本發(fā)明涉及一種采用微合金化和溫壓工藝復(fù)合制備高強(qiáng)al-si鑄鍛合金的方法，屬于金屬材料及制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在航空航天及汽車等領(lǐng)域，在保證強(qiáng)度的條件下減輕重量以節(jié)約材料和減少運(yùn)行中的能量消耗是人們長期追求的目標(biāo)，也是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的趨勢之一。密度小、比強(qiáng)度高的鋁合金作為優(yōu)良的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料成為了首選。
鑄造鋁合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能、鑄造成型性能、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢，因而受到國內(nèi)外研究工作者的廣泛重視。其中al-si合金因其良好的鑄造流動性、較好的力學(xué)性能、低的熱膨脹系數(shù)和良好的耐腐蝕性能而成為最為廣泛的鑄造鋁合金系列。
傳統(tǒng)al-si鑄造合金雖然能成形較復(fù)雜的零件，但強(qiáng)度有限，性能較低，變形性能較差。常規(guī)條件下，合金組織中的共晶硅相以針狀、棒狀或者板條狀析出，在受力過程中易產(chǎn)生應(yīng)力集中，存在對基體的割裂作用，致使合金的變形和力學(xué)性能受到很大限制。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種采用微合金化和溫壓工藝復(fù)合制備高強(qiáng)al-si鑄鍛合金的方法。
本發(fā)明所制備的高強(qiáng)al-si鑄鍛合金的成分按質(zhì)量百分比構(gòu)成如下：
si2.98～3.50％，mg0.50～0.65％，cu0.50～0.65％，zr0.15～0.25％，sc0.05％，鋁為平衡余量。
各成分按質(zhì)量百分比優(yōu)選如下：
al95.24％，si3.5％，mg0.50％，cu0.50％，zr0.21％，sc0.05％。
本發(fā)明采用微合金化和溫壓工藝復(fù)合制備高強(qiáng)al-si鑄鍛合金的方法，包括如下步驟：
步驟1：配料
按照配比量稱取對應(yīng)質(zhì)量的純al、al-si中間合金、al-mg中間合金、al-cu中間合金、al-zr中間合金及al-sc中間合金；
步驟2：熔煉鑄造制備合金鑄錠
2a、將步驟1稱取的純al、al-si中間合金加入到預(yù)熱好的坩堝內(nèi)，預(yù)熱溫度為350℃，而后隨爐一起升溫到730℃，全部熔化后靜置并保溫25min；
2b、將步驟1稱取的al-cu中間合金、al-zr中間合金加入到2a中獲得的合金熔液中，全部熔化后靜置并于730℃保溫15min；
2c、將2b獲得的合金熔液的溫度降至700℃，用鋁箔包裹加入步驟1稱取的al-sc中間合金、al-mg中間合金，全部熔化后攪拌，并于700℃保溫靜置10min，使其成分?jǐn)U散均勻；
2d、向2c獲得的合金熔液中加入精煉劑c2cl6精煉除氣，將精煉后所得的鋁合金熔體在700℃保溫靜置10～15min后用扒渣工具除渣，最后在矩形金屬模具中澆鑄成型，獲得合金鑄錠；精煉劑c2cl6的添加質(zhì)量為2c獲得的合金熔液質(zhì)量的1～1.5％；
步驟3：溫壓處理
將步驟2獲得的合金鑄錠在溫度和速率可控的壓力機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制完成后將試樣迅速置入水中，冷卻后即得高強(qiáng)al-si鑄鍛合金。
步驟3中，壓制溫度為250～350℃，應(yīng)變速率為0.4×10-3s-1～0.4×10-1s-1，壓縮量為70％。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：
1、本發(fā)明由于合金中所設(shè)計(jì)的si元素含量為3.5％，使得此成分的al-si合金既可以鑄造成型，又因鑄后組織中si相含量較低，使合金也具有一定的變形性能。
2、本發(fā)明合金中復(fù)合添加了微量的合金元素mg、cu、zr、sc，mg、cu元素在后期的熱處理過程中形成mg2si、cual2等析出時(shí)效相，起到了強(qiáng)化合金性能的作用。稀土元素sc不僅可以細(xì)化晶粒，還可與雜質(zhì)元素結(jié)合形成稀土化合物，凈化了晶界，消除了雜質(zhì)元素的有害作用，在熱處理過程中，能夠析出細(xì)小、彌散、與基體保持共格關(guān)系的l12型al3(sc,zr)相，該析出相對提高鋁合金強(qiáng)韌性和抑制合金變形組織再結(jié)晶具有顯著效果。
3、本發(fā)明在于采用控制溫度和應(yīng)變速率的溫壓工藝對合金鑄錠進(jìn)行變形處理，通過亞結(jié)構(gòu)控制的方式提高強(qiáng)度，制得的高強(qiáng)al-si鑄鍛合金的抗拉強(qiáng)度范圍為259.2～338.1mpa，均優(yōu)于一般al-si鑄造合金的力學(xué)性能(a356合金t6態(tài)抗拉強(qiáng)度一般不高于240mpa)。
具體實(shí)施方式
以下將通過具體的實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該可以理解，實(shí)施例僅用于示意說明，而不能限制本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍。
本發(fā)明所用鋁中間合金原料，對其來源沒有特別限制，在市場上購買的或按照本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的常規(guī)方法制備的均可。
本發(fā)明所制備的高強(qiáng)al-si鑄鍛合金的成分按質(zhì)量百分比構(gòu)成如下：
si2.98～3.50％，mg0.50～0.65％，cu0.50～0.65％，zr0.15～0.25％，sc0.05％，鋁為平衡余量。
本發(fā)明采用微合金化和溫壓工藝復(fù)合制備高強(qiáng)al-si鑄鍛合金的方法如下：
步驟1：配料
按照配比量稱取對應(yīng)質(zhì)量的純al、al-si中間合金、al-mg中間合金、al-cu中間合金、al-zr中間合金及al-sc中間合金；
步驟2：熔煉鑄造制備合金鑄錠
2a、將步驟1稱取的純al、al-si中間合金加入到預(yù)熱好的坩堝內(nèi)，預(yù)熱溫度為350℃，而后隨爐一起升溫到730℃，全部熔化后靜置并保溫25min；
2b、將步驟1稱取的al-cu中間合金、al-zr中間合金加入到2a中獲得的合金熔液中，全部熔化后靜置并于730℃保溫15min；
2c、將2b獲得的合金熔液的溫度降至700℃，用鋁箔包裹加入步驟1稱取的al-sc中間合金、al-mg中間合金，全部熔化后攪拌，并于700℃保溫靜置10min，使其成分?jǐn)U散均勻；
2d、向2c獲得的合金熔液中加入精煉劑c2cl6精煉除氣，將精煉后所得的鋁合金熔體在700℃保溫靜置10～15min后用扒渣工具除渣，最后在矩形金屬模具中澆鑄成型，獲得合金鑄錠；精煉劑c2cl6的添加質(zhì)量為2c獲得的合金熔液質(zhì)量的1～1.5％；
步驟3：溫壓處理
將步驟2獲得的合金鑄錠在溫度和速率可控的壓力機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制完成后將試樣迅速置入水中，冷卻后即得高強(qiáng)al-si鑄鍛合金。
步驟3中，壓制溫度為250～350℃，應(yīng)變速率為0.4×10-3s-1～0.4×10-1s-1，壓縮量為70％。
下面結(jié)合表1中各實(shí)施例的具體制備參數(shù)對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
表1實(shí)施例1-9的實(shí)驗(yàn)參數(shù)
實(shí)施例1：
本實(shí)施例中采用微合金化和溫壓工藝復(fù)合制備高強(qiáng)al-si鑄鍛合金的方法如下：
步驟1：配料
按照表1中95.24％al、3.5％si、0.50％mg、0.50％cu、0.21％zr和0.05％sc的質(zhì)量百分比，稱取736.3g純鋁(純度為99.99％)、162.5gal-21.54％si中間合金、10gal-50.38％mg中間合金、12.5gal-39.97％cu中間合金、53.9gal-3.9％zr中間合金和24.8gal-2.02％sc中間合金，配料總質(zhì)量為1000g；
步驟2：熔煉鑄造制備合金鑄錠
2a、將步驟1稱取的純al、al-si中間合金加入到預(yù)熱好的坩堝內(nèi)，預(yù)熱溫度為350℃，而后隨爐一起升溫到730℃，全部熔化后靜置并保溫25min；
2b、將步驟1稱取的al-cu中間合金、al-zr中間合金加入到2a中獲得的合金熔液中，全部熔化后靜置并于730℃保溫15min；
2c、將2b獲得的合金熔液的溫度降至700℃，用鋁箔包裹加入步驟1稱取的al-sc中間合金、al-mg中間合金，全部熔化后攪拌，并于700℃保溫靜置10min，使其成分?jǐn)U散均勻；
2d、向2c獲得的合金熔液中加入合金熔液質(zhì)量1～1.5％的精煉劑c2cl6精煉除氣，將精煉后所得的鋁合金熔體在700℃保溫靜置10～15min后用扒渣工具除渣，最后在矩形金屬模具中澆鑄成型，獲得合金鑄錠；
步驟3：溫壓處理
將步驟2獲得的合金鑄錠在溫度和速率可控的壓力機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制溫度為250℃，應(yīng)變速率為0.4×10-1s-1，壓縮量為70％；壓制完成后將試樣迅速置入水中，冷卻后即得高強(qiáng)al-si鑄鍛合金。
對本實(shí)施例制得的樣品進(jìn)行性能分析：
采用“50knsanscmt-5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)”測量樣品的抗拉強(qiáng)度達(dá)到338.1mpa。
實(shí)施例2：
本實(shí)施例的制備過程參見實(shí)施例1，不同的是制備參數(shù)的區(qū)別，具體見表1。
對實(shí)施例2制得的樣品進(jìn)行性能分析：
采用“50knsanscmt-5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)”測量樣品的抗拉強(qiáng)度達(dá)到325.7mpa。
實(shí)施例3：
本實(shí)施例的制備過程參見實(shí)施例1，不同的是制備參數(shù)的區(qū)別，具體見表1。
對實(shí)施例3制得的樣品進(jìn)行性能分析：
采用“50knsanscmt-5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)”測量樣品的抗拉強(qiáng)度達(dá)到311.9mpa。
實(shí)施例4：
本實(shí)施例的制備過程參見實(shí)施例1，不同的是制備參數(shù)的區(qū)別，具體見表1。
對實(shí)施例4制得的樣品進(jìn)行性能分析：
采用“50knsanscmt-5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)”測量樣品的抗拉強(qiáng)度達(dá)到326.2mpa。
實(shí)施例5：
本實(shí)施例的制備過程參見實(shí)施例1，不同的是制備參數(shù)的區(qū)別，具體見表1。
對實(shí)施例5制得的樣品進(jìn)行性能分析：
采用“50knsanscmt-5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)”測量樣品的抗拉強(qiáng)度達(dá)到292.7mpa。
實(shí)施例6：
本實(shí)施例的制備過程參見實(shí)施例1，不同的是制備參數(shù)的區(qū)別，具體見表1。
對實(shí)施例6制得的樣品進(jìn)行性能分析：
采用“50knsanscmt-5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)”測量樣品的抗拉強(qiáng)度達(dá)到279.4mpa。
實(shí)施例7：
本實(shí)施例的制備過程參見實(shí)施例1，不同的是制備參數(shù)的區(qū)別，具體見表1。
對實(shí)施例7制得的樣品進(jìn)行性能分析：
采用“50knsanscmt-5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)”測量樣品的抗拉強(qiáng)度達(dá)到280.3mpa。
實(shí)施例8：
本實(shí)施例的制備過程參見實(shí)施例1，不同的是制備參數(shù)的區(qū)別，具體見表1。
對實(shí)施例8制得的樣品進(jìn)行性能分析：
采用“50knsanscmt-5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)”測量樣品的抗拉強(qiáng)度達(dá)到273.4mpa。
實(shí)施例9：
本實(shí)施例的制備過程參見實(shí)施例1，不同的是制備參數(shù)的區(qū)別，具體見表1。
對實(shí)施例9制得的樣品進(jìn)行性能分析：
采用“50knsanscmt-5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)”測量樣品的抗拉強(qiáng)度達(dá)到259.2mpa。
本發(fā)明制得的高強(qiáng)al-si鑄鍛合金的抗拉強(qiáng)度范圍為259.2～338.1mpa，均優(yōu)于一般鑄造al-si鑄造合金的力學(xué)性能(a356合金t6態(tài)抗拉強(qiáng)度一般不高于240mpa)。而且采用此工藝方法制備高強(qiáng)al-si鑄鍛合金簡單易行，生產(chǎn)成本低廉，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造領(lǐng)域具有非常廣闊的生產(chǎn)應(yīng)用前景，適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
以上已對本發(fā)明創(chuàng)造的較佳實(shí)施例進(jìn)行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明創(chuàng)造精神的前提下還可做出種種的等同的變型或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。