一种高强韧挤压铸造铝硅合金及其制备方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011335253.6
(22)申请日 2020.11.24
(71)申请人 华南理工大学
地址 510640 广东省广州市天河区五山路
381号
(72)发明人 赵海东　张云翔　代航　
(74)专利代理机构 广州粤高专利商标代理有限
公司 44102
代理人 何淑珍　江裕强
(51)Int.Cl.
C22C 21/04(2006.01)
C22C 1/03(2006.01)
C22C 1/06(2006.01)
C22F 1/043(2006.01)
(54)发明名称一种高强韧挤压铸造铝硅合金及其制备方法(57)摘要本发明公开了一种高强韧挤压铸造铝硅合金及其制备方法。

所述铝硅合金采用挤压铸造和T6热处理工艺制备，其主要成分及其质量百分比含量为：硅2.50‑3.50％，镁0.40‑0.50％，铁≤0.12％，钛0.10‑0.20％，铬0.15‑0.25％，锶0.01％‑0.02％，剩余为铝。

本发明的合金通过降低Si含量来提升合金塑性，通过微合金化经过热处理析出纳米强化相，同时通过挤压铸造改善合金流动性，开发出的挤压铸造铝合金具有高强度和高韧性，因此，特别适合制造具有轻量化高强韧要求的零件或构件，在汽车、通讯等领域中有
着广阔的应用前景。

权利要求书2页 说明书6页 附图2页CN 112522555 A 2021.03.19
C N 112522555
A
1.一种高强韧挤压铸造铝硅合金，其特征在于，按照质量百分比，包括如下元素：
2.一种制备权利要求1所述的高强韧挤压铸造铝硅合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将高纯铝升温至熔化，然后加入Al‑20Si中间合金、Al‑50Mg中间合金和Al‑5Cr中间合金，熔化中间合金，混合均匀，再加入Al‑10Sr中间合金和Al‑5Ti‑B中间合金，熔化中间合金，混合均匀，得到混合液；
(2)往步骤(1)所述混合液中加入固体精炼剂，进行精炼处理，除气处理，静置，扒渣，得到精炼后的混合液；
(3)将模具预涂脱模剂，预热至200‑300℃，然后将步骤(2)所述精炼后的混合液浇注至模具中，挤压铸造处理，得到铸件；
(4)将步骤(3)所述铸件进行T6热处理，出炉空冷，得到所述高强韧挤压铸造铝硅合金。

3.根据权利要求2所述的高强韧挤压铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述高纯铝升温的速率为每小时升温100‑150℃，步骤(1)所述高纯铝升温至熔化的温度为700‑720℃。

4.根据权利要求2所述的高强韧挤压铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述固体精炼剂为四川兰德高科技产业有限公司生产的ZS‑AJ01C商用精炼剂，固体精炼剂的质量为混合液质量的3‰‑5‰；步骤(2)所述精炼处理的温度为720‑730℃，精炼处理的时间为5‑10分钟。

5.根据权利要求2所述的高强韧挤压铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述除气处理中使用的是氩气；所述静置的时间为15‑30分钟。

6.根据权利要求2所述的高强韧挤压铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述脱模剂为氧化锌。

7.根据权利要求2所述的高强韧挤压铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述精炼后的混合液浇注至模具中的温度为700℃‑720℃。

8.根据权利要求2所述的高强韧挤压铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述挤压铸造处理的压力为70‑80MPa。

9.根据权利要求2所述的高强韧挤压铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述T6热处理包括：将铸件固溶然后淬火，接着时效处理，完成T6热处理。

10.根据权利要求9所述的高强韧挤压铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于，所述固溶的温度为530‑550℃，固溶的时间为5‑7小时；时效处理的温度为160‑200℃，时效处理的
时间为8‑12小时。

一种高强韧挤压铸造铝硅合金及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及铝合金材料的制备领域，具体涉及一种高强韧挤压铸造铝硅合金及其制备方法。

背景技术
[0002]对于燃油车，车辆总重每减少100kg，可减少0.3‑0.5L/(100km)油耗，可减少8‑排放为了减少燃油消耗和降低二氧化碳排放，汽车轻量化是汽车行业减少11g/(100km)CO
2
能源消耗和废气排放的关键手段之一。

轻量化材料的应用是最直接的汽车减重手段，就重量而言金属材料零部件占汽车整个零部件的85％以上，铝合金具有密度小、足够的强度、良好的焊接性和耐蚀性等一系列优点，是汽车轻量化的首选材料。

[0003]挤压铸造技术是一种对浇入模具型腔中的金属液直接或间接施加很高的挤压力，使金属液在压力下凝固的成形工艺，在挤压铸造凝固过程中，铸件在压力下结晶并且一直与模具内壁紧密贴合，凝固速度很快，因此获得的铸件具有晶粒细小、无缩孔缩松缺陷和综合力学性能好等优点。

挤压铸造技术可以有效提升铝合金铸件的性能，进一步加快汽车轻量化的进展。

[0004]铸造Al‑Si合金最常用系列之一的A356(AlSi7Mg0.4)合金具有良好的液态流动性，抗腐蚀性，良好的可焊性，低收缩率以及低热膨胀系数，其用量占铸造铝合金的80％。

但由于其伸长率(5‑6％)较低，从而限制了其在汽车等构件方面的更广泛应用。

有一些研究者发现在Al‑Si‑Mg系铸造合金中加入适当的Cr后，不仅消除了有害的β‑Fe，还能通过热处理析出含Cr的纳米强化相，从而提高了合金的力学性能(Mahta M.,Emamy M.,Daman A.,et al.Precipitation of Fe rich intermetallics in Cr‑and Co‑modified A413 alloy [J].International Journal of Cast Metals Research,2005,18(2):73‑79)。

研究表明在重力铸造A356(AlSi7Mg0.4)合金中加入Cr元素后，合金强度有所提高，但合金伸长率并没明显改善(范晓明,雷昶,马斌,雷亚会,谭聪.Sr、Cr对高铁A356合金力学性能的影响[J].热加工工艺,2014,43(18):106‑108.)。

发明内容
[0005]为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种高强韧挤压铸造铝硅合金及其制备方法。

[0006]本发明的目的在于针对现有铸造AlSiMg合金力学性能不足的现状，通过降低Si含量来提升合金塑性，通过挤压铸造改善合金流动性，添加Cr元素通过热处理析出含Cr的纳米强化相(参照图1)，开发出的挤压铸造铝合金具有高强度和高韧性。

[0007]本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

[0008]本发明提供的高强韧挤压铸造铝硅合金是通过挤压铸造和T6热处理工艺制备的合金材料。

[0009]本发明提出通过降低Si含量来提升合金塑性，通过添加Cr元素微合金强化合金，
获得高强度高韧性的、可热处理强化的挤压铸造铝硅合金材料。

[0010]本发明提供的高强韧挤压铸造铝硅合金(高强度高韧性的、可热处理强化的挤压铸造铝硅合金材料)，按照质量百分比，包括如下元素：
[0011]硅 2.50‑3.50％；
[0012]镁 0.40‑0.50％；
[0013]铁≤0.12％；
[0014]钛 0.10‑0.20％；
[0015]铬 0.15‑0.25％；
[0016]锶 0.01％‑0.02％；
[0017]剩余为铝。

[0018]本发明提供的高强韧挤压铸造铝硅合金中，不可避免的微量杂质元素≤0.10％。

[0019]本发明提供的一种制备高强韧挤压铸造铝硅合金的方法，包括如下步骤：[0020](1)将高纯铝升温至熔化，然后加入Al‑20Si中间合金、Al‑50Mg中间合金和Al‑5Cr 中间合金，熔化中间合金，混合均匀，再加入Al‑10Sr中间合金(变质剂)和Al‑5Ti‑B中间合金(晶粒细化剂)，熔化中间合金，混合均匀，得到混合液；
[0021](2)往步骤(1)所述混合液中加入固体精炼剂，进行精炼处理，除气处理，静置，扒渣，得到精炼后的混合液；
[0022](3)将模具预涂脱模剂，预热至200‑300℃，然后将步骤(2)所述精炼后的混合液浇注至模具中，挤压铸造处理，得到铸件；
[0023](4)将步骤(3)所述铸件进行T6热处理，出炉空冷，得到所述高强韧挤压铸造铝硅合金。

[0024]进一步地，步骤(1)所述高纯铝升温的速率为每小时升温100‑150℃，步骤(1)所述高纯铝升温至熔化的温度为700‑720℃。

[0025]优选地，步骤(1)所述高纯铝升温的速率为每小时升温150℃，步骤(1)所述高纯铝升温至熔化的温度为720℃。

[0026]进一步地，步骤(2)所述固体精炼剂为四川兰德高科技产业有限公司生产的ZS‑AJ01C商用精炼剂，固体精炼剂的质量为混合液质量的3‰‑5‰；步骤(2)所述精炼处理的温度为720‑730℃，精炼处理的时间为5‑10分钟。

[0027]进一步地，步骤(2)所述除气处理中使用的是氩气；所述静置的时间为15‑30分钟。

[0028]优选地，步骤(2)所述静置的时间为15分钟。

[0029]进一步地，步骤(3)所述脱模剂为氧化锌。

[0030]进一步地，步骤(3)所述精炼后的混合液浇注至模具中的温度为700℃‑720℃。

[0031]进一步地，步骤(3)所述挤压铸造处理的压力为70‑80MPa。

[0032]进一步地，步骤(4)所述T6热处理包括：将铸件固溶然后淬火，接着时效处理，完成T6热处理。

[0033]优选地，所述固溶的温度为530‑550℃，固溶的时间为5‑7小时；时效处理的温度为160‑200℃，时效处理的时间为8‑12小时。

[0034]与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
[0035](1)本发明的高强韧挤压铸造铝硅合金热处理后同时具有较高的强度和较好的塑
韧性；铸态时抗拉强度可达180‑200MPa，屈服强度80‑100MPa，延伸率13％‑15％；热处理后抗拉强度可达330‑350MPa，屈服强度250‑270MPa，延伸率12％‑14％；
[0036](2)本发明的高强韧挤压铸造铝硅合金通过高纯铝、Al‑50Mg、Al‑20Si、Al‑5Cr、Al‑5Ti‑B晶粒细化剂、Al‑10Sr变质剂配制而成，生产成分控制容易；
[0037](3)本发明的高强韧挤压铸造铝硅合金可以通过热处理析出含Cr的纳米析出相，大幅提高合金的屈服强度。

附图说明
[0038]图1为本发明中实施例1的高强韧挤压铸造铝硅合金热处理析出含Cr纳米相的TEM 图；
[0039]图2为本发明中实施例2高强韧挤压铸造铝硅合金热处理析出含Cr纳米相的TEM 图；
[0040]图3为本发明中实施例3高强韧挤压铸造铝硅合金热处理析出含Cr纳米相的TEM 图。

具体实施方式
[0041]以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。

需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。

所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。

[0042]实施例一
[0043]步骤一：配料
[0044]表1
[0045]
[0046]步骤二：熔炼
[0047]在熔化炉中加入高纯铝，随后每小时升温150℃，升温至720℃，待合金全部熔化后，依次加入Al‑20Si、Al‑50Mg和Al‑5Cr中间合金，熔化中间合金，确保合金成分混合均匀，在铝液中加入Al‑Sr10中间合金和Al‑5Ti‑B中间合金，熔化中间合金，混合均匀，得到混合液，随后按照千分之四的比例(质量比)向混合液中加入商用固体精炼剂(ZS‑AJ01C)，在720‑730℃下精炼，精炼的时间为5分钟，并用高纯氩气进行除气，静置15分钟后扒渣。

[0048]步骤三：挤压铸造
[0049]模具预涂脱模剂并预热到200℃，控制铝液温度在700℃～720℃范围内进行浇注，挤压压力为70MPa。

[0050]步骤四：热处理
[0051]将铸件在数控电阻炉中进行T6热处理，热处理工艺为540℃下固溶6h后淬火，随后在175℃下时效9h，出炉空冷。

热处理后合金中析出含Cr的纳米强化相，如图1所示。

[0052]通过上述步骤获得的合金材料含有硅2.89％，镁0.49％，铁0.07％，钛0.15％，锶0.012％，铬0.25％，其他杂质元素≤0.10％，其余为铝。

铸件按照GB/T228.1‑2010《金属材料拉伸试验方法》标准中的棒状拉伸试样尺寸(标距段直径Φ6mm，标距段尺寸30mm)进行加工，后在拉伸试验在岛津AG‑X 100KN型万能材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速度设置为1mm/min，铸件铸态和T6热处理后的力学性能如表2所示。

[0053]表2实例1合金的力学性能
[0054]
[0055]实施例二
[0056]步骤一：配料
[0057]表3
[0058]
[0059]步骤二：熔炼
[0060]在熔化炉中加入高纯铝，随后每小时升温150℃，升温至720℃，待合金全部熔化后，依次加入Al‑20Si、Al‑50Mg和Al‑5Cr中间合金，熔化中间合金，确保合金成分混合均匀，在铝液中加入Al‑10Sr中间合金和Al‑5Ti‑B中间合金，熔化中间合金，混合均匀，得到混合液，随后按照千分之四的比例(质量比)向混合液中加入商用固体精炼剂(ZS‑AJ01C)，在720‑730℃下精炼，精炼的时间为10分钟，并用高纯氩气进行除气，静置30分钟后扒渣。

[0061]步骤三：挤压铸造
[0062]模具预涂脱模剂并预热到250℃，控制铝液温度在700℃～720℃范围内进行浇注，挤压压力为75MPa。

[0063]步骤四：热处理
[0064]将铸件在数控电阻炉中进行T6热处理，热处理工艺为540℃下固溶6h后淬火，随后在175℃下时效9h，出炉空冷。

热处理后合金中析出含Cr的纳米强化相，如图2所示。

[0065]通过上述步骤获得的合金材料含有硅3.25％，镁0.45％，铁0.07％，钛0.13％，锶0.018％，铬0.20％，其他杂质元素≤0.10％，其余为铝。

铸件按照GB/T228.1‑2010《金属材料拉伸试验方法》标准中的棒状拉伸试样尺寸(标距段直径Φ6mm，标距段尺寸30mm)进行加工，后在拉伸试验在岛津AG‑X 100KN型万能材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速度设置为1mm/min，铸件铸态和T6热处理后的力学性能如表4所示。

[0066]表4实例2合金的力学性能
[0067]
[0068]实施例三
[0069]步骤一：配料
[0070]表5
[0071]
[0072]步骤二：熔炼
[0073]在熔化炉中加入高纯铝，随后每小时升温150℃，升温至720℃，待合金全部熔化后，依次加入Al‑20Si、Al‑50Mg和Al‑5Cr中间合金，熔化中间合金，确保合金成分混合均匀，在铝液中加入Al‑10Sr中间合金和Al‑5Ti‑B中间合金，熔化中间合金，混合均匀，得到混合液，随后按照千分之四的比例(质量比)向混合液中加入商用固体精炼剂(ZS‑AJ01C)，在720‑730℃下精炼，精炼的时间为8分钟，并用高纯氩气进行除气，静置20分钟后扒渣。

[0074]步骤三：挤压铸造
[0075]模具预涂脱模剂并预热到300℃，控制铝液温度在700℃～720℃范围内进行浇注，挤压压力为80MPa。

[0076]步骤四：热处理
[0077]将铸件在数控电阻炉中进行T6热处理，热处理工艺为540℃下固溶6h后淬火，随后在175℃下时效9h，出炉空冷。

热处理后合金中析出含Cr的纳米强化相，如图3所示。

[0078]通过上述步骤获得的合金材料含有硅2.66％，镁0.41％，铁0.07％，钛0.16％，锶
0.015％，铬0.15％，其他杂质元素≤0.10％，其余为铝。

铸件按照GB/T228.1‑2010《金属材料拉伸试验方法》标准中的棒状拉伸试样尺寸(标距段直径Φ6mm，标距段尺寸30mm)进行加工，后在拉伸试验在岛津AG‑X 100KN型万能材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速度设置为1mm/min，铸件铸态和T6热处理后的力学性能如表6所示。

[0079]表6实例3合金的力学性能
[0080]
[0081]根据表2、表4及表6的合金力学性能可知，在合金中添加0.20％左右Cr元素时，合金的铸态和T6热处理态性能均达到峰值。

[0082]以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。

图1
图2
图3
说　明　书　附　图2/2页CN 112522555 A 11。