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一种含镁高 硅 铝 合金的结构材料件及其制备方法

阅读：813发布：2023-01-23

专利汇可以提供一种含镁高硅铝合金的结构材料件及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种含镁高硅铝合金的结构材料件，包括型材、棒材、板材、锻件，其特征在于：所述结构材料件采用半连续铸造方法制备锭坯，然后通过预先热处理进行共晶硅相颗粒离散化，再通过热塑形加工和热处理获得最终形状和微观组织；所述结构材料件中Mg的含量0.2～2.0％重量，Si的含量在8～18％重量；具有均匀细化的微观组织结构，铝基体组织为等轴晶粒，平均尺寸＜6μm，Si与其它第二相颗粒弥散分布且平均尺寸＜5μm。本发明可以通过在铸造过程中不添加任何变质剂的前提下，低成本地制造出具有良好塑性、较高强度的含镁高硅变形铝合金结构材料件。，下面是一种含镁高硅铝合金的结构材料件及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种含镁高硅铝合金的结构材料件，包括型材、棒材、板材、锻件，其特征在于：
所述结构材料件采用半连续铸造方法制备锭坯，然后通过预先热处理进行共晶硅相的颗粒离散化，再通过热塑性加工和热处理获得最终形状和微观组织的铝合金制品，其强化机理为铝基体的细晶强化、硅颗粒的颗粒强化和第二相粒子的沉淀强化；
所述结构材料件中Mg的含量为0.2～2.0％重量，Si的含量为8～18％重量；具有均匀细化的微观组织结构，铝基体组织为等轴晶粒，平均尺寸＜6μm，Si颗粒与其它第二相颗粒呈弥散分布且平均尺寸＜5μm。
2.按照权利要求1所述含镁高硅铝合金的结构材料件，其特征在于所述合金中可含有Cu、Zn、Ni、Ti、Fe之一种或多种，总含量低于2％重量。
3.一种权利要求1所述含镁高硅铝合金的结构材料件的制备方法，其特征在于：
——采用半连续铸造方法制备锭坯，工艺参数为：
浇铸温度：对应合金液相线温度以上150～300℃；
铸造速度：100～200mm/min；
凝固坯外围冷却水量：5～15g/mm·s；
不添加任何变质剂；
——对上述锭坯通过预先热处理进行共晶硅相的颗粒离散化，工艺参数为：
加热速度：10～30℃/min；
加热温度：450～520℃；
保温时间：1～3hr；
——对上述经预先热处理后的锭坯进行热塑性加工，工艺参数为：
变形温度：400～520℃；
冷却方式：自然冷却或者强制冷却；
——对上述经热塑性加工后的结构材料件进行热处理。
4.按照权利要求3所述含镁高硅铝合金的结构材料件的制备方法，对于热塑性加工后自然冷却的结构材料件，采用固溶处理+人工时效的热处理工艺，其特征在于：
——固溶处理参数为：
加热速度：10～30℃/min；
固溶处理温度：500～540℃；
固溶处理时间：0.5～3hr；
——人工时效参数为：
时效温度：160～200℃；
时效时间：1～10hr。
5.按照权利要求3所述含镁高硅铝合金的结构材料件的制备方法，对于热塑性加工后强制冷却的结构材料件，采用人工时效或自然时效的热处理工艺，其特征在于：
——人工时效参数为：
时效温度：160～200℃；
时效时间：1～10hr。
6.按照权利要求3所述含镁高硅铝合金的结构材料件的制备方法，对于热塑性加工采用轧制工艺时，其特征在于：轧制总压下量大于40％。
7.按照权利要求3所述含镁高硅铝合金的结构材料件的制备方法，对于热塑性加工采用挤压工艺时，其特征在于：挤压比大于15。
8.按照权利要求3所述含镁高硅铝合金的结构材料件的制备方法，对于热塑性加工采用锻造工艺时，其特征在于：锻造比大于40％。

说明书全文

一种含镁高硅 铝 合金的结构材料件及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及铝合金及其制备技术，特别提供了一种含镁高硅铝合金的结构材料件及其制备方法。

背景技术

[0002] 铝硅合金，尤其是高硅含量的铝硅合金，由于其低密度、高耐磨性、高抗腐蚀性和低热膨胀系数，在汽车工业和航天航空工业领域中有着广泛的应用。然而，对于普通凝固方法制备的铝硅合金，其锭坯中存在粗大的块状先析出Si颗粒和板条状共晶组织，致使合金脆性极大，难以通过塑性加工来进一步改善凝固组织和制造各种断面形状的高性能材料，从而限制了合金的应用范围。传统上，铝硅合金被划分在铸造铝合金之列。针对普通凝固铝硅合金变形能力差的问题，人们进而寻求快速凝固的方法。但是，采用快速凝固方法只能获得尺寸很小(＜10mm)的块体，若是制造大尺寸的部件则需要进一步的工序。一个典型的例子即是通过粉末冶金的方法制备，但其生产成本和工艺复杂程度均很高。

[0003] 在工业纯铝和变形铝合金的生产中，半连续铸造方法(Direct ChillCasting，简称DC铸造)一直被广泛应用，人们主要关注如何降低合金成分偏析、减小晶粒尺寸、提高表面质量。利用半连续铸造方法制备大尺寸规格且不含任何变质剂(如P、Na、Sr)的高硅铝合金锭坯的技术已由本发明的发明人之一申请并获得中国专利授权(专利号ZL200510119550.6)。通过发明人的进一步研究发现，利用上述发明技术，放宽Si的下限含量(到8％重量)，降低Si的上限含量(到18％重量)，调整Mg的含量以及其它合金元素的含量，通过热塑性加工和随后热处理，可获得具有良好塑性、高强度的含镁高硅铝合金的结构材料件。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种含镁高硅铝合金的结构材料件及其制备方法，可以在铸造过程中不添加任何变质剂的前提下，通过热塑性加工和热处理，低成本地制造出具有良好塑性、高强度的含镁高硅变形铝合金结构材料件。

[0005] 本发明具体提供了一种含镁高硅铝合金的结构材料件，包括型材、棒材、板材、锻件，其特征在于：

[0006] 所述结构材料件采用半连续铸造方法制备锭坯，然后通过预先热处理进行共晶硅相的颗粒离散，再通过热塑性加工和热处理获得最终形状和微观组织的制品，其强化机理为铝基体的细晶强化、硅颗粒的颗粒强化和第二相粒子的沉淀强化；

[0007] 所述结构材料件中Mg的含量为0.2～2.0％重量，Si的含量为8～18％重量；具有均匀细化的微观组织结构，铝基体组织为等轴晶粒，平均尺寸＜6μm，Si与其它第二相颗粒呈弥散分布且平均尺寸＜5μm；

[0008] 本发明所提供的含镁高硅铝合金的结构材料件中，还可含有Cu、Zn、Ni、Ti、Fe之一种或多种，总含量低于2％重量。

[0009] 本发明另外还提供了一种上述含镁高硅铝合金的结构材料件的制备方法，其特征在于：

[0010] ——采用半连续铸造方法制备锭坯，工艺参数为：

[0011] 浇铸温度：对应合金液相线温度以上150～300℃；

[0012] 铸造速度：100～200mm/min；

[0013] 凝固坯外围冷却水量：5～15g/mm·s；

[0014] 不添加任何变质剂；

[0015] ——对上述锭坯通过预先热处理进行共晶硅相的颗粒离散化，工艺参数为：

[0016] 加热速度：10～30℃/min；

[0017] 加热温度：450～520℃；

[0018] 保温时间：1～3hr；

[0019] ——对上述经预先热处理后的锭坯进行热塑性加工，工艺参数为：

[0020] 变形温度：400～520℃；

[0021] 冷却方式：自然冷却或者强制冷却；

[0022] ——对上述经热塑性加工后的结构材料件进行热处理。

[0023] 本发明所提供的含镁高硅铝合金的结构材料件的制备方法中，对于热塑性加工后自然冷却的结构材料件，热处理采用固溶处理+人工时效工艺：

[0024] ——固溶处理参数为：

[0025] 加热速度：10～30℃/min；

[0026] 固溶处理温度：500～540℃；

[0027] 固溶处理时间：0.5～3hr；

[0028] ——人工时效参数为：

[0029] 时效温度：160～200℃；

[0030] 时效时间：1～10hr。

[0031] 本发明所提供的含镁高硅铝合金的结构材料件的制备方法中，对于热塑性加工后强制冷却的结构材料件，热处理采用人工时效或自然时效工艺：

[0032] ——人工时效参数为：

[0033] 时效温度：160～200℃；

[0034] 时效时间：1～10hr。

[0035] 本发明所提供的含镁高硅铝合金的结构材料件的制备方法中，当热塑性加工采用轧制工艺时，轧制总压下量最好大于40％。

[0036] 本发明所提供的含镁高硅铝合金的结构材料件的制备方法中，当热塑性加工采用挤压工艺时，挤压比最好大于15。

[0037] 本发明所提供的含镁高硅铝合金的结构材料件的制备方法中，当热塑性加工采用锻造工艺时，锻造比大于40％。

[0038] 本发明的关键在于克服了传统的技术偏见，在不添加任何变质剂的前提下，将传统的半连续铸造方法用于含镁高硅铝合金的制备，结合热塑性加工和热处理，获得了意想不到的技术效果，即得到了具有细小弥散硅颗粒和第二相分布在等轴晶粒铝基体上、具有良好塑性和高强度的新型铝合金加工材料。

[0039] 表1示例给出采用本发明制备的挤压硅铝合金(Al-8.5Si-1.8Mg-0.27Fe、Al-12.7Si-0.7Mg-1.5Cu-0.3Ni-0.3Ti-0.3Fe和Al-15.5Si-0.7Mg-0.27Fe)在挤压和热处理状态下的力学性能，并与中国国家标准中的挤压6063合金在T5、T6状态下的力学性能进行了对比。

[0040] 表1本发明制备的合金与中国国家标准6063合金的力学性能对比[0041]屈服强度拉伸强度延伸率
合金状态
(MPa) (MPa) (％)
Al-8.5Si-1.8Mg-0.27Fe T1 175 252 13
Al-8.5Si-1.8Mg-0.27Fe T6 296 344 7.2
Al-15.5Si-0.7Mg-0.27Fe T1 120 232 11
Al-15.5Si-0.7Mg-0.27Fe T6 280 325 7.5
Al-12.7Si-0.7Mg-1.5Cu-0.3Ni-0.3Ti-0.3Fe T1 112 190 15
Al-12.7Si-0.7Mg-1.5Cu-0.3Ni-0.3Ti-0.3Fe T6 268 347 9
6063Al-(0.2-0.6)Si-(0.4-0.9)Mg T5 110 160 8
6063Al-(0.2-0.6)Si-(0.4-0.9)Mg T6 180 205 8

[0042] 可见，Al-15.5Si-0.7Mg-0.27Fe、Al-12.7Si-0.7Mg-1.5Cu-0.3Ni-0.3Ti-0.3Fe和Al-8.5Si-1.8Mg-0.27Fe合金在T6状态下的屈服强度、抗拉强度均高于6063合金T6状态的国家标准；合金的挤压状态(T1)力学性能尤其是延伸率高于6060合金T5状态的国家标准。6063合金是最通用的挤压型材合金，国内外将其大量应用于建筑、车辆、装饰等领域，具有广阔的市场需求。一旦用含镁高硅铝合金部分取代6063合金，必将带来巨大的经济效益。另外，硅的添加将大量节约铝资源。附图说明

[0043] 图1为半连续铸造设备的结构示意图；

[0044] 图2为典型的实施例1中Al-12.7Si-0.7Mg-0.3Fe合金(#3)的半连续铸造(铸造温度730℃，铸造速度180mm/min，冷却水流量8g/mm·s)锭坯的铸态微观组织形貌；

[0045] 图3为典型的实施例1中Al-12.7Si-0.7Mg-0.3Fe合金(#3)的半连续铸造(铸造温度730℃，铸造速度180mm/min，冷却水流量8g/mm·s)锭坯的高倍铸态微观组织形貌；

[0046] 图4为典型的实施例2中半连续铸造Al-12.7Si-0.7Mg-0.3Fe合金(#3)经500℃预先热处理2hr、470℃热挤压(挤压比15)后的微观组织形貌；

[0047] 图5为典型的实施例3中半连续铸造Al-12.7Si-0.7Mg-0.3Fe合金(#3)经500℃预先热处理2hr、470℃热挤压(挤压比15)后T6状态(固溶温度540℃，时间1hr；人工时效温度200℃，时间3hr)的微观组织形貌；

[0048] 图6为典型的实施例1中Al-15.5Si-0.7Mg-0.27Fe合金(#5)的半连续铸造(铸造温度800℃，铸造速度140mm/min，冷却水流量10gmm·s)锭坯的铸态微观组织形貌；

[0049] 图7为典型的实施例1中Al-15.5Si-0.7Mg-0.27Fe合金(#5)的半连续铸造(铸造温度800℃，铸造速度140mm/min，冷却水流量10g/mm·s)锭坯的高倍铸态微观组织形貌；

[0050] 图8为典型的实施例2中半连续铸造Al-15.5Si-0.7Mg-0.27Fe合金(#5)经500℃预先热处理2hr、470℃热挤压(挤压比45)后的微观组织形貌；

[0051] 图9为典型的实施例2中半连续铸造Al-15.5Si-0.7Mg-0.27Fe合金(#5)矩形铸坯经500℃预先热处理1hr、500℃热轧(压下量60％)后的微观组织形貌；

[0052] 图10为典型的实施例3中半连续铸造Al-15.5Si-0.7Mg-0.27Fe合金(#5)经500℃预先热处理2hr、470℃热挤压(挤压比45)后T6状态(固溶温度520℃，时间2hr；
人工时效温度180℃，时间4hr)的微观组织形貌；

[0053] 图11为典型的实施例3中半连续铸造Al-15.5Si-0.7Mg-0.27Fe合金(#5)矩形铸坯经500℃预先热处理1hr、500℃热轧(压下量60％)后T6状态(固溶温度520℃，时间3hr；人工时效温度200℃，时间4hr)的微观组织形貌；

[0054] 图12为典型的实施例3中半连续铸造Al-15.5Si-0.7Mg-0.27Fe合金(#5)经500℃预先热处理2hr、470℃热挤压(挤压比45)后T6状态(固溶温度520℃，时间2hr；
人工时效温度180℃，时间4hr)的高倍微观组织形貌；

[0055] 图13为典型的实施例1中Al-17.5Si-0.7Mg-1.0Cu-0.27Fe合金(#7)的半连续铸造(铸造温度850℃，铸造速度120mm/min，冷却水流量10g/mm·s)锭坯的铸态微观组织形貌。

具体实施方式

[0056] 实施例1半连续铸造锭坯的制备

[0057] 选用设备为自制设备，其结构原理示于图1。图中，1-冷却水；2-结晶器；3-坯料；4-热顶；5-石墨环，6-金属液。合金的化学成分见表2，铸造工艺参数见表3。

[0058] 表2半连续铸造含镁高硅铝合金的化学成分(wt.％)

[0059]合金 Si Mg Cu Zn Ni Ti Fe Al
编号
#1 8.5 0.7 0.5 0.3 0.3 0.27 Bal.
#2 8.5 1.8 0.27 Bal.
#3 12.7 0.7 0.3 Bal.
合金 Si Mg Cu Zn Ni Ti Fe Al
编号
#4 12.7 1.2 1.5 0.3 0.3 0.3 0.3 Bal.
#5 15.5 0.7 0.27 Bal.
#6 15.5 1.8 0.8 0.5 0.3 0.27 Bal.
#7 17.5 0.7 1.0 0.27 Bal.
#8 17.5 1.0 1.0 0.27 Bal.

[0060] 表3不同合金的铸造工艺参数

[0061]合金铸坯断面尺寸铸造温度铸造速度冷却水量
编号 (mm) (℃) (mm/min) (g/mm·s)
#1 Φ100 780 120 8
#1 600×50 780 180 8
#2 Φ100 780 120 8
#2 600×50 780 180 8
#3 Φ100 730 180 10
#3 600×50 730 180 10
#4 Φ100 730 140 8
#4 600×50 730 180 8
#5 Φ100 800 140 10
#5 600×50 850 180 10
#6 Φ100 800 160 12
#7 Φ60 850 120 10
合金铸坯断面尺寸铸造温度铸造速度冷却水量
编号 (mm) (℃) (mm/min) (g/mm·s)
#8 Φ60 850 180 14
#8 Φ100 850 180 14

[0062] 实施例2 铸造合金锭坯的预先热处理及挤压、轧制、锻造

[0063] 预先热处理在热处理炉中按设定加热速度加热，到达设定温度后，按设定时间保温。然后使用挤压机、热轧机和锻造机完成塑性变形。具体工艺参数分别在表4、表5、表6中给出。

[0064] 表4不同合金的预先热处理与挤压工艺参数

[0065]合金预处理预处理预处理挤压冷却变形后
加热速度温度时间温度挤压比合金
编号方式
(℃/min) (℃) (hr) (℃) 编号
#1 25 450 3 450 36 自然 1A
#2 20 450 3 450 36 自然 2A
#3 15 500 2 470 15 自然 3A
#4 15 500 2 470 15 强制 4A
#5 15 500 2 470 45 自然 5A
#7 10 500 4 480 30 强制 7A
#8 10 500 4 480 30 强制 8A

[0066] 表5不同合金的预先热处理与轧制工艺参数

[0067]合金预处理预处理预处理轧制轧制冷却变形后
加热速度温度时间温度压下量合金
编号方式
(℃/min) (℃) (hr) (℃) (％) 编号
#1 20 450 3 450 50 自然 1B
#2 20 520 1 520 70 自然 2B
合金预处理预处理预处理轧制轧制冷却变形后
加热速度温度时间温度压下量合金
编号方式
(℃/min) (℃) (hr) (℃) (％) 编号
#3 20 500 2 500 60 自然 3B
#4 15 480 3 480 60 自然 4B
#4 15 520 1 520 70 自然 4B2
#5 15 500 3 500 60 自然 5B
#5 15 520 1 520 70 自然 5B2

[0068] 表6不同合金的预先热处理与锻造工艺参数

[0069]合金预处理预处理预处理锻造变形后
加热速度温度时间温度锻造比冷却合金
编号 (％) 方式
(℃/min) (℃) (hr) (℃) 编号
#2 25 500 2 500 65 自然 2C
#3 20 520 1 520 65 自然 3C
#5 15 500 2 500 50 自然 5C
#6 10 500 4 500 50 自然 6C
#6 15 490 4 490 50 自然 6C2
#7 10 500 4 500 50 自然 7C
#8 10 500 4 500 50 自然 8C

[0070] 实施例3合金变形(挤压、轧制、锻造)后的热处理

[0071] 经过挤压、轧制、锻造的工件，在设定热处理工艺参数下进行热处理，具体热处理工艺参数分别在表7、表8、表9中给出。部分合金在不同变形方式与热处理状态下的力学性能在表10中给出。

[0072] 表7不同合金挤压制品的热处理工艺参数

[0073]变形后合金热处理固溶固溶人工时效人工时效热处理后
合金编号状态温度时间温度时间合金
编号 (℃) (hr) (℃) (hr) 编号
1A #1 T6 520 2 180 3 1AT6
3A #3 T6 540 0.5 200 3 3AT6
4A #4 T5 180 3 4AT5
5A #5 T1 5AT1
5A #5 T6 520 2 180 2 5AT6
7A #7 T5 180 6 7AT5
8A #8 T5 170 8 8AT5

[0074] 表8不同合金轧制制品的热处理工艺参数

[0075]变形后合金热处理固溶固溶人工时效人工时效热处理后
合金编号状态温度时间温度时间合金
编号 (℃) (hr) (℃) (hr) 编号
1B #1 T6 500 3 160 8 1BT6
2B #2 T5 180 3 2BT1
2B #2 T6 520 2 160 10 2BT6
4B #4 T6 540 0.5 200 8 4BT6
5B #5 T6 520 1 200 4 5BT6
5B2 #5 T6 520 1 200 6 5B2T6

[0076] 表9不同合金锻造制品的热处理工艺参数

[0077]变形后合金热处理固溶固溶人工时效人工时效热处理后
合金编号状态温度时间温度时间合金
编号 (℃) (hr) (℃) (hr) 编号
2C #2 T6 520 3 180 6 2CT6
变形后合金热处理固溶固溶人工时效人工时效热处理后
合金编号状态温度时间温度时间合金
编号 (℃) (hr) (℃) (hr) 编号
5C #5 T6 540 0.5 200 4 5CT6
5C #5 T1 5CT1
6C2 #6 T6 510 4 170 10 6C2T6
7C #7 T6 510 3 200 2 7CT6

[0078]8C2 #8 T6 510 4 180 8 8C2T6

[0079] 表10部分合金不同变形、热处理状态下的常温力学性能

[0080]热处理后屈服强度拉伸强度延伸率
合金编号 σ02(MPa) σb(MPa) (％)
1AT6 293 378 14.6
2AT6 302 378 12.5
2BT6 294 360 11.7
4AT5 290 375 10.4
4AT6 305 380 9.2
5AT1 120 232 10
5AT6 280 325 7.5
5BT6 300 366 7.6
6C2T6 260 343 6
7AT5 240 265 1.8
7CT6 285 327 2.5
8C2T6 296 339 2.8

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一种含镁高硅铝合金的结构材料件及其制备方法

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