CN111893353B - 一种高强耐热铝合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强耐热铝合金材料及其制备方法，涉及铝合金材料技术领域。本发明的实施例提供了一种高强耐热铝合金材料，其包括按照质量百分比计的如下成分：Si：6.0‑8.0％，Fe：1.5％‑2.5％，Cu：0.8～1.2％，Mg：0.2～0.35％；B：0.01‑0.03％，Sr：0.01‑0.03％，其他杂质元素≤0.3％，其中Mn≤0.05％，Cr≤0.01％，余量为Al。该高强耐热铝合金材料添加元素价格低廉，不含稀贵元素，具有成本低的特点，同时充分利用有害Fe元素的高耐热性能，可实现杂质元素的有益转变，促进循环经济和资源高效利用的发展。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金材料技术领域，具体而言，涉及一种高强耐热铝合金材料及其制备方法。
背景技术
Al-Si铸造铝合金具有高比强度和比刚度、低膨胀系数和收缩率、良好的铸造成型性能，广泛用于汽车、摩托车、航空航天等领域。随着铝矿资源的日益枯竭，再生铝成为国内外解决铝资源短缺的普遍方法。由于再生铝的来源广、分选难度大，导致再生铝的品质低，应用受限。
Fe是再生铝中最为常见的杂质元素，形成的含铁相硬度高、脆性大，极大降低合金的强韧性。尤其是针片状富铁相，不仅割裂基体，同时也阻碍了共晶金属液的流动，成为气孔、缩松等铸造缺陷形成的重要源头，危害最大。然而，Fe并不总是有害的，Fe在压铸铝合金中可防止粘膜，此外Fe还可以作为高温相和耐磨相提高铝合金高温性能和耐磨性能。因此，如何将富铁相变废为宝，对实现资源的高效利用具有重要的现实意义。
研究发现，添加合金元素、熔体处理、提高冷却速度能显著地改善富铁相的形貌，从而缓解富铁相的危害。但由于富铁相形态的影响因素众多，且影响机制和程度的差异显著，导致富铁相的偏析、形态多样、尺寸偏大(≥20μm)及球形度低等问题，严重影响合金性能的提高。研究发现，与常温强化方式不同，高温时析出相强化是铸造耐热铝合金的主要强化方式，这些硬而脆的金属间化合物，能有效地阻碍晶界滑移和位错运动，提高高温强度。过剩相的熔点越高，成分和结构越复杂，高温下越稳定，强化效果也越好；过剩相的数量越多，越细小，其强化效果越好。因此，制备大体积分数、弥散分布、近球状、细小富铁相对提高合金耐热性能十分关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强耐热铝合金材料及其制备方法，其添加元素价格低廉，不含稀贵元素，具有成本低的特点，同时充分利用有害Fe元素的高耐热性能，实现了杂质元素的益转变，促进了循环经济和资源高效利用的发展。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种高强耐热铝合金材料，包括按照质量百分比计的如下成分：
Si：6.0-8.0％，Fe：1.5％-2.5％，Cu：0.8～1.2％，Mg：0.2～0.35％；B：0.01-0.03％，Sr：0.01-0.03％，其他杂质元素≤0.3％，其中Mn≤0.05％，Cr≤0.01％，余量为Al。
在可选的实施方式中，在高强耐热铝合金材料中，Si元素、Fe元素、Cu元素、Mg元素、B元素、Sr元素以及Al元素的质量百分比为：
Al-7.2Si-1.5Fe-0.8Cu-0.3Mg-0.02B-0.03Sr；
或者，Al-8.0Si-2.5Fe-1.0Cu-0.2Mg-0.02B-0.02Sr；
或者，Al-6.5Si-2.0Fe-1.2Cu-0.35Mg-0.01B-0.02Sr；
或者，Al-7.2Si-1.8Fe-0.9Cu-0.35Mg-0.02B-0.01Sr。
第二方面，本发明实施例提供一种前述实施方式的高强耐热铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
将废旧铝料重熔后得到熔体；
调整熔体中Si元素、Fe元素、Cu元素、Mg元素以及杂质元素中的Mn元素、Cr元素含量及其总量；
向熔体中加入Al-B中间合金，且在熔化后加入Al-Sr中间合金；
依次进行铸造成型、搅拌摩擦加工以及热处理。
在可选的实施方式中，在向熔体中加入Al-B中间合金的步骤前，还包括将熔体的温度调整至720±20℃。
在可选的实施方式中，铸造成型的步骤具体包括：
对加入了Al-Sr中间合金的熔体依次进行在线精炼、保温、扒渣后浇注成锭或浇入保温炉，并直供铸造成型设备，制备得到铸锭坯料或铸件产品。
在可选的实施方式中，搅拌摩擦加工的步骤具体包括：
对铸锭坯料或铸件产品的整体或局部进行搅拌摩擦加工，以实现在铸锭坯料或铸件产品上的一维直线/二维曲线/三维曲面的搅拌摩擦加工。
在可选的实施方式中，在对铸锭坯料或铸件产品的整体或局部进行搅拌摩擦加工之前，还包括：
将铸锭坯料和铸件产品固定于搅拌用夹具上，并将夹具安装于搅拌摩擦焊设备的工装区域；
安装搅拌头，并设定搅拌摩擦加工程序。
在可选的实施方式中，热处理的步骤具体包括：
将进行搅拌摩擦加工后的铸锭坯料或铸件产品放入热处理炉中进行加热加工，且在淬火后进行人工时效处理。
在可选的实施方式中，加热加工的步骤具体为在热处理炉中加热至520～560℃，保温6～24小时。
在可选的实施方式中，人工时效处理的工艺温度为155～200℃，且保温3～8h。
本发明的实施例至少具备以下优点或有益效果：
本发明的实施例提供了一种高强耐热铝合金材料，其包括按照质量百分比计的如下成分：Si：6.0-8.0％，Fe：1.5％-2.5％，Cu：0.8～1.2％，Mg：0.2～0.35％；B：0.01-0.03％，Sr：0.01-0.03％，其他杂质元素≤0.3％，其中Mn≤0.05％，Cr≤0.01％，余量为Al。其中Si元素的加入可提高合金的流动性和铸造成型性；Fe为耐热元素，与Al、Si等元素形成针片状的β-Al5FeSi相；Cu是主要的强化元素，与Al形成Al2Cu，并在随后的高温固溶和时效过程中均匀析出，提高铸件室温和高温强度。Mg主要与Si形成Mg2Si强化相，与Al2Cu实现双相强化，共同提高合金的室温强度。B的作用主要体现在两方面，一方面作为活性元素富集在富铁相前沿，抑制β-Al5FeSi相的长大，细化β-Al5FeSi相的厚度和长度；另一方面与熔体中的Al、Ti、V等元素形成弥散分布纳米级(Al,Ti,V)B2复合粒子，细化α-Al晶粒，同时作为高温质点，提高高温性能。Sr作为共晶硅的有效变质剂和表面活性元素，大幅减小共晶硅尺寸和抑制β-Al5FeSi相的粗化。通过各成分的合理配比和优化，使得该高强耐热铝合金材料具有添加元素价格低廉，不含稀贵元素，成本低的特点，且可同时充分利用有害Fe元素的高耐热性能，实现杂质元素的有益转变，促进了循环经济和资源高效利用的发展。
本发明的实施例还提供了一种高强耐热铝合金材料的制备方法，其通过熔铸改性法和塑性加工法相结合，制备均匀、弥散分布、高球形度的超细富铁相，大幅提高合金的强韧性和耐热性。同时，其利用搅拌摩擦加工及高温热处理，将细长的针状富铁相折断、球化，获得小尺寸、高球形度、均匀分布的富铁相，其平均等效粒径可达2μm以下，球形度达到0.90以上，大幅提高合金的强韧性和高温性能，因此可充分利用有害Fe元素的高耐热性能，实现了杂质元素的益转变，促进了循环经济和资源高效利用的发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的实施例1提供的高强耐热铝合金材料的金相组织图，其中，灰白色颗粒的为富铁相。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明的实施例提供了一种高强耐热铝合金材料，包括按照质量百分比计的如下成分：
Si：6.0-8.0％，Fe：1.5％-2.5％，Cu：0.8～1.2％，Mg：0.2～0.35％；B：0.01-0.03％，Sr：0.01-0.03％，其他杂质元素≤0.3％，其中Mn≤0.05％，Cr≤0.01％，余量为Al。
其中，其中Si元素的作用是提高合金的流动性和铸造成型性；Fe是主要的耐热元素，可以与Al、Si等元素形成针片状的β-Al5FeSi相；Cu是主要的强化元素，可以与Al形成Al2Cu，并在随后的高温固溶和时效过程中均匀析出，提高铸件室温和高温强度，但由于过量的Cu会提高合金的凝固区间温度，易形成缩松等铸造缺陷，因此需要含量需严格控制；Mg主要与Si形成Mg2Si强化相，与Al2Cu实现双相强化，可以进一步地提高合金的室温强度，但Mg的加入会显著降低合金塑性，因此含量也需要严格控制。B的作用主要体现在两方面，一方面作为活性元素富集在富铁相前沿，抑制β-Al5FeSi相的长大，细化β-Al5FeSi相的厚度和长度；另一方面与熔体中的Al、Ti、V等元素形成弥散分布纳米级(Al,Ti,V)B2复合粒子，因此可细化α-Al晶粒，同时作为高温质点，提高高温性能；Sr作为共晶硅的有效变质剂和表面活性元素，大幅减小共晶硅尺寸和抑制β-Al5FeSi相的粗化。
因此，通过各成分的合理配比和优化，使得该高强耐热铝合金材料具有添加元素价格低廉，不含稀贵元素，成本低的特点，且可同时充分利用有害Fe元素的高耐热性能，实现杂质元素的益转变，促进了循环经济和资源高效利用的发展。
需要说明的是，在高强耐热铝合金材料中，各成分在实施例中的具体用量比可选择为Al-7.2Si-1.5Fe-0.8Cu-0.3Mg-0.02B-0.03Sr；
或者，Al-8.0Si-2.5Fe-1.0Cu-0.2Mg-0.02B-0.02Sr；
或者，Al-6.5Si-2.0Fe-1.2Cu-0.35Mg-0.01B-0.02Sr；
或者，Al-7.2Si-1.8Fe-0.9Cu-0.35Mg-0.02B-0.01Sr。在其他实施例中，还可以根据需求对各成分的用量进行调整，本发明的实施例不做限定。
参阅图1，本发明的实施例还提供了一种前述实施方式的高强耐热铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将废旧铝料重熔后得到熔体；
需要说明的是，将废旧铝料重熔后，首先需要炉内取样测试熔体的化学成分，以方便根据所需要的成分含量对熔体的各元素成分进行调节。同时，本发明的实施例采用废旧铝料作为原料，还可以控制原料成本，从而保证经济效益。当然，在其他实施例中，也可以利用该方法对非废旧的铝料进行处理，本发明的实施例不做限定。
S2：调整熔体中Si元素、Fe元素、Cu元素、Mg元素以及杂质元素中的Mn元素、Cr元素含量及其总量；
也即，通过对熔体的成分进行调节，使其满足Si：6.0-8.0％，Fe：1.5％-2.5％，Cu：0.8～1.2％，Mg：0.2～0.35％，其他杂质元素≤0.3％，其中Mn≤0.05％，Cr≤0.01％，从而以便于后续原料的成分的调节和加入。
S3：向熔体中加入Al-B中间合金，且在熔化后加入Al-Sr中间合金；
该步骤目的在于引进Al、B以及Sr元素，使得Al与Fe、Si等元素形成针片状的β-Al5FeSi相，且与Cu形成Al2Cu，并在随后的高温固溶和时效过程中均匀析出，提高铸件室温和高温强度。使得B富集在富铁相前沿，抑制β-Al5FeSi相的长大，细化β-Al5FeSi相的厚度和长度，同时与熔体中的Al、Ti、V等元素形成弥散分布纳米级(Al,Ti,V)B2复合粒子，细化α-Al晶粒，同时作为高温质点，提高高温性能。同时，使得Sr元素可以作为共晶硅的有效变质剂和表面活性元素，大幅减小共晶硅尺寸和抑制β-Al5FeSi相的粗化。
需要说明的是，在向熔体中加入Al-B中间合金的步骤前，还包括将熔体的温度调整至720±20℃，以保证Al-B中间合金可在适宜的温度下熔化，避免产生不必要的有害相，同时保证合金材料的性能的优异性。
S4：依次进行铸造成型、搅拌摩擦加工以及热处理。
需要说明的是，步骤S4具体包括：
S41：铸造成型：对加入了Al-Sr中间合金的熔体依次进行在线精炼、保温、扒渣后浇注成锭或浇入保温炉，并直供铸造成型设备，制备得到铸锭坯料或铸件产品；
S42：搅拌摩擦加工：对铸锭坯料或铸件产品的整体或局部进行搅拌摩擦加工，以实现在铸锭坯料或铸件产品上的一维直线/二维曲线/三维曲面的搅拌摩擦加工。
其中，在对铸锭坯料或铸件产品的整体或局部进行搅拌摩擦加工之前，还包括：将铸锭坯料和铸件产品固定于搅拌用夹具上，并将夹具安装于搅拌摩擦焊设备的工装区域；安装搅拌头，并设定搅拌摩擦加工程序，且加工程序的程序主要包括调整主轴角度、主轴转速、转向、加工速度、加工线路等程序，具体地参数选择可以根据需求在设备上进行设定，本实施例不做限定。
S43：热处理：将进行搅拌摩擦加工后的铸锭坯料或铸件产品放入热处理炉中进行加热加工，且在淬火后进行人工时效处理。其中，加热加工的步骤具体为在热处理炉中加热至520～560℃，保温6～24小时。人工时效处理的工艺温度为155～200℃，且保温3～8h。
通过铸造成型、搅拌摩擦加工以及热处理的设计，可制备均匀、弥散分布、高球形度的超细富铁相，大幅提高合金的强韧性和耐热性。同时，由于采用了搅拌摩擦加工及高温热处理工艺，还可以将细长的针状富铁相折断、球化，获得小尺寸、高球形度、均匀分布的如图1所示的富铁相，根据计算可知，其平均等效粒径可达2μm以下，球形度达到0.90以上，大幅提高合金的强韧性和高温性能。
下面采用具体地实施例进行详细地说明：
实施例1
本实施例中高强耐热铝合金材料的主要成分设计为：Al-7.2Si-1.5Fe-0.8Cu-0.3Mg-0.02B-0.03Sr。
该高强耐热铝合金材料的制备方法包括以下步骤：
S1：将废旧铝料重熔，炉内取样测试熔体的化学成分；
S2：调整熔体主要成分，包括Si、Fe、Cu、Mg含量及杂质元素Mn、Cr含量及其总量；
S3：调整熔体温度至720℃，加了Al-B中间合金，且在熔化后，加入Al-Sr中间合金；
S41：在线精炼、保温、扒渣后浇注成锭，制备铸锭坯料；
S42：设计用夹具，将铸锭固定在夹具上，并安装在搅拌摩擦焊设备的工装区域。安装搅拌头，设定搅拌摩擦加工程序，对铸锭整体或局部进行搅拌摩擦加工，以实现在铸锭坯料或铸件产品上的一维直线搅拌摩擦加工；
S43：对上述加工好的坯料放入热处理炉中，加热至520℃，保温12小时，淬火后进行人工时效处理，工艺温度为175℃，保温5h。
实施例2
本实施例中高强耐热铝合金材料的主要成分设计为：Al-8.0Si-2.5Fe-1.0Cu-0.2Mg-0.02B-0.02Sr。
该高强耐热铝合金材料的制备方法包括以下步骤：
S1：将废旧铝料重熔，炉内取样测试熔体的化学成分；
S2：调整熔体主要成分，包括Si、Fe、Cu、Mg含量及杂质元素Mn、Cr含量及其总量；
S3：调整熔体温度至740℃，加了Al-B中间合金，且在熔化后，加入Al-Sr中间合金；
S41：在线精炼、保温、扒渣后浇注成锭，制备铸锭坯料。
S42：设计用夹具，将铸锭固定在夹具上，并安装在搅拌摩擦焊设备的工装区域。安装搅拌头，设定搅拌摩擦加工程序，对铸锭整体或局部进行搅拌摩擦加工，以实现在铸锭坯料或铸件产品上的二维曲线搅拌摩擦加工；
S43：对上述加工好的坯料放入热处理炉中，加热至560℃，保温18小时，淬火后进行人工时效处理，工艺为200℃，保温6h。
实施例3
本实施例中高强耐热铝合金材料的主要成分设计为：Al-6.5Si-2.0Fe-1.2Cu-0.35Mg-0.01B-0.02Sr。
该高强耐热铝合金材料的制备方法包括以下步骤：
S1：将废旧铝料重熔，炉内取样测试熔体的化学成分；
S2：调整熔体主要成分，包括Si、Fe、Cu、Mg含量及杂质元素Mn、Cr含量及其总量；
S3：调整熔体温度至720℃，加了Al-B中间合金；且在熔化后，加入Al-Sr中间合金；
S41：在线精炼、保温、扒渣后浇入保温炉，直供铸造成型设备，制得铸件。
S42：设计用夹具，将铸件固定在夹具上，并安装在搅拌摩擦焊设备的工装区域。安装搅拌头，设定搅拌摩擦加工程序，对铸件局部进行搅拌摩擦加工，以实现在铸锭上的三维曲面搅拌摩擦加工；
S43：对上述加工好的铸件放入热处理炉中，加热至540℃，保温24小时，淬火后进行人工时效处理，工艺为180℃，保温3h。
实施例4
本实施例中高强耐热铝合金材料的主要成分设计为：Al-7.2Si-1.8Fe-0.9Cu-0.35Mg-0.02B-0.01Sr。
该高强耐热铝合金材料的制备方法包括以下步骤：
S1：将废旧铝料重熔，炉内取样测试熔体的化学成分；
S2：调整熔体主要成分，包括Si、Fe、Cu、Mg含量及杂质元素Mn、Cr含量及其总量；
S3：调整熔体温度至720℃，加了Al-B中间合金；且在熔化后，加入Al-Sr中间合金；
S41：在线精炼、保温、扒渣后浇入保温炉，直供铸造成型设备，制得铸件；
S42：设计用夹具，将铸件固定在夹具上，并安装在搅拌摩擦焊设备的工装区域。安装搅拌头，设定搅拌摩擦加工程序，对铸件局部进行搅拌摩擦加工，以实现在铸锭上的三维曲面搅拌摩擦加工。
S43：对上述加工好的铸件放入热处理炉中，加热至550℃，保温6小时，淬火后进行人工时效处理，工艺为155℃，保温8h。
实验例1
对实施例1-4所制备得到的高强耐热铝合金材料的室温和高温拉伸力学性能进行测定，结果如表1所示：
表1.实施例1～4合金室温和高温拉伸力学性能
结合表1的测定数据可知，本发明的实施例不仅采用原材料为废旧铝料，添加元素价格低廉，不含稀贵元素，具有成本低的特点，同时还可以充分利用有害Fe元素的高耐热性能，实现了杂质元素的益转变，显著提高铝合金材料的力学性能，促进了循环经济和资源高效利用的发展。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高强耐热铝合金材料，其特征在于，包括按照质量百分比计的如下成分：
Si：6.0-8.0％，Fe：1.5％-2.5％，Cu：0.8～1.2％，Mg：0.2～0.35％；B：0.01-0.03％，Sr：0.01-0.03％，其他杂质元素≤0.3％，其中Mn≤0.05％，Cr≤0.01％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的高强耐热铝合金材料，其特征在于：
在所述高强耐热铝合金材料中，所述Si元素、所述Fe元素、所述Cu元素、所述Mg元素、所述B元素、所述Sr元素以及所述Al元素的质量百分比为：
Al-7.2Si-1.5Fe-0.8Cu-0.3Mg-0.02B-0.03Sr；
或者，Al-8.0Si-2.5Fe-1.0Cu-0.2Mg-0.02B-0.02Sr；
或者，Al-6.5Si-2.0Fe-1.2Cu-0.35Mg-0.01B-0.02Sr；
或者，Al-7.2Si-1.8Fe-0.9Cu-0.35Mg-0.02B-0.01Sr。
3.一种权利要求1或2所述的高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将废旧铝料重熔后得到熔体；
调整所述熔体中所述Si元素、所述Fe元素、所述Cu元素、所述Mg元素以及所述杂质元素中的所述Mn元素、所述Cr元素含量及其总量；
向所述熔体中加入Al-B中间合金，且在熔化后加入Al-Sr中间合金；
依次进行铸造成型、搅拌摩擦加工以及热处理。
4.根据权利要求3所述的高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于：
在向所述熔体中加入所述Al-B中间合金的步骤前，还包括将所述熔体的温度调整至720±20℃。
5.根据权利要求3所述的高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述铸造成型的步骤具体包括：
对加入了所述Al-Sr中间合金的所述熔体依次进行在线精炼、保温、扒渣后浇注成锭或浇入保温炉，并直供铸造成型设备，制备得到铸锭坯料或铸件产品。
6.根据权利要求5所述的高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述搅拌摩擦加工的步骤具体包括：
对所述铸锭坯料或所述铸件产品的整体或局部进行搅拌摩擦加工，以实现在所述铸锭坯料或所述铸件产品上的一维直线/二维曲线/三维曲面的搅拌摩擦加工。
7.根据权利要求6所述的高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于，在对所述铸锭坯料或所述铸件产品的整体或局部进行搅拌摩擦加工之前，还包括：
将所述铸锭坯料和所述铸件产品固定于搅拌用夹具上，并将所述夹具安装于搅拌摩擦焊设备的工装区域；
安装搅拌头，并设定搅拌摩擦加工程序。
8.根据权利要求6所述的高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述热处理的步骤具体包括：
将进行搅拌摩擦加工后的所述铸锭坯料或所述铸件产品放入热处理炉中进行加热加工，且在淬火后进行人工时效处理。
9.根据权利要求8所述的高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于：
所述加热加工的步骤具体为在热处理炉中加热至520～560℃，保温6～24小时。
10.根据权利要求8所述的高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于：
所述人工时效处理的工艺温度为155～200℃，且保温3～8h。
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