% Fe，本发明所有组份均采用质量百分比表 示，本领域技术人员可以根据本实施例的百分比计算出相应添加组份的质量，下同，凡组份相加不足100%的部分均为杂质)中间合金熔化后升温至850±10℃，然后依次加入Al-Cu (49.62%Al, 50.12%Cu,0.15%Fe, 0.11%Si )中间合金、Al-Zr (95.69%Al, 4.11%Zr,0.20%Fe, 0.10%Si )中间合金、Al-Sr(89.86%Al, 9.89%Sr,0.15%Fe, 0.10%Si )中间合金和A00等级纯Al（99.79%Al, 0.14%Fe, 0.04%Si）、纯Zn（99.99% Zn）；待所有中间合金和金属熔化后，调节温度至750±10℃，加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出，静置保温5～10 min后去渣并浇入预热至300±10℃的金属模具中浇铸成锭；即获得一种Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金。 [0027] 本实施例的Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金经光谱实际测量成分为：7.95%Si, 1.18 %Cu, 0.0017 %Mg, 0.922 %Zn, 0.178％Zr, 0.034 %Sr, 0.143 %Fe, 余量为铝和杂质元素。其中的组份Mg和Fe由钝铝和中间合金中的微量元素形成。 [0028] 本实施例的Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金组织致密（图1），Si相细小，尺寸在亚微米级，形状呈颗粒状或短棒状，并且长径比小于等于2（图1）；冲击韧性为26.702128 J/cm（2 按GB/T 229-2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法），断口呈韧窝特征的典型韧性断裂（图2）；强度为223.3155MPa、延伸率为13.76%，断口呈韧窝特征的典型韧性断裂（图3）；硬度为66.6HV、电导率为 41.39% ICAS；在3.5% NaCl水溶液中37±10℃温度下浸泡93 h后平均均匀腐蚀速率（按GB 1024-88金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法）为0.305369987 mm/y，腐蚀表面Si相尺寸细小（图4）。 [0029] 实施例二。 [0030] 一种Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金，其制备方法：先将Al-Si (89.62 %Al, 10.21%Si, 0.17% Fe，本发明所有组份均采用质量百分比表 示，下同，凡组份相加不足100%的部分均为杂质)中间合金熔化后升温至850±10℃，然后依次加入Al-Cu(49.62%Al, 50.12%Cu,0.15%Fe, 0.11%Si )中间合金、Al-Zr (95.69%Al, 4.11%Zr,0.20%Fe, 0.10%Si )中间合金、Al-Sr(89.86%Al, 9.89%Sr,0.15%Fe, 0.10%Si )中间合金和A00等级纯Al（99.79%Al, 0.14%Fe, 0.04%Si）、纯Zn（99.99% Zn）；待所有中间合金和金属熔化后，调节温度至750±10℃，加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出，静置保温5～10 min后去渣并浇入预热至300±10℃的金属模具中浇铸成锭；即获得一种Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金。 [0031] 本实施例的Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金经光谱实际测量成分为：8.07 %Si, 2.23 %Cu, 0.0027 %Mg, 1.09 %Zn, 0.17％Zr, 0.0507 %Sr, 0.207 %Fe, 余量为铝和杂质元素。其中的组份Mg和Fe由钝铝和中间合金中的微量元素形成。 [0032] 本实施例的Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金组织致密，Si相细小，尺寸在亚微米级，形状呈颗粒状或短棒状，并且长径比小于等于2；冲击韧性为22.819149 J/cm2（按GB/T 229-2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法），断口呈韧窝特征的典型韧性断裂；强度为227.828MPa、延伸率为10.1176%，断口呈韧窝特征的典型韧性断裂；硬度为77.66HV、电导率为 36.42%ICAS；在3.5% NaCl水溶液中37±10℃温度下浸泡93 h后平均均匀腐蚀速率（按GB 1024-88金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法）为0.361454374 mm/y，腐蚀表面Si相尺寸细小。 [0033] 实施例三。一种Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金，其制备方法： 先将Al-Si (89.62 %Al, 10.21%Si, 0.17% Fe，本发明所有组份均采用质量百分比表 示，下同，凡组份相加不足100%的部分均为杂质)中间合金熔化后升温至850±10℃，然后依次加入Al-Cu(49.62%Al, 50.12%Cu,0.15%Fe, 0.11%Si )中间合金、Al-Zr (95.69%Al, 4.11%Zr,0.20%Fe, 0.10%Si )中间合金、Al-Sr(89.86%Al, 9.89%Sr,0.15%Fe, 0.10%Si )中间合金和A00等级纯Al（99.79%Al, 0.14%Fe, 0.04%Si）、纯Zn（99.99% Zn）；待所有中间合金和金属熔化后，调节温度至750±10℃，加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出，静置保温5～10 min后去渣并浇入预热至300±10℃的金属模具中浇铸成锭；即获得一种Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金。 [0034] 本实施例的Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金经光谱实际测量成分为：8.17 %Si, 2.05 %Cu, 0.0038 %Mg, 0.484 %Zn, 0.17％Zr, 0.0429 %Sr, 0.19 %Fe, 余量为铝和杂质元素。其中的组份Mg和Fe由钝铝和中间合金中的微量元素形成。 [0035] 本实施例的Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金组织致密，Si相细小，尺寸在亚微米级，形状呈颗粒状或短棒状，并且长径比小于等于2；冲击韧性为26.010638 J/cm2（按GB/T 229-2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法），断口呈韧窝特征的典型韧性断裂；强度为228.764MPa、延伸率为9.3824%，断口呈韧窝特征的典型韧性断裂；硬度为79.7HV、电导率为 37.97%ICAS；在3.5% NaCl水溶液中37℃温度下浸泡93 h后平均均匀腐蚀速率（按GB 1024-88金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法）为0.3895408852mm/y，腐蚀表面Si相尺寸细小。 [0036] 实施例四。 [0037] 一种Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金，其制备方法：先将Al-Si中间合金熔化后升温至850±10℃，然后依次加入Al-Cu中间合金、Al-Zr中 间合金、Al-Sr中间合金和A00等级纯Al、0.484克纯Zn；待所有中间合金和金属熔化后，调节温度至750±10℃，加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出，静置保温5～10 min后去渣并浇入预热至300±10℃的金属模具中浇铸成锭；即获得一种Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金。 [0038] 本实施例的Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金经光谱实际测量成分为：8.00 %Si, 2.00 %Cu, 0.0030 %Mg, 0.484 %Zn, 0.175％Zr, 0.040 %Sr, 0.15 %Fe, 余量为铝和杂质元素。 [0039] 本实施例的Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金组织致密，Si相细小，尺寸在亚微米级，形状呈颗粒状或短棒状，并且长径比小于等于2；冲击韧性27.325637 J/cm2（按GB/T 229-2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法），断口呈韧窝特征的典型韧性断裂特征；强度225.436MPa、延伸率9.0156%，断口呈韧窝特征的典型韧性断裂特征；硬度76.8HV、电导率38.56%ICAS；在3.5% NaCl水溶液中37℃温度下浸泡93 h后平均均匀腐蚀速率为0.3646326248mm/y。 [0040] 对比例一如图5、6、7、8所示。 [0041] 一种未经Zr和Sr复合微合金化和Zn合金化的Al-Si-Cu系铸造铝合金，其制备方法： 先将Al-Si (89.62 %Al, 10.21%Si, 0.17% Fe，本发明所有组份均采用质量百分比表 示，下同，凡组份相加不足100%的部分均为杂质)中间合金熔化后升温至850±10℃，然后依次加入Al-Cu(49.62%Al, 50.12%Cu,0.15%Fe, 0.11%Si )中间合金和A00等级纯Al（99.79%Al, 0.14%Fe, 0.04%Si）；待所有中间合金和金属熔化后，调节温度至750±10℃，加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出，静置保温5～10 min后去渣并浇入预热至300±10℃的金属模具中浇铸成锭；即获得一种未经Zr和Sr复合微合金化的Al-Si-Cu系铸造铝合金。 [0042] 本对比例的未经Zr和Sr复合微合金化的Al-Si-Cu系铸造铝合金经光谱实际测量成分为：8.5 %Si, 2.14 %Cu, 0.136 %Fe, 余量为铝和杂质元素。 [0043] 本对比例的未经Zr、Sr复合微合金化和Zn合金化的高强韧Al-Si-Cu铸造铝合金及其制备方法组织致密（图5），Si相较大，尺寸在微米级，形状呈长条状，并且长径比大于2（图5）；冲击韧性为10.45422933 (14.09636)（按GB/T 229-2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法），断口呈准解理特征的典型脆性断裂（图6）；强度为202.68 MPa、延伸率为6.815%，断口呈准解理特征的典型脆性断裂（图7）；硬度为94.68HV，电导率为 19.60833％；在3.5% NaCl水溶液中37℃温度下浸泡93 h后平均均匀腐蚀速率（按GB 1024-88金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法）为0.296661583 mm/y，腐蚀表面Si相尺寸粗大（图8）。 [0044] 本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。 |
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