專利名稱：高韌性Al-Si系壓鑄鋁合金的加工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高韌性Al-Si系壓鑄招合金的加工方法,屬于有色金屬加工技術領域。
背景技術：
Al-Si系合金的流動性好、鑄件致密、不易產(chǎn)生鑄造裂紋，具有良好的鑄造性能、抗蝕性能和中等的切削加工性能，是比較理想的鑄造合金，已成為制造業(yè)中最受重視的結構材料之一。但目前鑄造Al-Si系合金的力學性能不盡如人意，強度和硬度一般，韌性較低。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的鑄造技術和鑄造Al-Si系合金已經(jīng)不能滿足日益增長的社會需求，因此發(fā)展先進的壓鑄技術和高強韌的鑄造Al-Si系合金是未來鋁合金及其制造技術的發(fā)展方向。目前，壓鑄用Al-Si系合金的強化手段主要有以下幾種熔體的凈化、變質(zhì)及細化，熱處理強化等。熔體凈化方法有吸附凈化、非吸附凈化和過濾凈化三類。吸附凈化主要是向熔體中吹入氣體，比如氮氣、氬氣、混合氣或加入熔劑，通過與鋁液的反應，獲得氣泡，然后利用這些小氣泡在上浮過程中吸附氫氣和夾雜物，并帶到液面實現(xiàn)除氣和去渣；非吸附凈化主要利用鋁合金溶液的氫在真空下的強烈的析出和上浮過程將夾雜帶出液面進入浮渣而被除去，從而達到凈化的目的。主要有真空凈化法、超聲波凈化法和電磁凈化法；過濾凈化則是利用過濾器過濾，采用的過濾器有玻璃纖維過濾器，陶瓷板，陶瓷管、泡沫陶瓷過濾器等。吸附凈化和非吸附凈化是在爐內(nèi)完成的，存在二次污染的可能性，增加了鑄錠質(zhì)量的不穩(wěn)定因素，為了彌補爐內(nèi)處理的不足，爐外在線連續(xù)處理凈化技術得到了迅速發(fā)展。壓鑄Al-Si合金中的共晶硅呈粗大的針狀或板狀，會顯著降低合金的強度和塑性，所以一般都要進行變質(zhì)處理，以達到改變共晶硅和初生鋁晶粒形貌，使合金性能得到提高的目的。變質(zhì)方式可以分為添加變質(zhì)劑的化學方法和電磁振蕩法、激光變質(zhì)處理、快速凝固技術、熱速處理等物理方法，當前常用的變質(zhì)劑主要有鈉、鉀、銻、鍶、硫、磷、砷、鉍等純金屬及其鹽類；Al-Ba、Al-P、Al-5% T1-1% B、Al_Sr、Al_Sb及Al-Bi等中間合金以稀土變質(zhì)劑等。合金的晶粒尺寸對力學性能有著極其顯著的影響。Hall-Petch公式定量地描述了晶粒大小與金屬強度的關系，晶粒尺寸越小，強度越高，塑性越高。根據(jù)晶粒細化的定義，晶粒細化的方法可概括為內(nèi)生形核質(zhì)點法和外來形核質(zhì)點法。內(nèi)生形核質(zhì)點法是通過一定的手段，如電磁作用、超聲波振動、快速凝固法等，改變合金內(nèi)晶核的數(shù)量或阻礙晶體的長大來實現(xiàn)晶粒細化。外來形核質(zhì)點法是通過向鋁合金熔體中加入Al-Ti (-B) ,Al-T1-C等中間合金晶粒細化劑，產(chǎn)生大量的有效異質(zhì)形核核心，提高晶體的形核率，從而細化晶粒。對于熔體處理后的鋁合金，要想提高其力學性能，還可以向其添加合金元素，以實現(xiàn)合金強化。目前，鑄造鋁合金中的主要合金化元素有S1、Mg、Cu、RE、Zn、Mn、N1、Cd、Cr、V、Be, Ti, B, Zr, Fe等，在這些元素中，Zn、Mg、Cu在Al中的固溶度大，其次是Mn、S1、T1、Cr、Zr、V，而RE、Be、N1、Cd、Fe的固溶度很小。所以鑄造鋁合金中，Zn、Mg、Cu可作為熱處理強化元素，是高強度鑄造鋁合金中的主要添加元素。Si在鋁合金中形成二元或多元共晶組織，提高了合金的鑄造性能，改善了流動性，降低了熱裂傾向性，減少了縮松提高了氣密性，可獲得組織致密的鑄件。Mn可以提高合金的高溫持久強度和硬度；同時，Mn還可與Fe化合形成圓形的或·漢字形的Al-S1-Fe-Mn相，減少Fe的有害作用。T1、B、Zr在鋁合金中形成細小的化合物，可作為鋁固溶體的結晶核心，有強烈細化鋁固溶體晶粒的作用。Fe在目前使用的鑄造鋁合金中是一種有害雜質(zhì)，由于Fe在鋁合金中形成粗大的針狀或片狀的化合物，降低合金的機械性能。改善壓鑄鋁合金件強韌性可以通過控制冶金質(zhì)量降低Fe、Si等雜質(zhì)含量，保留變形組織、微量元素合金化以及改善熱加工及熱處理工藝的方式加以實現(xiàn)。但對于一定冶金質(zhì)量、一定化學成分和一定加工工藝的鋁合金，要提高其強韌性水平，只有通過控制后期熱處理工藝來實現(xiàn)。對于一定成分的析出強化型鋁合金，時效過程中造成的晶界和晶內(nèi)析出相的性質(zhì)、尺寸大小、分布狀態(tài)以及形貌演變對合金強韌性具有重要影響。其中，晶內(nèi)析出相特征是控制合金強度的主要因素。晶內(nèi)析出相尺寸小密度高且不易被滑移位錯切割，則有利于合金獲得高強度；而晶界析出相特征則是影響合金韌性的關鍵因素，晶界析出相數(shù)量少、不連續(xù)分布以及呈球狀，這都有利于改善合金的韌性。因此如何控制時效過程中晶界和晶內(nèi)析出相特征演變，使其成最佳分布，對于提高合金強韌性至關重要。目前常采用的熱處理工藝是固溶處理后進行人工時效，但該工藝對于某些合金存在工藝窗口時間短，特別是對共晶硅形貌的改善作用不大；同時該工藝需要對壓鑄工件重新加熱、保溫較長時間，工藝繁瑣，能源浪費嚴重，對工件的尺寸控制也不利。近年來開發(fā)出的回歸再時效熱處理工藝也由于工藝回歸時間很短，(通常只有幾十秒至十幾分鐘)，不利于工業(yè)應用，并且由于初始狀態(tài)為T6狀態(tài)，晶界析出相體積分數(shù)較大，隨后粗化過程也不能改善合金的韌性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種高韌性Al-Si系壓鑄鋁合金的加工方法，在不改變現(xiàn)有壓鑄工藝，不增加成本的前提下，提高Al-Si系合金壓鑄件的強度和韌性，擴大Al-Si系合金壓鑄件的應用范圍。本發(fā)明的目的通過以下技術方案來實現(xiàn)高韌性Al-Si系壓鑄鋁合金的加工方法，包括以下步驟——①壓鑄^fAl-Si系鋁合金熔體壓鑄成型，控制壓鑄模具溫度在350 400°C，保壓時間為I 60秒；②淬火處理開模后快速取出放入循環(huán)冷卻水中淬火，控制轉移時間小于5秒鐘，淬火溫度在350 550°C，冷卻水水溫低于30°C，待完全冷卻后，從循環(huán)冷卻水中取出，去毛刺；③退火處理去毛刺后在50 250°C退火保溫2 3小時。進一步地，上述的高韌性Al-Si系壓鑄鋁合金的加工方法，步驟①控制壓鑄模具溫度在380°C，保壓時間為5秒鐘。更進一步地，上述的高韌性Al-Si系壓鑄鋁合金的加工方法，步驟②淬火溫度在380 450O。再進一步地，上述的高韌性Al-Si系壓鑄鋁合金的加工方法，步驟③在125 175°C退火保溫2. 5小時。本發(fā)明技術方案突出的實質(zhì)性特點和顯著的進步主要體現(xiàn)在從鋁合金凝固原理、壓鑄工藝以及熱處理原理出發(fā)，通過壓鑄件的直接淬火，控制鋁硅合金中硅在凝固過程中的析出，從而改善壓鑄件中硅的形貌，改善壓鑄件的力學性能，同時使合金中的合金元素固溶于基體中形成過飽和固溶體，提高力學性能；同時對淬火件進行低溫退火處理，消除工件淬火熱處理后的熱應力，提高其韌性。本發(fā)明直接利用現(xiàn)有壓鑄工藝的便利，對壓鑄Al-S1-Cu系或Al-S1-Mg系鋁合金進行強韌化，既節(jié)約能源又提高其力學性能，擴大了鋁合金壓鑄件的應用范圍?？胺Q具有新穎性、創(chuàng)造性、實用性的好技術。


下面結合附圖對本發(fā)明技術方案作進一步說明圖1 :現(xiàn)有工藝的工件的斷口掃描照片；圖2 :現(xiàn)有工藝的工件的斷口局部放大掃描照片；圖3 :本發(fā)明工藝的工件的拉伸斷口掃描照片；圖4 :本發(fā)明工藝的工件的拉伸斷口局部放大掃描照片。
具體實施例方式本發(fā)明從鋁合金凝固原理、壓鑄工藝以及熱處理原理出發(fā)，通過對壓鑄件的直接淬火，控制鋁硅合金中硅 在凝固過程中的析出，從而改善壓鑄件中硅的形貌，改善壓鑄件的力學性能。同時，在此淬火過程中，Al-Si系合金的強化元素(如Mg、Cu等)來不及從a(Al)晶體中析出，從而形成過飽和固溶體，提高合金強度，另外，少量的析出相來不及長大，彌散分布于基體上，起到彌散強化的效果。淬火后，對工件進行低溫退火，消除淬火過程中產(chǎn)生的熱應力，從而提高工件的韌性和疲勞強度。Al-Si系鋁合金成分的質(zhì)量比為Si 1 25%，Cu 0 10%，Mg 0 10%，Mn O 3%，Ti 0 7%，Zn 0 15%，Sn 0 2%，B :0 2%，Ni 0 3%，Cr 0 2%，Zr :0 3%，Pb :0 2%，V :0 3%，Be :0 2%，RE :0 3%，F(xiàn)e :< 3%，雜質(zhì)< 2. 0%，Al余量。具體的制備工藝是首先，根據(jù)現(xiàn)有壓鑄工藝，將經(jīng)充分處理的鋁合金熔體在一定的溫度下壓鑄成型，控制壓鑄模具溫度在350 400°C，保壓時間為I 60秒，然后開模。開模后快速取出放入循環(huán)冷卻水中淬火，控制轉移時間小于5秒鐘，淬火溫度在350 550°C，冷卻水水溫低于30°C，冷卻水體積與工件體積比大于5，待完全冷卻后，從循環(huán)冷卻水中取出，去毛刺。去毛刺后在50 250°C退火保溫2 3小時，使淬火過程中產(chǎn)生的熱應力消除，提高工件的韌性和疲勞強度。其中，優(yōu)選控制壓鑄模具溫度在380°C，保壓時間為5秒鐘；優(yōu)選淬火溫度在380 450°C ;優(yōu)選在125 175°C退火保溫2. 5小時。實施例1 :以ADC12合金壓鑄洗衣機7kg三角支架為例，ADC12合金化學成分為Al-余量S1-10. 8 Cu-2. 5 Mg-O. 3 Mn-0. 5 Fe-0. 9 Zn-1. 0 Sn-0. 2 N1-0. 5。I)熔煉采用天然氣反射爐熔煉，熔煉溫度650°C ；2)熔體處理對熔化后的ADC12合金熔體進行凈化、變質(zhì)、細化處理，然后在630°C保溫，凈化方式為吹Ar氣吸附凈化，采用復合變質(zhì)劑進行變質(zhì)細化；3)壓鑄將熔體處理過的ADC12合金去除表面氧化層后，加入壓鑄機，鋁熔體溫度為630°C，模具溫度380°C ;壓鑄機活塞推進速度為7米/秒，保壓5秒鐘開模；4)淬火開模后快速取出工件，放入水溫低于30°C的循環(huán)冷卻水淬火，淬火溫度在380 450°C，完全冷卻后，去除工件毛刺；5)退火將工件放入氣氛保護電阻爐進行低溫退火，溫度為150°C，時間為2. 5小時。另外，現(xiàn)有工藝(比較例I)制備工件的過程是先壓鑄，壓鑄后，工件先去毛刺，然后自然冷卻至室溫。利用CBT228-2002中規(guī)定的壓鑄鋁合金拉伸試樣進行拉伸試樣，測試其抗拉強度等力學性能；然后通過疲勞測試試驗機測試工件的疲勞性能。選取現(xiàn)有工藝對應產(chǎn)品，將本發(fā)明(實施例1)工藝產(chǎn)品與現(xiàn)有工藝(比較例I)對應產(chǎn)品的力學性能和疲勞性能進行比較，結果如表1:表I
權利要求
1.高韌性Al-Si系壓鑄鋁合金的加工方法，其特征在于包括以下步驟—— ①壓鑄^fAl-Si系鋁合金熔體壓鑄成型，控制壓鑄模具溫度在350 400°C，保壓時間為I 60秒； ②淬火處理開模后快速取出放入循環(huán)冷卻水中淬火，控制轉移時間小于5秒鐘，淬火溫度在350 550°C，冷卻水水溫低于30°C，待完全冷卻后，從循環(huán)冷卻水中取出，去毛刺； ③退火處理去毛刺后在50 250°C退火保溫2 3小時。
2.根據(jù)權利要求1所述的高韌性Al-Si系壓鑄鋁合金的加工方法，其特征在于步驟①控制壓鑄模具溫度在380°C，保壓時間為5秒鐘。
3.根據(jù)權利要求1所述的高韌性Al-Si系壓鑄鋁合金的加工方法，其特征在于步驟②淬火溫度在380 450°C。
4.根據(jù)權利要求1所述的高韌性Al-Si系壓鑄鋁合金的加工方法，其特征在于步驟③在125 175°C退火保溫2.5小時。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高韌性Al-Si系壓鑄鋁合金的加工方法，先將Al-Si系鋁合金熔體壓鑄成型，控制壓鑄模具溫度在350～400℃，保壓時間為1～60秒；開模后快速取出放入循環(huán)冷卻水中淬火，控制轉移時間小于5秒鐘，淬火溫度在350～550℃，冷卻水水溫低于30℃，待完全冷卻后，從循環(huán)冷卻水中取出，去毛刺；去毛刺后在50～250℃退火保溫2～3小時。本發(fā)明大大提高Al-Si系合金壓鑄件的強度和韌性，工件組織均勻，力學性能優(yōu)良，安全可靠性好，擴大了Al-Si系合金壓鑄件的應用范圍。
文檔編號B22D18/00GK103031473SQ20091002494
公開日2013年4月10日 申請日期2009年3月3日 優(yōu)先權日2009年3月3日
發(fā)明者李清文, 李凱, 陳名海, 張銳, 趙永好, 徐坤元 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所