一種含Mn可時(shí)效強(qiáng)化高硅鋁合金及其變形材制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于侶合金及其制備技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種含Mn可時(shí)效強(qiáng)化高娃侶合金 及其變形材制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高娃侶娃合金具有其他侶合金不可比擬的高比強(qiáng)度、高耐磨耐蝕性、低熱膨脹性 及良好的尺寸穩(wěn)定性，其鑄件已廣泛應(yīng)用于坦克、裝甲車(chē)W及汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上。然而，高 娃侶合金由于其鑄造組織中的層片狀共晶娃相難W細(xì)化，導(dǎo)致高娃侶合金的塑性極差，因 而其極少作為變形材使用。
[0003] 多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于提高高娃侶合金熱塑性研究，先后采用化學(xué)變質(zhì)處理， 并利用摩擦攬拌工藝、等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)或者大變形加工手段，尤其是中國(guó)專(zhuān)利 CN200810137603.0《一種含儀高娃侶合金的結(jié)構(gòu)材料及其制備方法》在不添加任何變質(zhì)劑 的前提下，通過(guò)熱處理結(jié)合熱塑性加工，開(kāi)發(fā)出一種低成本制造高強(qiáng)、塑性良好的含儀高娃 變形侶合金結(jié)構(gòu)材料件的工藝技術(shù)，為高娃侶合金作為低成本高性能金屬結(jié)構(gòu)材料成為奠 定了基礎(chǔ)。
[0004] 然而目前高娃變形侶合金普遍存在娃顆粒較粗大且分布不均勻，侶基體再結(jié)晶晶 ?；炀КF(xiàn)象嚴(yán)重的問(wèn)題。另外，為促進(jìn)高娃變形侶合金作為高性能結(jié)構(gòu)材料的廣泛應(yīng)用，應(yīng) 該在提高該類(lèi)合金性能的同時(shí)盡可能降低其生產(chǎn)制備成本。基于上述考慮，發(fā)明人從多級(jí) 尺度粒子強(qiáng)初化原理出發(fā)，經(jīng)過(guò)理論探討和實(shí)驗(yàn)論證，通過(guò)合金化析出亞微米級(jí)彌散相粒 子，與微米級(jí)晶娃顆粒共同作用，彌補(bǔ)微米級(jí)共晶娃顆粒分布不均勻的缺陷，促進(jìn)侶基體再 結(jié)晶形核，釘扎侶基體晶界遷移長(zhǎng)大，最終獲得均勻細(xì)小等軸晶的侶基體中彌散分布著細(xì) 小微米級(jí)娃顆粒、亞微米級(jí)彌散相粒子及納米級(jí)析出相粒子的高娃變形侶合金顯微組織， 從而獲得了具有良好強(qiáng)塑性、耐蝕性和耐磨性的高娃侶合金變形材。同時(shí)，發(fā)明人還通過(guò)調(diào) 節(jié)合金化、熱處理及熱變形等多個(gè)工藝環(huán)節(jié)的參數(shù)，更進(jìn)一步降低發(fā)明合金的制備加工成 本，W擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 如上所述，本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有含Mg高娃侶合金鑄錠塑性變形能力較差、其變形材侶 基體再結(jié)晶晶粒混晶現(xiàn)象嚴(yán)重兩大問(wèn)題，提出采用添加適量Mn元素，在不采用變質(zhì)處理的 條件下，通過(guò)DC鑄造制備出可時(shí)效強(qiáng)化的高娃侶合金及其變形材的方法。
[0006] 本發(fā)明提供一種含Mn可時(shí)效強(qiáng)化高娃侶合金，其特征在于成分范圍為：Sill~ 13wt%，Mg 0.5~1.0wt%，Mn 0.1~3.0訊1%，化<0.5訊1%，其他合金元素單個(gè)元素含量< 0. %，總含量< 0.5wt %，余量為Al。
[0007] 上述合金可認(rèn)為是在可時(shí)效強(qiáng)化的4X X X系(Al-Si系)合金中加入了Mn元素，合 金成分中的Mn含量為0.1~3.Owt%，而Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在共晶范圍內(nèi)，且Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5~ 1. Owt %。運(yùn)種合金可采用DC鑄造方法制備鑄錠，且無(wú)需經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理。
[0008] 本發(fā)明還提供了一種含Mn可時(shí)效強(qiáng)化侶合金制造變形材的方法，其特征在于包括 W下步驟：
[0009] ①合金烙煉，采用石墨粘±相蝸在電阻爐中烙煉，首先加入侶，待侶半烙化時(shí)加入 娃；當(dāng)金屬全部烙化，添加少量覆蓋劑，控制烙體溫度在730°C~750°C之間保溫直至Si完全 溶解;當(dāng)娃全部溶解，烙體溫度達(dá)到720°C~740°C加入儘劑并充分?jǐn)埌枥芋w;待烙體溫度達(dá) 至|J740°C~750°C時(shí)加入純儀，并充分?jǐn)埌?然后造渣、除氣精煉，停電，靜置烙體；
[0010] ②鑄造成型，采用半連續(xù)方式鑄造(DC鑄造)成型，誘鑄溫度為690°C~700°C;
[0011] ③預(yù)形核處理，將上述成分的合金鑄錠在循環(huán)風(fēng)爐中進(jìn)行低溫預(yù)先形核處理，處 理溫度為200°C~450°C，時(shí)間為地~IOh;
[0012] ④均勻化處理，預(yù)形核處理后接著進(jìn)行短時(shí)均勻化處理，溫度550°C，時(shí)間化~化；
[0013] ⑤熱變形，均勻化處理后將鑄錠切頭銳面，重新加熱至470°C~490°C，熱變形總量 >85% ；
[0014] ⑥固溶水澤處理，熱變形材經(jīng)540°C~550°C保溫20min~40min，水澤；
[0015] ⑦時(shí)效處理，固溶水澤材于165°C~185°C保溫化~12h。
[0016] 本發(fā)明的合金其烙鑄工藝的具體步驟如下：
[0017] 1.烙煉合金的原料為99.7 %的工業(yè)純侶，工業(yè)純娃，工業(yè)純儀，儘劑。
[0018] 2.先加入純侶，采用石墨粘±相蝸在電阻爐中烙煉，待純侶半烙化時(shí)，加入工業(yè)純 Sio
[0019] 3.當(dāng)金屬全部烙化且烙體溫度達(dá)到730°C~750°C時(shí)，添加少量覆蓋劑，保溫直至 Si完全溶解。
[0020] 4.待娃全部烙化后烙體溫度達(dá)到720°C~740°C加入儘劑并充分?jǐn)埌枥芋w，待烙體 溫度達(dá)到740°C~750°C時(shí)加入純儀，并充分?jǐn)埌?，添加少量覆蓋劑。
[0021] 5.造渣、除氣精煉，爐子停電，烙體靜置20min，待烙體溫度降至690°C~700°C時(shí)， 采用半連續(xù)方式鑄造成型。
[0022] 上述步驟3、4、5所設(shè)及的覆蓋劑由腺1、1邑(：12和化尸2組成，其中腺1占50%，1邑(：12占 28%，CaF2 占 22%。
[0023] 上述成分范圍的合金鑄錠進(jìn)行熱處理，具體實(shí)施步驟如下：
[0024] 1.合金鑄錠先在循環(huán)風(fēng)爐中進(jìn)行雙級(jí)均勻化處理:第一級(jí)處理200°C~450°C保溫 地~IOh;第二級(jí)550°C保溫化~化，W調(diào)控含Mn的彌散相粒子及娃顆粒組態(tài)。
[0025] 2.將雙級(jí)均勻化處理后的鑄錠切頭銳面。
[00%] 3.將步驟2所得鑄錠重新加熱至470°C~490°C，進(jìn)行熱變形，熱變形總量>85%。 [0027] 4.將熱變形材于540°C~550°C保溫20min~40min固溶水澤處理。
[00巧]5.對(duì)步驟4固溶處理后的變形材進(jìn)行人工時(shí)效，具體工藝為：165°C~185°C，保溫 化~1化。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下有益效果：
[0030] 1.成分設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)單、低成本、可大量利用回收廢侶作為原料。
[0031] (1)本發(fā)明合金成分的特點(diǎn)在于控制合金中Mn含量為0.1~3.Owt% ,Mn是侶合金 中的常加合金元素之一，具有價(jià)格低廉，簡(jiǎn)便易操作的特點(diǎn)。本發(fā)明合金中添加Mn元素的目 的在于形成彌散相，含Mn彌散相粒子在變形過(guò)程中阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，形成大量高密度位錯(cuò)纏 結(jié)區(qū)域，可W通過(guò)形變誘發(fā)形核機(jī)制(Particle stimulated nucleation，簡(jiǎn)稱(chēng)PSN)，有效 促進(jìn)變形材再結(jié)晶形核并釘扎再結(jié)晶后的晶界遷移，抑制晶粒長(zhǎng)大，從而獲得晶粒細(xì)小均 勻的侶基體，同時(shí)含Mn彌散相粒子對(duì)Al基體還具有一定的強(qiáng)化作用，另外，Mn還可W改變侶 合金中含化結(jié)晶相的形貌，由針狀A(yù)WeSi相轉(zhuǎn)變?yōu)楣趋罓預(yù)WeMnSi相；
[0032] (2)Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在共晶范圍內(nèi)11~13wt% ,Si不僅可W降低侶合金合金化成 本，而且還能減輕侶合金的比重，同時(shí)彌散分布的粒狀娃顆粒還能保證侶基體具有足夠的 耐磨性及尺寸穩(wěn)定性。
[00削 （3)發(fā)明合金中Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5~1 .Owt% ,Mg在高娃侶合金中可W形成MgsSi強(qiáng) 化相，進(jìn)一步強(qiáng)化侶基體，而且還可W通過(guò)合適的時(shí)效工藝調(diào)控MgsSi強(qiáng)化相粒子組態(tài)，最 終獲得具有不同強(qiáng)塑性、初性、耐蝕性、耐磨性相匹配的高性能高娃侶合金變形材。
[0034] (4)發(fā)明合金中Fe<0.5wt%，其他合金元素單個(gè)元素含量<0.2wt%，總含量< 0.5wt%，雜質(zhì)Fe及其它合金元素含量容許范圍均較大，便于大量利用回收廢侶，進(jìn)一步降 低成本。
[0035] 2.低溫預(yù)處理+短時(shí)高溫均勻化處理的雙級(jí)均勻化工藝有效降低均勻化處理工藝 成本，并能明顯改善合金熱變形能力。
[0036] 為顯著提高發(fā)明合金的塑性變形能力，本發(fā)明在系統(tǒng)研究常規(guī)高溫均勻化處理前 的預(yù)先形核溫度及時(shí)間，對(duì)半連續(xù)鑄造制備的發(fā)明合金鑄錠中含Mn彌散相粒子的形核析出 熱力學(xué)、長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)過(guò)程及其在基體中的分布規(guī)律，W及對(duì)非平衡結(jié)晶相共晶Si回溶、球化 等行為的影響規(guī)律，最終發(fā)明能有效調(diào)控發(fā)明合金鑄錠中含Mn彌散相粒子及共晶娃顆粒尺 寸、數(shù)量和分布的預(yù)先熱處理制度，獲得能顯著改善發(fā)明合金塑性變形能力的彌散相預(yù)先 形核及共晶娃顆粒球化的熱處理方法。
[0037] 由于本發(fā)明方法只需將鑄錠在常規(guī)均勻化處理前的隨爐加熱過(guò)程中的某一低溫 段(200°C~450°C)進(jìn)行一定時(shí)間（4h~IOh)的保溫處理，然后再加熱至常規(guī)均勻化處理所 需的溫度(550°C)保溫化~化，從工藝上來(lái)說(shuō)很容易實(shí)現(xiàn)，而且較常規(guī)均勻化處理550°C X 24h大大縮短了時(shí)間，降低了溫度，節(jié)省能源降低成本。而且第一級(jí)200°C~450°CX4h~IOh 的預(yù)處理及第二級(jí)550°C X化~化雙級(jí)均勻化處理工藝在現(xiàn)有的侶合金均勻化處理生產(chǎn)線 上實(shí)施時(shí)控制簡(jiǎn)單方便，不必增加設(shè)備及工藝投資。
[0038] 3.發(fā)明合金經(jīng)本發(fā)明方法處理后，具有優(yōu)良的冷熱塑性加工性能，可W通過(guò)熱擠 壓、熱社、冷社等方式加工成型。其變形材再經(jīng)固溶時(shí)效處理后獲得細(xì)小等軸晶侶基體晶粒 上彌散分布著微米級(jí)娃顆粒、亞微米彌散相粒子、納米級(jí)析出相粒子的顯微組織。該類(lèi)變形 材具有優(yōu)異的比強(qiáng)度、耐蝕耐磨性、熱膨脹系數(shù)低、易氧化著色的特點(diǎn)，可部分取代現(xiàn)有 6XXX