一種Al-Si合金材料及其生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋁合金材料，尤其涉及一種Al-Si合金材料；本發(fā)明還涉及這種 合金材料的生產(chǎn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活水平和思想素質(zhì)不斷提高，對(duì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí) 也越來越強(qiáng)。在當(dāng)今節(jié)能減排的主旋律下，低排放已成為市場需求必然的趨勢。鋁是最常 用的輕金屬之一，純鋁的比重?。s為2. 7g/cm3)為鐵的35%。鋁合金的比強(qiáng)度與合金結(jié) 構(gòu)鋼相當(dāng)。鋁及鋁合金材料除密度小外，還具有一系列的優(yōu)良性能：耐蝕性好、易成形、可表 面處理、可回收再生回用等。目前鋁合金鑄件已在汽車、航天、醫(yī)藥等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用， 隨著鋁合金產(chǎn)品性能提升的同時(shí)也正在逐步取代黑色金屬制品。
[0003] 產(chǎn)品輕量化已成為當(dāng)今節(jié)能的一個(gè)新方向，尤其是交通運(yùn)輸工具上。根據(jù)文獻(xiàn)研 究，車身重量每降低1 %，燃油消耗將會(huì)下降〇. 6 % -1 %。從現(xiàn)有情況來看，汽車采用全鋁車 身和碳纖維車身設(shè)計(jì)是大勢所趨。但是，鋁合金車身因其制造成本相對(duì)較低，更容易在普通 車型中普及，未來發(fā)展的空間更大。目前SUV汽車大量生產(chǎn)，其四驅(qū)傳動(dòng)箱等鋁鑄件要求有 良好的抗拉強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能，而目前國內(nèi)對(duì)材料研發(fā)工作做得較少，還沒有適合的標(biāo) 準(zhǔn)材料滿足使用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種力學(xué)性能好的Al-Si合金材料。
[0005] 本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供上述合金材料的制備方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種Al-Si合金材料，主要成分及各成分的重量 百分含量為 Si :8· 70-9. 50 % ;Fe :0· 50-0. 60 % ;Cu :2· 70-3. 40 % ;Mn :0· 30-0. 50 % ;Mg : 0· 35-0. 45% ;Ti :0· 05-0. 10% ;Sr :0· 03-0. 05% ;Zn 彡 I. 20% ;其余為 Al。
[0007] 還包括不可避免的雜質(zhì)，所述雜質(zhì)及其重量百分含量為Ni彡0. 30%; Sn 彡 0· 10% ;Ca 彡 0· 003% ;Sb 彡 0· 005% ;P 彡 0· 002% ;Pb 彡 0· 20%。
[0008] 其余未提到的雜質(zhì)元素的總含量< 0.25%，其余未提到的單個(gè)雜質(zhì)元素含量 彡 0· 05%〇
[0009] 本發(fā)明的第二個(gè)目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，上述Al-Si合金材料的生產(chǎn)方法，所用原 料包括鋁錠和回爐料，鋁錠的成分及各成分的重量百分含量為Si :8. 70-9. 20% ;Fe : 0. 50-0. 58% ；Cu ：2. 80-3. 30% ；Mn ：0. 3〇-〇. 45% ；Mg ：0. 37-0. 47% ；Ti ：0. 06-0. 10% ；Sr ： 0. 04-0. 06 % ；Zn ^ I. 00 % ；Ni ^ 0. 20 % ；Sn ^ 0. 07 % ；Ca ^ 0. 003 % ；Sb ^ 0. 005 % ； P < 0. 002% ;Pb < 0. 10% ;其余為Al ;回爐料為一級(jí)回爐料，回爐料在原料中的重量百分 含量< 40% ;按照以下步驟進(jìn)行：
[0010] (1)將鋁錠和回爐料投入熔煉爐，熔化，等待鋁水達(dá)到放水溫度；
[0011] (2)放水前檢測熔煉爐內(nèi)鋁水的化學(xué)成分和Sr元素的含量；
[0012] (3)將鋁水放出到轉(zhuǎn)水包內(nèi)，若Sr元素的重量百分含量低于0.045%，則添加 Al-SrlO中間合金，加入Al-SrlO中間合金后通入惰性氣體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)除氣，以降低鋁水含氫 量，然后倒入保溫爐；若Sr元素的重量百分含量不低于0. 045%，則直接倒入保溫爐；
[0013] (4)將鋁水從轉(zhuǎn)水包倒入保溫爐后，再次檢測Sr元素的含量，若Sr元素的重量百 分比含量低于0.03%，則將鋁水轉(zhuǎn)出重復(fù)步驟（3)和（4)，直到Sr元素的重量百分比含量 不低于〇. 03%，則進(jìn)行壓鑄，形成Al-Si合金材料。
[0014] 由于Sr元素為易燒損元素，根據(jù)監(jiān)測，Sr元素在650_670°C溫度下前3小時(shí)變化 不大，隨后會(huì)以每小時(shí)約為5% -8%的燒損變化，因此，超過4小時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分 檢測。
[0015] 步驟（4)中，壓鑄時(shí)鋁水的澆鑄溫度為650-670°C。
[0016] 為了進(jìn)一步提高合金材料的抗拉強(qiáng)度和硬度，將完成壓鑄的Al-Si合金材料進(jìn)行 低溫時(shí)效處理，處理溫度控制在170-180°C，保溫7小時(shí)。
[0017] 對(duì)于Al-Si壓鑄合金，國際上已有常用的標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)應(yīng)的成本含量做出規(guī)定，主要 包括美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM B85;日本標(biāo)準(zhǔn)JIS H5302;德國標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 1706;國標(biāo)GB/T 15115 等。一般的根據(jù)含硅量將Al-Si合金分為三類，亞共晶Al-Si合金、共晶Al-Si合金和過共 晶Al-Si合金。娃含量越尚越能夠提尚錯(cuò)水的流動(dòng)性，有利于廣品成型，也能提尚廣品的抗 拉強(qiáng)度，但硅含量超過Al-Si合金二元共晶點(diǎn)后必須做變質(zhì)處理降低板狀初生硅和粗針狀 共晶硅的形成，否則將大大降低產(chǎn)品的力學(xué)性能。另外當(dāng)硅含量超過二元共晶點(diǎn)，硅含量越 高合金的熔煉溫度也越高，能耗越多。過共晶Al-Si合金最突出的性能為耐磨性，主要用 于活塞等摩擦工作狀態(tài)下的產(chǎn)品，目前國內(nèi)使用過共晶Al-Si合金材料非常少，市場使用 率不高。
[0018] 本發(fā)明針對(duì)汽車行業(yè)用得最多的亞共晶Al-Si合金進(jìn)行研究。使用廣泛的亞 共晶Al-Si合金的硅含量一般在7-10 %，對(duì)比常用的亞共晶Al-Si合金材料如A380、 AlSi9Cu3(Fe)等材料的力學(xué)性能，最終選擇了 AlSi9Cu3(Fe)牌號(hào)成分作為本次研究基礎(chǔ)。 為了提高Al-Si合金的各種性能，通常通過加入其它合金元素改善其性能，采用較多的主 要元素有Cu、Fe、Mg、Μη、Zn。合金元素 Cu在Al-Si合金中能夠增加合金的流動(dòng)性且有一 定的固溶強(qiáng)化效果，有著明顯的時(shí)效強(qiáng)化效果，通常Al-Si合金中銅含量在1. 5% -4. 0% ; 合金元素 Fe在Al-Si合金隨含量增加會(huì)降低合金抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率，但Fe元素在 0. 5-0. 8%之間能夠有效的改善合金鋁液與模具的粘接；合金元素 Mg在Al-Si合金中隨著 成分比例增加合金的抗拉強(qiáng)度也隨之增加，但隨Mg元素含量越高也會(huì)降低合金抗腐蝕和 焊接性;Mn元素的加入能夠使Al-Mg化合物沉淀，改善Mg元素帶來的合金抗腐蝕和焊接性 降低，同時(shí)Al-Mn化合物也能夠溶解雜質(zhì)Fe，減小Fe元素的有害影響。Mn元素的增加能夠 提高Al-Si合金的抗拉強(qiáng)度但含量超過0. 8 %時(shí)會(huì)降低；Zn元素單獨(dú)加入合金中存在應(yīng)力 腐蝕開裂，當(dāng)Zn元素成分在低于1 %時(shí)對(duì)合金的抗拉強(qiáng)度有一定的提高，且Zn元素能夠改 善合金抗腐蝕能力。
[0019] 本發(fā)明研究人員通過對(duì)各種主要元素分析和不同元素成分比例分析，同時(shí)考慮 到生產(chǎn)時(shí)鋁錠與回爐料使用安全范圍對(duì)鋁錠成分進(jìn)一步優(yōu)化控制，最終得出一組能夠滿足 使用要求的Al-Si合金材料的成分及各成分的重量百分含量。因?yàn)镕e元素在Al-Si合金 中為雜質(zhì)元素，考慮到實(shí)際生產(chǎn)鋁液粘模的風(fēng)險(xiǎn)，由于Fe元素在生產(chǎn)過程中不會(huì)燒損且在 精煉過程中容易帶入，因此將Fe元素控制在0. 50-0. 58%范圍；Cu元素對(duì)合金力學(xué)性能有 較高的提升，將Cu元素控制在2. 80-3. 30%范圍內(nèi)；Mg和Mn元素在合金中有相輔相成，考 慮到Mg元素在熔煉過程中有輕微燒損，因此將Mg元素成分控制到0. 37-0. 47%，Mn元素成 分控制在0. 30-0. 45% ;Zn元素在一定比例下對(duì)合金性能有利有弊控制在< 1. 00%。
[0020] 目前Al-Si合金常用變質(zhì)劑主要有P和Sr兩種元素，P元素變質(zhì)會(huì)受到微量元素 Ca的影響，而Sr元素與Ca為同一族元素，化學(xué)性質(zhì)相同，變質(zhì)效果不會(huì)受Ca元素影響。本 發(fā)明選擇了 Sr元素作為變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理。Sr屬于表面活性元素，在結(jié)晶學(xué)上Sr能夠 改變金屬間化合物金相，同時(shí)Sr變質(zhì)的有效時(shí)間長，再現(xiàn)性好。由于Sr元素極易燒損，因 此，本發(fā)明將Sr含量控制在0. 03-0. 05%，這樣可以使初晶硅減少至最低限度，力學(xué)性能得 到顯著提高。另一種稀有金屬元素 Ti在Al-Si結(jié)晶時(shí)成為結(jié)晶的非自發(fā)核心，能夠細(xì)化鑄 件組織，有利于提高合金力學(xué)性能。Ti元素在Al-Si合金中臨界含量為0. 15%，為控制其 不超過臨界點(diǎn)將Ti元素成分控制在0. 06-0. 10%。
[0021] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0022] 1、本發(fā)明通過對(duì)鋁合金中不同元素及不同含量對(duì)力學(xué)性能優(yōu)劣的影響的研究， 提出一種抗拉性能和硬度高的Al-Si合金材料，通過對(duì)該合金材料的主要成分及其含量的 限定，克服了現(xiàn)有合金材料由于成分含量不合理導(dǎo)致力學(xué)性能低的問題，提高了鋁合金材 料的力學(xué)性能。
[0023] 2、本發(fā)明從材料金相著手使用變質(zhì)劑對(duì)合金進(jìn)行變質(zhì)處理，細(xì)化晶粒，從而提高 了 Al-Si合金材料的力學(xué)性能。
[0024] 3、采用本發(fā)明Al-Si合金制備方法生產(chǎn)的Al-Si合金材料具有較強(qiáng)的力學(xué)性能和 硬度，抗拉強(qiáng)度平均達(dá)到330MPa，斷后延伸率平均達(dá)到2. 0%以上，硬度可達(dá)95HB以上，可 滿足使用需求。
[0025] 4、本發(fā)明Al-Si合金制備方法采用常規(guī)的生產(chǎn)步驟，原料易得，成本低，易于實(shí) 現(xiàn)。
【附圖說明】
[0026] 圖1為Sr元素同溫度下燒損圖。
[0027] 圖2為未添加 Sr變質(zhì)的鋁合金材料金相組織圖，ΙΟΟχ，（金相組織為a (Al) +針狀 共晶娃+小塊狀初晶娃）。
[0028] 圖3為本發(fā)明添加 Sr變質(zhì)的鋁合金材料金相組織圖，IOOx (金相組織為a (Al) +點(diǎn) 狀、短桿狀共晶硅）。
[0029] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例生產(chǎn)的鋁合金材料的試驗(yàn)力-時(shí)間曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 本發(fā)明實(shí)施例中，對(duì)合金成分的重量含量要求非常嚴(yán)格，其中生產(chǎn)中易帶進(jìn)的Fe 元素的偏差控制在〇. 08%內(nèi)；熔煉時(shí)易燒損的Mg元素的偏差控制在0. 1 %內(nèi)、Sr元素的偏 差控制在0.02%內(nèi)。為了很好的控制這幾種元素在合金材料中的含量，本發(fā)明采用以下 方法：Fe元素作為生產(chǎn)環(huán)節(jié)最容易帶進(jìn)的成分，應(yīng)在鋁錠階段以下限控制Fe元素，其次在 熔煉、精煉等任何需接觸鋁水的鐵質(zhì)工具上刷隔熱涂料以避免生產(chǎn)過程中引入Fe元素造 成成分超標(biāo)。Mg和Sr為易燒損元素，對(duì)于Mg元素從固態(tài)熔化為液態(tài)燒損率約為5%，故鋁 錠成分按上限控制即可滿足一般生產(chǎn)。Sr從固態(tài)熔化為液態(tài)燒損率高達(dá)30%，生產(chǎn)過程中 及難控制，Sr元素同溫度下燒損變化參見圖1，圖1中縱坐標(biāo)表示Sr元素的百分含量，橫坐 標(biāo)表示不同階段。由于Sr元素?zé)o論是在熔化、保溫等環(huán)節(jié)都有燒損，因此鋁錠可直接以比 標(biāo)準(zhǔn)Sr含量高30%控制，即鋁錠中Sr元素含量為0. 04-0. 065%，在熔煉完后將鋁水放出 到轉(zhuǎn)水包內(nèi)，若實(shí)測的Sr元素成分低于0. 045 %時(shí)必須添加 Al-SrlO中間合金，同樣按照 30%燒損比例計(jì)算添加量。添加 Al-SrlO中間合金必須滿足以下條件：1、鋁水溫度680°C 以上以保證Sr元素完好變質(zhì)；2、因?yàn)镾r元素在熔化過程中會(huì)大量吸氫，因此加入Al-SrlO 中間合金后采用惰性氣體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)除氣，以減少鋁水含氫量。
[0031] 實(shí)施例1，一種Al-Si合金材料，所用原